PASOTRON光控脉冲馈气系统及实验研究

PASOTRON光控脉冲馈气系统及实验研究

王 彬 ，谢文楷，黎晓云，鄢 扬，高昕艳

(电子科技大学物理电子学院 成都 610054)

【摘要】设计制作的等离子体辅助慢波振荡器光控脉冲馈气系统能以任意脉冲宽度给等离子体阴极电子枪馈气，同时以任意时间延迟提供触发信号给调制器，启动空心阴极辉光放电。系统应用了光纤传输控制信号以隔离150 kV直流负高压。用研制系统进行脉冲馈气条件下的电子枪放电实验结果表明，能满足设计和使用要求。

关 键 词 等离子体; 慢波振荡器; 光控脉冲馈气系统; 氢闸流管; 脉冲馈气 中图分类号 TN12 文献标识码 A

Fibre-Optic Controlled Gases-Puff System for PASOTRON

and It’s Application

Wang Bin，Xie Wenkai，Li Xiaoyun，Yan Yang，Gao Xinyan

(School of Physical Electronics, UEST of China Chengdu 610054)

Abstract The plasma-assisted slow-wave oscillator is a class of unique high-power microwave source，A class of fibre-optic controlled gases-puff system for plasma-cathode electron gun of the plasma assisted slow-wave oscillator is developed in this paper. Gases were injected into the hollow cathode, and the modulator is triggered at arbitrary delay to generate low-pressure glow discharge at the same time. And the discharge experiment of the electron gun in this system was presented. Operating on pulse-gas-puff-pressure at 0.28~0.4 Pa, representative discharge current up to 120~167 A, and transporting e-beam current up to 80 A.

Key words Plasma; slow-wave oscillator; fibre-optic controlled gas-puff system; triggered to the hydrogen thyratron switch; pulse gas-puff

等离子体辅助慢波振荡器(Plasma Assisted Slow-Wave Oscillator, PASOTRON)是近年来出现的一类等离

子体填充微波管[1]，具有高功率，高效率，无须外加磁场等优点。这类器件的独特性质是使用等离子体阴极电子枪和自产生等离子体通道在不存在外加引导磁场下电子束的传输[2]。在PASOTRON中，一个重要的问题是对等离子体阴极电子枪和传输聚束系统以及慢波结构中的气体压强进行控制。产生辉光放电的气体压强的典型值为600～6 000 Pa，而波纹波导慢波结构中的气体压强一般应在70 Pa附近，如果使用一个稳态或者是连续的馈气系统对PASOTRON进行馈气，这种压差很难实现，本文考虑的一种瞬态的馈气系统。将一个短脉冲加在馈气压电阀上，使得阀门短时间打开，注入足够的气体到已抽真空的腔体，以一定的时间延迟触发调制器工作输出脉冲电压以引起空心阴极放电。气体注入是定时的，气体扩散的速度小于电子束脉冲通过的速度，因此在气体还没扩散到慢波结构的时，电子束脉冲已经通过了慢波结构，实现了束-波互作用。

电子抢的加速阳极接地，而空心阴极与加速阳极(地)之间有−150 kV的负高压。馈气阀门与电子枪连接， 收稿日期：2003 − 06 − 30

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60081001)

作者简介：王 彬(1979 − )，男，硕士生，主要从事物理电子学方面的研究.

第1期 王 彬 等: PASOTRON光控脉冲馈气系统及实验研究 51

因此也是悬浮在−150 kV的负高压上，所以必须隔离控制，本系统是采用光纤通信办法来达到隔离控制。

1 PASOTRON光控脉冲馈气系统

PASOTRON光控脉冲馈气系统主要包括三大部分：1) 直流高压产生部分；2) 脉冲产生部分；3) 驱动电路部分。直流高压产生电路部分包括一个函数发生器，一套光发光收电路以及一个30 V/200 V(可调)直流变换器；脉冲是由单片机电路产生，为了隔离控制，加上了一套光发光收电路(与直流高压部分的光发光收是一样的电路)；驱动电路直接与压电阀门相接，是用场效应管搭成。光控脉冲馈气系统的框图如图1所示。

光纤函数发生器从串口到计算机光纤单片机驱动、光发电路光收放大电路驱动电路驱动、光发电路光收放大电路30 V/200 V可调直流变换器阀门调制器专用触发电路

图1 系统结构框图

图中函数发生器：产生频率连续可调的高频方波(22～80 kHz)。打开脉冲馈气阀门的200 V可调高压是通过他激式直流变换器获得，激励源是20～80 kHz的方波，该方波是用一个单片的函数发生器ICL8038来获得。ICL8038可以精确的产生正弦波(sine)、方波(square)、三角波(triangular)以及锯齿波(sawtooth)。并通过调节其输出方波的频率来调节直流变换器的输出电压值。

驱动、光发电路：由驱动电路和发光管组成，将控制脉冲或高频方波由电信号转变成光信号并通过光纤发送到接收端。由于隔离控制的距离不到10 m，因此在光发电路中可不用选择昂贵的激光管，采用红外光发射管。在光发射电路中必须注意限制发光管电流，电流过大极易导致发光管的烧毁。

光收放大电路：由光电接收管和放大电路组成，接收光发电路发射过来的信号，并把它还原成电信号，并对其进行整型放大。

30 V/200 V直流高压电路：DC/DC他激式直流变换器，实验证明：其输出电压幅值可以通过改变函数发生器输出方波的频率来调节[3]。

驱动电路：简单的放大电路。主要由场效应管和大功率电阻构成将控制脉冲的幅值放大到直流高压电路提供的电压幅值，驱动压电阀门(压电阀开启电压在200 V左右)。

单片机：作用是输出两路脉冲：馈气脉冲(脉宽控制压电阀开启时间)，馈气脉冲宽度可变，其宽度是压电阀门开启时间长度；触发脉冲(触发调制器)，触发脉冲宽度固定，较馈气脉冲有一定延迟时间(可调)，起到触发作用。单片机选用89ATC2051满足系统的需求，编程语言采用单片机C语言，直接控制单片机管脚电平高低以产生脉冲，脉冲宽度以及延迟时间长短由单片机内部的定时器/计数器控制；而脉冲的触发可通过外部中断完成：检测P3.3管脚电平，下降沿触发；改变脉冲宽度以及延迟时间可由计算机通过串行通信将数据传输给单片机实现[4, 5]。

2 脉冲馈气等离子体阴极电子枪实验

研制的PASOTRON光控脉冲馈气系统，能产生任意宽度脉冲(精确到0.1 ms)对悬浮在负高压上的脉冲馈气阀(压电阀或电磁阀)供电，以控制馈气压强；同时能以任意的时间延时(精确到0.05 ms)产生触发信号提供给调制器，触发氢闸流管工作，从而输出脉冲调制信号给等离子体阴极电子枪，启动低压辉光放电。

本文对等离子体阴极电子枪进行脉冲馈气条件下的放电电流实验。在馈气脉冲宽度为50 ms，触发信号延时为48 ms(以馈气脉冲上升沿为时间零点)的情况下，等离子体电子枪脉冲馈气放电电流与调制器电压的关系如图2所示。图中箭头所指是在调制器电压为7.2 kV时，脉冲馈气的放电电流达到125 A。图3所示为示波器(Tektronix-TDS 360)上截取的典型放电电流波形，横轴时间为10 ms/格，纵轴电压为20 V/格。

52 电 子 科 技 大 学 学 报 第33卷

150130I/A11090704 5 6 7 8U/kV

图2 放电电流与电压的关系 图3 TDS 360示波器上的放电电流波形

对等离子体阴极电子枪也进行了脉冲馈气条件下的高压电子束实验。在直流高压为40 kV，调制器脉宽为60 μs时，收集极电流为80 A。收集极电流波形如图4所示，横轴时间为10 ms/格，纵轴电压为50 V/格。

在脉冲馈气情况下，通过电子枪出口处的玻璃窗，观察到维持活性预放电光点及低压辉光放电亮斑，如图5所示。

图4 TDS 360示波器上的高压电子注波形 图5 低压辉光放电

3 结 论

研制的光纤通信的PASOTRON光控脉冲馈气系统，能产生精确宽度脉冲控制馈气压强以及任意时间延迟触发氢闸流管工作，从而输出脉冲调制信号给等离子体阴极电子枪，启动低压辉光放电。实验表明，该系统能满足脉冲馈气等离子体阴极电子枪工作的要求。

参 考 文 献

[1] Goebel D M. High-current, low-pressure plasma-cathode electron gun[P]. US patent 5537005,1996 [2] 谢文楷. 等离子体阴极电子枪及其特性[J]. 电子科技大学学报, 1996, 25(增刊): 17-23 [3] 大塚巖. 直流稳定电源[M]. 北京: 科学出版社, 1979

[4] 张俊谟. 单片机中级教程-原理与应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1999

[5] 马忠梅, 马 岩, 张 凯, 等. 单片机C语言应用程序设计[M]. 北京: 北京航天航空大学出版社, 1997

编 辑 孙晓丹