[发明专利]一种用于太赫兹回旋管调频的阴极高压电源

说明书

本发明公开了一种用于太赫兹回旋管调频的阴极高压电源，包括主电路、检测电路和控制电路，主电路包括与回旋管阴极依次连接的三级线性滤波电路、二级Boost调控电路和一级高压电路，三级线性滤波电路包括工作在线性放大区的半导体器件，二级Boost调控电路包括高频开关管和串联电阻，高频开关管的频率根据其开关损耗及响应速度确定；控制电路用于根据回旋管输出频率计算得到回旋管所需调控电压，并根据所需调控电压依次开启不同级电路的电压调控，通过调节各级电路的输出电压以稳定回旋管的输出频率。本发明能有效抑制阴极电压纹波，实现阴极高压电源快速响应、可调控、高精度的电压输出，进而实现回旋管大带宽、高稳定度的频率输出。

技术领域

本发明属于回旋管调频技术领域，更具体地，涉及一种用于太赫兹回旋管调频的阴极高压电源。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1～10 THz的电磁波，具有高频、大带宽、强透射性、高波谱分辨率、强生物兼容性等特性，被评为“改变未来世界的十大技术”之一。回旋管作为一种高功率太赫兹辐射源，在实现太赫兹技术应用的领域内具有独特的优点。在回旋管的各种应用中，研究者较为看重的是回旋管的可调谐范围和频率稳定性，并要求回旋管能够输出数百MHz的可调谐频率且稳定性至少要达到0.1％。影响回旋管工作频率的因素有很多，其中阴极高压电源对频率的影响最大，阴极高压电源的高精度、快响应输出是实现回旋管频率调谐的重要前提(见英文论文“The Gyrotron for DNP-NMR spectroscopy-A Review”)，因此，设计高精度(0.1％)、快响应(100μs)且可调控(1kV)的高压电源是实现回旋管调频的关键。

目前已有很多可以做到20kV、输出1A以上的高压直流电压源，但是传统的高压电源是市电通过整流、逆变、高频升压、倍压整流和稳压等步骤得到的，其输出电压中包含多个频率的纹波，难以达到回旋管对阴极高压电源稳定性的需求，且其响应速度较慢，难以在回旋管持续工作的状态中进行调节。为了实现高稳定度的电压输出，需要研究高压电源的纹波抑制方案。高压电源纹波的抑制主要分为无源滤波、有源滤波两种方法。

无源滤波有常见的RLC滤波、耦合变压器滤波、LTCC无源器件滤波等。无源滤波存在体积大、影响电路的响应速度、造成原信号的失真等缺点。其中RLC电路在截止频率时增益会减小3dB，而耦合变压器滤波器会影响电路的响应速度。有源滤波包括开关滤波和线性滤波。开关滤波是通过工作在开关状态的开关管及运算放大器构成的集成滤波器。这种方法会引入由开关管开通关断产生的高频谐波，电压稳定性无法达到很高。线性滤波是通过工作在线性放大区的半导体器件对电压纹波进行串联补偿或对电流纹波进行并联补偿。这种方法的优点是半导体器件工作在线性放大区，进行补偿时不会产生其他的纹波，电压稳定度很高，同时补偿效果不受纹波频率变化的影响。缺点是这种状态下功耗较大，难以使用其进行大范围的电压调控，当电路电压、功率等级较高时要考虑半导体器件结温对线性放大区特性的影响。所以工作在线性放大区区的半导体器件适合小范围调压的滤波电路中，而不适合用于大范围的电压调控。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于太赫兹回旋管调频的阴极高压电源，能有效抑制阴极电压纹波，实现快速响应、可调控、高精度的电压输出，进而实现回旋管大带宽、高稳定度的频率输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于太赫兹回旋管调频的阴极高压电源，包括主电路、检测电路和控制电路，主电路包括与回旋管阴极依次连接的三级线性滤波电路、二级Boost调控电路和一级高压电路，三级线性滤波电路包括工作在线性放大区的半导体器件，二级Boost调控电路包括高频开关管和串联电阻，高频开关管的频率根据其开关损耗及响应速度确定；

一级高压电路，用于将市电转换成直流高压 V_S1输出；