医用加速器氢闸流管.pdf

医用加速器用氢闸流管医用加速器用氢闸流管 李宗超 曾利明 国力真空电器有限公司 摘要：摘要：本文对氢闸流管的基本结构、工作特点、发展状况和医用加速器用闸流管的技术要求、应用特点、国内外市场做了概述和评论。关键词：关键词：氢闸流管、玻璃结构、陶瓷结构 氢闸流管、磁控管（速调管）和加速管一起构成了医用加速器中的三大类关键电真空器件。他们分别在脉冲调制器，磁控管振荡器（或速调管放大器）和形成高能电子射线和 X射线中发挥着重要作用。加速器的微波功率源如图 1 所示，它的任务是产生并输出具有一定频率、一定脉冲包络宽度、功率为一定大小的超高频振荡。脉冲调制器脉冲调制器（闸流管）（闸流管）磁控管磁控管 振荡器振荡器 图 1 加速器的微波功率源方框图 氢闸流管是脉冲调制器中的关键器件，它把脉冲间隙储存的电能在脉冲期瞬间转换形成功、激光器、高能物理、医用电子始，6以分为玻璃型、陶瓷型和金属-陶瓷型三大类。管内结构管（含辅助栅极）。氢闸流管不加灯丝电压时管内处于高真空状态（210Pa），加灯丝厂外，其它厂家几乎不生产玻全能实现。强功率脉冲，激励磁控管振荡器产生超高频振荡。之所以采用氢闸流管作为主开关器件的原因在于，它具有功率大、效率高，脉冲调制器线路简单，使用方便和造价低廉等优点。从世界上第一只氢闸流管诞生到现在已经过去半个多世纪了，氢闸流管作为一种高率高效率的脉冲开关器件越来越受到重视，总产值近 5 年来几乎增长了一倍。氢闸流管是否会被固态器件所代替的讨论，已很少再有人会感兴趣了。随着现代科学技术的发展，氢闸流管在雷达脉冲调制器、直线加速器、工业电子直线加速器和撬棒保护电路等领域得到了越来越广泛的应用。我国从上世纪 50 年代引进苏联的氢闸流管（-35/3-400/16）技术开到 0 年代中苏关系破裂，苏联专家撤走，我们把重点转向西方，学习英、美的先进技术。后来在“独立自主，自力更生”的思想指导下，各厂、所进行的国产化自行设计。我国的闸流管事业走过了一条曲折而漫长的道路。一、氢闸流管的结构和工作特点一、氢闸流管的结构和工作特点 氢闸流管就其管壳结构基本可随用途不同，设计变化很大，品类繁多。但基本结构为管内填充氢气或氘气的三极管和四极-4电压后储氢器可维持氢闸流管在所需要的最佳工作氢压。陶瓷闸流管是当今闸流管的主流结构，目前除 E2V 和 772璃结构的闸流管。众所周知，陶瓷结构除具有坚固耐用外，还有很多优点，比如：结构设计合理、体积小、功率大（可以设计多间隙来实现高电压）、适合规模生产等。陶瓷闸流管作为脉冲开关，进一步提高功率，从理论上没有限制，工艺上也完典型的陶瓷结构如图 1 所示。目前商品闸流管的电参数已经做到：触发器触发器 加速管加速管 直流高压电源直流高压电源速调管放大器速调管放大器 1 脉冲功率：1GW 平均功率：1MW 工作电压：200KV 脉冲电流：100KA 平均电流：50A 图 2 典型的陶瓷结构 的关的工作电压和电流几乎 玻璃结构型闸流管（如图 3 所示）是 E2V 公司的经典产品，工艺细腻、结构独特是别制造厂家无法比拟的，我国玻璃闸流管同他们有较大的差距。但玻璃结构型本身存在着无法逾越的固有缺点，进一步提高开已经不可能，因而除了老产品不会有进一步发展。玻璃闸流管的开关能力目前做到：脉冲功率：16.5MW 平均功率：16.5KW 工作电压：33KV 脉冲电流：1KA 平均电流：1.25A 图 3 典型的玻璃结构 虑防止长路放电，因而阳-栅极 氢闸流管工作在帕邢曲线的左支，阳-栅间隙设计主要考间距离不过 3mm 左右，同陶瓷的间隙不过 1mm 左右，间隙耐压大于 33KV-40KV。采用杯状结构的原因是管外工作于帕邢曲线的右支，因而必须有足够的距离。2栅极设计成正启动特性，栅极槽孔完全被栅极挡板所屏蔽，所以即使不加负偏压闸流管也能，目的在于增加发射面积，而占用的空间却很小。有效的工作特点，因而栅极触发电压必须有一定的功率才能使整管导通，这能控制导通而不能控制管内电流截止（不能关断）的脉冲关的最大脉冲功率，其值在线性调制器里，等于最大阳大平均功率，其值在线性调制器里，等于最大阳大瞬时正电压，单间隙闸流管一般为 3340KV，峰忽略不计。这个值受限于阴极的发射管阳极最大容许的热损耗。等于 V*I*f 流瞬时值。、寿命长、参数余量大、E2V 公司闸流管占统治地位、对时间 X1140，CX1140A，CX1159，CX1551，CX1559 为 E2V 产品或仿制产品。大的差距，主要反映在工作稳定性、寿命和外观。验，新型工艺设备、测量手段的建立和采 是外观均受到好评。特别是闸流管的储氢热工作。使阳极加上了额定的正高压闸流管也不会导通。承受很高的电压。阴极多采用翼片结构 氢闸流管内设计了一个或多个储氢器，用来补充放电中气体的损耗，以提高寿命。储氢器内填充钛氢（或氘）化合物（或别的氢化物）。好的储氢器设计受温度的影响小，有很宽的工作范围。氢闸流管具有正启动的同一般电子管是有很大区别的。此外氢闸流管实际上是一种只开关器件。只有当阳极电压下降到不足以维持放电电离，放电电弧才会熄灭，电流中断。随后管内进入消电离过程，在此阶段如果加上电压，既是没有触发脉冲，氢闸流管也还会出现重复点火，这是我们要防止的。二、氢闸流管的主要电参数 二、氢闸流管的主要电参数 1、最大脉冲功率：闸流管可开极正向电压与最大脉冲电流乘积的 1/2。2、最大平均功率：闸流管可开关的最极正向电压与最大平均电流乘积的 1/2。3、峰值正向阳极电压：阳极对阴极的最多间隙管工作电压为单间隙耐压值乘以间隙数。4、阳极脉冲电流：阳极电流的最大瞬时值，尖面积和阴极容许的跳火电流。5、最大功率耗散系数：闸流 6、栅极启动电流：开始点燃阳极和阴极之间电弧时的栅极触发脉冲电 7、临界阳极电压：在某一规定的栅极电压下，使阳极引燃的阳极电压最小值。三、医用加速器用闸流管 三、医用加速器用闸流管 1、特点：工作稳定性好 参数如时间晃动和延迟要求不是很高。2、闸流管主要管型：2.1 玻璃闸流管包括：C 2.2 陶瓷闸流管包括：CX1154，CX1528 等 医用加速器市场所用氢闸流管，几乎全部 3、国内产品同 E2V 的差距 3.1 玻璃闸流管：同 E2V 有较 3.2 陶瓷闸流管：通过在 20Mev 等加速器上的多年使用，和我们做的满功率寿命试 表明工作稳定性和寿命同 E2V 基本相当。3.3 外观：过去的产品不如 E2V,去年以来，由于 用新技术、新材料，因而有很大改善。最近我们出口美国的闸流管无论是性能还 器工作电压范围我们可以做到 Ur=5.2V7.2V 超过了 E2V 给定的工作范围，而且中心值 的误差很小。这不仅延长了闸流管的寿命而且给使用带来了方便。4、闸流管的正确使用 4.1 防止闸流管过热或欠 4.2 当栅极电流小于启动电流时，即 4.3 闸流管不能用栅极来控制截止，也就是它不具备关断能力。34.4 闸流管放电熄灭后，尚需一定的消电离时间（几微妙到几时微妙），此间高压会使四、四、经过一段明显增长后，近 2 年处于平稳发展中。美国和英国仍然是主要 管子重复着火，不受栅极控制。世界闸流管市场 世界闸流管市场 世界闸流管市场的新品开发和生产国。其中：Litton(1)约占 48%，E2V（2）约占 35%，Perkin Elmer（3）约占 10%，Triton（5）约占 2%。如图 4 所示 图 4 世界闸流管市场占有比例 5 所示 世界闸流管年增长率如图 图 5 闸流管年增长率 高能物理（2 2）医用加速器（5 5）闸流管应用领域如图 6 所示 雷达脉冲调制器（4 4）激光器（3 3）工业加速器（6 6）撬棒（1 1）图 6 闸流管应用领域 Litton(L3)Litton(L3)：4 生产陶瓷-金属闸流管。峰值阳极电压达到 100KV，开关电流 20KA 主要 应用为雷达、激光器、科学试验和医用加速器等。E2VE2V：闸流管有 200 多个品种，阳极工作电压从 5KV200KV，峰值电流从 100A100KA Pekin ElmerPekin Elmer：生产陶瓷-金属闸流管，开关能力达到 20KA、75KV TritonTriton：生产的闸流管品种很多，但目前重点转移到一些特殊电子管。772772：（南京三乐）目前的生产能力为 33KV、1000A 以下的玻璃和陶瓷闸流管。GLGL：（国力真空电器有限公司）目前的生产能力 45KV、5000A 以下的陶瓷-金属闸流管，年产量约 600 只。五、GL 闸流管型号、主要参数同英、美闸流管厂家、型号对照表 五、GL 闸流管型号、主要参数同英、美闸流管厂家、型号对照表 峰值阳极峰值阳极峰值阳极峰值阳极平均阳平均阳国外 国外 国外 国外 国外 国外 国外 国外 序号 序号 管型 管型 正向电压 正向电压(KV)(KV)正向电流 正向电流(A)_(A)_ 极电流 极电流(A)(A)L-3 L-3 E2V E2V P Perkin erkin Elmer Elmer EIA EIA 1 1 25 25 1000 1000 1.25 1.25 1802 1802 GL-7322 GL-7322 L-4885L-488573 73 22222 2 GL-8613 GL-8613 16 16 500 500 0.5 0.5 L-4884L-4884 HY-1A HY-1A 8613 8613 3 3 GL-7620 GL-7620 20 20 600 600 0.5 0.5 L-4958L-4958 HY-10 HY-10 7620 7620 4 4 GL-1585 GL-1585 30 30 600 600 0.6 0.6 FX-1585 FX-1585 5 5 GL-1551 GL-1551 33 33 1000 1000 1.25 1.25 L-4946L-4946CX1551CX1551 6 6 GLGL-1159T-1159T 33 33 1000 1000 1.25 1.25 CX1159CX1159 7 7 GL-32 GL-32 35 35 1500 1500 2.2 2.2 L-4696L-4696 HY-32 HY-32 8 8 GL-1154D GL-1154D 35 35 3000 3000 2.2 2.2 CX1154L CX1154L 9 9 GL-1154 GL-1154 40 40 3000 3000 3 3 L-4904L-4904CX1154CX1154 1010 GL-8614 GL-8614 40 40 5000 5000 8 8 CX1174CX1174HY HY-5-586 86 141411 11 GL-1102 GL-1102 18 18 1000 1000 0.5 0.5 HY-1102 HY-1102 12 12 GL-3202 GL-3202 32 32 20000 20000 0.5 0.5 HY-3202 HY-3202 13 13 GL-1314 GL-1314 12 12 5000 5000 0.1 0.1 CX1314CX131414 14 GL-2800 GL-2800 35 35 12500 12500 0.5 0.5 CX2800CX2800 2006 年 8 月 31 日 5