高压脉冲调制系统概述

在医用电子直线加速器中，之所以设置高压脉冲调制系统（HT pulse modulator），主要原因在于加速电场是动态交变电场。前面已讲过，不论行波加速器还是驻波加速器，都是利用了微波功率在特定加速管内会激励产生行波或驻波加速电场的基本原理而设计制造的，而微波功率是由微波源产生的。我们已经知道，在医用电子直线加速器中，大功率微波源可以是磁控管，也可以是速调管。根据第9章讲解的基本结构与工作原理可知，不论磁控管还是速调管，都是由阴极和阳极两个主要部分构成的，在阴极与阳极之间都需要建立直流高压电场，而且，由于两种微波源都是阳极接地，所以必须在阴极上连接直流负高压，以建立管内所需强度和方向的高强度电场。根据工作原理可知，加在磁控管阴极上的负高压可以是直流静止电压也可以是方波脉冲负高压，但为了能够产生兆瓦级的输出功率，直接采用一般的直流高压电源是很难实现的，因此必须采用脉冲负高压为磁控管供电；而速调管的工作原理告诉我们，为了放大微波功率，也必须注入一簇簇高速运动的“电子注”，这就要求在阴极上也必须施加脉冲负高压，以便产生比磁控管还要高的微波输出功率。可见，向微波源提供脉冲负高压是能够产生高能微波功率的必要条件之一。

另外，为了让电子发射系统实时发射电子，以满足同步加速条件，必须对电子的发射时机（相位）、发射数量（脉冲波形和脉冲幅度）等进行有效控制。由此可见，“高压脉冲”和“脉冲调制”是一个问题的两个方面。为了产生大功率微波能量，必须设置“高压脉冲电源”；而为了满足电子与加速电场的同步加速条件，就必须设置“脉冲调制器”，两者合一就构成了高压脉冲调制系统。

由于频率太高和非线性等原因，脉冲电路一般不能采用集中参数进行分析计算，通常可用分布参数进行定性分析，并且用“脉冲波形”进行定量计算，这是脉冲电路与普通电路在分析计算方法上的主要区别。脉冲波形基本参数的定义，见图2-11-1。

一般来讲，脉冲波形并不是标准的方波或其他规则形状，为了便于分析计算，需对脉冲波形的相关参数进行统一规定，基本的脉冲波形参数有以下几种。

1．脉冲幅度（Vam）　是指脉冲波形顶部波动范围内的平均高度。

2．脉冲前沿（τf）　是从脉冲幅度Vam的5%上升到90%所需要的时间。

3．脉冲后沿（τc）　是从脉冲幅度Vam的90%下降到5%所需要的时间。

4．脉冲宽度（τ）　一般定义脉冲幅度Vam90%处的波形宽度为脉冲宽度。

图2-11-1　脉冲波形基本参数定义

图中横坐标代表时间轴；纵坐标代表脉冲幅度，通常以电压（Va）表示

5．脉冲波动系数（G）　指脉冲顶部的变化量ΔVam与脉冲幅度Vam的比值。

6．脉冲重复频率（FM）　单位时间内的脉冲次数，常用每秒脉冲次数（pps）表示。

7．脉冲周期（TM）　脉冲周期与脉冲重复频率互为倒数，即TM＝1/FM。

另外，还有脉冲峰值功率、平均功率和脉冲占空比等脉冲技术指标。

在医用电子直线加速器中，高压脉冲调制系统的脉冲幅度必须按照磁控管或速调管的要求来设计，脉冲电压峰值通常要求高达几十千伏（kV）甚至上百千伏（kV）。例如，磁控管M5193所要求的典型脉冲电压峰值为47kV；磁控管M5028所要求的典型脉冲电压峰值为51kV；速调管的脉冲电压峰值更高，通常要高达100kV以上。可见，高压脉冲调制系统的脉冲幅度即加在磁控管或速调管上的高压负脉冲的幅度是非常高的。而脉冲宽度则非常窄，行波加速器的高压脉冲宽度一般为2μs；驻波加速器的高压脉冲宽度通常是4μs。

为了产生微波源所需要的脉冲负高压，可以设计不同类型的高压脉冲调制系统。在医用电子直线加速器中，根据不同的安装条件，一般可分为：“独立式”高压脉冲调制系统（free standing power supply）和“机载式”高压脉冲调制系统（flyback power supply）两种类型。前者的高压部分可以单独组装于一个独立的调制柜内，也可以安装在加速器的支架内固定不动。按照加速器不同的能量要求，可以输出几十千伏（kV）至100多千伏（kV）的直流脉冲负高电压，通过高压电缆与加速器主机连接；后者则装载于机架内部，通常可以与机架一起转动。虽然两种高压脉冲调制系统产生的高压脉冲波形相似，但为了适应不同的设备安装条件，两种高压脉冲调制系统的基本结构和工作原理还是有很大差别的，本章随后两节将分别研究这两种高压脉冲调制系统的基本结构原理与各自的高压脉冲特点。