王显静 张永喜 舒燕
北京真空电子技术研究所, 北京100015）
摘要：阴极作为放射电子的部件，在电真空器件制作工艺中，阴极的老练工艺是极为重要的部分。在传统的老练、测试工艺中，需要测试人员实时监控阴极的工作状况，经常一次老练时间长达好几个小时，大大增加了人力成本。本文设计的八工位阴极老练测试系统可控制多个测试工位，同时完成八组电子枪阴极的自动老炼和测试功能。
该系统采用MCU+MCGS+工控机的方案，系统由八个测试单元、水冷系统和上位机软件组成。每个测试单元包括阴极高压脉冲调制器、灯丝电源和控保系统组成，每个测试单元可以独立完成对一支电子枪阴极的测试试验。本文所设计的系统可实现全智能化工作，完成对八组电子枪阴极的测试及老练功能。
关键字：电子枪阴极，阴极，老练测试，MCGS，工控机，脉冲调制器
中图分类号： TP29 文献标识码： A 文章编号：
Design of an Eight Position Cathode Aging Test System
Wang Xian jing，Zhang Yong xi，Shu Yan
（Beijing Vacuum Electroics Research Institute，Beijing 100015，China）
Abstract：Cathode is a part of radiating electron. In the manufacturing process of electric vacuum devices, the sophisticated technology of cathode is a very important part. In the traditional sophisticated testing process, testers need to monitor the working condition of the cathode at any time, often for several hours at a time, which is a great waste of human resources. The multi station cathode aging test system designed in this paper can control multiple test stations and complete the automatic aging and testing functions of multiple groups of electron gun cathodes at the same time.
The system adopts the scheme of MCU + MCGS + industrial computer,which is composed of eight test units, water cooling system and PC software. Each test unit consists of Cathode high-voltage pulse modulator, Filament power supply and Control and protection system. Each test unit can independently test the cathode of an electron gun. The system designed in this paper can achieve full intelligent work, complete the testing and sophisticated function of eight groups of electron gun cathodes.
Key words: Electron gun cathode, Cathode, Sophisticated test, MCGS, Industrial computer, Pulse modulator
在真空电子器件制作工艺中，阴极老练工艺是其中极为重要的部分。在工作过程中，阴极不同的工作状态处在不同的温度和电压下。由于阴极材料不尽相同，工艺规范不相同，需要测试系统具有较广的适用性。
随着新技术不断融入到真空电子器件的研制过程，阴极老练的智能化和自动化越来越重要。由于阴极的测试对系统的要求较高，不管是灯丝电源的上升速度和稳定度，还是A/D采集系统的采样速度和采样稳定度，以及调制器脉冲的边沿和稳定度等都要进行严格的设计和测试，否则这些细节都将导致无法精确监控和分析阴极老练过程，甚至会造成对电子枪阴极的损坏。
因此对阴极老练测试系统中的优化设计就显得尤为必要，本文基于传统的测试工艺流程设计了一种智能的自动化八工位阴极测试和老练的系统。
1 整体系统方案
八工位阴极老练测试系统由八个测试单元、水冷系统和上位机软件系统组成。每个测试单元采用基于Cortex-M3的ARM控制器作为本地控制中心，系统具有本控及程控两种工作模式。本控模式采用标准RS-485接口与触摸屏进行数据交互通信，实现本地的电源参数设定与监测。程控模式通过标准RS-485总线与工控机进行通信，实现系统的全智能化处理。所有控制状态下，触摸屏和工控机均可实时显示相应采集数据。
每个测试单元由阴极高压脉冲调制器、灯丝电源和控保系统组成。阴极高压脉冲调制器采用高压开关电源与固态调制器模式，实现全固态系统的要求；灯丝电源采用悬浮式开关稳压电源模式；控保系统通过ARM控制器采集和控制两个电源的参数信息实现，本系统中所有数据交互都通过隔离变换电路，实现系统的电气隔离。系统的整体原理框图如图1所示，
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在水冷系统中设置有八个支架用来放置待测试的阴极，上位机可以实时监测测试过程中的冷却水状态，当冷却水异常时，系统会及时报警并结束测试，从而避免阴极损坏。
2 测试单元
2.1 阴极调制器
阴极高压脉冲调制器的高压输出部分采用ZVS电路拓扑结构，如下图2所示：
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与普通移相全桥电路相比，增加了一个谐振电感和4个二极管。变压器原副边电流是不连续的，在电流截止期间ZVS开通是通过二极管D5，D6，D7，D8分别给L1、C1、C3和L2、C2、C4提供了充放电回路来实现的；在主功率传输期间工作状态和普通移相全桥电路一致。
该电路结构简单，在目前运用较广泛的移相全桥变换电路稍加改进就可实现；所有开关管均为零电压开通和零电压关断；二极管D5、D6、D7、D8还对变压器原边电压起嵌位作用，减小电感L1、L2 和变压器副边绕组间分布电容产生的震荡；与负载状态无关，电感L1、L2上的电流一直保持半个周期，下半个周期电流换向。所以在整个轻负载和满载范围内，均可实现软开关功能，大大提高了电源的工作效率。
2.2灯丝电源
灯丝电源采用推挽的工作原理，控制电路部分采用脉宽调制集成电路SG3525的频率调制方式实现对灯丝电流的控制。
由于灯丝电源悬浮在5kV的脉冲高压上，所以需要灯丝电源具有较强的抗脉冲干扰能力，本系统通过采用脉冲扼流圈和高压隔离变压器等措施,解决了大电流开关动作时,灯丝电源系统抗5kV高压反馈脉冲的冲击问题。
2.3 控保系统
通过RS-232总线与主控设备处理器通信，得到阴极老练需要放大的电压值，通过软件控制D/A转换，输出不同电压信号，功率放大电路将电压信号放大到阴极老练需要的电压值。同时也会根据主控设备处理器发出的命令对5路模拟信号进行A/D转换，把转换数字量结果发送给主控设备处理器。
在调试过程中发现模拟量信号板软件采集AD数据的时间会比较慢，信号稳定以后采集的AD数字量变化幅度比较大。通过查阅ADUC845芯片的资料发现AD转换的时间是受以下公式影响的：
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由此可见，SF寄存器的数据设置会对AD转换的快慢产生影响，改变设置后，AD转换的时间提高了几乎10倍，大大提高了主控处理器对各种信号AD转换数字量的采集速度。由于ADUC845数据采集板在执行AD转换的时候，采集到的AD数字量会受到干扰，导致数据变化会比较大，因此模拟量信号板软件对这些刚转换的AD数字量进行了防抖动处理。
通过RS-485总线分别与触摸屏或工控机通讯，接收这些控制设备发出的监测命令，执行命令要求，把需要的监测结果发送给控制设备。通信协议采用标准的Modbus-RTU标准协议模式，具有可靠、安全、简单、传输稳定的特点。软件采用RT-thread操作系统,在此操作系统上程序可实现多线程操作,分时处理各项任务,使软件能实时、高效的完成控制设备发出的监测任务。主控设备处理器软件流程图如下图3所示。
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2.4 MCGS组态系统
触摸屏人机界面软件是在MCGS嵌入版组态软件平台上设计的，它具有简单灵活的可视化操作界面，能够控制相对应的阴极老练电源进行相应的操作，实时显示每台阴极电源的工作运行状态以及阴极电源、灯丝电源的电压、电流，当阴极老练电源出现灯丝过流、过压以及缺水等异常情况时，软件界面会实时给予警告。触摸屏人机界面软件如下图4所示。
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3上位机系统
上位机软件是远程控制系统的一部分，采用北京三维力控软件平台。通过上位机软件，可以方便操作员集中监控8个工位电源的工作运行状态。除此以外，还可以记录、存储每个工位的测试数据，并保存为文件。通信协议采用标准的Modbus-RTU标准协议模式，具有可靠、安全、简单、传输稳定的特点。下图5是上位机软件的监控界面。
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4 试验测试
本文所介绍的八工位阴极老练测试系统已顺利交付用户使用，设备运行状态良好，阴极脉冲电压UL = -10V～-5kV，阴极脉冲电流IL =5mA～10A，稳定度≤5×10-3；灯丝电压稳定度≤0.1%；完全达到了阴极老练测试老练的要求。调试过程中发现开启灯丝电源后由于升压过程过快，会对电子枪阴极造成损害，通过对主控设备处理器软件中对灯丝升压、降压的程序部分进行了重新分析、设计和处理，经过示波器监测以及经多次软件调试和试验后，此问题已得到彻底解决。下图6是整个八工位阴极老练测试台的实物图。
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5 结论
目前八工位阴极老练测试系统已经正式使用，八工位阴极老练测试系统能够方便、快捷的控制八台阴极老练电源，实时采集、处理、显示八台电源的高压脉冲、灯丝的电压、电流信号，并且能够把八台电源老练状态和测试状态的实时数据通过上位机软件保存下来，以供测试人员将来对该数据进行分析、处理。从而可以大大节省人力、物力，也为以后类似产品的设计提供了一种值得借鉴的方法。
参考文献
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