高压脉冲形成网络

通过本章前三节的学习可知，高压脉冲形成网络（pulse forming network，PFN）处于高压脉冲调制系统的关键器件之首。在医用电子直线加速器中，之所以设置PFN，其根本目的是用来产生磁控管或速调管所需要的高压方波负脉冲。因为这种PFN器件是根据传输线理论而设计的仿真传输器件，所以，PFN通常也被称为仿真传输线（simulate real transmission line），简称“仿真线”。

根据前几节的论述我们可以知道，这种仿真线其实兼具两个功能，即：充电储能和放电脉冲两个阶段，而前者是为后者服务的，或者说前者是准备阶段，后者才是产生高压方波负脉冲的“冲刺”阶段。

在充电储能阶段，仿真线可以等效于一个集中电容器参数，这在本章第二节中已经做过比较详细的论述。充电储能原理，见图2-11-3及其相关的说明，这里不再重复。

仿真线的基本理论和关键技术在于它的高压放电方波脉冲功能。

为了说明问题，我们先假设放电脉冲回路用的不是PFN，而是一个已经充过高压电的大容量的电容器，那么，第二节中的图2-11-7就可以简化为图2-11-16A所示的等效RC高压放电回路。因为这种放电脉冲回路通常要工作在阻抗匹配状态，为便于分析问题，我们将等效阻抗（Z0、ZL）直接用等效电阻（R0、RL）来表示，这样可使问题大为简化。

显然，这是一种典型的RC放电回路。根据前面的论述可知，我们最关心的是放电回路中负载上的电压（VL）波形和放电电流［i（t）］波形，因此，图2-11-16B同时画出了等效负载上的电压变化曲线（波形），该曲线其实也就是等效放电回路的放电电流波形。因我们只研究放电回路的阻抗匹配状态，即RL＝R0时的脉冲放电规律，所以，负载RL上的电压峰值是电容器充电电压的0．5倍。即VL maix＝0．5V0，而且负载RL上的电压峰值是出现在放电回路开关（闸流管）闭合（t＝0）的瞬间。此后，负载RL上的电压和电流都按指数规律衰减，直到电容器放电结束时，负载电压和放电电流都降到零为止。

图2-11-16　RC放电回路原理与负载电压波形

显然，图2-11-16B所示的放电脉冲曲线并不是我们所期望的脉冲波形。如果把这种高压放电脉冲加在磁控管或速调管上，不可能产生加速管所需要的微波能量。

而采用充电之后的PFN作为高压放电脉冲回路的激励源时，负载上的电压（VL）波形和放电电流［i（t）］波形就发生了根本变化。图2-11-17展示的就是PFN的等效放电回路原理图A和负载上的电压波形与电流波形图B。这时，R0表示PFN的特征阻抗（激励源内阻）。图2-11-17中的波形就是在阻抗匹配情况下，即RL＝R0时得到的负载脉冲波形，可见，这是一种近似的方波脉冲，可以满足磁控管或速调管对高压脉冲波形的基本要求。

图2-11-17　PFN等效放电回路原理与负载电压波形

采用充电之后的PFN作为高压放电脉冲回路的激励源时，之所以能够产生所期望的高压方波脉冲，是基于开放式传输线理论而专门设计的高压脉冲形成网络。现将开放式传输线的基本工作原理介绍如下。

开放式传输线的基本理论基础可用图2-11-18进行解释。图中假设有两根无限长的真实平行传输线（real transmission line）。不难想象，当合上开关S1接通电源Edc时，直流电压Edc不可能在同一时刻立即加在两根传输线的每一个点上，而是以图示的电压（E）脉冲波和电流（I）脉冲波的形式沿传输线向远处顺序传输。其中，电流脉冲波从电源的正极流出，沿上面的传输线向前传输，并从下面的传输线返回电源负极。

图2-11-18　开路传输线的传输特性

从理论上分析，当接通电源之后，之所以不能瞬间传遍整条传输线，是因为传输线本身存在着无数个等效串联电感，而两根平行传输线之间也存在着无数个等效并联电容，这些等效电感和等效电容统称为传输线的“分布参数”，相应的等效阻抗就被称为传输线的“特征阻抗”。传输线的等效分布参数，见图2-11-19。

图2-11-19　开路传输线的等效分布参数

不难理解，电压（E）脉冲波和电流（I）脉冲波在传输线上的传播速度，与传输线的分布参数有关，也可以说与传输线的特征阻抗有关。如果用L0表示传输线的等效电感，用C0表示传输线的等效电容，那么，根据严格的理论分析和数学推导可知，脉冲波在传输线上的传播速度等于等效电感与等效电容乘积平方根的倒数，即：

在架空传输线上，脉冲波的传播速度大约等于光速（3×108　m/s），据此，如果知道了传输线的长度，就可以计算出脉冲波的传播时间。

如果作为储能器件来使用，可以截取一段足够长的有限传输线，一端连接电源，另一端处于开路状态。当电压（E）脉冲波和电流（I）脉冲波从电源端传输到另一端时，如果没有振荡和反射（在阻抗匹配的情况下），电压（E）脉冲波和电流（I）脉冲波就停止了传输，两根传输线之间的分布电容上就储存了以电源电压为其端电压的电场能量。显然，传输线越长，可供储存的能量越高，但传输时间也越长。

开路传输线的放电脉冲原理，见图2-11-20。这里的假设条件是，已经对传输线进行了高压充电，并将充电电源断开。这时，在传输线的另一端连接一个电阻负载RL，并且让RL的阻抗值等于传输线的特征阻抗R0，那么，在负载RL上就会产生0．5倍于充电电压的电压（E）脉冲波和电流（I）脉冲波，直至放电结束为止。这其实就是一种方波脉冲放电过程。理论分析表明，放电脉冲波的传播速度与充电脉冲波的传播速度是相同的。图2-11-20中L表示两条有限传输线的长度，t表示这种脉冲波的持续时间，如果波速v按光速（3×108　m/s）计算，那么如果要产生2μs的方波脉冲，计算可得传输线的长度大约是600m。可见，用如此长的传输线来作为储能并产生方波脉冲的器件，在实际应用中是难以想象的。为此，人们想到了用集中参数来模拟传输线分布参数的方式，较好地解决了这一难题。

图2-11-20　开路传输线放电脉冲

将图2-11-19所示的分布参数用集中参数来模拟真实传输线的脉冲形成网络，见图2-11-21。可见，这种脉冲形成网络其实就是医用电子直线加速器的高压脉冲调制系统所采用的高压脉冲形成网络（pulse forming network，PFN）。

与真实传输线的“分布参数”和“特征阻抗”相比，图示集中参数构成的高压脉冲形成网络（PFN）的等效参数和等效阻抗基本相同，因此，将充电之后的PFN接通放电负载时，在负载上形成的脉冲波形与链接真实传输线时形成的脉冲波形基本上是一样的。通过调节各个串联电感的感抗和并联电容的容抗，可以模拟不同长度的真实传输线，从而可以获得所需宽度（脉冲时间）的方波脉冲。以上就是PFN的基本工作原理。

图2-11-21　仿真线的等效集中参数