| 标题 | 太阳磁场望远镜KD*P高压脉冲电源设计 |
| 范文 | 林佳本 胡柯良 邓元勇 摘 要：为了提高太阳磁场的测量精度，采用新的电路设计方法实现了一套可以应用于怀柔太阳磁场望远镜KD*P电光调制器的高精度高压控制系统。系统中使用新技术制造的高压模块配合新的高压调制电路产生高精度的高压脉冲信号，系统输出的30 Hz高压方波时其上升沿和下降沿时间小于2 μs，输出1 000 V高压时上升沿结束2 μs后纹波小于2 V，提高了观测磁场数据的精度；同时，电路中加入了直流保护、放电保护等措施确保系统工作安全；所有控制逻辑、高压输出接口与原有系统兼容，保证系统可以快速切换，高效运转。 关键词：KD*P； 高压脉冲信号； 调制电路； 太阳磁场观测 中图分类号：TN911?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2013）02?0154?04 0 引 言 （1）怀柔太阳观测基地35 cm真空折射望远镜情况简介[1] 怀柔观测基地的太阳磁场望远镜是世界上最先进的磁场观测设备之一，自投入使用的20多年来，取得了大量国际一流的观测数据，依托这些先进的设备和数据，培养了一批有影响力的天文工作者，并以此为基础形成了一个具有国际竞争力的太阳物理研究群体。太阳磁场望远镜可以在太阳光球FeI 5 324.19 ? 和色球H 4 861.34? 两条谱线上工作，测量太阳大气中两个层次上的磁场、纵向速度场、亮度场等物理参量，是一台多功能的综合性太阳观测设备，可用于太阳磁场和磁活动的观测研究、日地空间灾害天气的监测和预报等多种用途。 太阳磁场望远镜的基本参数如下： 根据塞曼效应，纵向磁场使谱线分裂成左旋和右旋圆偏振光，它们的位相差为ΔλH。当KD*P上的电压为正时，只有左旋光波通过。CCD接收的光强度为I?；当KD*P上的电压为负时，只有右旋光通过，CCD接收的光强度为I+。此时产生光强差，它正比于磁场强度H。因此，可以建立起于磁场强度间的对应关系。这样就得到纵向场V。在磁场测量过程中，KD*P的正负极性交替出现，并被要求与CCD采样严格同步，但由于KD*P有响应时间（即有上升沿和下降沿），这一过程中KD*P不是所要求的1/4λ波片，因此会带来测量误差[3]。故此对KD*P的控制器提出了较高要求。从上述的测量原理中可以看出，加到KD*P晶体两端的高压须为理想的矩形高压脉冲序列才能保证测量结果的准确。而实际的电路系统中能够做到的就是采用合理的器件和电路，实现矩形波的延迟和上升沿时间满足测量精度要求。 原有的高压调制系统已经连续服役十多年，部分电子器件可能已经达到或超过使用期限，一方面高压波形的精度下降影响观测数据精度，而且成为故障隐患，维护代价逐年增加；另一方面新技术的发展使得可以实现波形更精确、操作更简单的高压控制系统，从而提高太阳磁场观测的精度。因此开发一套新的高压调制系统势在必行。另外，在我国正在推进的大型太阳空间科学卫星―空间太阳望远镜（SST）中，对磁分析器精度提出了更高需求[4]，也促使我们要提高现有的磁分析器精度。本文所讨论的磁分析器高压控制系统，采用了新型高压模块和新的调制电路实现高精度高压脉冲序列，并加入了直流、放电等保护电路；而在逻辑控制、高压输出等接口方面，新系统完全兼容原有系统，新旧系统可以实现无缝切换。观测者根据磁场观测的要求，通过计算机向KD*P电光调制器高压电源发出各种控制信号，完成磁场观测。 1 高压调制及保护电路设计实现方法 KD*P电光调制器是用来测量太阳磁场的一种必要的物理光学器件， 它需要馈入交变高压，以实现其光学滞后量的调制。怀柔太阳观测基地的磁场望远镜系统中的KD*P电光调制器要求高压电源能够输出频率0.1～100 Hz和幅值±（500～1 400 V）的可调矩形波信号。具体指标如下： （1）电压纹波，要求矩形波顶部不规则起伏小于幅度的1/200； （2）要求矩形波上升、下降时间小于矩形波周期的1/100； （3）直流保护，因为长时间馈入直流高压会损坏KD*P， 所以这种故障必须避免； （4）放电保护，1 000 V以上的高压很容易造成人身和设备危害，为了操作和维护的安全性，适时放电非常必要。具体设计方案如下所述。 1.1 高压模块 采用天津某公司生产的DW?P112?15D型高压模块，该模块可以提供1 200 V，15 mA的高压。该模块采用电压控制方式——控制端输入0～5 V的低电压，在输出端输出0～1 200 V的高压，系统中采用电位器控制输出的电压值。工作过程中该模块保持高压输出状态，通过继电器得通断来控制系统输出端高压的输送与否。 1.2 高压调制电路 由栅极驱动器[5]、场效应管等构成高压调制电路，TTL电平的同步脉冲序列，通过与CCD数据采集软件的配合实现KD*P晶体光轴的反转与CCD曝光的同步。 1.3 直流保护电路 通过可再触发单稳态触发器（74HC123），脉冲边沿触发形成正常工作状态；若没有脉冲则单稳态触发器处于无触发的稳态Q端为低电平，高压输出电路被禁止。在没有控制脉冲的时候，例如：CCD相机突然断电或其他故障而不能正常工作时，保证不会将直流的高压加到KD*P晶体上，从而保护晶体[6]。 1.4 放电电路 系统中为了稳压而加入了三个47 mF 400 V的大电容，如果没有合适的放电电路这些电容中储存的电能将长时间存在。而这样的高压很容易危及操作人员和设备的安全，因此在系统中加入放电电路，保证高电压在系统断电后快速衰减非常必要。这一部分电路充分利用了系统中的单刀双掷继电器的双掷：工作状态，继电器吸合，高压输出电路正常接通工作；工作状态结束，继电器高压输出电路断开，同时连接到放电电路快速放电，从而形成有效的保护[7]。目前，系统放电电路能够在10 s之内将三个电容器中贮存的1 000 V的高压放电至30 V以下。 2 高压组合选择、输出电路设计实现方法 怀柔太阳磁场望远镜可以观测不同波长（5 324 ?，4 861 ?）的观测目标，而不同的观测波长又有不同的观测内容（I，Q，U，V），观测波长和观测内容的组合决定所需的高压。观测计算机根据观测波长和观测内容的组合发送高压选择逻辑到高压调制系统，系统中通过可编程逻辑器件的逻辑判别确定高压组合电路继电器的接通与断开。 2.1 逻辑判别与输出控制继电器电路 主控计算机根据观测波长和观测内容确定控制信号，通过数字I/O卡将组合逻辑信号发送给高压调制系统[8]。系统中通过可编程逻辑器件（GAL 16V8），根据输入逻辑选择工作继电器的接通与断开，实现观测内容和所需高压的对应[9]。 2.2 光耦隔离保护电路 由于系统中存在1 000 V的高压成分，为了对主控计算机进行保护，逻辑控制侧的TTL控制信号通过光耦控制现场侧的高压脉冲信号，形成从逻辑侧到现场侧的不可“逆”电路，从而保护主控计算机及其他重要的观测设备。 2.3 数据采集与KD*P同步反转电路设计 要实现磁场测量需要进行积分计算，而且要保证左旋光和右旋光的分别进行积分，然后才能根据Stokes公式计算获得太阳磁场[3]，通常情况下要实现10 G的测量精度，积分的数据帧数需要达到256帧以上。磁场计算公式经简化后如下： 图4为磁场数据等高线图，磁场数据按照磁场强度为20，40，80，160，320，640，960，1 280，1 600，1 920，2 240，2 560，2 880（单位：G）绘制对应于图3磁场数据的等高线图，以此对比新旧高压系统在磁场测量灵敏度方面的差异。从图3磁场灰度显示中（两幅图的显示参数设置完全一致）可以看出（b）中的黑子磁场的轮廓、边沿、内部结构等都比（a）中的对应部分要清晰。在图4磁场数据等高线图中（等高线间隔设置完全一致），图（b）中等高线的层次明显要多于图（a），在远离黑子的一些区域中，图（b）中有梯度线出现，图（a）中则根本没有。另外，取矩形框中的部分做简单对比：图（a）的等高线层次总共是4级，而图（b）中的层次则有7级。计算了两幅磁图中的最大值和最小值：原有高压调制系统测的磁场最大值450.160，最小值为-448.709；新系统的最大值为660.610，最小值为-710.741。后者的数据范围明显要大于前者。 从高压脉冲波形指标的对比中可以看出，新旧两套高压调制系统都充分满足望远镜磁场测量的要求，而新系统在波形精度指标方面比原有系统有很大提高；从实测磁场数据的比较中可以看出无论从磁场灰度图直观显示，还是从等高线图分析、数据范围[11]分析，新的高压系统测得的磁场数据都要优于原有系统。 图4 磁场数据等高线图 4 结 语 该调制器电源性能稳定、工作良好、与原有系统接口完全兼容、维护方便，满足观测要求。目前已经投入使用并已取得大量良好的磁场观测数据。另外，在这套系统研制过程中积累的技术和经验，为其他望远镜中电光调制器高压控制系统的研制、调试等提供了大量的资源，提高了这些系统的研制、调试效率。 感谢怀柔太阳观测基地观测员汪国平在系统调试过程中给予的大力协助。 参考文献 [1] 艾国祥.太阳磁场望远镜的提出和工作原理[J].北京天文台台刊，1986（8）：1?10. [2] 艾国祥.太阳磁场望远镜中的KD*P电光调制器[J].北京天文台台刊，1986（8）：86?96. [3] 林元章.太阳物理[M].北京：科学出版社，2000. [4] 王东光.空间太阳望远境偏振分析器的设计与研制[D].北京：中国科学院，2003. [5] IRF公司.IR2213数据手册[M].出版地不详：IRF公司，2007. [6] 胡柯良.面阵CCD导行和嵌入式系统在高时空分辨率太阳磁场观测中的应用研究[D].北京：中国科学院，2004. [7] 林佳本.高分辨太阳观测方法的研究[D].北京：中国科学院，2008. [8] 林佳本.数据采集与控制[J].今日电子，2003（10）：11?13. [9] 林佳本.局部相关跟踪算法在太阳磁场观测中的应用[J].计算机工程与应用，2006（27）：203?205. [10] 陈在德.太阳磁场望远镜中的KD*P电光调制器高压电源的研制[J].北京天文台台刊，1986（8）：291?300. [11] DENG Y Y， AI G X， WANG J S， et a1. Reports on the test observation of multi?channel solar telescope [J]. Solar Physics， 1997， 173： 207?221. |
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