四極透鏡在漂移管直線加速器中的應(yīng)用

四極透鏡在漂移管直線加速器中的應(yīng)用

中國的分散分裂鐘（csys）是目前建設(shè)的中等規(guī)模分散分裂鐘。主要結(jié)構(gòu)采用直線處理器（漣力）注入速度同步處理器（rcs）。直線加速器由H-離子源、低能束流傳輸段、射頻四極加速器(RFQ)、中能束流傳輸段、漂移管直線加速器(DTL)和高能束流傳輸線組成。DTL把來自RFQ的H-束流加速到70MeV,注入到RCS環(huán)中。目前,正在進(jìn)行一期工程部分關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)制研究。對于高流強(qiáng)的DTL加速器,低能端的聚焦透鏡是技術(shù)上的一個(gè)瓶頸問題,高熱負(fù)荷所需的水冷與漂移管狹窄的空間是問題的關(guān)鍵。CSNS采用空心導(dǎo)線繞組的電磁透鏡方案,并且為了避免常規(guī)的直流激勵(lì)引起漂移管熱變形,該電磁透鏡工作在脈沖模式:脈沖頻率為25Hz,工作比為30%。因此,電磁透鏡電源選擇緩慢上升(如5～10ms)、長平頂(1～2ms)的大電流矩形脈沖激勵(lì)方案,其脈沖寬度為2ms,平頂穩(wěn)定度和頂降穩(wěn)定度小于0.1%,對上升沿和下降沿不要求,其電參數(shù)如表1所示。目前電源設(shè)計(jì)為每臺電源給兩塊磁鐵串聯(lián)供電,表2給出了詳細(xì)的電源技術(shù)指標(biāo)。1樣品電源的焊接方案工程中常用的脈沖形成方式有:脈沖形成線(PFN)、硬管調(diào)制和可編程功率放大。1.1脈沖寬度ln及截止頻率ls脈沖形成線(PFN)是一種常見的脈沖形成方式,通常用于產(chǎn)生窄脈沖。該電路由多級LC諧振回路串聯(lián)而成(圖1)。圖中,Lm和Rm為負(fù)載參數(shù),Lo=…Ln=L,Co=…=Cn=C,則形成的脈沖寬度T=2n(LC)1/2,回路的截止頻率fc=1/[π(LC)1/2],由此可見,要形成寬脈沖,可增大LC乘積及其級數(shù)n。但是,LC乘積增大將導(dǎo)致回路截止頻率降低,這就意味著脈沖平頂?shù)募y波增大,使平頂?shù)姆€(wěn)定度難以滿足0.1%的要求。若緣此而減小LC乘積,則實(shí)現(xiàn)毫秒級脈沖寬度需很大的n值,這在工程上并不現(xiàn)實(shí)。1.2放電負(fù)載電壓如圖2,K1、K2為可控開關(guān)器件,如IGBT,(InsulatedGateBipolarTransistor,絕緣柵雙極型晶體管),V1、K1組成前級充電機(jī),為電容器組C充電。放電時(shí),K1斷開,K2閉合,C通過負(fù)載放電,形成所需脈沖。D為反向續(xù)流二極管,L為連接電纜的雜散電感,R=20mΩ,為連接電纜的直流電阻,Lm和Rm為負(fù)載參數(shù),則負(fù)載等效電阻Reff=R+Rm=38m?。由于負(fù)載的最大峰值電流Imax=600A,在2ms的平頂期間電容器組C所需要電荷量:Q=Imax×t=1.2C。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,負(fù)載電流波動<0.1%,因此電壓波動?V<V×0.1%=ReffImax×0.1%=22.8mV,則電容器組的容量C>Q/?V=53F,不可能在工程上實(shí)現(xiàn)。1.3硬管調(diào)制+線性調(diào)制相結(jié)合的數(shù)控機(jī)制方案按主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這種脈沖形成方式可分為線性功率放大器和開關(guān)型。前者損耗大、效率低;后者效率高,但調(diào)節(jié)回路動態(tài)響應(yīng)快、設(shè)計(jì)難度高、造價(jià)高。在預(yù)研階段,這兩種方案均不可取的。綜合上述三種方案,我們選取了硬管調(diào)制和線性調(diào)制相結(jié)合的方案(圖2),通過選擇開關(guān)管K2的工作區(qū)域,使其在負(fù)載電流上升到設(shè)定值后進(jìn)入線性區(qū),以補(bǔ)償C上的電壓降落,保持輸出電流的穩(wěn)定,從而減小C的容量。這個(gè)方案充分利用了線性調(diào)制的優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定特性好、響應(yīng)速度快;并配有萬分之一的電流傳感器,完全可以達(dá)到平頂電流精度指標(biāo)。2電池放電過程電路圖3給出了樣機(jī)電源的電路拓?fù)?。其?Ui為開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源即前級充電機(jī)提供的直流電壓,U0為輸出脈沖電壓,C為儲能電容,D為續(xù)流二極管,K為開關(guān)管IGBT,R1為IGBT工作在線性區(qū)時(shí)的內(nèi)阻,R為負(fù)載直流電阻+連接電纜的直流電阻,L為負(fù)載電感+連接電纜的雜散電感。首先由前級充電機(jī)向大容量儲能電容C充電,充電時(shí)間要求<30ms,充電完畢,通過開關(guān)管K向負(fù)載放電。圖4為電源放電過程中,儲能電容C的電壓與負(fù)載電流的波形變化。(1)0～t1,開關(guān)管K處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)K飽和導(dǎo)通時(shí),R1≈0,續(xù)流二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài),儲能電容C通過開關(guān)器件K向電感L放電,電感L儲能過程中,負(fù)載電流呈指數(shù)上升。因?yàn)镃的容量很大,在t1時(shí)間段,uc≈Ui。其電路方程式為:則有:iL(t)=Ui(1–e–t/τ)/R,其中τ=L/R。(2)t1～t2,開關(guān)管K處于線性放大區(qū)當(dāng)K處于線性放大區(qū)時(shí),diL/dt≈0,電感電壓幾乎為零,電感如同短路。這時(shí),全部電壓將施加于R1和R兩端,電流I=uc/(R1+R),而電容上的電壓uc呈指數(shù)下降,為確保電流I的恒定,須通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)開關(guān)管K的內(nèi)阻R1。其電路方程式為:(3)t2～t3,開關(guān)管K處于截止?fàn)顟B(tài)當(dāng)開關(guān)管K處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),充電機(jī)向儲能電容C充電,電感L上的能量通過續(xù)流二極管向電阻R放電。此時(shí),電路方程式如下:則有:iL(t)=Ie–t/τ。3樣機(jī)電源的輸出電流曲線為驗(yàn)證上述分析結(jié)果,用Pspice軟件對樣機(jī)電路進(jìn)行仿真。選用型號為CM300HA-12H的IGBT為開關(guān)器件,500Hz下,一只IGBT可輸出160A,采用5只并聯(lián),則可輸出800A。電容選用0.198F以提高儲能能力,前級充電電壓為43V。圖5為輸出300A的電流波形。圖6為輸出600A的電流波形?？梢?模擬結(jié)果與分析結(jié)果基本相同。由圖5和圖6,輸出電流有一個(gè)很大的過沖,超出電源設(shè)計(jì)指標(biāo)(<5%)。這是由于從0～t1,開關(guān)K處于開通狀態(tài),輸出電流的變化遵從式(1),但電流調(diào)節(jié)環(huán)的時(shí)間常數(shù)大于輸出電流上升時(shí)間,電流調(diào)節(jié)環(huán)作用滯后,導(dǎo)致輸出電流上沖。樣機(jī)設(shè)計(jì)中,我們在IGBT的驅(qū)動電路中增加穩(wěn)壓二極管和積分電路,限制上升段電流給定值與回采電壓差,使輸出電流過沖達(dá)到指標(biāo),輸出電流上升沿雖由此變緩,但未超設(shè)計(jì)指標(biāo)。按上述原理研制了一臺樣機(jī)電源。其中,開關(guān)管K由5只IGBT并聯(lián)而成,每只串聯(lián)均流電阻,前級充電機(jī)工作在諧振方式,在輸出電流降為零后開始為儲能電容C充電,充電電壓50V。負(fù)載由電阻箱和電纜構(gòu)成,電纜盤成空心電感,模擬實(shí)際磁鐵和傳輸電纜的電感量總和,測試時(shí)的參數(shù)為1