强激光与粒子束
HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS
Vol.19,No.9
Sep.,2007
文章编号: 100124322(2007)0921575205
40kV/6kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计
王 玮, 池云龙, 唐靖宇
(中国科学院高能物理研究所,北京100049)
3
摘 要: 从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络(PFN)设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况,提出一种新型的低阻抗PFN设计方法,给出了脉冲电源和PFN的参数,利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5kV时磁铁的励磁脉冲电流波形,励磁电流脉冲幅值达到5.8kA。仿真结果表明:PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响。
关键词: 冲击磁铁; 脉冲电源; 脉冲形成网络; 励磁电流; 上升时间 中图分类号: TL502 文献标识码: A
高压大功率脉冲电源是为脉冲功率装置负载提供电磁能量的装置,是构成脉冲功率装置的主体。在粒子加速器[1]、等离子体物理[2]、受控核聚变研究[3]、高功率激光[4]、电磁脉冲[5]和大功率微波[6]等诸多领域中,高压脉冲电源都有着广泛的应用。美国Brookhaven国家实验室2002年为SNS研制成功了累积环(AR)引出冲击磁铁脉冲电源,脉冲调制器的充电电压为35kV,电流脉冲幅值为2.4kA[7]。中科院高能物理研究所2005年为BEPCII研制成功了储存环注入冲击磁铁脉冲电源,电源采用LC串联谐振电路结构,得到的磁铁励磁电流波形为准半正弦波,脉冲电流幅值为2.1kA[8]。本文结合中国散裂中子源(CSNS)引出Kicker磁铁脉冲电源主电路的设计,对电源进行了仿真研究,确定了电源各主要元件的参数。
1 主回路设计和参数计算
中国散裂中子源(CSNS)的快循环同步加速器(RCS)引出Kicker磁铁电源是高峰值功率、高平均功率、高脉冲波形精度的脉冲电源系统。CSNS的快循环同步加速器引出系统拟采用单圈快引出方式,一次引出环中的两个束团,引出能量为1.6GeV,引出频率为25Hz。引出系统由5块垂直Kicker磁铁和1块Lambertson型切割磁铁组成,其中3块Kicker磁铁放在6m的直线节中,偏转作用较强,2块Kicker磁铁与1块Lambert2son型切割磁铁放在9m长直线节中,偏转作用相对较弱。Kicker磁铁设计采用集中参数型方案,为了提高磁铁电流的上升时间tr,磁铁由窗框型的铁氧体磁轭和两个半匝线圈(双C型)组成,由两套电源供电。由于引出
期间,两个束团之间的间隔为310ns左右,所以在这个间隙内,Kicker磁铁将建立起稳定的脉冲磁场,要求磁铁励磁电流的上升时间控制在250ns左右,最大不得超过280ns[9]。为了在Lambertson磁铁的入口处产生足够的偏转角和偏转距离,要求磁铁产生的脉冲磁场峰值达到0.0633T,因此需要很大的磁铁励磁电流和很高的PFN充电电压。 脉冲电源的主要结构如图1所示。采用高压直流电源[10]对脉冲形成线充电,充电完成后触发闸流管导通,使脉冲形成线放电来产生引出系统所需要的脉冲电流。在加速器运行中,由于RCS引出部分的辐射剂量比较大,为了方便运行维护,在隧道内放置的设备要尽可能少,因此将充电电源柜和脉冲形成线放置在电源厅,通过同轴电缆向磁铁传输脉冲电流。 通过磁铁的脉冲电流幅值为
I=Bg/μ0
[8]式中:B为所需要的磁场强度;g为磁间隙;μ。0为真空中的磁导率 磁铁线圈电感为
(1)
3收稿日期:2006211215; 修订日期:2007204202
基金项目:中国散裂中子源基金资助课题
),男,博士,从事脉冲电源和高功率脉冲技术研究;wangwei@ihep.ac.cn。作者简介:王 玮(1982—
1576强激光与粒子束第19卷
Fig.1 Structureofpulsedpowersupply
图1 脉冲电源结构图
Lc=μ0wl/g(2)
式中:w为导电板之间的距离;l为磁铁的长度[11]。 磁铁单边导流线圈电感可近似为
Lh≈
0wl11μLc=22g(3)
为了减小电源设计难度,实验优化了磁铁设计,统一磁铁励磁电流为5832A,磁铁单边导流线圈电感为
0.58μH。参考以往电源设计,磁铁电流引线的杂散电感Ls在0.3μH左右。 因为磁铁采用终端短路形式,磁铁电流I和加在电缆上的电压V的关系为
I=2V/Z0
(4)
式中:Z0为电缆的特征阻抗。因此,为了控制加在电缆上的电压和PFN的充电电压,要求Z0尽可能小。而磁铁脉冲电流的上升时间也受特征阻抗的影响,不考虑其他因素,其关系为
tr≈3LM/Z0=3(Lh+Ls)/Z0
(5)
式中:LM为磁铁单边导流板的总电感。因此在LM一定的情况下,为保证tr足够小,要求Z0尽可能大。所以在电源的设计中必须折中考虑两种情况,选择合适的参数。设计要求通过电缆的脉冲电压最好不超过40kV,因此Z0<2×(40/6)Ω=13.3Ω;并且要求tr<280ns,因此Z0>3LM/tr=9.3Ω。参考以往的脉冲电源设计和可供选择电缆情况,可选择4根50Ω的传输线并联组成12.5Ω的传输线,或者2根20Ω的传输线并联成10Ω的传输线。在本文中,磁铁励磁电流的上升时间要求比较苛刻(tr<280ns),因此在可承受的工作电压内,应尽量选择特征阻抗较大的传输线,本文选择特征阻抗为12.5Ω的传输线。
PFN采用BLUMLEIN结构(BPFN),采用这种结构的好处是当ZP=ZL时,PFN负载上的电压VL=VC;而采用常规的PFN时,VL=0.5VC,其中ZP为BPFN的特征阻抗,ZL为负载阻抗,VL为加在负载上的脉冲电压,VC为BPFN的充电电压,因此要获得相同的负载电压,采用BLUMLEIN结构可以有效降低PFN的充电电压,减少对充电元件耐压的要求,提高电源的运行稳定性。在PFN的末端,安置了一个阻值为12.5Ω的低阻抗电阻,该电阻可以作为匹配电阻减少电路中脉冲电流的反射,也可以作为吸收电阻吸收电路中的所有能量。脉冲充放电开关采用闸流管,因为有反射电压的存在,要求闸流管除了具有较快的导通速度之外,还能承受较大的反压。为了减弱束流加速时PFN和磁铁之间的耦合,在PFN出口和匹配电阻之间放置一个饱和电感,此电感也能有效改善脉冲波型形状[7]。
2 PFN设计
电源的实验装置图如图2所示,设计参数为:工作电压40kV;工作电流6kA;传输线阻抗12.5Ω;脉冲平顶大于600ns;脉冲上升时间小于280ns;平顶度小于5%。
在最初设计过程中,由于要产生的脉冲电流幅值大于6kA,因此加在负载两端的脉冲电压在40kV左右,为了降低PFN的充电电压,设计采用BLUMLEIN型脉冲形成线,单根形成线阻抗约为3.125Ω。设计过程中,由于脉冲形成线工作电压较高,曾考虑用分布参数型形成线(PFL),即采用高压同轴电缆作为储能装置。
第9期王 玮等:40kV/6kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计1577
Fig.2 LayoutofPFNandpowersupply
图2 PFN和电源设备布局
但是经过Kicker磁铁设计优化,将脉冲电流幅值降低至5.8kA,从而将形成线的工作电压控制在40kV以内
(36.5kV),并且考虑到设备运行中电缆的可靠性问题,最终决定采用集总参数型的PFN。PFN的设计参数主要包括节数n、节电容C和节电感L。 要求单根PFN阻抗为Z=
L/C=3.125Ω,脉冲宽度T=2nLC>600ns,其中n为脉冲节数。n不宜
选择过小,因为如果节数过小,则节电容势必过大,会造成脉冲平顶有较大的纹波,使脉冲波形难以调试,也会延长脉冲电流上升时间;n也不宜过大,因为过多的节数会导致成本和电源故障率的增加。 参考类似电源的设计和计算机模拟结果,采用8nF的节电容、节数为12左右能满足要求。但此时节电感约为78nH,难以精确制造。因此采用两根阻抗为6.25Ω的PFN并联,组成特征阻抗为3.125Ω的PFN。这既可使节电容C更小(5nF),可以获得更高的平顶度;也可使得节电感在195nH左右,便于制造和调试。但是由于这种方案使用了两倍数目的电容,使PFN的故障率提高,因此必须对所使用电容进行严格检测,并联的两根PFN要尽可能对称,同时要避免触发不同步而导致上升时间延长。电容规格如表1所示。
表1 人工线电容技术指标
Table1 CapacitorspecificationofPFN
capacitance
/nF5
tolerance/%
ratedvoltage
/kV50
maxpeakcurrent/kA
25
operating-10～65
insulation20000
approximate
15
dimensions/mm102×203×114
temperature/℃resistance/MΩinductance/nH
±5
在设计过程中,为了提高电流的上升时间,获得更规则的脉冲波形,结合计算机模拟程序,采用不均匀
PFN的设计方法,这样可增大PFN放电端的节电容,还适当减少了PFN两端的节电感。为了便于制造和调试,放电端节电容为10nF,可由两个5nF的电容并联组成[7,12]。
3 计算机模拟结果和讨论
使用PSPICE程序对本文电源主回路进行仿真,分别计算了PFN节数和传输电缆长度对磁铁电流波形的影响,其中,PFN的单元电容C=5nF,单元电感L=193.5nH,充电电压VC=36.5kV。 图3为采用13节和15节PFN传输电缆长度Lca=100m时的磁铁脉冲电流波形。由图3可见,当采用13节PFN时,脉冲的平顶时间为620ns,采用15节PFN时,脉冲的平顶时间约为800ns;PFN节数对脉冲上升时间没有影响,图中两个脉冲的上升沿波形大致相同。虽然相同情况下,采用较少的PFN节数会引起脉冲平顶度变差,但是采用13节时仍能满足脉冲平顶度小于5%的要求。因此在电源的设计中应考虑使用较少的PFN节数,只要能产生足够宽的脉冲即可。 为了获得更高的励磁电流,磁铁接地采用了短路方式,所以不可避免存在着反射电流。对于反射电流来说,由于传输线和PFN的连接阻抗不匹配,会产生二次反射。二次反射电流沿同轴电缆回到磁铁线圈。如果传输电缆不够长,二次反射电流就会影响主脉冲。另一方面,由于电磁波在同轴电缆中传输存在着一定的损耗,过长的传输电缆会引起脉冲幅度衰减。因此选择合适的电缆长度非常重要。图4为传输电缆长度为70,100,130m时的模拟励磁电流波形,节数为13节单元电容。其中采用无传输损耗的电缆模型。由图4可见,
1578强激光与粒子束第19卷
Fig.3 MagnetcurrentwithdifferentsectionofPFNFig.4 Magnetcurrentwithdifferentcablelength
图3 不同PFN节数的励磁电流波形图4 不同长度传输电缆的励磁电流波形
当传输电缆的长度为70m时,反射电流在主脉冲尚未结束时就到达了电缆末端,和主脉冲的下降沿叠加,影响了主脉冲波形;当传输电缆长度为100m时和130m时,反射电流就不会影响到主脉冲。考虑到电缆的衰减因素,本文的电缆长度选在110m左右比较合适。
由图3,4可见,当充电电压VC=36.5kV时,磁铁电流的脉冲幅度I=5.8kA,满足了充电电压低于40kV和脉冲电流幅值达到5.8kA的设计要求。为了保证脉冲上升时间足够短,PFN放电端的电容都采用两个5nF的电容并联,并适当降低放电端的PFN单元电感,因此造成了磁铁电流波形在上升沿后有一定的过冲。
由图3,4的仿真波形可见,励磁电流脉冲的上升时间小于240ns。4 结 论
本文介绍了CSNS引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计。使用PSPICE程序仿真了电源主回路,模拟了磁铁励磁电流的波形,采用两段特征阻抗为6.25Ω的PFN并联,PFN采用BLUMLEN结构,解决了低阻抗人工线由于节电感较低而难于制造调试的问题。由于PFN和传输电缆的阻抗较低,电源可以通过低于40kV的PFN充电电压,获得5.8kA的磁铁脉冲电流。基于励磁电流脉宽、安装维护便利性以及反射波和电缆损耗考虑,选用PFN节数为13节,选用传输电缆的长度为110m。参考文献:
[1] 赵籍九,尹兆升.粒子加速器技术[M].北京:高等教育出版社,2006.(ZhaoJJ,YinZS.Particleacceleratortechnology.Beijing:Higher
EducationPress,2006)
[2] 朱志杰,张贵新,刘亮,等.用于产生等离子体的高压脉冲电源的研制[J].高电压技术,2007,33(2):28231.(ZhuZJ,ZhangGX,LiuL,et
al.Developmentofapulsegeneratorforexcitingplasma.HighVoltageEngineering,2007,33(2):28231)
[3] 何也熙,王龙,曾立,等.SUNIST球形托卡马克的研究进展[J].核科学与工程,2003,23(4):3432347.(HeYX,WangL,ZengL,etal.
ProgressonSUNISTsphericaltokamak.ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,2003,23(4):3432347)
[4] 林福昌,李劲,潘垣,等.神光Ⅲ能源模块总体设计[J].高电压技术,2002,28(z1):26229.(LinFC,LiJ,PanY,etal.Thewholedesignof
theenergymoduleofSG2Ⅲ.HighVoltageEngineering,2002,28(z1):26229)
[5] 刘克富.全补偿脉冲发电机及其系统———高功率小型化电炮脉冲电源[D].武汉:华中科技大学,1999.(LiuKF.All2compensatedpulsedal2
ternatorandsystem2highpowercompactelectro2gunpulsedpowersupply.Wuhan:HuazhongUniversityofScienceandTechnology,1999)[6] KorovinSD,RostovVV,PolevinSD,etal.Pulsedpower2drivenhigh2powermicrowavesources[C]//ProcoftheIEEE.2004,92(7):
108221095.
[7] ZhangW,SandbergJ,HahnH,etal.SNSextractionfastKickerpulsedpowersystem[C]//Procof2004EuropeanParticleAccelerator
Conference.Switzerland,2004:181021812.
[8] 程锦晖.BEPCⅡ注入冲击磁铁电源系统设计与研制[D].北京:中国科学院高能物理研究所,2006.(ChenJH.Researchanddevelopmentof
injectionKickerpowersupplysystemsfortheBEPCⅡ.Beijing:InstituteofHighEnergyPhysics,ChineseAcademyofSciences,2006)[9] TangJY,ChenY,ChiYL,etal.ExtractionsystemdesignfortheCSNS/RCS[C]//ProcofEuropeanParticleAcceleratorConference
2006.Edinburgh,2006.
[10] 尚雷,陆业明,冯德仁,等.40kV/20kW开关型脉冲成形网络充电高压电源[J].强激光与粒子束,2003,15(7):6972700.(ShangL,LuY
M,FengDR,etal.Developmentofa40kV/20kW,switching2modepulseformingnetworkchargingpowersupply.HighPowerLaser
andParticleBeams,2003,15(7):6972700)
[11] WangJ,VolkGJ.DesignofKicker/bumpermagnetandPFNforPAR[OL].http://www.aps.anl.gov/Facility/Technical_Publications/
第9期
lsnotes/ls156/ls156.html.
王 玮等:40kV/6kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计1579
[12] 东冲.线性脉冲调制器理论基础与专用电路[M].北京:国防工业出版社,1978.(DongC.Basictheoryandspecialcircuitsforlinearmodu2
lators.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,1978)
40kV/6kApulsepowerdupplyforKickermagnets
WANGWei, CHIYun2long, TANGJing2yu
(InstituteofHighEnergyPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
Abstract: A40kV/6kApulsedpowersupplywasdesignedfortherapidcyclingsynchrotron(RCS)extractionKickermag2
netofChineseSpallationNeutronSource.Thecalculationofthepulsedpowersupply’sparameters,thedesignofpowersupply’ssystem,theoptimizationofpulseformingnetwork(PFN)areintroduced.AnewtypeoflowimpedancePFNisalsopresented.ThemagnetcurrentpulsewaveformwassimulatedbyPSPICEprograminthesituationof36.5kVchargingvoltage,andtheam2plitudeofthepulsewas5.8kA.Thesimulationresultsshowthat,withthesamePFNsectioncapacitorandinductor,thepulselengthofthecurrentisprolongedwhenmoresectionnumberofPFNischosen,whiletherisetimeandflatnessofthepulsehasnosignificantchanges,choosingthesuitablelengthoftransmissioncablecanavoidtheaberrationofmainpulsewaveformcausedbyreflectionwaves.
Keywords: Kicker; Pulsedpowersupply; Pulseformingnetwork(PFN); Magnetcurrent; Risetime
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容