Системы импульсного питания ускорителей и каналов транспортировки заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение А

ГЛАВА 1. ИМПУЛЬСННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УСКОРИТЕЛЬНЫХ

КОМПЛЕКСОВ ВЭПП-2М И СИБИРЬ-2, ТРЕБОВАНИЯ К ИМПУЛЬСНЫМ ГЕНЕРАТОРАМ

1.1. Обобщенная схема импульсного генератора

1.2. Импульсные элементы ускорительного комплекса

ВЭПП-2М

1.3. Поворотный магнит позитронного канала БЭП - ВЭПП-2М

1.4. Квадрупольные линзы канала БЗМ - БЭП

1.5. Питание элементов системы впуск/выпуск ВЭПП-2М

1.6. Впускные/выпускные магниты накопителя электронов

СИБИРЬ-2 - специализированного источника СИ

1.7. Общие требования, предъявляемые к генераторам импульсного питания

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕГПИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И МОДУЛЯТОРОВ НА ОСНОВЕ ИНВЕРТОРОВ С ПОВЫШЕШОЙ ЧАСТОТОЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

2.1. Зарядный преобразователь для прецизионных импульсных генераторов

2.2. Требования к зарядному преобразователю

2.3. Правила построения зарядного преобразователя

2.4. Упрощенная схема зарядного преобразователя

2.5. Процессы в зарядном преобразователе

2.6. Оценка предельной аппаратной точности установки напряжения на заряжаемой емкости

2.7. Специфические проблемы построения импульсных генераторов и модуляторов на основе инверторов с повышенной частотой преобразования

2.8. Моделирование помех в цепях импульсных генераторов

2.9. Прецизионная зарядка емкостей в импульсных генераторах

2.10. Моделирование процесса зарядки емкости в импульсном генераторе

2.11. Электромагнитная совместимость для импульсных генераторов

2.12. Конструктивное исполнение импульсных генераторов

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ СИСТЕМ ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И КОМПЛЕКСОВ

3.1. Импульсный генератор в составе автоматизированной системы питания физической установки

3.2. Питание импульсных магнитных элементов комплекса ВЭПП-2М

3.3. Восьмиканальный импульсный генератор «Аккорд»

3.4. Управляющий автомат многоканального импульсного генератора

3.5. Накопитель-коммутатор

3.6. Универсальный зарядный преобразователь «Аккорд-012»

3.7. Организация импульсного питания комплекса Сибирь-2, высоковольтный импульсный генератор "ГИМН-0.5В"

3.8. Модулятор питания фотокатода источника поляризованных электронов для Центра NIKHEF

3.9. Линейный модулятор Микротрона

3.10. Модулятор питания диагностического инжектора

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера ведутся исследования в области физики высоких энергий и физики плазмы. Для этих целей в Институте построены и сооружаются сложные электрон-позитронные ускорительные комплексы и установки для исследований в физике плазмы.

Установка со встречными электрон-позитронными пучками ВЭНИ-2М последние 25 лет работает в диапазоне энергий 2Е от 0,4 до 1.4 Гэв, охватывая область рождения /?,Й>,{Л-мезонов [26]. Установка включает линейный ускоритель-инжектор ИЛУ, синхротрон БЗМ, накопитель БЭП и накопитель ВЭПП-2М, а также каналы транспортировки пучков заряженных частиц. Во время последней модернизации, которая закончилась в 1992г., взамен старого накопительного кольца ВЭПП-2 был смонтирован электрон-позитронный бустер БЭП. Это позволило за счет увеличения принимаемого магнитной системой БЭП энергетического разброса позитронов в несколько раз повысить скорость накопления частиц в установке. В процессе модернизации в значительной степени была заменена также и система питания установки. В настоящее время частота перепусков частиц на установке по каналам от ИЛУ до БЭП составляет 0.7 Гц, а перепусков из БЭП в ВЭПП-2М - около 0.1 Гц. Отдельные участки каналов поочередно пропускают пучки частиц разных зарядов: электронные и позитронные.

Институтом ведется проектирование и строительство специализированных источников синхротронного излучения СИ, являющихся также сложными ускорительными комплексами. В конце 1994г. ИЯФ им. Будкера СО РАН закончил монтаж комплекса источников СИ в

РНЦ «Курчатовский институт», в 1996г. на комплексе проведены первые эксперименты [27]. В состав комплекса входят: специализированный накопитель электронов Сибирь-2 (Е=2.5 Гэв) и накопитель Сибирь-1 (Е=0.45 Гэв). Инжекционная часть включает линейный ускоритель (Е=80 Мэв) и каналы транспортировки электронных пучков: ЭОК-1, ЭОК-2. Линейный ускоритель инжектирует электронный пучок 75-80 Мэв в накопитель Сибирь-1 с частотой повторения 1 Гц, током в импульсе 65мА, энергетическим разбросом 1%, длительностью импульса 18 не.

Наряду с упомянутыми выше относительно крупными физическими комплексами в Институте ядерной физики им. Будкера сооружаются сравнительно небольшие установки, предназначенные для работы, как в России, так и за рубежом.

Создание этих и многих других установок было бы затруднено без адекватного развития преобразовательной техники, позволяюш;ей строить для этих установок системы питания.

Опыт построения физических установок в ИЯФ им. Г.И. Будкера показывает, что только специально спроектированные системы позволяют достигнуть необходимого качества питания. Промышленных изделий, обладающих необходимыми характеристиками, просто не существует. Кроме того, системы питания физических установок целесообразно составлять из устройств, специально построенных по единым правилам, обеспечивающим совместимость оборудования с внешней средой, с системами управления, и совместимость устройств внутри систем питания. Разработка и исследование устройств и систем импульсного питания ускорительных установок могут рассматриваться как самостоятельные направления работ.

При этом надо учитывать, что устройства, работающие на физических установках, подвергаются воздействию помех различной природы. Сюда входят внешние по отношению к оборудованию помехи, т.е. помехи со стороны питающей сети и помехи со стороны оборудования, не связанного с системой питания установки, а также внутренние помехи между узлами внутри блоков, входящих в состав импульсных генераторов.

При создании прецизионных импульсных генераторов задача усложняется, потому что здесь в дополнение к задаче удержания напряжения на заряженной накопительной емкости решается задача предварительной зарядки этой емкости с произвольного начального напряжения до требуемого напряжения с заданной высокой точностью. При этом надо учитывать, что время, отводимое на зарядку, должно быть минимально возможным, а мощность зарядного устройства ограничена. В работе далее будет показано, что решение этой задачи требует применения новых приемов.

Транспортировка частиц между отдельными установками комплексов ВЭПП-2М и Сибирь-2 осуществляется с помощью электронно-оптических каналов (ЭОК). Сгустки частиц, транспортируемые по каналам комплексов ВЭПП-2М и Сибирь-2, имеют длительность от единиц до нескольких десятков наносекунд. Проходят сгустки по каналам данных конкретных установок не чаще чем раз в секунду. Поэтому магнитные элементы каналов этих установок оказалось целесообразным питать импульсами тока, чтобы не потреблять энергию от сети в промежутках между импульсами, это обосновывается в работах [1,2]. Импульсы подаются на элемент непосредственно ко времени прохождения пучка.

Энергия, которую необходимо передать магнитному элементу, в зависимости от его назначения составляет от единиц джоулей до единиц килоджоулей.

При построении импульсных генераторов для ВЭПП-2М необходимо было на основе современных для того времени подходов и компонентов создать следующее поколение импульсных генераторов. Одной из задач было расширение области применения подобных устройств за счет силовой схемы модулятора была положена схема зарядного преобразователя, до этого ряд лет работавшая на комплексе ВЭПП-2М и других установках Института.

В данной работе импульсными генераторами будем называть источники импульсов, задаваемым выходным параметром которых является выходной импульсный ток.

Модуляторами будем называть источники импульсов, для которых задаваемой выходной величиной является импульсное напряжение.

Системой импульсиого питания установки далее будем называть совокупность импульсных генераторов, построенных по единым правилам и предназначенных для питания элементов данной установки.

На Рис.0.1. предлагается классификация для представленных в работе импульсных генераторов. Генераторы подразделяются по средней выходной мош,ности. В работе рассматриваются только генераторы малой средней мощности (до ЗкВт).

Импульсные генераторы

Генераторы малой средней мощности Рср[ЗкВт

Генераторы большой средней мощности

Генераторы малой импульсной мощности Римр[0.5МВт (низковольтные) 1вых • 1.5кА

Генераторы большой импульсной мощности РимрЗО.ЗМВт (высоковольтные) 1вых31.5кА

Рис.0.1. Классификация импульсных генераторов.

Как будет показано, генераторы подразделяются по импульсной выходной мощности: на генераторы малой импульсной мощности (до 0.5МВт) и генераторы большой импульсной мощности. Генераторы малой импульсной мощности обычно являются низковольтными, т. е. напряжение на емкостях в них не превышает 1000В, а выходные импульсные токи таких генераторов обычно не превышают 1.5кА.

Напряжение зарядки емкостей в генераторах большой импульсной емкости обычно значительно выше киловольта и амплитуда выходного импульса тока значительно превышает 1/.5кА. В работе будут представлены генераторы малой средней мощности, имеющие как с малую, так большую импульсную мощность.

Системой импульсного питания установки далее будем называть совокупность импульсных генераторов, построенных по единым правилам и предназначенных для питания элементов данной установки.

Требования к генераторам импульсного питания и вопросы построения систем импульсного питания для ускорительных установок и комплексов были ранее освещены в работах [1, 2, 9]. Данная работа посвящена разработке концепции или правил построения импульсных генераторов и модуляторов на основе транзисторных преобразователей. Работа посвящена также разработке конкретных импульсных генераторов и модуляторов, а также входящих в их состав прецизионных зарядных преобразователей.

Представленные далее разработки оснащены или оснащаются средствами компьютерного управления и контроля на основе аппаратуры КАМАК[4].

Актуальность настоящей работы была обусловлена необходимостью создания следующего поколения импульсных генераторов и систем импульсного питания для ускорительных установок и комплексов.

Целью настоящей работы является:

- анализ требований, предъявляемых к генераторам и системам прецизионного импульсного питания ускорительных комплексов ВЭГШ-2М и Сибирь-2.

- разработка и обоснование подхода к построению прецизионных импульсных генераторов и систем импульсного питания на основе инверторов с повышенной частотой преобразования.

- разработка зарядного преобразователя для прецизионной зарядки емкостных накопителей энергии.

- разработка полного комплекта оборудования для построения импульсных генераторов, способных работать с частотой выходных импульсов в диапазоне до 25 Гц с точностью установки напряжения на емкостном накопителе энергии в генераторе до 0.05%.

- проектирование и создание высоковольтного модулятора питания диагностического инжектора с выходной мощностью до 140кВт.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и перечня литературы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. XIV и XV Совещаниях по ускорителям заряженных частиц, в Протвино, в 1994 и 1996гг.

2. 1993 и 1995 Particle Accelerator Conference, Washington, Dallas.

3. Polarized Gas Target and Polarized Beams: 7-th. Intern. Workshop, Urbaha,IL, 1997

4. VII International Workshop on Linear Colliders, Zvenigorod, Russia, 1997.

5. XXVII Звенигородская конференции по физике плазмы и У ТС, г. Звенигород, 2000г.

6. ЕРАС 2000, Vienna 2000

По теме диссертации с участием автора опубликовано 14 работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в диссертации научно технические решения нашли широкое применение в системах питания физических установок в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера и за его пределами. На основе предложенной автором базовой схемы полупроводникового зарядного преобразователя за последние годы построены десятки импульсных генераторов и модуляторов, предназначенных для питания элементов ускорительных, термоядерных и других электрофизических установок. Внедрение импульсных генераторов, построенных на основе транзисторных преобразователей, позволило расширить возможности импульсных генераторов, в частности, повысить частоты вырабатываемых генераторами импульсов до десятков герц при сохранении повторяемости параметров выходных импульсов. Разработки с самого начала были ориентированы на применение в реальных условиях, в них был использован многолетний опыт эксплуатации подобных устройств на установках Института.

В Экспериментальном производстве Института, был налажен мелкосерийный выпуск отдельных компонентов генераторов импульсного питания. Изготовлено более 80 блоков зарядных преобразователей мощностью более 1.5 кВт Аккорд-01, более 80-ти блоков низковольтных накопителей-коммутаторов, 40 блоков 8-ми канальных распределителей.

Генераторы и системы импульсного питания на основе зарядных преобразователей работали и продолжают работать на протяжении ряда лет в следующих организациях: в ИЯФ им. Будкера, в Новосибирске; в ИАЭ им. Курчатова, в г. Москва; в филиале ИЯФ, в г. Протвино; в Республике Корея, в г. Тайджон, в Центре КАБЫ; в Нидерландах, в Амстердаме, в институте МКНЕР.

1. Серов А. Ф. Разработка и исследование систем питания электронно-оптических каналов: Дисс. канд. техн. наук. / Новосибирск, 1980.

2. Киселев В. А. Разработка и создание систем транспортировки пучков ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-4М: Дисс. канд. техн. наук., Новосибирск, 1997.

3. Купер Э. А. Методологические основы построения аппаратуры для систем автоматизации электрофизических установок, 12-ое Всесоюзное совещание по укорителям, Москва, 1990, т.1, с.74.

4. Альбертинский Б. И., Свиньин М. П. Каскадные генераторы, Москва, Атомиздат, 1980, с. 12.

5. Мурин Б. П., Кузьмин А. А. И др. Ускоритель электронов для промышленности. В кн. Доклады Второго Всесоюзного совещания по применению ускорителей в народном хозяйстве (Ленинград, 1-3 окт. 1975 г.). Т. 1. Л., изд. НИИЭФА, 1976, с. 265-270.

6. V. N. Korchuganov, . Yu. F. Tokarev, et al., "Injection-extraction pulsed magnets of the 81 ВЕША-1 and SIBEMA-2 storage rings," Proc. of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, 1993, vol.2, p. 13 84-13 87.

7. Мкртчан Ж. A. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. М.: Радио и связь, 1990.

8. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования, издание третье, исправленное. М., 1975.

9. Анашин В. В., Валыка И. Е., Чхало Н. И. и др., Сверхвысоковакуумная автоматизированная установка для лазерного напыления многослойных структур // Приборы и техника эксперимента.-1995.-NO 5.

10. Костиков В. Г., Никитин И. Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА.-М.: Радио и связь, 1986.

11. Флоренцев С. П., Ковалев Ф. И. Современная элементная база силовой электроники // Электротехника 1996, No 4. С. 2-8.

12. Лизец М., Поташников М. Ю. Современная активная и пассивная электронная элементная база для силовой электроники. // Электротехника 1996, No 4. С. 8-15.

13. N. S. Dikansky, . Yu. F. Tokarev, et al, "Modulator for Klystron 5045," Proc. of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, D.C., 1263(1993).

14. Накопительное кольцо БЭП, Рабочие материалы, Препринт 8398, Институт ядерной физики СО АН СССР, Новосибирск, 1983г.

15. А. G. Lee, Ye. М. Mandrik, А. S. Medvedko, Yu. F. Tokarev, The Current Type Hight Voltage Converter for Klystron Modulator, VII International Workshop on Linear Colliders, Zvenigorod, Russia Sept.29-Oct.3, 1997.

16. Р. Р. Акбердин, В. П. Белов, . Ю. Ф. Токарев, и др. Компактный лазер на свободных электронах дальнего ИК-диапазона, доклады, XV Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1996г. С.258,

17. Валыка И. Е., Ращенко В. В., Токарев Ю. Ф. Транзисторный преобразователь для зарядки емкостных накопителей энергии.// Приборы и техника эксперимента.-1998.-No 6, с. 92-93

18. Казакевич Г. М., Ращенко В. В., Токарев Ю. Ф. Линейный модулятор микротрона.// Приборы и техника эксперимента.-1999.-No 3, с. 8689

19. Yu. F. Tokarev, А. G. Lee, R. А. Lokhtin, Ye. М. Mandrik, A. S. Medvedko, V. V. Rashenko, E. P. Semenov, et al., "137 kW HV Modulator for Ion Injector," EPAC 2000, Vienna 2000, "http://accelconf.web.cem/accelconf/eOO/".

20. Векслер Г. С, Недочетов В. С, Пилинский В. В., Родионова М. В., Темников В. А. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. К.: Тэхника, 1990.

21. Протопопов И.Я. Шатунов Ю.М. Статус и перспективы встречных еке'~ пучков в Новосибирске, 15-ое Совещание по ускорителямзаряженных частиц, ГНЦ РФ ИФВЭ, Протвино, 22-26 октября 1996, Сборник докладов, ИФВЭ, 1996, Протвино, т.1. с.35-42.

22. Ливингуд Дж. Принципы работы циклических ускорителей. М. Издательство иностранной литературы, 1963, с.33.

23. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров. М., «Наука», 1973.

24. Лебедев А,Н. Шальнов A.B. Основы физики и техники ускорителей: Учеб. Пособие для вузов. В 3-х т. Т 2. Циклические ускорители. М.: Энергоиздат,1982.

25. Lee А. G., Lokhtin К. А., Mandrik Ye. М., Medvedko А. S., Rashenko V. V., Semenov Е. P., Tokarev Yu. F., Pulse modulator for a diagnostic injector. Preprint Budker INP 2000-37, Novosibirsk, 2000.

26. Кныш В. A. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1981.

27. Казарезов И.В., Серов А.Ф., Токарев Ю.Ф., Юдин В.Д., Мощный источник на тиристорах для питания электрофизических установок, Препринт ИЯФ СО АН СССР 84-12, Новосибирск, 1984.