Специализированные источники питания для элементов ускорителей и накопителей заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ЕВТУШЕНКО Юрий Анатольевич

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ УСКОРИТЕЛЕЙ И НАКОПИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандида! а технических наук

^ио» А г Г408

НОВОСИБИРСК - 2007

003177408

Работа выполнена в Институте ядерной физики им Г И Будке ра СО РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

Медведко - кандидат технических наук,

Анатолий Степанович Институт ядерной физики им Г И Будкера,

СО РАН, г Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

_ кандидат технических наук, Михаил Эрикович Институт ядерной физики им Г И Ьудкгра,

СО РАН, г Новосибирск

Харитонов - Доктор технических наук, профессор,

Сергей Александрович Новосибирский госуд арственный

технический университет, г Новосибирск

ВЕДУЩАЯ - Объединенный институт чдерных

ОРГАНИЗАЦИЯ исследований, г Дубна

Защита диссертации с остоится « 26 » $€]Cft UjUX_2007 г

в « 7 Т » часов на заседании диссертации(ншхз совета Д 003 016 01 Института ядерной физики им Г И Будкера СО РАН

Адрес 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им Г И Будкера СО РАН

Автореферат разослан « 23 »_2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ -мат наук

А А Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В Институте ядерной физики им ГИ Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в течете многих лет ведутся исследования в области физики высоких энергий со встречными электрон-позитронными пучками

Опыт построения экспериментальных физических установок в ИЯФ им Г И Будкера и в других ведущих научных центрах показывает, что только специально спроектированные системы позволяют достичь необходимого качества работы элементов физических установок Промышленных устройств, обладающих необходимыми характеристиками, зачастую просто не существует Системы питания экспериментальных физических установок интегрированы в сложные комплексы нестандартного электротехнического оборудования и электроники, поэтому их целесообразно составлять из устройств, специально построенных по единым правилам, обеспечивающим совместимость оборудования с системами управления, электромагнитную совместимость источников питания с измерительными и физическими устройствами Таким образом, разработка специализированных источников питания для элементов ускорителей заряженных частиц является весьма актуальной задачей

Цель диссертационной работы

1) Описание разработки источников питания,

2) Описание особенностей построения отдельных узлов и элементов источников питания,

3) Рекомендации разработчикам силовой электроники по построению источников питания

Научная новизна диссертационной работы

1 Р.иработана серия источников питания для регистрирующей аппарагуры детектора «Кедр», особенностью которых является построение двухканального источника питания на базе одного мостового выпрямителя с раздельным управлением анодной и катодной группами вентилей Это позволило обеспечить надежным питанием регистрирующую аппаратуру детектора, чувствительную к броскам напряжения питания Описан алгоритм расчета выходных пульсаций выпрямителя с асимметричным управлением

2 Для внгглеров разработана серия источников питания килоамперного диапазона тока с трапецеидальной формой тока Их отличительной

особенностью является использование принципа рекуперации энергии, запасенной в магнитном поле вигглеров, в емкостную батарею и обратно для форсированного переключения полярности тока Этот прием позволил применить относительно маломощные источники питания с инвертором на выходе Описаны трудности разработки устройств коммутации больших токов при низких напря» ениях, рассмотрены пути преодоления таких трудностей

3 Разработана серия источников анодного питания ВЧ-генераторов с быстродействующей защитой от короткого замыкания на выходе и мощностью до 2 8 МВт Схема и конструкция быстродействующей параллельной защиты ламп оказались весьма удачными по сравнению со схемой последовательной защиты, применявшейся ранее Позднее схема параллельной защиты была также применена в источниках анодного питания на комплексе ВЭПП-2000 Такую же 5ащиту планируется применить в источнике анодного питания ВЧ-системы Технологического Накопительного Комплекса (г Зеленоград)

4 Разработан высоковольтный источник питания электронного охладителя с выходным напряжением до 300 кВ Отличительной особенностью его является высокая стабильность в различных режимах работы и при различной величине сопротивления нагрузки В источнике применен секционированный выпрямитель с емкостной связью между секциями и входным генератором переменного напряжения

Практическая ценность диссертационной работы и внедрение результатов

1 В 1992 г успешно запущена в работу серия двухканальных (5 2 В, 1200 А и 2 В, 300 А) источников питания для регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр» Это позволило обеспечить надежным питанием дорогую и чувствительную к броскам напряжения питания регистрирующую аппаратуру детектора За время 15-летней эксплуатации детектора «Кедр» не было ни одного выхода из строя регистрирующей аппаратуры вследствие превышения напряжения питания

2 В 1994г разработан и изготовлен источник трапецеидального тока (до 1200 А) для питания вигглера Источник находится в работе в Брукхэйвенской Национальной лаборатории (США)

3 В 1996г разработан и изготовлен источник трапецеидального тока вигглера килоамперного диапазона. Источник находится в работе в Аргоннской Национальной Лаборатории (США)

4 В 1999т разработан, поставлен и находится в эксплуатации в Аргоннской Национальной Лаборатории источник трапецеидального тока ондулятора килоамперного диапазона с входным транзисторным преобразователем, работающим на частоте 2 4 кГц Разработанные с

участием автора системы «источник-вигглер» позволили иметь поляризованное синхротронное излучение с перключаемым направлением поляризации Эксперименты с применением вигглеров и юс систем питания ведутся в вышеупомянутых научных центрах до сих пор

5 В 2001г закончена разработка и запуск в эксплуатацию источника анодного питания с выходной мощностью до 2 8 МВт для ВЧ-генераторов, являющихся составной частью Лазера на свободных электронах (ЛСЭ) Это позволило вести на ЛСЭ эксперименты (биологические и химические) с наблюдением в субмиллиметровом диапазоне длин волн

6 В 2004г закончена разработка и поставлен в Институт Современной Физики (г Ланчжоу, Китай) высоковольтный источник питания 300 кВ, 5 мА для установки электронного охлаждения В будущем планируется начать эксперименты по охлаждению протонных и ионных пучков для научных и прикладных целей

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

Разработана серия специализированных источников питания для элементов ускорителей и накопителей заряженных частиц Разработанные с участием автора и описанные в настоящей диссертации источники питания работают в составе различных ускорительных комплексов, как в России, так и за рубежом Проведенные автором разработки внесли решающий вклад в получение многочисленных научных результатов на этих комплексах Описанные автором оригинальные системотехнические и схемотехнические решения востребованы сейчас и будут востребованы далее при проектировании новых устройств и систем электропитания

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научном предзащигном семинаре в ИЯФ им Г И Будкера СО РАН и на следующих конференциях XIII Российской конференции по использованию синхротронного излучения, Новосибирск, 2000г, 2-й Азиатской конференции по ускорителям заряженных частиц, сентябрь 2001, Пекин, Китай (АРАС'2001), XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц, 17-23 сентября 2001 г, Алушта, Крым, XVIII Российской конференции по ускорителям заряженных частиц , 1-4 октября 2002г, Обнинск, Россия (ГЩРАС'2002), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц, 3-7 июня 2002г, Париж, Франция (ЕРАС'2002), Конференции по ускорителям заряженных частиц, Ванкувер, Канада, 12-16 мая 1997г и многих других

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, перечисленных в списке литературы

Структура диссертации и ее объем

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, и списка литературы (20 наименований) Материал диссертации изложен на 148 страницах, содержит 64 рисунка и 21 таблицу

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, дано ее краткое описание, обоснована необходимость разработки отдельных типов источников питания непосредственно в ИЯФ

В первой главе рассматриваются особенности двухканапыюго (5 2 В, 1200 А и 2 В, 300 А) источника питания регистрирующей аппаратуры детектора «КЕДР» Рассмотрены различные варианты систем питания большого количества микроэлектронной аппаратуры, произведено их сравнение и выбор типа питающего преобразователя Источник питания имеет следующие особенности

1 Построение двух каналов питания на базе одного тиристорного выпрямителя с раздельным управлением анодной и катодной группами вентилей (Рис 1)

2. Применение параметрического параллельного стабилизатора в виде цепочки из последовательно включенных диодов Ток стабилизации диодов - примерно 60 - 80 А.

то 1

С)

ам _ _ _

^ о-гггх)

Ю £3

м о-П^ГХ]

5 2и

Рис 1 Принципиальная схема источника питания регистрирующей аппаратуры

Описан алгоритм расчета сглаживающего фильтра в условиях раздельного управления анодной и катодной группами тиристоров Рассмотрены особенности проектирования силового понижающего трансформатора, работающего на повышенной частоте 400Гц, и сглаживающего фильтра

Во второй главе описан источник питания вигглера с трапецеидальной формой выходного тока Частота изменения полярности тока до 100 Гц, максимальный ток источника - 1200 А, максимальное напряжение - 10 В, фронт пере1шючения тока не более 1 5 мсек Рассмотрены различные варианты схемотехнических решений, позволяющих форсированно переключать полярность тока на активно-индуктивной нагрузке с большой (около ЗОмсек) постоянной времени Выбран вариант, при котором на выходе источника постоянного тока типа В-1000 с ЬС-фильтром расположен тиристорный инвертор (\Т7-УТ10), а параллельно виггперу подключена конденсаторная батарея СЗ, в которую рекуперируется энергия вигглера (около 80 Дж при максимальном токе) на этапе изменения полярности тока Для выключения тиристоров инвертора применен последовательный узел искусственной коммутации, состоящий из генератора коммутирующих импульсов О! и коммутирующего трансформатора с обмотками и \У2

Рис 2 Упрощенная принципиальная схема источника питания вигглера

Кроме того, в данной главе рассмотрена коммутация тиристоров на больших токах и малых напряжениях, отражены особенности такой коммутации, описаны процессы, протекающие в тиристорах Таким образом, в 1994г впервые была создана система «вигглер - источник питания», работающая на переменном токе повышенной частоты с трапецеидальной формой тока вигглера

В третьей 1лаве описывается источник питания эллиптического Вигглера-2 (ЭВ2) Постоянная времени ЭВ2 существенно выше, чем ЭВ1 — около 90 мсек Максимальный выходной ток источника - 1200 А, максимальное выходное напряжение до 18В, фронт переключения тока не более 5 мсек Отличием данного источника от описанного в первой главе является активное демпфирование фильтра входного источника питания на этапе коммутации юка в вигглере. Достигается это подключением к выходу ЬС-фильтра двух вспомогательных транзисторов УТ1 и УТ2 с резисторами 111-113, суммарное сопротивление которых, примерно, равно активному сопротивлению ондулятора (Рис 3)

1_3 ПССТ1

Рис 3 Принципиальная схема силовой части эллиптического внггаера 2

В четвертой главе описаны источники питания спирального ондулятора Спиральный ондулятор представляет собой модернизированный вариант эллиптического вигглера Отличие данного ондулятора состоит в том, что он имеет обмотки для создания знакопеременного магнитного поля в двух взаимно ортогональных плоскостях Первый из рассмотренных

6

источников питания (для горизонтальной обмотки) имеет выходные параметры 24 В, 1600 А, второй (для вертикальной обмотки) - 10 В, 400 А Максимальная частота переключения - 10 Гц, длительность фронтов переключения тока - не более 12 мсек Структурная схема этих источников повторяет структуру источников питания предыдущей разработки (см главы 2 и 3) Однако существуют и отличия Оба рассмотренных в этой главе источника имеют следующие особенности

1 Применение преобразователя, работающего на повышенной частоте, в качестве входного источника питания постоянного тока Это решете позволило увеличить точность стабилизации, практически полностью исключило паразитную раскачку фильтра входного источника питания при коммутации выходного тока, уменьшило габариты,

2 Применение на выходе источника транзисторного инвертора вместо тиристоркого В качестве силовых транзисторов были использованы параллельно соединенные ЮВТ-модули с малым падением напряжения (около 1 2 В при токе 400 А) в статическом режиме

3. Рекуперация энергии ондулятора в емкость фильтра через обратные диоды транзисторов выходного инвертора Это позволило вместо громоздких бумажных конденсаторов применить электролитические, с пониженными потерями на пульсирующем токе

На Рис 4 представлена функциональная схема силовой части источника питания I оргаонтальной обмотки ондулятора

Рис 4 Упрощенная функциональная схема источника питания горизонтальной обмотки ондулятора

Описанный комплекс источников с июня 1999г находится в patío ге на комплексе APS в Аргоннской Национальной Лаборатории (США) Источник питания горизонтальной обмотки, описанный в главе 4, имеет самую большую мощность и самые малые габариты по сравнению с предыдущими Таким образом, все схемотехнические решения оказались правильными и целесообразными

В пятой главе описаны два источника анодного питания ВЧ-генераторов лазера на свободных электронах Оба источника имеют сходную структуру Отличительной особенностью обоих источников является наличие быстрой защиты, позволяющей отключать источник от нагрузки в случае пробоя на выходе в течение нескольких микросекунд Наиболее подробно рассмотрен источник анодного питания микротрона-рекуператора, как наиболее мощный Источник имеет выходную мощность до 2 9 МВт Напряжение промышленной сети (6 3 кВ, 50 Гц) подается на высоковольтный тиристорный выпрямитель, после чего выпрямленное напряжение поступает на два канала сглаживающих LC-фильтров и два канала быстрой защиты (для источника анодного питания микротрона-рекуператора)

Источник анодного питания инжектора имеет лишь один канал сглаживающего фильтра и один канал быстрой защиты Система быстрой защиты состоит из воздушного дросселя Ь9, включенного последовательно с выходом, и параллельного высоковольтного тиристорного ключа УТ61-УТ70 с его системой запуска (Рис 5)

В случае пробоя на выходе источника тиристоры высоковольтного ключа отпираются, и напряжение на нагрузке становится равным нулю Одновременно снимаются импульсы управления тиристорами входного выпрямителя В главе подробно рассмотрены процессы, протекающие во всех элементах источника при срабатывании быстрой защиты

Схема бысгрой защиты оказалась удачной Именно такая схема применена в источнике анодного питания на ускорительном комплексе ВЭПП-2000 Ее же планируется применить на комплексе ТНК в г Зеленограде

В шестой главе рассмотрен высоковольтный источник питания с выходным напряжением до 300 кВ и выходным током до 3 мА Нестабильность источника не превышает (2-5)х10'5 Высоковольтный источник питания состоит из трех основных систем

1 Высоковольтного выпрямителя, размещенного в баке под давлением изолирующего газа (избыточное давление 0 7 атм),

2 Системы контроля и стабилизации высокого напряжения, основными элементами которой являются прецизионный высоковольтный делитель, емкостной датчик пульсаций, схема стабилизации высокого напряжения, схема защиты от пробоев и от превышения выходного напряжения выпрямителя,

3 Источника питания переменного тока — высокочастотного преобразователя, работающего на частоте 322 кГц

По принципу действия высоковольтный выпрямитель представляет собой секционированную выпрямительную колонну с емкостной связью и параллельным по входу питанием выпрямительных секций, включенных по отношению к нагрузке последовательно Высокое напряжение измеряется с помощью двух прецизионных резистивных делителей (постоянная составляющая) и с помощью емкостного делителя напряжения (переменная составляющая) Соответственно имеется две петли обратной связи по высокому напряжению Третья петля обратной связи - вспомогательная, служит для подавления сетевых пульсаций (см рис 6)

Перестройка и стабилизация величины выходного напряжения высоковольтного выпрямителя в диапазоне от 50 до 300 кВ осуществляются путем регулирования уровня входного напряжения инвертора 322 кГц, питающего резонансные контура в цепях возбуждающих пластин-электродов Источником питания этого инвертора является преобразователь постоянного тока, работающий на частоте 20 кГц

9

и

о

00 2

Сетевой трёхфазный диодный выпрямитель

Управляемый инвертор 20 кГц

Диодный выпрями! ель

и

упр

Узел внутренней петли обратной связи

Измеренное и.,

Инвертор 322 кГц

Блок основной петли обратной связи

я п.

в С

Канал измерения переменной составляющей выходного напряжения

Канал измерения постоянного выходного напряжения выпр-ля

Высоковольтный выпрямитель 300 кВ

N

е. а

>>

н ь

X X

о о

¡е £

я 1=

3 2

X X

о и

X X

о> м

X X

о о

« м

4> <и

а 0-

Рис 6 Структурная схема высоковольтного источника питания

В главе рассчитаны амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики, как элементов источника питания, так и всего источника Это позволило успешно решить проблему устойчивой работы грехконтурной системы обратных связей Представлены результаты работы

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы Подчеркнуто, что разработанная аппаратура является частью ускорителей и накопителей заряженных частиц Эта аппаратура позволила получить новое качество, новые свойства в работе установок В частности, она позволила обеспечить надежную работу детектора «Кедр» На источниках синхротронного излучения применение источников питания ондуляторов с переменным выходным током позволяет обнаруживать очень слабые эффекты, обусловленные право- и лево-сторонностью некоторых физические систем В установке ЛСЭ применение источника анодного питания с быстрой защитой позволило получить высокий уровень ВЧ-мощности (до 1 5 МВт) в непрерывном режиме работы Применение высоковольтного источника питания с выходным напряжением до 300 кВ и стабильностью до Зх10"5 позволило проводить эксперименты по электронному охлаждению пучков протонов или тяжелых ионов

Основные результаты работы, опубликованные по теме диссертации:

1 Б А Бакланов, А М Батраков, В Ф Веремеенко, Ю А Евтушенко и др Статус лазера на свободных электронах для Сибирского центра фотохимических исследований // XIII Российская конференция по использованию сшгхротронного излучения (Новосибирск, 17-21 июля 2000г Сборник трудов, с 24-29)

2 В A BaUakov, AM Batrakov, YuA Evtushenko et al Status of the tree election laser for the Siberian center for Photochemical research // NIM, v A470, N1/2,2001, p 60-65

3 S V Migmsky, V V Anashm, Yu A Evtushenko et al Status of a 2MeV CW RF injector for the Novosibirsk high power FEL // Proc of 2nd Asian Conference on Particle Accelerators (APAC'2001), 17-21 September 2001, Beijing, China

4 В H Бочаров, А В Бублей, Ю А Евтушенко и др Испытания электронного охладителя на энергию 35 кэВ для Института Современной Физики (Ланчжоу, КНР) // Труды XVIII российской конференции (RUPAC'2002) Октябрь 1-4, 2002, Обнинск, Россия

5 AS Medvedko, V V Kolmogorov, Yu A Evtushenko Precision power supply of trapezoidal current for the undulator //Proc of the 8th EP AC, 3-7 June 2002, Paris, p 2487

6 V S Aibuzov, Yu A Evtushenko et al RF System of the race-track microti on-recuperator for high power free electron laser // Proc of the 8th EPAC, 3-7 June 2002, Pans, p 2169

7 ВС Арбузов, Б А Баклаков, Ю А Евтушенко и др Мегаваттные ВЧ системы для ускорителей, разработанных в ИЯФ СО РАН г

Новосибирска // XVIII Конференция по ускорителям заряженных частиц (RUPAC-2002) 1-4 октября, Обнинск, Россия

8 V Bocharov, A Bubley, Yu Evtushenko et al HIRFL-CSR electron cooler commissioning //NIM, v A532, N1,2004 p 144-149

9 E Bekhtenev, V Bocharov, A Bubley, Yu Evtushenko et al Commissioning of the electron cooler EC-300 for H1FRL-CSR // XIX Russian Accelerator Conference (RuPAC-2004), Dubna, October 4-9, 2004, Russia

10 VS Arbuzov, A A Bushuev, EI Gorniker, Yu A Evtushenko et al RF system for the industrial linear electron accelerator of KAERI (Korea, Daejon) // XIX Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC-2004), October 4-9, 2004, Dubna, Russia

11 Yu M Boymelshtein, V.N Bocharov, A V Bubley, Yu A Evtushenko HIRFL-CSR electron cooler commissioning // Proc of the International Workshop on Beam Cooling and Related Topics (Cool'03), Lake Yamanaka, Yamanashi, Japan, May 19-23,2003

12 E Gluskm, D Frachon, P M Ivanov, E A Medvedko, E Trakhtenberg, I Vasserman, Yu A Evtushenko, N G Gavrilov, G N Kulipanov, A S Medvedko, S P Petrov, V. M Popik, N A Vmokurov, A Friedman, S Krinsky, О Smgh // The Elliptical Multipole Wiggler Project Proc 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, IEEE, (1996), 1426 - 1428

13 E Gluskin, N Vmokurov, V Tcheskidov, A Medvedko, Yu Evtushenko, V Kolmogorov, P Ivanov,, E M Trakhtenberg, P К Den Hartog, В Deny, О Makarov, E R Moog, "An Electromagnetic Helical Undulator for Polarized X-rays," AIP Conf Proc Synchrotron Radiation Instrumentation, P Pianetta, J Arthur, and S Brennan, eds ,521, AIP, (2000), 344-347

14 Ю А Евтушенко, С П Петров Источник питания: регистрирующей аппаратуры Межвузовский сборник научных трудов, Новосибирск, 1991г

Евтушенко Юрий Анатольевич

Специализированные источники питания для элементов ускорителей и накопителей заряженных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 23 10 2007 г Подписано к печати 24 10 2007 г Формат 100x90 1/16 Объем 0,7 печ л , 0,6 уч -изд л Тираж 100 экз Бесплатно Заказ №29

Обработано на 1ВМ РС и распечатано на ротапринте ИЯФ им Г И Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр Академика Паврешпъева II

Введение.

Глава 1. Источник питания регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр».

1.1. Введение.

1.2. Основные требования к напряжению питания крейтов.

1.3. Выбор типа питающего преобразователя.

1.4. Описание принципиальной схемы.

1.5. Особенности проектирования силового трансформатора.

1.6. Конструкция тиристорного выпрямителя.

1.7. Особенности расчёта фильтра.

1.8. Диодный ограничитель-стабилизатор.

Глава 2. Источник питания эллиптического мультипольного вигглера.

2.1. Введение.

2.2 Функциональная схема.

2.3. Упрощенная принципиальная схема источника питания и её особенности.

2.4. Коммутация тиристоров.

2.5. Особенности принципиальной схемы.

Глава 3. Источник питания эллиптического вигглера 2.

3.1. Эллиптический вигглер.

3.2. Описание источника питания вигглера.

Глава 4. Источник питания спирального ондулятора.

4.1. Описание спирального ондулятора.

4.2. Описание функциональной схемы источника.

4.3. Выбор схемы преобразователя постоянного тока.

4.4. Особенности элементной базы источника питания.

4.5. Особенности высокочастотных силовых трансформаторов буферного источника питания.

4.6. Особенности построения фильтра буферного источника питания.

4.7. Источник питания вертикальной обмотки.

Глава 5. Источник анодного питания ВЧ-генераторов Лазера на свободных электронах.

5.1. Введение.

5.2. Источник питания высокочастотной системы ЛСЭ.

5.3. Устройство быстрой защиты.

Глава 6. Высоковольтный источник питания установки электронного охлаждения «ЭХ-300».

6.1. Введение.

6.2. Описание конструкции установки электронного охлаждения.

6.3. Высоковольтный выпрямитель.

6.4. Прецизионный делитель напряжения.

6.5. Измерение параметров высоковольтного выпрямителя.

6.6. Функциональная схема высоковольтного источника питания.

6.7. Система стабилизации источника питания.

6.8. Результаты работы.

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера ведутся исследования в области физики высоких энергий, физики плазмы, а также разработки ускорителей заряженных частиц для научных и технологических применений. Для этих целей в Институте построены и сооружаются сложные электрон-позитронные ускорительные комплексы, уникальные установки для исследований в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, специализированные источники синхротронного излучения и многое другое. Опыт построения экспериментальных физических установок в ИЯФ им. Г.И. Будкера и в других ведущих научных центрах показывает, что только специально спроектированные системы позволяют достичь необходимого качества работы элементов физических установок. Промышленных изделий, обладающих необходимыми характеристиками, зачастую просто не существует. Кроме того, системы питания экспериментальных физических установок интегрированы в сложные комплексы нестандартного электротехнического оборудования и электроники, поэтому их целесообразно составлять из устройств, специально построенных по единым правилам, обеспечивающим совместимость оборудования с системами управления, электромагнитную совместимость источников питания с измерительными и физическими устройствами [1]. Настоящая диссертация посвящена разработанным автором специализированным источникам питания. В первой главе описывается источник питания регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр». В главах 2,3,4 рассказывается о серии источников питания с быстрым изменением выходного тока для специальных вигглеров и ондулятора. В главе 5 описан источник анодного питания для ВЧ-генераторов для установки «Лазер на свободных электронах», отличительной особенностью которого 5 является наличие быстродействующей системы защиты. В главе 6 описывается высоковольтный, высокостабильный источник питания электронного охладителя. Его отличительные особенности - применение высоковольтного выпрямителя с емкостной связью.

Глава 1

Источник питания регистрирующей аппаратуры детектора "Кедр" комплекса ВЭПП-4

1.1. Введение

Несколько лет назад начались эксперименты с универсальным магнитным детектором «КЕДР» на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М в ИЯФ им. Г.И. Будкера в Новосибирске. Детектор работает в области энергий от пси до ипсилон-мезонов. «КЕДР» - один из 5 крупных детекторов, работающих в мире в этой области.

В первом цикле экспериментов были выполнены новые прецизионные измерения масс джи/пси- и пси'-мезонов с использованием метода резонансной деполяризации для калибровки энергии пучков. В результате измерений значения масс этих узких резонансов, лежащих в основе спектроскопии пси-семейства, были получены с точностью в 3 раза лучше среднемировой. В новом цикле экспериментов планируется продолжить изучение физики пси-мезонов, а также провести измерение с высокой точностью массы тау-лептона.

Дальнейшие планы детектора КЕДР включают эксперименты при высокой энергии, в области ипсилон-мезонов, где возможно также изучение двухфотонных реакций.

В двухфотонной физике планируется провести новые измерения двухфотонных ширин С-четных резонансов, с высокой точностью измерить полное сечение двухфотонного рождения адронов и провести поиск новых состояний.

В детекторах, сооружённых для экспериментов на встречных пучках в последние годы, можно выделить признаки, позволяющие говорить о новом поколении этих установок [2]. Главные из этих признаков:

-одинаково высокая эффективность регистрации как заряженных, так и нейтральных частиц в большом телесном угле;

-разрешение по энергии на уровне нескольких процентов, а по импульсу - на уровне десятых долей процента;

-возможность работы на накопителе с высокой светимостью; -возможность работы при больших энергиях накопителей, т.е. в условиях высокой множественности частиц.

Регистрирующие системы детекторов нового поколения содержат, как правило, тысячи и десятки тысяч сложных измерительных аналоговых каналов. Это прежде всего разнообразные дрейфовые камеры, используемые практически во всех детекторах для измерения треков частиц; вершинные детекторы; мюонные системы на стриммерных трубках; калориметры на основе сжиженных инертных газов и т.п. Примером детектора нового поколения может служить детектор КЕДР.

Информация с детектора поступает в виде импульсных сигналов, амплитудно-временные параметры которых надо измерить. Измерительные каналы электроники, как правило, состоят из схем, расположенных вблизи регистрирующих систем детекторов (усилители, усилители-формирователи, экспандеры и т.п.), линий связи и устройств преобразования информации в цифровой вид. Для измерения временных интервалов применён вариант метода прямого счёта импульсов тактовой частоты 250МГц с определением 0.5 периода, т.е. разрешение канала составляет 2 не.

Электроника регистрации размещена в специальных крейтах, в каждом из которых расположены 20 плат - 16 информационных и 4 служебных. 8

Служебные платы имеют фиксированные позиции, определяемые магистралью спецкрейта, позиции для информационных плат всех типов одинаковы. К служебным платам относятся: процессор вывода, размножитель служебных сигналов, интерфейсы первичного и вторичного триггеров. Информационные платы предназначены для преобразования поступающей с детектора информации в цифровой код. Информация из информационных плат считывается в процессор вывода и в интерфейсы по магистрали спецкрейта. Магистраль с циклом 100 не построена по принципу магистрали КАМАК, но оставлены только необходимые шины. Кроме того, добавлены шины для передачи информации из информационных плат в интерфейсы первичного и вторичного триггеров, а также для разводки частоты 250МГц по всем информационным платам.

Каждый процессор вывода подключён к магистрали КАМАК через интерфейс - блок обмена. Синхронизация работы всех спецкрейтов осуществляется центральной системой синхронизации, представляющей собой группу блоков КАМАК, через платы размножителя служебных сигналов спецкрейтов.

Рис. 1-1. Внешний вид стоек (на снимке слева) с регистрирующей аппаратурой детектора.

Основные факторы, обеспечивающие надёжность описанной электроники и удобство её эксплуатации состоят в следующем. Оцифровка информации и выработка данных производятся внутри одной конструктивной единицы - информационной платы; данные передаются из информационных плат по магистрали; разъёмы входных кабелей являются частью кросса и остаются неподвижными при смене платы; питание и вентиляция централизованы. Размер платы 360x240мм. Цифровая часть электроники выполнена на микросхемах 500-й серии. Потребляемая спецкрейтом мощность может достигать 1 кВт. Спецкрейты размещаются в стойках-воздуховодах по 6 шт. в одной стойке.

Таким образом, была поставлена и решена задача разработать источник питания -5.2В и -2В, поскольку именно эти каналы питания потребляют наибольший ток.

Основные результаты работы:

1. В 1992 г. успешно запущена в работу серия источников питания для регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр». Это позволило обеспечить дорогую и чувствительную к броскам напряжения питания регистрирующую аппаратуру детектора очень надежным питанием. За время 15-летней эксплуатации детектора «Кедр» не было ни одного выхода из строя регистрирующей аппаратуры вследствие превышения напряжения питания.

2. В 1994г. поставлен и находится в настоящее время в работе источник трапецеидального тока для питания вигглера для Брукхэйвенской лаборатории (США)

3. В 1996г. разработан, поставлен и находится в работе источник трапецеидального тока вигглера для Аргоннской Национальной Лаборатории (США)

4. В 1999г. разработан, поставлен и находится в эксплуатации в Аргоннской Национальной Лаборатории источник трапецеидального тока ондулятора с входным транзисторным преобразователем. Разработанные с участием автора системы «источник-вигглер» позволили иметь поляризованное синхротронное излучение с изменяемым по времени направлением поляризации. Эксперименты с применением вигглеров и их систем питания ведутся в вышеупомянутых научных центрах до сих пор.

5. В 2001г. разработан и запущен в эксплуатацию источник анодного питания с выходной мощностью до 2.8 МВт для ВЧ-генераторов, как составная часть Лазера на свободных электронах. Это позволило в России только в ИЯФ вести эксперименты (биологические и химические) с наблюдением в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Схема и конструкция быстродействующей защиты ламп оказались весьма удачной по сравнению со схемой последовательной быстродействующей защиты. Ее применили в источниках анодного питания ВЭПП-2000. Такую же защиту планируется поставить в источнике анодного питания в ТНК (г. Зеленоград).

6. В 2004г. разработан и поставлен в Институт Современной Физики (г. Ланчжоу, Китай) высоковольтный источник питания для установки электронного охлаждения. В следующем году планируется начать эксперименты по охлаждению протонных и ионных пучков для научных и прикладных целей.

Описанные в настоящей диссертации источники питания физических установок работают в составе различных комплексов ускорителей и накопителей заряженных частиц, как в России, так и за рубежом. Проведенные автором разработки внесли решающий вклад в получение этих результатов. 1

Описанные результаты будут также востребованы при проектировании новых ускорительных комплексов. Так, в настоящее время разработанная автором система защиты генераторных ламп будет применена в ВЧ системе Технологического накопительного комплекса (ТНК), сооружаемого Институтом в г. Зеленограде. Ведется разработка усовершенствованного варианта электроники для высоковольтного выпрямителя установки охлаждения ионов ЭХ-300.

Хочется отметить в заключение, что работа по созданию описанных в диссертации устройств велась автором в тесном сотрудничестве со всем коллективом Лаборатории 6 и другими лабораториями нашего института. Большое значение для успешной работы имела помощь сотрудников института H.A. Винокурова, В.М. Петрова, С.П. Петрова, В.Ф. Веремеенко, В.В. Колмогорова, Е.В. Севастьянова и многих других.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автором были разработаны и изготовлены уникальные (специализированные) источники питания для применения в электрофизических установках. В настоящее время они находятся в работе как в Институте Ядерной Физики им. Г.И. Будкера, так и за его пределами.

Разработанная аппаратура является частью ускорителей и накопителей заряженных частиц. Она позволяет получить новое качество, новые свойства в работе этих установок. В частности, она позволила обеспечить надёжную работу детектора «Кедр», в котором достигается высокая эффективность регистрации как заряженных, так и нейтральных частиц в большом телесном угле; разрешение по энергии находится на уровне нескольких процентов, по импульсу - на уровне десятых долей процента. На источниках синхротронного излучения (СИ) применение источников питания ондуляторов с переменным выходным током позволяет обнаруживать очень слабые эффекты, обусловленные право - и лево-сторонностью некоторых физических систем. В установке «Лазер на свободных электронах» (ЛСЭ) применение мощного источника питания с быстрой защитой позволило получить высокий уровень ВЧ-мощности (до 1.5 МВт) в непрерывном режиме работы на частоте 180.4 МГц и обеспечить надёжную защиту дорогостоящих высокочастотных усилительных ламп от разрушения при пробоях. Это позволило вести уникальные научные эксперименты в области химии и биологии с наблюдением в субмиллиметровом диапазоне волн (120-240 мкм) при большой мощности излучения (до 30 кВт). Применение высоковольтного источника питания с выходным напряжением до 300 кВ и стабильностью до ЗхЮ"5 позволило проводить эксперименты по электронному охлаждению пучков протонов или тяжёлых ионов в рамах международного проекта.

1.В.В. Колмогоров. Новое поколение источников высоковольтного питания диагностических атомарных инжекторов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, ИЯФ, 2002.

2. С.Е. Бару. Быстродействующие системы сбора и обработки данных с пропорциональных камер в детекторах на встречных пучках и для прикладных задач (автореферат докторской диссертации, Новосибирск, 1988, препринт ИЯФ)

3. Справочник. Микросхемы интегральные. Всесоюзный НИИ «Электростандарт», 1988

4. Ю.К. Розанов. Основы силовой преобразовательной техники, Москва, «Энергия», 1979 г.

5. B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. Основы преобразовательной техники, Москва, «Высшая школа», 1974 г.

6. Н.П Ермолин. Расчёт трансформаторов малой мощности. «Энергия», Л., 1969, 192 с.

7. П.М. Тихомиров. Расчёт трансформаторов, Москва, «Энергия» , 1968г.

8. А.Б. Грумбина. Электрические машины и источники питания, Москва, «Энергоатомиздат», 1990 г.

9. Vinokurov N. Project of the elliptical wiggler. Particle Accelerator Conference, London, 1994

10. Ежегодный отчёт ИЯФ за 2004 г., Новосибирск, 2005.

11. Ежегодный отчёт ИЯФ за 2002 г., Новосибирск, 2003.

12. В.Ф. Веремеенко, Г.В. Карпов. Двухкаскадный прецизионный широкополосный трансформатор постоянного тока. Препринт 87-119. Новосибирск, ИЯФ, 1992

13. E. Глускин, Ю. Евтушенко, H. Винокуров. Эллиптический многополюсный вигглер для источника СИ. США, 1996г.

14. С.П. Петров. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. ИЯФ, Новосибирск, 1987

15. N. Gavrilov, Yu.Evtushenko, et al. RF cavity for the Novosibirsk RaceTrack Microtron-Recuperator. Препринт ИЯФ CO PAH 94-92, Новосибирск, 1994

16. Г.И. Будкер, Я.С. Дербенев, Н.С. Диканский, В.В. Пархомчук, Д. В. Пестриков, А.Н. Скринский. Кинетика электронного охлаждения. Препринт ИЯФ 74-85, Новосибирск, 1974

17. В. Бочаров, А. Бублей, Ю. Евтушенко и др. Запуск установки электронного охлаждения ЭХ-300. Препринт ИЯФ 2004-4, Новосибирск, 2004г.

18. А.И. Полтев. Конструкции и расчёт элегазовых аппаратов высокого напряжения. Ленинград, «Энергия», 1979