学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

MOSFET调制器关键技术及氦离子FFAG感应加速腔模拟研究

作　者: 徐玉存
导　师: 何多慧；王相綦
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核技术及应用
关键词: MOSFET 固态调制器感应叠加 FFAG 感应加速腔 OPERA-3D
分类号: TN761
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 32次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

上世纪九十年代由日本学者重新启动研究的固定场交变梯度加速器(FFAG)由于其大的动力学孔径和较高的输出功率,不仅有可能应用于次临界堆的驱动源、散裂中子源,还有可能成为中微子工厂/μ介子对撞机的有效加速手段和癌症治疗、微型电子源的有效工具,因此也再次引起国际加速界的关注。另一方面,在核能技术的诸多领域使用的金属材料中普遍存在着氦的产生及其引起的脆化问题,尤其在反应堆领域,氦与包层材料作用机理和机制的研究,已成为未来核科学技术的重点研究方向之一。因此我们在国家同步辐射实验室借助于氦脆研究的契机,进行一台小型的氦离子FFAG加速器概念设计,并希望通过这一设计研究为将来FFAG在中国的研究发展建立基础。计划中小型氦离子FFAG加速器输出能量为36 MeV,采用径向三弯转组合扇形DFD设计,回旋周期在数百ns到微秒量级。本文针对氦离子FFAG输出能量和回旋频率较低的特点,提出利用感应加速方式取代通常FFAG加速器设计中的磁合金宽带高频腔加速方式以获得更大的束流流强的设计。设计这一感应加速系统的最主要技术难点包括快速可调整的调制器设计和跑道型的感应腔设计,本文主要针对这两项技术难点进行相关技术和概念研究。我们首先进行了快速调制器技术的研究。对于氦离子FFAG加速器,回旋周期的变化从数百ns到数μs量级,相应的要求感应腔驱动源调制器必须也跟随这个周期变化,这就需要对调制器输出脉冲格式不断调整和具有较高的重复频率,这对于传统的线性调制器是无法实现的。而目前国外大型粒子加速器实验室对于采用半导体器件作为开关的固态调制器技术研究已经能够实现MHz的连续波运行,国内对于快速的固态调制器技术研究还处于起步阶段,因此本篇论文首先进行了固态调制器技术的相关实验研究。由于功率开关MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)具有较快的开启速度(约10 ns),因此我们的实验方案选择基于MOSFET开关的固态调制器样机研究。通过对于快速MOSFET调制器的理论分析,我们具体设计了基于FPGA快速同步时钟电路和MOSFET同步驱动电路,建成了一套由五单元感应叠加的调制器样机,并进行了相关负载的实验测试。我们获得了脉冲电压在3 kV、脉冲电流在118A,脉冲宽度在100 ns左右的放电波形,并通过增大负载阻抗获得了较好的脉冲上升速度,这种窄脉冲基本可以满足氦离子回旋最短周期内的加速需求。快速固态调制器技术不仅可以用于感应加速腔,还以用于加速器中快速冲击磁铁、雷达发射以及医用加速器等诸多领域。FFAG加速器的加速设计通常采用低品质因子软磁合金宽带RF腔,由于受到频率调谐速率的限制,加速重复频率不高,另外RF腔也具有较强的尾场效应,容易造成电场崩溃,因此输出平均流强受到限制。为此对于氦离子FFAG加速器,我们提出利用感应腔取代磁合金宽带高频腔的概念设计。由于FFAG加速器粒子轨道半径随能量变化的范围相对较大,因此真空盒尺寸在径向较大,为此我们设计一个截面为跑道型的感应腔结构,并通过建立感应腔的集中参数模型和分布参数模型来计算腔的基本分布参数和分析模拟加速电压波形。通过分析计算我们给出了满足平均输出流强为10 mA的感应腔设计方案,其全环共有4个感应腔,单腔设计加速电压为5 kV,脉冲宽度为200 ns,总功耗180 kW。为保证氦离子不因加速能量差异而丢失,我们对调制器输出脉冲模式提出了要求,并通过能量补偿和延长加速周期两种方案来对粒子进行约束,保证粒子在加速过程中始终处于加速时区。由于跑道型结构分布并不对称,可能造成感应加速电场的不均匀性,我们利用OPERA-3D模拟感应电场的分布,通过模拟我们发现设计模型的不同半径轨道上电场差异很小,完全可以满足加速的需要。通过对以上两个关键技术的研究分析,我们认为实现氦离子FFAG加速器的感应加速方式是可行的,其相关的概念设计也可以借鉴予未来中国高功率FFAG加速器的发展。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第1章综述  12-28
  1.1 加速器领域的固态调制器技术发展现状  12-17
  1.2 FFAG加速器简介及氦离子加速器计划的提出  17-24
    1.2.1 FFAG加速器的发展历程  17-23
    1.2.2 FFAG加速器的特点  23-24
  1.3 氦脆及氦离子FFAG加速器计划的提出  24-25
  1.4 文章主要工作及创新点  25-28
    1.4.1 文章的章节安排  25-26
    1.4.2 文章内容的创新点  26-28
第2章基于MOSFET开关快速固态调制器技术原理  28-50
  2.1 调制器的基本原理及快速固态调制器技术方案的选择  28-35
    2.1.1 调制器的一般原理及分类  28-30
    2.1.2 典型的线性调制器与钢管式调制器原理  30-32
    2.1.3 固态开关  32-33
    2.1.4 高重复频率的固态调制器技术方案选择  33-35
  2.2 MOSFET开关的特性分析  35-38
    2.2.1 功率MOSFET简化模型  35-36
    2.2.2 功率MOSFET的开关导通与关断过程分析  36-37
    2.2.3 MOSFET开关并联使用特性分析  37-38
  2.3 感应叠加式调制器基本原理分析  38-47
    2.3.1 同轴式感应叠加调制器的总体结构及基本电路原理  38-40
    2.3.2 单元MOSFET调制器的脉冲变压器模型分析  40-43
    2.3.3 同轴结构脉冲变压器的分布参数计算  43-47
  2.3 本章小结  47-50
第3章 MOSFET调制器快速同步触发电路设计  50-66
  3.1 基于FPGA的快速时钟电路设计  50-57
    3.1.1 可编程逻辑器件简介  50-51
    3.1.2 FLEX10K系列FPGA的内部结构  51-54
    3.1.3 时钟电路的Quartusll软件模拟仿真设计  54-56
    3.1.4 时钟电路系统的PCB设计和实验测量  56-57
  3.2 MOSFET功率驱动电路设计  57-65
    3.2.1 MOSFET的栅极回路参数分析  58-60
    3.2.2 驱动电路设计的要求  60-61
    3.2.3 驱动电路的具体设计  61-63
    3.2.4 驱动输出波形测量  63-65
  3.3 本章小结  65-66
第4章基于MOSFET快速固态调制器样机的研制  66-84
  4.1 感应叠加型调制器样机的总体布局  66-67
  4.2 MOSFET开关器件和磁芯材料的选择  67-72
    4.2.1 MOSFET开关的选择  67-68
    4.2.2 磁性材料的选择和铁氧软磁材料的高频特性  68-72
  4.3 感应叠加型样机的实验与测试  72-81
    4.3.1 单元调制器的设计  72-74
    4.3.2 调制器样机实验测试  74-78
    4.3.3 一些问题的讨论  78-81
  4.4 本章小结  81-84
第5章氦离子FFAG感应加速腔的概念设计  84-124
  5.1 氦离子FFAG加速器基本设计及基本参数  84-89
    5.1.1 FFIAG加速器基本设计类型和基本结构参数  84-87
    5.1.2 氦离子FFAG加速器的具体结构及基本设计参数  87-89
  5.2 FFAG的常用加速方式及氦离子感应加速方式的提出  89-95
    5.2.1 FFIAG已有加速方案介绍  90-93
    5.2.2 氦离子FFAG的感应加速方式及具体设计流程  93-95
  5.3 氦离子FFAG感应加速腔模型及基本参数计算  95-105
    5.3.1 感应加速腔的磁芯设计  95-98
    5.3.2 感应腔的集中参数模型  98-102
    5.3.3 分布参数模型下的PSPICE模拟结果  102-105
  5.4 感应腔对调制器输出脉冲波形模式的要求  105-112
    5.4.1 满足加速谐振条件下调制器输出脉冲周期计算  105-108
    5.4.2 顶降对调制器输出波形模式的要求  108-112
  5.5 利用OPERA-3D分析感应腔的场强分布  112-115
  5.6 一种能量补偿模式的纵向运动跟踪模拟初步分析  115-122
  5.7 本章小结  122-124
第6章总结  124-128
参考文献  128-134
致谢  134-136
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  136-138
附录  138-139

MOSFET调制器关键技术及氦离子FFAG感应加速腔模拟研究

内容摘要

全文目录

相似论文