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HLS满能量注入研究及新型冲击磁铁脉冲发生器研制

作　者: 刘超
导　师: 刘祖平；尚雷
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核技术及应用
关键词: 满能量注入跟踪模拟准恒流固态脉冲功率冲击磁铁脉冲发生器 IGBT 感应叠加现场可编程门阵列纳米晶磁环
分类号: TL503.3
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

合肥光源是一台以真空紫外与软X射线为主要波段的同步辐射光源。合肥光源储存环现为1/4能量注入,光源注入器为200MeV直线加速器,输运线把束流传输到注入点后通过注入系统注入到储存环中,积累到一定流强后;通过慢加速(Ramping)过程,储存环将电子能量提升至800MeV向用户提供同步辐射光。该系统稳定运行了多年,获得了较好的束流积累速率和较高的流强,但对注入束流参数较敏感,误差容忍度低。低能注入时,慢加速过程中系统主要设备的工作状态是动态的,造成束流轨道漂移,降低了光源品质和运行的稳定性。每隔几小时的重复填充注入方式使束流强度不断变化,光束线元件的热负载效应严重,不能满足一些同步辐射实验的要求。提高光源流强、亮度和位置稳定性等重要性能是合肥光源长期发展的目标。合肥光源的建造历程中也曾多次有升能注入的构想。在2007年国家同步辐射实验室曾申请发展合肥软X射线自由电子激光实验装置(Hefei soft X-ray freeelectron laser Test Facility简称HTF),项目的一个副产品是实现满能量注入。本论文最初也是为了配合此项目研究注入系统改造;项目虽未能申请成功,从长远来看条件具备时升级注入器能量,克服合肥光源现有的注入系统的局限性,实现满能量注入是很有必要的。现有注入系统对冲击磁铁磁场强度要求较高,技术上很难实现满能量注入。为此我们设计了新的满能量注入系统,设计中优化了输运线和储存环注入点处的参数匹配,分析说明优化β注入模式相对匹配β注入模式在储存环中占据更小的相空间,可以获得更好的注入效率。采用基于MATLAB的加速器软件AT计算模拟了新凸轨设计和注入过程,确定了注入系统的各项误差允许范围,模拟结果表明,新设计的注入系统可以获得较高的注入效率。根据合肥光源的特点,基于新设计的满能量注入系统,论文进一步探讨了Top-up注入实现的可能性,给出了准恒流运行模式下的可行性参数。详细分析了注入过程中的各项误差对储存束流的扰动,解析计算和模拟表明新注入系统注入过程中对已储存束流的扰动非常小,满足通常的轨道稳定性标准,具备向准恒流运行模式发展的潜力。为实现高注入效率还探讨了新颖的注入方法-不匹配凸轨注入和偏能注入。注入系统冲击磁铁电源的长时间工作的性能表现直接决定注入效率的高低和对储存束流的扰动情况,进而影响整个加速器的运行。随着加速器运行模式的不断改进,尤其是Top-up注入模式对冲击磁场波形的一致性、精度和重复性要求更加严格。根据计算要求脉冲磁场上升时间更快,稳定性要求更高;频繁的注入也要求功率消耗最小化以降低运行费用。现注入系统冲击磁铁电源是基于闸流管的简化PFN型,气体开关的不稳定性、寿命和可靠性等方面已不能满足新注入系统对冲击磁铁电源的长期连续稳定运行的要求。在调研国际上冲击磁铁脉冲发生技术发展的基础上,我们研究了固态脉冲发生的关键技术。根据新设计的注入系统要求,研制了基于大功率IGBT的新型磁耦合固态冲击磁铁脉冲发生器,设计了基于FPGA的多路高压IGBT驱动触发器。新型冲击磁铁脉冲发生器用IGBT、新型磁材料、数千伏的高频开关电源新电路拓扑取代闸流管、PFN、数万伏的高压电源等传统部件,提高功率密度、克服高压储能电容、放电开关使用寿命等局限。冲击磁铁脉冲发生器的长期重复稳定性可以得到保障,大大减少维护量,可以满足高亮度或准恒流运行模式的要求,并具备脉冲输出上升、下降沿快、脉宽可调等优点。新型固态高压大电流脉冲发生技术不仅可以在现有高能加速器上得到直接应用,未来在雷达发射、工业辐照及医用加速器等领域也有广阔的应用前景。概况来说,论文的主要工作包括合肥光源满能量注入升级系统的物理优化设计,对Top-up注入的可行性进行了初步的分析研究;成功研制新型冲击磁铁脉冲发生器,解决了关键的技术问题,为合肥光源未来的发展奠定了良好的物理和技术基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 同步辐射光源介绍  12-14
  1.2 合肥光源(HLS)简介  14-16
  1.3 论文选题背景和意义  16-19
  1.4 论文主要内容和创新点  19-22
    1.4.1 章节安排  19-20
    1.4.2 论文内容创新点  20-22
第一部分合肥光源满能量注入系统相关物理设计  22-64
  第二章满能量注入系统物理设计及公差分析  24-54
    2.1 局部凸轨注入法原理  24-28
    2.2 HLS现注入系统介绍  28-31
      2.2.1 HLS现注入系统简介  28-29
      2.2.2 现注入系统主要问题  29-30
      2.2.3 满能量注入的优点(相对低能注入)  30-31
    2.3 满能量注入系统物理设计  31-46
      2.3.1 注入束流在注入点与储存环的匹配和优化  31-37
      2.3.2 束流输运线相应优化  37-41
      2.3.3 凸轨方案设计  41-43
      2.3.4 粒子注入过程分析  43-46
    2.4 满能量注入过程跟踪模拟和公差分析  46-54
      2.4.1 跟踪程序编写  46-48
      2.4.2 注入过程系统公差分析  48-54
        2.4.2.1 半正弦注入冲击磁场波形  48-49
        2.4.2.2 梯形类方波注入冲击磁场波形  49-54
  第三章 Top-up注入可行性研究  54-64
    3.1 Top-up 注入概念  54-56
      3.1.1 概念及要求  54-55
      3.1.2 HLS Top-up注入可行性参数  55-56
    3.2 满能量注入系统对储存束流的扰动  56-61
    3.3 提高注入效率的方法探讨  61-64
      3.3.1 不匹配凸轨注入  61-62
      3.3.2 偏能注入  62-64
第二部分新型冲击磁铁脉冲发生器研制  64-112
  第四章冲击磁铁脉冲发生技术方案及进展  66-78
    4.1 加速器中的脉冲功率技术  66-67
    4.2 高压大电流快速开关  67-68
    4.3 传输线型冲击磁铁脉冲发生器  68-72
      4.3.1 传输线型冲击磁铁系统设计  69-71
      4.3.2 仿真计算  71-72
    4.4 简化 PFN型冲击磁铁脉冲发生器  72-74
      4.4.1 系统设计  72-73
      4.4.2 仿真计算  73-74
    4.5 冲击磁铁脉冲电源发展趋势  74
    4.6 磁耦合固态叠加型冲击磁铁脉冲发生器  74-78
      4.6.1 固态叠加型原理分析  74-76
      4.6.2 仿真计算  76
      4.6.3 固态叠加型的特点分析  76-77
      4.6.4 三种脉冲发生方案特点比较  77-78
  第五章新型磁耦合冲击磁铁脉冲发生器设计  78-100
    5.1 感应叠加型脉冲发生技术的研究现状  78-80
    5.2 新型磁耦合冲击磁铁脉冲发生器系统设计  80-81
      5.2.1 系统指标  80
      5.2.2 组元电路设计  80-81
    5.3 固态开关选择及驱动电路设计  81-89
      5.3.1 开关器件选择  81-83
      5.3.2 IGBT驱动保护电路设计  83-87
      5.3.3 IGBT驱动电路原理图  87-89
    5.4 基于 FPGA的多路高压 IGBT驱动触发器  89-96
      5.4.1 EDA设计流程  89-90
      5.4.2 系统总体设计框架  90-94
      5.4.3 系统软件设计  94-95
      5.4.4 多路触发器实验测量  95-96
    5.5 磁性材料对比和磁环设计  96-98
    5.6 其它核心元件及电路  98-100
      5.6.1 储能电容  98
      5.6.2 反向吸收及偏磁电路  98-100
  第六章组元电路测量及样机实验  100-106
    6.1 IGBT驱动测量  100
    6.2 大尺寸纳米晶磁环的动态磁性能测量  100-102
    6.3 组元电路测量和仿真  102-104
    6.4 样机测试  104-106
  第七章总结和展望  106-112
    7.1 总结  106
    7.2 今后工作展望  106-112
附录1 HLS储存环 Lattice的AT程序描述  112-114
附录2 磁耦合固态脉冲发生技术应用简介  114-116
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  116-118
致谢  118

HLS满能量注入研究及新型冲击磁铁脉冲发生器研制

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