Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Установка "Впуск-выпуск" 8
1.1. Назначение установки 8
1.2. Описание генераторов 8
1.2.1. Принцип работы генератора 9
1.2.2. Описание нагрузок генераторов 16
1.2.3. Вспомогательные устройства 21
ГЛАВА 2. Генератор инфлектора ВЭПП-4М 26
2.1. Назначение 26
2.2. Расчет генератора 27
2.3. Описание конструкции 32
2.3.1. Схема генератора 32
2.3.2. Конструкция формирующей линии 33
2.3.3. Подключение кабелей 36
2.3.4. Снижение влияния отраженных импульсов 36
2.4. Результаты 38
2.5. Дополнительная функция генератора 40
2.6. Диагностика работы быстрых генераторов системы перепуска ВЭПП-3 - ВЭПП-4М 40
ГЛАВА 3. Генератор "удара" ВЭПП-4М 43
3.1. Назначение 43
3.2. Технические требования 44
3.3. Расчет генератора 44
3.4. Описание конструкции 46
3.5. Результаты 49
ГЛАВА 4. Драйвер для запуска псевдоискровых коммутаторов 52
4.1. Псевдоискровые коммутаторы 52
4.2. Особенности запуска псевдоискровых коммутаторов 53
4.3. Технические требования 56
4.4. Блок-схема драйвера 57
4.5. Принципиальная схема 58
4.6. Конструкция 61
4.7. Результаты 63
ГЛАВА 5. Генератор инжекции в бустер комплекса FEL Университета Duke 66
5.1. Краткое описание бустера 66
5.2. Назначение 67
5.3. Технические требования 68
5.4. Описание конструкции 70
5.4.1. Согласующая нагрузка 70
5.4.2. Описание генератора 74
5.4.3. Описание узлов генератора 75
5.5. Результаты 78
5.6. Модернизация генератора 79
ГЛАВА 6. Генератор выпуска из бустера 80
6.1. Назначение 80
6.2. Технические требования 80
6.3. Описание конструкции 80
6.3 Л. Блок-схема генератора 82
6.4. Результаты 85
ГЛАВА 7. Генератор инжекции в основное кольцо FEL 87
7.1. Краткое описание комплекса FEL 87
7.2. Назначение 87
7.3. Технические требования 88
7.4. Расчет генератора 89
7.5. Особенности конструкции 91
7.6. Результаты 95
ГЛАВА 8. Быстрое сведение и разведение пучков в ускорителе ВЭПП-4М 97
8.1. Необходимость быстрого сведения пучков 97
8.2. Блок-схема и описание принципа работы 99
8.3. Результаты 102
8.4. Разведение пучков 104
ГЛАВА 9. Методы повышения надежности высоковольтных наносекундных генераторов по опыту их эксплуатации 106
9.1. Повышение надежности работы разрядников 106
9.2. Повышение надежности соединений в выходных цепях генераторов 107
9.3. Повышение надежности работы формирующих линий 109
9.4. Повышение надежности работы тиратронных генераторов 110
Заключение 112
Список литературы
- Принцип работы генератора
- Снижение влияния отраженных импульсов
- Расчет генератора
- Особенности запуска псевдоискровых коммутаторов
Введение к работе
Актуальность темы
В современной технике циклических ускорителей заряженных частиц существенную роль играют импульсные устройства для быстрого управления пучками, так называемые "кикеры" (от англ. kickers). Их основное предназначение - сообщение пучку, с помощью электромагнитного поля, поперечного импульса необходимой амплитуды, в нужное время и в нужном направлении. Такое воздействие необходимо как для выпуска пучка из ускорителя путем искажения его орбиты и заведения, таким образом, в септум-магнит, так и впуска его в другой ускоритель.
Большее распространение получил метод однооборотной инжекции (или однооборотного выпуска), как наиболее эффективный и мало искажающий распределение частиц в пучке. Для его реализации кикеры должны удовлетворять ряду достаточно жестких условий. При инжекции, например, надо впустить сгусток так, чтобы через оборот в ускорителе снова не «ударить» его, или не задеть другие, впускаемые или циркулирующие сгустки. Таким образом, импульс кикера должен иметь определенную длительность и не иметь отражений. При выпуске, особенно если выпускается один сгусток из нескольких, поле в кикере должно установиться к моменту подлета нужного пучка и уже отсутствовать при приближении следующего. Поэтому при небольшой длине орбиты ускорителя (или малом расстоянии между сгустками) длительность импульса, с учетом времени нарастания и спада, а также времени установления поля в кикере, должна быть менее периода оборота. При этом, в случае достаточно длинного сгустка (или цуга сгустков), для того, чтобы обеспечить максимальную эффективность перепуска и уменьшить потери частиц, фронты импульса должны быть минимальными. В этом случае, также закладываются достаточно жесткие требования к равномерности его плоской части, (т.н. "полочки"), поскольку этим определяется угол разброса частиц на выходе из кикера.
Эти проблемы становятся менее существенными при работе с коротким пучком, когда на кикер можно подавать импульс колоколообразной формы, при условии, что длительность его вершины является достаточной по сравнению с длиной пучка. Но во всех случаях существенным параметром является стабильность положения импульса по времени относительно пучка. Если медленные систематические отклонения, связанные, например, с изменением теплового режима или пульсациями питающего напряжения, можно скомпенсировать аппаратными средствами, изменяя задержку синхроимпульсов, то на разовые отклонения от импульса к импульсу относительно заданного значения (т.н. "джиггер") накладываются существенные ограничения, поскольку они приводят к уменьшению эффективной длительности, а также к возможности задеть соседний пучок.
Большинство современных накопителей, будь то источники СИ или кол-лайдер для физики высокой энергии, имеют достаточно большие периметры и работают с большим количеством сгустков с целью повышения яркости источника СИ или светимости для коллайдеров. Поэтому даже при больших размерах ускорителей необходимые временные параметры импульсов находятся в наносекундном диапазоне. Соответственно, требуются генераторы, которые обеспечивали бы достаточно короткие, но мощные импульсы для управления пучками в этих условиях. Данная проблема решается разными способами. Для коротких импульсов, со временем нарастания порядка нескольких наносекунд, обычно используются искровые разрядники. В последнее время появились сообщения о применении твердотельных коммутаторов, обеспечивающих аналогичные параметры, т.н. FID-устройства, но они пока не получили большого распространения. Более длинные импульсы, порядка десятков и сотен наносекунд, обеспечиваются устройствами, собранными на основе газоразрядных приборов, как правило - тиратронов.
В ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН накоплен большой опыт по разработке и эксплуатации подобных устройств. Данная работа, выполненная в ИЯФ, посвящена в основном описанию генераторов с использованием тиратронов, как уже достаточно давно разработанных - типа ТГИ1-1000/25, так и новых -псевдоискровых коммутаторов марки ТЛИ разных типов, впервые использованных в такой области.
Актуальность представленной в диссертации работы обусловлена необходимостью изготовления данных генераторов для нужд комплекса ВЭПП-4М и востребованностью новых устройств с более высокими параметрами для комплекса FEL Университета Duke, США.
Цель работы
Моделирование, разработка и изготовление генераторов для питания отклоняющих пластин кикеров в ускорителях заряженных частиц.
Изучение функционирования псевдоискровых коммутаторов и создание драйвера для их запуска.
Разработка системы быстрого сведения-разведения пучков в ВЭПП-4М.
Научная новизна
Был сконструирован и изготовлен ряд разнообразных импульсных высоковольтных генераторов для питания отклоняющих пластин кикеров, на которых были получены уникальные результаты. Разработана оригинальная конструкция компактной формирующей линии. Сконструирован драйвер для запуска псевдоискровых коммутаторов, с помощью которого удалось получить уникальное для газоразрядных приборов время нарастания анодного
тока. Была разработана методика настройки оптимальных параметров запускающих импульсов для псевдоискровых коммутаторов. Представлены способы и методы повышения надежности высоковольтных импульсных генераторов. Создана система быстрого сведения и разведения пучков в ускорителе ВЭПП-4М, которая позволила значительно снизить потери частиц при переходе в режим эксперимента.
Впервые в ускорительной технике были применены отечественные псевдоискровые коммутаторы. На их основе созданы импульсные генераторы с уникальными для газоразрядных приборов параметрами.
Практическая значимость работы
Используемые методы расчета и проектирования генераторов применимы при создании аналогичных устройств как для ускорителей заряженных частиц, так и в других областях, где востребовано использование тиратронов, например в лазерной технике.
Отработана методика применения псевдоискровых коммутаторов в ускорительной технике, что открывает широкие перспективы для их дальнейшего применения в данной области.
Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
Был разработан и изготовлен генератор для питания отклоняющих пластин инфлекторов ВЭПП-4М. Разработана оригинальная конструкция компактной формирующей линии.
Спроектирован и изготовлен генератор "удара" ВЭПП-4М. С его помощью, несмотря на большую неоднородность нагрузки, был получен импульс тока хорошей прямоугольной формы.
Был собран и испытан прототип, а затем разработан и запущен в производство драйвер для запуска псевдоискровых коммутаторов, с помощью которого удалось получить уникальное для газоразрядных приборов время нарастания анодного тока - порядка 4 не. Была разработана методика настройки оптимальных параметров запускающих импульсов.
Сконструированы, собраны и сданы в эксплуатацию на комплексе FEL Университета Duke, Северная Каролина, США три разных конструкции генераторов, в которых впервые в оборудовании для ускорителей были применены отечественные псевдоискровые коммутаторы типа ТЛИ. На этих устройствах были получены уникальные параметры импульсов. При использовании новой системы перепуска существенно выросла эффективность работы всего комплекса, во многом благодаря возможности перепускать пучок в широком диапазоне энергий от 0.18 до 1.2 ГэВ.
Изложены способы и методы повышения надежности высоковольтных импульсных генераторов, выработанные автором в процессе многолетней работы с такими устройствами.
6. Разработана, испытана и успешно применяется система быстрого сведения и разведения пучков в ускорителе ВЭПП-4М, которая позволила значительно снизить потери частиц при переходе в режим эксперимента.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск, РФ), на российских и международных научных конференциях: RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia; International synchrotron radiation conference SR 2008, Novosibirsk, Russia; 2007 Pulsed Power and Plasma Science Conference, Albuquerque, New Mexico; 2005 Paricle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee; РАС 2009, Vancouver, Canada и др., а также содержатся в статьях в 4 реферируемых научных журналах. Основные результаты работы представлены в 16 публикациях.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка литературы, из 40 наименований, изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 93 рисунка и 1 таблицу.
Принцип работы генератора
Емкостные делители U и U/3 предназначены для контроля зарядного напряжения и напряжения запускающей цепи соответственно. Контроль работы разрядника осуществляется с помощью емкостных делителей, расположенных в его корпусе. Каждый из них представляет собой цилиндр, изолированный от корпуса прокладкой из полиэтиленовой пленки. Верхнее плечо делителя образовано емкостью между центральным проводником — корпусом электрода — и внутренней поверхностью цилиндра. Нижнее плечо представляет собой конденсатор, одной обкладкой которого является наружная поверхность упомянутого цилиндра, а другой - корпус разрядника. Сигнал с делителей выводится через контрольные разъемы, обозначенные 1.1,1.2 и т.д.
Описываемый генератор работает на повышающий трансформатор ТИН (см. рис. 1.8), т.е. нагрузка имеет индуктивный характер и от нее имеются достаточно большие отражения. Их наличие крайне нежелательно, поскольку это значительно сокращает ресурс кабелей, разрядников, изоляторов и контактных элементов. Для поглощения этих импульсов служит второй разрядник. Он работает по аналогичному принципу, но длина кабеля К2 подобрана так, что его срабатывание происходит за 1 -2 не до того момента, когда волна разряда формирующей линии от первого разрядника дойдет до ее противоположного конца. Таким образом на нагрузке RH формируется импульс длиной 2-4 не, из-за чего на такую же- величину уменьшается и длительность выходного импульса.
Отраженный импульс, пришедший от нагрузки через 300 не, беспрепятственно проходит через первый разрядник, который к этому моменту еще остается в проводящем состоянии, затем через формирующую линию и второй разрядник, после чего поглощается в той же нагрузке RH. Описываемый генератор был доработан: формирующая линия была удлинена на 1,5 м за счет дополнительной вставки. Это было сделано для того, чтобы увеличить длину импульса на пушке. Данная модернизация позволила увеличить захваченный ток позитронов в ВЭПП-3 на 10%.
Второй и четвертый генераторы работают на инфлектор синхротрона Б-4 и инфлектор ВЭГШ-3 соответственно. Эти устройства выполнены в виде согласованной нагрузки и, следовательно, не дают отражений, поэтому данные генераторы имеют только по одному разряднику.
Трансформатор Импульсного Напряжения (ТИН) предназначен для питания пушки инжектора линейного ускорителя. Его упрощенный чертеж приведен на рис. 1.8. Входные кабели (1) подключены к т.н. индукторам (2), которые представляют собой кольцевые объемные витки с расположенными внутри них ферритовыми кольцами. Они функционируют как две последовательные обмотки по отношению к контуру, образованному корпусом и центральным электродом (3). Таким образом, напряжение на пушке, которая подключена к выходу ТИНа, удваивается по сравнению с амплитудой пришедшего импульса. Если учесть, что амплитуда поступающих импульсов увеличивается за счет того, что кабели работают на несогласованную индуктивную нагрузку, т.е. почти на открытый конец, то итоговое напряжение превышает выходное напряжение генератора более чем в два раза. Рис. 1.8. Упрощенный чертеж ТИНа. 1 - кабельные вводы; 2 - индукторы;
Осциллограмма импульса на выходе ТИНа. На рис. 1.9.показана осциллограмма с выхода ТИНа при зарядном напряжении генератора 40 кВ, амплитуда выходного импульса при этом составила около 60 кВ.
Инфлектор Б-4 (см. рис. 1.10) осуществляет удар по пучку только электрическим полем. Он выполнен в виде двух пластин. Верхняя (3) состоит из двух половинок для того, чтобы обеспечить возможность для прохождения выпускаемого пучка. Они соединены между собой перемычками (2). Питание пластин осуществляется через вводы (1). Рис. 1.10. Упрощенный чертеж инфлектора Б-4.
Импульсы, пришедшие по кабелям от генератора, поглощаются согласующими нагрузками сопротивлением 50 Ом, в результате чего остается только электрическая составляющая импульсов, которая поступает через эти вводы на пластины. Первоначально использовались обе пластины, но затем было принято решение отказаться от использования верхней, поскольку ее паразитные параметры сильно искажали и затягивали форму импульса. В настоящий момент она заземлена, и используется только нижняя пластина. Несмотря на то, что при подаче потенциала на одну пластину поле имеет худшую однородность по сравнению с двуполярным питанием, после отключения верхней пластины захват в Б-4 существенно улучшился.
Третий генератор предназначен для питания дефлектора Б-4 (см. рис. 1.11), который представляет собой короткозамкнутую петлю. Такая конструкция необходима для удара по пучку магнитным полем. Путь протекания тока выглядит следующим образом: от кабельного ввода (для упрощения не показан), подсоединенного к вводному контакту (1), по верхней шине (2) переходит к нижним шинам (3), а по ним - к заземленному контакту (4).
Такой характер нагрузки вызывает отражения, которые также нежелательны, поэтому в данном генераторе аналогично первому есть второй разрядник, но он работает без дополнительного запуска. На его центральный электрод также подается напряжение U/3, но оно остается к приходу отраженного импульса, который имеет отрицательную полярность, и за счет увеличения разности потенциалов происходит пробой промежутков. Ввиду задержки пробоя в несколько наносекунд часть импульса отражается обратно и поглощается полностью только при повторном возвращении от нагрузки, поскольку второй разрядник остается в проводящем состоянии.
Дефлектор Б-4 также был подвергнут доработке. Предыдущий вариант был выполнен с перекрывающимися пластинками, которые были поочередно приварены к верхней и нижним шинам с шагом в 5 мм. Таким образом создавалась распределенная емкость между шинами. Предполагалось, что такая конструкция улучшит согласование. Однако выпуск из Б-4 улучшился после установки дефлектора в исполнении, показанном на рисунке. Этот эффект можно объяснить тем, что электрическая длина устройства существенно меньше времени фронта импульса, и в таком случае данная емкость является не распределенной, а паразитной.
Кроме этого был заменен шунт для контроля тока дефлектора, расположенный в разрыве между корпусом кабельного ввода и самим Б-4. Длина шунта одновременно с длиной ввода была существенно уменьшена (см. рис. 1.12). Данная доработка была сделана с целью уменьшить суммарную паразитную индуктивность ввода.
В результате доработок инфлектора и дефлектора Б-4 разовый захваченный ток позитронов в ВЭПП-3 увеличился на 13%. Инфлектор ВЭПП-3 (см. рис. 1.13) выполнен в виде полосковых линий, представляющих собой пластины (2), помещенные в вакуумную камеру (3). На них через кабельные вводы (1) подаются импульсы от генератора. Инфлектор работает в режиме бегущей волны, которая распространяется по пластинам навстречу влетающему пучку (4). Таким образом, воздействие на пучок осуществляется как электрическим, так и магнитным полем.
Первоначально согласующие нагрузки были проволочные малоиндуктивные. Впоследствии они вышли из строя из-за расплавления материала каркаса - органического стекла. Взамен были установлены пленочные сопротивления типа МОУ, которые работают более 15 лет.
Снижение влияния отраженных импульсов
Генератор позитронного инфлектора используется также для выполнения вертикального удара по уже впущенному пучку для различных измерений (бетатропных частот, апертуры [6] и пр.). При этом его зарядное напряжение снижается до необходимой величины. Испытания в таком режиме показали, что минимальный уровень зарядного напряжения, при котором обеспечивается стабильная работа, составляет около 1 кВ.
Первоначально контроль за работой дефлектора ВЭПП-3 и инфлекторов ВЭПП-4М осуществлялся с помощью электронного блока ИВИ-8121, которым измерялось время срабатывания генераторов. Данный способ вызывал множество нареканий и неудобств, вызываемых неоднозначностью и нестабильностью измерений, в связи с чем было принято решение перейти на более удобную для операторов визуальную систему наблюдения. Для реализации этой идеи от контрольных датчиков на пластинах кикеров и от датчика пролета пучка в канале ВЭПП-З — ВЭПП-4М в пультовую были проложены кабели, длина которых была рассчитана с учетом размещения пластин и времени перемещения пучка с тем, чтобы положение импульсов совпало по времени. Приходящие импульсы регистрируются 4-х канальным осциллографом Tektronix марки DPO 4034. Очевидно, что четырех каналов для одновременного наблюдением за 7-ю контрольными точками недостаточно, но необходимость в контроле возникает только в случае нестабильного или неудачного перепуска, для чего достаточно наблюдать сигнал хотя бы с четырех датчиков.
Осциллограммы контрольных импульсов. На рис. 2.14 приведена осциллограмма, на которой зарегистрированы импульсы от дефлектора ВЭПП-3, инфлектора ВЭПП-4М и от пучка. Описанная система наблюдения значительно облегчила работу оператора при диагностике неисправностей в случае наличия проблем с перепуском. Глава 3. Генератор "Удара" ВЭПП-4М 3.1. Назначение
Для исследования когерентных бетатронных частот в ускорителе ВЭПП-4М необходимо раскачать пучок импульсным воздействием. По вертикали эту роль выполняет генератор позитронного инфлектора, работающий на пониженном зарядном напряжении. Для горизонтального "удара" был разработан специальный тиратронный генератор. В качестве кикера используются две пары пластин, которые не согласованы по волновому сопротивлению, поскольку были первоначально предназначены для радиального разведения пучков, затем использовались для резонансной деполяризации [30]. Кроме того, они расположены с промежутком, поскольку размещенная между ними еще одна пара пластин используется для электростатического разведения электронных и позитронных пучков в паразитном месте встречи [6]. Эти обстоятельства потребовали изготовления генератора, который, не смотря на значительное искажение на такой большой неоднородности, обеспечил на пластинах прямоугольный импульс [4, 39] .
Воздействие требовалось как на электронный, так и на позитронный пучки, летящие во встречных направлениях. Поэтому обычно применяемая схема с бегущей волной в пластине и согласующей нагрузкой на ее конце в данном случае не применима, так как воздействие при этом оказывается только на пучок, который летит навстречу волне. В связи с этим был выбран принцип удара магнитным полем, то есть токовый удар.
При такой схеме подводимое к пластинам напряжение падает на согласующем сопротивлении, расположенном перед пластинами и воздействие на пучок осуществляется только магнитным полем, которое создается протекающим по пластинам током. 3.2. Технические требования
Чтобы обеспечить необходимую амплитуду удара во всем диапазоне энергий ВЭПП-4М, генератор должен обеспечивать выходное напряжение от 1 до 20 кВ. С учетом времени установления в кикере из двух последовательно соединенных пластин, минимальная длительность плоской части импульса была установлена в 50 не. Для обеспечения необходимой величины тока в кикере при определенном рабочем напряжении, выходное сопротивление генератора составляет 12,5 Ом (4 кабеля РК50-17-17)
Была выбрана схема генератора с двойной формирующей линией, в которой амплитуда выходного импульса примерно равна зарядному напряжению.
Для обеспечения требуемой прямоугольности выходного импульса, необходимо применить формирующую линию с максимально возможным количеством ячеек. За основу была взята конструкция генератора, используемого для питания дефлектора ВЭПП-3. Его пластины формирующей линии позволяли разместить 24 ячейки из конденсаторов типа КВИ-3. Тогда по формулам (5) можно вычислить емкость Ся и емкость Ья ячеек:
Расчет генератора
Блок-схема драйвера. На плате управления расположены низковольтные элементы, управляющие силовыми и высоковольтными источниками. Управление уставками каждого канала управления (за исключением уровнем накала внутренних тиратронов) выведено на переднюю панель блока под шлиц. Она также содержит элементы цепей индикации и блокировки работы инверторов в случае остановки вентилятора.
Каждый высоковольтный генератор импульсов содержат формирующую линию, которая заряжается от соответствующего высоковольтного источника.
Источник 6 В, 6 А служит для питания накала тиратронов генераторов импульсов. 4.5. Принципиальная схема На рис. 4.6. Приведена блок-схема платы управления. Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает меандр с частотой 20 кГц, так как на такую частоту рассчитаны стандартные трансформаторы типа ТВМ, примененные в высоковольтных источниках.
Блок-схема платы управления. В схемах управления (СУ) осуществляется сравнение сигнала обратной связи (ОС), получаемого от источника, с уставкой, определяемой потенциометрами R9, R17, R25, R29, расположенными на передней панели. В зависимости от их соотношения осуществляется ШИМ-у правление транзисторами в источниках.
Также на плате расположены схемы индикации (СИ), с помощью которых осуществляется контроль нормального срабатывания генераторов импульсов. Схема блокировки (СБ) следит за нормальной работой вентилятора охлаждения и в случае его остановки запрещает работу всех источников и сигнализирует об этом.
Принципиальная схема генератора тока. За основу для всех источников была взята схема двухтатктного инвертора. В качестве примера приведена схема генератора тока (см. рис. 4.7). Приходящие от платы управления импульсы поочередно открывают транзисторы VT1 и VT2, что вызывает в конечном итоге появление переменного напряжения во вторичной обмотке. Это напряжение удваивается выпрямителем на диодах VD3 и VD4. На диодах VD5, VD9-10 прорюходит дополнительное умножение напряжения, которое поступает на выход источника и подается на блок тиратрона. При отсутствии нагрузки (тиратрон еще не прогрелся), выходное напряжение достигает 1,5 кВ. Внутреннее сопротивление этого умножителя достаточно велико и ограничено резистором R13. Когда в тиратроне возникает тлеющий разряд, и начинает протекать ток, умножитель перестает выполнять свою функцию. Основной ток идет от первого выпрямителя через диоды VD12 и VD13. Напряжение обратной связи снимается с резистора R14, через который протекает выходной ток источника. Это напряжение сравнивается с опорным, заданным потенциометром на передней панели блока, и соответствующим образом корректируется управление транзисторами. Таким способом осуществляется стабилизация выходного тока. Остальные источники представляют собой простые двухполупериодные выпрямители с выходными фильтрами, поэтому их схема не рассматривается. Напряжение обратной связи снимается с их выходов. В высоковольтных источниках для этой цели используются делители напряжения на резисторах типа С5-24.
На рис. 4.8. приведена принципиальная схема генератора импульсов. Импульс запуска вызывает открывание транзистора VT2, работающего в лавинном режиме, при этом предварительно заряженный конденсатор СЗ разряжается на затвор транзистора VT3. Такая схема [14] обеспечивает его быстрое открывание, которое в свою очередь приводит к разряду конденсатора С4 на трансформатор-инвертор Т2. С его выхода положительный импульс поступает на сетку тиратрона VL1 и открывает его, что вызывает разряд предварительно заряженной формирующей линии на элементах L1 и С2-С6 через трансформатор-инвертор L1 на выход. Дополнительные элементы СІ, С2, R3 служат для подачи отрицательного напряжения смещения на электрод поджига псевдоискрового коммутатора при необходимости. 150V
Принципиальная схема генератора импульсов. Применение газоразрядных тиратронов типа ТГИ1-35/3 было обусловлено рядом причин. Во-первых, амплитуда выброса на сетке при открывании псевдоискрового коммутатора может достигать 10 и более кВ, что существенно усложнило бы конструкцию с целью защиты от обратного напряжения в случае исполнения схемы на основе полупроводникового ключа. Во-вторых, из опыта автора по работе с данными приборами, они имеют достаточно большую надежность и стабильность параметров. В-третьих, время нарастания тока анода составляет не более 30 не. В-четвертых, ни одна из известных на момент разработки блока схем на твердотельных элементах не позволяла получить неизменную форму импульса при шестикратной перестройке по рабочему напряжению.
Особенности запуска псевдоискровых коммутаторов
Частота ВЧ в бустере составляет 178,55 МГц. Таким образом, расстояние между сепаратриссами равно 5,6 не. Длительность сгустка порядка десятка пикосекунд. Требовался генератор, который при длине отклоняющих пластин кикера 30 см обеспечил бы выпуск одиночного банча из всего цуга. При этом диапазон энергий выпускаемых частиц находится в пределах от 250 МэВ до 1.2 ГэВ [34].
Технические требования
Генератор должен вырабатывать импульсы положительной и отрицательной полярности, при этомих амплитуда может меняться от от 4 до 20 кВ при сохранении формы. Длительность импульсов по уровню 0,5 от основания не более 11 не.
Описание конструкции Отличительной особенностью данного генератора является то, что он должен удовлетворять трем противоречивым требованиям: - малая длительность импульса; - большой диапазон перестройки выходного напряжения; - высокое максимальное выходное напряжение.
Реализовать задачу получения настолько короткого импульса можно было лишь двумя известными на тот момент способами — это искровые разрядники и твердотельные коммутаторы, т.н. FID-устройства.
Применение разрядников исключалось в связи с тем, что они не способны работать при таком большом диапазоне перестройки по напряжению. В случае их применения пришлось бы использовать понижающие аттенюаторы и переключающие их коммутаторы, что неизбежно привело бы к ухудшению формы импульса и появлению отражений, которые могли воздействовать на соседние сгустки.
Имеющиеся в то время FID-коммутаторы не обеспечивали достаточной надежности, а известные конструкции с их использованием работали в более узком диапазоне по напряжению.
Появившаяся информация о псевдоискровых коммутаторах, разработанных в Рязанском ООО "Импульсные технологии", позволила надеяться на возможность реализации вышеприведенных требований. И эти надежды оправдались.
Для реализации требований к фронту и спаду импульса применить одинарную линию не представлялось возможным, поскольку зарядное напряжение в таком случае было бы слишком велико — более 40 кВ. Оно значительно превышало предельно допустимое для выбранного коммутатора, и к тому же существенно усложнялась конструкция, что неизбежно привело бы к увеличению времени нарастания фронта. Поэтому в качестве формирующей была использована двойная линия, разработанная Матвеевым Ю.Г. для генераторов комплекса "Сибирь" Института атомной энергии им. Курчатова. Она представляет собой коаксиальную конструкцию, в которой обе половины линии заключены в одном корпусе. Эти генераторы вырабатывают импульсы разной полярности, поскольку в качестве коммутаторов используются разрядники.
Описываемая же конструкция ввиду того, что в ней применен псевдоискровой коммутатор типа ТПИ1-1к/20, работающий только при положительном напряжении на аноде, не позволяла генерировать импульсы положительной полярности. Для их получения применен инвертор, разработанный Гришановым Б.И. для установки "Впуск-выпуск" комплекса ВЭПП-3 (см. рис 1.14). С целью обеспечения электрической прочности формирующая линия, инвертор и транспортные кабели наполнены элегазом под давлением 5 ати.
Блок-схема генератора [18, 36] приведена на рис. 6.1. Зарядка формирующих линий осуществляется с помощью высоковольтного повышающего трансформатора Т, на первичную обмотку которого разряжается через тиристор VS предварительно заряженный конденсатор С. Время зарядки составило 180 мкс. Данная схема применена потому, что тиратрон работает при предельном анодном напряжении, а такой режим предполагает ограничение времени существования этого напряжения, т.н. "время экспозиции". -схема генератора выпуска FEL Duke. Для зарядки конденсатора использован источник питания марки LAMBDA [33]. Данные устройства специально предназначены для работы с емкостными накопителями энергии и обеспечивают высокую стабильность зарядного напряжения. В описываемой конструкции использован прибор серии 500А.
Приходящие импульсы старта посредством драйверов (см. главу 4) приводят к открыванию тиратронов, через которые происходит разряд формирующих линий и, соответственно, формирование выходных импульсов отрицательной полярности на нагрузочные кабели. Один из кабелей подключается непосредственно к отклоняющей пластине кикера, а другой — через инвертор, обеспечивающий положительную полярность импульса. Прошедшие через пластины импульсы поглощаются согласующими нагрузками (см. гл. 5).
Внешний вид генератора приведен на рис. 6.2.
Преимущество генератора, собранного по такой схеме, заключается в том, что он обеспечивает выходное напряжение примерно равное зарядному. Однако при этом проявляется такое отрицательное качество двойной формирующей линии, как ухудшение времени нарастания фронта выходного импульса примерно в два раза по отношению к времени срабатывания управляющего коммутатора. В то же время эксперименты показали, что при использовании данных тиратронов все-таки можно получить требуемые параметры выходных импульсов.
Но для того, чтобы достичь амплитуды выходного импульса 20 кВ приходится поднимать зарядное напряжение на формирующей линии до 25 кВ. Это объясняется тем, что время нарастания импульса сравнимо с электрической длиной формирующей линии, поэтому напряжение на выходе генератора не успевает достичь максимума до окончания формирования импульса.
