Генераторы высокого напряжения для питания мощных импульсных источников СВЧ линейных ускорителей

2
Оглавление
Введение 5
1 Генераторы высокого напряжения для питания мощных импульсных СВЧ приборов 14
2 Основные компоненты схем импульсных генераторов 25
§2.1 Формирующие линии и импульсные трансформаторы в схемах модуляторов 25
Формирующие линии..................................................... 25
Импульсные трансформаторы и ФЛ. Влияние параметров ИТ на искажение
формы импульса напряжения на нагрузке........................... 31
Влияние конструкции импульсного трансформатора на его параметры .... 36
§2.2 Конденсаторы для формирования импульсов высокого напряжения............38
Конденсаторы с пленочным диэлектриком................................. 40
Рабочие характеристики ситалловых конденсаторов К15-10................ 49
§2.3 Высоковольтные ключи и диоды.......................................... 65
Требования к ключам................................................... 65
Твердотельные ключи................................................... 65
Газоразрядные ключи................................................... 71
Импульсные высоковольтные клиперные диоды............................. 77
§2.4 Высоковольтные зарядные устройства для емкостных накопителей энергии . 81
Схема с постоянным зарядным током..................................... 85
Схема заряда с постоянной отбираемой мощностью........................ 87
Одноконтурное зарядное устройство с постоянной опираемой мощностью . 91
Зарядная цепь с дросселем на стороне выпрямленного напряжения (колебательный заряд)...................................................... 92
3
Зарядное устройство с питанием от источника переменного напряжения. . . 96
3 Высоковольтная изоляция и возможности ее зашиты от последствий пробоев 99
§3.1 Вакуумная высоковольтная изоляция......................................... 99
Электрическая прочность вакуумных промежутков.............................100
Поверхностная изоляция в вакууме.......................■..................106
§3.2 Масляная и газовая изоляция в генераторах высокого напряжения.............111
Масляная высоковольтная изоляция.........................................111
Газовая высоковольтная изоляция...........................................113
4 Высоковольтные импульсные генераторы для питания разных типов СВЧ приборов. 118
§4.1 Ускорители ЭЛИТ-Л и ЭЛИТ-Л2 для питания прототипов клистронов комплекса ВЛЭПП ..................................................................118
Схема формирования импульсов и выбор источника высокого напряжения . . 120 Электронно-оптическая система и конструкция ускорительной трубки .... 123
Блок управления пушкой....................................................129
Коммутаторы первичного контура ускорителей................................132
Ускоритель ЭЛИТ-Л ........................................................138
Ускоритель ЭЛИТ-Л2.......................................................143
§4.2 Генератор электронного пучка для питания магникона — СВЧ прибора с
круговой разверткой.......................................................152
Схема генератора электронного пучка мощностью 100 МВт.....................153
Зарядное устройство.......................................................154
Модулятор.................................................................155
Импульсный трансформатор..................................................155
Электронно-оптическая система.............................................156
Проходной изолятор........................................................157
Система диагностики пучка.................................................159
§4.3 Модуляторы для клистронов 5045 и КИУ-12 форинжектора ВЭП11-5............161
Параметры форинжектора ВЭПП-5 и клистрона 5045 ................ 161
Параметры модулятора.....................................................162
4
Принципиальная схема модулятора...........................................165
Выбор элементов модулятора................................................166
Конструктивное исполнение модулятора......................................179
Опыт эксплуатации.........................................................185
Модулятор с ДФЛ на базе конденсаторов К15-10 для питания клистрона
КИУ-12.............................................................186
§4.4 Модулятор на основе высоковольтной модуляторной лампы для питания клистронов линейного коллайдера SBLC.........................................191
Технические характеристики клистрона и модуляторной лампы ................191
Схемные решения модулятора................................................195
Защита от последствий пробоев.............................................198
Источник высокого напряжения..............................................204
Малогабаритный высокочастотный трансформатор для передачи мощности 206
Блок сеточного управления.................................................207
Конструкция модулятора....................................................208
§4.5 Система импульсного питания 10 мегаваттного клистрона для проекта коллайдера TESLA ............................................................212
Требования к модулятору для питания клистрона ТН1801......................212
Характеристики клистрона ТН1801...........................................214
Импульсный трансформатор..................................................217
Схемы формирования импульсов напряжения на клистроне......................224
Линия передачи импульсов..................................................232
Магнитная связь и нелинейность нагрузки. КПД схемы формирования импульсов .................................................................242
Зарядное устройство ......................................................246
Заключение 249
Список литературы
251
5
Введение
Линейные ускорители и коллайдеры в настоящее время являются одним из наиболее перспективных инструментов для исследования свойств материи и элементарных частиц. Их преимущества в большей мере проявляются в области высоких энергии, требуемых для решения многих проблем физики элементарных частиц, в частности: изучения свойств недавно открытого t-кварка, поиска хиггсовских частиц, исследования вопросов о существовании суперсимметрии и т.д.
Идея использования электрон-позитронных встречных пучков на основе линейных ускорителей начала прорабатываться в Институте ядерной физики в конце шестидесятых годов и позднее получила отражение в многочисленных научных публикациях, (см. например, [1-3]). В семидесятые годы в ИЯФ была создана лаборатория, а позднее организован в Протвино филиал Института ядерной Физики для проработки коллайдера на встречных линейных электрон-позитронных пучках (ВЛЭПП). В результате работ по программе ВЛЭПП были исследованы основные проблемы, требующие решения при создании линейных коллайдеров нового поколения, а именно [4]:
• увеличение ускоряющего градиента на порядок;
• увеличение мощности СВЧ источников на два-три порядка;
• улучшение точности юстировки элементов ускорителя на два-три порядка;
• удешевление в несколько раз системы высоковольтного питания СВЧ источников.
Разработка метода встречных линейных пучков в конце восьмидесятых годов приобретает международный характер, и в настоящее время работы в этом направлении ведутся в США, Японии, Германии и Швейцарии (Церн). Для эффективного решения комплекса проблем, связанных с разработкой и созданием электрон-позитронных линейных коллайдеров ТэВ-го диапазона, организована международная коллаборация International
6
Committee for Future Accelerators (ICFA), объединяющая около 20 научных учреждений в Европе, Азии и США. Задача коллаборации - скоординировать усилия научных лабораторий для создания линейных электрон-позитронных коллайдеров с начальной светимостью 10:i3 см~2с_1, энергией в центре масс 500 к более ГэВ и возможностью повышения светимости до 1034 см"2с“!.
Коротко остановимся на наиболее известпых разрабатывавшихся и разрабатываемых проектах линейных электрон-позитронных коллайдеров.
ВЛЭПП (Встречные линейные электрон-позитронные пучки). Отличительная особенность проекта - использование клистрона с питанием от источника постоянного напряжения без традиционных модулятора и импульсного трансформатора, функции управления выполняет сетка клистрона. Такой подход позволил существенно удешевить стоимость коллайдера за счет исключения одной из наиболее дорогостоящих частей — модулятора с импульсным трансформатором. Однако, при этом предъявляются дополнительные требования к электрической прочности клистрона, а введение управляющей сетки ухудшает качество пучка, что отрицательно сказывается на характеристиках клистрона.
Рабочая частота структур ВЛЭППа равна 14 ГГц [5|. Применение такой частоты позволяет сократить размеры коллайдера за счет повышенного темпа ускорения (порядка 100 МэВ/м) и, соответственно, снизить его стоимость. Вместе с тем при этом возрастают требования к точпости исполнения элементов ускоряющих структур, фокусирующих магнитов и клистронов.
Несмотря на успешную проработку основных узлов комплекса ВЛЭПП работы по нему приостановлены из-за прекращения финансирования темы.
NLC (Next Lineai- Collider, SLAC, Stanford, США) [6,7]. NLC проектируется на частоту
11.4 ГГц, что в четыре раза выше рабочей частоты существующего SLC (Stanford Linear Collider). Основное достоинство NLC - возможность его реализации на повышенные параметры (энергия в центре масс от 0.5 до 1 ТэВ, темп ускорения 50 МэВ/м и светимость 1034 см"2с-1) на той же длине, что и SLC (100 ГэВ) за счет повышения темпа ускорения. Недостатком же является ужесточение допусков на конструкцию ускоряющих структур и фокусирующих магнитов.
NLC прорабатывается в коллаборации с другими научными центрами США - FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) и LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory). В настоящее время ведутся работы по
7
уменьшению длины коллайдера, числа клистронов и модуляторов, замене тиратронов в модуляторах на полупроводниковые ключи. Изучаются также другие возможности удешевления стоимости проекта. Исследования последних лет [8,9], однако, показали, ч то при полномасштабных испытаниях ускоряющих структур при наработке свыше 500 часов пробои в них появляются уже при градиентах 40-50 МВ/м, что потребовало дополнительных исследований по изучению механизмов пробоя структур [10].
JLC (Japan Linear Collider) [11]. JLC разрабатывается в научном центре КЕК (Tsukuba, Япония). Коллектив КЕК работает в коллаборации со SLAC и по параметрам их проекты очень близки.
TESLA (TcV Superconducting Linear Accelerator, DESY, Германия) [12,13]. Коллайдер TESLA на энергии 0.5-1 ТэВ прорабатывается на базе сверхпроводящих ускоряющих резонаторов с рабочей частотой 1.3 ГГц. Использование сверхпроводящих резонаторов позволяет снизить импульсную СВЧ мощность питания. Такой резонатор является в сущности умножителем мощности, запасающим энергию за относительно большой период (порядка 1 мс) от клистрона с относительно низкой импульсной СВЧ мощностью. Достоинство проекта TESLA - пониженные требования к допускам, юстировке и точности структур системы, недостаток - большие затраты на изготовление и эксплуатацию сверхпроводящих структур с учетом специфики применения криогенного оборудования.
На экспериментальной установке TTF (TESLA Test Facility) на грех секциях получены средние рабочие градиенты 16, 20.5 и 22 МВ/м [14], что соответствует рабочему темпу ускорения на первом этапе создания ускорительного комплекса на энергию 0.5 ТэВ. Исследуются и новые технологии с целью повысить рабочие градиенты в резонаторах. Так, согласно [14], достигнуты пробивные градиенты в пределах 45 МВ/м на сверхпроводящих ускоряющих резонаторах, изготовленных методами гидрообработки давлением.
По имеющимся данным, правительством ФРГ принято решение выполнять работы по TESLA-коллайдеру только совместно с другими государствами из-за высокой стоимости проекта, поэтому финансирование указанной работы существенно сократилось.
SBLC (S-Band Linear Collider) [15]. SBLC был предложен также ускорительным центром DESY. Его рабочая частота 3 ГГц. Достоинство проекта - большой опыт создания таких сис тем с учетом существующего коллайдера SLC в SLACe. В настоящее время принято решение сосредоточить усилия на реализации одного коллайдера - TESLA, поэтому работы над SBLC прекращены.
8
CLIC (Compact Linear Collider, ЦЕРН, Швейцария) [16]. CLIC - линейный коллайдер с энергией в центре масс 0.5-5 ТэВ, темпом ускорения 150 МэВ/м и светимостью 1034 -г 1035 cm~2c_1 представляет собой коллайдер другого класса. Линейный ускоритель с обычной проводимостью на частоту 937 МГц используется для ускорения сильноточного возбуждающего пучка до энергии порядка 1 ГэВ. Возбуждающий пучок состоит из цуга банчей, причем, расстояние между последними равно длине волпы, соответствующей частоте 30 ГГц. Эти банчи проходят через низконмпедансные преобразующие структуры, в которых генерируется пиковая СВЧ мощность на уровне 90 МВт па частоте 30 ГГц с длительностью 12 не. Эта мощность передастся от структур по волноводам к ускоряющим секциям главного ускорителя.
На отдельных экспериментальных ячейках получены предельно высокие рабочие градиенты до 290 МВ/м, начало пробоев в резонаторе зафиксировано при градиентах на поверхности порядка 500 МВ/м, сплошные пробои начинаются при 759 МВ/м. На секции длиной 0.5 м были получены предельная СВЧ мощность 27 МВт, максимальный средний рабочий градиент 59 МВ/м, энергия 55 МэВ при тестовом пучке с зарядом 0.7 нК. При испытаниях в указанных режимах отмечено повреждение поверхности резонаторов, что требует дополнительного изучения этого явления.
В таблице 0.1 приведены основные параметры линейных коллайдеров, проектируемых вышеуказанными научными лабораториями.
Наряду с исследованиями линейных коллайдеров на энергии порядка 1 ТэВ и более в настоящее время ведутся работы в направлении модернизации и создания ускорителей на уже освоенные энергии (в пределах 1-10 ГэВ), но при светимостях, на два-три порядка превышающих достигнутый уровень (более чем 1033 CM-V1). Такие ускорители принято называть фабриками [18,19]. Эксперименты в указанном диапазоне энергий представляются для физиков весьма привлекательными, особенно при характерном для фабрик огромном количестве частиц соответсвующих видов, рождающихся при столкновении их пучков.
В ИЯФ СО РАН в средине девяностых годов были начаты работы по созданию ускорительного комплекса ВЭПП-5 [20]. Предполагалось, что комплекс будет включать в себя ф-и с — т-фабрики. В связи с отсутствием финансирования программы планы работ по ней пришлось скорректировать. В настоящее время основные усилия направлены на создание инжекционного комплекса ВЭПП-5 и коллайдера ВЭПП-2000.
ТЕБЬА БВЬС ЛС бЬС N10 ТВМС ВЛЭПП СЫС Инж. ВЭПП-5
/ДТц 1.3 3.0 11.4 2.856 11.4 11.4 14 30 2.856
Е1,МВ/м 25 21 73 20 50 100 100 80 25
Р2, МВт/м 25 21 73 12 50 200 120 144
10 60 150 180 180 120 300 2530 50
Рабочая длина, км 20 30.2 9.5 14.2 7.1 5.8 7.3 0.08
Мощность, потребляемая от сети, МВт 154 139 114 24 103 106 57 100 1
Число клистронов 560 2517 3608 235 3940 1400 4
Длительность импульса, мке 1400 2.8 2.8 3.7 2.80 0.012 0.5 0.012 3.7
Электронный КПД, % 65 45 50 42 45/33 45 60 43 42
Пиковая выходная мощность, МВт 10 150 65 67 75 150 67
Рабочее напряжение, кВ 110 535 560 350 500 1000 350
Ток,А 130 700 503 414 2x265 300 414
Коффициент трансформации ИТ 1:12 1:17 1:7 1:15 1:14 1:15
Напряжение на ФЛ, кВ 10 50 80 47 80 1150 47
Ток через ключ, кА 1.56 16 8 6.3 7.42 6.3
Таблица 0.1: Основные параметры линейных коллайдеров на энергии порядка 500 ГэВ
10
Инжекционный комплекс (ИК) включает в себя форинжектор и накопитель - охладитель на энергию электронов и позитронов 510 МэВ, а также каналы для инжекции пучков в разрабатываемый коллайдер ВЭПГ1-2000 и существующий комплекс ВЭПП-3 - ВЭПП-4.
Форинжектор ИК ВЭПП-5, в свою очередь, включает в себя линейный ускоритель электронов на энергию 300 МэВ, изохронный поворот на 180°, конверсионную систему и линейный ускоритель электронов и позитронов на энергию 510 МэВ.
В приведенной выше таблице 0.1 наряду с параметрами линейных коллайдеров на энергии порядка 500 ГэВ и выше, разрабатываемых в ряде научных лабораторий мира, приведены также параметры форинжектора комплекса ВЭПГ1-5, создание которого в настоящее время близко к завершению.
Реализация перечисленных проектов потребовала использования импульсных источников СВЧ мощностью несколько сот МВт. Для их питания потребовались модуляторы на еще большую мощность (с учетом коэффициента полезного действия СВЧ приборов г/ = 0.45 4-0.7).
Как отмечается в [21], модуляторы для питания клистронов в линейных ускорителях и коллайдерах являются наиболее дорогостоящими фрагментами комплексов как в разработке и производстве, так и в эксплуатации. Предлагаемая работа и посвящена разработке и созданию модуляторов и генераторов высокого напряжения для питания импульсных СВЧ приборов линейных ускорителей (коллайдеров) разного типа.
Целью работы является разработка и создание модуляторов и генераторов высокого напряжения для питания клистронов в линейном коллайдере комплекса ВЛЭПП, клистронов 5045 инжекпионного комплекса ВЭПП-5, семимегагерцоыого магникона а также концептуальная проработка модуляторов для питания клистронов к линейным коллайдерам SBLC и TESLA (DESY, Германия).
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Обоснована, исследована схема и разработана конструкция источника импульсного релятивистского электронного пучка мощностью согни МВт.
2. Исследована работа ускорительных трубок на большие импульсные токи (до 400-800 А) и напряжения (до 2 MB).
3. Изучена работоспособность конденсаторов К15-10 в импульсном режиме, разработана методика разбраковки конденсаторов по уровню частичных разрядов, на их базе
и
созданы емкостные накопители энергии и высоковольтные формирующие линии.
4. Предложены и исследованы схемы модуляторов с рекуперацией энергии, разработаны схемы полупроводниковых коммутаторов с рекуперацией энергии.
5. Предложена и исследована серия схем модуляторов мощностью сотни МВт для питания импульсных СВЧ-нриборов сантиметрового диапазона.
G. Предложены и разработаны импульсные трансформаторы мощностью в десятки мегаватт и средней - до 200 киловатт.
7. Проработаны модуляторы для питания клистронов к линейным коллайдерам SBLC и TESLA.
Практическая ценность работы. Полученные научные результаты использованы при разработке источников импульсною релятивистского электронного пучка для генерации мощных СВЧ-колебаний. Разработанные источники типа ЭЛИТ-Л и ЭЛИТ-Л2 в течение нескольких лет использовались для исследований и отработки СВЧ-генераторов и ускоряющих структур комплекса ВЛЭПП. Кроме того, ускорители подобного типа нашли и могут найти применение для прикладных целей, когда требуется большая импульсная мощность при малом энергетическом разбросе.
Разработан и создан модулятор вместе с импульсным трансформатором и высоковольтным вакуумным изолятором для питания импульсного СВЧ-прибора — магникона.
Разработаны, изготовлены, отлажены и запушены четыре модулятора на импульсную мощность 150 МВт каждый для клистронов 5045, питающих ускоряющие структуры фо-ринжектора ВЭПП-5.
Доработан импульсный модулятор для питания клистрона КИУ-12 (разработана формирующая линия на конденсаторах К15-10). Указанный клистрониый пост использовался для исследований макетов ускоряющих структур форинжектора ВЭПП-5, в настоящее время он применяется для экспериментов по генерации пучков элетронов с помощью фотокатодов.
Разработан и создан импульсный трапсформатор для питания многонучкового клистрона ТШ801 (TESLA - коллайдер) с импульсной мощностью 10 МВт и средней - 150 кВт
Автор выносит на защиту следующие работы, проведенные под руководством автора или при его самом непосредственном участии:
12
• обоснование и выбор основных компонентов и узлов генераторов для питания мощных импульсных источников СВЧ;
• обоснование и выбор системы питания СВЧ-генераторов для комплекса ВЛЭПП;
• методы защиты СВЧ-приборов и модуляторов от энерговыделения при пробое высоковольтной изоляции;
• разработка модуляторов для питания клистронов инжекционного комплекса ВЭПП-5, а также модулятора для питания 7 ГГц импульсного магникона;
• концептуальная проработка систем питания для клистронов импульсной мощностью 150 МВт (линейный коллайдер SBLC) и 10 МВт (TESLA линейного коллайдера).
Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц, Москва, октябрь, 1974 г., на VII Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме, Новосибирск, 1976 г., на VI Всесоюзном совещании по линейным ускорителям, Харьков, июнь 1981 г., на IV Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, Новосибирск, март 1982 г., на Международной конференции по ускорителям заряженных частиц, Даллас, США, 1-5 мая 1995 г, на III Международном рабочем совещании по линейным коллайдерам, 29 сентября-3 октября 1997 г., Звенигород, на Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц, 1998 г., Стокгольм, на III Международном рабочем совещании по модуляторам и клистронам для линейных коллайдеров, 23-25 июня 1998 г., SLAC, Пало-Альто, США, на XV (сентябрь 1997 г.), XVI (сентябрь 1999 г.) XVII (сентябрь 2001 г.) и XVIII (сентябрь 2003 г.) Между народном семинаре по ускорителям заряженных частиц, Алушта, Крым, Украина, на XVII совещании по ускорителям заряженных частиц, 17-20 октября 2000 г., г. Протвино и на семинарах ускорительных лабораторий ИЯФ СО РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 47 работ и, в том числе, получено одно авторское свидетельство.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе диссертации рассмотрены различные тины генераторов высокого напряжения для питания импульсных СВЧ приборов, описаны их достоинства и недостатки.
13
Во второй главе изложены особенности одинарных и двойных формирующих линий и проблемы их сопряжения с повышающими трансформаторами. Описано влияние параметров модулятора и импульсного трансформатора на качество импульса напряжения на СВЧ приборе. Приводятся данные и результаты исследований но основным комплектующим схем модуляторов, как-то: импульсные высоковольтные конденсаторы, высоковольтные ключи и диоды. Анализируются зарядные устройства для зарядки емкостных накопителей и формирующих линий в модуляторах.
В третьей главе рассматриваются три типа изоляции, широко используемых в генераторах высокого напряжения: вакуумная, жидкая и газообразная. Приведен их сравнительный анализ по зависимости электрической прочности изоляции от длительности импульса приложенного напряжения и энергии, рассеиваемой в зазоре при пробоях. Показана целесообразность использования газовых разрядников для защиты от эиерговыде-ления при пробое высоковольтной изоляции.
В четвертой главе описаны высоковольтные импульсные генераторы для питания различных СВЧ приборов, разработанные при непосредственном участии автора:
• генераторы электронного пучка для питания клистронов комплекса ВЛЭПП;
• модулятор для питания магникона — СВЧ прибора с круговой разверткой;
• модуляторы для питания клистронов 5045 (SLAC, США) и КИУ-12 (Россия) для форинжсктора комплекса ВЭПП-5;
• модулятор на основе высоковольтной модуляторной лампы для питания клистрона линейного коллайдера SBLC;
• схемные решения модулятора для питания клистрона ТН1801 (Франция) в TTF коллайдера TESLA.
• импульсный трансформатор для питания клистрона ТН1801 в TTF коллайдера TESLА.
Во всех описанных генераторах предусмотрена зашита СВЧ приборов от выделепия энергии при пробое.
В заключении подводятся итоги проведенной работы по созданию мощных генераторов высокого напряжения для питания импульсных СВЧ источников гигагерцового диапазона частот мощностью до сотен МВт.
14
Глава 1
Генераторы высокого напряжения для питания мощных импульсных СВЧ приборов
Модуляторы и генераторы высокого напряжения для питания импульсных СВЧ генераторов, как правило, являются самыми трудоемкими компонентами в линейных ускорителях и коллайдерах, что определяет высокие требования к их надежности, стоимости изготовления и эксплуатации. Наиболее распространенной в системах питания импульсных СВЧ приборов является схема модулятора, представленная на рис. 1.1.
Рис. 1.1: Типичная схема импульсного модулятора для питания СВЧ приборов
Формирующая линия (ФЛ), заряженная от высоковольтного зарядного устройства (ЗУ), разряжается полностью или частично через коммутатор (ионный, электронный, полупроводниковый или магнитный) К\ и импульсный трансформатор (ИТ) на нагрузку, например, клистрон Кл. Такие схемы нашли применение, в частности, для питания клистронов
15
линейного ускорителя ЗЬС (БЬАС) [22-24] и клистронов КИУ-12 на линейном ускорителе в Харьковском фи з и ко техническом институте [25], а также в линейном ускорителе импульсного источника резонансных нейтронов ОИЯИ (Дубна) [26,27). Одной из разновидностей схемных решений модуляторов этого типа является схема на базе емкостного накопителя с корректирующей цепью [12/28) (рис. 1.2). Основной емкостной накопитель
Рис. 1.2: Схема модулятора на основе разряда емкостного накопителя с корректирующей емкостью
Cq заряжается на 15 % выше номинального напряжения, прикладываемого к первичной обмотке ИТ. При этом корректирующая емкость Ск заряжается на 15 % от требуемого высокого напряжения.
При коммутации К\ емкость Ск начинает разряжаться через индуктивность LK. В соответствующий момент времени включается ключ А’о, и к первичной обмотке трансформатора ИТ прикладывается прямоугольный импульс напряжения, равный сумме напряжений на емкостях Со и Ск. Кривые напряжений на накопительной Со (а), корректирующей Ск (б) емкостях и первичной обмотке ИТ (в) представлены на рис. 1.3. Колебательный про-цеЛ в корректирующем контуре продолжается до окончания полного периода колебаний этого контура.
Аналогичное схемное решение модулятора для питания двух клистронов в NLC на напряжение 500 кВ и ток 530 А прорабатывается в настоящее время фирмой Diversified Technologies, Inc. совместно с SLAC [30].
При питании СВЧ прибора повышенным напряжением (выше 50-т-100 кВ) импульсный трансформатор, как правило, является обязательным элементом модулятора и в основном определяет характеристики импульса высокого напряжения (фронт, срез и качество вершины).
у
16
.4
У:
Время, мс
Рис. 1.3: Кривые напряжений на накопительной С'о (а), корректирующей С* (б) емкостях и первичной обмотке ИТ (в)
Описанные формирователи с ИТ имеют ряд достоинств, и в том числе следующие:
• время приложения напряжения к СВЧ прибору равно длительности импульса СВЧ или, но меньшей мере, соизмеримо с ней.
• теоретический КПД схемы близок к 1.
Наряду с достоинствами такой способ питания имеет и недостатки:
• для обеспечения малых фронтов импульса при повышенных напряжениях предъявляются весьма жесткие требования к конструкции ИТ, определяющей его паразитные параметры (индуктивность рассеяния и паразитная емкость);
• изготовление сердечника для ИТ требует специальных магнитных материалов, набора оборудования для навивки, пропитки и отжига магнитолроводов;
• коммутатор первичного контура на. час тоты следования в сотни Гц и импульсную мощность в сотни МВт сравнительно дорог, ламповый вариант требует большой мощности накала, имеет ограниченный срок службы (порядка нескольких тысяч часов), вариант на твердотельных ключах пока в ускорительной технике не нашел широкого применения.
17
Перечисленные недостатки отсутствуют в источниках питания СВЧ приборов, реализованных в ИЯФ [31-33]. Упрощенная схема одного из источников такого тина [31] приведена на рис. 1.4. Формирующая линия (ФЛ), заряжаемая от высоковольтного зарядного
Рис. 1.4: Схема питания клистрона с сеточным управлением
устройства (ЗУ), присоединена параллельно питаемому клистрону с управляющим электродом (сеткой), подключенным к блоку управления пушкой (БУП). Передача энергии из ФЛ в энергию электронного пучка осуществляется при подаче импульса управления с БУИ на управляющий электрод клистрона. При сопротивлении нагрузки Ни = 3р (р - волновое сопротивление ФЛ) получается сравнительно высокий коэффициент передачи мощности в нагрузку (0.75) при незначительном отличии рабочего напряжения 11р от зарядного [7эар {ир/и^ = 0.75).
Безусловными достоинствами такой системы питания являются:
• отсутствие коммутатора при заряде ФЛ от источника постоянного напряжения или же его пониженная импульсная мощность при импульсном заряде;
• отсутствие повышающего ИТ с соответсвующим комплексом проблем, перечисленных выше;
• сравнительно просто получить требуемую форму импульсов тока пучка и напряжения на СВЧ приборе; качество импульсов определяется формой импульса напряжения на управляющем электроде, и параметрами ФЛ.
Согласно [31], предложенная схема позволяет использовать в качестве зарядного устройства как импульсный, так и постоянный источник высокого напряжения. Первые модели описываемой системы были выполнены с генератором высокого напряжения на основе трансформатора Тесла [32,33]. В схеме питания СВЧ прибора типа гирокон [34,35] вместо ФЛ используется емкость вторичного контура трансформатора Тесла, а для обеспечения качественной вершины импульса напряжения вторичного контура применяется схема коррекции (рис. 1.5, а).
18
Рис. 1.5: Схема питания гирокоиа на базе ускорителя ЭЛИТ-ЗА с коррекцией формы импульса напряжения Кривые токов и напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 1.5, б. При замыкании ключа К\ (время і\) емкость первичного контура Сі, предварительно заряженная до напряжения Vі, разряжается на индуктивность первичной цепи и в контурах возникают связанные колебания. На рисунке представлена кривая напряжения 11? на вторичной емкости трансформатора для Ь±С\ = Т2С2 и коэффициента связи К = 0.6. В момент <2 включается ключ К2 схемы коррекции, которая также представляет собой систему двух контуров трансформатора Тесла с коэффициентом связи 0.6. Во вторичном контуре СдСг* возбуждаются свободные колебания (кривая С2К). Суммарное напряже-
19
ние на ускорительной трубке (УТ) (Г/ут), получаемое от этих двух генераторов в течение импульса тока пучка 1„ (интервал 1Н ч- <*), становится практически постоянным.
Описанный источник высокого напряжения находится в эксплуатации с 1979 г. в составе позитронного источника комплекса ВЭПП-4 с рабочим напряжением до 2 МВ, током до 50 А, частотой посылок - 2 Гц, режим работы круглосуточный.
Достоинством рассмотренных вариан тов СВЧ приборов с импульсным питанием является возможность использования гонкой неохлаждаемой сетки в СВЧ приборе, поскольку паразитная эмиссия сетки из-за малого времени приложения напряжения не отразится на ето работе. К тому же малая длительность импульса позволяет работать при высоких напряженностях электрического поля (согласно [36] при уменьшении длительности импульса с 0.1 с до ~1 мке пробивное напряжение на зазоре возрастает в два - три раза — с 180 до 380 кВ). Эти позволило реализовать достаточно качественную электронно-оптическую систему (ЭОС) в ускорителях типа ЭЛ ИТ-Л и ЭЛИТ-Л2 [32,33,37]. В указанных ускорителях применялись относительно сложные коммутаторы первичной цепи трансформатора Тесла, для каждого клистрона использовался свой источник высокого напряжения, а ФЛ была выполнена на сосредоточенных емкостях (сравнительно дорогих конденсаторах из ситалла - К15-10). Эти факторы заставили искать более простые и дешевые решения за счет некоторого ухудшения параметров зарядного устройства и клистрона.
Проект системы питания комплекса ВЛЭПП, предложенный в [38], отличается простотой и завершенностью. Для него не требуются коммутаторы первичной цепи, заряд двадцати ФЛ, выполненных на конструктивных (газовых) емкостях, питающих двадцать клистронов, осуществляется от единого высоковольтного выпрямителя до напряжения 1150 кВ; энергия ускоренных электронов составляет 1000 кэВ.
Вместе с тем описывасмомый проект имеет следующие недостатки:
• постоянное приложенное напряжение требует:
- принятия мер но охлаждению сетки для борьбы с ее паразитной эмиссией (для улучшения теплосъема она выполняется толщиной несколько мм);
- применения пониженных рабочих градиентов электрического поля в вакуумных промежутках прибора.
Указанные недостатки создают дополнительные трудности в получении качественных электронных пучков (малые размеры пучка и малый фазовый объем) в СВЧ
20
приборе;
• выбранное в проекте соотношение между сопротивлением нагрузки и волновым сопротивлением ФЛ Л„/р=6.66 требует запасать в ФЛ энергию, в три с лишним раза большую энергии, уносимой пучком, причем при пробоях эта энергия рассеивается в ускорительной трубке (УТ) и элементах питания, так как на постоянном напряжении трудно обеспечить надежную защиту УТ с помощью разрядников, устанавливаемых с наружной стороны электродов УТ, что в свою очередь снижает рабочие градиенты вакуумной изоляции клистрона;
• пробой одного из клистронов или высоковольтной изоляции одной из двадцати ФЛ вызовет разряд девятнадцати оставшихся ФЛ на ограничительное сопротивление в цепи клистрона. Таким образом, высоковольтный пробой в одном из приборов может нарушать работу всего комплекса ВЛЭПП.
Перечисленные недостатки отсутствуют в схеме импульсного питания СВЧ прибора с использованием высоковольтной модуляторной лампы (МЛ), аналогично описанной в [21]. Упрощенная схема питания с модуляторной лампой приведена на рис. 1.6. От высоко-
Рис. 1.6: Схема на базе модуляторной лампы для питания клистрона
вольтного зарядного устройства ЗУ того или иного типа (см., например, [38,39]), напряжение прикладывается к накопителю энергии, который через МЛ с управляющим электродом подсоединен к импульсному СВЧ прибору Кл. Аналогично [38] от одного ЗУ возможно питание нескольких приборов. В запертом состоянии все напряжение приложено к МЛ. При подаче импульса управления от блока управления пушкой БУП лампа отпирается, и все напряжение за вычетом падения напряжения на МЛ и последовательно с ней установленном ограничительном сопротивлении 11х, прикладывается к Кл. По окончании рабочего импульса МЛ запирается, и СВЧ прибор обесточивается.
21
Такое решение позволяет исключить из СВЧ прибора сетку с ее отрицательным влиянием на фазовый объем пучка. Импульсный режим СВЧ прибора позволяет существенно повысить рабочие градиенты промежутка катод-анод, что также способствует улучшению качества пучка. Фронт и срез импульса в этой схеме определяются характеристиками МЛ и собственной емкостью клистрона, а не параметрами ИТ.
Возможности варьирования внутреннего сопротивления МЛ с помощью управляющего сигнала позволяют:
• корректировать форму питающего напряжения на СВЧ приборе;
• при пробое СВЧ прибора отключать его от выпрямителя запиранием МЛ; таким образом, пробой одного из приборов не отразится на работе других СВЧ приборов;
• оперативно изменять длительность СВЧ импульса.
Вместе с тем, схема питания клистрона на основе модуляторной лампы имеет следующие недостатки:
• в настоящее время не существует промышленных разработок модуляторных ламп на напряжения свыше 200 кВ;
• срок службы модуляторной лампы вряд ли будет выше, этого показателя у тиратронов;
• реализация генератора на основе модуляторной лампы потребует решения целого ряда дополнительных проблем, а именно: питание накала MJ1 под постоянно приложенным высоким напряжением, охлаждение ее коллектора, имеющего потенциал катода клистрона, и т.д.;
• при пробое модуляторной лампы следует предусмотреть меры по защите как ее, так и клистрона, от энергии, выделяющейся при пробое.
В настоящее время появились приборы на базе последовательно соединенных высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), функционально аналогичные МЛ [40). Фирмой Diversified Technologies, Inc. (США) разработан генератор на базе 160 последовательно соединенных IGBT, позволяющий формировать импульсы напряжения 140 кВ с током 160 А и длительностью 13 мкс. Упрощенная схема такого генератора представлена на рис. 1.7. Недостатки опи-
22
IGBT
Рис. 1.7: Схема генератора импульсов на базе IGBT санной схемы - проблемы, связанные с одновременным запуском всех IGBT, с их защитой при пробое нагрузки и с коррекцией формы импульса рабочего напряжения из-за снижения напряжения на емкостном накопителе.
Заслуживают внимания появившиеся в последнее время работы по созданию генераторов импульсов высокого напряжения, в том числе и для питания СВЧ приборов, на базе генераторов Маркса, где в качестве ключей используются IGBT [30,41,42]. Согласно [30] для питания NLC клистрона предполагается создать полномасштабный вариант модулятора на базе генератора Маркса. Одна из проблем при создании модулятора - большие конструктивные емкости каскадов, которые заряжаются до высокого напряжения при переключении каскадов с параллельного на последовательное соединение, что сказывается на качестве импульса.
В настоящее же время в SLACe ведутся работы по созданию модулятора на базе индукционного трансформатора на IGBT для питания клистронов NLC [43]. Упрощенная схема указанного модулятора для питания восьми клистронов NLC представлена па рис. 1.8. Работа схемы подобна работе схемы индукционного ускорителя. Модулятор состоит из двух колонн, охваченных тремя витками вторичной обмотки. В каждой колонне размещается но 38 одновитковых индукторов, питание каждого индуктора производится от двух малоипдуктивных параллельных контуров, состоящих из зарядной емкости и ключа. Благодаря такому исполнению обеспечивается общая малая индуктивность рассеяния трансформатора, составляющая не более 20 мкГн.
Зарядное напряжение на емкости каждого контура 100 мкФ равно 2.2 кВ, ключами служат IGBT фирмы EUPEC (European Power-Semicoaductor and Electronics Company) или
23
Рис. 1.8: Схема питания модулятора индукционного типа для питания 8 клистронов NLC Mitsubishi (Япония) на номинальное напряжение 3.3 кВ и средний ток 800 А. Импульсный ток через каждый ключ составляет 3.2 кА, длительнсть импульса 3 мкс. От такого модулятора предполагается питать восемь клистронов. Указанная схема прошла экспериментальную проверку в качестве модулятора для питания клистрона 5045. Питание от десяти последовательно соединенных индукторов первичной цепи подавалось через один виток вторичной обмотки на первичную обмотку импульсного трансформатора клистрона 5045. Из достоинств рассмотренной схемы отметитим следующие:
• больший, по сравнению с тиратронами, срок службы ключей;
• отсутствие дополнительных потребителей мощности - цепей накала тиратронов;
• расположение индукторов под потенциалом земли (увеличение выходного напряже-
ния ообеспечивастся за счет увеличения числа индукторов);
• возможность изменения длительности импульса напряжения на клистроне варьированием времени включенного состояния ЮВТ.
Аналогичная работа по созданию модулятора на базе индукционного трансформатора на ЮВТ для питания клистронов проводится в КЕК [44].
Недостатки схемы - сравнительно сложное конструктивное решение, большая трудоемкость, трудности, связанные с одновременным управлением большим количеством ключей, а также проблема ограничения энерговыделения при пробое одного из восьми клистронов.
Таким образом, единого подхода к созданию модуляторов для питания СВЧ приборов линейных ускорителей не существует, и каждый конкретный случай требует индивидуального подхода. Поэтому ниже рассматривается несколько типов проработ анных в ИЯФ генераторов высокого напряжения и модуляторов, предназначенных для питания мощных импульсных СВЧ генераторов.
25
Глава 2
Основные компоненты схем импульсных генераторов
2.1 Формирующие линии и импульсные трансформаторы в схемах модуляторов
Формирующие линии
Как отмечалось выше, для формирования прямоугольных импульсов напряжения наиболее широко используются формирующие линии. Это - один из узлов, определяющих надежность, срок службы и эксплуатационные характеристики модулятора. Поэтому выбору элементов ФЛ и проработке ее конструкций было уделено особое внимание.
Существует большое разнообразие схемных решений искусственных ФЛ. Рассмотрим особенности некоторых из них. В практике чаще всего используется цепочечная искусственная линия, состоящая из большого числа каскадно включенных фильтров нижних частот с одинаковыми параметрами (рис. 2.1), работающая как в согласованном (/> = Я„),
0кл Ь Ь Ь Ь Ь Ь I I
Рис. 2.1: Базовая схема ФЛ так и в рассогласованном (р Ф Я„) режиме (р - волновое сопротивление ФЛ, Я„ - сопротивление нагрузки). Степень рассогласования ФЛ с нагрузкой удобно характеризовать с