MOSFET調(diào)制器關(guān)鍵技術(shù)及氦離子FFAG感應(yīng)加速腔模擬研究.pdf

1、上世紀(jì)九十年代由日本學(xué)者重新啟動(dòng)研究的固定場(chǎng)交變梯度加速器（FFAG）由于其大的動(dòng)力學(xué)孔徑和較高的輸出功率，不僅有可能應(yīng)用于次臨界堆的驅(qū)動(dòng)源、散裂中子源，還有可能成為中微子工廠/μ介子對(duì)撞機(jī)的有效加速手段和癌癥治療、微型電子源的有效工具，因此也再次引起國(guó)際加速界的關(guān)注。另一方面，在核能技術(shù)的諸多領(lǐng)域使用的金屬材料中普遍存在著氦的產(chǎn)生及其引起的脆化問(wèn)題，尤其在反應(yīng)堆領(lǐng)域，氦與包層材料作用機(jī)理和機(jī)制的研究，已成為未來(lái)核科學(xué)技術(shù)的重點(diǎn)研究方向

2、之一。因此我們?cè)趪?guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室借助于氦脆研究的契機(jī)，進(jìn)行一臺(tái)小型的氦離子FFAG 加速器概念設(shè)計(jì)，并希望通過(guò)這一設(shè)計(jì)研究為將來(lái)FFAG 在中國(guó)的研究發(fā)展建立基礎(chǔ)。計(jì)劃中小型氦離子FFAG 加速器輸出能量為36 MeV，采用徑向三彎轉(zhuǎn)組合扇形DFD 設(shè)計(jì)，回旋周期在數(shù)百ns到微秒量級(jí)。本文針對(duì)氦離子FFAG 輸出能量和回旋頻率較低的特點(diǎn)，提出利用感應(yīng)加速方式取代通常FFAG 加速器設(shè)計(jì)中的磁合金寬帶高頻腔加速方式以獲得更大的束流流強(qiáng)的

3、設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)這一感應(yīng)加速系統(tǒng)的最主要技術(shù)難點(diǎn)包括快速可調(diào)整的調(diào)制器設(shè)計(jì)和跑道型的感應(yīng)腔設(shè)計(jì)，本文主要針對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和概念研究。
　　 我們首先進(jìn)行了快速調(diào)制器技術(shù)的研究。對(duì)于氦離子FFAG 加速器，回旋周期的變化從數(shù)百ns到數(shù)μs量級(jí)，相應(yīng)的要求感應(yīng)腔驅(qū)動(dòng)源調(diào)制器必須也跟隨這個(gè)周期變化，這就需要對(duì)調(diào)制器輸出脈沖格式不斷調(diào)整和具有較高的重復(fù)頻率，這對(duì)于傳統(tǒng)的線性調(diào)制器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而目前國(guó)外大型粒子加速器實(shí)驗(yàn)室對(duì)于采

4、用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)的固態(tài)調(diào)制器技術(shù)研究已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)MHz的連續(xù)波運(yùn)行，國(guó)內(nèi)對(duì)于快速的固態(tài)調(diào)制器技術(shù)研究還處于起步階段，因此本篇論文首先進(jìn)行了固態(tài)調(diào)制器技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。由于功率開關(guān)MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）具有較快的開啟速度（約10 ns），因此我們的實(shí)驗(yàn)方案選擇基于MOSFET 開關(guān)的固態(tài)調(diào)制器樣機(jī)研究。通過(guò)對(duì)于快速M(fèi)OSFET 調(diào)制器的理論分析，我們具體設(shè)計(jì)了基于FPGA 快速同步時(shí)鐘電路和MOSFET 同步驅(qū)動(dòng)電

5、路，建成了一套由五單元感應(yīng)疊加的調(diào)制器樣機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)負(fù)載的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。我們獲得了脈沖電壓在3 kV、脈沖電流在118 A，脈沖寬度在100 ns 左右的放電波形，并通過(guò)增大負(fù)載阻抗獲得了較好的脈沖上升速度，這種窄脈沖基本可以滿足氦離子回旋最短周期內(nèi)的加速需求?？焖俟虘B(tài)調(diào)制器技術(shù)不僅可以用于感應(yīng)加速腔，還以用于加速器中快速?zèng)_擊磁鐵、雷達(dá)發(fā)射以及醫(yī)用加速器等諸多領(lǐng)域。
　　 FFAG 加速器的加速設(shè)計(jì)通常采用低品質(zhì)因子軟磁合金寬帶

6、RF 腔，由于受到頻率調(diào)諧速率的限制，加速重復(fù)頻率不高，另外RF 腔也具有較強(qiáng)的尾場(chǎng)效應(yīng)，容易造成電場(chǎng)崩潰，因此輸出平均流強(qiáng)受到限制。為此對(duì)于氦離子FFAG 加速器，我們提出利用感應(yīng)腔取代磁合金寬帶高頻腔的概念設(shè)計(jì)。由于FFAG 加速器粒子軌道半徑隨能量變化的范圍相對(duì)較大，因此真空盒尺寸在徑向較大，為此我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)截面為跑道型的感應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)建立感應(yīng)腔的集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型來(lái)計(jì)算腔的基本分布參數(shù)和分析模擬加速電壓波形。通過(guò)分析

7、計(jì)算我們給出了滿足平均輸出流強(qiáng)為10 mA的感應(yīng)腔設(shè)計(jì)方案，其全環(huán)共有4個(gè)感應(yīng)腔，單腔設(shè)計(jì)加速電壓為5 kV，脈沖寬度為200 ns，總功耗180 kW。為保證氦離子不因加速能量差異而丟失，我們對(duì)調(diào)制器輸出脈沖模式提出了要求，并通過(guò)能量補(bǔ)償和延長(zhǎng)加速周期兩種方案來(lái)對(duì)粒子進(jìn)行約束，保證粒子在加速過(guò)程中始終處于加速時(shí)區(qū)。由于跑道型結(jié)構(gòu)分布并不對(duì)稱，可能造成感應(yīng)加速電場(chǎng)的不均勻性，我們利用OPERA-3D模擬感應(yīng)電場(chǎng)的分布，通過(guò)模擬我們發(fā)現(xiàn)設(shè)