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

1、上世紀九十年代由日本學者重新啟動研究的固定場交變梯度加速器（FFAG）由于其大的動力學孔徑和較高的輸出功率，不僅有可能應用于次臨界堆的驅(qū)動源、散裂中子源，還有可能成為中微子工廠/μ介子對撞機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題，尤其在反應堆領(lǐng)域，氦與包層材料作用機理和機制的研究，已成為未來核科學技術(shù)的重點研究方向

2、之一。因此我們在國家同步輻射實驗室借助于氦脆研究的契機，進行一臺小型的氦離子FFAG 加速器概念設計，并希望通過這一設計研究為將來FFAG 在中國的研究發(fā)展建立基礎(chǔ)。計劃中小型氦離子FFAG 加速器輸出能量為36 MeV，采用徑向三彎轉(zhuǎn)組合扇形DFD 設計，回旋周期在數(shù)百ns到微秒量級。本文針對氦離子FFAG 輸出能量和回旋頻率較低的特點，提出利用感應加速方式取代通常FFAG 加速器設計中的磁合金寬帶高頻腔加速方式以獲得更大的束流流強的

3、設計。設計這一感應加速系統(tǒng)的最主要技術(shù)難點包括快速可調(diào)整的調(diào)制器設計和跑道型的感應腔設計，本文主要針對這兩項技術(shù)難點進行相關(guān)技術(shù)和概念研究。
　　 我們首先進行了快速調(diào)制器技術(shù)的研究。對于氦離子FFAG 加速器，回旋周期的變化從數(shù)百ns到數(shù)μs量級，相應的要求感應腔驅(qū)動源調(diào)制器必須也跟隨這個周期變化，這就需要對調(diào)制器輸出脈沖格式不斷調(diào)整和具有較高的重復頻率，這對于傳統(tǒng)的線性調(diào)制器是無法實現(xiàn)的。而目前國外大型粒子加速器實驗室對于采

4、用半導體器件作為開關(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)波運行，國內(nèi)對于快速的固態(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行了固態(tài)調(diào)制器技術(shù)的相關(guān)實驗研究。由于功率開關(guān)MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管）具有較快的開啟速度（約10 ns），因此我們的實驗方案選擇基于MOSFET 開關(guān)的固態(tài)調(diào)制器樣機研究。通過對于快速MOSFET 調(diào)制器的理論分析，我們具體設計了基于FPGA 快速同步時鐘電路和MOSFET 同步驅(qū)動電

5、路，建成了一套由五單元感應疊加的調(diào)制器樣機，并進行了相關(guān)負載的實驗測試。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，并通過增大負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。快速固態(tài)調(diào)制器技術(shù)不僅可以用于感應加速腔，還以用于加速器中快速沖擊磁鐵、雷達發(fā)射以及醫(yī)用加速器等諸多領(lǐng)域。
　　 FFAG 加速器的加速設計通常采用低品質(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，加速重復頻率不高，另外RF 腔也具有較強的尾場效應，容易造成電場崩潰，因此輸出平均流強受到限制。為此對于氦離子FFAG 加速器，我們提出利用感應腔取代磁合金寬帶高頻腔的概念設計。由于FFAG 加速器粒子軌道半徑隨能量變化的范圍相對較大，因此真空盒尺寸在徑向較大，為此我們設計一個截面為跑道型的感應腔結(jié)構(gòu)，并通過建立感應腔的集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型來計算腔的基本分布參數(shù)和分析模擬加速電壓波形。通過分析

7、計算我們給出了滿足平均輸出流強為10 mA的感應腔設計方案，其全環(huán)共有4個感應腔，單腔設計加速電壓為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，我們對調(diào)制器輸出脈沖模式提出了要求，并通過能量補償和延長加速周期兩種方案來對粒子進行約束，保證粒子在加速過程中始終處于加速時區(qū)。由于跑道型結(jié)構(gòu)分布并不對稱，可能造成感應加速電場的不均勻性，我們利用OPERA-3D模擬感應電場的分布，通過模擬我們發(fā)現(xiàn)設