Development of the MHz repetition bipolar pulse induction acceleration system
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摘要: 采用感应同步加速原理，能在MHz重复频率下连续运行的双极性脉冲感应加速单元可以替代传统的射频加速单元应用于环形加速器中。针对MHz重频双极性脉冲功率源设计、感应腔负载特性等关键技术开展了实验研究，研制了一套MHz重频双极性脉冲感应加速单元。相比于日本高能加速器研究机构（KEK）研制的感应同步加速单元，该加速单元对电路结构进行了优化， 在加速脉冲具备相同顶降的前提下，将加速腔纵向尺寸缩小了5倍以上，可有效改善现有脉冲感应加速单元在加速电压调节方面的局限性，提高了功率系统的稳定性，减小了组元连续运行时的功率损耗，更加适应各类环形加速器对重频脉冲感应加速组元的应用需求。Abstract: Based on the principle of Induction Synchrotron (IS), the high-repetition pulse induction acceleration module can replace the radio frequency acceleration cavity in circular accelerators, thereby obtaining more application prospects. In this paper, a set of MHz continuous repetition bipolar pulse induction acceleration module suitable for IS is developed, and its circuit design and experimental results are introduced. Compared with the induction acceleration module of KEK, which is the only IS acceleration module in use at present, this induction module adopts different circuit structures to make the longitudinal dimension of the induction cell be reduced by 5 times at the same pulse flat voltage drop, which can effectively improve the adjustment ability of the accelerating voltage in a limited space, reduce the power consumption and the cost of system cooling, and improve the reliability of continuous operation of the pulse power system.
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日本科学家Takayama在2000年首次提出了感应同步加速器（IS）的概念，利用高重频连续运行的脉冲感应加速组元替代同步加速器中原有的射频加速腔，将脉冲感应加速在流强上的优势与同步加速器在能量上的优势结合起来，有望大幅提高现有高能加速器的束流强度[1]。随后日本KEK研制成功了适用于感应同步加速器的双极性脉冲感应加速单元[2]，并实验验证了感应同步加速器的可行性[3]。
KEK的研究证明了将双极性脉冲感应加速单元应用于环形加速器的可行性。但由于其加速单元的电路结构决定了其加速脉冲顶降主要由传输线等效阻抗和加速腔回路电感间的分压导致，因此无论腔压的高低，都需要足够多的磁芯来维持加速腔回路电感量，同时匹配电阻消耗了功率源过半的输出功率，这导致了KEK感应加速单元存在体积大、功耗高的缺点，而为了维持足够的加速梯度，其单腔电压设定为2～2.5 kV，这要求功率源需采用多个MOSFET开关串联工作，一定程度上降低了功率系统的可靠性。
文献[4]提出了一种更为紧凑可靠的感应加速单元设计方案，将功率源和感应腔直接相连形成类似LC的放电回路，去除了传输线和匹配电阻的影响，能够显著降低脉冲顶降对感应腔电感量的要求，可实现感应腔尺寸和脉冲电压幅度的同步降低，在总加速电压和加速段总尺寸不变的前提下，可通过增加加速腔的数量大幅减小单个感应腔的功耗，提高功率系统的稳定性。本文针对MHz重频双极性脉冲功率源和重频脉冲感应腔开展了实验研究，研制了基于LC放电回路的感应加速单元样机，并在MHz连续重频下进行了实验考核。研究表明，新研制的感应加速单元相比KEK的加速单元，实现相同电压顶降所需的加速腔纵向尺寸缩小了5倍，在同样脉宽和电压幅度下的总功耗降低了75%。
1. MHz重频双极性脉冲功率源电路设计
KEK的感应加速单元由功率源、感应腔、连接电缆和匹配电阻构成，如图1所示：功率源采用全桥电路结构，通过四组开关实现双极性脉冲输出，每组开关包含7个串联的MOSFET开关，输出电压2.5 kV，可在MHz重复频率下连续运行；感应腔等效为300 Ω、110 μH、280 pF的RLC并联电路；功率源和感应腔间通过长40 m、阻抗120 Ω的电缆连接，为保持阻抗匹配，在感应腔馈入端并联210 Ω的匹配电阻。在实际使用中，将3到4个感应腔串联，以产生6～8 kV的加速电压。利用该加速单元，KEK在多种环形加速器上开展了一系列卓有成效的实验研究[5-7]。
图 1 KEK的双极性脉冲感应加速单元Figure 1. The bipolar pulse induction acceleration system of KEK-IS本项目研制的MHz重频双极性脉冲功率源设计最高输出电压1 kV，可驱动加速腔负载在1 MHz的重复频率下连续运行。功率源采用和KEK类似的方案，即MOSFET半导体开关结合全桥电路结构。MOSFET开关使用美国IXYSRF品牌的IXZ631芯片，该芯片是功率芯片DE375和驱动芯片IXRFD630的整合体，额定工作电压1 kV。全桥电路设计了两个版本，其中V1版电路如图2所示。由于作为负载的加速腔外壳需要接地，即图中的O点为接地点，因此储能电容C1和C2的低压端均需处于悬浮电位。C1、C2焊接在电路板的背面，C1连接开关S1的高压端和开关S4的低压端，C2连接S2的高压端和S3的低压端，C1，C2分别充正电压U1，U2。当所有开关都处于断开状态时，负载电压为零；当S1，S4同时闭合，S2，S3保持断开时，C1通过S1，S4对负载放电，则电流从A点流向O点，负载电压为正脉冲，幅度为U1；当S1，S4断开，负载电压降为零，正脉冲结束；当S2，S3同时闭合，S1，S4保持断开时，C2通过S2，S3对负载放电，电流从O点流向A点，负载电压为负脉冲，幅度为—U2；当S2，S3断开，负载电压降为零，负脉冲结束。
利用电阻负载对功率源输出波形进行测试，实验发现，由于电路板中电容C1，C2的放电回路不够紧凑，导致回路电感较大，全桥电路所产生的双极性脉冲有明显的高频振荡。随后设计了V2版全桥电路，如图3所示。更改了电容的连接方式，C1和C2的高压端分别连接S1和S3的高压端；将全桥电路版对折成两块，S1，S2和C1在一块上，S3，S4和C2在另一块上，两块电路板层叠放置，C1，C2焊接在两块板之间，最大程度减小了电容放电的回路长度。两版全桥电路输出的双极性脉冲波形分别如图4（a）和图4(b)所示，负载均为30 Ω电阻。采用新设计后，V2版全桥电路输出的脉冲平顶有了明显改善。
图 4 不同版本全桥电路在30 Ω电阻上获得的双极性脉冲波形Figure 4. Bipolar pulse waveform on 30 Ω resistor obtained by different version of full bridge circuitMOSFET高压开关的通断由驱动芯片控制，驱动芯片需要连接15 V的直流供电和5 V的控制脉冲信号。在实际应用中发现，驱动芯片的地电极和开关芯片的低压电极间并未实现完全隔离，开关芯片低压电极的电位会对驱动电路和触发电路的地电位产生影响，这便要求驱动芯片的地电位必须处于悬浮状态，以确保多个开关间的地电位变化不会影响开关的驱动电压幅度和触发信号。全套的MHz重频双极性脉冲功率源组成如图5所示，包含全桥电路板、两路1 kV高压电源模块、四路15 V驱动电源模块和两组分路隔离触发模块，所用模块均自带2 kV高压隔离。电源模块的功率较低，仅能支持全桥电路短时间的猝发运行，当功率源需要长时间连续运行时，则需要更换更大功率的电源模块，并为高压开关添加冷却模块。
图 5 MHz重频双极性脉冲功率源组成Figure 5. The components of the bipolar pulse power source for MHz repetition rate2. MHz重频双极性脉冲感应腔设计
KEK感应同步加速腔通过长电缆和双极性功率源连接，最高工作电压2.5 kV。如图6（a）所示，感应腔纵向长度25 cm，包含6块纳米微晶磁芯（日立金属Finement系列的FT-3M磁芯）[8]，单块磁芯尺寸为外径50 cm、内径22 cm、厚1.5 cm，总截面积126 cm2，脉冲励磁期间感应腔等效电感量110 μH，脉宽250 ns时对应的顶降为10%～15%[9]。当工作电压2.5 kV时，KEK感应腔高重频运行总功耗为25.9 kW（50%占空比），其中磁芯功耗11.4 kW，匹配电阻功耗14.5 kW，功率源、磁芯和匹配电阻均需配套大功率液体冷却系统[10]。
图 6 两种双极性脉冲感应腔结构和尺寸对比Figure 6. The structures and dimensions of the two kinds of induction cells本项目研制的基于LC放电回路的加速组元，其感应腔作为负载直接和脉冲功率源的输出端相连，维持脉冲顶降所需的感应腔电感量要远小于功率源和感应腔间通过电缆连接的情况。感应腔如图6（b）所示，工作电压500 V，纵向长度5 cm，包含两块纳米微晶磁芯（国产1K107，性能和FT-3M相当），磁芯外径21.5 cm、内径11.5 cm、厚1 cm，总截面积10 cm2。
结合双极性脉冲功率源，对感应腔的励磁电流波形和感应产生的腔压脉冲波形进行了测试。双极性脉冲重复频率1 MHz，脉冲宽度250 ns，占空比50%。
图7为前10个重频周期所对应的电压和电流波形，以及感应腔磁芯的脉冲磁化曲线。可以看出，磁芯的磁化过程在几个励磁周期后趋于稳定，后续励磁周期的磁化曲线基本重合，正负脉冲励磁的通量跳变ΔB均为0.13 T，脉冲励磁期间感应腔的等效电感量约18 μH。图8显示了加速电压平顶的波形细节和第4、5、6这3个励磁周期时正负脉冲所对应的感应腔等效电阻。在脉宽250 ns时，脉冲平顶的电压降落约为9%，略优于KEK感应腔的顶降；在不同周期时，感应腔在脉冲期间的等效阻抗变化趋势一致，阻抗最小值70 Ω，平均值约100 Ω。由于没有匹配电阻，感应腔功耗即磁芯功耗，可以算出，工作电压500 V时，感应腔在1 MHz双极性重频脉冲励磁下的功耗（50%占空比时）约为1.25 kW，仅为KEK感应腔总功耗的5%。使用5个500 V感应腔叠加可产生和KEK感应腔相同的加速电压（2.5 kV），此时总功耗约6.3 kW，为KEK感应腔磁芯功耗的55%，总功耗的25%。
图 7 感应腔的电压电流波形及磁芯磁化曲线Figure 7. The induction voltage and the exciting current of the acceleration cell and the B-H curve of the magnetic cores
图 8 感应腔的腔压脉冲波形及等效电阻Figure 8. The induction voltage pulse waveform and equivalent resistance curve of the induction cell3. 感应加速组元MHz连续重频测试
在1 MHz连续重频下对感应加速组元进行了实验测试。图9是适用于连续重频运行的双极性脉冲功率源，其中充电电源更换为额定功率2 kW的高压电源（1 kV/2 A），开关驱动电源更换为75 W开关电源和100 W隔离变压器的组合，全桥电路上增加了两个100 μH的次级储能电容以减小储能电容充放电引起的电压波动，MOSFET开关上贴合了散热片和风冷装置。
图 9 可连续重频运行的双极性脉冲功率源Figure 9. The components of the bipolar pulse power source for MHz continuous operation在感应腔上获得的连续重频脉冲波形如图10所示。测试时，正负脉冲使用了不同的电压幅度和脉宽，其中正脉冲幅度500 V，脉宽200 ns，负脉冲幅度200 V，脉宽500 ns。感应加速组元在1 MHz的重复频率下能够长时间稳定运行（测试时长1 h），经风冷后，紧贴MOSFET开关的散热片温度维持在40°以下，感应腔磁芯的温度维持在60°左右。
图 10 1 MHz连续重频运行时的双极性脉冲波形Figure 10. The voltage pulse waveform of the induction cell in 1 MHz continuous operation4. 结 论
脉冲感应加速单元要更好的应用到环形加速器中，需要解决两个主要问题：（1）如何实现更小的加速腔体积以在有限的空间内更好满足加速电压调节对更多加速单元数量的要求；（2）如何降低加速电压的脉冲平顶压降以满足长脉冲束团输运对能散度的要求。由于减小加速腔体积必然会导致加速腔等效电感量下降，从而增加脉冲平顶压降，要实现这两个指标相对现有水平的同时提高，需要从结构上对加速单元进行优化[11]。
本文验证了一种新加速单元结构的可行性，研制了基于LC放电回路的双极性脉冲感应加速单元，将感应腔纵向尺寸从25 cm（KEK感应腔）缩小到5 cm，获得了脉冲顶降优于KEK感应腔的双极性脉冲电压；在相同的加速梯度下，该结构下单个加速单元的工作电压为KEK加速单元的1/5，功耗仅为KEK的5%，规避了多个开关串联运行带来的可靠性风险，降低了连续运行时加速单元的冷却成本；在1 MHz的重复频率下，对加速单元的连续工作能力进行了实验测试，证明仅采用简单的风冷设计，即可保障该加速单元的连续稳定运行。
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图 1 KEK的双极性脉冲感应加速单元
Figure 1. The bipolar pulse induction acceleration system of KEK-IS
图 4 不同版本全桥电路在30 Ω电阻上获得的双极性脉冲波形
Figure 4. Bipolar pulse waveform on 30 Ω resistor obtained by different version of full bridge circuit
图 5 MHz重频双极性脉冲功率源组成
Figure 5. The components of the bipolar pulse power source for MHz repetition rate
图 6 两种双极性脉冲感应腔结构和尺寸对比
Figure 6. The structures and dimensions of the two kinds of induction cells
图 7 感应腔的电压电流波形及磁芯磁化曲线
Figure 7. The induction voltage and the exciting current of the acceleration cell and the B-H curve of the magnetic cores
图 8 感应腔的腔压脉冲波形及等效电阻
Figure 8. The induction voltage pulse waveform and equivalent resistance curve of the induction cell
图 9 可连续重频运行的双极性脉冲功率源
Figure 9. The components of the bipolar pulse power source for MHz continuous operation
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