脉冲电源和调制器.pdf

The Sixth Overseas Chinese Physics Association ACCELERATOR SCHOOL Beijing，China ，July 29 – August 7, 2010 Pulsed power supplies and modulators 脉冲电源和调制器 谷鸣 中国科学院上海应用物理研究所 Shanghai Institute of Applied Physics, CAS 2010.8.1 Introduction 脉冲电源是一个应用很广的技术领域。在粒子加速器装置中的应 用也已经有40多年的历史。脉冲电源在加速器装置中的功用主要有二 个： 1. 束流偏转：激励脉冲磁铁，快速的偏转运动的带电粒子。实现束流的 注入(injection)、引出(extraction)和剔除(dumping)等操作。应用于储 存环、同步加速器（增强器）等。 2. 束流升能：驱动速调管（Klystron ），产生高功率微波(RF)调制脉 冲，激励加速管加速电子束流（升能）。主要在应用电子直线加速器。 脉冲电源和速调管整合也称速调管调制器（klystron -modulator ）。 各种低功率的脉冲电源技术还用于加速器的束流测试、粒子源等。 2 Introduction 在大型的粒子加速器装置中往往 需要使用大量的脉冲功率电源系统。 SNS、Collider 、FEL 、SRF、Linac等 注入、引出： CERN的加速器实验装置，需要 近百台冲击磁铁(kicker)和脉冲电源， 实现粒子的注入、引出等操作。 电子加速升能： 日本的SCSS （XFEL ）装置的直 线加速器安装了71 台调制器，加速电 子束能量到8GeV。更高能量的直线 加速器需要更多的调制器。 3 脉冲电源类型 在加速器装置中，脉冲功率电源可以分为三种类型： • 慢脉冲电源： 脉冲切割磁铁（septa ）电源和凸轨（bump ）磁铁电源是微秒（μs ）到 毫秒(ms)量级的慢速设备。 数百到数千伏电压，数十到数千安培电流。 脉冲波形为半正弦波形或三角波。 • 快脉冲电源： 冲击磁铁是快速的脉冲系统。脉冲波形通常为梯形波形，快速冲击磁铁 通常需要数十到数百纳秒(ns)的上升时间和数十纳秒到微秒的脉冲宽度。 也有更长脉宽的冲击磁铁。 • 脉冲调制器： 脉冲调制器的主要特点更高的脉冲电压，几百千伏(kv)到兆伏(MV) ， 几百到几千安培电流。脉冲波形为梯形；脉冲前沿要求亚微秒，脉冲宽 度（平顶）在几百纳秒到几微秒。重复频率从几赫兹到数百赫兹。 4 脉冲电源技术 功率转换：在一个较长的时间期间内将交流供电电源的能量累积 在电容或电感中，然后在很短的时间内用开关以脉冲的形式释放出 来，输出高功率的脉冲。加速器脉冲电源和调制器通常使用电容储 能。 脉冲成形：脉冲电源的脉冲成形电路通常采用电容放电、电感电 容谐振、脉冲形成网络（PFN：Pulse Forming Network ）和脉冲形成 线（PFL：Pulse Forming Line ）。还有采用饱和磁芯电感来压缩成 形脉