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)者重新啟動研究的固定場交變梯度加速器（FFAG）由于其大的動力學(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(yīng)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(xué)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(shè)計，并希望通過這一設(shè)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(shè)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(yīng)加速方式取代通常FFAG 加速器設(shè)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(shè)計。設(shè)計這一感應(yīng)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(shè)計和跑道型的感應(yīng)腔設(shè)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(yīng)的要求感應(yīng)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(fù)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(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(dǎo)體場效應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(fù)頻率不高，另外RF 腔也具有較強的尾場效應(yīng)，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(yīng)腔取代磁合金寬帶高頻腔的概念設(shè)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(shè)計一個截面為跑道型的感應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，并通過建立感應(yīng)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(yīng)腔設(shè)計方案，其全環(huán)共有4個感應(yīng)腔，單腔設(shè)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(yīng)加速電場的不均勻性，我們利用OPERA-3D模擬感應(yīng)電場的分布，通過模擬我們發(fā)現(xiàn)設(shè)