[科普中国]-冲击磁铁

冲击磁铁

冲击磁铁为空芯电流板结构的磁铁，用于改变电子束的轨迹以便注入和引出。为了有效的偏转束流,要求冲击磁铁在很短的上升和下降时间内, 产生很高的具有一定平顶宽度的脉冲磁场。

冲击磁铁电源概述冲击磁铁电源采用集中布局4 冲击磁铁注入系统,以改善光源运行稳定性和提高光源性能指标。4块铁氧体冲击磁铁均安装在约3 m 的注入长直线节上,独立形成水平凸轨,实现了凸轨参数与储存环聚焦结构参数(LA TT ICE)的相对独立。4块冲击磁铁使用两台脉冲电源激励(一台脉冲电源激励两块并联的冲击磁铁),降低了冲击磁铁之间的时间抖动,使得注入凸轨更符合注入要求。脉冲电源的电流波形为半个衰减正弦波, 作用于冲击磁铁以产生满足多圈注入所需的凸轨磁场,把来自直线加速器的电子束注入到储存环中积累, 再慢加速到800 M eV 运行。本文主要介绍该脉冲电源的设计方法,并给出了测试和运行情况。

技术指标峰值电流(2～10) kA可调,步长1‰。电流波形:半个衰减正弦波, 底宽≤3. 5μs, 衰减系数α= (0. 28～0. 30)μs,角频率ω≥0. 9 M rad /s, 重复频率0.5 、1 、2 H z ,放电电流抖动≤5 ns(相对于外时序), 主充放电电容0. 66μF, 负载类型感性, 电感量约1μH ,电流稳定度≤0.1 %,连续工作时间8h 。

工作原理因负载呈感性, 故主电路用RLC衰减振荡电路,以得到半个(单方向)衰减正弦波脉冲电流。是放电主电路,C1为(0.66μF /50 kV)NW L 脉冲储能电容, R2为阻尼电阻, L1为负载电感和放电回路寄生电感之和, S1为闸流管,采用EEV公司的充氘闸流管CX1174 ,R1和V1是反向能量吸收电路,为C1提供反向能量的释放通路,以降低反向电压。若反向电压过大, 对于C1和S1的使用寿命不利,通常C1的反向耐压仅为正向耐压的20 %,而S1的工作特性要求在阳极正向脉冲结束后的前25 μs 内最高反向电压 200J ,若采用常规LC 谐振充电法,将使得充电电源体积和重量很大且难以保证充电电压大范围调节精度。故采用高频逆变谐振充电方法,在充电时间内多次(数千次)向C1充电,当输入电压一定时,C1充电电压的增量相等称等台阶充电。这种充电法大大减小了充电电源的体积和重量,稳定度也可精确控制,充电的次数越多,则精度越高。图4是充电电源的电路图。采用了IGBT 为开关的半桥串联谐振变换器,工作频率10 kHz ,高压变压器T 的次级有两个绕组,倍压整流,这样可大大降低T的匝比,减小分布参数,提高电源的效率和可靠性。C3～C6是倍压电容,CL是脉冲储能电容。

当系统时序给出放电触发脉冲闸流管导通, CL放电。延时一段时间后,变换器以10 kH z固定频率开始工作,在T次级得到高频高压脉冲, 再经倍压整流电路给CL充电。当充电电压U CL达到设定值时,控制电路中比较器翻转, 使变换器停止工作,停止对CL充电。当下一次放电触发脉冲到来又重复以上过程。需要指出的是,变换器的设计必须保证在放电触发脉冲到来之前某一时刻, CL上的充电电压就已到达设定值, 使在CL放电前某一时刻和放电期间以及闸流管恢复阻断期间变换器停止工作。实际电路设计中, 还有一个禁止充电指令送给电源的控制电路, 即使因某种原因导致CL上充电电压达不到设定值,也能保证此时变换器不工作。

闸流管触发器

闸流管CX1174 有两个控制栅极,根据其触发特性,选择1栅为直流正向偏置, 2栅为脉冲触发。当2 栅为负偏置时,闸流管截止,为正脉冲时导通。触发器主要技术指标:脉冲电压1. 6 kV, 脉冲宽度0.5 μs ,脉冲前沿≤0.1 μs 。陡峭的触发脉冲前沿和低的前沿抖动是保证闸流管精确点火时间即保证输出电流相对于外时序最小抖动的关键。设计原则:触发器放电开关选用高速MOSFE T 器件,并使S1相对于系统时序的电路级数最少,以减少器件的固有延时;触发器靠近S1, 使引线最短,并采用同轴电缆线;合理设计S1栅极低通滤波器的截止频率;适当提高触发电压的幅度。1

冲击磁铁脉冲发生器概述在同步加速器和电子储存环中, 冲击磁铁用于改变电子束的轨迹以便注入和引出。为了有效的偏转束流,要求冲击磁铁在很短的上升和下降时间内, 产生很高的具有一定平顶宽度的脉冲磁场。随着加速器技术的进步, 要求脉宽更短(数百ns)、流强更高(几kA)的电流脉冲来激励冲击磁铁, 磁场的一致性和稳定性要求更加严格。要产生这样的脉冲磁场,脉冲发生器技术是关键。目前国际加速器领域大多采用传输线型或简化PFN(脉冲形成网络)型,放电开关为氢闸流管, 这种技术目前仍有不可替代的优势,但是在一定的功率量级及脉宽条件下,以MOSFET 和IGBT 为代表的固态开关取代氢闸流管也开始得到应用, 现有的研究使用MOS-FET 作为开关也可以获得很窄的脉冲波形,美国Liverm ore 国家实验室DARH T-2的冲击磁铁脉冲发生器,输出电压20 kV、峰值电流40 A 、峰值功率0.8 MW ;文[8]报导了M OSFET调制器的实验研究, 采用3个M OSFE T管并联作开关,输出电压450 V, 脉冲电流40 A、峰值功率18kW 。在很多场合,当脉冲峰值功率要求更大时,如数十M W ,需要很多M OSFET 管串、并联,过多的开关数目将增加电路复杂性, 降低了M TBF(M eanTime Betw een Failure)。因此当上升速率要求不太高时(如数百ns),高压大功率IGBT是一种更好的选择。

强流脉冲发生器技术分析合肥光源满能量注入系统升级所需冲击磁铁设计参数分别为注入束流能量800 M eV ;偏转角度6.895 mrad ;峰值磁感应强度0.096 T ;电感0.5 μH;峰值电流3100A;脉冲波形底宽800 ns～3.5μs。依据该设计参数对下面几种脉冲发生技术的特点进行分析和电路仿真。

传输线型

传输线型脉冲发生器通过传输线放电产生类矩形波脉冲,它最接近于理想要求的注入脉冲磁场波形。产生脉冲磁场的基本电路 。高压直流电源向PFL(脉冲形成线)充电,在注入(引出)时序的控制下闸流管导通,PFL通过传输线对冲击磁铁和终端负载放电, 形成矩形脉冲。假设PFL 单元数为nc,单元电感L t,单元电容Ct,电路特性阻抗Z ,电路杂散电感Ls,则Z =Lt/Ct,脉冲宽度τ=2ZCtnc=2nc L tCt,上升时间tr=(Lm+Ls)/Z ,磁铁峰值电流I =U/2Z 。为了产生上升较快的脉冲,冲击磁铁要做成电感电容交错排列的链形网络, 闸流管也要做成同轴结构,各部分的阻抗匹配要一致,否则会有不必要的反射波产生。传输线型电路结构接近于理想传输线,脉冲输出基本没有前沿的感性延迟,但杂散电感会影响上升时间。根据前述冲击磁铁的电感值, 磁铁单元数选为10 ,每单元电感L t=50nH ,传输线特性阻抗Z =6.25 Ψ,单元电路电容应为Ct=1.28 nF 。基于以上参数用PSpice 程序仿真了图1 中的基本电路模型,分析了杂散电感的影响, 输出波形见图2。可见,脉冲波形上升时间很快,杂散电感影响较小, 但要使冲击磁铁峰值电流达到3 kA ,高压电源电压约要40 kV 。因磁铁要使用绝缘材料灌装,工作电压高以及残余气泡的存在, 易产生打火现象, 机械、绝缘设计复杂, 且仍使用闸流管开关, 运行时需一定的维护工作量。

简化PFN 型

很多情况下, 注入系统对脉冲波形的平顶并没有严格的要求, 冲击磁铁可做成集中参数型, 使用较易实现的PFN 型脉冲发生系统 。冲击磁铁不必有匹配电容,等效于一个纯电感, R 为匹配电阻,PFN 充电后直接对负载放电,产生一定平顶的梯形波。如果偏转单个束团, 使用半正弦波即可,PFN可以更简化为一个电容 。由储能电容对一个纯电感磁铁放电产生半正弦波。冲击磁铁上升时间tr=(π/2)L mC ,磁铁峰值电流I=U/Z。依据冲击磁铁设计参数,和传输线型冲击磁铁相比,同样的阻抗值, 若R=0时, 简易PFN型脉冲发生器需要的充电电源电压减半约20 kV ,绝缘设计容易一些;但对杂散电感要求较高,由于电路是不匹配的,因此还可能产生逆弧现象。当R =0 时需要反向吸收回路,同时电路脉冲尾部截止能力依赖于闸流管开关。为了减小分布电感,要求脉冲发生器和冲击磁铁距离很近, 使用空间上受到一定限制。

固态感应叠加型

以上两种脉冲发生器都是用氢闸流管作为开关元件,随着快速大功率半导体器件的发展, 在快脉冲、大电流和高电压脉冲调制技术中使用固态开关是一个很好的替代方案。目前一个研究方向是感应叠加型脉冲发生技术, 如S LAC(S tanford Lin-ear Accelerator Center)为SPEA R Ⅲ设计的冲击磁铁调制器及LLNL (Law rence Livermore National Laboratory)开展的工作。采用多个功率单元组合, 每个单元采用IGBT开关在低压(约2～3 kV)条件下驱动一个环形磁环,环形磁芯共用一匝次级线圈并组成同轴输出结构, 输出电压是所有初级单元电压的叠加, 输出电流和单元电流相同。每个单元的IGBT 驱动器可以共地,绝缘设计比前两种要容易一些。

和前两种脉冲发生技术相比, 固态叠加型的最大优点是漏感小, 脉宽可调。设单元电路数为N, 初级单元电压U c,杂散电感Ls,冲击磁铁电感Lm,折算到原边的电感为L m/N ,电路阻抗Z ,则电路峰值电流I =U c/Z ,上升时间tr=k(L m/N +L s)/Z ,k 是由电路决定的比例系数。因为多个单元均分, 磁铁电感对脉冲波形影响小;上升时间主要是由磁环本身漏感引起。对于合肥光源,根据表1中的冲击磁铁参数,可选单元数N=8, R=5Ψ, 冲击磁铁固有电感对每个单元电路的影响很小,每个单元电路的等效阻抗为0.625 Ψ。我们对固态感应叠加型脉冲发生技术进行了实验,在单元等效负载阻抗为1Ψ,单元电路漏感0.6μH,电源电压为2.3 kV情况下, 实验得到的波形见图8。脉冲电流达2.3 kA, 上升时间约700 ns 。2

冲击磁铁精密调整控制概述上海光源是第三代同步辐射光源, 于2009年4 月正式建成并投入试运行。上海光源储存环注入系统由对称排布的4 块冲击磁铁和2 块切割磁铁组成。切割磁铁改变从增强器引出的电子束的飞行方向, 使注入束流能高效地注入设计轨道。4 块冲击磁铁参数相同,凸轨储存束流,使其尽量靠近注入束流,并与注入束流平行, 从而保证电子束在储存环的其他区段的参数不变,而又能补充电子束,保证储存环的束流和同步辐射光的连续和稳定。为提高上海光源连续恒流运行的性能指标,要求4块凸轨冲击磁铁的磁场特性严格匹配,使得电子束经过4块冲击磁铁时感应到相同的磁场(包括相同的磁场波形、磁场幅度和磁场方向)。然而,由于电源性能、分布参数、安装准直等等的差别存在, 冲击磁铁的凸轨作用总是不能完全不干扰储存束流。实验和经验表明, 冲击磁铁的安装方位的误差也是产生扰动的重要因素之一,由于目前冲击磁铁调整装置为停束期间的手工调整, 调整周期长,高精度调整难度大,主要还是不能直接观察束流物理效果。因此,要设计研制可遥控的高精度调整平台,使得冲击磁铁能够在调束时实时可调,从而得到最佳的磁铁方位, 取得最佳的效果。

1.数学模式和推导1.1冲击磁铁调整平台数学模型

将冲击磁铁的调整平台抽象为一个数学平面。支撑一个平面至少需要三个点,当平面上的三个支撑点处于不同的空间坐标时, 平面的空间方位随之变化。在本文中, 由于平面的调整属于微动(在m rad范围内),所以我们将平面的一个支撑点A 固定起来,只变化其余两点BC 的纵向Y 轴坐标,即可满足平台的调整所需。为了最大程度地提高平台的调整精度, 同时尽可能减少运动驱动器件。

1.2 平台调整的数学算法

设支撑点A 为零参考点,B 在参考平面上的初始坐标为B(x ,y ,z)。将平面的空间角度调整为(θx,θz),相应支撑点B和C的位移算法分析可分两步走。

(1)将平面绕着X轴旋转一定角度后,点B调整为B1 ;

(2)将平面绕着Z1轴旋转一定角度后, 点B1 调整为B2 。

1.3 MATLAB 模拟计算

由MA TLAB 计算可知,当平台调整角度为极限值10 m rad 时,点C 在Y(-5 .99945 mm)方向上的位移,远大于在X(-0 .015 m m)和Z 方向上(-0 .045 mm)的改变;点B 也是同样的情况。当忽略X 、Z 方向上的位移,步进电机只实现Y(0 .000/ -5 .999)mm 方向上的位移时, 可反推出实际调整角为:(-9.998, - 9 .998)m rad ,与目标值(-10 , -10)m rad 存有绝对误差(2, 2)μrad, 但由于调整精度为10μrad, 且正常角度调整幅度值在100μrad左右,故上述误差可忽略不计。

1. 支撑点位移与空间角度的关系

由于角度的调整量十分微小, 当θx=0,只调整θz时,B、C点的位移和θz之间成线性关系。同样,当θz=0, 只调整θx时, B、C点的位移和θx之间成线性关系。当调整二维角度时, 支撑点位移量和两角度的调整量也成线性关系。由 M AT LAB 模拟计算所得数据可知:随着角度的增加,角度和位移之间的非线性有微弱体现, 引起一定的误差,但误差极小,可忽略。

2.装置组成整个控制装置由上位机及软件平台、以太网、各模块组成的PLC 控制器、倾角仪传感器、驱动器、带机械减速器和电磁制动的步进马达、丝杠、机械运动平台等组成。

2.1 PLC 及FM353

选择SIEM ENS 的模块化PLC 系统S7 -300 。模块化、无排风扇结构和易于实现分布等特点,使其能满足中等性能要求的应用。同时,高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性, 使其具有很高的工业环境适应性。S7 -300 系列具有多种CPU 和丰富的功能模块,可以根据实际应用选择合适的模块对PLC 进行扩展。FM 353 是S7-300 系列PLC 的功能模板。它可以用于从简单点到点定位到对响应、精度和速度有极高要求的复杂运动模式的定位任务。在本方案中, FM353相当于控制器, 它把CPU 发出的指令转化为内部指令,并将其发送至步进电机驱动器, 驱动器将弱电控制信号转换为强电驱动信号, 并用它来控制步进电机, 最终转化为丝杆的实际进给量。

2.2 倾角仪传感器

通常的机械位移测量一般采用光栅尺作为传感器,但在本控制器中,由于光栅尺数据间接反馈空间角度的不直观性,以及机械平台安装空间条件所限,我们采用了一款测量二维角度的倾角仪传感器,测量后通过RS232接口直接向上位机传输角度数据, 同时,安装十分简便。倾角仪内部敏感器件为平衡伺服加速度传感器,当倾角仪与水平面成某一空间角度时, 重力加速度分别在二维灵敏轴方向上产生分量值,敏感器件可以测量到该分量值的变化,并以电压信号的形式体现该变化。传感器内部处理器采集电压信号后经过数学运算即可得到二维空间角度数据。倾角仪的分辨率为±1″, 精度为±3″, 在-20～65°C温度范围的零点温漂±10″,响应时间为1 s, 满足本文课题控制的需求。3