快速电流脉冲发生器的设计.pdf

收稿日期:2000204214;修回日期:2000212206作者简介:樊宽军(1968),男,安徽明光人,助理研究员,博士,加速器技术专业 第35卷第4期原子能科学技术Vol.35,No.42001年7月Atomic Energy Science and TechnologyJuly 2001文章编号:100026931(2001)0420305205快速电流脉冲发生器的设计樊宽军1,冯光耀1,裴元吉1,王相綦1,钟国俭2(11 中国科学技术大学 国家同步辐射实验室,安徽 合肥 230029;21 华东电子工程研究所,安徽 合肥 230031)摘要:为调节合肥同步辐射光源(HLS)时间分辨站的同步光脉冲间隔,需要产生具有快速上升、下降沿的脉冲磁场,且脉冲宽度小、顶部平坦。本工作利用脉冲成形线技术设计电流脉冲发生器,以产生这种快速电流脉冲,并给出了实验结果。关键词:脉冲成形线;闸流管;匹配;特性阻抗;反射中图分类号:TL50318文献标识码:A图1 束团分布与脉冲磁场的波形Fig.1Bunch spacing and pulsed magnetic fieldHLS是一台专用同步辐射光源,其储存环的周长为66 m,高频腔的频率为204 MHz。因此,电子的回旋周期为220 ns,同步光脉冲的时间间隔为5220 ns。但某些实验站需要更长时间间隔的同步光脉冲,为此,可通过采用快速脉冲磁场使束团偏离同步光引出口来实现1。快速脉冲磁场的产生需由快速脉冲电流来激励。储存环中只有一个束团2时对脉冲磁场的上升、下降沿要求最低。此时,束团与脉冲磁场的对应关系示于图1。当储存环中有多个束团时,脉冲的上升、下降沿须相应减小,以使实验站见到的同步光为单脉冲。1 脉冲成形线的工作原理较窄的脉冲波形一般由传输线型脉冲发生器产生3,4。脉冲传输线可用沿线分布的4个参数表示,即电阻R、电感L、电容C和线与线之间的电导G。这些参数若沿线均匀分布,则称为均匀传输线,可用单位长度的参数R0、L0、C0和G0描述。因为作为脉冲成形线时,其长度一般都限制为几十米,损耗很小,忽略电阻R和电导G不会对实验结果产生很大影响,所以,可用简化的模型来表示(图2)。从图2可得到传输线在复频域内的如下电报方程:-5V5x=sL0I-5I5x=sC0V(1)由式(1)可求出传输线上任意一点的电压和电流,其通解为:V(x,s)=Ae-x+Bex(2)I(x,s)=(Ae-x-Bex)/Z0(3)其中:2=s2L0C0,为传输常数;A为前向波的幅度;B为反向波的幅度;x为位置;Z0=L0C0,为传输线的特性阻抗。式(2)和(3)表明:传输线上存在两个传播方向不同的波,且传播速度vp=1/L0C0。当传输线接负载电阻RL时,在距负载距离y处的阻抗5为:Ze=Z0RL+Z0tanh(y)Z0+RLtanh(y)(4)若传输线被充电至V0,在t=0时对负载放电,这时的电路可由图3等效6,即用一电动势U=V0u(t)代替传输线的充电电压,u(t)为单位阶跃函数。假设传输线长为l,传输线始端短路,由式(4)得传输线阻抗为:Z(l)=Z0tanh(s)(5)式中:=l/vp,为传播延迟。由图3可通过简单的电路理论计算出复频域内的电流为:I(s)=V0s R+Z0tanh(s)(6)图2 传输线的等效电路Fig.2Equivalent circuit of transmission line图3 传输线放电等效电路Fig.3Equivalent circuitof transmission line discharge603原子能科学技术 第35卷 如果电路负载匹配,即R=Z0,由Laplace反变换得到电流的时域解为:i(t)=V02Z0 u(t)-u(t-2)(7)式(7)表示放电电流是一宽度为2、幅度为V0/2Z0的矩形脉冲。2 脉冲发生器电路脉冲发生器的原理图示于图4,由充电回路和放电回路组成。充电电源Vs是逆变谐振高压电源,通过充电电阻R向开路的高压电缆进行脉冲充电。高阻值的取样电阻Rp对高压电缆的电压进行取样,并送至稳压控制电路。控制电路通过控制充电脉冲的个数来控制电缆的充电电压,直至到达设定的电压值。在t=0时,触发电路工作,闸流管K(EEV CX1174)作为理想开关导通。这时,传输线通过闸流管、冲击磁铁Lk和匹配电阻RL放电。冲击磁铁是一对电流板,可视为一电感,并可通过TDR(Time Domain Reflectometry)系统测出电感值7。此外,线路的自感也须予以考虑。受高压充电电源的限制,为到达一定幅度的放电电流,用4根高压脉冲电缆并联,以降低回路阻抗,增大电流的幅度。由TDR系统测出传输线的长度约为45 ns。冲击磁铁和整个系统的连接线较短,且采用同轴结构,分布电感较小。高压充电电源最大可使脉冲电缆被充电至24 kV,放电回路总电感为011015H,利用PSpice8模拟冲击磁铁上的放电电流(图5)。电感的存在使放电回路的电流不能突变,电流按指数变化。从图3所示的等效原理图可解出放电电流为:I(t)=V02RL(1-e-t/a)u(t)其中:a=Lk+Ls2RL,为时间常数(Z0=RL)。当回路中的电感值增大时,放电波形的上升、下降沿变得非常缓慢,必须采取相应措施以降低电感量。图5显示了回路中不同电感量对放电波形的影响。图4 脉冲发生器电路Fig.4Circuit of pulse generator图5 放电电流模拟Fig.5Simulation of discharge current1 L=011H;2 L=012H;3 L=013H;4 L=014H703第4期 樊宽军等:快速电流脉冲发生器的设计3 实验装置脉冲发生器结构及测量装置示于图6。图中的闸流管和匹配电阻安装在同轴结构的屏蔽桶内,以降低电路系统的分布电感。屏蔽桶由紫铜板作成,与放电回路的地线相连。图6 实验装置结构示意图Fig.6Schematic diagram of experimental set2up时序信号经闸流管电路整形放大形成一幅度约115 kV、上升速率约1 GV/s的电压脉冲,该信号作为闸流管的触发信号。4根高压脉冲电缆并联以降低放电回路的阻抗。但线路阻抗的降低意味着电路的时间常数增大,采用4根电缆并联回路的时间常数增加4倍。另外,放电回路的分布电感使得放电波形的上升、下降沿变缓。冲击磁铁串接在线路中,Person公司的Rogowski线圈被用作测量放电电流的传感器,由示波器TDS3032显示测量波形。计算机从示波器中读取波形和数据,测量软件由HP VEE编写。4 测试结果为得到强的激励电流脉冲,PFL采用4根脉冲电缆并联。当电缆充电至约23 kV时放电,电流幅度约为900 A。放电波形示于图7。用北京718厂生产的1215大功率金属氧化膜电阻作匹配电阻可与PFL很好匹配,放电波形基本为梯形波。波形的上升沿约为60 ns,下降沿约为70 ns(10%90%)。利用示波器的offset功能观察到放电电流的顶部约有115%的跌落(图8)。这是由于传输线的充电电荷对地泄漏造成的。放电波形的顶部有起伏,这是因为传输线不是理想的均匀传输线,线上的参数不连续5 结论采用PFL产生的快速脉冲满足了设计要求。为得到满意的放电波形,必须降低放电回路的电感。单段传输线放电是最基本的PFL形式,当采用2段或4段传输线放电时,其放电电流是单段放电电流的2倍或4倍,可根据实际需要,采用相应的电路结构。803原子能科学技术 第35卷图7 放电波形(900 A)Fig.7Discharge current waveform(TDS3032)图8 放电电流的顶部跌落Fig.8Drop of discharge current(TDS3032)参考文献:1Fan Kuanjun,Feng Guangyao,Pei Yuanji,et al.A New Method for Lengthening SR Pulses Periodicity inHLSJ.Nuclear Science and Techniques,2000,11(2):124129.2 裴元吉,王贵诚,张鹏杰,等 1HLS单束团注入系统配套装置的研制A1 第二届全国加速器技术学术交流会论文集C1 北京:中国粒子加速器学会,1998110710913Harris K,Artusy M,Donaldson AR,et al.High Voltage Pulse Cable and Connector Experience in the Kick2er Systems at SLAC:SLAC2PUB25489R.USA:Stanford Linear Accelerator Center(SLAC),1991.4Bulos F.Some Fast Beam Kicker Magnet System at SLAC:SLAC2PUB24178R.USA:SLAC,1987.5 廖承恩,陈达章 1 微波技术基础M1 北京:国防工业出版社,19791242516Grivet P著 1 黄鹤松,汪祥兴译 1 高频传输线的物理基础M1 上海:上海科学技术出版社,1984124617 郭允晟,苏秉炜,方伟乔,等 1 脉冲参数与时域测量技术M1 北京:中国计量出版社,1980120425418 高文焕,汪 蕙 1 模拟电路的计算机分析与设计 PSpice程序应用 M1 北京:清华大学出版社,199911831961Design of Fast Current Pulse GeneratorFAN Kuan2jun1,FENG Guang2yao1,PEI Yuan2ji1,WANG Xiang2qi1,ZHONG Guo2jian2(1.National Synchrotron Radiation Laboratory,University of Science and Technology of China,Hefei230029,China;2.East China Research Institute of Electronic Engineering,Hefei230031,China)Abstract:In order to adjust the interval of SR pulse at the beamline of time resolved spectrum sta2tion,fast pulsed magnetic field with fast rise and fall time and flat top is needed.The paperbriefly describes how to produce this kind of fast pulse using PFL modulator,and the results arepresented.Key words:pulse forming line;thyratron;match;characteristic impedance;reflection903第4期 樊宽军等:快速电流脉冲发生器的设计