Системы питания и эвакуации энергии в быстроциклирующих сверхпроводящих синхротронах

В середине 80-х годов в ОИЯИ была разработана оригинальная конструкция структурных магнитов синхротрона, геометрия поля в которых формируется магнитным сердечником, а возбуждается поле сверхпроводящей (СП) обмоткой [1,2]. Благодаря существенно меньшими, по сравнению с другими типами СП магнитов, индуктивностью и запасенной энергией, такие магниты могут эксплуатироваться при темпе роста поля до 4 Тл/с. Первый быстроциклирующий СП синхротрон с магнитами такой конструкцииНуклотрон — был сооружен в ОИЯИ и введен в эксплуатацию в 1993 г [3,4]. Аналогичные магниты предполагалось использовать для бустерного синхротрона ускорительного комплекса SSC (Superconducting Super Collider, США) [5] и для VLHC (Very Large Hadron Collider, лаборатория им. Ферми, США) [6]. В настоящее время ведутся работы по созданию двух сверхпроводящих быстроциклирующих синхротронов — бустерного синхротрона (Бустера) ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider Facility) [7], сооружаемого в ОИЯИ, и синхротрона SIS-100 (проект FAIR — Facility for Antiproton and Ion Research, Дармштадт, Германия) [8]. Кроме того, в ОИЯИ ведется разработка медицинского синхротрона на основе магнитов Нуклотронного типа [9]. Разработка концепции построения систем электропитания и защиты для таких ускорителей являлась одной из основных задач данной работы.

Система электропитания и защиты структурных магнитных элементов любого СП синхротрона [10] состоит из трех основных подсистем:

— источники электропитания, формирующие магнитное поле в структурных дипольных магнитах, в соответствии с заданной опорной функцией, и градиент поля в фокусирующих и дефокусирующих линзах, в соответствии с выбранным положением рабочей точки по диаграмме резонансов ускорителя;

— системы детектирования появления нормальной фазы в сверхпроводнике, которая, как правило, строится по мостовой схеме сравнения потенциалов двух рядом расположенных сверхпроводящих магнитных элементов и выдает сигнал при нарушении баланса, вызванного потерей сверхпроводимости;

— системы эвакуации энергии из сверхпроводящих магнитных элементов, предназначенной для безаварийного вывода накопленной в сверхпроводящих магнитах энергии при появлении нормальной фазы.

Кроме того, неотъемлемой частью системы электропитания является комплекс аппаратуры и программного обеспечения, предназначенный для формирования опорных функций источников электропитания, измерения и первичной обработки сигналов реальных полей в магнитных элементах. Требования к циклозадающей аппаратуре формируются на основе общих требований к системе управления ускорительным комплексом, и ее конкретные параметры необходимо учитывать при построении системы электропитания.

Тип используемых источников электропитания определяется в значительной степени экономическими соображениями. Так, система электропитания Нуклотрона построена на основе имеющихся в лаборатории 6-ти фазных тиристорных выпрямителей типа ТПВ — 3150/230 [И]. Развитие технологий в области создания силовых полупроводниковых элементов привело к появлению приборов типа IGBT (Insulated-gate bipolar transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором), которые по своим параметрам успешно конкурируют с тиристорами. Применение силовых IGBT позволяет строить управляемые преобразователи соизмеримые по мощности с тиристорными, но на более высоких частотах преобразования, что существенно расширяет их возможности и улучшает выходные параметры [12].

Специфика нагрузки и типы циклов формируемых магнитных полей сказываются в первую очередь на принципах построения регуляторов. Число источников определяется количеством семейств магнитных элементов и количеством групп элементов в каждом семействе. Например, магнитная система Нуклотрона состоит из трех семейств: дипольные магниты, фокусирующие и дефокусирующие линзы, и соответственно требуется не менее трех независимых источников. Схема соединения источников и элементов нагрузки выбирается исходя из соблюдения требований по безопасной эвакуации накопленной энергии и мощностных характеристик источников, и здесь возможны различные альтернативные решения, каждое из которых обладает своими достоинствами и недостатками. К моменту запуска Нуклотрона была создана система с независимым питанием дипольных магнитов и линз от двух мощных источников [13]. При этом дефокусирующие и фокусирующие линзы, соединенные последовательно, питались общим мощным источником, а гибкое управление рабочей точкой ускорителя осуществлялось с помощью маломощного источника разбаланса тока, подключенного к семейству дефокусирующих линз. Эта схема, успешно эксплуатировавшаяся вплоть до 2010 г, обладала рядом недостатков, в первую очередь, мощность источника питания дипольных магнитов была не достаточна для гарантированной надежной длительной работы при величине поля выше 1 Тл и темпе роста поля выше 0,6 Тл/с. Кроме того, мощный источник питания линз обладал повышенными пульсациями из-за проблемы согласования работы в требуемом динамическом диапазоне (от поля инжекции до максимального) с задачей по поддержанию закона соответствия градиента линз полю дипольных магнитов с заданной точностью. При повышении темпа роста поля существующая схема не могла позволить обеспечить гибкое управление рабочей точкой на начальной стадии ускорения. Для преодоления этих недостатков был осуществлен переход к схеме, основанной на последовательном соединении структурных магнитов и линз. При этом используется один мощный источник питания для всей цепочки элементов магнитной структуры, а управление рабочей точкой ускорителя осуществляется двумя маломощными источниками разбаланса тока для семейств фокусирующих и дефокусирующих линз.

Система эвакуации энергии предназначена для безаварийного вывода накопленной в сверхпроводящих магнитах энергии. Требования к параметрам системы эвакуации энергии определяются исходя из следующих соображений. Как правило, скорость распространения нормальной фазы по оси проводника для большинства сверхпроводящих магнитов лежит в диапазоне от нескольких метров в секунду до десятков метров в секунду. В результате постоянная времени локального развития срыва оказывается существенно меньше постоянной времени в этой цепи, определяемой сопротивлением участка вышедшего из состояния сверхпроводимости и полной индуктивностью цепи. При этом вся запасенная энергия магнита или последовательно соединенных магнитов выделяется в зоне потери сверхпроводимости, что провоцирует локальный перегрев вплоть до разрушения проводника. Для устранения этого необходимо использовать активные системы защиты магнитов в случае срыва сверхпроводимости. Когда запасенная энергия одного магнита составляет несколько сотен килоджоулей и выше, вдоль обмоток магнита устанавливают нагреватели, которые передают тепло от внешнего источника к обмотке, что приводит к равномерному переходу ее в нормальное, не сверхпроводящее, состояние. В итоге вся запасенная энергия выделяется равномерно во всей обмотке магнита. При последовательном соединении магнитов в зоне потери сверхпроводимости будет выделяться энергия, запасенная во всей цепи. Для таких случаев, чтобы избежать выделения всей энергии в одном магните, используется элемент, шунтирующий этот магнит, например резистор или диод. При этом ток всей цепи замыкается через цепь, шунтирующую потерявший сверхпроводимость магнит и тем самым исключается возможность разрушения его обмотки. При больших запасенных энергиях наиболее эффективна схема с установкой балластного резистора снаружи совместно с коммутирующим устройством, замыкающим цепь магнита на этот резистор в случае срыва сверхпроводимости.

Так на Tevatron (FNAL, США) сверхпроводящая магнитная система состоит из 774 структурных дипольных магнитов и 240 структурных квадрупольных линз с максимальным током до 4, ЗкА, соответствующим энергии пучка 1 ТэВ. При срыве сверхпроводимости каждый магнит шунтируется внешним тиристором, а энергия, запасенная во всей цепи (около ЗООМДж) выводится во внешний гасящий резистор. Постоянная времени процесса спада тока 11 сек. Размыкателем в системе вывода энергии является запираемый тиристор. Равномерность вывода магнита из сверхпроводящего состояния обеспечивают нагреватели.

Протонный ускоритель HERA (DES Y, Германия). [14] состоял из 416 структурных дипольных магнитов и 224 структурных квадрупольных линз, соединенных последовательно и запитанных одним источником с максимальным током 5кА, соответствующим энергии пучка 820 ГэВ. Полная запасенная энергия в цепи дипольных магнитов составляет 320МДж. Система защиты сверхпроводящих элементов при срыве сверхпроводимости построена на шунтировании каждого магнита «холодным» диодом для исключения рассеяния энергии всей цепи на магните, в котором произошел срыв, включении нагревателей для равномерного распределения энергии в обмотке и резисторов параллельно каждому магниту.

Одним из основных элементов системы вывода энергии является размыкатель цепи, коммутирующий цепь питания с вводом в нее балластного резистора. Так на коллайдере LHC [15] в качестве размыкателя в системе питания одного октанта состоящего из 154 магнитов включенных последовательно с запасенной энергией равной 1,33 ГДж при токе 11 850 А применены 8 включенных последовательно-параллельно автоматических быстродействующих выключателей типа ВАБ49, каждый из которых рассчитан на ток 4 к, А [16]. К достоинствам этого решения следует отнести низкое падение напряжения на силовом контакте и соответственно небольшие потери энергии на размыкателе во время эксплуатации. При этом ресурс отключений ВАБ49 до капитального ремонта главных контактов составляет 250 коммутаций номинального тока. Применение такого размыкателя оправдано при преимущественно статических режимах формирования полей в сверхпроводящих магнитах с благоприятными условиями для системы детектирования появления нормальной фазы. Для быстроциклирующих сверхпроводящих магнитных систем проблема детектирования срыва усложняется из-за большого динамического перепада напряжения приложенного к магнитным элементам. В процессе наладки и эксплуатации системы детектирования срыва сверхпроводимости это приводит к издержкам, провоцирующим включение систем эвакуации энергии. В таком случае целесообразно иметь размыкатель силовой цепи с большим запасом по ресурсу отключений.

Схемотехническое решение с введением в цепь сверхпроводящих магнитов резистора гашения поля для эвакуации энергии при срыве сверхпроводимости представляется наиболее адекватным для быстроциклирующих СП синхротронов. При этом в качестве коммутирующего устройства оптимальным является использование бесконтактных тиристорно-конденсаторных ключей, благодаря их большому ресурсу срабатывания.

Основные цели работы.

Разработка концепции построения систем питания и защиты для быстроциклирующих СП синхротронов являлось одной из основных задач данной работы.

Не менее важной задачей являлось развитие и совершенствование систем питания и защиты действующего синхротрона Нуклотрон. До 2003 г. в ОИЯИ попеременно проводись сеансы работы двух ускорителей (Синхрофазотрона и Нуклотрона), при этом магнитное поле дипольных магнитов Нуклотрона возбуждалось источником питания выводного магнита системы вывода пучка из Синхрофазотрона, а градиент поля квадрупольных линз — источником формагнита той же системы. После вывода Синхрофазотрона из эксплуатации, была поставлена задача повысить качество формирования полей в Нуклотроне и обеспечить требуемое качество медленного вывода пучка.

Относительно независимой, но не менее важной, задачей являлось обеспечение безопасной работы сверхпроводящих магнитных элементов во всех режимах. При ее решении акцент делается на требованиях к подсистеме эвакуации энергии из сверхпроводящих магнитов при появлении нормальной фазы. Созданная в 1993 г. система эвакуации энергии на имеющихся в то время силовых полупроводниковых приборах до 2007 г. модернизации не подвергалась. Опыт эксплуатации ускорителя позволил выявить слабые места системы и сделать вывод о невозможности получить максимальное поле (энергию частиц) без ее капитальной реконструкции.

Актуальность работы. В 2007 году в ОИЯИ была начата программа по модернизации Нуклотрона, рассматриваемая как первая стадия реализации проекта создания в ОИЯИ ускорительно-коллайдерного комплекса NICA. Основной целью модернизации была подготовка синхротрона для работы в составе инжекционной цепочки тяжелоионного коллайдера. При этом Нуклотрон должен обеспечивать ускорение ионов до максимальной проектной энергии (соответствующей полю дипольных магнитов 2 Тл) с темпом роста поля 1 Тл/с. Опыт эксплуатации системы питания Нуклотрона положен в основу проектов вновь создаваемого быстроциклирующего СП синхротрона — бустера Нуклотрона, и разрабатываемого в ОИЯИ медицинского синхротрона.

В связи с вышесказанным, настоящая работа является полезной и актуальной.

На защиту выносится:

1. Результат развития системы раздельного питания магнитов и линз Нуклотрона по управляемому формированию полевых функций и обеспечению требуемого качества полей на «столе» медленного вывода пучка.

2. Технический проект системы питания и эвакуации энергии Нуклотрона, основанной на последовательном соединении структурных магнитов и линз.

3. Методика поэтапного ввода в эксплуатацию элементов новой системы питания и эвакуации энергии без длительных перерывов в работе ускорительного комплекса.

4. Результаты испытания новой системы питания и эвакуации энергии, обеспечившей надежную и безопасную эксплуатацию магнитной системы Нуклотрона вплоть до максимального проектного поля дипольных магнитов 2 Тл.

5. Концептуальный проект системы питания и защиты Бустера ускорительного комплекса NICA.

Научная новизна. Разработана и реализована система управляемого формирования нескольких полевых функций, каждая из которых создается отдельным источником, с требуемой точностью в рекордно большом динамическом диапазоне изменения поля дипольных магнитов — от 0,03 до 2 Тл. Разработана схема питания, основанная на последовательном соединении всех структурных магнитов Нуклотрона, спроектирована и реализована система эвакуации энергии, обеспечивающая надежную и безопасную эксплуатацию магнитной системы вплоть до максимальной проектной величины поля — 2 Тл. Разработана и реализована методика поэтапного создания, тестирования и ввода в эксплуатацию элементов новой системы питания и эвакуации энергии без длительных перерывов в работе ускорительного комплекса. Разработан концептуальный проект системы питания и эвакуации энергии Бустера ускорительно-коллайдерного комплекса NICA, рассчитанной на работу при максимальном токе 12 кА.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на российских ускорительных конференциях RuPAC 2008 (Звенигород), RUPAC'10 (Протвино), на международных конференциях ЕР АС 1998 (Стокгольм), ЕР АС 2004 (Люцерна, Швейцария), ЕР АС 2006 (Эдинбург, Шотландия), ЕР АС'08 (Генуя, Италия), IPAC'10 (Киото, Япония), IPAC’ll (Сан Себастьян, Испания), VIII Международном семинаре памяти В. П. Саранцева (Алушта, сент. 2009), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном Институте Ядерных Исследований.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения списка литературы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [11, 13, 22, 24, 26, 28, 30, 31,36, 42−49, 52,53 ].

Заключение

.

1. В ходе развития системы питания и защиты Нуклотрона, основанной на раздельном электропитании структурных магнитов и линз, была разработана и реализована система по управляемому формированию полевых функций, позволившая уменьшить сигнал ошибки до 0,2 мТл во всем диапазоне. Применение активного фильтра позволило снизить в пять раз пульсации тока квадрупольных линз на «столе» медленного вывода.

2. Разработан проект модернизации системы питания и защиты Нуклотрона на основе последовательного питания структурных магнитов и линз, с максимальным использованием существующей инфраструктуры и кабельных трасс. Это позволило уменьшить стоимость работ и провести модернизацию в кратчайшие сроки.

3. Разработанная методика создания новой системы питания позволила осуществить ввод ее в эксплуатацию без длительного перерыва в работе ускорительного комплекса.

4. Разработана, испытана и внедрена конструкция ключей эвакуации энергии (6 кА, время вывода энергии 0,5 с, восстановления цикла 3 мин.) на основе тиристорно-конденсаторного коммутатора.

5. В результате ввода в эксплуатацию новой системы питания и эвакуации энергии Нуклотрона достигнут уровень поля дипольных магнитов 2 Тл и обеспечена надежная и безопасная эксплуатация магнитной системы во всех требуемых режимах.

6. Разработанный проект системы питания и защиты Бустера предусматривает размещение всех элементов в существующих зданиях и удовлетворяет всем требованиям проекта NICA.

Благодарности.

Прежде всего, автор отмечает своих наставников Б. Д. Омельченко.

А.А.Смирнова, внесших большой вклад в достижение конечного результата.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Г. В. Трубникову без руководства и активного участия которого, эта диссертация просто не появилась бы.

Также хочется отметить, что автор трудился в творческом коллективе с высокими профессионалами Н. Г. Кондратьевым, В. Г. Караваевым, А. Л. Осипенковым, A.A. Савельевым без участия которых данная работа не была бы выполнена.

Автор выражает искреннюю признательность А. О. Сидорину за плодотворные дискуссии по основным темам, дружеское участие и помощь в систематизации и изложении материала.

Автор искренне благодарит коллектив НИОСЭН и Ускорительного отделения ЛФВЭ за длительное и полезное сотрудничество и непосредственную помощь в работе.