Специализированные источники питания для элементов ускорителей и накопителей заряженных частиц

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера ведутся исследования в области физики высоких энергий, физики плазмы, а также разработки ускорителей заряженных частиц для научных и технологических применений. Для этих целей в Институте построены и сооружаются сложные электрон-позитронные ускорительные комплексы, уникальные установки для исследований в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, специализированные источники синхротронного излучения и многое другое. Опыт построения экспериментальных физических установок в ИЯФ им. Г. И. Будкера и в других ведущих научных центрах показывает, что только специально спроектированные системы позволяют достичь необходимого качества работы элементов физических установок. Промышленных изделий, обладающих необходимыми характеристиками, зачастую просто не существует. Кроме того, системы питания экспериментальных физических установок интегрированы в сложные комплексы нестандартного электротехнического оборудования и электроники, поэтому их целесообразно составлять из устройств, специально построенных по единым правилам, обеспечивающим совместимость оборудования с системами управления, электромагнитную совместимость источников питания с измерительными и физическими устройствами [1]. Настоящая диссертация посвящена разработанным автором специализированным источникам питания. В первой главе описывается источник питания регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр». В главах 2,3,4 рассказывается о серии источников питания с быстрым изменением выходного тока для специальных вигглеров и ондулятора. В главе 5 описан источник анодного питания для ВЧ-генераторов для установки «Лазер на свободных электронах», отличительной особенностью которого 5 является наличие быстродействующей системы защиты. В главе 6 описывается высоковольтный, высокостабильный источник питания электронного охладителя. Его отличительные особенности — применение высоковольтного выпрямителя с емкостной связью.

Глава 1.

Источник питания регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр» комплекса ВЭПП-4.

1.1.

Введение

.

Несколько лет назад начались эксперименты с универсальным магнитным детектором «КЕДР» на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М в ИЯФ им. Г. И. Будкера в Новосибирске. Детектор работает в области энергий от пси до ипсилон-мезонов. «КЕДР» — один из 5 крупных детекторов, работающих в мире в этой области.

В первом цикле экспериментов были выполнены новые прецизионные измерения масс джи/псии пси'-мезонов с использованием метода резонансной деполяризации для калибровки энергии пучков. В результате измерений значения масс этих узких резонансов, лежащих в основе спектроскопии пси-семейства, были получены с точностью в 3 раза лучше среднемировой. В новом цикле экспериментов планируется продолжить изучение физики пси-мезонов, а также провести измерение с высокой точностью массы тау-лептона.

Дальнейшие планы детектора КЕДР включают эксперименты при высокой энергии, в области ипсилон-мезонов, где возможно также изучение двухфотонных реакций.

В двухфотонной физике планируется провести новые измерения двухфотонных ширин С-четных резонансов, с высокой точностью измерить полное сечение двухфотонного рождения адронов и провести поиск новых состояний.

В детекторах, сооружённых для экспериментов на встречных пучках в последние годы, можно выделить признаки, позволяющие говорить о новом поколении этих установок [2]. Главные из этих признаков:

— одинаково высокая эффективность регистрации как заряженных, так и нейтральных частиц в большом телесном угле;

— разрешение по энергии на уровне нескольких процентов, а по импульсу — на уровне десятых долей процента;

— возможность работы на накопителе с высокой светимостью- -возможность работы при больших энергиях накопителей, т. е. в условиях высокой множественности частиц.

Регистрирующие системы детекторов нового поколения содержат, как правило, тысячи и десятки тысяч сложных измерительных аналоговых каналов. Это прежде всего разнообразные дрейфовые камеры, используемые практически во всех детекторах для измерения треков частицвершинные детекторымюонные системы на стриммерных трубкахкалориметры на основе сжиженных инертных газов и т. п. Примером детектора нового поколения может служить детектор КЕДР.

Информация с детектора поступает в виде импульсных сигналов, амплитудно-временные параметры которых надо измерить. Измерительные каналы электроники, как правило, состоят из схем, расположенных вблизи регистрирующих систем детекторов (усилители, усилители-формирователи, экспандеры и т. п.), линий связи и устройств преобразования информации в цифровой вид. Для измерения временных интервалов применён вариант метода прямого счёта импульсов тактовой частоты 250МГц с определением 0.5 периода, т. е. разрешение канала составляет 2 не.

Электроника регистрации размещена в специальных крейтах, в каждом из которых расположены 20 плат — 16 информационных и 4 служебных. 8.

Служебные платы имеют фиксированные позиции, определяемые магистралью спецкрейта, позиции для информационных плат всех типов одинаковы. К служебным платам относятся: процессор вывода, размножитель служебных сигналов, интерфейсы первичного и вторичного триггеров. Информационные платы предназначены для преобразования поступающей с детектора информации в цифровой код. Информация из информационных плат считывается в процессор вывода и в интерфейсы по магистрали спецкрейта. Магистраль с циклом 100 не построена по принципу магистрали КАМАК, но оставлены только необходимые шины. Кроме того, добавлены шины для передачи информации из информационных плат в интерфейсы первичного и вторичного триггеров, а также для разводки частоты 250МГц по всем информационным платам.

Каждый процессор вывода подключён к магистрали КАМАК через интерфейс — блок обмена. Синхронизация работы всех спецкрейтов осуществляется центральной системой синхронизации, представляющей собой группу блоков КАМАК, через платы размножителя служебных сигналов спецкрейтов.

Рис. 1−1. Внешний вид стоек (на снимке слева) с регистрирующей аппаратурой детектора.

Основные факторы, обеспечивающие надёжность описанной электроники и удобство её эксплуатации состоят в следующем. Оцифровка информации и выработка данных производятся внутри одной конструктивной единицы — информационной платыданные передаются из информационных плат по магистралиразъёмы входных кабелей являются частью кросса и остаются неподвижными при смене платыпитание и вентиляция централизованы. Размер платы 360×240мм. Цифровая часть электроники выполнена на микросхемах 500-й серии. Потребляемая спецкрейтом мощность может достигать 1 кВт. Спецкрейты размещаются в стойках-воздуховодах по 6 шт. в одной стойке.

Таким образом, была поставлена и решена задача разработать источник питания -5.2 В и -2 В, поскольку именно эти каналы питания потребляют наибольший ток.

Основные результаты работы:

1. В 1992 г. успешно запущена в работу серия источников питания для регистрирующей аппаратуры детектора «Кедр». Это позволило обеспечить дорогую и чувствительную к броскам напряжения питания регистрирующую аппаратуру детектора очень надежным питанием. За время 15-летней эксплуатации детектора «Кедр» не было ни одного выхода из строя регистрирующей аппаратуры вследствие превышения напряжения питания.

2. В 1994 г. поставлен и находится в настоящее время в работе источник трапецеидального тока для питания вигглера для Брукхэйвенской лаборатории (США).

3. В 1996 г. разработан, поставлен и находится в работе источник трапецеидального тока вигглера для Аргоннской Национальной Лаборатории (США).

4. В 1999 г. разработан, поставлен и находится в эксплуатации в Аргоннской Национальной Лаборатории источник трапецеидального тока ондулятора с входным транзисторным преобразователем. Разработанные с участием автора системы «источник-вигглер» позволили иметь поляризованное синхротронное излучение с изменяемым по времени направлением поляризации. Эксперименты с применением вигглеров и их систем питания ведутся в вышеупомянутых научных центрах до сих пор.

5. В 2001 г. разработан и запущен в эксплуатацию источник анодного питания с выходной мощностью до 2.8 МВт для ВЧ-генераторов, как составная часть Лазера на свободных электронах. Это позволило в России только в ИЯФ вести эксперименты (биологические и химические) с наблюдением в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Схема и конструкция быстродействующей защиты ламп оказались весьма удачной по сравнению со схемой последовательной быстродействующей защиты. Ее применили в источниках анодного питания ВЭПП-2000. Такую же защиту планируется поставить в источнике анодного питания в ТНК (г. Зеленоград).

6. В 2004 г. разработан и поставлен в Институт Современной Физики (г. Ланчжоу, Китай) высоковольтный источник питания для установки электронного охлаждения. В следующем году планируется начать эксперименты по охлаждению протонных и ионных пучков для научных и прикладных целей.

Описанные в настоящей диссертации источники питания физических установок работают в составе различных комплексов ускорителей и накопителей заряженных частиц, как в России, так и за рубежом. Проведенные автором разработки внесли решающий вклад в получение этих результатов. 1.

Описанные результаты будут также востребованы при проектировании новых ускорительных комплексов. Так, в настоящее время разработанная автором система защиты генераторных ламп будет применена в ВЧ системе Технологического накопительного комплекса (ТНК), сооружаемого Институтом в г. Зеленограде. Ведется разработка усовершенствованного варианта электроники для высоковольтного выпрямителя установки охлаждения ионов ЭХ-300.

Хочется отметить в заключение, что работа по созданию описанных в диссертации устройств велась автором в тесном сотрудничестве со всем коллективом Лаборатории 6 и другими лабораториями нашего института. Большое значение для успешной работы имела помощь сотрудников института H.A. Винокурова, В. М. Петрова, С. П. Петрова, В. Ф. Веремеенко, В. В. Колмогорова, Е. В. Севастьянова и многих других.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Автором были разработаны и изготовлены уникальные (специализированные) источники питания для применения в электрофизических установках. В настоящее время они находятся в работе как в Институте Ядерной Физики им. Г. И. Будкера, так и за его пределами.

Разработанная аппаратура является частью ускорителей и накопителей заряженных частиц. Она позволяет получить новое качество, новые свойства в работе этих установок. В частности, она позволила обеспечить надёжную работу детектора «Кедр», в котором достигается высокая эффективность регистрации как заряженных, так и нейтральных частиц в большом телесном углеразрешение по энергии находится на уровне нескольких процентов, по импульсу — на уровне десятых долей процента. На источниках синхротронного излучения (СИ) применение источников питания ондуляторов с переменным выходным током позволяет обнаруживать очень слабые эффекты, обусловленные право — и лево-сторонностью некоторых физических систем. В установке «Лазер на свободных электронах» (ЛСЭ) применение мощного источника питания с быстрой защитой позволило получить высокий уровень ВЧ-мощности (до 1.5 МВт) в непрерывном режиме работы на частоте 180.4 МГц и обеспечить надёжную защиту дорогостоящих высокочастотных усилительных ламп от разрушения при пробоях. Это позволило вести уникальные научные эксперименты в области химии и биологии с наблюдением в субмиллиметровом диапазоне волн (120−240 мкм) при большой мощности излучения (до 30 кВт). Применение высоковольтного источника питания с выходным напряжением до 300 кВ и стабильностью до ЗхЮ" 5 позволило проводить эксперименты по электронному охлаждению пучков протонов или тяжёлых ионов в рамах международного проекта.