冷却储存实验环功率源的设计与计算

　　兰州重离子加速器冷却储存环实验环(CSRe)的高频系统是完全自主设计并且在国内生产[1-2]。常规的高频系统是经过两次阻抗变换,首先将腔体的高阻降为50Ω传输阻抗,传输到功率源的槽路,再经过槽路阻抗变换为发射机的输出最大功率时的最佳阻抗[3]。所以发射机是根据已知的输出功率和槽路电压得到最佳输出阻抗后再进行设计计算。而冷却储存环高频发射机由于点频连续波和扫频调制波的特殊运行模式,工作频率范围宽,必须采用宽带不调谐结构,直接将腔体作为发射机的负载,腔体的阻抗就是槽路和发射机的输出阻抗。本文针对冷却储存环实验环功率源进行了详细的工程计算,得到了高频发射机关键参数———末级功率放大器工作状态参数,并根据计算结果与合作厂家联合设计,研制的功率源系统已经与实际负载经过联调并投入运行,达到了设计目标。

　　1　CSRe高频功率源及其所需功率的理论计算

　　兰州重离子加速器冷却环储存实验环(HIRFL-CSRe)功率源采用双管推挽工作,2个末级功率放大器由1kW固态宽带功率放大器推动。

　　高频腔体直接作为高频功率源末级的谐振电路和负载,在加速电压一定的情况下,所需发射机末级功率的大小取决于腔体谐振阻抗的大小。对于CSRe的铁氧体加载腔体,整个腔体由2个单腔串联而成[4],根据理论计算,可得出不同频率下单腔的谐振阻抗Rs,物理要求射频加速电压V为10 kV,根据公式P=V2/2Rs计算单腔达到物理要求的加速电压所需发射机功率P[5]。整个腔体的谐振阻抗和所需发射机末级功率的计算结果如表1所示。从表中可以看出,所需发射机的末级功率最大为55.6 kW,考虑工程实施中保险系数,设计功率源的最大输出功率应达到70 kW。

　　2　末级功放电子管工作状态计算

　　从表1中可以看出铁氧体加载腔体的谐振阻抗随频率变化很大,所以只能根据已知的阻抗和腔体所需电压进行功率源的设计计算,当高频腔阻抗最小时产生目标加速电压所需的功率最大。下面以最高点频率2MHz时的最低阻抗来进行计算,整个CSRe腔体由2个单腔串联而成,每个谐振腔装载20个铁氧体环,在0.5~2.0 MHz范围内,谐振阻抗在频率2.0 MHz时最小,约为Ra=450Ω。按照设计指标要求,加速射频电压为10 kV,则单腔阳极射频电压要求ua=5 kV,产生ua所需射频功率Pi=u2a/2Ra=27.8 kW。

　　根据所需射频功率以及频率范围,最终确定末级功放管选用法国汤姆逊(Thales)公司生产的TH571B电子四极管,该管最大额定工作值在表2中列出。

　　                                          表2　电子四极管TH571B最大额定工作值