强流RFQ的固态功率源模块故障分析（英文）

用于中科院近代物理研究所的ADS项目中的射频四极加速器(RFQ)的新RF系统在2017年初升级,原来的电子四极放大器被两个新的固态功放(SSA)所替换,它们是两台相同的额定功率为80kW的功率源,通过两个相同的耦合器在腔内合成至少100kW的功率。但是对于SSA来说,为了功率组合,太多的功率模块的振幅和相位进行了调整和优化,一个或几个损坏的环形器(包括吸收负载)可能导致整个射频系统的失效。特别是,根据实验和仿真,发生失配问题后,如果两级合成器之间的传输线电长度满足某一特定条件时,系统的散射参数会有很大的波动,甚至切断。详细介绍了北京北广科技股份有限公司用于模拟多级合成放大的模拟方法、放大链路的故障分析及相关实验情况。     

硼中子俘获治疗实验装置射频功率源系统

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器（RFQ）提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电平控制系统、射频传输系统。本文介绍了BNCT射频功率源系统,主要包括物理需求、系统组成、关键设备、安装和调试。目前该装置已进行动物实验,加速器打靶束流功率4.3 kW,加速器射频功率源系统运行稳定。     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

基于Simulink大功率电子管放大器仿真

选用4616V4型四极电子管,单管输出350kW,采用两路并行放大链路,设计了一套输出功率350kW×2的大功率电子管功率源系统。基于四极电子管的恒流特性曲线及实验数据,拟合输出功率与阳极电压、输入功率的关系曲线,利用Origin软件拟合函数,建立数学模型,并利用闭环比例-积分(PI)反馈控制,稳定输出电压,通过Simulink仿真探寻最佳工作点,较低的阳极电压以及近饱和的输入功率既能有效增大工作频率,又能满足高功率输出的要求,仿真结果与实际联机调试数据对比,误差低于5%,根据仿真数据得到的结论与13点分析法一致,可以有效指导探寻最佳工作点。     

2 MHz/80 kW离子源射频功率耦合系统的设计

介绍了一种用于大科学工程装置中国散裂中子源(CSNS) 功率升级的RF负氢离子源大功率射频功率耦合系统的研制。主要内容包括射频功率耦合系统的构造, 指标计算分配以及具体实现, 重点阐述了射频功率放大器、隔离变压器、阻抗变压调谐器以及配套的电源、控制和冷却系统的设计, 并对整个系统的结构和热设计提出了工程解决方法。针对离子源功率耦合系统的特点作了细致的分析, 并以此为基础, 研制出了一款输出功率达80kW的射频功率耦合系统产品。     

四杆型射频四极场加速器的极间电压调谐及测定北大核心CSCD

为了提高射频四极场加速器(RFQ)的束流传输效率,需要对纵向分布不均匀的极间电压进行补偿,并且准确测量束流实验中极间电压的绝对数值。考虑到极间电压分布不均匀是由于分布电容和端部效应造成的,而采用调谐块可以调节分布电感,通过电磁场数值模拟研究了调谐块对极间电压分布的影响,最终极间电压的平整度被调整到优于95%。在束流实验中,通过测量轫致辐射谱测定了极间电压的数值,通过束流动力学模拟研究了多能峰产生的原因,并最终标定了70kV极间电压对应的输入功率值284kW。     

高功率Yb:YAG陶瓷板条激光放大器的理论设计与实验研究

理论设计和制作了Yb:YAG陶瓷板条,通过铟砷化镓(InGaAs)二极管抽运、1030nm种子激光注入以及双程放大,在室温下实现了高功率的1030nm激光输出。种子激光注入功率为1.18kW和总抽运功率为19.98kW时,获得了5.97kW的放大激光功率,光-光转换效率约为24.0%,斜率效率为27.9%。测量了Yb:YAG陶瓷板条的透射波前,模拟了不同耦合效率和温度时的输出功率。实验结果表明,室温下Yb:YAG在高亮度抽运和高亮度种子光注入时可以实现高功率的激光输出。     

分离作用射频四极场加速器的结构和工艺设计

 介绍了北京大学分离作用射频四极场(RFQ)加速器的结构特点,包括膜片式电极、支撑环式电极支撑系统、水冷系统、调谐系统及其工艺实现;介绍了基于该分离作用RFQ加速腔进行的调谐测试、高功率实验和束流实验。结果表明:调谐系统的频率调节范围及品质因数完全满足实验要求;分离作用RFQ加速腔的输入功率可以达到33 kW以上,满足高功率下稳定运行的条件;在束流实验中,把1.03 MeV的O⁺入射束流加速到1.65 MeV,半高宽能散小于3%。加速器结构满足物理设计要求,加速系统运行稳定。     

单通激光片状放大器的模拟计算分析

系统介绍了高功率固体激光驱动器中单口径片状放大器(SSA)的模拟和实验研究结果。根据放大器不同层次的设计需求，开发了两级模拟软件，配合实验模拟平台上的研究工作和结构研究，对SSA放大器进行系统设计。     

双驱动射频负氢离子源匹配网络设计与实验研究

随着磁约束聚变实验装置对中性束注入器的输出束流强度与脉冲时间的要求越来越高,开展高功率大面积射频离子源的研究迫在眉睫。为了实现大面积、高密度均匀等离子体放电,基于多驱动射频离子源的设计是当前的发展趋势,而阻抗匹配网络是射频功率源将最大功率输送至线圈并耦合至等离子体的关键,故对其结构设计和调谐特性的研究是不可或缺的。基于前期在单驱动射频离子源的研究基础上,结合双驱动射频离子源的放电需求,开展了双驱动阻抗匹配网络优化结构的设计与分析,通过实验中对匹配网络的调谐,成功实现了140 kW高功率和25 kW/1 000 s长脉冲的稳定运行。随后在等离子体稳定放电的基础上研究了两个驱动器之间的功率分配均匀性问题,实验结果表明了该匹配网络的优化设计合理可行,上下驱动器的射频功率分配基本均匀。     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

 给出了自洽非线性大信号理论分析方法，在理论分析和高频计算的基础上，建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型，对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响，通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV，注电流8 A，电子注横向与纵向速度比为1.5时，输出功率230 kW，带宽230 MHz，电子效率45%，饱和增益33 dB。     

Analysis and Numerical Calculations of the Beam-Wave Interaction for Gyroklystron Amplifiers

A four-cavity gyroklystron was designed and optimized after analysis and calculation of RF system and magnetron injection gun, numerical simulations showed that the TE₀₁₁ mode gyroklystron achieved 280kW peak output power, 38% efficiency, 35dB saturated gain with 250Mhz bandwidth centered at 34GHz for a 68 kV, 11A electron beam. The numerical simulation results were used to build a Ka band high power gyroklystron amplifier. In this paper, analysis and numerical calculation results of the beam-wave interaction are presented. The influences of electron beam, RF system parameters, magnetic field, and input RF signal on output power, efficiency, bandwidth and gain are discussed.     

kW级功率驱动的锁相高功率微波发生器

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波,设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明,在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此,将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来,建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中,用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理,衰减电阻通过对反馈过程的控制,提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层,将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流,实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波,增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明:注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW),输出功率达到1.8 GW,增益为52.6 dB,90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°,实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。     

Mode control in a high gain relativistic klystron amplifier with3 GW output power

Higher mode excitation is very serious in the relativistic klystron amplifier, especially for the high gain relativistic amplifier working at tens of kilo-amperes. The mechanism of higher mode excitation is explored in the PIC simulation and it is shown that insufficient separation of adjacent cavities is the main cause of higher mode excitation. So RF lossy material mounted on the drift tube wall is adopted to suppress higher mode excitation. A high gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam current of 13 kA and the voltage of 1 MV. PIC simulation shows that the output power is 3.2 GW when the input power is only 2.8 kW.     

X-band dielectric Cerenkov maser amplifier experiment

An X-band dielectric Cerenkov maser amplifier experiment is reported. The amplifier system consisted of a solid, thermionically generated electron beam propagating through a cylindrical waveguide partially filled with an annular, dielectric liner. The input signal was provided by a tunable (9-10.3 GHz) magnetron with power up to 10 kW. Electron beam voltages and currents of up to 250 kV and 100 A could be generated for 1 μs pulse durations. The system was configured to operate in the TM₀₁ mode of the dielectric-lined waveguide. In this experiment the gain of the system with respect to the length of the dielectric liner was studied at a fixed input frequency of 10.3 GHz. At electron beam parameters of 160 kV and 60 A, a power gain of 24 dB over 56 cm of interaction length was measured for an input power of 4.5 kW, corresponding to a maximum RF amplified power of 1.15 MW and 12% efficiency     

1.3 GHz 20 kW固态微波功率源的测试和运行（英）

北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20 kW的1.3 GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器,这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上,主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标,在输出功率20 kW时的效率为34%,增益大于85 dB;在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6 dB和9.5。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000 h。     

合肥光源40kW高频固态发射机的研制进展

介绍了用于合肥光源800 MeV电子储存环高频系统的204 MHz,40 kW固态发射机的研制进展。该发射机为双塔结构,由130个330 W功放模块进行三级合成。其关键部件的样件包括10路功放和2.5kW八合一,20 kW八合一以及40 kW二合一功率合成器各1件的制作和测试已完成。测得各合成器输出端驻波比不超过1.05,功放模块的增益达到26 dB,幅相偏差小于0.1 dB和5°,达到设计要求。     

采用直接数字频率合成器混频信号的高频功率源设计

 提取直接数字频率合成器芯片AD9850输出的混频信号作为系统的频率源,介绍了高频功率源的结构和原理。系统的工作频率范围为(96±1) MHz,最大输出功率为10 kW。驱动级采用MOSFET晶体管功率放大模块,末级采用高频真空四极管4CW10000B。四极管采用阴地电路,工作在甲乙类。高频功率源采用压控可变衰减器进行幅度调制,为满足系统的频率和幅值稳定度要求,功率源采用带温度补偿的晶体振荡器,并让四极管工作在过压状态。在应用Ziegler-Nichols法整定控制器的PID参数时,为实现控制系统的在线自整定,系统采用了继电反馈法,由极限周期和增益得出PID参数。