衍射极限环光源纵向束流注入非线性优化

下一代同步辐射光源储存环动力学孔径较小,因而束流注入困难,可以通过纵向束流注入解决这一问题。为了使用更长的kicker脉冲,有必要降低高频频率以增加注入束流到储存束流的时移。因为同步辐射运动,时移更长的束流有更高的动量偏差,所以通过该方法进行注入需要储存环提供足够大的能量接受度和动力学孔径。用SSRF-U的候选磁聚焦结构来展示纵向束流注入非线性优化的可行方法。由一系列高频频率的最佳结果可知,低于界限频率时kicker脉冲不会继续增长。在束流模拟中,采用界限频率与合适六级铁强度,可使SSRF-U储存环束流注入达到最高效率。     

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

 介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势,阐述了快脉冲LTD模块设计的要点,设计了输出脉冲上升时间小于100 ns的快脉冲LTD模块,并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电±16 kV时,短路放电的电流峰值为23.7 kA,电流振荡1/4周期为69.6 ns;充电±50 kV驱动0.85 Ω负载时,电流峰值为41.4 kA,上升时间为36.8 ns（10%~90%）和60.8 ns（0~100%）。     

脉冲形成网络的设计与实验研究

 采用陶瓷无感电容器作为储能介质,设计了一种低阻抗高储能密度的中等高压脉冲形成网络。该脉冲形成网络采用无感陶瓷电容器作为储能介质,每一个电容器的容值为1.7 nF。电容器采用相对介电常数较高的钛酸钡作为材料,单个电容器的直径为6 cm、高度为4 cm,该电容器在变压器油中的工作电压可以达到50 kV。实验结果表明,设计的单线型中等高压脉冲形成网络可在1 Ω的匹配负载上获得半高宽220 ns,前沿为40 ns的高压脉冲,能很好满足脉冲功率系统小型化的应用要求。实验研究还表明,设计的低阻抗Blumlein型脉冲形成网络,在工作电压为44 kV时可在2.5 Ω的低阻抗负载上获得脉宽230 ns,前沿约为50 ns的脉冲。     

非线性传输线在DSRD脉冲电源中的应用

加速器技术的发展,对注入引出系统的kicker脉冲电源提出了新的技术要求。注入引出系统冲击磁铁不仅要求脉冲电压高,底宽达到ns量级,还对波形的稳定性和前后残余电压有很高要求。漂移阶跃恢复二极管（DSRD）因其速度快、工作电流大等优点,在ns级脉冲电源中应用前景广泛,但其工作过程中会存在预脉冲等使脉冲波形偏离理想形态的因素。基于一种已有的DSRD脉冲电源,使用非线性传输线对脉冲进行整形,同时对脉冲的前后边沿进行锐化,缩短脉冲边沿的时间,大幅减小脉冲前后的残余电压,提高电源的性能。完成了一台电源样机的设计和实验,实验结果表明,该样机在50Ω负载上产生的脉冲幅值约10 kV,前后边沿时间（10%～90%）约2 ns,底宽（3%～3%）小于8 ns。     

衍射极限储存环束流注入物理方案的设计及模拟

衍射极限储存环（DLSR）作为第四代同步辐射光源，正得到世界各国的大力发展和建设。如何在尽量减小对存储束流扰动情况下，高效率地将束流注入到储存环中，是衍射极限储存环设计与运行中的重要课题之一。传统的局部凸轨注入法有着很长的历史，应用广泛且技术成熟，但是传统凸轨注入法会对存储束流造成扰动，且衍射极限储存环的动力学孔径较小，这给传统凸轨注入法的应用带来了困难。为了解决这些问题，改进了一些传统的离轴注入法，提出并发展了一些在轴的注入方法。合肥先进光源（HALF）是规划建设中的衍射极限储存环光源，基于HALF储存环的物理设计方案，设计并应用了几种离轴或在轴的注入方案，通过粒子跟踪和模拟的方法验证了它们的可行性并研究了注入效率等物理问题，并对模拟结果进行了讨论和总结。     

高能同步辐射光源直线加速器初期调束取得重要进展

高能同步辐射光源（HEPS）是中国第一台第四代高能同步辐射光源,其加速器由直线加速器、增强器、储存环及输运线组成。报道了HEPS直线加速器的初期束流调试重要进展。HEPS直线加速器是一台500 MeV S波段常温直线加速器,由热阴极电子枪、聚束系统、主直线加速器构成。在按时完成设备加工、安装和老练的基础上,于2023年3月9日启动束流调试,当天实现束流全线贯通。3月14日束流能量达到500 MeV,束团电荷量达到2.5 nC。经过测量,直线加速器出口束流能散0.4%,能量稳定度0.06%,水平和垂直几何发射度分别为233 nm和145 nm。目前直线加速器束团电荷量可达到7.0 nC,相关束流调试正在进行。     

合肥光源慢加速过程中高频系统的调节

 合肥光源是一台专用同步辐射光源，它在低能注入积累束流，然后同步地把束流加速到高能并在储存环中稳定运行。在加速过程中，粒子的同步辐射能量损失迅速增加，束流负载效应发生变化，需要相应地调节高频系统参数保持束流稳定。讨论了合肥光源加速过程中高频系统可能的两种高频系统调节方式以及高能情况下高频系统的最佳运行状态。     

第四代同步辐射光源物理设计与优化

近十年来,世界上开始大力发展第四代同步辐射光源——衍射极限储存环光源。目前我国正在建设或立项建设两台第四代同步辐射光源:高能同步辐射光源和合肥先进光源。从储存环磁聚焦结构设计与优化、束流注入与集体效应等方面,对第四代同步辐射光源的物理设计与优化进行了介绍;对国际范围内第四代储存环光源装置的研制情况进行了介绍。     

陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

 利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90 Ω负载可以使发生器处于临界阻尼放电状态,从而确定发生器的内部阻抗约为45 Ω。当充电电压为40 kV时,在金属膜电阻负载上得到了幅值约为210 kV,脉宽约为40 ns,前沿约为5 ns的快前沿高压脉冲。利用此发生器成功地驱动了强流二极管,当二极管阴阳极间距为15 mm时,在30 kV充电情况下,其输出电压约为154 kV,束流约为1 kA。     

环形正负电子对撞机注入引出分布参数型冲击磁铁设计

环形正负电子对撞机（CEPC）是一台周长100 km,最高能量为120 GeV的双环对撞机。为了满足不同能量粒子从增强器注入到对撞环,针对W和Z能量模式设计了对撞环离轴注入系统,用于实现束流的累积。为了提高注入效率,兼容不同注入能量,不同束流填充模式,同时尽可能减少注入过程中冲击磁铁对其它束团的扰动,要求对撞环离轴注入冲击磁铁系统是一个上升时间和下降时间小于200 ns,脉冲底宽调节范围为440～2420 ns的梯形波脉冲放电系统。和常见的集中参数型冲击磁铁相比,分布参数型冲击磁铁具有更优越的动态响应特性,适合产生一个前沿更加陡峭、波形更为理想的梯形波脉冲。根据CEPC的束流注入物理需求,完成了一台分布参数型冲击磁铁的物理设计和结构设计,并采用了PSpice和Opera程序进行模拟仿真。设计结果表明：冲击磁铁由26级LC单元结构叠装而成,磁铁总长为1018 mm,磁有效长度为942 mm;在[-20,20] mm磁铁孔径内,磁场强度为0.042 1 T,磁场均匀性优于±0.2%;冲击磁铁系统总上升时间（10%～90%）为193 ns,下降时间（90%～10%）为191 ns。理论分析、...     

感应叠加型固态冲击磁铁脉冲发生器设计与实验

文章介绍了用于冲击磁铁的感应叠加型脉冲发生器的实验装置. 电路中采用3.3kV/800A IGBT开关, 大尺寸纳米晶磁环, 2.5kV/50uF储能电容. 设计了基于CPLD的多路延时可调、光耦输入触发驱动电路. 探讨了IGBT短路时的失效原因及保护措施. 利用现有的组元电路, 进行了多个单元叠加的样机实验, 给出了实验波形. 结果表明输出脉冲上升下降时间较快, 脉宽可调, 最大脉冲电流可达2kA, 可以满足束流注入技术的进一步提高的要求.     

基于MOSFET的6×10单元快速固态调制器

 利用快速高重复频率的脉冲凸轨技术可以实现合肥光源的光脉冲间隔的可调。为了获得这一快速高重复频率的强流短脉冲,采取基于MOSFET的固态调制器技术。设计出了一套10路MOSFET开关并联、6级感应叠加的实验样机结构,包括快速时钟信号产生、功率驱动电路设计、感应叠加式阵列结构。样机获得了底宽为100 ns、重复频率20 kHz、峰值电流60 A、峰值电压2 kV的功率脉冲。     

Kicker magnet modulator in the 2-GeV Pohang light source

The 2.0-GeV Pohang light source (PLS) is a third-generation synchrotron light source that is the first such facility in Korea and the fifth in the world. The PLS mainly consisted of a full-energy injection linac and a storage ring. Four kicker magnets are installed in the storage ring tunnel to move the stored beam orbit in the storage ring closer to the injected beam from the beam transfer line. The injected beam then falls into the storage ring beam dynamic aperture. A kicker magnet modulator drives all four kicker magnets to maintain field balance and synchronized kick of the beam. Specification of the kicker magnet modulator is ~6.0-μs-full width, 200-ns flattop width with ±0.2% regulation, ~24-kA peak current, and 10-Hz repetition rate. Two thyratron switches (EEV CX-1536AX) are used in the system. As the inverse voltage is dangerous to thyratron operation, a new surge suppression circuit was developed. The kicker modulator has been operated very reliably since its installation in August 1995. In this article, design, simulation, and experimental results of the kicker magnet modulator are discussed. In addition, measurement result of spatial B-field distribution in the kicker magnet and maximum operating range of kicker magnet are discussed     

高压快速离化半导体开关及其脉冲压缩特性

 介绍了全固态高压快速离化半导体开关(FID)的工作原理和半导体结构,实验研究了在不同外偏置电压下的输出脉冲幅度特性和脉宽压缩特性,并对实验研究结果进行分析。在50 Ω负载下,将一输入脉冲幅度1.7 kV 、脉宽4 μs、重频2 kHz高压脉冲,通过FID压缩成脉冲幅度1 985 V、脉宽90 ns、重频2 kHz的高压脉冲。     

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

 利用峰值功率可达1 GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2 ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为: 纳秒脉冲源输出电压230 kV,峰值功率1 GW,脉冲宽度6 ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1 ns以内,平均同步偏差630 ps。     

快前沿mini-Marx发生器研制

 介绍了mini-Marx发生器的工作原理,总结了快mini-Marx发生器的设计原则。设计了一台10级单极性同轴结构的mini-Marx发生器。设计上将火花开关排成一排,借用前级开关强烈的紫外光以预电离下一级火花开关从而达到可靠运行,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计来获得快前沿的输出。发生器储能70 J,在70 Ω负载上获得了前沿6 ns、脉宽40 ns、幅度210 kV的高压脉冲。实验结果表明设计合理可行,达到了脉冲功率系统的小型化设计、获得了快前沿高幅度的高压脉冲。很好地满足了脉冲功率系统对快前沿高压脉冲的需求。用它直接驱动闪光X射线二极管,在距光源25 cm处获得了剂量大于7.7×10^-6 C/kg的闪光X射线。     

100 GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100 kV/100 kA快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1 MV/100 kA（功率为100 GW）的快脉冲LTD装置。装置由10级100 kV/100 kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20 kJ,装置直径约1.5 m,长度约2.2 m。最终在85 kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116 kA,电压约为1.1 MV,电压上升时间53 ns,电压脉宽146 ns,二极管阻抗约为9.4 。     

高能同步辐射光源

基于多弯铁消色散结构的超低发射度储存环光源是新一代同步辐射光源发展的一个重要方向。作为国内第一台第四代同步辐射光源,高能同步辐射光源已经完成物理及工程设计,并于2019年启动建设。高能同步辐射光源电子能量6 GeV,流强200 mA,水平自然发射度低于60 pm?rad,可提供能量达300 keV的X射线,在典型硬X射线波段的同步辐射亮度达1×1022 phs·s?1·mm?2·mrad?2·（0.1%bw）?1,可为材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天、能源环境等众多基础和工程科学研究领域提供先进的实验平台。本文将介绍高能同步辐射光源项目的整体方案及物理设计。