Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Беликов, Олег Витальевич

• Беликов, Олег Витальевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беликов, Олег Витальевич

Введение.

Глава 1. Параметры корректоров магнитного поля ускорителей и накопителей заряженных частиц.

1.1 Параметры магнитной системы комплекса ВЭПП-2000.

1.1.1 Структура магнитной системы.

1.1.2 Система электромагнитов, предназначенных для коррекции дипольных искажений равновесной орбиты.

1.1.3 Корректоры частот бетатронных колебаний.

1.1.4 Корректоры хроматизма.

1.1.5 Корректоры связи горизонтальных и вертикальных бетатронных колебаний.

1.1.6 Общие требования к питанию корректоров комплекса ВЭПП-2000.

1.2 Параметры магнитной системы синхротрона "Зеленоград".

1.2.1 Структура магнитной системы БН.

1.2.2 Корректоры хроматизма БН.

1.2.3 Корректоры кубической нелинейности и связи горизонтальных и вертикальных бетатронных колебаний.

1.2.4 Структура магнитной системы МН.

1.2.5 Корректоры равновесной орбиты МН.

1.2.6 Корректоры частот бетатронных колебаний МН.

1.2.7 Корректоры квадратичных и кубических нелинейностей магнитного поля МН.

1.2.8 Поворотный магнит ЭОК-1.

1.2.9 Специфика требований к питанию синхротрона "Зеленоград".

Глава 2. Особенности системы питания корректоров ускорителей и накопителей заряженных частиц.

2.1 Объединение корректоров в группы по потребляемой мощности.

2.2 Требования к долговременной стабильности магнитного поля.

2.3 Требования к динамической стабильности магнитного поля.

2.4 Требования к полярности источников питания.

Глава 3. Анализ переходных процессов в полупроводниковых ключах.

3.1 Выбор ключевых элементов.

3.2 Динамические параметры ключевых элементов.

3.3 Мягкая коммутация ключевых элементов.

Глава 4. Четырёхквадрантные источники тока.

4.1 Структура каналов питания.

4.1.1 Фильтр низких частот.

4.1.2 Устойчивость цепи обратной связи.

4.2 Источники питания с выходным током до 6А.

4.2.1 Источник тока MPS-6.

4.2.2 Модуль питания MPS-6.

4.3 Источники питания с выходным током до 20А.

Глава 5. Коррекция радиального положения пучка методом подшунтирования электромагнитов.

5.1 Общие сведения и выбранный способ подшунтирования.

5.1.1 Подшунтирование магнитов с использованием линейного регулятора.

5.1.2 Подшунтирование с использованием последовательного импульсного регулятора.

5.1.3 Подшунтирование с использованием обратноходового преобразователя.

5.2 Источник подшунтирования SHUNT-20.

Глава 6. Испытания и результаты.

6.1 Система питания корректоров магнитного поля ВЭ1Ш-2000.

6.2 Система питания корректоров магнитного поля МН синхротрона

Зеленоград".

6.3 Питание поворотного магнита выпускного устройства ускорителя

ИЛУ-8.

6.4 Другие применения четырёхквадрантных источников тока.

Глава 7. Применение импульсных преобразователей для управления шаговыми двигателями.

7.1 Шаговый двигатель ШД-5.

7.2 Устройство электропривода ЭШД-5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частиц»

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) со времени его основания проводятся эксперименты со встречными электрон-позитронными пучками. Для этих целей создаются сложные ускорительно-накопительные комплексы, периметры синхротронов которых составляют десятки и сотни метров.

Магнитная система современных синхротронов, как правило, содержит несколько десятков дипольных магнитов, а также десятки квадрупольных, секступольных и октупольных линз. Жёсткие требования к структуре магнитного поля современных ускорителей и накопителей заряженных частиц приводят к необходимости использовать множество дополнительных электромагнитов (корректоров) для коррекции возмущений магнитного поля на орбите. Для раздельного питания этих элементов необходима современная автоматизированная система, содержащая большое количество стабилизированных источников тока, управляемых и контролируемых от компьютера. Набор специфических требований, предъявляемых к питанию корректоров, не позволяет использовать промышленно выпускаемые источники.

Целью настоящей работы является обобщение опыта, накопленного автором в процессе разработки, изготовления и эксплуатации автоматизированных систем питания корректоров равновесной орбиты, корректоров частот бетатронных колебаний и регулировки мультипольных возмущений магнитного поля ускорителей и накопителей заряженных частиц.

В ИЯФ СО РАН в очередной раз потребность в создании современной системы питания возникла в процессе модернизации коллайдера ВЭПП-2М [1]. Одной из задач модернизированного электрон-позитронного коллайдера являлось увеличение точности измерения адронных сечений в области энергий от 1,4 до 2GeV в системе центра масс. Для этого потребовалось изменить всю оптику коллайдера, вследствие чего было принято решение заменить всю систему питания магнитов, в том числе и систему питания корректоров.

Как и ожидалось в начале этой работы, источники тока, разработанные для питания систем коррекции возмущений магнитного поля, оказались применимы для других целей, в частности при разработке автором электроприводов, предназначенных для управления шестифазными шаговыми двигателями.

Обзор отечественной и зарубежной литературы, а также докладов на ускорительных совещаниях, демонстрирует актуальность широкого круга проблем, возникающих при разработке системы питания электромагнитов ускорителей и накопителей заряженных частиц [2-7]. Современное состояние технологии производства компонент силовой электроники требует от разработчиков систем питания поисков новых схемотехнических решений. Поэтому ряд вопросов, рассматриваемых в диссертации, имеет оригинальное решение и представляет научную новизну.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

Основываясь на изучении поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц, обоснованы допуски на долговременные нестабильности и на величины пульсаций тока в обмотках различных корректоров с учётом их частотных характеристик.

Изучены особенности работы импульсных преобразователей для их применения в качестве силовых регуляторов в источниках стабилизированного тока. Предложена методика выбора несущей частоты преобразователя с учётом спектра частот собственных колебаний пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц. На основании анализа работы цепи обратной связи источников питания найдено решение системы регулирования, которая остаётся устойчивой при изменении постоянной времени нагрузки в широких пределах.

Предложен способ построения многоканальных систем питания корректоров, позволяющий увеличить эксплуатационную надёжность физической установки.

Предложено схемное решение исполнения источников подшунтирования электромагнитов как элементов коррекции равновесной орбиты, с возможностью рекуперации отобранной энергии в основной источник питания электромагнитов. Проанализированы условия получения оптимальных параметров подшунтирования предложенным способом.

Предложен и реализован способ построения электропривода для шестифазного шагового двигателя с применением программируемой логики, позволяющий улучшить эксплуатационные характеристики системы привод -двигатель. Осуществлён режим работы двигателя с дроблением шага, позволяющий увеличить плавность хода на малых скоростях вращения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Беликов, Олег Витальевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённые в диссертации научно-технические решения нашли широкое применение на ускорителях и накопителях заряженных частиц ИЯФ и за его пределами. Итогом проделанной работы можно считать следующие результаты:

1. Автором предложена методика разработки систем питания электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите ускорителей и накопителей заряженных частиц, заключающаяся в следующем:

1.1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системам питания корректоров на основе изучения поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц.

1.2. На основе четырёхквадрантных широтно-импульсных преобразователей разработаны варианты структурных схем стабилизаторов тока с использованием полевых транзисторов в качестве ключевых элементов. Проанализированы переходные процессы в ключевых элементах и даны рекомендации, позволяющие улучшить коммутационные процессы.

1.3. Предложен вариант структурной схемы источника подшунтирования электромагнитов на основе обратноходового преобразователя, позволяющий работать с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита.

1.4. На основе методов теории систем авторегулирования предложена методика анализа структурных схем, позволяющая обеспечить требуемое качество регулирования для индуктивных нагрузок с характерными частотами от 0,1 Hz до 500Hz.

2. Автором разработаны следующие типы управляемых от компьютера четырех-квадрантных источников стабилизированного тока, предназначенных для питания корректоров магнитного поля:

2.1. УМ-6, РА-6, MPS-6 - источники с максимальным выходным током ±6А, максимальным выходным напряжением до 100 V. Дисперсия выходного тока у этих источников за 10 часов работы не превышает значения ЮОррт.

2.2. УМ-20, УМ-25, РА-25, MPS-20, MPS-25 - источники с максимальным выходным током ±(20+25)А, максимальным выходным напряжением до J60V. Дисперсия выходного тока у этих источников не превышает значения ЮОррт, за 10 часов работы.

3. Для коррекции радиального положения пучка автором разработан источник подшунтирования SHUNT-20, позволяющий отбирать ток от обмотки электромагнита до 20А при падении напряжения на обмотке в диапазоне от 5V до 30V. При этом дисперсия тока подшунтирования за 10 часов работы не превышает значения ЮОррт. Разработанное устройство позволяет работать как с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита, так и со сбросом энергии в балластную нагрузку.

4. При определяющем участии автора были созданы следующие многоканальные системы, содержащие перечисленные источники питания и подшунтирования:

4.1. Системы питания корректоров равновесной орбиты и мультипольных возмущений магнитного поля накопителя БЭП и коллайдера ВЭПП-2000, содержащие около 180 каналов питания, включая каналы транспортировки пучков заряженных частиц. Системы успешно работают в составе комплекса ВЭПП-2000 (ИЯФ).

4.2. Системы питания и подшунтирования электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите малого и большого накопителей синхротрона «Зеленоград». Общее количество раздельно управляемых каналов питания и подшунтирования составляет около 30шт. Оборудование поставлено по контракту с НИИФП им. Ф.В. Лукина г. Зеленоград), где в настоящее время продолжается сборка большого накопителя.

4.3. Система питания поворотного магнита выпускного устройства импульсного линейного ускорителя ИЛУ-8. Система разработана в рамках контракта по поставке ускорителя ИЛУ-8 в "e-Energy Corporation" (Япония) в 2006 году, где продолжает успешно работать по настоящее время.

4.4. Система питания дублетов квадрупольных линз линейного ускорителя электронов ЛУЭ-200. Система успешно работает в составе установки ИРЕН (ОИЯИ, г. Дубна).

5. Автором разработан электропривод ЭШД-5, предназначенный для управления шестифазным шаговым двигателем типа ШД-5, с дискретность шага 22,5МОА (Minute Of Angle). С использованием этого устройства была произведена модернизация механизма подавителя фона релятивистского пучка заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4, а также модернизированы сверлильные станки типа КД-46, фрезерные станки типа НЗЗ и электроэрозионные станки станочного парка в экспериментальном производстве ИЯФ, где в настоящее время успешно работают около 50 электроприводов ЭШД-5.

В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю кандидату технических наук А.С. Медведко за внимание и помощь при разработке систем питания и написании диссертации.

Также хочется отметить, что данная работа велась автором в коллективе сотрудников лаборатории и института. Особое значение, как для успешной работы автора, так и для написания диссертации имеет многолетнее сотрудничество с В.Р. Козаком и Ш.Р. Сингатулиным.

Автор благодарен Д.Е. Беркаеву, О.А. Проскуриной, А.К. Третьякову за техническую помощь в наладке и запуске системы питания, В.В. Леханову за высококачественное изготовление электронного оборудования, а также другим сотрудникам Лаб. 6 и Лаб. 11.

125

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Беликов, Олег Витальевич, 2010 год

1. А.А. Валишев и др. Проект нового электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000. XV1. совещание по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 17.10-20.10 2000, Россия.

2. С. Rodrigues, L. Н. Oliveira, A. R. Silva. A New Family of Power Supplies for the LNLS Orbit Correctors. Particle Accelerator Conference, (РАС'07), Albuquerque, New Mexico, 25.06-29.06 2007, USA.

3. A. C. de Lira et al. The DC-Magnet Power Supplies for the LCLS Injector. Particle Accelerator Conference, (PAC'07), Albuquerque, New Mexico, 25.06-29.06 2007, USA.

4. A. Medvedko. Review of the Power Supplies for Electromagnetic Systems of the Storage Rings and Accelerators. The 17th International Conference on High Energy Accelerators (HEACC'98), Dubna, 07.09-12.09 1998, Russia.

5. E.J. Martin, et al. A 20 ampere shunt regulator for controlling individual magnets in aseriesed string. Particle Accelerator Conference, (PAC'95), Dallas, TX,01.05-05.05 1995, USA.

6. S.H. Nam, et al. A high current shunt regulator for quadrupole magnets in PLS 2GeV storage ring. Particle Accelerator Conference, (PAC'97), Vancouver, ВС, 12.0516.05 1997, Canada.

7. C. Rodrigues, A. R. Silva. Active Shunts for the LNLS Storage Ring Quadrupoles. Particle Accelerator Conference, (PAC'07), Albuquerque, New Mexico,25.06-29.06 2007, USA.

8. V.V. Danilov et al. The Concept of Round Colliding. European Particle Accelerator Conference (EPAC'96), Barcelona, 10.06-14.06 1996, Spain.

9. L.M. Barkov et al. Status of the Novosibirsk Phi-Factory Project. IEEE Particle Accelerator Conference (PAC'91), San Francisco, California, 06.05-09.05 1991, USA.

10. V.V. Danilov et al. Novosibirsk Ф-factory project. Asian Particle Accelerator Conference (APAC'98), Tsulcuba, 23.03-27.03 1998, Japan.

11. Yu.M. Shatunov et al. Project of VEPP-2000 Electron-Positron Collider. XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators, September 14, 2001.

12. A.JI. Романов. Использование матрицы отклика для определения параметров магнитной структуры ускорителей. Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 2, выпуск 1.2007, Новосибирск.

13. Материалы сайта http://vepp2k.inp.nsk.su.

14. А.Г. Валентинов, и др. Параметры ТНК специализированного источника синхротронного излучения. Препринт ИЯФ СО АН 90-129, Новосибирск, 1990.

15. А.Г. Валентинов, и др. Магнитная система накопителя Сибирь-2 — специализированного источника СИ. Препринт ИЯФ СО АН 89-174, Новосибирск, 1989.

16. A Zichichi, et al. Theoretical aspects of the behaviour of beams in accelerators and storage rings. Proceedings of the First Course ot the International School of Particle Accelerators of the "Ettore Majorana" Centre for Scientific Culture, 1976.

17. Дж. Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. М. Наука,1973.

18. Е.Г. Комар. Ускорители заряженных частиц. М. Атомиздат, 1964.

19. А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Учебное пособие для вузов. В 3-х томах. Т 2. Циклические ускорители. М. Энергоиздат, 1982.

20. М. Lonza et al. A Fast Orbit Feedback for the ELETTRA Storage Ring. ICALEPCS07, Knoxville, Tennessee, USA, 2007.

21. J. Safranek. Experimental Determination of Storage Ring Optics Using Orbit Response Measurements. Nucl. Instr. andMeth. 1997. Vol. A388. p. 27.

22. Материалы сайта http://www.irf.com.

23. Материалы сайта http://www.ixys.com.

24. J. Zhang et al. "A novel zero-current transition full bridge DC/DC converter", in IEEE Trans, on Power Elec., Mar. 2006, vol. 21, no.2, pp. 354 360.

25. X. Zhu et al. "Current-fed phase shift controlled full bridge ZCS DC-DC converter with reverse block IGBT", in IEEE APEC Conf. 2006, pp. 1605 1610.

26. S. W. Leung et al. "A ZCS isolated full-bridge boost converter with multiple inputs," in IEEE PESC Conf. 2007, pp. 2542 2548.

27. Q. Sun et al. "A ZCS full-bridge PWM converter with selfadaptable softswitching snubber energy," in IEEE PESC Conf. 2008, pp. 3001-3007.

28. Ю.Г. Толстов и др. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок. М, Энергия, 1974, с. 187.

29. С.П. Петров. Разработка тиристорных источников стабилизированного тока для питания магнитных элементов накопителей заряженных частиц. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Новосибирск, ИЯФ, 1987.

30. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Теория систем автоматического регулирования. М. Наука, 1966.

31. О.В. Беликов, М.О. Жуков. Источник питания корректирующих элементов ускорительной техники на базе цифрового сигнального процессора. Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 2, выпуск 3. 2007, Новосибирск.

32. O.V. Belikov, D.E. Berkaev, V.R. Kozalc, A.S. Medvedko. Power supply system for correcting magnets of VEPP-2000 complex. XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC 2006), Novosibirsk, September 10-14, 2006, Russia.

33. О. Belikov, V. Kozak, A. Medvedlco. Four-quadrant power supplies for steering electromagnets for electron-positron colliders. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 03.10 2008, Russia.

34. B.P. Козак, M.M. Ромах. Устройства с интерфейсом CANbus для систем автоматизации физических установок (блоки САС208, CURW). Препринт ИЯФ СО РАН 2004-68, Новосибирск, 2004.

35. В.Р. Козак, Э.А. Купер, А.Н. Фисенко. Набор устройств с интерфейсом CANBUS для систем автоматизации физических установок. Препринт ИЯФ СО РАН 2003-70, Новосибирск, 2003.

36. О. Belikov, A. Chernyakin, V. Kozak, A. Medvedlco. Bypass system for shunting of electromagnets for accelerators and storage rings. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 03.10 2008, Russia.

37. O.B. Беликов, A.C. Медведко, B.P. Козак. Источник подшунтирования электромагнитов для коррекции параметров пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц. Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 3. 2009, Новосибирск.

38. В.Р. Козак. Набор устройств с интерфейсом CANbus в евромеханическом стандарте. Препринт ИЯФ СО РАН 2008-18, Новосибирск, 2008.

39. О.В. Беликов, Д.Е. Беркаев, В.Р. Козак, А.С. Медведко. Усилители мощности УМ-6 и УМ-20 для питания корректоров комплекса ВЭПП-2000. Препринт 2007-014, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

40. D. Berlcaev, О. Belikov, V. Kozak, P. Shatunov, A. Medvedko. System of power supply ripples measurement for VEPP-2000 collider. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 03.10 2008, Russia.

41. Измерение параметров захваченного пучка и настройка оптики ВЭПП-2000. Ежегодный отчёт 2006, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

42. О. Anchugov, V. Arbuzov, О. Belikov et all. Status of "Zelenograd" storage ring. Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. 2009. - Vol. A603, No 1/2. - P. 4 -6.

43. B.P. Козак. Тестовое обеспечение для устройств с интерфейсом CANbus. Препринт ИЯФ СО РАН 2008-16, Новосибирск, 2008.

44. B.JL Ауслендер и др. Импульсный высокочастотный ускоритель электронов ИЛУ-8. Журнал "Приборы и техника эксперимента" №3, 2009г. стр. 98. Москва.

45. А.В. Белозёров, О.В. Беликов, и др. Физический пуск первой очереди установки ИРЕН. Журнал "Физика элементарных частиц и атомного ядра" Т40, Дубна, 2009.

46. P.V. Logatchev, А.А. Starostenko, et al. Feasibility Study of Using an Electron Beam for Profile Measurements in the SNS Accumulator Ring. Particle Accelerator Conference, 2005 (РАС'05), Knoxville, Tennessee, 16.05-20.05 2005, USA.

47. В.Ф. Гумен, Т. В. Калининская. Следящий шаговый двигатель. Новосибирск, Энергия, 1980.

48. О.В. Беликов, А.С. Медведко, Ш.Р. Сингатулин. Привод для 6-тифазного шагового двигателя. Журнал "Силовая интеллектуальная электроника" №1(7), 2007г., стр. 27, Новосибирск.

49. С.В. Кротов. Блоки управления шаговыми двигателями в стандарте КАМАК. Препринт 82-99, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

50. О.В. Беликов, Э.Л. Неханевич, Ш.Р. СиншСулин. Электропривод для шагового двигателя ШД5. Препринт 2002-66, ИЯФ СО РАД Новосибирск.

51. Т. Кенио. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М, Энергоатомиздат, 1987.

52. С.В. Кротов. Автоматизированный комплекс для проектирования и производства радиоэлектронной аппаратуры ускорительно накопительных установок. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Новосибирск, ИЯФ, 1987.

53. О.В. Беликов, В.А. Журавлёв, Э.Л. Неханевич. Модернизация системы ЧПУ сверлильного станка КД-46. Препринт 2007-023, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

54. Э.Л. Неханевич. Применение системы передачи данных ДОЗА в условиях промышленного производства. Препринт 2002-61, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.