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[讨论] 四极大电流分流调节器PLS 2GeV存贮环上的磁性材料
2019-5-7 19:08:08  137 分流调节器 磁性材料
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1 介绍
       在一个电子存贮环中,所存储的电子束的光度和性能主要取决于四极磁性材料的位置校准程度。存储的电子束会通过四极磁性材料的中心,虽然在通过PLS存贮环上的磁性材料时,已经非常小心地进行对齐,但是在电子束位置校准器(BPM)和四极磁性材料的中心之间,还是会存在一部分的耗损。为了测量和纠正这一部分耗损,经常会使用电子束校准器(BBA)[1]。 然而在PLS存贮环中,四极磁性材料被分为2个或24个一组和电源连接。因此,要单独控制每一个磁性材料是不可能的。然而,通过使用一款大电流分流调节器,就可以实现对磁体电流的独立控制。
2 PLS四极磁性材料
       PLS存贮环上的磁性材料有一共6种不同分类:Q1、 Q2、Q3、Q4、Q5和Q6。PLS存贮环由12个Superperiods和其上面的2个四极磁性材料组成。因此,在存贮环上一共有144个磁性材料。对于Q1、Q2和Q3的部分,每个Superperiod上2个磁性 材料为一组;对于Q4、Q5和Q6的部分来说,24个磁性材料整体为一组。每组都按系列分好,由单独的电源供给。因此,在四极材料的电源总数为39。由于这些四极磁性材料是按2个或24个一组相连接,每个磁性材料的电流是不可控的。但是,在BBA的运行中要求单独控制每一个四极磁性材料的电流。在表格1中,列出了四极磁性材料的重要参数。阻值是R列,最大输出电压值是V Max.,表格1中的电流(I)和电压降为GeV版本。
3 分流调节器
3.1 设计方案
分流调节器通常与磁性材料并联,按预设的值进行分流,以此来保持相邻磁性材料间的电流常数。分流器的设计要求如下:
调节器
· 分流磁性材料5 ~ 10 % 的电流
· 可单独调整每一个四极磁性材料的电流
· 可远程控制 · 当分流器工作时,磁性材料电流要求稳定性 (<±0.005%),波纹(<±0.05%)
· 在开启和关闭时,不能影响到已存储的电子束
       如表格1中所列出的一样,磁性材料电流的变化范围 为36A~416A。我们选择了2种类型的分流器。它们分流值分别是15A和50A,可以满足常规分流的要求。 Q1、Q2和Q3使用的是15A的分流器,由于电压降值较低,Q6也使用15A的分流器。Q4和Q5使用的是50A的分流器。除Q6单元外,分流调节器可用于调节 2.0 GeV和2.5 GeV版本的电流。在调节器中,功率晶体管作为线性开关装置使用。晶体管在其线性活动范围内工作。这样的设计有利于远程控制电流的幅这样的设计有利于远程控制电流幅度的大小。四极磁体材料的电源供给系统具有高于±0.005%的稳定性和小于±0.5%的波纹特性。电源供给具有自控能力,可以保证所需的稳定性和波纹。当分流调节器的电流随着主要电流产生波动时,电源供给就会保存下这些特征。但是,在调节器开和关的转换中,存在瞬时现象,可能会影响到主要的电流波。因此,在分流电路中,我们必须采用缓速开始和停止的模式,这样才能使硬件和软件都检测到电流的变化。通过增加电流反馈回路,分流电路同样可以具备电流控制的功能。比 起Q4、Q5和Q6来说,Q1、Q2和Q3中的瞬时现象更为显著。这是因为Q1、Q2和Q3是小数量的磁体材料相连接,分流的电流变化相对容易被电流控制器检测到。正如表格1所示,四极磁体材料的工作电压高达 422V,因此在设计调节器的时候,需要考虑在分流电路中添加一个绝缘体。

3.2 分流调节器的结构
       分流调节器的详细电路图如图1所示。控制着电流分流调节器的电源模块由15个MJ505三极管组成。这些三极管的电气参数为15A、120V和180W,典型电流增益约为70。电源模块安装在散热板上,并和外部的金属壳绝缘。选择强制的空气冷却来简化绝缘的流程。 为了平衡所有电阻的电流,每个晶体管都配有一个 0.1W的高精密电阻。同时,将续流二极管模块与磁性材料并联。电源模块中的三极管受一对符合晶体管的控制。分流的幅度由一个直流电流传感器 (LAMModule LA50-P)和金属箔电阻(Vishay VHP-3, 100 W)来检测。该电流传感器的精度为±0.5 %,绝缘电压为2 kVrms,线性度为±0.1 %。该电阻的精度为±0.01 %,温度系数为±5 ppm/°C。采样电流被放大,然后反馈给误差放大器。将该放大器上得到的反馈电流信号与数模装换器(DAC)的信号进行比较。然后,误差放大器的输出驱使复合晶体管完成电流调节。误差放大器产生频率为1.592 kHz的增益带宽,选择这个频率是为了最小化分流调节器的高频噪音响应。因为在主要电源供给电流时存在高频开关噪声。当分流器启动时,也存在一个软启动电路。这是为了减小导通时的瞬时现象,避免对主要电源供给的 控制造成影响。软启动同样也可以被DAC基准的控制软件检测到。整个分流器装置包含电源模块、浮动反馈控制板和绝缘部分。通过使用PC817光电耦合器(5kVrms 绝缘强度)、ISO122P绝缘放大器(1.5 kVrms 绝缘强度)和变压器来达到内部电路和外部电路之间绝缘的目的。在分流调节器中,有自我保护功能,例如过载或过热的保护。还包含一个12-bit的DAC, 用来生成电流的设定值。这些功能没有在图1中体现。

3.3 分流调节器的控制系统
       每个分流调节控制器都被组装成一个独立的单元。控制器通过并联的数据总线发送不同的指令给分流器, 同时它会从分流器收到电流读数和数据。另外,控制器通过RS232C端口与PLS主控制电脑连接。 TMS320C32 DSP用于控制器,它可以作为一个独立的处理单元,支持本机控制和远程控制。

图1:分流调节器电路图
4 测试结果


       图2给出了当分流器在开启和停止时, Q2四极磁性材料某个端口的电流变化,该结果遵循2GeV操作。 在该能量中,Q2的电流为83.352 A。图2中的电流 幅度为0.871 A或Q2电流的1.04 %。正如大家所知,图片中在启动和停止时存在瞬时状态。但是,瞬时并没有影响到存储的电子束电流。在分流器运行时,磁体电流任然保持着除了瞬变之外的稳定性。对于稳定性的要求是高于±0.005 %。图3是Q2电流的波形图。在该图片中,有两种波形进行对比。位于上方的波形是在分流器停止时检测的,位于下方的波形是在分流器启动时检测的,该结果遵循2GeV操作。 四极磁性材料的电流为83.43 A,分流电流为8.75 A,占四极磁性材料总电流的10.48 %。从图3中可知没有检测到特别大的电流波纹。对于波纹的要求为好于±0.005 %。该分流器可同时适用于DC和AC模块。即使是在AC模块中使用时也不需要BBA,我们对分流器在AC模块的运行进行了测试,以便扩展其在 其他领域中的应用。在图4中,给出了AC模块运行的结果。图中位于上方的波形是分流指令,位于下方的波形是检测出的分流器的输出电流。正如图中所看到的,分流电流顺畅且精确地完成了信号指令要求。由于四极磁性材料的时间常数限制,可用的运行频率应低于10 Hz。在AC运行模块中,同样也测量的波纹。AC分流电流对主电流波纹造成了一些影响。大约有10% 的分流电流叠加在波纹上。在PLS上有存有108BPMs来收集电子束的位置数据。 分流调节器的BPM初步测量结果显示,其校准精度好于10mm。BPM校准的优化处理也有利于避免临近轨道畸变的发生。现在,所有的临近轨道畸变大于500mm(rms)。我们的目标是增加所有BPM电气补偿,使之小于10mm(rms),同时也让临近轨道畸变小于50mm(rms)[2]。
图2:分流调节器工作时Q2磁性材料的电流变化(3.0sec/Div.)。
    停止时,Q2的电流为83.352A;启动时电流为82.481A。
图3:Q2四极磁性材料的电流波纹(0.075A/Div.,5ms/Div.)顶部:停止时,底部:开启时。
图4:在10Hz的AC运行中Q2单元指令信号的比较

(顶部)和分流电流(底部)。Q2电流:83.36A,DC补偿分流电流:1.22A,AC电流:1.8A。




5 结论



       为了提高PLS存贮环上的BPM的校准精度,安装了升级版的BBA系统。为了实现BBA系统,必须单独控制每一个四极磁性材料的电流。但是,四极磁性材料被分组连接,而且每个分组都有独立的电源供给。因此,不得不改进一个晶体管式的大电流分流调节器,使之具备BBA的功能。它可以分流磁体总电流的10%并保持电流的特性。在初步的测试中,分流调节器体现了优越的性能。在AC模块的运行 中,也表现很好。BPM的初步校准也起到了作用。 结果表明,要达到小于10mm(rms)的BPM校准精度是可以实现的。同时,结果也表面临近轨道畸变也可做到小于50mm(rms)。50mm(rms)代表了临近轨道畸变现值的一个数量级的提升。


6 后记

       该项目得到了韩国POSCO和MOST的大力支持,同时,非常感谢我们的同事,特别是Mr. S. H.Jung和 在PAL的 Mr. S. H. Han在整个工作中的支持。



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