(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)
中國的散裂中子源(CSNS)采用質(zhì)子直線加速器+快循環(huán)同步加速器方案。圖1為CSNS的結(jié)構(gòu)框圖。由離子源(IS)產(chǎn)生的負(fù)氫離子(H-)束流,通過射頻四極加速器(RFQ)聚束和加速后,由漂移管直線加速器(DTL)把束流能量進(jìn)一步提高到80MeV,負(fù)氫離子經(jīng)剝離注入到快循環(huán)同步加速器(RCS)中,把束流加速到最后能1.6GeV。從環(huán)引出的功率為100kW的質(zhì)子束流經(jīng)傳輸線打向鎢靶,在靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)慢化,再通過中子導(dǎo)管引向譜儀,供用戶開展實(shí)驗(yàn)研究[1~2]。
本文介紹了用于驅(qū)動前端負(fù)氫離子源的2MHz/80kW射頻功率源的研制和實(shí)驗(yàn)情況。2MHz/80kW射頻功率源是CSNS前端離子源的重要組成部分,其性能直接關(guān)系到離子源工作的可靠性。功率源系統(tǒng)要長時(shí)間在電磁環(huán)境相對惡劣的條件下運(yùn)行,從“安全、穩(wěn)定、可靠、長壽命、便于維護(hù)”的原則出發(fā),功率源采用全固態(tài)射頻放大器方案。
圖1 CSNS結(jié)構(gòu)框圖
圖2 射頻耦合系統(tǒng)框圖
射頻功率源在2MHz頻段要實(shí)現(xiàn)80kW的高功率,傳統(tǒng)的方案是采用微波三四極管的方案,采用該方案,技術(shù)相對較成熟,負(fù)載阻抗變化適應(yīng)性強(qiáng),成本相對較低,但也存在調(diào)諧復(fù)雜,可靠性較低,使用維護(hù)不便等缺點(diǎn),同時(shí)微波管需要進(jìn)口,后期維護(hù)成本較高。
隨著微波功率器件制造水平的不斷提高和固態(tài)發(fā)射技術(shù)的不斷發(fā)展及完善,在X波段以下射頻/微波固態(tài)功率源系統(tǒng)采用全固態(tài)技術(shù)已成為趨勢。一般情況下,固態(tài)射頻放大器系統(tǒng)適用于高工作比和長脈沖的工作方式,具有工作電壓低、可靠性高、維修性好、全壽命周期費(fèi)用低和機(jī)動性好等優(yōu)點(diǎn)。因此射頻功率源采用全固態(tài)射頻放大器系統(tǒng)[5~6]。
射頻功率源框圖如下,主要技術(shù)指標(biāo)為
頻率范圍:1.9MHz~2.1MHz
脈沖重復(fù)頻率:25Hz
脈沖持續(xù)時(shí)間:1.1ms(max)
輸出峰值功率:≥80kW
射頻功率源在功能單元上包括:1個前置放大組件、16個末級功率放大組件、配電單元、控制通訊單元、風(fēng)冷單元及大功率合成網(wǎng)絡(luò)等。
前置放大組件完成系統(tǒng)輸入到16個末級功率放大組件所需的輸入功率的放大功能;16個末級功率放大組件完成60W功率輸入到6kW輸出的功率放大,同時(shí)組件內(nèi)的BITE單元可實(shí)現(xiàn)功率組件的狀態(tài)檢測和保護(hù);配電單元完成外部AC380V配電到系統(tǒng)需求的多路電源供給;控制通訊單元完成發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)各功能單元的狀態(tài)信息采集,同時(shí)與主監(jiān)控進(jìn)行信息交換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)機(jī)操作;功率合成網(wǎng)絡(luò)將16個末級組件輸出的功率進(jìn)行功率合成達(dá)到系統(tǒng)所需的80kW功率輸出;風(fēng)冷單元負(fù)責(zé)完成前置放大組件、末級功率放大組件及功率合成網(wǎng)絡(luò)的散熱需求。
圖3 射頻功率源系統(tǒng)框圖
前置放大組件的作用是為16個末級功率放大組件提供足夠的驅(qū)動功率。一個PIN開關(guān),正常情況下為導(dǎo)通狀態(tài),在發(fā)生反射過大故障時(shí),快速(3μs以內(nèi))切斷信號輸入,保護(hù)末級放大管。
前置放大組件的增益分配及功能框圖如圖4所示。
圖4 前置放大組件框圖
前級組件將7dBm的微波小信號放大至約60.5dBm(1100W),它由三級功率放大單元組成,實(shí)現(xiàn)了53.5dB的高增益放大。根據(jù)圖中的增益分配及功率指標(biāo)要求,前級組件主要包括了激勵放大、驅(qū)動放大、末級放大、BITE等部件。
末級功率放大組件輸出的功率直接用來進(jìn)行80kW的功率合成,射頻功率源中設(shè)計(jì)了16個末級放大組件,每一路設(shè)計(jì)功率輸出約為6kW。
末級放大組件中,由前置放大組件送進(jìn)來的射頻信號經(jīng)1:6分配器送入六個功放模塊,射頻信號經(jīng)功放模塊放大至約1100W,六個功放模塊經(jīng)六合一合成器合成輸出約6kW。末級放大組件框圖如圖5所示。
圖5 末級放大組件框圖
末級組件使用的功放模塊要求功率輸出大于1100W,LDMOS功率管在該頻段、功率量級上具有其獨(dú)到的優(yōu)勢,工作電壓高、效率高、熱阻具有負(fù)溫度系數(shù),并且在該頻段的LDMOS功率管有多家供應(yīng)商有成熟的產(chǎn)品,因此LDMOS功率管是該方案的最佳選擇[7~8]。功放模塊實(shí)物圖如圖 6。
圖6 功放模塊實(shí)物圖
射頻輸入輸出采用變壓器耦合,實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配。LDMOS功率管的輸出腳接LC串聯(lián)諧振以濾除三次諧波[9~10]。模塊輸出功率實(shí)測大于 1100W,如圖7所示。
圖7 功放模塊輸出功率波形圖
根據(jù)系統(tǒng)要求,在脈沖寬度范圍內(nèi)功率頂降小于10%,即電源電壓頂降小于5%,電源電壓為50V,微波管脈沖電流35A,脈沖寬度最大1.3ms,可根據(jù)下式計(jì)算:
取儲能電容容量為20000μF。
組件內(nèi)的BITE主要完成組件內(nèi)部主要功能單元的狀態(tài)檢測、故障保護(hù)以及對外通訊。
具體要求如下:
1)實(shí)時(shí)顯示各級功放工作狀態(tài)(如電壓、電流、輸出功率、溫度、功率);
2)提供控制保護(hù)信號、故障信號指示;
3)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控接口。
圖8 系統(tǒng)監(jiān)控框圖
射頻功率源實(shí)物如圖9所示。
圖9 射頻功率源實(shí)物圖
射頻功率源(圖9中左側(cè)機(jī)柜)經(jīng)同軸饋管,輸出80kW峰值功率到高壓隔離變壓器,經(jīng)高壓隔離變壓器耦合輸出到阻抗變換器。
圖10(a)為功率源輸出功率經(jīng)耦合器在頻譜儀上檢測出的峰值功率,耦合器耦合度為67dB。圖10(b)為功率源輸出功率經(jīng)檢波器在示波器上檢測出的2MHz波形圖。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,射頻功率源輸出功率等指標(biāo)完全滿足要求。
圖10 實(shí)驗(yàn)波形圖
本文介紹了中國散裂中子源負(fù)氫離子源射頻功率源的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)情況。作為負(fù)氫離子源射頻耦合系統(tǒng)中的重要組成部分,射頻功率源具有高峰值功率,長脈寬,高可靠性等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)情況表明該功率源完全達(dá)到指標(biāo)要求。該功率源已交付用戶,工作穩(wěn)定可靠。