中國散裂中子源負(fù)氫離子源射頻功率源的研制?

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088）

1 引言

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

2 射頻功率耦合系統(tǒng)

圖2 射頻耦合系統(tǒng)框圖

3 射頻功率源

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

4 前置放大組件

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。

5 末級功率放大組件

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

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

7 結(jié)語

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。