[实用新型]全储能脉冲电源及粒子加速器

说明书

本实用新型涉及全储能脉冲电源及粒子加速器。其中全储能脉冲电源包括：多个功率单元，配置为与磁铁负载电极相连，各所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电极连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。本实用新型采用全储能方式，针对性的解决了粒子加速器脉冲电源强激励电源的主要问题。

技术领域

本实用新型涉及粒子加速器领域，还涉及全储能脉冲电源及电流脉冲产生方法。

背景技术

粒子加速器是对带电粒子进行加速的一种装置，其中粒子是在约束磁场中运动的，磁铁与励磁电源共同构成加速器磁场系统。同步加速器是粒子加速器的一种，加速器在对带电粒子加速时，随着被加速粒子能量的提高，其约束磁场也需同步提高，因此励磁电流需同步提高，当一个加速周期完成后磁场需要降低至低位，被加速粒子束流注入加速器中，准备开始下一个加速周期，同步加速器励磁电源典型工作电流波形如图1上图所示。同步加速器励磁电源需要工作于脉冲模式，励磁电流周期决定了加速周期。同步加速器磁铁实际上是一个大电感，另外同步加速器中磁铁往往串联起来，总之励磁电源负载是一个小电阻的大电感。在一个很大电感上产生上升时间和下降时间很短的脉冲电流是比较困难的。目前针对大电感磁铁脉冲电流获得一般有两种方式，一种为谐振方式，即采用串联谐振或者并联谐振方式在磁铁线圈上得到脉冲电流，此种方式产生的脉冲电流频率一般可达几十赫兹至几百赫兹，但是谐振方式只能产生固定频率的正弦电流波形，频率不易调节，适用于固定输出的励磁电源中。另外一种方式为强激励方式，即电源产生很高的激励电压强行加在磁铁电感上，从而在电感上产生所需电流波形，此种方式电流波形、幅度、频率等可任意调节，但是当输出电流很大，或者磁铁电感很大时，因为所需强激励电压太高，输出电流频率不会太高。

因为磁铁是电感，而且还是很大电感负载，要产生高频率大电流脉冲，意味着很高的电流变化率，根据电磁感应定律，这必然要求励磁电源提供很高的强激励电压，高电压大电流意味着电源脉冲功率会非常大大。当电流上升时电源需要从电网抽取能量，电流上升时间很短时，因为电网回路存在各种感性元件导致能量不能及时从电网转到负载上，因此一般情况下电流上升时间不能太短，电流上升率不能太高；当电流下降时磁铁电感中的能量需从磁铁中转移出来，或者通过电阻消耗掉，这样电源效率很低，非常不经济。磁铁能量逆变回电网是很好的一种选择，但是电流下降时间越短，逆变峰值功率就越大，对电网的冲击就越大，对电网产生很大的扰动，严重时电网电能质量超标不能正常供电，影响电网可靠性和安全性。因此，为了减小各种冲击，强激励脉冲电源上升下降时间都比较长，也就是脉冲频率都比较低，一般不会超过1Hz。综上所述，在传统强激励电压的脉冲电源中，电流脉冲频率不可能太高，一般在1赫兹以内；电源工作时对电网影响比较大，一般要采取各种措施对电网波动进行补偿和调节；而且电源脉冲功率很大，要求配电功率也很大。

另外，如图1中间电压波形所示，在电流注入段和平顶段，电流为直流，此时电感电压为零，只有直流电压，也即注入段电压VP1和平顶段电压VP3较峰值电压VP2低几倍至几十倍，意味着电源输出需电压需要在大范围内连续变化，而且在每一个阶段都需保证电源输出精度，这对电源来说是非常困难的。一般情况是保证强励电压，这样在平顶段电源电压很低，对于开关电源来说，占空比就很小，严重影响电源性能。而直流段要么是注入段要么是束流储存等阶段，这种方式对平顶段束流造成不利影响。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种全储能脉冲电源及粒子加速器，以至少部分解决以上所述的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一方面，提供一种电流脉冲产生的方法，包括：

采用储能电容器存储能量，在电流波形脉冲上升段所需能量全部由该储能电容提供；

在电流波形下降段磁铁负载电感中所存能量返回该储能电容中，为下一个脉冲做好准备，实现能量重复利用。