中國散裂中子源負氫離子源射頻功率源的研制?

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088）

1 引言

中國的散裂中子源（CSNS）采用質子直線加速器+快循環同步加速器方案。圖1為CSNS的結構框圖。由離子源（IS）產生的負氫離子（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）把束流能量進一步提高到80MeV，負氫離子經剝離注入到快循環同步加速器（RCS）中，把束流加速到最后能1.6GeV。從環引出的功率為100kW的質子束流經傳輸線打向鎢靶，在靶上產生的散裂中子經慢化，再通過中子導管引向譜儀，供用戶開展實驗研究［1～2］。

本文介紹了用于驅動前端負氫離子源的2MHz/80kW射頻功率源的研制和實驗情況。2MHz/80kW射頻功率源是CSNS前端離子源的重要組成部分，其性能直接關系到離子源工作的可靠性。功率源系統要長時間在電磁環境相對惡劣的條件下運行，從“安全、穩定、可靠、長壽命、便于維護”的原則出發，功率源采用全固態射頻放大器方案。

圖1 CSNS結構框圖

2 射頻功率耦合系統

圖2 射頻耦合系統框圖

3 射頻功率源

射頻功率源在2MHz頻段要實現80kW的高功率，傳統的方案是采用微波三四極管的方案，采用該方案，技術相對較成熟，負載阻抗變化適應性強，成本相對較低，但也存在調諧復雜，可靠性較低，使用維護不便等缺點，同時微波管需要進口，后期維護成本較高。

隨著微波功率器件制造水平的不斷提高和固態發射技術的不斷發展及完善，在X波段以下射頻/微波固態功率源系統采用全固態技術已成為趨勢。一般情況下，固態射頻放大器系統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、全壽命周期費用低和機動性好等優點。因此射頻功率源采用全固態射頻放大器系統［5～6］。

射頻功率源框圖如下，主要技術指標為

頻率范圍：1.9MHz～2.1MHz

脈沖重復頻率：25Hz

脈沖持續時間：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、風冷單元及大功率合成網絡等。

前置放大組件完成系統輸入到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，同時組件內的BITE單元可實現功率組件的狀態檢測和保護；配電單元完成外部AC380V配電到系統需求的多路電源供給；控制通訊單元完成發射系統內各功能單元的狀態信息采集，同時與主監控進行信息交換實現系統開關機操作；功率合成網絡將16個末級組件輸出的功率進行功率合成達到系統所需的80kW功率輸出；風冷單元負責完成前置放大組件、末級功率放大組件及功率合成網絡的散熱需求。

圖3 射頻功率源系統框圖

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動功率。一個PIN開關，正常情況下為導通狀態，在發生反射過大故障時，快速（3μs以內）切斷信號輸入，保護末級放大管。

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，實現了53.5dB的高增益放大。根據圖中的增益分配及功率指標要求，前級組件主要包括了激勵放大、驅動放大、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行80kW的功率合成，射頻功率源中設計了16個末級放大組件，每一路設計功率輸出約為6kW。

末級放大組件中，由前置放大組件送進來的射頻信號經1：6分配器送入六個功放模塊，射頻信號經功放模塊放大至約1100W，六個功放模塊經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到的優勢，工作電壓高、效率高、熱阻具有負溫度系數，并且在該頻段的LDMOS功率管有多家供應商有成熟的產品，因此LDMOS功率管是該方案的最佳選擇［7～8］。功放模塊實物圖如圖 6。

圖6 功放模塊實物圖

射頻輸入輸出采用變壓器耦合，實現負載匹配。LDMOS功率管的輸出腳接LC串聯諧振以濾除三次諧波［9～10］。模塊輸出功率實測大于 1100W，如圖7所示。

圖7 功放模塊輸出功率波形圖

根據系統要求，在脈沖寬度范圍內功率頂降小于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，可根據下式計算：

取儲能電容容量為20000μF。

組件內的BITE主要完成組件內部主要功能單元的狀態檢測、故障保護以及對外通訊。

具體要求如下：

1）實時顯示各級功放工作狀態（如電壓、電流、輸出功率、溫度、功率）；

2）提供控制保護信號、故障信號指示；

3）提供遠程監控接口。

圖8 系統監控框圖

6 實驗結果

射頻功率源實物如圖9所示。

圖9 射頻功率源實物圖

射頻功率源（圖9中左側機柜）經同軸饋管，輸出80kW峰值功率到高壓隔離變壓器，經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檢波器在示波器上檢測出的2MHz波形圖。

實驗結果顯示，射頻功率源輸出功率等指標完全滿足要求。

圖10 實驗波形圖

7 結語

本文介紹了中國散裂中子源負氫離子源射頻功率源的設計和實驗情況。作為負氫離子源射頻耦合系統中的重要組成部分，射頻功率源具有高峰值功率，長脈寬，高可靠性等特點。實驗情況表明該功率源完全達到指標要求。該功率源已交付用戶，工作穩定可靠。