Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали и сдали в эксплуатацию твердотельный модулятор индукционного типа микросекундного диапазона мощностью более 100 МВт. Это источник питания для клистрона – устройства, которое производит сверхвысокочастотную энергию для некоторых научных установок. Созданный модулятор способен в импульсном режиме – вплоть до нескольких микросекунд – выдавать более 100 МВт, что составляет примерно ¼ мощности новосибирской ГЭС. При столь колоссальной мощности модулятор компактен – его размер сопоставим с платяным шкафом. При этом устройство настолько безопасно, что допустима работа в непосредственной близости от него. Созданный модулятор будет питать линейный ускоритель синхротрона СКИФ (ЦКП «СКИФ»), а его следующие версии планируется использовать в питании собственных установок института. Ученый совет ИЯФ СО РАН признал эту разработку лучшей в 2022 году.

Модулятор – это устройство, которое формирует заданный импульс высокого напряжения. Основные элементы модулятора – накопитель электрической энергии и твердотельный полупроводниковый ключ, который формирует импульс. Чем выше напряжение, тем сложнее сделать надежный ключ.

Модулятор индукционного типа позволяет получать высокое напряжение, используя при этом большое количество относительно низковольтных ключей. Импульсы напряжения, которые формируются этими низковольтными ключами, суммируются при помощи индукторов. Индукционная система представляет набор одновитковых импульсных трансформаторов с общим вторичным витком, на котором формируется высоковольтный импульс. Он и используется для питания клистрона. Клистрон, в свою очередь, преобразовывает полученную энергию в сверхвысокочастотную, то есть из непрерывного тока делает ток, который имеет частоту колебаний около 3 гигагерц. Клистрон – это усилитель энергии электронов в энергию СВЧ колебаний. Небольшая СВЧ мощность, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается до 5 порядков по мощности.

Модуляторы с похожими характеристиками в 2000-х гг. пытались изготовить сотрудники двух ускорительных центров – SLAC (США) и KEK (Япония). Разработка SLAC (США) не была принята в эксплуатацию по причине низкого показателя надежности, а в разработке KEK (Япония) не были достигнуты запланированные технические характеристики. Твердотельный модулятор ИЯФ СО РАН имеет ряд преимуществ.

«У нашего модулятора есть два основных отличия, которые определили его надежность и компактность, – пояснил заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Петр Бак. – В устройствах предыдущего поколения энергия накапливается в конденсаторах, после чего силовыми ключами подается на нагрузку. В этом случае, чтобы сформировать импульс напряжения требуемой длительности, необходимо выключить ключи в тот момент, когда через них все еще протекают килоамперные токи. Это «жесткий» режим коммутации ключей, во время которого снижается их надежность. Мы же применили в качестве накопителей энергии формирующие линии. Их особенность заключается в том, что они настроены на определенную длительность рабочего импульса, и когда из них выходит вся энергия, то электрический ток практически прекращается, и происходит «мягкая» коммутация ключей. Кроме того, если в схеме происходит электрический пробой, формирующие линии сами по себе ограничивают ток, поэтому его негативное воздействие на устройство снижается. Второе отличие – это использование твердотельных ключей, то есть транзисторов, вместо газоразрядных тиратронов. Они работают надежней и стабильней. Попытки изготовления подобных модуляторов были в научных центрах Японии и США, но при создании этих образцов не удалось добиться надежной работы твердотельных ключей. Добиться надежной работы нашего модулятора нам помогло как раз использование формирующих линий в качестве накопителей энергии и реализованное нами простое схемотехническое решение балансировки токов, протекающих через каждый силовой ключ. Кстати, и в процессе отладки оборудования, и в аварийных ситуациях, и при первых включениях модулятора мы не повредили ни одного силового ключа».

В настоящий момент основным «заказчиком» модулятора в ИЯФ СО РАН является команда института, которая работает над созданием линейного ускорителя для ЦКП «СКИФ». В линейном ускорителе формируется пучок электронов и ускоряется до 200 мегаэлектронвольт. Без современного и надежного модулятора (и клистрона, частью которого является модулятор) работа этой установки невозможна.

«Модулятор должен выдавать импульсную мощность больше 100 МВт, – пояснил заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Левичев, – и обычно она запасается в конденсаторах в виде электрической энергии. Но высокое напряжение – это всегда опасно, неприятно и сопряжено со множеством проблем. Модулятор ИЯФ сделан на основе индукционного сумматора напряжения. Это значит, что на элементах каждого индуктора напряжение одинаковое и в N раз по числу индукторов ниже, чем выходное напряжение на получаемое на вторичном витке, который надежно скрыт внутри индукторных секций. Такой принцип сильно упрощает работу с этим устройством. Например, прямо сейчас в процессе отладки оборудования шкаф модулятора открыт, вокруг него можно ходить, и это безопасно. С прошлым модулятором подобное было невозможно, потому что часть элементов модулятора находилась под напряжением 50 киловольт. Кроме того, удобна его компактность. Размеры модуляторов старого типа составляют примерно 5 метров в длину, 2 в ширину и 2 в высоту – это практически комната в комнате, внутри которой можно ходить. Новый модулятор выполнен в объеме меньшем в пять раз».

В линейном ускорителе инжектора СКИФ планируется использование трех клистронов (и соответственно – трех модуляторов). В дальнейших планах – переоснащение новыми клистронами ускорительной инфраструктуры ИЯФ СО РАН. Топология индукционного модулятора очень универсальна и способна удовлетворить требования многих приложений импульсных устройств, формирующих импульсы большой мощности с короткими фронтами.

«Для Инжекционного комплекса ВЭПП-5 мы просто обязаны сделать новые твердотельные модуляторы, действующим много лет, они физически устарели. Тем более, при создании модулятора для клистрона СКИФ мы многому научились. А в будущем мы сможем масштабировать нашу разработку и создавать уникальные устройства в микросекундном диапазоне», – прокомментировал Петр Бак.

«Создать такой модулятор с точки зрения физики было не так сложно, – отметил ведущий инженер ИЯФ СО РАН Сергей Вощин, – у специалистов нашего института было понимание, как это сделать. А вот с точки зрения техники были определенные трудности. В разработке воплощена оригинальная конструкция и инженерная работа, решены вопросы компоновки и размещения оборудования. На разработку и создание модулятора у нас ушел примерно год. Модуляторы широко используются не только при создании научных установок, но и в промышленности. Перед нами стояла задача не просто создать модуляторы для линейного ускорителя СКИФ, но и освоить технологию производства таких устройств в целом. Производителей твердотельных модуляторов индукционного типа в мире не так много, и теперь мы тоже входим в это число. Чтобы довести разработку до коммерческого уровня, нам необходимо усовершенствовать систему управления и автоматизацию».

Изготовление ключевых элементов модулятора велось в сотрудничестве с такими российскими организациями, как Бердский электромеханический завод, Новосибирский завод конденсаторов и Санкт-Петербургский государственный технологический институт.

Источник: ИЯФ СО РАН.