Inductive Adder for Driving Kicker Magnets Terminated in a Short-Circuit

Im Teilchenbeschleunigerkomplex des CERN werden schnell gepulste Magnetsysteme für den Transfer des Teilchenstrahls zwischen den Beschleunigerstufen eingesetzt. Transmission-line-type Kicker-Magnete werden in vielen dieser Systeme verwendet, um die geladenen Teilchen mit Hilfe eines gepulsten Magnetfelds abzulenken, das einen wohldefiniert flachen Verlauf und eine schnelle Anstiegs- und Abfallzeit aufweist. Einige transmission-line-type Kicker-Magnete haben eine Kurzschluss-Terminierung, um bei gegebener Systemimpedanz, Aperturgröße und Magnetlänge durch Verdoppelung des Stroms im Kicker-Magnet eine doppelt so starke Ablenkung des Teilchenstrahls zu erzielen. ... mehr
Die derzeit zur Ansteuerung dieser Kicker-Magnete verwendeten Impulsgeneratoren auf der Basis von pulsformenden Leitungen oder pulsformenden Netzwerken und Thyratronschaltern sollen in naher Zukunft ersetzt werden, da die verwendeten Thyratronschalter veraltet sind und das in den pulsformenden Leitungen verwendete SF6-Gas die Umwelt belasten kann.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmals die Grundlagen erarbeitet, um zu zeigen, dass mit einem induktiven Spannungsaddierer eine Ansteuerung eines transmission-line-type Kicker-Magneten mit Kurzschluss-Terminierung möglich ist und dies eine vielversprechende Alternative zur veralteten Technik darstellt.
Um die Wanderwelle zu beherrschen, die vom Kurzschluss zurück in den induktiven Spannungsaddierer reflektiert wird, wurde im Rahmen eines neuen Entwurfsansatzes ein Zweigmodul entworfen und aufgebaut. Aufgrund der auftretenden Signalreflexion verfügt das Zweigmodul über eine neuartige Topologie mit zwei unabhängig voneinander gesteuerten Halbleiterschaltern. Dies ermöglicht es, zunächst Energie in das Verbindungskabel und den Kicker-Magneten einzuspeisen, dann den resultierenden Strom in einem Freilaufintervall zirkulieren zu lassen und schließlich die Energie am Ende des Impulses zu absorbieren.
Diese neue Betriebsart ermöglicht es, die Querschnittsfläche der magnetischen Kerne des induktiven Spannungsaddierers nur nach der doppelten Signallaufzeit in der Last zu bemessen, die aus dem Verbindungskabel und dem transmission-line-type Kicker-Magneten besteht. Dadurch kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung die Querschnittsfläche der magnetischen Kerne für die üblichen Betriebsfälle deutlich reduziert werden, da die Kernquerschnittsfläche nun nicht mehr für die gesamte Impulslänge ausgelegt werden muss. Darüber hinaus ist im Gegensatz zu einem konventionellen Entwurf ein Betrieb mit höherer Pulswiederholrate möglich, da mit der neuen Betriebsart ein Zurücksetzen der magnetischen Kerne nicht erforderlich ist.
Wesentlich für die Anwendung ist, dass die Schaltvorgänge für die gepulste Energieeinspeisung und -entnahme durch den induktiven Spannungsaddierer zu genau definierten Zeitpunkten stattfinden, die durch die Signallaufzeiten in der Last festgelegt sind. Die hierfür erforderlichen kurzen Schaltzeiten konnten durch die Implementierung eines Gate-Boosting-Betriebs von SiC-MOSFETs erfüllt werden. Dabei wurden Anstiegszeiten von Spannung und Strom von 5 ns bei einer Spannung von 1.2 kV und einem Strom von 120 A für ein Zweigmodul erzielt.
Das Zweigmodul und die neue Betriebsart wurden erfolgreich mit einer Ersatzlast mit Kurzschlussterminierung getestet. Die Versuchsergebnisse bestätigen die Vorteile des neuartigen Entwurfs, des Schaltungskonzepts für das Zweigmodul und der neuen Betriebsart.

In the CERN particle accelerator complex, fast pulsed magnet systems are used to transfer the particle beam between accelerator stages. Transmission line type kicker magnets are used in many of these systems to deflect the charged particles using a magnetic field pulse with a well-defined flat top and a fast rise and fall time. Some kicker magnets are terminated with a short-circuit for the advantage of twice the kick-strength for a given system impedance, aperture size, and magnet length, due to the doubling of the current in the kicker magnet.
The pulse generators based on pulse forming lines or pulse forming networks and thyratron switches, currently used to drive these kicker magnets, should be replaced in the near future, due to the obsolescence of the thyratron switches employed and because of the environmental impact of SF6 gas which is used in the pulse forming lines.
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As a promising alternative, an inductive adder for driving these kicker magnets terminated in a short-circuit is investigated in this work.
In order to deal with the wave reflected from the short-circuit back into the inductive adder, as part of a new design approach, a specifically tailored branch module has been designed and built. To account for the reflection at the short-circuit, the branch module features a novel topology with two independently controlled semiconductor switches. This allows to first inject energy into the connecting cable and the kicker magnet, then to circulate the resulting current in a free-wheeling interval, and, finally, to absorb the energy at the end of the pulse.
This new mode of operation makes it possible, to design the cross-sectional area of the magnetic cores of the inductive adder according to only twice the signal propagation time along the connecting cable and the kicker magnet, rather than according to the whole pulse length as in a conventional design. This allows for a significant reduction in the cross-sectional area of the magnetic cores for the usual operating cases. In addition, in contrast to a conventional design, an operation at a higher pulse repetition rate is possible, as a reset of the core is not required with the new mode of operation.
It is essential for the application that the operation of the switches for the pulsed energy injection and extraction by the inductive adder results in steep edges at exactly defined times, which are determined by the signal propagation times in the connecting cable and the kicker magnet. These requirements have been met by implementing the gate boosting operation of SiC MOSFETs, resulting in a rise time of both voltage and current of 5 ns for a voltage of 1.2 kV and a current of 120 A per branch module.
The branch module and the new mode of operation have been tested successfully with a short-circuit terminated replacement load. The experimental results confirm the advantages of the novel design, the circuit concept of the branch module and the new mode of operation.