A Pulse Power Modulator with Extremely Flat-top Output Pulses for the Compact Linear Collider at CERN

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2015-12-11
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
287 + app. 13
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 196/2015
Abstract
This dissertation presents the design procedure and results of measurements on two prototypes for a high-stability pulse power modulator. Design and prototyping of the pulse modulator is a part of the feasibility study of Compact Linear Collider (CLIC) study. The CLIC design relies on Pre-Damping Rings (PDR) and Damping Rings (DR) to achieve the very low emittance through synchrotron radiation. The pulse power modulators for the DR kickers must provide extremely flat, high-voltage pulses. The final specifications of the 2 GHz baseline called for a 160 ns duration flat-top of 12.5 kV, 250 A, with a combined ripple and droop of not more than ±0.02 % of the output voltage, corresponding to ±2.5 V of absolute accuracy. The dissertation begins with a literature review to choose the topology for a high-precision pulse power modulator. A modulator based on solid-state switches, the inductive adder, has been selected as the most promising approach to meeting the specifications. This topology allows the use of both digital and analogue modulation techniques. Then, the electrical and mechanical design of the inductive adder are presented, especially for matching the output impedance of the modulator to a load. The reasoning for selecting the main components for an inductive adder is also covered. Simulation studies of applying different compensation methods for achieving the required pulse waveform for the CLIC DR extraction kicker system are also presented. Two prototype inductive adders were built to verify these methods experimentally. Finally, a design proposal is presented for a 12.5 kV inductive adder covering main components and preliminary simulation results. As the main results, the dissertation presents experimental verification of applying modulation methods to improve the pulse flat-top stability of a high-voltage pulse power modulator. These measurement were done with two built prototype inductive adders. The best measured relative accuracy for the pulse flat-top stability was ±0.05 % at 1.8 kV for 160 ns pulse flat-top duration, which corresponds to ±1 V of absolute accuracy. The dissertation shows that the required high stability for the CLIC DR extraction kicker inductive adder is very probably feasible with the developed design.

Väitöskirjassa esitetään suunnitteluaskeleet ja kaksi prototyyppilaitetta erittäin suuren tarkkuuden pulssiteholähteen toteuttamiseen. Tutkimus on osa Compact Linear Collider (CLIC) -kiihdyttimen toteutettavuustutkimusta. CLIC-hiukkaskiihdyttimessä käytetään esivaimennuspiirejä (Pre-Damping Ring) ja vaimennuspiirejä (Damping Ring), joilla saavutetaan synkrotronisäteilyä hyödyntäen erittäin alhainen hiukkassuihkun emittanssi. Vaimennuspiirien ohjausmagneetteja syöttävien pulssiteholähteiden täytyy tuottaa äärimmäisen tasalatvaisia korkeajännitteisiä pulsseja. Teholähteen vaatimukset vaimennuspiirin 2 GHz:n perustaajuudella toimivalle versiolle ovat seuraavat: 160 ns:n pituinen tasalatvainen pulssi 12.5 kV:n jännitteellä ja 250 A:n virralla, jonka yhdistetty amplitudin vaihtelu ja virran tai jännitteen alenema pulssin aikana saa olla korkeintaan ±0.02 % asetetusta arvosta. Tämä vastaa ±2.5 V:n absoluuttista tarkkuutta. Aluksi työssä esitetään kirjallisuuskatsaus topologian valitsemiseksi annettujen vaatimusten mukaan. Tämän perusteella pulssiteholähteen perusratkaisuksi on valittu puolijohdekytkimiin perustuva induktiivinen summain, koska summaimen ulostulojännitettä voidaan moduloida sekä digitaalisilla että analogisilla modulaatiomenetelmillä. Tämän jälkeen esitellään induktiivisen summaimen sähköinen ja mekaaninen suunnittelu sekä menetelmä summaimen lähtöimpedanssin asettamiseksi haluttuun arvoon. Työssä käsitellään myös yksityiskohtaisesti induktiivisen summaimen pääkomponenttien valinta sekä kompensointimenetelmiä, joilla induktiivisen summaimen ulostulojännitteen tarkkuutta voidaan parantaa. Työssä esitettyjä suunnittelumenetelmiä käyttäen on rakennettu kaksi 3.5 kV:n prototyyppilaitetta, joilla on kokeellisesti todistettu ulostulopulssin jännitteen aleneman ja korkeataajuisen vaihtelun aktiivinen suodatus. Lopuksi esitetään toteutussuunnitelma 12.5 kV:n induktiiviselle summaimelle sisältäen komponenttien valinnan ja alustavat simulointitulokset. Työn tärkein tulos on kokeellinen osoitus siitä, että induktiviisen summaimen ulostulojännitteen tarkkuuutta pystytään parantamaan modulaatiomenetelmiä käyttäen. Paras työssä saavutettu jännitepulssin tarkkuus oli ±0.05 % 1.8 kV:n jänniteellä, joka vastaa ±1 V:a absoluuttista tarkkuutta. Työssä on osoitettu, että CLIC-kiihdyttimen vaimennuspiirien ohjausmagneettien pulssiteholähteen vaatimusmäärittelyt voidaan hyvin todennäköisesti saavuttaa induktiivisella summaimella, joka rakennetaan väitöskirjassa esitettyjä suunnitteluperiaatteita noudattaen.
Description
Supervising professor
Ovaska, Seppo J., Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Barnes, Michael J., Dr., CERN, Geneva, Switzerland
Keywords
inductive adder, analogue modulation, droop compensation, ripple compensation, induktiivinen summain, analoginen modulaatio, jännitteen aleneman kompensointi, jänitteen vaihtelun kompensointi
Other note
Citation