Pulse power modulator development for CERN's compact linear collider

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Licentiate thesis

Authors

Date

2014

Department

Sähkötekniikan ja automaation laitos

Major/Subject

Tehoelektroniikka

Mcode

S-81

Degree programme

Language

en

Pages

vii + 86 s.

Series

Abstract

This thesis presents the design steps and a prototype for a high precision pulse power modulator. 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 specifications of the 2 GHz baseline called for a 160 ns duration flattop of 12.5 kV, 250 A, with a combined ripple and drop of not more than +-0.02 %. In the beginning of the thesis, a literature review is presented 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 is 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. The thesis also presents simulation studies of applying different compensation methods for achieving the required pulse waveform for the CLIC DR extraction kicker system. The design methods have been verified by building a prototype inductive adder and testing it with up to 1.4 kV output voltages. The simulations studies and the initial measurements have shown that the required high precision for CLIC DR kicker inductive adder is very probably feasible with the developed design.

Työssä esitetään suunnitteluaskeleet ja prototyyppilaite erittäin suuren tarkkuuden pulssiteholahteen toteuttamiseen. Pulssiteholähteen prototyypin suunnittelu ja toteutus 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 hiukkasuihkun emittanssi. Vaimennuspiirien ohjausmagneetteja syöttävien pulssiteholähteiden täytyy tuottaa äärimmäisen tasalatvainen korkeajännitteinen pulssi. Teholahteen vaatimukset vaimennuspiirin 2 GHz:n perustaajuudella toimivalle versiolle ovat seuraavat: 160 ns 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. Aluksi työssä esitetään kirjallisuuskatsaus topologian valitsemiseksi annettujen vaatimusten mukaan. Tämän perusteella pulssiteholähteen perusratkaisuksi on valittu puolijohdekytkimiin perustuva induktiivinen summain, koska summaimen ulostuloa voidaan moduloida sekä digitaalisilla että analogisilla modulaatiomenetelmillä. Tämän jälkeen esitellään induktiivisen summaimen sähköinen ja mekaaninen suunnittelu ja summaimen lähtöimpedanssin asettaminen haluttuun arvoon. Työssä käsitellään myös yksityiskohtaisesti pääkomponenttien valinta induktiivisen summaimeen sekä esitellään kompensointimenetelmä, joilla induktiivisen summaimen ulostulon tarkkuutta voidaan parantaa. Työssä esitettyjä suunnittelumenetelmiä käyttäen on rakennettu prototyyppilaite, jolla on tuotettu 1.4 kV jännitepulsseja. Simuloinneilla ja prototyyppilaitteella tehdyillä mittauksilla on osoitettu, että CLIC-kiihdyttimen vaimennuspiirien ohjausmagneettien pulssiteholähde voidaan hyvin todennäköisesti toteuttaa samoja suunnitteluperiaatteita käyttäen,

Description

Supervisor

Ovaska, Seppo

Thesis advisor

Barnes, Michael

Keywords

pulssiteholähde, induktiivinen summain, ohjausmagneettijärjestelmä, CLIC, toteutettavuustutkimus, pulse power modulator, inductive adder, kicker system, feasibility study

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201507013635

Collections

[lic] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC