中国散裂中子源负氢离子源射频功率源的研制∗

（中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088）

1 引言

中国的散裂中子源（CSNS）采用质子直线加速器+快循环同步加速器方案。图1为CSNS的结构框图。由离子源（IS）产生的负氢离子（H-）束流，通过射频四极加速器（RFQ）聚束和加速后，由漂移管直线加速器（DTL）把束流能量进一步提高到80MeV，负氢离子经剥离注入到快循环同步加速器（RCS）中，把束流加速到最后能1.6GeV。从环引出的功率为100kW的质子束流经传输线打向钨靶，在靶上产生的散裂中子经慢化，再通过中子导管引向谱仪，供用户开展实验研究［1～2］。

本文介绍了用于驱动前端负氢离子源的2MHz/80kW射频功率源的研制和实验情况。2MHz/80kW射频功率源是CSNS前端离子源的重要组成部分，其性能直接关系到离子源工作的可靠性。功率源系统要长时间在电磁环境相对恶劣的条件下运行，从“安全、稳定、可靠、长寿命、便于维护”的原则出发，功率源采用全固态射频放大器方案。

图1 CSNS结构框图

2 射频功率耦合系统

图2 射频耦合系统框图

3 射频功率源

射频功率源在2MHz频段要实现80kW的高功率，传统的方案是采用微波三四极管的方案，采用该方案，技术相对较成熟，负载阻抗变化适应性强，成本相对较低，但也存在调谐复杂，可靠性较低，使用维护不便等缺点，同时微波管需要进口，后期维护成本较高。

随着微波功率器件制造水平的不断提高和固态发射技术的不断发展及完善，在X波段以下射频/微波固态功率源系统采用全固态技术已成为趋势。一般情况下，固态射频放大器系统适用于高工作比和长脉冲的工作方式，具有工作电压低、可靠性高、维修性好、全寿命周期费用低和机动性好等优点。因此射频功率源采用全固态射频放大器系统［5～6］。

射频功率源框图如下，主要技术指标为

频率范围：1.9MHz～2.1MHz

脉冲重复频率：25Hz

脉冲持续时间：1.1ms（max）

输出峰值功率：≥80kW

射频功率源在功能单元上包括：1个前置放大组件、16个末级功率放大组件、配电单元、控制通讯单元、风冷单元及大功率合成网络等。

前置放大组件完成系统输入到16个末级功率放大组件所需的输入功率的放大功能；16个末级功率放大组件完成60W功率输入到6kW输出的功率放大，同时组件内的BITE单元可实现功率组件的状态检测和保护；配电单元完成外部AC380V配电到系统需求的多路电源供给；控制通讯单元完成发射系统内各功能单元的状态信息采集，同时与主监控进行信息交换实现系统开关机操作；功率合成网络将16个末级组件输出的功率进行功率合成达到系统所需的80kW功率输出；风冷单元负责完成前置放大组件、末级功率放大组件及功率合成网络的散热需求。

图3 射频功率源系统框图

4 前置放大组件

前置放大组件的作用是为16个末级功率放大组件提供足够的驱动功率。一个PIN开关，正常情况下为导通状态，在发生反射过大故障时，快速（3μs以内）切断信号输入，保护末级放大管。

前置放大组件的增益分配及功能框图如图4所示。

图4 前置放大组件框图

前级组件将7dBm的微波小信号放大至约60.5dBm（1100W），它由三级功率放大单元组成，实现了53.5dB的高增益放大。根据图中的增益分配及功率指标要求，前级组件主要包括了激励放大、驱动放大、末级放大、BITE等部件。

5 末级功率放大组件

末级功率放大组件输出的功率直接用来进行80kW的功率合成，射频功率源中设计了16个末级放大组件，每一路设计功率输出约为6kW。

末级放大组件中，由前置放大组件送进来的射频信号经1：6分配器送入六个功放模块，射频信号经功放模块放大至约1100W，六个功放模块经六合一合成器合成输出约6kW。末级放大组件框图如图5所示。

图5 末级放大组件框图

末级组件使用的功放模块要求功率输出大于1100W，LDMOS功率管在该频段、功率量级上具有其独到的优势，工作电压高、效率高、热阻具有负温度系数，并且在该频段的LDMOS功率管有多家供应商有成熟的产品，因此LDMOS功率管是该方案的最佳选择［7～8］。功放模块实物图如图 6。

图6 功放模块实物图

射频输入输出采用变压器耦合，实现负载匹配。LDMOS功率管的输出脚接LC串联谐振以滤除三次谐波［9～10］。模块输出功率实测大于 1100W，如图7所示。

图7 功放模块输出功率波形图

根据系统要求，在脉冲宽度范围内功率顶降小于10%，即电源电压顶降小于5%，电源电压为50V，微波管脉冲电流35A，脉冲宽度最大1.3ms，可根据下式计算：

取储能电容容量为20000μF。

组件内的BITE主要完成组件内部主要功能单元的状态检测、故障保护以及对外通讯。

具体要求如下：

1）实时显示各级功放工作状态（如电压、电流、输出功率、温度、功率）；

2）提供控制保护信号、故障信号指示；

3）提供远程监控接口。

图8 系统监控框图

6 实验结果

射频功率源实物如图9所示。

图9 射频功率源实物图

射频功率源（图9中左侧机柜）经同轴馈管，输出80kW峰值功率到高压隔离变压器，经高压隔离变压器耦合输出到阻抗变换器。

图10（a）为功率源输出功率经耦合器在频谱仪上检测出的峰值功率，耦合器耦合度为67dB。图10（b）为功率源输出功率经检波器在示波器上检测出的2MHz波形图。

实验结果显示，射频功率源输出功率等指标完全满足要求。

图10 实验波形图

7 结语

本文介绍了中国散裂中子源负氢离子源射频功率源的设计和实验情况。作为负氢离子源射频耦合系统中的重要组成部分，射频功率源具有高峰值功率，长脉宽，高可靠性等特点。实验情况表明该功率源完全达到指标要求。该功率源已交付用户，工作稳定可靠。