320kV回旋加速器引出段高压静电偏转板电源

在回旋加速器，特别是中能强流回旋加速器中，如何将束流在真空室内加速至预定能量后，高效、纯净且低发射度增长地引出，是涉及束流物理与工程技术的关键环节。静电偏转板作为一种常见的引出元件，通过在束流路径外侧施加极高的直流电压，产生一个垂直于束流方向的强静电场，使带电粒子运动轨迹发生偏转，从而使其穿出加速器真空室壁上的薄窗或通道，进入下游的束流输运线。为这些偏转板供电的高达320kV的直流高压电源，其性能直接决定了引出束流的效率、位置稳定性以及能散度，是加速器能否稳定输出高品质束流的关键子系统之一。

静电偏转板通常由一对或多对平行的金属板构成，安装于加速器Dee盒外侧的引出半径处。当束流粒子经过偏转板间隙时，施加在偏转板上的高压产生一个横向电场，对粒子施加一个横向冲量，使其轨道曲率半径减小，从而逐渐偏离平衡轨道，最终从加速器中引出。对于320kV这样的高压等级，其设计目标通常是为了满足中能质子或重离子加速器的引出需求。该高压电源的挑战不仅在于提供稳定的高压，更在于应对负载的特殊性、加速器内部的复杂电磁环境以及极高的可靠性要求。

首先，负载特性呈现为一个大容性负载与动态电阻的并联。偏转板本身构成一个平板电容器，其电容量可能达到数百皮法。电源在启动时必须对这个电容进行充电，如果充电电流过大或不受控，可能导致电压过冲，损坏偏转板绝缘或引起真空放电。更重要的是，在束流实际引出过程中，当高能粒子束穿过偏转板间隙时，会通过电荷感应效应在偏转板上产生一个瞬态的镜像电流。这个电流的大小和波形与束流的脉冲结构（宏观脉冲和微观脉冲）、流强及位置密切相关。对于直流或长脉冲束流，它相当于一个动态变化的负载电流；对于脉冲束流，它则是一系列快速电流脉冲。电源必须能够吸收或提供这个动态电流，而保持偏转板上的电压稳定不变。任何电压的瞬间跌落（由于电源无法及时补充电荷）都会导致偏转电场波动，使束流轨迹发生抖动，影响引出效率和束斑稳定性。

因此，电源必须具备极快的动态响应能力和极低的输出阻抗。传统的基于工频变压器和线性调整管的电源，其带宽有限，难以满足要求。现代设计通常采用高频开关技术结合大容量缓冲。具体而言，一个稳定的中压直流源通过高频逆变产生交流，经高频变压器升压和多级倍压整流得到320kV直流。关键在于输出级的设计：必须并联一个容量足够大、低电感的高压储能电容组，作为局部的“电荷水库”，能够瞬间吸收或提供束流感应电流，从而将电压波动抑制在允许范围内（通常要求优于0.1%）。同时，电压反馈环路的采样点必须尽可能靠近偏转板，反馈信号通过高精度、高带宽的分压器获取，并通过光纤隔离传输给控制电路。控制环路的带宽需要尽可能高，以达到对动态扰动的最佳抑制效果。

其次，是高压绝缘与局放控制。320kV直流高压在加速器真空室内部分布于偏转板及其馈线上。真空室内并非完美真空，存在微量的残余气体，在高电场下可能发生场致发射或真空击穿。电源的输出电压纹波必须极低，因为任何交流分量都可能降低气体的实际击穿阈值。电源本身及外接高压电缆、穿墙套管都必须进行彻底的防电晕处理，所有连接件和电极表面需光滑无毛刺，必要时要采用均压环或电极倒角来平滑电场分布。在电源出厂和安装后，需要进行长时间的老练测试，逐步升高电压至额定值并保持，以消除绝缘弱点。

第三，是精密控制与束流同步。偏转电压的设定值需要根据被引出束流的种类、能量进行精确计算和设定。电源的设定精度和分辨率需达到万分之一以上。在某些运行模式下，可能需要根据束流诊断设备（如引出束流强度探测器）的反馈，对偏转电压进行微调，以优化引出效率。对于脉冲式运行的加速器，偏转电压可能需要与加速器的射频主脉冲或注入脉冲精确同步，在特定时间段才施加高压。这就要求电源具备外部触发和快速建立/撤销高压的能力，建立时间可能要求在毫秒甚至更短。

此外，系统的可靠性与保护功能至关重要。回旋加速器是连续运行的大型科研或医疗装置，高压电源的故障会导致整个实验或治疗中断。因此，电源需采用冗余设计或N+1备份模式。必须具备完善的保护功能：包括输出过压过流保护、偏转板打火检测与快速能量泄放保护（撬棒电路）、绝缘气体压力监测、水温监测等。一旦检测到偏转板间隙发生火花放电（通常伴随电流尖峰和紫外光辐射），保护电路必须在数十微秒内动作，将高压降至安全水平，并安全耗散储能电容中的能量，以限制放电能量，保护昂贵的偏转板表面不被烧蚀。

320kV回旋加速器引出段高压静电偏转板电源，是连接加速器真空内部与外部束流线的“电控转向舵”。它以极高的电压精度和动态稳定性，将看不见的静电场化为操控高能粒子束流向的精准力手，其性能的优劣，直接关系到引出束流的品质和可用性，是回旋加速器发挥其作为强大粒子源作用的核心技术保障之一。