一种用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法

1.本发明涉及一种加速器技术领域，特别是关于一种用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法。


背景技术：

2.固态功率源系统由于具有工作电压低、性能稳定可靠、故障率低、易于维护且维护成本低等特点，近年来在加速器领域得到了越来越广泛的应用，尤其在超导加速器的应用中，固态功率源可以每个功率插件都承受全反射功率的特点使得它的优势更加的突出。
3.众所周知，高功率合成很难内置隔离和平衡器件，尤其是超导加速器的功率源更加困难，由于其长期的高驻波运行工况和不确定的反射相位两个问题叠加，这都对故障的功率插件的热插拔带来了极大的困难(热插拔，就是带反射功率情况下的功率插件的更换)。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法，其能实现安全、稳定、可靠的固态功率插件的热插拔。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法，其包括：将多个热插拔功放模块内部的隔离组件外延至功率合成器一侧，保证插拔模块的瞬间，功率合成器的端口始终是匹配的；隔离组件包括环形器和吸收负载；各热插拔功放模块与功率合成器内相应的隔离组件采用插拔结构实现连接，水冷却器用于吸收反射回热插拔功放模块内的热耗；各热插拔功放模块内的水冷却器与冷却水总管连接后，由设置在外部的冷却控制器控制各水冷却器工作，实现散热功能。
6.进一步，通过多个并联的热插拔均流电源为所述热插拔功放模块提供直流功率。
7.进一步，所述热插拔功放模块的输出端与所述环形器的输入端口连接，所述环形器的第三端口与所述吸收负载直接连接，所述环形器的第二端口与所述功率合成器的输入端口连接。
8.进一步，所述功率合成器采用无电缆的空气悬带合成器。
9.进一步，所述水冷却器经冷却水总管分别将冷却水传送至热插拔功放模块和功率合成器内的隔离组件。
10.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
11.1、本发明为国内首次在超导加速器功率源上提出的“热插拔”概念并采用实施，有利于特殊工况的束流稳定性需求——可长期运行并带载更换功率插件。
12.2、本发明将高功率强驻波下的热插拔实现成为可能。
13.3、本发明采用的电磁兼容设计，功率插件采用金属结构；插拔瞬间的微波泄露安全可控。
附图说明
14.图1是本发明一实施例中用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法整体结构示意图；
15.图2是本发明一实施例中用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法详细结构示意图。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
18.如果不采用任何措施，带有反射的功率合成器在某个端口失效后，负载正常的情况下，该端口还是匹配状态，但是功率承受可能是原来输出的3倍左右。如果要更换该故障模块，在插拔瞬间将会视现场的超导腔反射波长和合成器失配叠加情况，极端情况下可能会给失效端口带来差不多20倍的功率冲击，会严重的损毁功率源设备。
19.故本发明提供一种用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法，是关于固态功率源的功放模块在超导加速器(强驻波)应用场合下的热态插拔方法的实现，基于正常工况下不停机进行故障功率插件的更换。本发明可以在反射功率(高驻波)下的功率插件的带反射功率的插拔实施方案，隔离性能突出且具备可实现性。
20.本发明安全可靠的解决了现有技术中的问题，即在高功率传输的任意相位全反射情况下的插拔瞬间能抵御负载失配。固态功率源运行(包括带载超导腔)时，可插拔某一或某几个失效功放模块，输出功率无明显变化(幅度稳定系统闭环情况下)，设备保持稳定运行。而且固态功率源机柜内在某一个或某几个功放模块故障的情况下，从插件看本端口失效；但从功率合成器看过去，端口还能始终保持匹配状态；对故障插件而言，无需设置开关等关断装置，只需通过后连接器的长短针设计即可保证插拔瞬间的安全可靠，省事省力。本发明采用的功放模块、匹配部件及合成器的一体化水冷设计，保证高驻波情况下的能量吸收安全可靠，结构合理。
21.在本发明的一个实施例中，提供一种用于超导加速器的固态功率插件的热插拔方法。本实施例中，采取合成器就近隔离的实现方法，具备水冷隔离器的能力，可拆卸可插拔，可带反射功率插拔，如图1、图2所示，该方法包括以下步骤：
22.1)将多个热插拔功放模块内部的隔离组件外延至功率合成器一侧，这样可以保证插拔模块的瞬间，功率合成器的端口始终是匹配的，避免了短路和相位对插拔瞬间状态的影响。其中，隔离组件包括环形器和吸收负载。
23.隔离组件外移至合成器内一侧，这个移动并不简单，本发明将原来功放模块内部的环形器和负载采用分离式设计，设计高功率微波传输(过长引线导致较高的电感)、s参数
匹配，以及可拆卸水冷模组设计。
24.其中，s参数是射频微波理论里的散射参数，指不同端口电压之间的比值，是衡量射频系统反射、传输、损耗和匹配的重要参数。
25.2)各热插拔功放模块内都设置有射频输入、射频输出、控制器和水冷却器，与功率合成器内相应的隔离组件采用插拔结构实现连接，水冷却器用于吸收反射回热插拔功放模块内的热耗。
26.3)各热插拔功放模块内的水冷却器与冷却水总管连接后，由设置在外部的冷却控制器控制各水冷却器工作，实现散热功能。
27.上述实施例中，通过多个并联的热插拔均流电源为热插拔功放模块提供直流功率，通过汇流排和之后的连接器将电流送入每个功放模块。
28.上述实施例中，热插拔功放模块的输出端与环形器的输入端口连接，环形器的第三端口与吸收负载直接连接。环形器的第二端口与功率合成器的输入端口连接。在本实施例中，为了维护和可靠性，功率合成器采用无电缆的空气悬带合成器。
29.上述实施例中，水冷却器经冷却水总管分别将冷却水传送至热插拔功放模块和功率合成器内的隔离组件。传送至功率合成器隔离组件的，其水路与吸收负载的下端连接，但无需插拔。
30.本实施例中，水冷却器的接入主要是给没有液冷需求的合成器新引入一路液冷，为了环形器和负载的冷却，难点就是与功放模块液冷通道是同一个冷却水水总管。本发明利用不同管径来控制流阻满足整机的稳定需求，在极端分水不均的情况下可能会造成严重的烧毁事故。
31.使用时，通过热插拔功放模块可以在插拔瞬间一次性全部脱离合成器，此时由于隔离组件的缘故，不管是否腔体带有反射功率，脱离后的端口始终是50ω匹配状态，反射回来的功率会被吸收负载完全吸收，环形器的插损和负载的热耗都被冷却水带走，对失效端口和插拔的插件都是一种积极的保护，从而保证设备的可靠和安全。
32.上述实施例中，本发明采用隔离组件的外延主要考虑的就是高功率的射频连接,其由于特殊的结构和高功率高重频的特点，需要进行特殊的射频信号的隔离和传输设计，接口需要考虑屏蔽和辐射问题，环形器由于长线电感的引入，也需要进行特别的s参数优化设计，难度较高，但具备可行性。
33.上述实施例中，本发明通过热插拔功放模块与功率合成器内相应的隔离组件采用插拔结构连接，实现了可维护性，便利性和可靠性，这种结构采用长短针连接器、带导向射频传输连接器和可插拔自密封水连接器可实现。
34.上述实施例中，本发明mtbf的改进，该方案的最大劣势就是合成器隔离组件的可靠性可能会拖累整个系统的正常运行，例如吸收负载损毁或者环形器故障等。因此，本发明采用更高功率余量的吸收负载(2倍功率冗余，故障率大大降低)和引入环形器的温度动态补偿(环形器工况始终最优，超低反射和损耗，以提高其寿命)来解决这两个薄弱器件的可靠性。
35.由于环形器是温度敏感器件，在高功率下其射频特性受温度影响很大，本发明利用外接电压始终反馈控制环形器的工作状态，使其一直保持在最优的工作状态，降低损耗，提高匹配特效。一般而言，频率越低功率越大的环形器都需要进行动态补偿。
36.综上，本发明采用改进的合成器，带基本的隔离性能或可以最小化反射功率的叠加，通过负载的引出和冷却实现隔离。通过与合成器就近隔离，有效的解决了现有技术中存在的问题。本发明具有隔离输出、全程可承受全反射工况以及满足emc等优点。
37.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。