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Inductive Adder for the FCC Injection Kicker System

Woog, David Gerd (2020):
Inductive Adder for the FCC Injection Kicker System.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011726,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Inductive Adder for the FCC Injection Kicker System
Language: English
Abstract:

This thesis presents the design, construction, assembly and measurements of an inductive adder (IA) type pulse generator. The IA was built for the future circular collider (FCC) study to investigate the possibility of a fast, high current, high voltage and reliable pulse generator for use in the injection kicker systems. In addition, the possibility of utilizing this technology as part of the injection system of an existing particle accelerator, with a generator voltage of up to 40 kV, is born in mind during the studies for the FCC injection IAs. Kicker magnets are used in particle accelerators to deflect the beam for example during the injection process, to place the injected beam onto the central orbit of a circular accelerator. In order to achieve a high reliability for the FCC, it is necessary to replace the thyratrons presently used in the pulse generators of the kickers systems by pulse generators based on solid-state technology. Solid-state switches are a promising alternative to thyratrons for pulsed power applications. Recent developments have increased the current and voltage ratings of power semiconductors and make it possible to use them for high current and voltage solid state pulse generators. The IA is a promising technology for generating high voltage and high current pulses: it consists of many ground-referenced layers, to achieve the high voltage, and many parallel connected solid state switches to achieve the high current capability. An IA with demanding specifications as required for the FCC injection kicker system has never been built so far. The main challenge for such an IA is the combination of 2.4 kA and 15 kV output waveform, 2.3 μs flattop duration, 6.25 Ω system impedance and a short current rise time of approximately 75 ns (0.5 %-99.5 %). Based on these demanding requirements, an inductive adder was designed and simulated. The specifications for the main components of the IA were defined and sample components were ordered and tested. In addition to off-the-shelf components, such as SiC MOSFETs and gate drivers, some components required a custom made design e.g. pulse capacitors and magnetic cores. After the components were selected, based on detailed analyses of tests and measurements, the hardware structure was designed and manufactured and a prototype IA was assembled. To obtain fast rise times, the height of the mechanical structure was reduced, by applying biasing to the magnetic cores, which made it possible to decrease the required volume of magnetic material in half. An oil insulation was selected to insulate the 15 kV output voltage and realise the low characteristic impedance of 6.25 Ω while keeping the diameter of the magnetic cores within an acceptable range. The principle of passive analogue modulation, together with biasing to reduce the flattop droop was proven. The required output voltage of 15 kV was achieved for a load impedance of 50 Ω with a pulse length of 2.32 μs. The specified layer output current of 2.4 kA was demonstrated with the nominal layer output voltage of 1 kV. Furthermore, a theoretical approach to use the IA in a short-circuit terminated system is discussed. Simulations show that the increase of the current due to pulse reflection from a short-circuit can be prevented by adding a second switch in each branch of the IA to change the impedance of the stack. The demanding requirements of the FCC injection system can be achieved by using the IA with presented technologies such as SiC MOSFETs, oil insulation, magnetic core biasing and passive analogue modulation. Some issues which require future work are discussed and possible improvements are proposed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Auslegung, Konstruktion, den Zusammenbau und die Ausmessung eines Inductive Adder (IA) Pulsgenerators. Der IA wurde für die Future Circular Collider (FCC) Studie ausgelegt, um die Möglichkeiten eines höchst zuverlässigen Pulsgenerators für Kickermagnetsysteme inTeilchenbeschleunigern zu erforschen. Kickermagnete werden in Teilchenbeschleunigern verwendet, um den Teilchenstrahl abzulenken: z.B. bei der Injektion oder Extraktion des Teilchenstrahls in den oder aus dem Orbit eines Zirkularbeschleunigers. Aus verschiedenen Gründen können die Thyratrons, wie sie oft für die Pulsgeneratoren solcher Systeme eingesetzt werden, nicht für das FCC Kickersystem verwendet werden. Daher ist ein alternativer Pulsgenerator mit auf Halbleitern basierenden Schaltern (sog. solid-state Schalter) notwendig. Halbleiter basierte Schalter sind eine vielversprechende Alternative, um Thyratrons in Pulsed-Power Anwendungen zu ersetzen. Dies wurde möglich, da durch die Weiterentwicklung halbleiterbasierter Bauelemente bezüglich Strom und Spannung in den vergangenen Jahren deutliche Fortschritte erzielt wurden. Die IA Technologie macht es möglich, mit mehreren Lagen und durch Parallelschaltung von solid-state Schaltern einen Pulsgenerator zu bauen, der Pulse mit hohen Spannungs- und Stromwerten erzeugen kann. Ein IA, der die Injektionsparameter des FCC erfüllen kann, wurde bisher noch nicht gebaut. Daher wurde auf Basis dieser Parameter ein IA ausgelegt. Eine Herausforderung ist die Kombination aus 2.4 kA und 15 kV Ausgangspuls, 2.3 μs Pulslänge, 6.25 Ω Systemimpedanz und die kurze Anstiegszeit von etwa 75 ns (0.5 %-99.5 %) des Ausgangsstroms. Die Spezifikationen der Hauptkomponenten wurden definiert und Beispielkomponenten getestet. Neben Standardkomponenten für MOSFETs und Gatetreiber wurden z.B. für die Pulskondensatoren und Magnetkerne Maßanfertigungen benötigt. Nach der Komponentenwahl wurden der magnetische Kreis ausgelegt, die Gehäuseteile produziert und der IA zusammengebaut. Um kurze Anstiegszeiten zu erreichen, musste das Design möglichst klein gehalten werden. Durch das Vormagnetisieren der Magnetkerne konnte das erforderliche Magnetmaterial nahezu halbiert und so auch die Höhe des IA verringert werden. Mit einer Ölisolierung konnte die Ausgangsspannung von 15 kV bei den durch die geringe Impedanz von 6.25 Ω bedingten Spaltmaßen realisiert werden und gleichzeitig die Durchmesser der Magnetkerne klein gehalten werden. Die Funktion von passiver, analoger Modulation konnte auch mit vormagnetisierten Magnetkernen gezeigt werden, was zur Reduzierung des Spannungsabfalls während des Impulses genutzt werden kann. Die geplante Ausgangsspannung von 15 kV konnte für einen Lastwiderstand von 50 Ω bei einer Impulslänge von 2.32 μs erfolgreich getestet werden. Auch der geplante Lagenausgangsstrom von 2.4 kA konnte bei der nominellen Lagenspannung von 1 kV erreicht werden. Außerdem wurde ein Ansatz vorgestellt, der den Einsatz eines IA innerhalb eines Pulssystems mit Kurzschlussterminierung möglich macht. Dabei wurde mit Simulationen gezeigt, dass die Stromerhöhung im Schaltelement vermieden werden kann, wenn durch das Schalten eines zweiten Schaltelements die Pulsimpedanz des IA verändert wird. Die Herausforderungen des FCC Injektionssystems können mit den in dieser Dissertation gezeigten Methoden wie z.B. Siliziumkarbid MOSFETs, Ölisolierung, vormagnetisierten Magnetkernen und analoger Modulation bewältigt werden. Manche Verbesserungsmöglichkeiten des Designs, die sich im Laufe der Arbeit gezeigt haben, sind hervorgehoben und mögliche Lösungen werden diskutiert. Diese Arbeit ermöglicht die Entwicklung eines IA für die Anforderungen des FCC Injektionskickersystems bei hohen Frequenzen, wie sie für einen so langen Zirkularbeschleuniger mit entsprechend vielen Vorbeschleunigern notwendig sind. Die Errungenschaften der Arbeit erlauben außerdem den Einsatz eines IA, um Pulsgeneratoren in bestehenden Teilchenbeschleunigern am CERN zu ersetzen. Hier hat der IA besonders durch den Einsatz von halbleiterbasierten Schaltern und sein kompaktes Design ohne SF6-Gas isolierte Komponenten oder Thyratrons Vorteile.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 01 Jul 2020 07:54
Last Modified: 09 Jul 2020 06:33
DOI: 10.25534/tuprints-00011726
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-117260
Referees: De Gersem, Prof. Dr. Herbert and Griepentrog, Prof. Dr. Gerd
Refereed: 4 March 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11726
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