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修正磁鐵用精密電源供應器試量產機

修正磁鐵用精密電源供應器試量產機

修正磁鐵用精密電源供應器之功率模組

修正磁鐵用精密電源供應器之功率模組

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

「台灣光子源」是國家同步輻射研究中心目前正在興建之新一代同步加速器光源,其周長為518公尺、電子束能量達30億電子伏特,完成後將是世界上亮度最高的同步加速器光源之一,也是我國最先進、規模最大的共用科學實驗設施。國家度量衡標準實驗室於2009年接受國家同步輻射研究中心之委託,進行台灣光子源同步加速器之修正磁鐵用精密電源供應器原型機開發,在隔年2010年完成原型機開發案,並於當年9月接獲量產機委託製造案,使本實驗室參與此一國家重大科學建設。
 
同步加速器光源
 
根據電磁學理論,帶電粒子的運動速度或方向改變時會放射出電磁波。同步加速器光源即是利用此原理,將電子加速至接近光速飛行,並施加磁場予以偏轉,使其沿著切線方向放射出電磁波。同步加速器光源為一連續波段的電磁波,涵蓋紅外線、可見光、紫外線及X光等,1947年在美國通用電器公司的同步加速器上意外地被發現,因此命名為「同步輻射」或「同步加速器光源」。
 
事實上,同步加速器是二十世紀初高能物理學家專門用來找尋基本粒子與探索宇宙本質的重要工具,自從發現同步加速器光源之後,一些物理和化學家們開始使用加速器產生的光源做研究。由於同步加速器光源是由細如髮絲的電子束受磁場偏轉所產生,經過光學系統導引後,可以將高亮度的光筆直地集中在極小的實驗樣品上。以X光為例,同步加速器光源在此波段的亮度比傳統X光所產生者亮一百萬倍,許多物質內部的細微結構都可看得一清二楚。
1970年代,科學家們逐漸體認到同步加速器光源的優異性,於是紛紛開始興建專門為產生光源的同步加速器,目前全世界約有70座實驗用的同步加速器,我國第一座同步加速器於1993年完工啟用,屬高亮度光源之第三代同步加速器設施。
 
「台灣光子源」(Taiwan Photon Source, TPS)計畫
 
目前國家同步輻射研究中心之同步加速器光源,其電子束能量為15億電子伏特、周長為120公尺,於1993年開始運轉,在當時是亞洲第一座第三代同步加速器光源,經過十多年以來,利用此座光源設施執行實驗的研究人員快速增加,目前可資利用的出光口已經用罄;且現有加速器光源在X光範圍已大幅落後國際先進設施。為此,於2004年7月提出「台灣光子源興建計畫」,2005年1月第七次全國科學技術會議將「研究台灣光子源籌建之可行性」列為重要的結論之一。2007年3月行政院同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」及後續周邊實驗設施之建置。
 
「台灣光子源計畫」主要分為土木工程、加速器設計與運轉、加速器工程、電子與控制系統以及高頻系統等五大分項計畫。而整個加速器之興建與精密量測其實是息息相關,例如:加速器工程分項計畫中之機電系統,其空調及冷卻水的溫度變化必須控制在± 0.1 °C內,對某些更精密的元件甚至必須達到± 0.01 °C。另外,在電壓的穩定性以及雜訊的防治方面,台電公司供應的電壓變化rms值約3 %,但台灣光子源關鍵設備卻要求到± 0.3 %;同時,接地電阻值必須小於0.2歐姆,因而接地網的設計以及接點電阻值的要求都極為嚴格。此外,台灣光子源有近千座磁鐵,包括二極、四極、六極、修正磁鐵、插件磁鐵、及特殊磁鐵等。為了控制電子束的軌道及聚焦等功能,每座磁鐵磁場的強度與磁力線的形狀分布都要求非常精密,不僅在設計與製造上必須控制精密的尺寸,磁場量測的準確度要求亦是非常高。定位系統方面,以台灣光子源一圈518米為例,數百座重量約0.5至3公噸的磁鐵,其相對位置必須準確到約一根頭髮的直徑大小之距離。
 
國家度量衡標準實驗室參與「修正磁鐵用精密電源供應器設計及製造」
 
台灣光子源興建計畫中的電子與控制系統分項計畫包含了線型加速器及脈衝磁鐵電源、磁鐵電源供應器系統、儀控系統等三大部份。其中磁鐵電源供應器系統是加速器系統中眾多電磁鐵的能量來源,是加速器正常運作所必須的子系統,藉由電磁鐵產生各種特殊形狀的磁場,以操控電子束在應遵循的運行軌道上,加速器也因此得以依設計採環形的方式運轉。
 
整個加速器使用的電磁鐵種類及數量繁多,以將電子束偏轉產生輻射光源之儲存環為例,是由48塊二極磁鐵、240塊四極磁鐵和169塊六極磁鐵組成,再加上一定數量的修正磁鐵。因此,所需之磁鐵電源供應器數量相對地非常龐大。
 
這些磁鐵當中,修正磁鐵的功能是用來修正或補償電子軌道的偏離及電子束間的耦合效應,使電子束能精確控制在應有的軌道並維持射束大小。此提供修正磁鐵驅動能量的電源供應器必須能調整修正磁鐵產生之磁場,使其可對電子束的束散角度微調,其範圍需從最大的6´10-4 rad至最小的6´10-9 rad,意謂著電源供應器的穩定度及雜訊必須控制在小於10 ppm,此規格要求超過工業等級電源供應器之規格非常多。
 
國家同步輻射研究中心評估國內電子工業研發能力足以開發修正磁鐵用精密電源供應器,不需向國外採購,可藉此將經費用於國內製造業。但是經過探詢,國內電源供應器大廠皆不願承接此特殊規格品之研發製造。而國家度量衡標準實驗室多年來已自行研發出高穩定度、低雜訊電源供應器用於電量原級標準系統之開發與維持工作,並曾為中央研究院及工研院材化所等研發機構開發特殊規格之精密電源供應器。國家同步輻射研究中心因而希望能藉重本實驗室之研發能力,並整合國內電子代工廠之製造能力,來完成此電源供應器之國產目標。
 
因此,2009年國家同步輻射研究中心先委託本實驗室進行台灣光子源同步加速器之修正磁鐵用精密電源供應器原型機開發案,於隔年2010年完成原型機開發案後,並於當年9月正式委託量產機製造案。全案將製造112部精密電源供應器,提供896組可獨立控制及輸出之精密電流源,預計於2013年3月交貨。
 
目前,台灣光子源之修正磁鐵用精密電源供應器設計及製造案已完成兩部量產先導機,已通過技術規格測試,並初步通過歐盟低電壓指令安規測試。回顧本案之所以能順利進行,實歸因本實驗室奠基於國家度量衡標準之系統研發及驗證能力,以及國家同步輻射研究中心電源小組全力支援他們在加速器電源供應器,此一特殊應用領域之技術及經驗。
 
備註-本文有關同步加速器原理及台灣光子源計畫之文字及圖片係參考及引用自:
1.  國家同步輻射研究中心網頁http://www.nsrrc.org.tw/。
2.  陳建德,物理雙月刊33卷1期,第50頁至63頁,2011年2月。
 
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