Äärimmäisen tasalatvaisia pulsseja tuottava pulssiteholähde CERNin Compact Linear Collider -hiukkaskiihdyttimeen

Väitöskirjassa esitetään suunnitteluaskeleet ja kaksi prototyyppilaitetta erittäin suuren tarkkuuden pulssiteholähteen toteuttamiseen. Tutkimus on osa Compact Linear Collider (CLIC) -kiihdyttimen toteutettavuustutkimusta. CLIC-hiukkaskiihdyttimessä käytetään esivaimennuspiirejä (Pre-Damping Ring) ja vaimennuspiirejä (Damping Ring), joilla saavutetaan synkrotronisäteilyä hyödyntäen erittäin alhainen hiukkassuihkun emittanssi. Vaimennuspiirien ohjausmagneetteja syöttävien pulssiteholähteiden täytyy tuottaa äärimmäisen tasalatvaisia korkeajännitteisiä pulsseja. Teholähteen vaatimukset vaimennuspiirin 2 GHz:n perustaajuudella toimivalle versiolle ovat seuraavat: 160 ns:n pituinen tasalatvainen pulssi 12.5 kV:n jännitteellä ja 250 A:n virralla, jonka yhdistetty amplitudin vaihtelu ja virran tai jännitteen alenema pulssin aikana saa olla korkeintaan ±0.02 % asetetusta arvosta. Tämä vastaa ±2.5 V:n absoluuttista tarkkuutta. Aluksi työssä esitetään kirjallisuuskatsaus topologian valitsemiseksi annettujen vaatimusten mukaan. Tämän perusteella pulssiteholähteen perusratkaisuksi on valittu puolijohdekytkimiin perustuva induktiivinen summain, koska summaimen ulostulojännitettä voidaan moduloida sekä digitaalisilla että analogisilla modulaatiomenetelmillä. Tämän jälkeen esitellään induktiivisen summaimen sähköinen ja mekaaninen suunnittelu sekä menetelmä summaimen lähtöimpedanssin asettamiseksi haluttuun arvoon. Työssä käsitellään myös yksityiskohtaisesti induktiivisen summaimen pääkomponenttien valinta sekä kompensointimenetelmiä, joilla induktiivisen summaimen ulostulojännitteen tarkkuutta voidaan parantaa. Työssä esitettyjä suunnittelumenetelmiä käyttäen on rakennettu kaksi 3.5 kV:n prototyyppilaitetta, joilla on kokeellisesti todistettu ulostulopulssin jännitteen aleneman ja korkeataajuisen vaihtelun aktiivinen suodatus. Lopuksi esitetään toteutussuunnitelma 12.5 kV:n induktiiviselle summaimelle sisältäen komponenttien valinnan ja alustavat simulointitulokset. Työn tärkein tulos on kokeellinen osoitus siitä, että induktiviisen summaimen ulostulojännitteen tarkkuuutta pystytään parantamaan modulaatiomenetelmiä käyttäen. Paras työssä saavutettu jännitepulssin tarkkuus oli ±0.05 % 1.8 kV:n jänniteellä, joka vastaa ±1 V:a absoluuttista tarkkuutta. Työssä on osoitettu, että CLIC-kiihdyttimen vaimennuspiirien ohjausmagneettien pulssiteholähteen vaatimusmäärittelyt voidaan hyvin todennäköisesti saavuttaa induktiivisella summaimella, joka rakennetaan väitöskirjassa esitettyjä suunnitteluperiaatteita noudattaen.