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ISOLDE POWER CONVERTERSISOLDE POWER CONVERTERS

Présentation des convertisseurs de puissance et de leur contrôle Présentation des convertisseurs de puissance et de leur contrôle àà distance pour la zone distance pour la zone expérimentaleexpérimentale ISOLDE ISOLDE

Julien Parra-lopez AB/PO-PHJulien Parra-lopez AB/PO-PH

19/05/200519/05/2005

ISOLDE POWER CONVERTERSISOLDE POWER CONVERTERS 22

Sommaire:

1● La machine ISOLDE

1-1 Situation

1-2 Principe

2● Utilisation des convertisseurs de puissance

2-1 Le Front-end

- les cibles

- l’accélération

2-2 Les séparateurs

2-3 Les ‘Beam-line’

3● Le contrôle à distance des convertisseurs

3-1 Simatic S7/300 et S7/400


1-1 Situation du hall d’expérience Isolde dans le complexe PS

Le faisceau de proton est issue de l’accélérateur Booster

En rouge les deux cibles où débute la physique


1-2 Principe

● La machine Isolde utilise 2 cibles fixes (HRS et GPS) portées au potentiel de 60kV pour produire des radionucléides instable.

● Dans le partie cible (Front-end) les radionucléides sont ionisés pour ensuite être accélérés.

● En seconde partie ont trouve le spectromètre qui permet grâce aux aimants magnétiques de composer un faisceau dépendent de la masse des radionucléides.

● La dernière partie est le transport de ces masses vers les différentes expériences. Le transport du faisceau est assuré par des quadrupoles, kickers, benders électrostatiques étant donné sa faible énergie.

Exemple:Séparateur GPS


2- Utilisation des convertisseurs de puissance

2-1- Front-end

Le Front-end est le support pour la cible et l’accélérateur pour les radionucléides*.

* Les radionucléides sont des nucléides radioactifs capables de se transformer spontanément en un autre nucléide, avec éventuellement émission de particules chargées, rayons X ou de rayons gamma. Dans notre cas les radionucléides sont produits par fission provoquée par l’impact du faisceau de protons (1.4GeV) issue de l’accélérateur Booster.


Front-end: partie avant support pour la cible

Front-end: partie avant avec la cible

Intérieur de la cible


Dans la cible les radionucléides vont être ionisés (positif) pour pouvoir être accélérés.

La ionisation positive consiste par différent procédé de supprimer un électron aux radionucléides.

Ont utilise pour cela différentes type de cibles.

Les cibles

Surface Ion source


Cible SURFACE

Target1000A / 10V

+ -

Container

Booster beam1.4GeV

Line600A / 10V

+

-

Fission

Durant sont transfertdans la Line le

radionucléide devientpositif (ionisation)

+

e-

Le container est chauffé à 2000°C avec le convertisseur ‘target’ pour dégazé des nucléides.

L’impact du faisceau de protons produit des radionucléides par fission.

Ensuite dans la ‘ligne’ (2000°C) la ionisation ce fait en surface par absorption d’un électron contre les parois.

Pour ce type de cible ont utilise deux convertisseurs YOL.TARGET-HEAT: 1000A/10V

YOL.LINE-HEAT: 600A/10V


Annimation

Le radionucléide ce ionise en traversant le tube (LINE)Le radionucléide ce ionise en traversant le tube (LINE)

60kV 0kV

L’ion “voit” le 60kV et l’accéleration commence

+ 2V


Cible PLASMA

Le container est chauffé à 2000°C pour dégazé des nucléides.

L’impact du faisceau de protons produit des radionucléides par fission.

Ensuite avec la ‘ligne’ (2000°C) des électrons sont crées puis enfermés dans la cage ‘Anode’ où un champ magnétique les fait tourner pour augmenter leurs chances de croiser un radionucléide.

Quant le radionucléide est percuté par un électron il est ionisé.

Pour ce type de cible ont utilise quatre convertisseurs YOL.TARGET-HEAT: 1000A / 10V

YOL.LINE-HEAT: 600A / 10VYOL.ANODE1: 300v / 5AYOL.SCRMAG: 52V / 30A

Il existe d’autres cibles portant à sept le nombre total de convertisseurs nécessaire.

Targetmax 1000A / 10V

+ -

Container

Booster beam1.4GeV

Linemax 600A / 10V

+

-

Fission

+

Anode1max 300V / 5A

-

Source Magnetmax 52V / 30A

Le champmagnétiqueprovoque larotation deselectrons à

l’interierieur dela cage ‘Anode’


e

ee

e

ee

e

Ionisation plasma

Les électrons produits utilisent l’énergie fournie par le champ électrique pour “éjecter” un électron au radionucléide.


L’accelération des radionucléides

Une fois les radionucléides ionisés (leur charge est donc positive) ils peuvent être accéléré.

Le potentiel de la cible est de 60kV et le potentiel de l’électrode qu’ils vont rencontrer est 0V. Les Radionucléides vont donc être accélérés par le champ électrique entre la cible et l’électrode d’extraction. Leur énergie = 60keV*

C’est la seule accélération qu’ils vont recevoir jusqu’à leur analyse.

Target1000A / 10V

+ -

Container

Booster beam1.4GeV

Line600A / 10V

+

-

Fission

Durant sont transfertdans la Line le

radionucléide devientpositif (ionisation)

+

e-

Reference de la cible60kV

Electrode d’extraction

*1eV (électron-volt): énergie acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel d'un volt.


Du fait de l’accélération il faut isoler la partie cible 60kV du reste de la machine référencée à la terre.

Isolateur 60kV

Tension de

60kV nécessaire a l’accélération

Chassis Front-end à la terre


Comment connecter les convertisseurs de puissance à la cible 60kV ?

Le but est d’utiliser des convertisseurs standard alimenté par 400V AC, le problème est de les porter à 60kV.

R S R’ S’

T’T

N’

60kV

Source HT60kV (AB/BT)

Isolateur 60kV

60kV

Target

Front-end

R S Tréseau 400V AC

Transformateurd’isolateur 60kV

Plate-forme des7 convertisseurs de puissance

R’ S’ T’réseau 400V AC

Isolé 60kV 60kV

Le réseau 400V AC avec 60kV d’offset est fourni à la plate-forme des convertisseurs par le transformateur d’isolation.


2-2 Les séparateurs de masse (Spectromètres)

Le faisceau maintenant accéléré contient une variété de radionucléide ( Isotopes* ).

L’étape suivante est la séparation suivant leur masse.

GPS est concu avec un aimant séparateur et HRS avec deux pour une plus grande précision.Suivant la masse des Isotopes ils vont être déviés vers les expériences ou perdus si ils sont trop lourds.

Ce sont trois convertisseurs de puissance Bruker à banc de transistors qui alimente les trois aimants.

* En physique nucléaire, un isotope est un corps simple ayant le même numéro atomique qu'un autre, des propriétés chimiques presque identiques (même élément chimique), mais une masse atomique différente.Les différences physiques entre isotopes d'un même élément sont dues à la différence de constitution du noyau de l'atome : le nombre de protons, correspondant à son numéro atomique Z, reste toujours inchangé ; c'est le nombre de neutrons N qui diffère d'un isotope à l'autre d'un même élément

Rappel: il existe deux séparateurs de masse à Isolde ( un par cible)

GPS: General Purpose Separator

HRS: High resolution separator


2-2 Les Beam-line

Les éléments électrostatiques de la machine ne consomme pas de courant (uniquement polarisés), se qui réduit la puissance des convertisseurs (2 à 7W).

Le faisceau d’Isolde n’a pas beaucoup d’énergie (60keV).

Pour diriger le faisceau un simple champ électrique suffit, les quadrupoles, kickers et benders sont donc électrostatiques.

Les convertisseurs sont des sources Haute tension variant de 700v à 6500V basées sur la topologie switching avec transformateur élévateur.

Vue d’ensemble des convertisseurs HT Isolde Beam-line


3- Le contrôle à distance des convertisseurs

3-1 Simatic S7/300 et S7/400

Le contrôle à distance est réalisé avec des automates Siemens S7/300 et S7/400.

Les entrées/sorties (DAC, ADC, DO, DI) sont déportées du CPU par le réseau de terrain Profibus.Possibilité d’utiliser de la fibre optique pour le contrôle à 60kV

Les CPUs sont reliés au système de contrôle du PS par Ethernet

Contrôle LOCAL à l’aide de clavier / afficheur Siemensdirectement connecté au CPU

Exemple S7/300 (machine Off-line separator)


12 Crate I/OS7/400

DAC-ADC

340 power converters

1 Crate I/OS7/300

DAC-ADC-Digit I/O

1020 I/O

15 I/O

2 CPU S7/400+ Software+ Interlocks

Input

Ethernetcontroller

DSC

COresponsibility

POresponsibility

CPU S7/300+

Software

Ethernetcontroller

Optical controller

5 Crate I/OS7/300

DAC-ADC-Digit I/O

7 power converters

105 I/O

Optical controller

GPS High voltage area

1 command High voltage transformer

15 I/O

CPU S7/300+

Software

Ethernetcontroller

Optical controller

7 power converters

105 I/O

Optical controller

HRS High voltage area

1 Crate I/OS7/300

DAC-ADC

4 power converters

16 I/O

CPU crate

CPU crate

CPU crate

Optical fiber

Profibus

MPI (Siemens)

Ethernet

Display

Display

Display

Display

Display

5 Crate I/OS7/300

DAC-ADC-Digit I/O

1 Crate I/OS7/300

DAC-ADC-Digit I/O

1 command High voltage transformer

ISOLDE CONTROL LAYOUT 2005J.Parra-lopez AB-PO-PH

11/01/2005

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