Индукционный ускоритель

 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для ускорения электронов вихревым электрическим полем. Технический результат - повышение частоты следования импульсов ускорения. В последовательно и встречно соединенных обмотках возбуждения и компенсационной при замкнутом магнитопроводе, параллельно обмотке возбуждения через дроссель и конденсатор подключен источник постоянного тока, а конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, дополнительно зашунтированным диодом. Для уменьшения изменения радиуса равновесной орбиты предлагается вводить воздушный зазор в замкнутый магнитопровод, компенсирующий влияние нелинейности кривой намагничивания стали. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для ускорения электронов вихревым электрическим полем.

Известны индукционные ускорители - бетатроны с подмагничиванием [1-3], в которых магнитопровод ускорителя в центральной части выполнен без воздушных зазоров, а бетатронное соотношение магнитных потоков в области ускорителей камеры на равновесном радиусе и внутри орбиты, ограниченной равновесным радиусом, достигается за счет ампервитков обмотки, уложенной вокруг сплошного центрального сердечника и нагруженной на индуктивность. В таких схемах магнитный поток на радиусе равновесной орбиты создается потоком рассеяния между обмоткой возбуждения и компенсационной обмоткой, а фазовые соотношения во времени поддерживаются нагрузкой - индуктивностью.

Известна магнитная система индукционного ускорителя [4], в которой с целью уменьшения величины энергии, необходимой для возбуждения электромагнита ускорителя, обмотка возбуждения включена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой. Для получения исходного состояния магнитопровода (размагничивания) по окончании каждого импульса от источника постоянного тока в компенсационную обмотку заводится ток размагничивания, что требует значительного времени и ограничивает частоту следования импульсов. Кроме того, для компенсации потерь в контуре требуется еще один источник энергии для подзарядки емкостного накопителя в паузе между импульсами. Указанные недостатки снижают частоту следования импульсов и создают дополнительные потери энергии в компенсационной обмотке - наиболее нагруженном узле ускорителя.

Цель изобретения - повышение частоты следования импульсов ускорения.

Это достигается тем, что в цель последовательно и встречно соединенных обмоток возбуждения и компенсационной включен диод, параллельно обмотке возбуждения через дроссель и компенсатор подключен источник питания, причем конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, а компенсационная обмотка с диодом дополнительно зашунтирована диодом, а также тем, что в замкнутом магнитопроводе выполнен воздушный зазор величиной, зависящей от зазора в межполюсном пространстве на радиусе равновесной орбиты и изменения относительной магнитной проницаемости стали за цикл ускорения.

При таком исполнении индукционного ускорителя требуемая пропорциональность изменения потока магнитного поля на орбите и в пределах орбиты (бетатронное отношение 2:1) определяется соотношением магнитодвижущей силы (НДС) обмотки возбуждения и НДС компенсационной обмотки, направленных встречно по отношению к центральному сердечнику и согласно в области ускорительной камеры. Причем НДС обмотки возбуждения больше НДС компенсационной обмотки на величину, необходимую для создания магнитного потока в замкнутом магнитопроводе, имеющем малое магнитное сопротивление из-за высокого значения магнитной проницаемости стали. Накопление энергии в конденсаторе через дроссель и обмотку возбуждения для последующего ввода энергии в колебательный контур для компенсации потерь в нем позволяет обеспечить одновременно и размагничивание магнитопровода ускорителя, что позволяет обеспечить высокую частоту следования импульсов и улучшить тепловой режим компенсационной обмотки из-за исключения тока подмагничивания в паузе между импульсами тока.

На фиг. 1-3 дана схема магнитной системы ускорителя и его системы питания. Магнитопровод индукционного ускорителя состоит из: 1 - центрального сердечника; 2 - полосных наконечников; 3 - обратного магнитопровода, например, четырехстоечной конструкции. На центральном сердечнике 1 уложена компенсационная обмотка 4, а вокруг полюсных наконечников 2 - обмотка возбуждения 5. Между полюсными наконечниками 2 расположена вакуумная камера 6. Емкостной накопитель 7 через ветви тиристоров 8 и 9, собранных по схеме инвертора тока, подключен к встречно-последовательно включенным обмоткам 5 и 4, причем в цепи компенсационной обмотки 4 включен диод 10. Параллельно обмотке возбуждения 5 через дроссель 11 и конденсатор 12 подключается источник постоянного тока 13. Через тиристор 14 конденсатор 12 подключен к обмотке 4 и диоду 10, а они (4, 10) зашунтированы диодом 15.

Работа схемы поясняется эпюрами на фиг. 4, где обозначено: 16 - напряжение емкостного накопителя 7, 17 - изменение индукции в центральном сердечнике 1 (B_m - максимально допустимая индукция стали, B_н - индукция насыщения), 18 - изменение индукции в области равновесной орбиты (B_о), 19 - ток обмотки возбуждения 5, 20 - ток компенсационной обмотки, 21 - ток дросселя 11 (ток источника питания), 22 - напряжение конденсатора 12, 23 - напряжение обмотки возбуждения 5.

В исходном состоянии по цепи дросселя 11 протекает ток 21 (I₀ и заряжает конденсатор 12, а емкостной накопитель 7 заряжен. К моменту времени t₁ магнитное состояние центрального сердечника 1 и обратного магнитопровода 3 характеризуется ампервитками обмотки 5 с током I₀, т.е. магнитопровод ускорителя размагничен, а магнитное поле в межполюсном зазоре практически отсутствует.

В момент времени t₁ включаются тиристоры 8 и емкостной накопитель 7 начинает разряжаться на встречно-включенные обмотки 5 и 4. Собственная частота колебательного контура (7,5,4)
где L₁ и L₂ - собственные индуктивности обмоток возбуждения и компенсационной, причем L₁ > L₂, что достигается соответствующим выбором числа витков обмоток 5 и 4 (W₁ > W₂);
K•M - взаимная индуктивность обмоток L₁ и L₂, а K - коэффициент связи, который из-за замкнутого магнитопровода близок к единице.

C - емкость емкостного накопителя 7.

Под действием ампервитков
F_y(t₁-t₃)=I(t)•(W₁-W₂) (2)
перемагничивается центральный сердечник от -B_m до +B_m, а магнитный поток на орбите радиусом R₀ создается ампервитками
F₀(t₁-t₃)=W₂•I(t) (3)
и изменяется от нулевого значения до максимального B_о. В процессе возрастания поля на орбите в момент времени t₂ происходит инжекция электронов в камеру 6 и их ускорение в интервале времени t₂-t₃.

В момент времени t₃, когда емкостной накопитель 7 практически разряжен, включается тиристор 14 и подключает конденсатор 12, заряженный током I₀ до максимального напряжения, к компенсационной обмотке 4. Ток разряда конденсатора 12 направлен встречно току I(t) в компенсационной обмотке 4 и он начинает уменьшаться, а ток обмотки возбуждения 5 переходит в цепь конденсатора 12 и тиристора 14. В интервале времени t₃ -t₄ ток в компенсационной обмотке 4 спадает до нуля и диод 10 отключает цепь тока компенсационной обмотке. В этом интервале времени индукция в центральном сердечнике изменяется от +B_m до индукции насыщения B_н и центральный сердечник насыщается. При обесточивании компенсационной обмотки 4 нарушается бетатронное соотношение 1:2 и радиус равновесной орбиты увеличивается, так как центральный сердечник перемагничивается уже значительно большими, чем раньше (2), ампервитками
F(t₃-t₄)=W₁•I₁(t)- W₂•I₂(t), (4)
где I₁(t) - ток обмотки возбуждения 5, который несколько увеличивается, I₂(t) - ток компенсационной обмотки 4, который уменьшается до нуля. Этот процесс дополнительно сопровождается уменьшением магнитного поля в межполюсном пространстве и происходит резкое увеличение радиуса равновесной орбиты и сброс электронов пучка на внешнюю мишень. Током обмотки возбуждения 5 конденсатор 12 разряжается, включается диод 15, а тиристор 14 выключается. Энергия конденсатора 12 переходит в LC контур и компенсирует потери энергии в нем. После выключения тиристора 14 конденсатор 12 вновь заряжается током источника питания I₀ и индуктивности 11. В момент времени t₅, когда ток дросселя 11 и ток в цепи емкостного накопителя 7 сравниваются, магнитная индукция в центральном сердечнике 1 проходит нулевое значение, а в интервале времени t₅-t₆ центральный сердечник и обратный магнитопровод размагничиваются до исходного состояния. По обмотке 5 протекает ток I₀, конденсатор C₁₂ заряжается, а емкостной накопитель 7 полностью перезарядился. И следующий рабочий цикл начинается с включением другой ветви тиристоров - 9 и процессы в схеме повторяются.

Интервал времени Δt_к = t₄-t₃, равный времени обесточивания компенсационной обмотки, определяется как

где Δ t_y - длительность цикла ускорения, интервал времени t₃-t₁= Δt_y
K - коэффициент, равный отношению U_m/U₀ - максимального напряжения в LC контуре к максимальному напряжению конденсатора 12, который в свою очередь зависит от добротности колебательного LC контура и соотношения емкостей конденсатора 12 и емкостного накопителя 7.

Если изменения приращения индукции в стали от -B_m до +B_m происходят на линейном участке кривой намагничивания, то заданное соотношение витков обмоток возбуждения и компенсационной, а следовательно, и изменение магнитных потоков, определяемых индукцией в центральном сердечнике 17 и в области равновесной орбиты 18 в течение цикла ускорения, сохраняют свою пропорциональность и обеспечивают неизменность бетатронного соотношения 1:2 во времени при постоянном радиусе равновесной орбиты.

При начальном значении индукции - B_m, близком к индукции насыщения B_н, нелинейность кривой намагничивания стали начнет сказываться на положении радиуса равновесной орбиты, а именно, при малом значении начальной магнитной проницаемости стали радиус равновесной орбиты уменьшается. Для устранения этого явления, наряду с известными методами коррекции радиуса равновесной орбиты, целесообразно введение воздушного зазора в замкнутом магнитопроводе величиной
(6)
где μ_max,μ_ср - максимальное и среднее значения относительной магнитной проницаемости стали за цикл ускорения, b₀ - высота воздушного зазора в межполюсном пространстве на радиусе равновесной орбиты. Введение воздушного зазора уменьшает, в первую очередь, максимальное значение относительной магнитной проницаемости стали, приближая его к среднему значению.

Поставленная цель - повышение частоты следования импульсов ускорения, а следовательно, и интенсивности излучения индукционного ускорителя достигается за счет обеспечения размагничивания замкнутого магнитопровода (интервал времени ₆-t₅) за счет максимального напряжения LC контура, ввода энергии для компенсации потерь одновременно с обесточиванием компенсационной обмотки сразу же по окончании ускорения электронов, что не требует паузы между рабочими импульсами и позволяет повышать частоту циклов ускорения.

Литература
1. Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт.свид. N 524477, 1975.

2. Васильев В. В., Москалев В.А., Фурман Э.Г. Бетатрон с подмагничиванием. - ПТЭ, 1979, N 4, с. 27-29.

3. Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система бетатрона с подмагничиванием. -ПТЭ, 1982, N 1, с. 30-33.

4. Фурман Э.Г., Васильев В.В. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свид. N 619071, 1977 (прототип).

Формула изобретения

1. Индукционный ускоритель, содержащий замкнутый магнитопровод с обмотками возбуждения и компенсационной, уложенной на центральном сердечнике, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам по схеме инвертора тока, источник питания, отличающийся тем, что в цепь последовательно и встречно включенных обмоток возбуждения и компенсационной включен диод, параллельно обмотке возбуждения через дроссель и конденсатор подключен источник питания, причем конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, а компенсационная обмотка с диодом дополнительно зашунтирована диодом.

2. Индукционный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что в замкнутом магнитопроводе ускорителя выполнен воздушный зазор величиной

где μ_max, μ_ср- максимальное и среднее значения относительной магнитной проницаемости стали за цикл ускорения;
b₀ - высота воздушного зазора в межполюсном пространстве на радиусе равновесной орбиты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4