Линейный индукционный ускоритель

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков прикреплены электроды одинарной формирующей линии. На противоположном конце электроды соединены с магнитным импульсным генератором, предназначенным для заряда электродов формирующей линии. Один из электродов формирующей линии заземлен и разомкнут. В месте разрыва установлен магнитный коммутатор в виде одновиткового дросселя насыщения. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность контуров, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. С целью увеличения максимальной мощности на нагрузке предлагается выполнять формирующую линию емкостью в 1,3-1,8 раза меньше емкости конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора. Техническим результатом является увеличение зарядного напряжения одинарной формирующей линии и сокращение времени ее разряда на нагрузку. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Известно устройство - линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания [Вахрушин Ю. Р. , Анацкий А. И. Линейные индукционные ускорители. М. : Атомиздат, 1978] . К виткам намагничивания подключены электроды формирующей линии.

На один из электродов формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, установленного в разрыве любого из электродов, одинарная формирующая линия начинает разряжаться на витки индукционной системы, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как E(t)= -NU(t)/L, где N - число сердечников; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии), L - длина индукционной системы.

В качестве коммутатора формирующих линий используются газовые искровые разрядники. Подобным коммутаторам присущи ограничения по частоте срабатывания. Кроме того, при работе разрядников наблюдается эрозия материала электродов, что заставляет уменьшать величину коммутируемой энергии, либо снижать количество импульсов между профилактическими работами по очистке изоляторов разрядников.

Наиболее близким техническим решением является конструкция ускорителя [Винзитенко И. И. , Фурман Э. Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов. Физика. Издание ТГУ, 1998, N 4, с. 111-119] . Основным отличием от описанной выше конструкции линейного индукционного ускорителя является использование магнитного коммутатора энергии формирующей линии. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать в наносекундном диапазоне длительностей с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако, в этом случае требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время сотни наносекунд от магнитных импульсных генераторов.

Итак, подобный линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключены концы электродов одинарной формирующей линии. Противоположные концы электродов формирующей линии подключены к магнитному импульсному генератору. Заземленный электрод формирующей линии разомкнут и в разрыв включен магнитный коммутатор.

Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность контуров с увеличивающейся собственной частотой. Каждый контур содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов контуров C₁, C₂, . . . C_N равны между собой и равны емкости С_фл одинарной формирующей линии. Каждый следующий дроссель насыщения L_i по сравнению с предыдущим L_i-1 имеет меньшее число витков обмотки, то есть меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника.

Для уменьшения сечения стали ферромагнитных сердечников дросселей насыщения магнитного импульсного генератора и сердечника магнитного коммутатора используется перекрытие процессов разряда конденсатора предыдущего контура и заряда следующего контура, то есть где L_i-1 - индуктивность обмотки дросселя при насыщенном состоянии сердечника, ψ_i= W_i•S_i•ΔB; W_i, S_i - число витков и сечение стали дросселя насыщения, ΔB - размах индукции в материале сердечника.

При использовании этого эффекта для магнитного импульсного генератора действительно возможно сокращение сечения стали сердечников дросселей насыщения, следовательно, весогабаритных показателей установки. Однако использование перекрытия фазы разряда приводит к неполному заряду конденсатора последующего контура по сравнению с предыдущим, то есть происходит постепенное снижение уровня зарядного напряжения конденсаторов контуров, в том числе и неполный заряд одинарной формирующей линии (U_N>U_фл), где U_N, U_фл - амплитуда максимального напряжения на конденсаторе и формирующей линии соответственно. Этот эффект снижает величину максимальной мощности ускорителя. Процесс совместной разрядки конденсатора С_N и линии С_фл на витки намагничивания индукционной системы на практике не реализуется, поскольку С_N разряжается через L_N+L_k, С_фл разряжается через L_k и L_N≈3-5L_k (L_k - индуктивность витков магнитного коммутатора). Процесс совместного разряда С_N и С_фл приводит к удлинению импульса тока на нагрузке.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение максимальной мощности импульса, выделяемой на нагрузке. Техническим результатом является увеличение зарядного напряжения одинарной формирующей линии и сокращение времени ее разряда на нагрузку.

Для решения данной задачи предлагается линейный индукционный ускоритель, содержащий как и прототип ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков намагничивания подключены концы электродов одинарной формирующей линии. Противоположные концы электродов соединены с магнитным импульсным генератором. Заземленный электрод разомкнут и в место разрыва включен магнитный коммутатор. Магнитный генератор представляет собой последовательность контуров с увеличивающейся собственной частотой, каждый из которых состоит из конденсатора с сосредоточенными параметрами С_N и дросселя насыщения L_N.

Отличием от известного технического решения является выполнение одинарной формирующей линии емкостью в 1,3-1,8 раз меньшей, чем емкость конденсатора С_N.

Принципиальная схема устройства изображена на чертеже, где обозначено: 1 - ферромагнитная индукционная система, 2 - одинарная формирующая линия, 3 - магнитный коммутатор, 4 - магнитный импульсный генератор, 5 - витки намагничивания.

Устройство содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитный сердечник охвачен витком намагничивания 5. К окончаниям витков намагничивания 5 подключены электроды одинарной формирующей линии 2. Противоположные концы электродов формирующей линии 2 подключены к магнитному импульсному генератору 4, состоящему из последовательных контуров С_i-L_i, где С_i - это конденсатор емкостью C_i, L_i - дроссель насыщения индуктивностью L_i. Один из электродов формирующей линии 2 посредством дросселя насыщения L_N последнего контура соединен с конденсатором C_N. Другой электрод заземлен и разомкнут. В место разрыва установлен магнитный коммутатор 4, представляющий собой одновитковый дроссель насыщения.

Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на чертеже не указаны) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L_i-L_N контуров, магнитного импульсного генератора 4, магнитного коммутатора 3, индукционной системы 1. От внешнего выпрямителя осуществляется заряд конденсатора С₁ первого контура магнитного импульсного генератора 4. При заряде С₁ на выводах дросселя насыщения L₁ появляется разность потенциалов U_C1, вызывающая протекание тока намагничивания, и сердечник дросселя насыщения L₁ перемагничивается. Величина потокосцепления дросселя насыщения L₁ составляет ψ₁ = W₁S₁ΔB, где W₁ - число витков, S₁ - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔB= 2,5 Тл для пермаллоя 50 НП), и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда С₁. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от μ= 10⁵ до μ= 1 и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд С₁ и заряд С₂ через индуктивность витков дросселя L₁ в интервале времени Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₂. При заряде конденсатора С₂ к виткам дросселя насыщения L₂ начинает прикладываться разность потенциалов где Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0, π] составит

Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L₂ и переход его в состояние с μ-->1. Поэтому где ψ₂ = W₂S₂ΔB - потокосцепление дросселя насыщения (W₂, S₂ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₂, ΔB - размах индукции в стали).

При насыщении дросселя L₂ начинается разряд конденсатора С₂ и заряд конденсатора С₃ через индуктивность дросселя насыщения L₂. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₃, то есть
,
где (W₃, S₃ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₃),
Аналогично предыдущим рассуждениям
,
где W_k - число витков магнитного коммутатора 3, S_k - сечение стали сердечника магнитного коммутатора 3. Обычно W_k= 1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, поскольку

где а - линейный размер магнитного коммутатора 3, D_H, D_B - наружный и внутренний диаметры витка. Используя соотношения (3-6) рассчитывают параметры линейного индукционного ускорителя. Обычно выбирают C₁= С₂= . . . = С_N= С_фл и без использования эффекта перекрытия фаз получим <U>= <U>= . . . = <U>= <U>= 1/2U_С2= 1/2U_C3= 1/2U_CN= 1/2U_фл. Если С_N>С_фл, то зарядное напряжение на одинарной формирующей линии 2 составит

Кроме того, что одинарная формирующая линия 2 заряжается до большего напряжения, она разряжается на нагрузку за более короткое время (емкость меньше). Это позволяет увеличить импульсную мощность на нагрузке.

В [Гинзбург Г. С. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. М. : Изд-во Высшая школа, 1967, 387 с. ] на стр. 63-65 приведены соотношения для расчета времени t₁ при разряде емкости на последовательно включенные сопротивление и индуктивность, когда ток в омической нагрузке максимален и величины тока I_R для случая апериодического разряда



a= P₁-P₂
Для нашего случая С соответствует С_фл, L= L_k+L_нагр+L_фл≈18,7•10^-9 Гн, где L_k - индуктивность коммутатора; L_нагр - индуктивность нагрузки; L_фл - индуктивность формирующей линии; R = 200Ω/n²≈ 1Ω, где n - число сердечников, поскольку рассматриваются процессы, протекающие в первичном контуре линейного индукционного ускорителя. Возьмем С_N= 0,3•10^-6 Ф и рассчитаем для вариантов с С_фл= 0,3•10^-6 Ф и С_фл= 0,2•10^-6 Ф величины t₁ и I_R. В первом варианте U_Cфл= U_СN= 50 кВ (амплитуды напряжения на конденсаторе С_N и формирующей линии равны). Во втором варианте

В первом варианте I_R1= 44 кА, во втором - I_R2= 52 кА и выделяемая мощность на нагрузке P₁= I_R1U_Cфл1= 2,2•10⁹ Вт и Р₂= I_R2U_Cфл2= 3,17•10⁹ Вт.

Таким образом, увеличение мощности достигает 44%.

Более точный расчет с помощью методов компьютерного моделирования с учетом дополнительных "паразитных" индуктивностей и емкостей, потерь в стали сердечников и т. д. показывает увеличение мощности ~ 30%.

Интервал изменения С_фл относительно С_N указан в 1,3-1,8 раза. При С_N/С_фл<1,3 эффект увеличения мощности снижается, так как U_фл≈U_N, при С_N/С_фл>1,8, величина максимального напряжения на формирующей линии достигает больших значений, что вызовет необходимость использования дополнительной изоляции.

Примером конкретного выполнения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя, изготовленного в НИИ ядерной физики со следующими конструктивными параметрами С₁= С₂= С₃= 0,3•10^-6 Ф. Дроссели насыщения L₁, L₂ имеют одинаковые сердечники, изготовленные из 6 колец с внешним и внутренним диаметром 250 и 110 мм соответственно, шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,2 мм. Дроссель L₁ имеет 14 витков, L₂ - 4 витка. Одновитковый дроссель насыщения L₃ имеет сердечник из 3-х колец внешним и внутренним диаметрами 500 мм и 220 мм соответственно, шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты толщиной 0,2 мм.

Одновитковый магнитный коммутатор как и сердечники индукционной системы выполнен из колец с внешним и внутренним диаметрами 360 мм и 150 мм соответственно, шириной 25 мм, намотанных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,1 мм.

Конденсаторы С₁-С₃ с сосредоточенными параметрами типа К75-74 0,1 мкФ по 3 параллельно. Формирующая линия состоит из двух электродов длиной 4 метра, шириной 0,4 метра с изоляцией из синтофлекса общей толщиной 1,2 мм. Емкость формирующей линии 0,2•10^-6 Ф. Формирующая линия намотана вокруг сердечников индукционной системы по спирали Архимеда.

Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм.

Конденсатор С₁ заряжается до 50 кВ от внешнего источника питания за интервал времени 12 мкс. Зарядка С₂ происходит за 3 мкс, С₃ - за 1 мкс, С_фл - за 0,2 мкс и время разряда С_фл на индукционную систему ~ 0,22 мкс.

Импульсная мощность линейного индукционного ускорителя составляет 3,5 ГВт, что на 30% выше, чем при использовании формирующей линии с емкостью 0,3•10^-6 Ф.

Таким образом, использование в линейном индукционном ускорителе формирующей линии емкостью в 1,3-1,8 раза меньше емкости конденсатора последней ступени сжатия магнитного импульсного генератора вызывает увеличение мощности выделяемой на нагрузке более 30%.

Формула изобретения

Линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключены концы электродов одинарной формирующей линии, причем электроды на противоположном конце соединены с магнитным импульсным генератором, состоящим из последовательных контуров, каждый из которых образован конденсатором и дросселем насыщения и в разрыв заземленного электрода одинарной формирующей линии включен магнитный коммутатор, отличающийся тем, что одинарная формирующая линия выполнена с емкостью в 1,3-1,8 раза меньше емкости конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1