Импульсная система питания индукционного ускорителя

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. Технический результат - повышение частоты следования циклов ускорения и коррекция радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения. В импульсной системе питания индукционного ускорителя емкостной накопитель через ветви тиристоров, собранных по схеме инвертора тока, подключен к включенным последовательно и встречно обмоткам возбуждения и компенсационной, причем в цепи компенсационной обмотки включен диод. Источник питания подключен параллельно к обмотке возбуждения через коммутирующий дроссель и конденсатор. Конденсатор через тиристор подключен к диоду и обмотке, причем обмотка и диод зашунтированы диодом. Одна обкладка корректирующего конденсатора через переменный резистор подключена к общей точке подключения обмотки возбуждения, компенсационной обмотки и низковольтного источника питания, который через дроссель подключен к общей точке подключения обмотки и дросселя. Другая обкладка конденсатора через тиристор подключена к общей точке подключения диода и обмотки. Высоковольтный источник питания постоянного тока подключен параллельно к конденсатору. 4 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией для последующего использования энергии ускоренных электронов для целей дефектоскопии, лечения онкологических заболеваний и т.д.

Наиболее близка к изобретению импульсная система питания индукционного ускорителя [1], содержащая магнитопровод, обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, низковольтный источник питания.

В такой системе питания с целью уменьшения величины энергии, необходимой для возбуждения электромагнита ускорителя, компенсационная обмотка включена последовательно и встречно с обмоткой возбуждения. Для получения исходного состояния центрального сердечника магнитопровода (размагничивания) в паузе между импульсами от низковольтного источника питания в компенсационную обмотку заводится постоянный ток (ток размагничивания), что ограничивает частоту следования циклов ускорения. В паузе между импульсами требуется подключение еще одного источника питания для подзарядки конденсатора, в котором запасается энергия, вводимая в колебательный контур для компенсации потерь энергии в нем за цикл ускорения.

Кроме того, необходима коррекция радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения, вызванная нелинейностью петли гистерезиса в начале перемагничивания ферромагнитного материала магнитопровода, для устранения влияния вихревых токов в пластинах центрального сердечника, вызванных как конечной проводимостью пластин ферромагнитного материала магнитопровода, так и наличием возможных короткозамкнутых контуров, образованных при замыкании пластин между собой. Время установления вихревых токов в центральном сердечнике магнитопровода может составлять десятки÷сотни микросекунд и зависит от толщины ферромагнитного материала. В течение этого времени происходит демпфирование центрального магнитного потока вихревыми токами и захват электронов в ускорение в этом интервале времени может быть невозможен. Из вышесказанного следует, что для нормальной работы ускорителя необходимо исправление магнитного поля в начале цикла ускорения.

Задача изобретения - повышение частоты следования циклов ускорения и коррекция радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения.

Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания индукционного ускорителя, содержащей магнитопровод, обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, низковольтный источник питания, в цепь последовательно и встречно включенных обмоток возбуждения и компенсационной включен диод, низковольтный источник питания параллельно подключен к дросселю и обмотке возбуждения, к которой через коммутирующий дроссель и конденсатор подключен источник питания, причем конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, а компенсационная обмотка с диодом дополнительно зашунтирована диодом, параллельно к компенсационной обмотке подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой тиристора, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока.

При таком исполнении импульсной системы питания индукционного ускорителя будет обеспечиваться, как накопление энергии в конденсаторе от источника питания через коммутирующий дроссель и обмотку возбуждения и в последующем ввод этой энергии в колебательный контур для компенсации потерь в нем за цикл ускорения, так и размагничивание центрального сердечника магнитопровода суммой токов коммутирующего дросселя в цепи источника питания и дросселя в цепи низковольтного источника питания, что позволит обеспечить высокую частоту следования циклов ускорения и улучшить тепловой режим компенсационной обмотки из-за исключения тока размагничивания в паузе между импульсами. Введенная в импульсную систему питания индукционного ускорителя цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из тиристора, переменного резистора и корректирующего конденсатора, обеспечит появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода током разряда корректирующего конденсатора, который при вышеописанной схеме соединения между собой компенсационной обмотки, тиристора, переменного резистора и корректирующего конденсатора будет направлен встречно току компенсационной обмотки, что приведет к уменьшению ее магнитодвижущей силы и скомпенсирует начальное сжатие равновесной орбиты, при этом также снизится отрицательное влияние вихревых токов в пластинах центрального сердечника магнитопровода.

На фиг.1 приведена магнитная система индукционного ускорителя.

Магнитная система индукционного ускорителя содержит магнитопровод 1 электромагнита ускорителя, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя. На фиг.1 пунктиром показано положение вакуумной камеры в межполюсном пространстве.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема импульсной системы питания индукционного ускорителя.

Импульсная система питания индукционного ускорителя, включает магнитопровод 1 электромагнита ускорителя, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя. Емкостной накопитель 4 через ветви тиристоров 5 и 6, собранных по схеме инвертора тока, подключен к включенным последовательно и встречно обмоткам 2 и 3, причем в цепи компенсационной обмотки 3 включен диод 7. Источник питания 8 подключен параллельно к обмотке 2 возбуждения через коммутирующий дроссель 9 и конденсатор 10. Конденсатор 10 через тиристор 11 подключен к диоду 7 и обмотке 3, причем обмотка 3 и диод 7 зашунтированы диодом 12. Одна обкладка корректирующего конденсатора 13 через переменный резистор 14 подключена к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения, компенсационной обмотки 3 и низковольтного источника питания 15, который через дроссель 16 подключен к общей точке подключения обмотки 2 и коммутирующего дросселя 9. Другая обкладка конденсатора 13 через тиристор 17 подключена к общей точке подключения диода 7 и обмотки 3. Высоковольтный источник питания 18 постоянного тока подключен параллельно к конденсатору 13.

На фиг.3 приведены эпюры изменения магнитных потоков, токов и напряжений в импульсной системе питания индукционного ускорителя, где цифрами обозначено: 19 - изменение магнитного потока в области ускорительной камеры, 20 - изменение магнитного потока в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя, 21 - изменение напряжения емкостного накопителя 4, 22 - изменение напряжения конденсатора 10, 23 - изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения, 24 - изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3, 25 - изменение напряжения обмотки 2 возбуждения, 26 - изменение напряжения компенсационной обмотки 3, 27 - изменение тока корректирующего конденсатора 13.

На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса 28 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя.

Рассмотрим работу импульсной системы питания индукционного ускорителя на фиг.2.

В исходном состоянии емкостной накопитель 4 заряжен до требуемого напряжения. Конденсатор 10 заряжается от источника питания 8 через коммутирующий дроссель 9 и обмотку 2 возбуждения постоянным током. От низковольтного источника питания 15 через дроссель 16 по обмотке 2 возбуждения также протекает постоянный ток, который совместно с током дросселя 9 задает магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя. К моменту времени t₁ магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг. 3, кривая 23) и характеризуется точкой "1" на предельной петле гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг.4, кривая 28).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 5 или 6, емкостной накопитель 4 начинает разряжаться (фиг.3, кривая 21) на включенные последовательно и встречно обмотку 2 возбуждения и компенсационную обмотку 3. Начинают формироваться магнитные потоки в области ускорительной камеры (фиг. 3, кривая 19) и в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг.3, кривая 20). Поток в области ускорительной камеры формируется потоком рассеяния обмоток 2 и 3, а поток в центральном сердечнике магнитопровода 1 формируется за счет разницы магнитодвижущих сил обмоток 2 (фиг.3, кривая 23) и 3 (фиг.3, кривая 24). Происходит инжекция электронов в вакуумную камеру, условно показанную пунктиром на фиг.1.

В этот же момент времени (в начале цикла ускорения) включается тиристор 17 и корректирующий конденсатор 13, заряженный до требуемого напряжения от высоковольтного источника питания 18 постоянного тока, начинает разряжаться на компенсационную обмотку 3 через переменный резистор 14, который позволяет регулировать радиус равновесной орбиты. Ток разряда корректирующего конденсатора 13 (фиг.3, кривая 27) направлен встречно току обмотки 3 и ее магнитодвижущая сила уменьшаетя, что вызывает появление дополнительного потока через центральный сердечник магнитопровода 1. Тем самым компенсируется начальное сжатие равновесной орбиты, снижается отрицательное влияние вихревых токов.

В момент времени t₂, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 28, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 13 спадает до нуля, тиристор 17 выключается, и в дальнейшем на оставшейся части цикла ускорения выполнение бетатронного соотношения (значение индукции на равновесной орбите равно удвоенному среднему значению изменения индукции в круге, ограниченном равновесной орбитой) на расчетном радиусе полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.

В момент времени t₃, после окончания процесса ускорения, включается тиристор 11 и подключает конденсатор 10, заряженный током дросселя 9 до максимального напряжения (фиг.3, кривая 22), к диоду 7. Ток разряда конденсатора 10 направлен встречно току обмотки 3. Ток компенсационной обмотки 3 начинает уменьшаться, а ток обмотки 2 возбуждения переходит в цепь конденсатора 10 и тиристора 11.

В течение интервала времени t₃-t₄ происходит ввод энергии от конденсатора 10 в колебательный контур для компенсации потерь энергии в нем за цикл ускорения, ток обмотки 3 спадает до нуля. Обесточивание компенсационной обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода 1 (фиг.4, кривая 28, точка "4"), магнитный поток в области ускорительной камеры будет уменьшаться, а магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода 1 наоборот резко возрастать, что приведет к сбросу электронов на внешнюю мишень или их можно вывести из вакуумной камеры.

В момент времени t₄, после выключения тиристора 11 конденсатор 10 вновь заряжается током дросселя 9, а ток обмотки 2 возбуждения переходит в цепь диода 12, диод 7 отключает цепь питания компенсационной обмотки 3.

К моменту времени t₅, когда ток обмотки 2 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг.3, кривая 23), центральный сердечник магнитопровода 1 выходит из насыщения и в интервале времени t₅-t₆ перемагничивается вновь в исходное состояние, определяемое точкой "1" на предельной петле гистерезиса ферромагнитного материала (фиг.4, кривая 28, участок 4-3-1).

В момент времени t₆ тиристоры 5 или 6 выключаются и магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 определяется суммой токов дросселей 9 и 16, протекающих по обмотке 2, и цикл работы ускорителя заканчивается.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания индукционного ускорителя обеспечивается как накопление энергии в конденсаторе 10 через дроссель 9 и обмотку 2 возбуждения и в последующем ввод этой энергии в колебательный контур для компенсации потерь в нем за цикл ускорения, так и размагничивание центрального сердечника магнитопровода 1 суммой токов дросселей 9 и 16, что позволяет обеспечить высокую частоту следования циклов ускорения и улучшить тепловой режим компенсационной обмотки 3 из-за исключения тока размагничивания в паузе между импульсами и уменьшения длительности тока обмотки 3 на спадающей части импульса.

Введенная в импульсную систему питания индукционного ускорителя цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из тиристора 17, переменного резистора 14 и корректирующего конденсатора 13, обеспечивает исправление магнитного поля в начале цикла ускорения и позволяет регулировать радиус равновесной орбиты, при этом также снижается отрицательное влияние вихревых токов в пластинах центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя.

Литература
1. Васильев В. В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство 619071.

Формула изобретения

Импульсная система питания индукционного ускорителя, содержащая магнитопровод, обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, низковольтный источник питания, отличающаяся тем, что в цепь последовательно и встречно включенных обмоток возбуждения и компенсационной включен диод, низковольтный источник питания параллельно подключен к дросселю и обмотке возбуждения, к которой через коммутирующий дроссель и конденсатор подключен источник питания, причем конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, а компенсационная обмотка с диодом дополнительно зашунтирована диодом, параллельно к компенсационной обмотке подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой тиристора, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4