Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода

 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. Техническим результатом изобретения является обеспечение коррекции радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения, уменьшение массогабаритных параметров и повышение надежности импульсной системы питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода. В импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода (БРМ) 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 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. Низковольтный источник питания 13 через дроссель 14 подключен к обмотке 2 возбуждения. Дроссель 15 цепи коррекции и тиристор 16 подключены параллельно к тиристору 11. Источник питания 8 через переменный резистор 17 подключен к одной обкладке корректирующего конденсатора 18. Корректирующий конденсатор 18 подключен параллельно к обмотке 3 и диоду 7 через тиристор 19 цепи коррекции и резистор 20. При таком подключении друг к другу элементов импульсной системы питания БРМ для заряда корректирующего конденсатора 18 не требуется применение дополнительного высоковольтного источника питания постоянного тока, что делает предлагаемую импульсную систему питания БРМ более простой и надежной и уменьшает ее массогабаритные параметры. При этом подключение тиристора 19 цепи коррекции к общей точке подключения диодов 12 и 7 позволяет уменьшить на нем обратное напряжение на величину напряжения холостого хода компенсационной обмотки 3, что соответственно приводит к уменьшению массогабаритных параметров и стоимости цепи коррекции радиуса равновесной орбиты и соответственно к уменьшению массогабаритных параметров и стоимости импульсной системы питания БРМ. Введенная в импульсную систему питания БРМ простая цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из дросселя 15 цепи коррекции и тиристора 16, имеющая небольшие массогабаритные параметры и стоимость, обеспечивает исправление магнитного поля в конце цикла ускорения. 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.

Известна импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода (БРМ) [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение 2187912], выбранная в качестве прототипа, содержащая электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, низковольтный источник питания постоянного тока, параллельно подключенный к дросселю и обмотке возбуждения, к которой подключен источник питания через коммутирующий дроссель и конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор.

В данной импульсной системе питания используется дополнительный высоковольтный источник питания постоянного тока для заряда корректирующего конденсатора. Данный источник питания увеличивает массогабаритные параметры и усложняет конструкцию импульсной системы питания БРМ.

Кроме того, необходима коррекция радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения, вызванная нелинейностью петли гистерезиса на конечном этапе перемагничивания ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода электромагнита БРМ. Без применения данной цепи коррекции, как показывает практика [Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2002] , в конце цикла ускорения из-за уменьшения радиуса равновесной орбиты происходят частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры. Данное обстоятельство, соответственно, приводит к уменьшению интенсивности излучения.

Задачей изобретения является обеспечение коррекции радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения, уменьшение массогабаритных параметров и повышение надежности импульсной системы питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода.

Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащей электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, низковольтный источник питания постоянного тока, параллельно подключенный к дросселю и обмотке возбуждения, к которой подключен источник питания через коммутирующий дроссель и конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор, согласно изобретению конденсатор через дроссель цепи коррекции и тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, а корректирующий конденсатор подключен параллельно к диоду и компенсационной обмотке через резистор и тиристор цепи коррекции, причем одна обкладка корректирующего конденсатора, имеющая общую точку подключения с тиристором цепи коррекции, через переменный резистор подключена к общей точке подключения источника питания и дросселя цепи коррекции.

При таком исполнении импульсной системы питания БРМ исключается дополнительный высоковольтный источник питания постоянного тока. При этом обеспечится коррекция радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения за счет подключения конденсатора через дроссель цепи коррекции и тиристор к компенсационной обмотке и диоду.

На фиг.1 приведена электромагнитная система БРМ, где пунктиром показано положение вакуумной ускорительной камеры в межполюсном пространстве. На фиг. 2 приведена принципиальная схема импульсной системы питания БРМ. На фиг.3 приведены эпюры изменения напряжений, токов, магнитных индукций, радиуса равновесной орбиты в рабочем зазоре электромагнита и магнитодвижущих сил в импульсной системе питания БРМ. На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

Электромагнитная система БРМ (фиг.1) содержит магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

Импульсная система питания БРМ (фиг.2) включает магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита БРМ. 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 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. Низковольтный источник питания 13 через дроссель 14 подключен к обмотке 2 возбуждения. Дроссель 15 цепи коррекции и тиристор 16 подключены параллельно к тиристору 11. Источник питания 8 через переменный резистор 17 подключен к одной обкладке корректирующего конденсатора 18. Корректирующий конденсатор 18 подключен параллельно к обмотке 3 и диоду 7 через тиристор 19 цепи коррекции и резистор 20.

На фиг.3, 4 цифрами обозначено: 21 - изменение напряжения на обмотке 2 возбуждения; 22 - изменение магнитной индукции в обратном магнитопроводе магнитопровода 1 электромагнита БРМ; 23 - изменение напряжения на корректирующем конденсаторе 18; 24 - изменение напряжения на конденсаторе 10; 25 - изменение магнитной индукции в области равновесной орбиты электромагнита БРМ; 26 - изменение магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита БРМ; 27 - изменение напряжения на компенсационной обмотке 3; 28 - изменение напряжения на емкостном накопителе 4; 29 - изменение тока корректирующего конденсатора 18;
30 - изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения;
31 - изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3;
32 - изменение радиуса равновесной орбиты;
33 - предельная петля гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

Рассмотрим принцип действия импульсной системы питания БРМ на фиг.2. В исходном состоянии емкостной накопитель 4 заряжен до напряжения U₁ (фиг.3, кривая 28). Конденсатор 10 заряжается от источника питания 8 через коммутирующий дроссель 9 и обмотку 2 возбуждения почти постоянным током I_p1 (при индуктивности дросселя 9 много больше индуктивности обмотки 2). От низковольтного источника питания 13 постоянного тока через дроссель 14 по обмотке 2 протекает постоянный ток I_р2, который совместно с током I_p1 задает магнитное состояние магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

К моменту времени t₁ магнитное состояние магнитопровода определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг.3, кривая 30) и характеризуется начальным значением магнитной индукции B_{c max} (фиг.4, кривая 33, точка 1) в центральном сердечнике магнитопровода 1 и начальным значением магнитной индукции B_о.м.н - в обратном магнитопроводе магнитопровода 1, при этом начальное значение магнитной индукции в области равновесной орбиты близко к нулю (фиг.3, кривые 22, 25, 26).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 5 или 6 емкостной накопитель 4 начинает разряжаться на включенные последовательно и встречно обмотки 2 и 3 (фиг.3, кривая 28). Создаются магнитные потоки в области равновесной орбиты, в центральном сердечнике магнитопровода 1 и в обратном магнитопроводе магнитопровода 1.

В момент времени t₁ включается также тиристор цепи коррекции 19 и корректирующий конденсатор 18, заряженный до требуемого напряжения U₀ (фиг.3, кривая 23) через переменный резистор 17, резистор 20, обмотку 2 и дроссель 9 от источника питания 8, начинает разряжаться на обмотку 2 через резистор 20 и емкостной накопитель 4. Ток разряда конденсатора 18 (фиг.3, кривая 29) направлен согласно с током обмотки 2 и ее магнитодвижущая сила увеличивается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода 1 в интервале времени t₁÷t₂, компенсируется начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе перемагничивания (фиг.4, кривая 33, участок 1-2). Радиус равновесной орбиты в этом интервале времени изменяется от начального значения r_он до расчетного r_ор (фиг.3, кривая 32). Изменяя сопротивление резистора 17 можно в широких пределах регулировать положение радиуса равновесной орбиты в момент инжекции t_i электронов в вакуумную ускорительную камеру, оптимизируя тем самым захват электронов в ускорение.

В момент времени t₂, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг. 4, кривая 33, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 18 спадает до нуля (фиг.3, кривая 29), тиристор 19 выключается и в дальнейшем (до момента времени ₃) выполнение бетатронного соотношения 2: 1 на расчетном радиусе равновесной орбиты r_op (фиг.3, кривая 32) полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.

В момент времени t₃ включается тиристор 16 и конденсатор 10, заряженный через коммутирующий дроссель 9 и обмотку 2 до напряжения U₂, начинает разряжаться на обмотку 3 через дроссель 15 цепи коррекции, имеющий небольшие массогабаритные параметры. Ток разряда конденсатора 10 направлен встречно току обмотки 3 и ее магнитодвижущая сила уменьшается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода 1, компенсируется сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на конечном этапе перемагничивания ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 (фиг.4, участок 3-4). В течение интервала времени t₃÷t₄ происходит частичный ввод энергии от конденсатора 10 в колебательный контур, при этом корректируется соотношение напряжений на обмотках 2, 3 (фиг.3, кривые 21, 27), а радиус равновесной орбиты остается постоянным или несколько увеличивается в зависимости от величины индуктивности дросселя 15. Данное обстоятельство исключает частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры в конце цикла ускорения, что, соответственно, приводит к увеличению интенсивности излучения БРМ.

На кривых 21, 27 и 32 (фиг.3) в интервале времени t₃÷t₄ пунктиром показаны изменения напряжений на обмотках 2, 3 и изменение радиуса равновесной орбиты при отключенной цепи коррекции. В данном случае радиус равновесной орбиты будет уменьшаться, и когда он достигнет значения r_кр, произойдут частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры, что, соответственно, приведет к уменьшению интенсивности излучения БРМ.

В момент времени t₄ включается тиристор 11 и подключает конденсатор 10 к диоду 7, а тиристор 16 обесточивается и выключается. Ток разряда конденсатора 10 направлен встречно току компенсационной обмотки 3. Ток обмотки 3 начинает уменьшаться, а ток обмотки возбуждения 2 переходит в цепь конденсатора 10 и тиристора 11.

В течение интервала времени t₄÷t₆ происходит ввод энергии от конденсатора 10 в колебательный контур для компенсации потерь энергии в нем за цикл ускорения t_у, а ток обмотки 3 спадает до нуля. При обесточивании обмотки 3 (интервал времени t₄÷t₆) за счет увеличения разницы магнитодвижущих сил обмоток 2, 3 (фиг.3, кривые 30, 31) магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода возрастает, происходит увеличение радиуса равновесной орбиты (фиг. 3, кривая 32). В момент времени t₅, когда радиус равновесной орбиты достигает значения радиуса установки инжектора r_i, происходит сброс электронов на внешнюю мишень. Дальнейшее обесточивание обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода (фиг.4, кривая 33, точка 5). При полном разряде конденсатора 10 (момент времени t₆) включается диод 12, тиристор 11 выключается и конденсатор 10 вновь заряжается током I_p1.

К моменту времени t₅ магнитное состояние магнитопровода характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода + B_с.к и конечным значением магнитной индукции в обратном магнитопроводе + B_о.м.к (фиг.3, кривые 22, 26). Магнитная индукция в области равновесной орбиты в течение процесса ускорения t_у на радиусе равновесной орбиты r_ор изменяется приблизительно от 0 до конечного значения + В_о.р.к (фиг.3, кривая 25).

К моменту времени t₇ когда ток обмотки 2 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения, центральный сердечник магнитопровода выходит из насыщения и в интервале времени t₇÷t₈ размагничивается вновь в исходное состояние В_{с mах} (фиг.4, кривая 33, участок 5-6-7-1).

В момент времени t₈ тиристоры 5 или 6 выключаются и магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода определяется суммой токов (I_p1+I_p2), протекающих по обмотке 2, и цикл работы импульсной системы питания БРМ закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания БРМ для заряда корректирующего конденсатора 18 не требуется применение дополнительного высоковольтного источника питания постоянного тока, что делает предлагаемую импульсную систему питания БРМ более простой и надежной и уменьшает ее массогабаритные параметры. При этом подключение тиристора 19 цепи коррекции к общей точке подключения диодов 12 и 7 позволяет уменьшить на нем обратное напряжение на величину напряжения холостого хода компенсационной обмотки 3, что, соответственно, приводит к уменьшению массогабаритных параметров и стоимости цепи коррекции радиуса равновесной орбиты по сравнению с цепью коррекции, предложенной в [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А. С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение 2187912], и, соответственно, к уменьшению массогабаритных параметров и стоимости импульсной системы питания БРМ.

Введенная в импульсную систему питания БРМ простая цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из дросселя 15 цепи коррекции и тиристора 16, имеющая небольшие массогабаритные параметры и стоимость, обеспечивает исправление магнитного поля в конце цикла ускорения. Данное обстоятельство устраняет частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры в конце цикла ускорения и, соответственно, повышает интенсивность излучения БРМ.

Формула изобретения

Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, низковольтный источник питания постоянного тока, параллельно подключенный к дросселю и обмотке возбуждения, к которой подключен источник питания через коммутирующий дроссель и конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что конденсатор через дроссель цепи коррекции и тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, а корректирующий конденсатор подключен параллельно к диоду и компенсационной обмотке через резистор и тиристор цепи коррекции, причем одна обкладка корректирующего конденсатора, имеющая общую точку подключения с тиристором цепи коррекции через переменный резистор подключена к общей точке подключения источника питания и дросселя цепи коррекции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4