Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. Техническим результатом изобретения является обеспечение стабилизации и регулировки кинетической энергии ускоренных электронов. В импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода (БРМ) емкостный 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 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 цепи коррекции подключена к общей точке подключения диодов 7, 12. Высоковольтный источник питания 18 постоянного тока подключен параллельно к конденсатору 13 и переменному резистору 19. Тиристор 20 подключен параллельно к дросселю 9 и обмотке 2 возбуждения. В данной импульсной системе питания БРМ обеспечивается стабилизация и регулировка кинетической энергии ускоренных электронов за счет параллельного подключения тиристора 20 к обмотке 2 возбуждения и коммутирующему дросселю 9. При этом подключение тиристора 17 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 стоимости цепи коррекции радиуса равновесной орбиты. 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 магнитопровод, обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, тиристор цепи коррекции, емкостный накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к включенным последовательно и встречно 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.

В данной импульсной системе питания источник питания состоит из источника переменного тока (сеть, трансформатор) и выпрямителя, собранного из диодов по мостовой схеме или по схеме Ларионова и т.д. Поэтому колебания напряжения в сети, увеличение потерь мощности из-за нагрева в частях электромагнита приводят к нестабильности кинетической энергии ускоренных электронов.

Из вышесказанного следует, что в импульсной системе питания БРМ необходима стабилизация кинетической энергии ускоренных электронов. При этом желательно иметь возможность регулировки кинетической энергии ускоренных электронов.

Задачей изобретения является обеспечение стабилизации и регулировки кинетической энергии ускоренных электронов.

Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащей магнитопровод, обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, тиристор цепи коррекции, емкостный накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к включенным последовательно и встречно 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, согласно изобретению параллельно к цепи, состоящей из последовательно соединенных между собой компенсационной обмотки и диода, подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой резистора, тиристора цепи коррекции и корректирующего конденсатора, к которому параллельно через переменный резистор подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, причем параллельно к обмотке возбуждения и коммутирующему дросселю подключен тиристор.

При таком исполнении импульсной системы питания БРМ обеспечатся стабилизация и регулировка кинетической энергии ускоренных электронов за счет параллельного подключения тиристора к обмотке возбуждения и коммутирующему дросселю.

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, где 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 13;

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 13;

30 - изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения;

31 - изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3;

32 - изменение радиуса равновесной орбиты.

На фиг. 4 приведена предельная петля гистерезиса 33 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. Емкостный 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 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 цепи коррекции подключена к общей точке подключения диодов 7, 12. Высоковольтный источник питания 18 постоянного тока подключен параллельно к конденсатору 13 и переменному резистору 19. Тиристор 20 подключен параллельно к дросселю 9 и обмотке 2 возбуждения.

Рассмотрим работу импульсной системы питания БРМ на фиг. 2.

В исходном состоянии емкостный 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 15 постоянного тока через дроссель 16 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 - В_{с mах} (фиг. 4, кривая 33, точка I) в центральном сердечнике магнитопровода 1 и начальным значением магнитной индукции - _o.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, емкостный 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 17 и корректирующий конденсатор 13, заряженный до требуемого напряжения U₀ (фиг. 3, кривая 23) через резистор 19 от высоковольтного источника питания 18 постоянного тока, начинает разряжаться на обмотку 2 через резистор 14 и емкостный накопитель 4. Ток разряда конденсатора 13 (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_оp (фиг. 3, кривая 32). Изменяя сопротивление резистора 19, 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 13 спадает до нуля (фиг. 3, кривая 29), тиристор 17 выключается и в дальнейшем (до момента времени ₄) выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты r_ор (фиг. 3, кривая 32) полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.

В момент времени t₃ включается тиристор 20, выпрямитель источника питания 8 закрывается потенциалом конденсатора 10, а ток размагничивания I_p1 перехватывается тиристором 20 и протекает по цепи: коммутирующий дроссель 9 - обмотка 2 возбуждения - тиристор 20, при этом заряд конденсатора 10 прекращается (фиг. 3, кривая 24). Энергия, запасенная в конденсаторе 10, остается неизменной до момента ее ввода в колебательный контур БРМ. Таким образом, стабилизация кинетической энергии ускоренных электронов осуществляется временем включения тиристора 20, которое может изменяться от Т/2 до Т (где Т- время заряда конденсатора 10 до двойного напряжения выпрямителя источника питания 8) и определяет величину энергии, запасенной в конденсаторе 10. Такой большой диапазон изменения величины вводимой в колебательный контур БРМ энергии (энергии, запасенной в конденсаторе 10) можно также использовать для регулировки в широких пределах кинетической энергии ускоренных электронов (как показала практика от 0.7W_{к mах} до W_{к mах}, где W_{к max} - максимальная кинетическая энергия ускоренных электронов).

В момент времени t₄, включается тиристор 11 и подключает конденсатор 10, заряженный до напряжения U₂ к диоду 7. 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_y, 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 4). 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 + В_с.к и конечным значением магнитной индукции в обратном магнитопроводе + В_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 -B_{c mах} (фиг. 4, кривая 33, участок 4-5-6-1).

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 заканчивается.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания индукционного ускорителя обеспечивается стабилизация и регулировка кинетической энергии ускоренных электронов за счет параллельного подключения тиристора 20 к обмотке 2 возбуждения и коммутирующему дросселю 9. При этом подключение тиристора 17 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 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].

Формула изобретения

Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая магнитопровод, обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, тиристор цепи коррекции, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к включенным последовательно и встречно 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, отличающаяся тем, что параллельно к цепи, состоящей из последовательно соединенных между собой компенсационной обмотки и диода, подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой резистора, тиристора цепи коррекции и корректирующего конденсатора, к которому параллельно через переменный резистор подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, причем параллельно к обмотке возбуждения и коммутирующему дросселю подключен тиристор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4