Линейный индукционный ускоритель

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации электронных или ионных пучков микросекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. С обеих сторон сердечников выводы витков намагничивания электрически объединены и подключены к выводам последних звеньев сжатия двух или более магнитных импульсных генераторов. Магнитные импульсные генераторы представляют собой последовательность не менее чем двух звеньев сжатия, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. Формирование индукционной системой импульса высокого напряжения микросекундной длительности осуществляется за счет последовательного разряда конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов через обмотки дросселей насыщения на витки намагничивания. Задержка подачи импульсов от разных магнитных импульсных генераторов на индукционную систему достигается выбором величин потокосцеплений дросселей насыщения последних звеньев сжатия. Технический результат - осуществление последовательного разряда нескольких магнитных импульсных генераторов на витки намагничивания ферромагнитных сердечников. 1 ил.

 

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

Для получения сильноточных электронных или ионных пучков микросекундной длительности применяются ускорители прямого действия, содержащие генераторы импульсных напряжений. Генератор импульсных напряжений представляет собой набор конденсаторов, заряжаемых параллельно от источника высокого напряжения [Диденко А.Н., Григорьев В.П, Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение.// М.: Атомиздат, 1977, 153 с.]. Разряд конденсаторов на нагрузку осуществляется при их последовательном включении с помощью набора газовых разрядников, устанавливаемых между конденсаторами. Недостатки, присущие подобному ускорителю, связаны с моноимпульсным режимом его работы из-за необходимости восстановления электрической прочности газового промежутка разрядника. 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. Указанные обстоятельства существенно ограничивают возможности эффективного применения ускорителей прямого действия в технологических целях.

Наиболее близким техническим решением является конструкция линейного индукционного ускорителя [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов Физика. Издание ТГУ, 1998, №4, Приложение, с. 111-119]. Данное устройство содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. 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, представляющего собой дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитной стали и 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 заряженные частицы. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как:

где N - число сердечников, U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы.

Принципиальным отличием линейного индукционного ускорителя от описанной выше конструкции ускорителя прямого действия является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать 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, в противном случае размеры, а значит, индуктивность такого коммутатора становятся недопустимо большими. Итак, линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к выводам 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 N звеньев сжатия (LC контуров с увеличивающейся собственной частотой). Каждое звено сжатия содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов звеньев сжатия C₁,C₂,...C_N обычно равны между собой и равны емкости C_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. Поэтому процессы передачи энергии от одного звена сжатия к последующему звену происходят за меньший интервал времени, чем обеспечивается компрессия энергия для зарядки формирующей линии за малый промежуток времени (сотни наносекунд).

Подобные линейные индукционные ускорители могут работать с частотой следования импульсов в единицы килогерц. Основной их недостаток - короткая длительность импульса выходного напряжения (не более 200 нс). Это связано: 1) с применением формирующих линий, имеющих ограниченную длину, 2) с использованием магнитных коммутаторов, способных обеспечивать зарядку формирующих линий с электрической длиной 0,5-1 мкс, только при значительной массе ферромагнитного материала, а значит, при больших размерах и большой индуктивности обмотки, что делает невозможным формирование прямоугольного импульса выходного напряжения, 3) с использованием ферромагнитной индукционной системы, способной трансформировать импульс напряжения ограниченное время до момента насыщения ферромагнитных сердечников. Допустимый интервал времени Δt от момента подачи прямоугольного импульса напряжения амплитудой U до момента насыщения сердечников определяется по следующей формуле:

где ψ=ω·S·ΔВ - величина потокосцепления индукционной системы, ω - число витков намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы, S - сечение стали ферромагнитных сердечников, ΔВ - размах магнитной индукции в стали сердечников. Для получения выходного импульса прямоугольной формы или близкой к ней изготавливают индукционные системы с одним витком намагничивания сердечников. Увеличение числа витков намагничивания до двух приводит к увеличению примерно в 4 раза индуктивности разрядного контура, образованного емкостью формирующей линии и индуктивностями магнитного коммутатора и витков намагничивания. При этом в 2 раза увеличивается длительность импульса выходного напряжения при пропорциональном уменьшении его амплитудных параметров (максимальная мощность в импульсе уменьшается в 2 раза). Выходной импульс напряжения индукционной системы приобретает колоколообразный вид. В случае использования линейного индукционного ускорителя для формирования пучков заряженных частиц следует ожидать большого энергетического разброса частиц. Увеличение потокосцепления индукционной системы ограничено размером выпускаемых ферромагнитных сердечников, а величина ΔВ ограничена свойствами ферромагнитного материала. Исходя из изложенного линейные индукционные ускорители изготавливаются для формирования импульсов выходного напряжения наносекундной длительности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание линейного индукционного ускорителя с микросекундной длительностью импульса выходного напряжения. Техническим результатом является осуществление последовательного разряда нескольких (двух или более) магнитных импульсных генераторов на витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы.

Для решения данной задачи предлагается линейный индукционный ускоритель, содержащий, как и прототип, индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. Выводы витков намагничивания с каждой стороны сердечников объединены между собой и подключены к выводам последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность N≥2 звеньев сжатия с увеличивающейся собственной частотой, каждое из которых состоит из конденсатора с сосредоточенными параметрами и дросселя насыщения.

Отличием от известного технического решения является наличие одного или более дополнительных магнитных импульсных генераторов, каждый из которых имеет не менее двух звеньев сжатия, и выводы последних звеньев сжатия подключены к выводам витков намагничивания. При этом величины потокосцеплений дросселей насыщения последних звеньев сжатия каждого магнитного импульсного генератора отличаются друг от друга на величину диапазона, равную: где U_mN - напряжение на конденсаторах последних звеньев сжатия, L_mN - индуктивность обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия, С_mN - емкость конденсаторов последних звеньев сжатия дополнительных магнитных импульсных генераторов. Значение 0,5 соответствует включению дополнительного магнитного импульсного генератора в максимуме импульса тока разряда предыдущего магнитного импульсного генератора. В этом случае формируется выходной импульс с формой, близкой к прямоугольной. Значение 1 соответствует включению дополнительного магнитного импульсного генератора в момент окончания импульса тока разряда предыдущего магнитного импульсного генератора. При этом значении выходной импульс, формируемый индукционной системой, имеет максимальную длительность.

Таким образом, использование дополнительных магнитных импульсных генераторов, изготовленных по указанному выше принципу, позволяет осуществлять их последовательный разряд на витки намагничивания индукционной системы, причем индукционная система формирует выходные импульсы напряжения и тока микросекундной длительности формой, близкой к прямоугольной.

Принципиальная схема устройства изображена на чертеже, где обозначено: 1 - ферромагнитная индукционная система, 2 - выводы витков намагничивания индукционной системы, 3 - магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C₁-С_N и дросселей насыщения L₁-L_N, 4 - первый дополнительный магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов С₁₁-С_1N и дросселей насыщения L₁₁-L_1N, 5 - m-й дополнительный магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C_m1-С_mN и дросселей насыщения L_m1-L_mn.

Устройство содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания, имеющими выводы 2. К выводам витков намагничивания 2 подключены последние звенья сжатия магнитных импульсных генераторов 3, 4, 5 общим количеством m+1. Магнитные импульсные генераторы 3, 4, 5 имеют одинаковую электрическую схему и принцип работы, состоят из последовательных LC звеньев сжатия.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве отсутствует формирующая линия, роль которой выполняют конденсаторы последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов и отсутствуют магнитные коммутаторы, роль которых выполняют дроссели насыщения последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов.

Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на чертеже не указаны) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L₁-L_N магнитного импульсного генератора 3, сердечников дросселей насыщения L₁₁-L_1N первого дополнительного магнитного импульсного генератора 4 сердечников дросселей насыщения L_m1-L_mN дополнительных магнитных импульсных генераторов 5 и индукционной системы 1. От внешнего источника питания (например, конденсаторная батарея разряжается через высоковольтный трансформатор при включении игнитронного или тиристорного коммутатора) осуществляется заряд конденсатора С₁ первого звена сжатия магнитного импульсного генератора 3, конденсатора С₁₁ первого звена сжатия дополнительного магнитного импульсного генератора f, конденсатора C_m1 первого звена сжатия m-го магнитного импульсного генератора 5. Рассмотрим происходящие процессы в элементах магнитных импульсных генераторов на примере магнитного импульсного генератора 3, поскольку в дополнительных магнитных импульсных генераторах протекают аналогичные процессы.

При заряде C₁ на выводах дросселя насыщения L₁ появляется разность потенциалов U_C1, вызывающая протекание тока намагничивания по обмотке и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L₁. Величина потокосцепления дросселя насыщения L₁ составляет: ψ₁=W₁S₁ΔB, где W₁ - число витков, S₁ - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔB=2,5 Т для пермаллоя 50 НП) и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда C₁. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от μ=10⁵ до μ=1, и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд C₁ и заряд С₂ через обмотку дросселя L₁ в интервале времени;

Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₂. При заряде конденсатора С₂ к обмотке дросселя насыщения L₂ начинает прикладываться разность потенциалов:

где U_C1 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора С₁. 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 сμ→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 обмотку дросселя насыщения L₂. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₃:

где (W₃, S₃ - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₃)

Аналогично предыдущим рассуждениям:

где W_N, S_N - число витков и сечение стали дросселя насыщения последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора 3. Используя соотношения (3)-(7) рассчитывают параметры элементов магнитного импульсного генератора линейного индукционного ускорителя. Обычно выбирают С₁=С₂=...=С_N и в этом случае <U₁>=<U₂>=...=<U_N-1>=1/2U_C1=1/2U_C2=1/2U_CN-1=1/2U_CN, где U_C1,U_C2,...U_CN - амплитуды зарядного напряжения конденсаторов магнитного импульсного генератора.

Как отмечалось выше, дополнительные магнитные импульсные генераторы имеют подобную электрическую схему и параметры элементов за исключением дросселей насыщения последних звеньев сжатия. Для обеспечения временной задержки разряда конденсаторов последних контуров С_1N,...,С_mN на витки намагничивания индукционной системы через обмотки дросселей L_1N,...,L_mN предлагается увеличить величину потокосцепления дросселей насыщения. Это возможно осуществить: 1) увеличением числа витков обмоток, 2) увеличением сечения стали ферромагнитных сердечников, 3) выбором материала сердечников с различной величиной размаха магнитной индукции в стали, 4) комбинацией указанных способов.

Импульс тока разряда конденсатора С_N последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора через последовательно включенные индуктивность обмотки дросселя насыщения L_N и индуктивность витков намагничивания сердечников индукционной системы имеет колоколообразный вид. Величина потокосцепления дросселя насыщения L_1N последнего звена сжатия первого дополнительного магнитного импульсного генератора выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда магнитного импульсного генератора. Величина потокосцепления дросселя насыщения L_2N последнего звена сжатия второго дополнительного магнитного импульсного генератора выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда первого дополнительного магнитного импульсного генератора. Включение следующих дополнительных магнитных импульсных генераторов производится по описанному принципу. Суперпозиция импульсов тока разряда конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов позволяет формировать индукционной системе импульс напряжения, близкий к прямоугольной форме на нагрузке. Задавая различное время подключения дополнительных магнитных импульсных генераторов к индукционной системе выбором величины потокосцепления дросселей насыщения последних звеньев сжатия, можно формировать импульсы на выходе индукционной системы различной длительности, амплитуды и формы. Для этого задается диапазон изменения потокосцепления дросселей насыщения последних звеньев сжатия в следующем виде: где U_mN - напряжение на конденсаторах последних звеньев сжатия, L_mN - индуктивность обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия, С_mN - емкость конденсаторов последних звеньев сжатия дополнительных магнитных импульсных генераторов.

Предложенное устройство наиболее эффективно применять для формирования импульсов напряжения микросекундной длительности при использовании индукционных систем с многовитковыми обмотками сердечников индукционной системы. С одной стороны, это позволяет значительно (в число используемых витков раз) сократить весогабаритные характеристики индукционной системы, а с другой стороны, увеличение индуктивности разрядного контура: конденсаторы - дроссели насыщения - витки намагничивания индукционной системы не приводит к существенному снижению качества выходного импульса.

Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя ГНУ «НИИ ЯФ при ТПУ». Рассмотрим работу устройства, изготовленного из основного и одного дополнительного магнитных импульсных генераторов, состоящих из двух звеньев сжатия со следующими конструктивными параметрами С₁=C₂=C₁₁=C₁₂=0,3·10^-6 Ф. Дроссели насыщения L₁, L₁₁ имеют одинаковые сердечники, изготовленные из N₁=6 колец с внешним D_внешн диаметром 360 мм и внутренним D_внутр диаметром 150 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм. Конденсаторы C₁, C₂, C₁₁, C₁₂ с сосредоточенными параметрами типа К75-74 0,1 мкФ по 3 параллельно.

Индукционная система содержит 14 ферромагнитных сердечников с размерами: внешний и внутренний диаметры 360 и 150 мм, ширина h=25 мм, изготовленные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,01 мм. По оси сердечников располагается металлическая труба, на которой суммируется вихревая ЭДС. Сердечники охвачены трехвитковой первичной обмоткой. Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм. Конденсаторы C₁, C₁₁ заряжаются до U_C1=50 кВ (<U>≈25 кВ для всех звеньев сжатия) от внешнего источника питания за интервал времени Δt₀=10 мкс. Величина емкости конденсаторов первых звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов выбирается одинаковой, чтобы обеспечить равный интервал времени зарядных процессов, равную амплитуду зарядного напряжения и исключить процессы передачи энергии между магнитными импульсными генераторами. Поэтому накладывается условие на количество звеньев сжатия - не менее двух. Параметры дросселей насыщения первых звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов следует выбирать одинаковыми, с тем, чтобы процессы передачи энергии от первых звеньев сжатия последующим заканчивались одновременно и не происходила перекачка энергии от одного магнитного импульсного генератора к другому.

Величина потокосцепления дросселей насыщения L₁ и l₁₁ должна составлять:

Сечение стали сердечников дросселей насыщения L₁ и L₁₁ составляет:

где K=0,8 - коэффициент заполнения сталью объема сердечника, N₁ - число колец, из которых производится сборка сердечника дросселя насыщения.

Для выполнения равенства в формуле (8), т.е. достижения полной передачи энергии из первичного накопителя в конденсатор первого звена, число витков в обмотках дросселей насыщения L₁, L₁₁ должно составлять ω₁=9. Индуктивности обмоток дросселей L₁, L₁₁ в насыщенном состоянии сердечников равны:

где а=180 мм - линейный размер обмотки, D_{внешн.обм}=380 мм, D_{внутр.обм}=140 мм - внешний и внутренний диаметры обмотки дросселей насыщения.

Длительность времени разряда С₁ на С₂ и С₁₁ на С₁₂ составит в соответствии с (3): Δt₁=2,1 мкс.

Величина потокосцепления дросселей насыщения L₂ и L₁₂ должна составлять:

Если для изготовления дросселя насыщения L₂ применить N₂=5 сердечников из колец с внешним D_внешн диаметром 360 мм и внутренним D_внутр диаметром 150 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм, то сечение стали сердечника составит:

Для выполнения равенства в левой части формулы (11) число витков в обмотках дросселей насыщения L₂, L₁₂ должно составлять не менее ω₂=2. Индуктивность обмотки дросселя L₂ в насыщенном состоянии сердечников равна:

где a₂=150 мм.

Длительность импульса разряда С₂ на индукционную систему через индуктивности обмотки дросселя насыщения и витков намагничивания L_u.c. (ориентировочно 0,15 мкГн) составит:

Потокосцепление дросселя насыщения L₁₂ должно превышать величину потокосцепления дросселя насыщения L₂ для задержки разряда конденсатора последнего звена сжатия дополнительного магнитного импульсного генератора. Если для изготовления дросселя насыщения L₁₂ использовать 6 ферромагнитных колец с размерами: внешний и внутренний диаметры 360 и 150 мм, ширина 25 мм, это позволяет задержать разрядный импульс конденсатора С₂₂ на величину: где величина определяется из соотношения:

Таким образом, дополнительный магнитный импульсный генератор подключается к виткам намагничивания индукционной системы в максимуме импульса тока магнитного импульсного генератора.

Добавляя второй дополнительный магнитный импульсный генератор, можно увеличить длительность выходного импульса индукционной системы еще на 0,3 мкс. Для этого дроссель насыщения последнего звена сжатия второго дополнительного магнитного импульсного генератора должен быть изготовлен из 7 ферромагнитных колец с двухвитковой обмоткой.

Количество дополнительных магнитных импульсных генераторов ограничено следующим. При окончании разряда конденсатора последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора 3 сердечник дросселя насыщения L_N находится в насыщенном состоянии. При включении на индукционную систему дополнительных магнитных импульсных генераторов 4, 5 по обмотке дросселя насыщения L_N начинает протекать размагничивающий ток под действием разности потенциалов на выводах индукционной системы. Длительность этого процесса ограничена величиной потокосцепления дросселя насыщения. В рассмотренном примере конкретного выполнения линейного индукционного ускорителя длительность процесса обратного перемагничивания зависит от формы импульса напряжения на выводах индукционной системы и составляет ˜ 1,6 мкс, поскольку импульс по форме будет близок к прямоугольному. Поэтому в рассматриваемом примере линейного индукционного ускорителя можно подключить не более двух дополнительных магнитных импульсных генераторов.

Таким образом, в предлагаемом линейном индукционном ускорителе, способном формировать выходные импульсы напряжения микросекундной длительности, реализуется оригинальный подход, связанный с подачей на витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы разрядных импульсов от нескольких магнитных импульсных генераторов, включаемых с необходимой временной задержкой. Суперпозиция импульсов от отдельных магнитных импульсных генераторов позволяет формировать выходной импульс микросекундной длительности, близкий к прямоугольной форме.

Линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, выводы витков намагничивания с каждой стороны сердечников соединены между собой и электрически связаны с выводами последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора, имеющего не менее двух звеньев сжатия, образуемых конденсатором и дросселем насыщения, отличающийся тем, что содержит один или более (m≥2) дополнительные магнитные импульсные генераторы с числом звеньев сжатия N не менее двух, для первых (1, 2..., N-1) звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов величины емкости конденсаторов C₁=C₁₁=C₂₁=...=C_m1, C₂=C₁₂=C₂₂=...=С_m2,..., С_N-1=С_1N-1=C_2N-1=...=C_mN-1 и величины потокосцеплений дросселей насыщения ψ_L1=ψ_L11=ψ_L21=...=ψ_Lm1, ψ_L2=ψ_L12=ψ_L22=...=ψ_Lm2,..., ψ_LN-1=ψ_L1N-1=ψ_L2N-1...=ψ_LmN-1 равны между собой, выводы последних звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов подключены к выводам витков намагничивания, при этом величины потокосцеплений дросселей насыщения последних N-x звеньев сжатия каждого магнитного импульсного генератора отличаются друг от друга на величину диапазона, равную где U_mN - напряжение на конденсатора последнего звеньев сжатия, L_mN - индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего звена сжатия, C_mN - емкость конденсатора последнего звена сжатия m-го дополнительного магнитного импульсного генератора.