Патент на изобретение №2173035
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
(57) Реферат: Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для ускорения электронов вихревым электрическим полем. Технический результат – повышение частоты следования импульсов ускорения. В последовательно и встречно соединенных обмотках возбуждения и компенсационной при замкнутом магнитопроводе, параллельно обмотке возбуждения через дроссель и конденсатор подключен источник постоянного тока, а конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, дополнительно зашунтированным диодом. Для уменьшения изменения радиуса равновесной орбиты предлагается вводить воздушный зазор в замкнутый магнитопровод, компенсирующий влияние нелинейности кривой намагничивания стали. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для ускорения электронов вихревым электрическим полем. Известны индукционные ускорители – бетатроны с подмагничиванием [1-3], в которых магнитопровод ускорителя в центральной части выполнен без воздушных зазоров, а бетатронное соотношение магнитных потоков в области ускорителей камеры на равновесном радиусе и внутри орбиты, ограниченной равновесным радиусом, достигается за счет ампервитков обмотки, уложенной вокруг сплошного центрального сердечника и нагруженной на индуктивность. В таких схемах магнитный поток на радиусе равновесной орбиты создается потоком рассеяния между обмоткой возбуждения и компенсационной обмоткой, а фазовые соотношения во времени поддерживаются нагрузкой – индуктивностью. Известна магнитная система индукционного ускорителя [4], в которой с целью уменьшения величины энергии, необходимой для возбуждения электромагнита ускорителя, обмотка возбуждения включена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой. Для получения исходного состояния магнитопровода (размагничивания) по окончании каждого импульса от источника постоянного тока в компенсационную обмотку заводится ток размагничивания, что требует значительного времени и ограничивает частоту следования импульсов. Кроме того, для компенсации потерь в контуре требуется еще один источник энергии для подзарядки емкостного накопителя в паузе между импульсами. Указанные недостатки снижают частоту следования импульсов и создают дополнительные потери энергии в компенсационной обмотке – наиболее нагруженном узле ускорителя. Цель изобретения – повышение частоты следования импульсов ускорения. Это достигается тем, что в цель последовательно и встречно соединенных обмоток возбуждения и компенсационной включен диод, параллельно обмотке возбуждения через дроссель и компенсатор подключен источник питания, причем конденсатор через тиристор подключен к компенсационной обмотке и диоду, а компенсационная обмотка с диодом дополнительно зашунтирована диодом, а также тем, что в замкнутом магнитопроводе выполнен воздушный зазор величиной, зависящей от зазора в межполюсном пространстве на радиусе равновесной орбиты и изменения относительной магнитной проницаемости стали за цикл ускорения. При таком исполнении индукционного ускорителя требуемая пропорциональность изменения потока магнитного поля на орбите и в пределах орбиты (бетатронное отношение 2:1) определяется соотношением магнитодвижущей силы (НДС) обмотки возбуждения и НДС компенсационной обмотки, направленных встречно по отношению к центральному сердечнику и согласно в области ускорительной камеры. Причем НДС обмотки возбуждения больше НДС компенсационной обмотки на величину, необходимую для создания магнитного потока в замкнутом магнитопроводе, имеющем малое магнитное сопротивление из-за высокого значения магнитной проницаемости стали. Накопление энергии в конденсаторе через дроссель и обмотку возбуждения для последующего ввода энергии в колебательный контур для компенсации потерь в нем позволяет обеспечить одновременно и размагничивание магнитопровода ускорителя, что позволяет обеспечить высокую частоту следования импульсов и улучшить тепловой режим компенсационной обмотки из-за исключения тока подмагничивания в паузе между импульсами тока. На фиг. 1-3 дана схема магнитной системы ускорителя и его системы питания. Магнитопровод индукционного ускорителя состоит из: 1 – центрального сердечника; 2 – полосных наконечников; 3 – обратного магнитопровода, например, четырехстоечной конструкции. На центральном сердечнике 1 уложена компенсационная обмотка 4, а вокруг полюсных наконечников 2 – обмотка возбуждения 5. Между полюсными наконечниками 2 расположена вакуумная камера 6. Емкостной накопитель 7 через ветви тиристоров 8 и 9, собранных по схеме инвертора тока, подключен к встречно-последовательно включенным обмоткам 5 и 4, причем в цепи компенсационной обмотки 4 включен диод 10. Параллельно обмотке возбуждения 5 через дроссель 11 и конденсатор 12 подключается источник постоянного тока 13. Через тиристор 14 конденсатор 12 подключен к обмотке 4 и диоду 10, а они (4, 10) зашунтированы диодом 15. Работа схемы поясняется эпюрами на фиг. 4, где обозначено: 16 – напряжение емкостного накопителя 7, 17 – изменение индукции в центральном сердечнике 1 (Bm – максимально допустимая индукция стали, Bн – индукция насыщения), 18 – изменение индукции в области равновесной орбиты (Bо), 19 – ток обмотки возбуждения 5, 20 – ток компенсационной обмотки, 21 – ток дросселя 11 (ток источника питания), 22 – напряжение конденсатора 12, 23 – напряжение обмотки возбуждения 5. В исходном состоянии по цепи дросселя 11 протекает ток 21 (I0 и заряжает конденсатор 12, а емкостной накопитель 7 заряжен. К моменту времени t1 магнитное состояние центрального сердечника 1 и обратного магнитопровода 3 характеризуется ампервитками обмотки 5 с током I0, т.е. магнитопровод ускорителя размагничен, а магнитное поле в межполюсном зазоре практически отсутствует. В момент времени t1 включаются тиристоры 8 и емкостной накопитель 7 начинает разряжаться на встречно-включенные обмотки 5 и 4. Собственная частота колебательного контура (7,5,4)  где L1 и L2 – собственные индуктивности обмоток возбуждения и компенсационной, причем L1 > L2, что достигается соответствующим выбором числа витков обмоток 5 и 4 (W1 > W2); K  M – взаимная индуктивность обмоток L1 и L2,  а K – коэффициент связи, который из-за замкнутого магнитопровода близок к единице.
C – емкость емкостного накопителя 7.
Под действием ампервитковFy(t1-t3)=I(t) (W1-W2) (2)перемагничивается центральный сердечник от -Bm до +Bm, а магнитный поток на орбите радиусом R0 создается ампервитками F0(t1-t3)=W2 I(t) (3)и изменяется от нулевого значения до максимального Bо. В процессе возрастания поля на орбите в момент времени t2 происходит инжекция электронов в камеру 6 и их ускорение в интервале времени t2-t3. В момент времени t3, когда емкостной накопитель 7 практически разряжен, включается тиристор 14 и подключает конденсатор 12, заряженный током I0 до максимального напряжения, к компенсационной обмотке 4. Ток разряда конденсатора 12 направлен встречно току I(t) в компенсационной обмотке 4 и он начинает уменьшаться, а ток обмотки возбуждения 5 переходит в цепь конденсатора 12 и тиристора 14. В интервале времени t3 -t4 ток в компенсационной обмотке 4 спадает до нуля и диод 10 отключает цепь тока компенсационной обмотке. В этом интервале времени индукция в центральном сердечнике изменяется от +Bm до индукции насыщения Bн и центральный сердечник насыщается. При обесточивании компенсационной обмотки 4 нарушается бетатронное соотношение 1:2 и радиус равновесной орбиты увеличивается, так как центральный сердечник перемагничивается уже значительно большими, чем раньше (2), ампервитками F(t3-t4)=W1 I1(t)- W2I2(t), (4)где I1(t) – ток обмотки возбуждения 5, который несколько увеличивается, I2(t) – ток компенсационной обмотки 4, который уменьшается до нуля. Этот процесс дополнительно сопровождается уменьшением магнитного поля в межполюсном пространстве и происходит резкое увеличение радиуса равновесной орбиты и сброс электронов пучка на внешнюю мишень. Током обмотки возбуждения 5 конденсатор 12 разряжается, включается диод 15, а тиристор 14 выключается. Энергия конденсатора 12 переходит в LC контур и компенсирует потери энергии в нем. После выключения тиристора 14 конденсатор 12 вновь заряжается током источника питания I0 и индуктивности 11. В момент времени t5, когда ток дросселя 11 и ток в цепи емкостного накопителя 7 сравниваются, магнитная индукция в центральном сердечнике 1 проходит нулевое значение, а в интервале времени t5-t6 центральный сердечник и обратный магнитопровод размагничиваются до исходного состояния. По обмотке 5 протекает ток I0, конденсатор C12 заряжается, а емкостной накопитель 7 полностью перезарядился. И следующий рабочий цикл начинается с включением другой ветви тиристоров – 9 и процессы в схеме повторяются. Интервал времени  tк = t4-t3, равный времени обесточивания компенсационной обмотки, определяется как где ty – длительность цикла ускорения, интервал времени t3-t1= tyK – коэффициент, равный отношению Um/U0 – максимального напряжения в LC контуре к максимальному напряжению конденсатора 12, который в свою очередь зависит от добротности колебательного LC контура и соотношения емкостей конденсатора 12 и емкостного накопителя 7. Если изменения приращения индукции в стали от -Bm до +Bm происходят на линейном участке кривой намагничивания, то заданное соотношение витков обмоток возбуждения и компенсационной, а следовательно, и изменение магнитных потоков, определяемых индукцией в центральном сердечнике 17 и в области равновесной орбиты 18 в течение цикла ускорения, сохраняют свою пропорциональность и обеспечивают неизменность бетатронного соотношения 1:2 во времени при постоянном радиусе равновесной орбиты. При начальном значении индукции – Bm, близком к индукции насыщения Bн, нелинейность кривой намагничивания стали начнет сказываться на положении радиуса равновесной орбиты, а именно, при малом значении начальной магнитной проницаемости стали радиус равновесной орбиты уменьшается. Для устранения этого явления, наряду с известными методами коррекции радиуса равновесной орбиты, целесообразно введение воздушного зазора в замкнутом магнитопроводе величиной  (6)где  max,ср – максимальное и среднее значения относительной магнитной проницаемости стали за цикл ускорения, b0 – высота воздушного зазора в межполюсном пространстве на радиусе равновесной орбиты. Введение воздушного зазора уменьшает, в первую очередь, максимальное значение относительной магнитной проницаемости стали, приближая его к среднему значению.
Поставленная цель – повышение частоты следования импульсов ускорения, а следовательно, и интенсивности излучения индукционного ускорителя достигается за счет обеспечения размагничивания замкнутого магнитопровода (интервал времени 6-t5) за счет максимального напряжения LC контура, ввода энергии для компенсации потерь одновременно с обесточиванием компенсационной обмотки сразу же по окончании ускорения электронов, что не требует паузы между рабочими импульсами и позволяет повышать частоту циклов ускорения.
Литература1. Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. – Авт.свид. N 524477, 1975. 2. Васильев В. В., Москалев В.А., Фурман Э.Г. Бетатрон с подмагничиванием. – ПТЭ, 1979, N 4, с. 27-29. 3. Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система бетатрона с подмагничиванием. -ПТЭ, 1982, N 1, с. 30-33. 4. Фурман Э.Г., Васильев В.В. Магнитная система индукционного ускорителя. – Авт. свид. N 619071, 1977 (прототип). Формула изобретения
 где max, ср– максимальное и среднее значения относительной магнитной проницаемости стали за цикл ускорения;b0 – высота воздушного зазора в межполюсном пространстве на радиусе равновесной орбиты. РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 10.04.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 32-2003
Извещение опубликовано: 20.11.2003
|
||||||||||||||||||||||||||
