Патент на изобретение №2187913

(54) ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ

(57) Реферат:

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. Технический результат изобретения – повышение частоты следования циклов ускорения и коррекция радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения. Импульсная система питания индукционного ускорителя содержит магнитопровод, обмотку возбуждения, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостный накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор, низковольтный источник питания. 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, а параллельно к обмотке возбуждения и дросселю подключен низковольтный источник питания. 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, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор, 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. Емкостной накопитель работает в экономичном режиме – однополярном. 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.

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.

Технический результат достигается тем, что в импульсной системе питания индукционного ускорителя, содержащей магнитопровод, обмотку возбуждения, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор, низковольтный источник питания, параллельно к компенсационной обмотке подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединненых между собой тиристора, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, а параллельно к обмотке возбуждения и дросселю подключен низковольтный источник питания.

При таком исполнении импульсной системы питания индукционного ускорителя размагничивание центрального сердечника магнитопровода электромагнита ускорителя будет обеспечиваться током, протекающим от низковольтного источника питания через дроссель по обмотке возбуждения, 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 электромагнита ускорителя током разряда корректирующего конденсатора, который при вышеописанной схеме соединения между собой компенсационной обмотки, тиристора, переменного резистора и корректирующею конденсатора будет направлен встречно току компенсационной обмотки, что приведет к уменьшению ее магнитодвижущей силы и скомпенсирует начальное сжатие равновесной орбиты, при этом также снизиться отрицательное влияние вихревых токов в пластинах центрального сердечника магнитопровода электромагнита ускорителя.

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. Емкостной накопитель 4 через тиристоры 5 подключен к включенным последовательно и встречно обмоткам 2 и 3. Обмотка 2 возбуждения через диоды 6 подключена к емкостному накопителю 4. Одна обкладка корректирующего конденсатора 7 через тиристор 8 подключена к компенсационной обмотке 3. Другая обкладка корректирующего конденсатора 7 через переменный резистор 9 подключена к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения, компенсационной обмотки 3 и низковольтного источника питания 10, который через дроссель 11 подключен к общей точке подключения обмотки 2 и одной обкладке коммутирующего конденсатора 12. Другая обкладка коммутирующего конденсатора 12 через коммутирующий дроссель 13 подключена к коммутирующему диоду 14, причем дроссель 13 и диод 14 зашунтированы тиристором 15. Высоковольтный источник питания 16 постоянного тока параллельно подключен к корректирующему конденсатору 7. Диод 14 имеет общую точку подключения с обмоткой 3 и тиристором 8.

На фиг.3 приведены эпюры изменения магнитных потоков, токов и напряжений в импульсной системе питания индукционного ускорителя, где цифрами обозначено:
17 – изменение магнитного потока в области ускорительной камеры,
18 – изменение магнитного потока в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя,
19 – изменение напряжения емкостного накопителя 4,
20 – изменение напряжения коммутирующего конденсатора 12,
21 – изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения,
22 – изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3,
23 – изменение напряжения обмотки 2 возбуждения,
24 – изменение тока корректирующего конденсатора 7.

На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса 25 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя.

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

В исходном состоянии емкостный накопитель 4 заряжен до требуемого напряжения. От низковольтного источника питания 10 через дроссель 11 по обмотке 2 возбуждения протекает постоянный ток (ток размагничивания), который задает магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя. К моменту времени t₁ магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг.3, кривая 21) и характеризуется точкой “1” на предельной петле гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг.4, кривая 25).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 5 емкостный накопитель 4 начинает разряжаться (фиг.3, кривая 19) на включенные последовательно и встречно обмотку 2 возбуждения и компенсационную обмотку 3. Коммутирующий конденсатор 12 заряжается (фиг.3, кривая 20) от емкостного накопителя 4 через коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14. Начинают формироваться магнитные потоки в области ускорительной камеры (фиг.3, кривая 17) и в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг. 3, кривая 18). 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 21) и 3 (фиг.3, кривая 22). Происходит инжекция электронов в вакуумную камеру, условно показанную пунктиром на фиг.1.

В этот же момент времени (в начале цикла ускорения) включается тиристор 8 и корректирующий конденсатор 7, заряженный до требуемого напряжения от высоковольтного источника питания 16 постоянного тока, начинает разряжаться на компенсационную обмотку 3 через переменный резистор 9, который позволяет регулировать радиус равновесной орбиты. Ток разряда корректирующею конденсатора 7 (фиг. 3, кривая 24) направлен встречно току обмотки 3 и ее магнитодвижущая сила уменьшается, 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 электромагнита ускорителя по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 25, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 7 спадает до нуля, тиристор 8 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 15, и под действием напряжения коммутирующего конденсатора 12 тиристоры 5 обесточиваются и выключаются, а ток обмоток 2 и 3 замыкается в цепи тиристора 15 и коммутирующего конденсатора 12. Коммутирующий конденсатор 12 перезаряжается и в момент времени t₄, когда напряжения на нем и на емкостном накопителе 4 сравниваются, открываются диоды 6. Ток обмотки 2 возбуждения переходит в цепь диодов 6. В течение интервала времени t₄-t₅ ток обмотки 3 спадает до нуля. Обесточивание компенсационной обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг. 4, кривая 25, точка “4”), магнитный поток в области ускорительной камеры будет уменьшаться, а магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя наоборот резко возрастать, что приведет к сбросу электронов на внешнюю мишень или их можно вывести из вакуумной камеры.

В интервале времени t₄-t₇ емкостной накопитель 4 заряжается с той же полярностью, что и разряжался, а энергия, отдаваемая емкостным накопителем 4 за время t₄-t₁ в магнитное поле электромагнита ускорителя, в течение времени t₇-t₄ обратно рекупитирует в емкостной накопитель 4.

К моменту времени t₆, когда ток обмотки 2 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмотки 2 (фиг.3. кривая 21), центральный сердечник магнитопровода 1 выходит из насыщения и в интервале времени t₆-t₇ перемагничивается вновь в исходное состояние, определяемое точкой “1” на предельной петле гистерезиса ферромагнитного материала (фиг.4, кривая 25, участок 4-3-1).

В момент времени t₇ диоды 6 выключаются и магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 определяется током дросселя 11, протекающим по обмотке 2, и цикл работы ускорителя закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания индукционного ускорителя размагничивание центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя обеспечивается током, протекающим от низковольтною источника питания 10 через дроссель 11 по обмотке 2 возбуждения, что позволяет обеспечить высокую частоту следования циклов ускорения и улучшить тепловой режим компенсационной обмотки 3 из-за исключения тока размагничивания в паузе между импульсами.

Введенная в импульсную систему питания индукционного ускорителя цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из тиристора 8, переменного резистора 9 и корректирующего конденсатора 7, 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.

Источники информации
1. Васильев В. В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. – Авт. св. 619071.

Формула изобретения

Импульсная система питания индукционного ускорителя, содержащая магнитопровод, обмотку возбуждения, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостный накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор, низковольтный источник питания, отличающаяся тем, что параллельно к компенсационной обмотке подключена цепь коррекции равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой тиристора, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, а параллельно к обмотке возбуждения и дросселю подключен низковольтный источник питания.

РИСУНКИ