СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА УСКОРЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании линейных индукционных ускорителей, мощных генераторов импульсов с крутым фронтом.

Известен способ формирования импульса на нагрузке, заключающийся в импульсной передаче энергии из накопителя в формирователь, состоящий из двух частей, соединенных между собой через нагрузку, создании перепада мощности в одной из частей формирователя с помощью дополнительного магнитного коммутатора и формировании импульса на нагрузке с помощью обеих частей формирователя [1].

Известен способ формирования импульса ускоряющего электрического поля, заключающийся в воздействии импульса перемагничивающего тока с крутым фронтом от импульсного генератора на ферромагнитный сердечник с обмоткой. При этом в сердечнике возникает изменяющийся во времени магнитный поток, который в соответствии с принципом электромагнитной индукции возбуждает в окружающем сердечник пространства вихревое электрическое поле. Это поле используется для ускорения заряженных частиц [2].

Известное устройство, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит источник электроэнергии, импульсный генератор, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, причем источник электроэнергии подключен к импульсному генератору, выход которого соединен с первичной обмоткой ферромагнитного сердечника [2].

Недостатком известных способа и устройства заключается в сложности процесса формирования импульса ускоряющего электрического поля с крутым фронтом. Это объясняется тем, что в устройствах, реализующих известный способ, фронт импульса, прикладываемого к первичной обмотке ферромагнитного сердечника, дополнительно обостряют с помощью специальных коммутаторов-обострителей. Временная нестабильность импульса напряжения, прикладываемого к первичной обмотке ферромагнитного сердечника, возникающая в процессе обострения фронта, усложняет процесс синхронизации пучка заряженных частиц с импульсом индукционного ускоряющего поля и требует сложного процесса стабилизации его амплитуды. Кроме того, для сокращения габаритов ферромагнитного сердечника при заданных значениях длительности и амплитуды импульса напряжения, прикладываемого к первичной обмотке ферромагнитного сердечника, его дополнительно размагничивают специальным генератором.

Цель изобретения состоит в упрощении процесса формирования импульса ускоряющего электрического поля.

Цель достигается тем, что по способу формирования импульса ускоряющего электрического поля, включающему формирование перепада мощности, изменение во времени магнитного потока в ферромагнитном сердечнике при воздействии перепада мощности на его обмотку с одновременным возбуждением ускоряющего электрического поля, согласно изобретению перехватывают изменяющийся во времени магнитный поток и передают энергию в накопитель электрической энергии, намагничивая ферромагнитный сердечник в первоначальном направлении, вторично изменяют во времени магнитный поток в ферромагнитном сердечнике, намагничивая его в направлении, обратном первоначальному, с одновременным возбуждением ускоряющего электрического поля.

Цель достигается также тем, что в устройство для формирования импульса ускоряющего электрического поля, содержащее источник электроэнергии, импульсный генератор, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, причем источник электроэнергии подключен к импульсному генератору, выход которого соединен с первичной обмоткой ферромагнитного сердечника, согласно изобретению введены дроссель, накопитель электрической энергии, а ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой содержит дополнительную обмотку, причем дроссель соединен последовательно с первичной обмоткой ферромагнитного сердечника, а выводы введенной дополнительной обмотки соединены с выводами накопителя электрической энергии.

Введение новых элементов обеспечивает намагничивание ферромагнитного сердечника в начальном направлении и формирование импульса ускоряющего электрического поля с крутым фронтом в процессе его перемагничивания в направлении, обратном первоначальному, и тем самым достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод о том, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

По сравнению с известными способом и устройствами аналогичного назначения предложенные способ и устройство отличаются тем, что при передаче энергии в дополнительный накопитель электрической энергии за счет дополнительной обмотки с одновременным намагничиванием ферромагнитного сердечника в начальном направлении отпадает необходимость в дополнительном размагничивании сердечника, в использовании системы размагничивания для увеличения размаха индукции в нем. За счет формирования импульса ускоряющего электрического поля с крутым фронтом при обратном перемагничивании сердечника дополнительный накопитель электрической энергии (формирователь) подключен к дополнительной обмотке (в данных способе и устройстве с нее помощью возбуждают ускоряющее электрическое поле) без коммутатора-обострителя, который представляет собой достаточно сложное устройство, особенно в наносекундном диапазоне длительностей.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". В известных технических решениях длительность фронта импульса ускоряющего электрического поля определяется характеристиками коммутатора-обострителя и паразитными параметрами ферромагнитного сердечника с обмоткой. В предлагаемом решении длительность фронта определяется в основном паразитными параметрами сердечника с обмотками. Это обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показана схема устройства для осуществления предлагаемого способа, где 1 - источник электроэнергии, 2 - импульсный генератор, 3 - дроссель, 4 - первичная обмотка, 5 - ферромагнитный сердечник, 6 - дополнительная обмотка, 7 - дополнительный накопитель электрической энергии (конденсатор или отрезок линии передачи).

Источник 1 электроэнергии подключен к входу импульсного генератора 2. Выход импульсного генератора через дроссель 3 соединен с первичной обмоткой 4 ферромагнитного сердечника 5. Выводы дополнительной обмотки 6 ферромагнитного сердечника соединены с выводами дополнительного накопителя 7 электрической энергии. В наносекундном диапазоне длительности импульса ускоряющего электрического поля функцию дросселя 3 может выполнять паразитная индуктивность контура цепи с первичной обмоткой.

Способ осуществляется следующим образом.

При передаче энергии от импульсного генератора 2 через ферромагнитный сердечник 5 с первичной 4 и дополнительной 6 обмотками в дополнительный накопитель 7 электрической энергии и последующей его перезарядке ферромагнитный сердечник 5 намагничивают в первоначальном направлении из состояния начальной намагниченности до насыщения и возвращают его в состояние остаточной намагниченности по окончании перезарядки. В момент окончания перезарядки напряжение дополнительного накопителя электрической энергии приложено к дополнительной обмотке 6, в ферромагнитном сердечнике 5 возникает изменяющийся во времени магнитный поток с одновременным возбуждением ускоряющего электрического поля в окружающем его пространстве, при этом ферромагнитный сердечник 5 намагничивается в направлении, обратном первоначальному, и возвращается в исходную точку на петле гистерезиса. Дроссель 3, включенный последовательно с первичной обмоткой 4, исключает передачу энергии в цепь с первичной обмоткой 4 в процессе формирования ускоряющего электрического поля.

На фиг.2 показан ход изменения магнитной индукции ферромагнитного сердечника и тока в дополнительной обмотке, соответствующий процессам, происходящим в схеме на фиг.1; на фиг.3 и 4 - импульс ускоряющего электрического поля, сформированный в устройстве по фиг.1.

Устройство работает следующим образом.

Импульсный генератор 2 вырабатывает перепад мощности и возбуждает первичную обмотку 4 ферромагнитного сердечника 5. При этом дополнительный накопитель 7 электрической энергии заряжается через дополнительную обмотку 6 ферромагнитного сердечника, а ферромагнитный сердечник намагничивается и переходит из начального состояния (например, точка А на петле гистерезиса, фиг. 2) в состояние с остаточной индукцией (кривая А-Б-В) по окончании зарядки дополнительного накопителя электрической энергии. В момент окончания зарядки ток в дополнительной обмотке 6 (фиг.2) изменяет направление (с этого момента оно совпадает с направлением тока в первичной обмотке), начинается перезарядка дополнительного накопителя 7 электрической энергии, а ферромагнитный сердечник 5 насыщается (кривая В-Г) и обратно возвращается в состояние с остаточной индукцией (кривая Г-Д) по окончании перезарядки. В этот момент ток в дополнительной обмотке 6 снова изменяет направление, производная по току максимальна, напряжение дополнительного накопителя 7 электрической энергии приложено к дополнительной обмотке 6, ферромагнитный сердечник 5 начинает перемагничиваться в направлении, обратном первоначальному (кривая Д-Е-А), а в окружающем его пространстве возбуждается ускоряющее электрическое поле с временем нарастания, определяемым паразитными параметрами контура с дополнительной обмоткой 6. Дроссель 3, включенный последовательно с первичной обмоткой 4, исключает влияние первичной цепи на процесс формирования ускоряющего электрического поля, по окончании которого ферромагнитный сердечник 5 возвращается в исходную точку на петле гистерезиса (точка А).

Приведем выражения для вычисления величин элементов и параметров устройства. Длительность формируемого импульса ускоряющего электрического поля
τ_имп = ΔB˙S˙Wg/ U, где W_g - количество витков в дополнительной обмотке;
ΔВ - приращение магнитной индукции в ферромагнитном сердечнике за время формирования импульса ускоряющего электрического поля; S - поперечное сечение ферромагнитного сердечника, u - амплитуда напряжения, приложенного к дополнительной обмотке, при формировании импульса ускоряющего электричества.

Величина емкости дополнительного накопителя электрической энергии
C_д.н.э.э = где
ρ_o = где ρ_инд - динамическое сопротивление ферромагнитного сердечника с дополнительной обмоткой;
ρ_п= - сопротивление пучка, где I_п - амплитуда тока ускоряющего пучка заряженных частиц.

Величина выходной емкости импульсного генератора
C≥ C_д.н.э.э где W₁ - количество витков первичной обмотки.

В качестве источника 1 электроэнергии использован высоковольтный источник напряжения ВС-50/50, импульсного генератора 2 - конденсатор типа Alfons емкостью 15 нФ, тиратрон ТГИI-2500/50, объединенный в последовательную цепь с дросселем 3 и обмоткой 4, дросселя 3 - паразитная индуктивность цепи с первичной обмоткой, обмоток 4, 6 - обмотки с количеством витков, равным одному в каждой, сердечника 5 - пермаллоевый сердечник размером 430х230х25 мм³, накопителя 7 энергии - конденсатор типа Alfons емкостью 12 нФ. Кроме того, на пермаллоевый сердечник намотана измерительная обмотка для регистрации импульса ускоряющего электрического поля, выводы которой подключены к делителю напряжения.

На фиг. 3 и 4 приведены осциллограммы напряжения 4 тока, полученные с помощью измерительной обмотки, делителя напряжения и пояса Роговского в дополнительной обмотке.

На фиг. 3 показаны развертка по вертикали 10 кВ/кл и развертка по горизонтали 100 нс/кл. Отрицательный импульс соответствует процессу передачи энергии в конденсатор 7, положительный импульс - импульс ускоряющего электрического поля, время между импульсами соответствует процессу перезарядки конденсатора 7.

На фиг. 4 показана развертка по горизонтали 50 нс/кл, отдельно импульс ускоряющего электрического поля.

Данный способ позволяет исключить процесс обострения фронта импульса, осуществляемого в прототипе, так как формируемая длительность фронта импульса ускоряющего электрического поля не требует дальнейшего обострения, и тем самым упростить процесс формирования ускоряющего электрического поля.

Использование предлагаемых способа формирования ускоряющего электрического поля и устройства позволяет повысить временную стабильность формируемого импульса, что упрощает процесс синхронизации пучка заряженных частиц с импульсом. Одновременно отпадает необходимость в использовании коммутаторов-обострителей и системы размагничивания ферромагнитного сердечника, что снижает стоимость разработки устройств.

Использование: в ускорительной технике при создании линейных индукционных ускорителей, мощных генераторов импульсов с крутым фронтом. Решает задачу упрощения процесса формирования импульса ускоряющего электрического поля. Сущность изобретения заключается в том, что формируют перепад мощности, измеряют во времени магнитный поток ферромагнитного сердечника и одновременно возбуждают ускоряющее электрическое поле, перехватывают изменяющийся во времени магнитный поток и передают энергию в накопитель электрической энергии, намагничивая ферромагнитный сердечник в первоначальном направлении, вторично изменяют во времени магнитный поток, намагничивая сердечник в направлении, обратном первоначальному, с одновременным возбуждением ускоряющего магнитного поля. Устройство для осуществления способа включает в себя источник 1 электроэнергии, импульсный генератор 2, ферромагнитный сердечник 5 с первичной обмоткой 4, причем источник электроэнергии подключен к импульсному генератору 2, выход которого соединен с первичной обмоткой 4 ферромагнитного сердечника, дроссель 3, накопитель 7 электрической энергии, причем ферромагнитный сердечник 5 с первичной обмоткой 4 содержит дополнительную обмотку 6, дроссель 3 соединен последовательно с первичной обмоткой 4 сердечника 5, а выводы дополнительной обмотки 6 соединены с выводами накопителя 7. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА УСКОРЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.