ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ УСКОРЯЮЩАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК H05H5/08 H01F38/16 

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к трансформаторным высоковольтным источникам питания, используемым в ускорительной технике и технологии.

Высоковольтные трансформаторные ускоряющие установки находят широкое применение не только для научных исследований, но и для практических целей: в технологических электронно-лучевых и лазерных установках и для радиационно-химической обработки металлов. Возникает необходимость иметь подобные установки в транспортируемом исполнении. При решении этой задачи определяющим является достижение низких массогабаритных показателей.

Известна высоковольтная трансформаторная установка [1] Установка содержит расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n ≥2, охваченные высоковольтными обмотками осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичными обмотками, а также выпрямительный блок, к которому подключены высоковольтные обмотки. При этом высоковольтные и вторичные обмотки расположены симметрично относительно оси магнитопроводов. Выпрямительный блок состоит из выпрямительных мостов, образующих колонны вдоль оси магнитопроводов.

Недостатком такой установки является то, что она является дополнением к ускоряющему устройству, и в случае использования в последнем требуется применение дополнительно разделительного трансформатора для питания аппаратуры на высоком потенциале. Поэтому массогабаритные показатели всей установки, сочетающей как высоковольтную трансформаторную часть, так и ускоряющую часть, велики. Известна высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка [2] выбранная в качестве прототипа, содержащая расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n≥2, охваченные высоковольтными обмотками, осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичной обмотками, ускоряющую трубку, источник заряженных частиц, потенциальный экран и делитель напряжения. При этом высоковольтные обмотки выполнены секционированными.

Наличие электрической изоляции между отдельными секциями высоковольтной обмотки и отдельными элементами магнитопровода оказывает значительное влияние на степень рассеяния магнитного потока в магнитопроводе. С увеличением напряжения на потенциальном экране возрастает необходимость в увеличении изоляции магнитопровода, что приводит к увеличению промежутка между отдельными частями магнитопровода и, как следствие к увеличению массогабаритных показателей. Кроме того, для функционирования установки, выбранной в качестве прототипа необходимо устанавливать автономный источник питания на высоком потенциале, либо подключать разделительный трансформатор, В том и другом случаях значительно увеличивается массогабаритные показатели установки.

Поставленный технический результат снижение массогабаритных показателей достигается в высоковольтной трансформаторной ускоряющей установке, содержащей расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n≥2, охваченные высоковольтными обмотками осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичной обмотками, ускоряющую трубку, источник заряженных частиц, потенциальный экран и делитель напряжения, которая, в соответствии с изобретением, снабжена выпрямительным блоком, к которому подключены высоковольтные обмотки, и короткозамкнутыми обмотками, попарно охватывающими близлежащие магнитопроводы, причем количество короткозамкнутых обмоток равно (n-1), при этом первичная обмотка размещена на первом магнитопроводе, а на n-ном вторичная.

Снабжение установки короткозамкнутыми обмотками, попарно охватывающим близлежащие магнитопроводы при количестве короткозамкнутых обмоток равном (n-1) позволяет создать между каждой парой близлежащих магнитопроводов кроме электрической связи еще и магнитную, что способствует снижению рассеяния магнитного потока и, как следствие, снижению массогабаритных показателей.

Размещение первичной обмотки на первом магнитопроводе, а вторичной обмотки на n-ом магнитопроводе способствует уменьшению общего количества изоляции, более компактному размещению элементов установки, а также, в силу симметричности рассеянного магнитного поля вдоль оси магнитопровода, значительному уменьшению его влияния на движение частиц, что в целом снижает массогабаритные показатели.

На фиг. 1 представлена заявляемая высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка. На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема установки.

Высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка содержит (см.фиг. 1), расположенные вдоль оси симметрии 1 в количестве равном n≥2, осесимметричные магнитопроводы 2, охваченные высоковольтными обмотками 3. Магнитопроводы 2 снабжены также первичной обмоткой 4, размещенной на первом магнитопроводе, и вторичной обмоткой 5, размещенной на n-ом магнитопроводе.

Соосно с осью симметрии размещена ускоряющая трубка 6 на входе которой размещен источник заряженных частиц 7. Со стороны входа ускоряющей трубки 6 магнитопроводы 2 охвачены потенциальным экраном 8. Вдоль ускоряющей трубки 6 размещен делитель напряжения 9, один выход которого соединен с потенциальным экраном 8, а другой заземлен. Установка снабжена также выпрямительным блоком 10, образованным соединенными последовательно вентильными мостами 11. Один из выходов выпрямительного блока 10 заземлен, а другой подключен к потенциальному экрану 8. Высоковольтные обмотки 3 своими выводами подключены к вентильным мостам 11. Установка снабжена короткозамкнутыми обмотками 12 попарно охватывающими близлежащие магнитопроводы 2. Магнитопроводы 2 механически укреплены стойками 13, выполненными из диэлектрика.

Входы первичной обмотки 4 подключены к источнику электрического тока 14 (фиг.2). Вторичная обмотка 5 подключена к источнику заряженных частиц 7, потенциальному экрану 8 и делителю напряжения 9.

Устройство работает следующим образом (см.фиг.2). При подаче переменного напряжения от источника электрического тока 14 на первичную обмотку 4, в высоковольтной 3 и короткозамкнутой 12 обмотках, охватывающих первый магнитопровод 2, индуцируется переменная ЭДС. Сформированное переменное высокое напряжение выпрямляется вентильным мостом 11, фиксируя высокий потенциал на вышерасположенном вентильном мосте 11. Так как установившийся переменный ток в первой короткозамкнутой обмотке 12 охватывает последующий магнитопровод 2, то в нем протекают процессы аналогичное рассмотренным в предыдущем магнитопроводе 2, а роль первичной обмотки в данном случае выполняет первая короткозамкнутая обмотка 12. Индуцированный переменный ток во второй короткозамкнутой обмотке 12 создает переменный магнитный поток в третьем магнитопроводе 12, а он в свою очередь наводит ЭДС как в последующей короткозамкнутой обмотке 12, так и в высоковольтной обмотке 3, а вентильный мост 11 фиксирует очередной уровень высокого потенциала. Процесс передачи электрической энергии продолжается до n-го магнитопровода 2, в котором переменный магнитный поток индуцирует переменную ЭДС во вторичной обмотке 5. Напряжение постоянного электрического тока, зафиксированное выпрямительным блоком 10 подается на потенциальный экран 8, на входы ускоряющей трубки 6 и делителя напряжения 9. Делитель напряжения 9 осуществляет равномерное распределение электрического потенциала вдоль колонны магнитопроводов 2 и ускоряющей трубки 6, а также служит для стекания токов проводимости. Электрическая изоляция между магнитопроводами 2 осуществляется межобмоточной изоляцией короткозамкнутых обмоток 12 и изоляцией стоек 13 (фиг.1), выполняющих также роль несущей конструкции. Такая конструкция изоляции элементов, находящихся на высоком потенциале, дает возможность исключить в значительной степени массу изолирующих материалов всей установки, а передаваемая электрическая мощность по короткозамкнутым обмоткам 12 достаточна для работы источника заряженных частиц 7 в заданном режиме.

Примером конкретного выполнения может служить высоковольтная ускоряющая установка на 50 кВ. В качестве магнитопроводов применялись тороиды из ферромагнитного материала размером 120х80х12. Колонна состояла из трех магнитопроводов. Вентильные мосты содержали диоды КЦ 106Г и были собраны по схеме удвоения напряжения. Для намотки высоковольтных обмоток применялся провод типа ИГТФ-0,07, а для первичной обмотки осуществлялось переменным током с частотой 18 кГц.

В качестве источника заряженных частиц был выбран источник электронов прямого действия. Все устройство помещалось в трубу из изоляционного материала и объем заполнялся трансформаторным маслом. Изоляция испытывалась на напряжение 100 кВ, рабочее напряжение 50 кВ. Массогабаритные характеристики приведены в таблице.

Технико-экономическая эффективность устройства определяется снижением расхода конструкционных материалов. Почти в несколько раз снижается все высоковольтной части устройства за счет уменьшения их номенклатурного числа и количества, существенно снижается расход твердой изоляции в результате улучшения массогабаритных показателей при заданном уровне мощности выходного пучка заряженных частиц.

Использование: высоковольтные источники питания для ускорителей заряженных частиц. Сущность изобретения: высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка содержит ускоряющую трубку, источник заряженных частиц, потенциальный экран, делитель напряжения и осесимметричные магнитопроводы в количестве, равном n≥2, расположенные вдоль общей оси симметрии. Для уменьшения массогабаритных показателей и увеличения КПД установка снабжена выпрямительным блоком, к которому подключены высоковольтные обмотки, и короткозамкнутыми обмотками, попарно охватывающими близлежащие магнитопроводы. Количество короткозамкнутых обмоток равно n-1. Первичная обмотка размещена на первом магнитопроводе, а на n-ом вторичная. 2 ил.., 1 табл.

1 Высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка, содержащая расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n <$E>>=> 2, охваченные высоковольтными обмотками осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичной обмотками, ускоряющую трубку, источник заряженных частиц, потенциальный экран и делитель напряжения, отличающаяся тем, что установка снабжена выпрямительным блоком, к которому подключены высоковольтные обмотки, и короткозамкнутыми обмотками, попарно охватывающими близлежащие магнитопроводы, причем количество короткозамкнутых обмоток равно n - 1, при этом первичная обмотка размещена на первом магнитопроводе, а на n-м вторичная.