АВТОНОМНО-СЕКЦИОНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОЛЬЦЕВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТА Российский патент 2001 года по МПК H05H7/04 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к мощным протонным синхротронам.

По ускорительной технике имеется обширная литература, представленная, например, в [1-4, 6, 7, 9-12], а также в Трудах Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. В ускорительной технике неизменна тенденция к росту энергии заряженных частиц, а ее практическое достижение связано с ростом длины орбиты, т.е. с увеличением радиуса кольцевого электромагнита.

Общепринятая в настоящее время структура протонного синхротрона имеет немало особенностей, которые имеют негативный и обременительный характер:
1) громадные геометрические размеры кольцевого электромагнита (радиус > 1 км);
2) большая протяженность и инерционность кольцевого электромагнита являются причинами нежелательных процессов;
3) с ростом радиуса кольцевого электромагнита возрастают трудности управления пучком заряженных частиц;
4) большие эксплуатационные расходы, связанные в первую очередь с громадным потреблением электроэнергии;
5) многокаскадная или бустерная схема ускорения;
6) громадные расходы на строительство;
7) блокирование значительной территории.

Две основные технические системы, которые определяют качество выходных координат и энергетические показатели протонных синхротронов;
- кольцевой электромагнит,
- ускоряющие устройства (станции).

Затруднения специалистов по ускорительной технике в надлежащем управлении пучком заряженных частиц вынудили их вводить в их структуру различные дорогостоящие и энергопотребляющие устройства. Главной причиной всех негативных явлений и всякого рода колебаний при транспортировке пучка протонов по заданной орбите является несоответствие выходных координат кольцевого электромагнита и ускоряющих устройств, т. е. негативные процессы в протонном синхротроне исходят из несовершенства его технических систем, т.е. из их примитивности. Так, например, допуск на отклонение частоты ускоряющих устройств от требуемого 2·10 в начале цикла и 2,6·10 в конце цикла, погрешность магнитного поля 2,5·10 в начале ускорения и 10 в конце ускорения [12].

Авторы литературных источников по ускорительной технике исходили из одобрения уже освоенных технических решений и практически уклонились от рассмотрения объектов ускорительной техники как систем автоматического управления. В итоге ускорительная техника и ее лидер протонный синхротрон, находясь на уровне примитивных систем, потеряли перспективу по величине достигаемой энергии и оказались одиозными объектами с громадным потреблением энергии от промышленной сети.

В известной автономно-секционированной системе управления током кольцевого электромагнита ускорителя (АССЭКЭУ) [4] обмотка кольцевого электромагнита разделена на N автономных и изолированных между собой участков (секций), каждый из которых подключен к модулю автономной и полностью управляемой системы-усилителя на основе эффектов бесконечного усиления. Каждый модуль системы-усилителя является идеальным и полностью управляемым источником тока на всей траектории движения его выходной координаты, начиная от нуля. Управление всеми автономными секциями в структуре АССЭКЭУ осуществляется от одного задающего устройства, которое управляет всеми N модулями, при этом обеспечивается точное и синхронное движение выходных координат всех N модулей по любой программе. Структура АССЭКЭУ обладает большими потенциальными возможностями, она, в частности, обеспечивает
- увеличение быстродействия в N раз,
- повышение КПД,
- коррекцию магнитного поля самой системой,
- создает идеальную магнитную дорожку для транспортировки пучка заряженных частиц во всех режимах работы ускорителя.

Структура АССЭКЭУ показана на фиг. 1, где
1 - секция электромагнита,
2 - модуль системы-усилителя,
3 - задающее устройство.

На фиг. 2 представлена блок-схема системы-усилителя, где
4 - управляемый выпрямитель (УВ),
5, 6 - дроссели,
7 - блок резонансных звеньев,
8 - активный элемент силовой части быстродействующего регулятора (БДР),
9 - блок главного усилителя (БГУ), выполненный на q (q > 2) последовательно включенных усилительных каскадах, каждый из которых на основе эффекта бесконечного усиления,
10, 11 - согласующе-усилительные каскады,
12 - входная клемма БГУ,
13 - стабилизатор постоянного напряжения на эффектах бесконечного усиления,
14 - датчик тока (или магнитного поля),
15 - объект.

Схема фиг. 2 работает на принципе регулирования по отклонению, она обеспечивает точное управление выходными координатами от нуля и в противоположной знаковой области, при этом полностью подавлены все действующие на нее возмущения, включая и параметрические. Если выключить БДР, то система будет неработоспособной, а если выключить все каналы положительной обратной связи в БГУ, создающие эффект бесконечного усиления, то система потеряет свои идеальные качества.

В вариантах железных и сверхпроводящих электромагнитах структура АССЭКЭУ является совершенной.

В ускорительной технике неизменна тенденция к росту энергии заряженных частиц, а ее практическое достижение связано с ростом длины орбиты, т.е. с увеличением радиуса кольцевого электромагнита, который уже теперь достигает многих километров. Еще в 1956 г. В.И.Весклер писал [3], что для того, чтобы повысить энергию заряженных частиц, необходимо увеличить напряженность магнитного поля, ". . . а это мы пока не умеем сделать". Прошло еще несколько десятилетий, а ситуация не изменилась: "Повышение энергии ускорителей пока еще неизбежно связано с увеличением размера установки" [9], т.е. в настоящее время протонный синхротрон потерял перспективу по уровню достигаемой энергии.

Сущность изобретения состоит в том, что секции электромагнита в структуре фиг. 1 выполнены на безжелезных диполях на основе структуры сильных импульсных магнитных полей. Безжелезные диполи на сильных импульсных магнитных полях могут быть выполнены, в частности, на двух катушках с зазором. Структура усилителя на сильных импульсных магнитных полях с оптимизмом изменяет указанную выше ситуацию в ускорительной технике и обеспечивает высокие темпы роста энергии протонных синхротронов за счет исключения
- железа из электромагнита,
- гальванической связи между диполями в кольцевом электромагните ускорителя.

Исключение железа из электромагнита улучшает структуру АССЭКЭУ за счет отсутствия эффекта остаточного намагничивания и резкого сокращения потребления энергии от промышленной сети. Следует отметить, что работа протонного синхротрона на сильных импульсных магнитных полях способствует подавлению
- бетатронных колебаний, которые затухают пропорционально квадратному корню из индукции магнитного поля,
- радиально-фазовых колебаний до 20 раз.

Ценность структуры АССЭКЭУ на сильных импульсных магнитных полях состоит прежде всего в том, что именно она обеспечивает развитие протонного синхротрона в направлении увеличения индукции магнитного поля до 100 Тл и более при резком сокращении потребления энергии от промышленной сети.

По сильным импульсным магнитным полям имеется обширная литература. Обобщенные сведения по сильным импульсным полям представлены в [5, 8, 13, 14, 16] : эти поля применяются в исследовательских целях в физике и других направлениях науки. Сведений о применении сильных импульсных магнитных полей в литературе по ускорительной технике [2, 3, 6, 7, 9-12] не имеется. Только в [11, 16] дана краткая информация о синхрофазотроне в Австралии с магнитом без железа (10 ГэВ. 8 Тл) - этот синхрофазотрон оказался нежизнеспособным.

Обмотки известных конструкций магнитов без железа, пригодные для транспортировки пучка заряженных частиц, имеют либо овальную форму или форму седла. "В большинстве случаев обмотки изготовляют в форме седла, поскольку поперечное сечение такой обмотки обеспечивает идеальное распределение тока, т. е. создаваемое поперечное магнитное поле оказывается вполне однородным" [15], при этом отмечается, что их расчет представляет сложную задачу.

В [1, 13] рассмотрены диполи, катушки которых создают поперечное магнитное поле. Исходя из [1, 13] магнитное поле диполя из пары катушек одинакового прямоугольного сечения может быть записано в следующем виде:



где a₁, a₂, b - геометрические размеры катушки
2g - промежуток между катушками
I - ток, ампер
λ - коэффициент заполнения
S - сечение провода.

Формула (1) определяет величину магнитного поля в зазоре 2g между катушками.

Средняя мощность системы электропитания для обеспечения импульсного режима работы одного комплекта катушек (пары катушек) равна

ρ - удельное сопротивление провода (шины) катушки.

где T_с - длительность стола (плато)
T_у - время ускорения
T_п - время спада тока
T₀ - время между двумя соседними импульсами (пауза).

При прохождении тока трапецеидальной формы по диполю из пары катушек поглощенная ими энергия равна

Поглощенная диполем энергия вызовет его нагрев на Δ T^oC:

где V - объем катушек в см³.

Анализ формулы (1) показывает, что величина магнитного поля в зазоре может, что очень важно, значительно превосходить поле одной катушки, однако не более чем в два раза. Оптимизация конструкции диполя должна исходить из минимума потребляемой энергии, величина которой зависит от геометрии диполя и удельного сопротивления провода (шины) обмотки. Главный вопрос для мощных протонных синхротронов - это энергетика и с этой позиции диполи должны охлаждаться азотом, водородом или гелием; при охлаждении азотом удельное сопротивление меди уменьшается в 8 раз, при охлаждении водородом - в 1000 раз, а при гелиевом охлаждении ленты из алюминия - в 10000 раз. Помимо снижения электрического сопротивления глубокое охлаждение диполей повышает их механическую прочность и соответственно разгружает систему электропитания. "Изготовление хороших катушек - в значительной мере искусство, а не наука, поскольку самый надежный инструмент исследователя в этой области - пила для распиливания вышедших из строя катушек. Использование сложной современной технологии и новых материалов приводит к повышению качества катушек" [14] . Темпы прогресса в совершенствовании конструкций катушек для получения сильных импульсных магнитных полей впечатляют. Для получения сильных импульсных магнитных полей предложена свободная жесткая коаксиальная спираль Дейта. В принципе эта система может получать сколь угодно сильные магнитные поля - более 100 Тл [14].

Применяемые для физических исследований катушки с сильными магнитными полями обычно запитываются от предварительно заряженного конденсатора без применения каких-либо технических средств стабилизации тока катушки. Такой подход к запитке катушек с сильными магнитными полями принципиально не пригоден для кольцевого электромагнита ускорителя. Один из возможных вариантов схемы модуля системы-усилителя показан на фиг. 2. Ниже предлагаются дополнительно три варианта запитки катушек с сильными импульсными магнитными полями для кольцевого электромагнита ускорителя. Достоинства любого варианта схемы силового модуля системы-усилителя проявляются в зависимости от конкретной структуры схемы кольцевого электромагнита и параметров его выходных координат.

На фиг. 3, 4, 5 показаны схемы вариантов силовых модулей для запитки секций кольцевого электромагнита ускорителя, где
16 - блок силовой части системы-усилителя с БДР
17 - выпрямитель
18 - резистор
19 - конденсатор
20 - цепь идеальной связи
21 - секция кольцевого электромагнита
22 - датчик тока
23, 24 - тиристоры
25 - накопительное устройство.

Назначение конденсатора состоит в том, что он
- выполняет функцию накопителя энергии, которая расходуется в период ускорения,
разгружает исполнительный орган блока силовой части системы с БДР,
Любой из вариантов фиг. 2, 3, 4, 5 обеспечивает в составе кольцевого электромагнита ускорителя в целом идеальное состояние его выходных координат.

Диполи по структуре сильных импульсных магнитных полей, если их изготовить по современной технологии, могут иметь поле порядка 50 Тл и быть базовым устройством в ускорительной технике. Кнопфель [5, стр. 21] еще в 1970 г. отмечал, что уровень магнитного поля в 50 Тл "технически достижим сегодня". Дейт предложил конструкцию магнита, которая не имеет ограничений по величине импульсного магнитного поля, т. е. для этой конструкции поле в 100 Тл не проблема.

Сейчас можно утверждать, что протонный синхротрон с радиусом орбиты 200 м может обеспечить энергию пучка не менее 3 ТэВ, т.е. в ускорителе У-70 достижима энергия > 3 ТэВ, а в кольце УНК можно получить энергию пучка протонов не менее 50 ТэВ, а в перспективе не менее 100 ТэВ при резком сокращении потребления электроэнергии от промышленной сети.

Структура протонного синхротрона (синхрофазотрона) на сильных импульсных магнитных полях снимает ограничение на предельные возможности синхрофазотрона, причем при резком сокращении потребляемой им электроэнергии от промышленной сети. Эта структура протонного синхротрона дает возможность России стать мировым лидером в ускорительной технике и в физике высоких энергий.

Литература
1. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. - М.: Мир, 1976, с. 573.

2. БСЭ. 1977, N 27. Ускорители заряженных частиц.

3. Векслер В.И. Ускорители атомных частиц. - М.: изд. АН СССР, 1956, с. 45.

4. Гладков Б.Д. Системы импульсного питания электромагнита. Патент РФ N 2013893 с приоритетом от 5 сентября 1988 г., H 05 H 7/00.

5. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля.: - Пер. с англ. - М.: Мир, 1972, с. 21.

6. Коломенский А. А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. - М.: изд. Московского университета, 1980.

7. Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. - М.: Атомиздат, 1975.

8. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. - М.: Энергоиздат, 1988.

9. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 8.

10. Ливингстон М. Стенли. Ускорители. - М.: ИЛ. 1956.

11. Ливингуд Дж. Принципы работы циклических ускорителей.: Пер. с англ. - М.: ИЛ, 1963, с. 208.

12. Минц А.Л. Радиотехника и ускорители заряженных частиц. - М.: Наука, 1976, с. 7, 80.

13. Монтгомери Д. Получение сильных магнитных полей.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1971, с. 291.

14. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение. /Дранефельл и др. Под ред. Ф.Херлаха - М.: Мир, 1988, с. 333, 335.

15. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. - М.: Мир, 1985, с. 36.

16. Ускорители: Пер. с англ., нем. под Яблокова Б.Н. - М.: Гос. изд. лит. по атомной науке и технике, 1962, с. 317.

Система предназначена для использования в ускорительной технике, в частности при проектировании мощных протонных синхротронов. В системе секции кольцевого электромагнита выполнены на безжелезных диполях по структуре сильных импульсных магнитных полей, что позволяет на действующих и спроектированных синхрофазотронах достигать энергию пучка протонов до 50-100 ТэВ и более при резком сокращении потребления электроэнергии от промышленной сети. 5 ил.

Автономно-секционированная система электропитания кольцевого электромагнита, состоящая из автономных и изолированных секций кольцевого электромагнита, каждая из которых подключена к автономному и полностью управляемому источнику тока на основе эффектов бесконечного усиления, причем управляющий вход каждого источника тока подключен к задающему устройству, отличающаяся тем, что секции кольцевого электромагнита выполнены на безжелезных диполях по структуре сильных импульсных магнитных полей.