ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК H05H7/04 

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.

Известны импульсные системы питания индукционных ускорителей [1, 2, 3], в которых бетатронное соотношение магнитных потоков в области ускорительной камеры и в центральном сердечнике достигается в замкнутом магнитопроводе, что позволяет для увеличения энергии ускоренных электронов использовать полный размах индукции в стали магнитопровода. В таких системах питания начальное подмагничивание магнитопровода осуществляется ампер-витками компенсационной обмотки от источника питания постоянного тока с небольшим напряжением.

Недостатками данных систем питания являются:
1) использование источника постоянного тока, который добавляет вес и усложняет конструкцию системы питания;
2) требуется значительное время на возвращение индукции в стали в начальное состояние после каждого рабочего цикла, так как напряжение источника питания постоянного тока мало по сравнению с рабочим;
3) начальное подмагничивание магнитопровода осуществляется ампер-витками компенсационной обмотки, что нецелесообразно, так как в импульсных системах питания с подмагничиванием наиболее нагруженным узлом является компенсационная обмотка, сечение которой желательно иметь как можно меньше.

Наиболее близка к изобретению импульсная система питания индукционного ускорителя [4], содержащая электромагнит с магнитопроводом, обмотку возбуждения, подключенную к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, компенсационную обмотку, кольцевую обмотку, схему ввода энергии в колебательный контур, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор, подключенный к высоковольтному источнику питания постоянного тока. В данной импульсной системе питания индукционного ускорителя исключены вышеописанные недостатки.

В такой системе питания обеспечивается экономичный режим работы элементов схемы, емкостной накопитель работает в однополярном режиме, а ток в наиболее нагруженном узле - компенсационной обмотке действует только в течение цикла ускорения.

Недостатком данной системы питания является использование дополнительного высоковольтного источника питания постоянного тока для заряда корректирующего конденсатора. Данный источник питания требует высокой стабильности напряжения, добавляет вес и усложняет конструкцию системы питания.

Цель изобретения - уменьшение весогабаритных характеристик, упрощение конструкции и повышение надежности импульсной системы питания индукционного ускорителя.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсную систему питания индукционного ускорителя, содержащую электромагнит с магнитопроводом, обмотку возбуждения, подключенную к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, компенсационную обмотку, кольцевую обмотку, схему ввода энергии в колебательный контур, тиристор цепи коррекции и корректирующий конденсатор, введен диод, через который одна обкладка корректирующего конденсатора подключена к обмотке возбуждения, эта же обкладка через тиристор цепи коррекции подключена к компенсационной обмотке, которая через диод соединена с кольцевой обмоткой, другая обкладка корректирующего конденсатора подключена к общей точке соединения обмоток возбуждения, компенсационной и кольцевой.

При вышеописанной схеме соединения между собой обмотки возбуждения, компенсационной обмотки, кольцевой обмотки, диода, корректирующего конденсатора, тиристора цепи коррекции и введения дополнительно в импульсную систему питания индукционного ускорителя всего одного диода из нее исключается высоковольтный источник питания постоянного тока для заряда корректирующего конденсатора.

На фиг. 1 приведена магнитная система индукционного ускорителя.

Магнитная система индукционного ускорителя содержит магнитопровод 1 электромагнита ускорителя, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, кольцевую обмотку 4, которая образует единую обмотку совместно с компенсационной обмоткой 3. 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, кольцевую обмотку 4. Конденсатор 5 фильтра (источника питания) через индуктивность 6 фильтра и тиристор 7 ввода энергии подключен к одной обкладке емкостного накопителя 8, другая обкладка которого имеет общую точку подключения с конденсатором 5 фильтра. Емкостной накопитель 8 через тиристоры 9 прямой ветви подключен к обмотке 2 возбуждения. Тиристоры 10 обратной ветви, зашунтированные встречно включенными тиристорами 11 вспомогательной цепи и катушками индуктивности 12, через коммутирующие конденсаторы 13 и 14 также подключены к обмотке 2 возбуждения. Коммутирующие конденсаторы 13 и 14 зашунтированы диодами 15 и 16, причем диод 15 относительно конденсатора 13 включен последовательно с кольцевой обмоткой 4, которая через диод 17 подключена к компенсационной обмотке 3. Обмотка 2 возбуждения, компенсационная обмотка 3 и кольцевая обмотка 4 имеют общую точку подключения, к которой подключен корректирующий конденсатор 18, другая обкладка которого через диод 19 подключена к обмотке 2 возбуждения, а также эта же обкладка через тиристор 20 цепи коррекции подключена к компенсационной обмотке 3.

На фиг. 3 - 6 приведены эпюры изменения магнитных потоков, токов и напряжений в импульсной системе питания индукционного ускорителя, где цифрами обозначено:
21 - магнитный поток в области ускорительной камеры;
22 - магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода 1;
23 - петля гистерезиса стали магнитопровода 1;
24 - напряжение емкостного накопителя 8;
25 - напряжение конденсатора 5 фильтра (источника питания);
26 - ток источника питания;
27, 28 - напряжение коммутирующих конденсаторов 13 и 14;
29 - ток обмотки 2 возбуждения;
30 - ток компенсационной обмотки 3;
31 - напряжение на корректирующем конденсаторе 18;
32 - напряжение на компенсационной обмотке 3.

Рассмотрим работу импульсной системы питания индукционного ускорителя на фиг. 2 в установившемся режиме, при котором емкостной накопитель 8 заряжен до требуемого напряжения. Присутствует напряжение 31 (фиг. 6) на корректирующем конденсаторе 18 и напряжение 27 (фиг. 4) на коммутирующем конденсаторе 13. Рабочее состояние стали магнитопровода 1 характеризуется точкой "а" на петле гистерезиса 23 (фиг. 3). Энергия в остальных элементах схемы отсутствует, а токи в цепях равны нулю, кроме цепи конденсатора 5 фильтра, который подзаряжается от источника питания (фиг. 4, кривая 25).

В момент времени t1, с приходом управляющих импульсов на тиристоры 11 вспомогательной цепи, коммутирующие конденсаторы 13 и 14 начинают заряжаться через обмотку 2 возбуждения. При достижении в обмотке 2 возбуждения тока iμ (фиг. 5, кривая 29) магнитное состояние стали магнитопровода переходит в точку 1 по петле гистерезиса 23 (фиг. 3), и сердечник размагничивается.

В момент времени t2 включаются тиристоры 9 прямой ветви и тиристор 20 цепи коррекции. Начинают формироваться магнитные потоки в области ускорительной камеры 21 и в центральном сердечнике 22, происходит инжекция электронов в вакуумную камеру, условно показанную пунктиром на фиг. 1. На фиг. 6 показано напряжение 32 компенсационной обмотки 3. Частичный разряд корректирующего конденсатора 18 (напряжение показано кривой 31) компенсирует нелинейность петли гистерезиса 23 на участке 1-2, снижает отрицательное влияние вихревых токов.

Изменение магнитного потока 22 в центральном сердечнике (фиг. 3) без цепи коррекции показано пунктиром в интервале времени Δt1, то же означает пунктир на кривой напряжения 32 компенсационной обмотки 3 (фиг. 6).

Коммутирующие конденсаторы 13, 14 заряжаются до напряжения немного большего чем напряжение емкостного накопителя 8, обмотки индуктивности 12 обесточиваются и тиристоры 11 вспомогательной цепи выключаются.

Начиная с момента времени t2, в цепи компенсационной обмотки 3 протекает ток 30 (фиг. 3), который по цепи диода 17 замкнут на кольцевую обмотку 4, происходит ускорение электронов. В момент времени t3, когда индукция в магнитопроводе 1, охваченного компенсационной обмоткой 3, близка к насыщению, точка 3 на петле гистерезиса 23 (фиг. 3), включаются тиристоры 10 обратной ветви. Под действием напряжений 27, 28 коммутирующих конденсаторов 13, 14 тиристоры 9 прямой ветви выключаются. Ток обмотки 2 возбуждения проходит по цепи коммутирующих конденсаторов 13, 14, разряжая их. При разряде конденсатора 14 включается диод 16, а конденсатор 13, начиная с момента времени t4, перезаряжается и открывается диод 15.

За счет взаимоиндуктивной связи, начиная с момента времени t4, токи в обмотке 2 возбуждения, компенсационной обмотке 3, кольцевой обмотке 4 начинают перераспределяться (фиг. 5). Ток в компенсационной обмотке 3 начинает уменьшатся, а ток в кольцевой обмотке 4 увеличиваться до значения тока обмотки 2 возбуждения, кривая 30. Этот процесс происходит в интервале времени Δt2, определяемый коэффициентом связи обмоток 2, 3 и 4, которые имеют общий сердечник. Обесточивание компенсационной обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника, магнитный поток 21 в области ускорительной камеры будет уменьшатся, а магнитный поток 22 в центральном сердечнике наоборот резко возрастать, что приведет к сбросу электронов на внешнюю мишень или их можно вывести из вакуумной камеры.

В интервале времени t5 -t6 происходит ввод энергии от конденсатора 5 фильтра, заряженного от источника питания, в емкостной накопитель 8 по цепи индуктивности 6 фильтра и тиристора 7 ввода энергии для компенсации потерь энергии за цикл ускорения. Когда напряжение на обмотке 2 возбуждения сравнивается с напряжением, оставшемся на корректирующем конденсаторе 18, открывается диод 19 и корректирующий конденсатор 18 подзаряжается.

В момент времени t7 часть магнитопровода 1, охваченная компенсационной обмоткой 3, выходит из насыщения, ток в обмотке возбуждения 2 и кольцевой обмотке 4 достигает значения iμ (фиг. 5), и сердечник перемагничивается.

В момент времени t8 ток обмотки 2 возбуждения спадает до нуля и тиристоры 10 обратной ветви выключаются.

В интервале времени t8 - t9 коммутирующий конденсатор 13 перезаряжается по цепи кольцевой обмотки 4. Магнитное состояние сердечника из точки "a^'" переходит в точку "а" и цикл работы ускорителя закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания индукционного ускорителя для заряда корректирующего конденсатора 18 не требуется дополнительного высоковольтного источника питания постоянного тока, который при предложенной схеме соединения между собой обмотки 2 возбуждения, компенсационной обмотки 3, кольцевой обмотке 4, диода 17, корректирующего конденсатора 18, тиристора 20 цепи коррекции и введения дополнительно в импульсную систему питания всего одного диода 19, исключается из импульсной системы питания индукционного ускорителя, а для заряда корректирующего конденсатора 18 используется напряжение емкостного накопителя 8, что делает предлагаемую импульсную систему питания индукционного ускорителя более простой и надежной и уменьшает ее весо-габаритные характеристики.

Литература
1. Васильев В.В., Москалев В.А., Фурман Э.Г. Бетатрон с подмагничиванием - ПТЭ, 1979, N 4, с. 27-29.

2. Васильев В. В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство N 639393.

3. Васильев В. В., Милютин Г.В., Фурман Э.Г. Магнитная система. - Авт. свидетельство N 736388.

4. Васильев В. В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство N 1064859.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. Техническим результатом изобретения является уменьшение весогабаритных характеристик, упрощение конструкции и повышение надежности импульсной системы питания индукционного ускорителя. В импульсной системе питания индукционного ускорителя для заряда корректирующего конденсатора не требуется дополнительного высоковольтного источника питания постоянного тока, который при предложенной схеме соединения между собой обмотки возбуждения, компенсационной обмотки, кольцевой обмотки, диода, корректирующего конденсатора, тиристора цепи коррекции и введения дополнительно в импульсную систему питания всего одного диода исключается из импульсной системы питания индукционного ускорителя, а для заряда корректирующего конденсатора используется напряжение емкостного накопителя. 6 ил.

Импульсная система питания индукционного ускорителя, содержащая электромагнит с магнитопроводом, обмотку возбуждения, подключенную к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, компенсационную обмотку, кольцевую обмотку, схему ввода энергии в колебательный контур, тиристор цепи коррекции и корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен диод, через который одна обкладка корректирующего конденсатора подключена к обмотке возбуждения, эта же обкладка через тиристор цепи коррекции подключена к компенсационной обмотке, которая через диод соединена с кольцевой обмоткой, другая обкладка корректирующего конденсатора подключена к общей точке соединения обмоток возбуждения, компенсационной и кольцевой.