ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2002 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.

Наиболее близка к изобретению импульсная система питания индукционного ускорителя [1] , содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, тиристор, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания.

В такой системе питания емкостной накопитель работает в экономичном режиме - однополярном.

Недостатками данной системы питания являются:
1) 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;
2) в индуктивности, которая включена последовательно с компенсационной обмоткой, может запасаться до 35% всей энергии, отдаваемой емкостным накопителем электромагниту ускорителя, что соответственно приводит к увеличению величины энергии, необходимой для возбуждения электромагнита ускорителя;
3) 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 выше сказанного следует, что для нормальной работы ускорителя необходимо исправление магнитного поля в начале цикла ускорения.

Задача изобретения - повышение частоты следования циклов ускорения, снижение величины энергии, необходимой для возбуждения электромагнита ускорителя, и коррекция радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения.

Технический результат достигается тем, что в импульсную систему питания индукционного ускорителя, содержащую магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, тиристор, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, введена кольцевая обмотка, уложенная на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и которая через диод подключена к компенсационной обмотке, параллельно к которой подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой тиристора цепи коррекции, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, а низковольтный источник питания параллельно подключен к дросселю и обмотке возбуждения, которая имеет общую точку подключения с компенсационной обмоткой и кольцевой обмоткой, которая зашунтирована тиристором.

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. Замена в импульсной системе питания индукционного ускорителя дополнительного громоздкого элемента - индуктивности в цепи компенсационной обмотки на кольцевую обмотку приведет к тому, что часть величины энергии, отдаваемой емкостным накопителем в электромагнит индукционного ускорителя, бесполезно запасавшаяся в индуктивности, будет полностью сосредоточена в межполюсном пространстве электромагнита индукционного ускорителя, при этом соответственно снизиться вес и стоимость импульсной системы питания индукционного ускорителя. 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 корректирующего конденсатора будет направлен встречно току компенсационной обмотки, что приведет к уменьшению ее магнитодвижущей силы и скомпенсирует начальное сжатие равновесной орбиты, при этом также снизится 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, кольцевую обмотку 4, уложенную на внешнем радиусе полюсов магнитопровода 1, 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, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1, кольцевую обмотку 4, уложенную на внешнем радиусе полюсов магнитопровода 1. Емкостной накопитель 5 через тиристоры 6 подключен к обмотке 2 возбуждения. Обмотка 2 возбуждения через диод 7 подключена к одной обкладке емкостного накопителя 5, другая обкладка которого через диод 8 и кольцевую обмотку 4, которая зашутирована тиристором 9, подключена к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения и компенсационной обмотки 3. Низковольтный источник питания 10 подключен параллельно к дросселю 11 и обмотке 2 возбуждения. Одна обкладка коммутирующего конденсатора 12 подключена к общей точке подключения дросселя 11 и обмотки 2 возбуждения. Другая обкладка коммутирующего конденсатора 12 через коммутирующий дроссель 13 подключена к коммутирующему диоду 14, который имеет общую точку подключения с обмоткой 2 возбуждения, причем коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14 зашунтированы тиристором 15 ввода энергии. Одна обкладка корректирующего конденсатора 16 через переменный резистор 17 подключена к общей точке подключения обмоток 2, 3 и 4. Другая обкладка корректирующего конденсатора 16 через тиристор 18 цепи коррекции подключена к обмотке 3, которая через диод 19 подключена к кольцевой обмотке 4. Высоковольтный источник питания 20 постоянного тока подключен параллельно к корректирующему конденсатору 16.

На фиг.3 приведены эпюры изменения магнитных потоков, токов и напряжений в импульсной системе питания индукционного ускорителя, где цифрами обозначено:
21 - изменение магнитного потока в области ускорительной камеры,
22 - изменение магнитного потока в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита ускорителя,
23 - изменение напряжения емкостного накопителя 5,
24 - изменение напряжения коммутирующего конденсатора 12,
25 - изменение тока обмотки 2 возбуждения,
26 - изменение тока компенсационной обмотки 3,
27 - изменение тока кольцевой обмотки 4,
28 - изменение тока тиристора 9,
29 - изменение напряжения обмотки 2 возбуждения,
30 - изменение тока корректирующего конденсатора 16.

На фиг. 4 приведена предельная петля гистерезиса 31 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя.

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

В исходном состоянии емкостной накопитель 5 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 и характеризуется точкой "1" на предельной петле гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг.4, кривая 31).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 6 емкостной накопитель 5 подключается к обмотке 2 возбуждения. При этом напряжение компенсационной обмотки 3 (фиг.3, кривая 29) прикладывается к кольцевой обмотке 4 и ток в ней начинает изменяться. Коммутирующий конденсатор 12 заряжается от емкостного накопителя 5 через коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14. За счет магнитодвижущей силы, наводимой в обмотках 3 и 4, которые образуют единую обмотку, переменный магнитный поток, создаваемый обмоткой 2 возбуждения, делится на две части. Первая часть, пропорциональная магнитодвижущей силе обмоток 3 и 4, вытесняется из центрального сердечника и замыкается через межполюсный воздушный зазор (фиг.3, кривая 21), а другая часть, обратно пропорциональная магнитодвижущей силе обмоток 3 и 4, замыкается через центральный сердечник магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (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 18 цепи коррекции и корректирующий конденсатор 16, заряженный до требуемого напряжения от высоковольтного источника питания 20 постоянного тока, начинает разряжаться на компенсационную обмотку 3 через переменный резистор 17, который позволяет регулировать радиус равновесной орбиты. Ток разряда корректирующего конденсатора 16 (фиг.3, кривая 30) 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 31, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 16 спадает до нуля, тиристор 18 цепи коррекции 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 осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2, 3 и 4.

В момент времени t₃ после окончания процесса ускорения включается тиристор 15 ввода энергии, и под действием напряжения коммутирующего конденсатора 12 (фиг.3, кривая 24) тиристоры 6 обесточиваются и выключаются, а ток обмотки 2 (фиг.3, кривая 25) замыкается по цепи тиристора 15 и конденсатора 12. Коммутирующий конденсатор 12 перезаряжается и в момент времени t₄, когда напряжения на нем и на емкостном накопителе 5 сравниваются, открываются диоды 7 и 8. Напряжение обмотки 3 меняет знак на противоположный, и она оказывается закороченной по цепи диода 19 и включающегося в момент времени t₁ тиристора 9 и ток в ней убывает до нуля (фиг.3, кривая 26, интервал времени t₁-t₅). Ток в кольцевой обмотке 4 (фиг.3, кривая 27, толстая линия) замыкается через тиристор 9 и убывает, а ток обмотки 2 перехватывается в цепь диодов 7 и 8, при этом через тиристор 9 протекает разница токов обмоток 2 и 4 (фиг.3, кривая 28, толстая линия). В момент времени t₆, когда величины токов обмоток 2 и 4 сравниваются, тиристор 9 обесточивается и выключается, при этом обмотки 2 и 4 оказываются включенными последовательно с емкостным накопителем 5.

Обесточивание компенсационной обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита ускорителя (фиг.4, кривая 31, 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-t₈ емкостной накопитель 5 заряжается с той же полярностью, что и разряжался (фиг.3, кривая 23), а энергия, отдаваемая емкостным накопителем 5 за время t₄-t₁ в магнитное поле электромагнита ускорителя, в течение времени t₈-t₄ обратно рекупитирует в емкостной накопитель 5.

К моменту времени t₇, когда ток обмотки 2 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмотки 2, центральный сердечник магнитопровода 1 выходит из насыщения и в интервале времени t₇-t₈ перемагничивается вновь в исходное состояние, определяемое точкой "1" на предельной петле гистерезиса ферромагнитного материала (фиг.4, кривая 31, участок 4-3-1).

В момент времени t₈ диоды 7 и 8 выключаются, ток обмотки 4 спадает до нуля 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 низковольтного 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.

Замена в импульсной системе питания индукционного ускорителя дополнительного громоздкого элемента - индуктивности в цепи компенсационной обмотки 3 на кольцевую обмотку 4 приводит к тому, что часть величины энергии, отдаваемой емкостным накопителем в электромагнит индукционного ускорителя, бесполезно запасавшаяся в индуктивности, полностью сосредотачивается в межполюсном пространстве электромагнита индукционного ускорителя, при этом соответственно снижается вес и стоимость импульсной системы питания индукционного ускорителя.

Введенная в импульсную систему питания индукционного ускорителя цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из тиристора 18 цепи коррекции, переменного резистора 17 и корректирующего конденсатора 16, 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.

Источник информации
1. Васильев В. В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство 639393.

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. Импульсная система питания индукционного ускорителя содержит магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, тиристор, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания. На внешнем радиусе полюсов магнитопровода размещена кольцевая обмотка, которая через диод подключена к компенсационной обмотке, параллельно к которой подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой тиристора цепи коррекции, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, а низковольтный источник питания параллельно подключен к дросселю и обмотке возбуждения, которая имеет общую точку подключения с компенсационной обмоткой и кольцевой обмоткой, которая зашунтирована тиристором. Технический результат - повышение частоты следования циклов ускорения, снижение величины энергии, необходимой для возбуждения электромагнита ускорителя, и коррекция радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения. 4 ил.

Импульсная система питания индукционного ускорителя, содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, тиристор, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, отличающаяся тем, что в нее введена кольцевая обмотка, уложенная на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и которая через диод подключена к компенсационной обмотке, параллельно к которой подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой тиристора цепи коррекции, переменного резистора и корректирующего конденсатора, к которому параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, а низковольтный источник питания параллельно подключен к дросселю и обмотке возбуждения, которая имеет общую точку подключения с компенсационной обмоткой и кольцевой обмоткой, которая зашунтирована тиристором.