ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК H05H11/04 H05H9/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Источники мощных ионных пучков начали разрабатываться с начала 70-х годов прошлого века для исследований, связанных с возможностью технологических применений для управляемого термоядерного синтеза, имплантации и отжига полупроводников, упрочнения инструмента. В основу работ был положен подход с использованием взрывной электронной эмиссии для создания плотной плазмы необходимого состава непосредственно в диоде. Первый отрицательный импульс напряжения от высоковольтного генератора, прикладываемый к потенциальному электроду (в последующем - аноду), служит для образования плазмы, второй же, положительный импульс, является ускоряющим. К моменту прихода положительного импульса напряжения плазма на аноде диода уже будет создана. К настоящему времени для получения ионных пучков разработано несколько типов ускорителей, принципиально не отличающихся, но имеющих разные выходные характеристики. Все ускорители собраны по одинаковой блок-схеме: генератор импульсных напряжений, модифицированная двойная формирующая линия с газовыми разрядниками, работающими на самопробое, зарядная индуктивность, установленная перед диодом, магнитоизолированный диод [Ремнев Г.Е., Исаков И.Ф., Опекунов М.С., Матвиенко В.М. Источники мощных ионных пучков для практического применения. - Известия ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с.92-111]. Пауза между отрицательным и положительным импульсами напряжения регулируется межэлектродными зазорами и давлением газа в разрядниках. Импульсы напряжения отрицательной и положительной полярности имеют амплитуды 300-400 кВ с задержкой между ними порядка 100 нс, при этом ионный ток, формируемый ионным диодом, достигает 1,5-3 кА длительностью около 50 нс, при частоте следования импульсов 5-40 Гц.

Недостатки таких источников питания связаны с использованием газовых разрядников: низкая частота повторения импульсов, малый ресурс работы разрядников из-за эрозии электродов, необходимость периодической ревизии разрядников, низкая стабильность амплитудно-временных параметров импульсов напряжения и временной разброс длительности паузы между импульсами. Указанные недостатки снижают эффективность применения подобных источников ионных пучков для технологических применений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является конструкция линейного индукционного ускорителя [Бутаков Л.Д., Васильев В.В., Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах. // ПТЭ, 2001, №5, с.104-110]. Основным отличием от описанной выше конструкции источника питания для получения мощных ионных пучков является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Магнитный коммутатор представляет собой дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитного материала, охватываемым витком намагничивания. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать в наносекундном диапазоне длительностей ток в сотни килоампер с частотой в единицы килогерц. Однако чтобы магнитный коммутатор имел малую индуктивность, требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время не более нескольких сотен наносекунд от магнитных импульсных генераторов (МИГ).

Подобный линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков подключены концы потенциальных и земляных электродов одинарной формирующей линии. Противоположные концы потенциальных электродов формирующей линии подключены к высоковольтному выводу магнитного импульсного генератора. Земляные электроды формирующей линии через виток намагничивания магнитного коммутатора соединены с землей. При использовании формирующей линии, состоящей из нескольких пар электродов, виток намагничивания магнитного коммутатора имеет несколько отводов для подключения всех земляных электродов. Таким образом, одинарная формирующая линия линейного индукционного ускорителя представляет собой чередующийся набор изолированных друг от друга потенциальных и земляных электродов. Формирующая линия для уменьшения весогабаритных показателей ускорителя может быть намотана по спирали Архимеда вокруг сердечников индукционной системы [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. - Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с111-119]. В случае применения нескольких пар электродов витки намагничивания сердечников индукционной системы имеют с каждой стороны сердечника несколько отводов. Число отводов с каждой стороны сердечника совпадает с числом потенциальных электродов и с числом земляных электродов. Потенциальные и земляные электроды формирующей линии попарно электрически связаны, образуя параллельное соединение.

Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность звеньев сжатия (LC-контуров) с увеличивающейся собственной частотой [Меерович А.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов.// М.: Сов. радио, 1968, 476 с.]. Контур содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов контуров С₁,С₂, ... С_N, равны между собой. Каждый следующий дроссель насыщения L_i по сравнению с предыдущим L_i-1 имеет меньшее число витков обмотки и (или) меньшее число сердечников, то есть меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. При передаче энергии от одного звена сжатия МИГ к другому происходит компрессия энергии: увеличивается передаваемая мощность за счет сокращения времени заряд-разрядных процессов. Это позволяет заряжать формирующую линию от последнего звена сжатия МИГ за время в сотни наносекунд.

Для функционирования линейного индукционного ускорителя необходимо предварительно перевести сердечники дросселей насыщения магнитного импульсного генератора, индукционной системы и магнитного коммутатора в состояние обратного насыщения. Это осуществляется с помощью двух независимых источников тока размагничивания. С помощью одного из них размагничиваются сердечники дросселей насыщения МИГ, с помощью второго - сердечники индукционной системы и магнитного коммутатора.

Подобные линейные индукционные ускорители формируют импульсы с амплитудой напряжения 300-700 кВ при токе 3-10 кА длительностью 50-200 нс с частотой повторения до единиц килогерц (в зависимости от типа установки).

Недостатками прибора-прототипа являются одноимпульсный режим работы источника питания и невозможность его применения для питания ионного диода.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка линейного индукционного ускорителя для работы в двухимпульсном режиме, т.е. обладающего возможностью формировать отрицательный и положительный импульсы напряжения с определенной задержкой между импульсами. Техническим результатом является получение высокого к.п.д. передачи энергии из сети в нагрузку, возможность работы с высокой частотой повторения импульсов, большой ресурс работы источника питания ионного диода, в целом, возможность эффективного применения такого источника питания для технологических применений.

Для решения указанной задачи предлагается линейный индукционный ускоритель, содержащий, как и прототип, ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков намагничивания подключены концы потенциальных и земляных электродов одинарной формирующей линии. Земляные электроды подключены к земле через виток намагничивания магнитного коммутатора. Магнитный импульсный генератор предназначен для заряда формирующей линии и представляет собой последовательность звеньев сжатия с увеличивающейся собственной частотой, каждый из которых состоит из конденсатора с сосредоточенными параметрами С_i и дросселя насыщения L_i. Отличием от известного технического решения является то, что в одинарную формирующую линию введены дополнительные электроды, расположенные между потенциальными и земляными электродами. Дополнительные электроды электрически связаны с высоковольтным выводом магнитного импульсного генератора и посредством витка намагничивания дополнительного дросселя насыщения - с землей линейного индукционного ускорителя. Таким образом, одинарная формирующая линия линейного индукционного ускорителя представляет собой чередующийся набор изолированных друг от друга потенциальных, дополнительных и земляных электродов. Отличием от известного технического решения является также применение в магнитном импульсном генераторе дополнительного канала, состоящего из не менее двух звеньев сжатия, подключенных параллельно звеньям сжатия основного канала МИГ к формирующей линии. Причем дроссель насыщения последнего звена сжатия основного канала МИГ имеет величину потокосцепления Ψ =WSΔ B, меньшую, чем дроссель насыщения последнего звена сжатия дополнительного канала МИГ, где W - число витков обмотки дросселя насыщения, S - сечение стали сердечника дросселя насыщения, Δ B - размах индукции магнитного поля в стали сердечника.

Принципиальная схема устройства изображена на чертеже, где обозначено: 1 - ферромагнитная индукционная система, 2 - потенциальный электрод одинарной формирующей линии, 3 - земляной электрод одинарной формирующей линии, 4 - дополнительный электрод одинарной формирующей линии, 5 - магнитный коммутатор L_k, 6 - звенья сжатия основного канала магнитного импульсного генератора C₀-L₀, C₁-L₁, С₂-L₂, ... , C_N-L_N, 7 - витки намагничивания сердечников индукционной системы, 8 - дополнительный дроссель насыщения L_N+1, 9 - звенья сжатия дополнительного канала магнитного импульсного генератора C'₁-L'₁, C'₂-L'₂, ... , C'_N-L'_N.

Предлагаемое устройство содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитный сердечник охвачен витком намагничивания 7. К окончаниям (отводам) витка намагничивания 7 подключены потенциальные электроды 2 одинарной формирующей линии. С противоположной стороны сердечника к окончаниям витка намагничивания 7 подключены земляные электроды 3 одинарной формирующей линии. Дополнительные электроды 4 одинарной формирующей линии подключены к высоковольтным выводам звеньев сжатия основного 6 и дополнительного 9 каналов магнитного импульсного генератора. Основной и дополнительный каналы МИГ состоят из последовательных контуров С_i-L_i и С'i

-L'i, где С_i - конденсатор емкостью C_i основного канала 6, L_i - дроссель насыщения основного канала 6 индуктивностью L_i, С'i - конденсатор емкостью С'i дополнительного канала 9, L'i - дроссель насыщения дополнительного канала 9 индуктивностью L'i. Дополнительные электроды 4 одинарной формирующей линии посредством витка намагничивания дополнительного дросселя насыщения L_N+1 (8) соединены с землей линейного индукционного ускорителя. Земляные электроды 3 одинарной формирующей линии заземлены через виток намагничивания магнитного коммутатора 5. Магнитный коммутатор 5 представляет собой одновитковый дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитного материала.

Устройство работает следующим образом. Первоначально от общего внешнего источника тока размагничивания (на чертеже не показан) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L₀, L₁-L_N основного канала 6 МИГ и дополнительного канала 9 МИГ L'i

-L'N, дополнительного дросселя насыщения L_N+1 (8). От внешнего выпрямителя (на чертеже не показан) осуществляется заряд конденсатора С_о первого звена сжатия основного канала 6 магнитного импульсного генератора. При заряде С_о на выводах дросселя насыщения L₀ появляется разность потенциалов U_C0, вызывающая протекание тока намагничивания и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L₀. Величина потокосцепления дросселя насыщения L₀ составляет Ψ ₀=W₀S₀Δ_{B, где W0 - число витков обмотки, S0 - сечение стали дросселя, Δ В - размах индукции в стали (например, Δ В=2,5 Т для пермаллоя 50 НП), и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда С0. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от μ =10⁵ до μ =1, и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд С0 и заряд конденсаторов звеньев сжатия основного и дополнительного каналов С1 и C'1 через индуктивность витков обмотки дросселя L0 в интервале времени}

Конденсаторы С₁ и C'₁ целесообразно выбрать одинаковой емкости, что позволяет заряжать их до одинакового напряжения и за равные интервалы времени. Эти интервалы времени ограничены величиной потокосцепления дросселей насыщения L₁ и L'1

. Для того чтобы не происходила передача энергии от одного конденсатора к другому необходимо параметры (число витков обмотки, сечение стали, материал, число и размеры сердечников), т.е. величины потокосцепления дросселей насыщения L'i и L₁ выбирать равными. Указанное обстоятельство является принципиально важным, позволяя завершать процесс передачи энергии из конденсаторов C₁ в С₂ и из C'1 в С'2 в один и тот же момент времени, не допуская перекачки энергии из одного канала магнитного импульсного генератора в другой. Таким образом, величины потокосцепления дросселей насыщения L₁ и L'1 равны и составляют: Ψ ₁=W₁S₁Δ_{B, где W1 - число витков обмотки, S1 - сечение стали дросселей, Δ В - размах индукции в стали (например, Δ В=2,5 Т для пермаллоя 50 НП) и выбираются таким образом, чтобы сердечники дросселей насытились в момент окончания заряда C1 и C'1. При насыщении сердечников дросселей их магнитная проницаемость уменьшается от μ =10⁵ до μ =1, и дроссели насыщения превращаются в обычные воздушные индуктивности. Начинаются разряд C1-заряд С2 и разряд C'1-заряд С'2 через витки обмоток дросселей L1 и L'1 в интервале времени}

Этот интервал времени ограничен величинами потокосцепления дросселей насыщения L₂ и L'2

.

Рассмотрим процессы, происходящие в основном канале магнитного импульсного генератора (в дополнительном канале МИГ протекают аналогичные процессы). При заряде конденсатора С₂ к виткам обмотки дросселя насыщения L₂ начинает прикладываться разность потенциалов

где . Среднее значение напряжения на витках обмотки дросселя насыщения в интервале времени [0, π ] составит

где U_c2 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора С₂. Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L₂ и переход его в состояние с μ → 1 за интервал времени , где Ψ ₂=W₂S₂Δ_{B - потокосцепление дросселя насыщения (W2, S2 - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L2, Δ В - размах индукции в стали).}

При насыщении дросселя L₂ начинается разряд конденсатора С₂ и заряд конденсатора С₃ через индуктивность обмотки дросселя насыщения L₂. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₃, т.е.

где потокосцепление дросселя насыщения, W₃, S₃ - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₃, - среднее значение напряжения на витках обмотки дросселя насыщения L₃, где U_C3 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора С₃.

Аналогично предыдущим рассуждениям

где потокосцепление дросселя насыщения L_N, W_N, S_N - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L_N, - среднее значение напряжения на витках обмотки дросселя насыщения L_N, U_CN - амплитуда зарядного напряжения конденсатора C_N. Поскольку в каждом следующем звене сжатия по сравнению с предыдущим величина индуктивности витка обмотки дросселя, находящегося в насыщенном состоянии, уменьшается, это обеспечивает компрессию энергии. При этом рост передаваемой мощности происходит за счет увеличения разрядного тока.

При появлении импульса зарядного напряжения на высоковольтном выводе магнитного импульсного генератора начинается процесс заряда формирующей линии. Формирующую линию условно можно рассматривать состоящей из конденсаторов, образованных потенциальными и дополнительными электродами, и конденсаторов, образованных дополнительными и земляными электродами. В цепи заряда конденсаторов, образованных потенциальными и дополнительными электродами, оказываются включенными виток намагничивания магнитного коммутатора и витки намагничивания ферромагнитных сердечников. Протекание зарядного тока этих конденсаторов по виткам намагничивания указанных элементов размагничивает их ферромагнитные сердечники. В процессе заряда формирующей линии под действием напряжения конденсаторов, образованных земляными и дополнительными электродами, на виток намагничивания дополнительного дросселя насыщения L_N+1 (8) начинает действовать зарядное напряжение, и его сердечник начинает перемагничиваться. Через определенный интервал времени, связанный с величиной его потокосцепления

где W_N+1, S_N+1 - число витков намагничивания и сечение стали сердечника дополнительного дросселя насыщения L_N+1, <U_ФЛ> - среднее значение зарядного напряжения конденсаторов: земляные электроды - дополнительные электроды, сердечник дополнительного дросселя насыщается (магнитная проницаемость ферромагнитного материала снизится до единицы, индуктивность дополнительного дросселя резко уменьшится). После насыщения L_N+1 конденсаторы, образованные земляными и дополнительными электродами, начнут перезаряжаться через виток намагничивания дополнительного дросселя насыщения 8. При этом на концах витка намагничивания магнитного коммутатора 5 возникнет разность потенциалов, приводящая к протеканию тока намагничивания. Величина потокосцепления сердечника магнитного коммутатора выбирается из следующего условия:

где Δ t_K - длительность перезарядного процесса, L_N+1 - индуктивность витка намагничивания дополнительного дросселя насыщения, W_k - число витков намагничивания магнитного коммутатора, S_k - сечение стали сердечника магнитного коммутатора, С_ФЛ - емкость формирующей линии, образованная параллельным соединением двух конденсаторов: земляные электроды -дополнительные электроды и потенциальные электроды - дополнительные электроды. Обычно выбирают W_k=1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность витка намагничивания магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, поскольку , где μ , μ ₀ - магнитная проницаемость ферромагнитного материала сердечников и вакуума, a - линейный размер магнитного коммутатора, D_H, D_B - наружный и внутренний диаметры витка намагничивания. При выполнении данного условия насыщение сердечника магнитного коммутатора и переход его в “проводящее” состояние происходит в момент времени полного перезаряда конденсаторов, образованных земляными и дополнительными электродами. Относительно витков намагничивания индукционной системы конденсаторы, образованные земляными и дополнительными электродами и потенциальными и дополнительными электродами, оказываются включенными последовательно. Прикладываемое напряжение к виткам намагничивания сердечников индукционной системы получается удвоенным в сравнении с зарядным напряжением формирующей линии. После насыщения магнитного коммутатора формирующая линия разряжается через витки намагничивания сердечников индукционной системы, формируя импульс высокого напряжения отрицательной полярности на нагрузке.

Используя соотношения (2)-(8), рассчитывают параметры элементов основного канала линейного индукционного ускорителя. Обычно выбирают С₁=С₂=... =С_N=C_ФЛ, для получения высокого к.п.д. передачи энергии от первого звена сжатия магнитного импульсного генератора в формирующую линию. В этом случае: <U₂>=<U₃>=... =<U_N>=<U_ФЛ>=1/2U_C2=1/2U_С3=... =1/2U_CN=1/2U_ФЛ.

В дополнительном канале магнитного импульсного генератора протекают аналогичные процессы, описываемые соотношениями, тождественными (2)-(8). Однако, для того чтобы осуществить задержку во времени между выходными импульсами линейного индукционного ускорителя отрицательной и положительной полярности, необходимо заряжать формирующую линию с определенной паузой между выходными импульсами основного и дополнительного каналов МИГ. Для этого достаточно в последнем звене сжатия дополнительного канала МИГ увеличить величину потокосцепления дросселя насыщения L'N

в сравнении с величиной потокосцепления дросселя насыщения L_N основного канала МИГ. Осуществить это возможно: 1) увеличением числа витков обмотки дросселя насыщения; 2) увеличением сечения сердечника дросселя; 3) использованием для сердечника дросселя ферромагнитного материала с большей величиной размаха индукции. В этом случае соотношение, аналогичное (6), будет иметь вид

где - потокосцепление дросселя насыщения L'N

, W'N, S'N - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L'N, среднее значение напряжения на витках обмотки дросселя насыщения L'N, где U'CN - амплитуда зарядного напряжения конденсатора C'N.

Используя дроссель насыщения L'N

с величиной потокосцепления, большей, чем у дросселя насыщения L_N, можно задержать подачу зарядного напряжения формирующей линии от дополнительного канала магнитного импульсного генератора на время, пока проходят процессы передачи энергии от основного канала. В этом случае конденсатор C'N последнего звена сжатия дополнительного канала магнитного импульсного генератора будет оставаться заряженным, пока не насытится сердечник дросселя насыщения L'N. Следует заметить, что к моменту прихода зарядного импульса формирующей линии от дополнительного канала МИГ дополнительный дроссель насыщения L_N+1 будет находиться в состоянии обратного размагничивания, в котором он оказался после протекания по нему тока при инвертировании напряжения конденсатора, образованного земляными и дополнительными электродами формирующей линии. Поэтому в процессе заряда формирующей линии от дополнительного канала МИГ он будет представлять собой высокоомное сопротивление и по нему будет протекать ток намагничивания, вызванный зарядным напряжением. При заряде формирующей линии от дополнительного канала МИГ протекающий ток размагничивает сердечники магнитного коммутатора и сердечники индукционной системы, подготавливая их к приходу рабочего высоковольтного импульса. Величина потокосцепления дополнительного дросселя насыщения в соответствии с (7) выбрана таким образом, что, как только заканчивается заряд формирующей линии, его сердечник насыщается и начинается процесс инвертирования напряжения конденсатора, образованного дополнительными и земляными электродами через его обмотку. Суммарное напряжение конденсаторов: дополнительные электроды -земляные электроды и дополнительные электроды - потенциальные электроды начинает прикладываться к виткам намагничивания магнитного коммутатора, сердечник которого начинает перемагничиваться. Насыщение магнитного коммутатора наступает в момент времени, соответствующий полному перезаряду конденсатора дополнительные электроды - земляные электроды. Суммарное зарядное напряжение конденсаторов дополнительные электроды - земляные электроды и дополнительные электроды - потенциальные электроды начинает прикладываться к виткам намагничивания сердечников индукционной системы, формируя импульс высокого напряжения. Для получения на выходе линейного индукционного ускорителя импульса напряжения положительной полярности необходимо подключить последнее звено сжатия дополнительного канала магнитного импульсного генератора следующим образом. Конденсатор соединяется с землей линейного индукционного ускорителя, а свободный вывод дросселя насыщения L'N подключается к дополнительным электродам формирующей линии. В этом случае полярность зарядного импульса формирующей линии будет противоположна той, которую создавал основной канал МИГ. Следует отметить, что поскольку индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего из звеньев сжатия основного канала МИГ L_N в несколько раз больше индуктивности витка намагничивания магнитного коммутатора, то при разряде C'N на формирующую линию потери энергии на заряд C_N ничтожно малы, и практически вся энергия передается в формирующую линию.

Таким образом, на нагрузке линейного индукционного ускорителя можно получить два разнополярных импульса напряжения с временной задержкой между ними, определяемой разницей величин потокосцепления дросселей насыщения последних звеньев сжатия основного и дополнительного каналов магнитного импульсного генератора. Как следует из описания принципа действия предлагаемого линейного индукционного ускорителя, использование формирующей линии в виде набора из потенциальных, земляных и дополнительных электродов является необходимым условием, поскольку позволяет в паузе между отрицательным и положительным импульсами производить размагничивание сердечников индукционной системы и магнитного коммутатора за счет протекания зарядного тока формирующей линии. Кроме того, это дает возможность отказаться от применения одного из источников тока размагничивания.

Приведем пример конкретного выполнения линейного индукционного ускорителя. Для предлагаемого прибора выберем следующие параметры эквивалентной схемы (соответствующие действующему линейному индукционному ускорителю ЛИУ 04/6): C₁=С₂=С_ФЛ=С'1

=С'2=0,3 мкФ. Тогда емкость конденсатора С₀ должна составлять 0,6 мкФ для полной передачи энергии в C₁ и C'1. Рассмотрим конструкцию линейного индукционного ускорителя, состоящего из трех звеньев сжатия в основном канале магнитного импульсного генератора и из двух звеньев сжатия в дополнительном канале. Предварительно от внешнего источника необходимо пропустить постоянный или импульсный ток размагничивания сердечников дросселей насыщения L₀, L₁, L'1 L₂, L'2, L_N+1 величиной несколько (1-4) ампер. Предположим, что конденсатор С₀ заряжается от внешнего источника до амплитуды 30 кВ в течение интервала времени Δ t=30 мкс. Тогда величина потокосцепления дросселя насыщения L₀ должна составлять величину

где - потокосцепление дросселя насыщения L₀, W₀, S₀ - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₀, ≈ U_C0/2 - среднее значение напряжения на витках обмотки дросселя насыщения L₀, где U_C0 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора С₀. Из соотношения (10) можно рассчитать параметры L₀, которые составят Ψ ₀=0,45 Вс. Выберем W₀=11 виток обмотки дросселя, S₀=0,0168 см² (использовано 6 сердечников с размерами: внешний диаметр D_Н0=0,50 м, внутренний диаметр D_В0=0,22 м, толщина сердечника a=0,025 м, коэффициент заполнения сталью объема сердечника 0,8, материал - пермаллой 50 НП с Δ В=2,5 Т). В этом случае индуктивность дросселя насыщения L₀ в насыщенном состоянии в момент окончания заряда С₀ составит

где а₀=6а. Длительность процесса разряда С₀ на C₁ и C'1

через витки обмотки дросселя насыщения L₀ составит согласно (1) 3 мкс. Для полной передачи энергии величина потокосцепления дросселей насыщения L₁ основного канала магнитного импульсного генератора и L'1 дополнительного канала должна составлять Ψ ₁=W₁S₁Δ_{B=51,6· 10^-3 Bc. Тогда дроссели насыщения можно выполнить с обмотками по два витка из четырех сердечников с размерами: внешний диаметр DН1=0,50 м, внутренний диаметр DВ1=0,22 м, толщина сердечника a=0,025 м, коэффициент заполнения сталью объема сердечника 0,8, материал - пермаллой 50 НП с Δ В=2,5 Т.}

Индуктивность обмоток дросселей насыщения L₁ и L'1

в насыщенном состоянии в момент окончания заряда C₁ и C'1 составит

где a₁=4a. Время разряда C₁ на С₂ и C'1

на С'2 составит

Для полной передачи энергии из C₁ в С₂ и из C'1

в С'2 необходимо выбрать величину потокосцепления L₂ (дроссель насыщения последнего звена сжатия основного канала магнитного импульсного генератора) в соответствии с соотношением

где Ψ ₂=W₂S₂Δ_{B=4,7· 10^-6 Bс. Для изготовления дросселя можно использовать один сердечник с размерами: внешний диаметр DH=0,36 м, внутренний диаметр DВ2=0,15 м, толщина сердечника a=0,025 м, коэффициент заполнения сталью объема сердечника 0,8, материал - пермаллой 50 НП с Δ B=2,5 Т. Число витков обмотки дросселя для уменьшения индуктивности разрядного контура выбираем равным одному.}

В дополнительном канале МИГ для увеличения задержки подачи импульса напряжения на формирующую линию необходимо увеличить потокосцепление дросселя насыщения последнего звена сжатия. Для этого можно установить два сердечника с размерами: внешний диаметр D_Н2=0,36 м, внутренний диаметр D_В2=0,15 м, толщина сердечника a=0,025 м, коэффициент заполнения сталью объема сердечника 0,8, материал - пермаллой 50 НП с Δ B=2,5 Т. Другой вариант - использовать сердечник с большим сечением стали, например с размерами: внешний диаметр D_Н3=0,70 м, внутренний диаметр D_B3=0,30 м, толщина сердечника a=0,025 м, коэффициент заполнения сталью объема сердечника 0,8, материал - пермаллой 50 НП с Δ В=2,5 Т. Увеличивать число витков обмотки дросселя нецелесообразно, т.к. при этом значительно увеличивается индуктивность. В первом случае время задержки между подачей импульсов от основного и дополнительного каналов МИГ составит 300 нс, во втором случае - 240 нс. Выбирая различное сечение и (или) количество сердечников дросселя насыщения последнего звена сжатия дополнительного канала МИГ, можно установить любой интервал времени между подачей импульсов на формирующую линию.

Время разряда С₂ на С_ФЛ (время заряда формирующей линии) составит

где

Длительность выходного импульса линейного индукционного ускорителя на нагрузке может быть рассчитана с использованием аналитических формул, приведенных в [Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский А.С. Теоретические основы электротехники. М.: Государственное энергетическое изд-во, 1961, 527 с.]. На стр. 340-341 приведены соотношения для расчета момента времени t₁ при разряде емкости на последовательно включенные омическое сопротивление и индуктивность, когда ток в омической нагрузке максимален и величины тока через омическую нагрузку I_R

Для предлагаемого линейного индукционного ускорителя выберем следующие параметры эквивалентной схемы: L=L_k+L_напр+L_ФЛ≈_{30· 10^-9 Гн, где Lk=5· 10^-9 Гн - индуктивность витка намагничивания магнитного коммутатора; Lнагр=5· 10^-9 Гн - индуктивность нагрузки; Lфл=2· 10^-8 Гн - индуктивность формирующей линии, образованной системой из потенциальных, дополнительных и земляных электродов, R=200Ω /N²≈^{2Ω - сопротивление нагрузки, N=10 - число сердечников индукционной системы. Емкость конденсатора последнего звена сжатия основного канала магнитного импульсного генератора равна С2=0,3· 10-6 Ф, и рассчитаем величины t1 и IR для формирующей линии с емкостью Сфл=0,3· 10-6 Ф. Отметим, что в этом случае емкости конденсатора последнего звена сжатия МИГ и формирующей линии равны и передача энергия осуществляется без потерь. Емкость формирующей линии складывается из емкости, образованной потенциальными и дополнительными электродами, и емкости, образованной дополнительными и земляными электродами, каждая по 0,15· 10-6 Ф. В процессе заряда эти конденсаторы включены параллельно и заряжаются каждый до напряжения 30 кВ. Величина потокосцепления магнитного коммутатора в соответствии с условием (8) такая, что происходит полный перезаряд (инвертирование напряжения) конденсатора, образованного земляными и дополнительными электродами. При насыщении сердечника магнитного коммутатора начинается разряд на нагрузку конденсаторов, которые “выстраиваются” последовательно, что уменьшает эквивалентную емкость разряда до 0,075· 10-6 Ф, которую и следует подставлять в расчеты. Амплитуда разрядного напряжения формирующей линии, образованной двумя последовательно включенными конденсаторами, составляет Uc=60 кВ. Расчеты по формулам (16) показывают, что время нарастания тока до максимума составит 40 нс, амплитуда на нагрузке достигает 25 кА при напряжении 500 кВ, выделяемая мощность при этом 12,5 ГВт. Полная длительность импульса тока составляет около 100 нс. Дроссель насыщения L'2}}

последнего звена сжатия дополнительного канала магнитного импульсного генератора, выполненный на основе сердечника с размерами: внешний диаметр D_H3=0,70 м, внутренний диаметр D_B3=0,30 м, толщина сердечника a=0,025 м, задерживает подачу импульса для заряда формирующей линии на время 240 нс. В это время все процессы передачи энергии из формирующей линии, заряженной от основного канала магнитного импульсного генератора, уже закончились. Таким образом, пауза между окончанием первого отрицательного импульса и началом второго положительного импульса составляет 140 нс. Выбирая дроссель насыщения дополнительного канала магнитного импульсного генератора с другой величиной потокосцепления, можно обеспечить паузу между импульсами любой длительности.

Таким образом, использование дополнительного канала магнитного импульсного генератора, состоящего не менее чем из двух звеньев сжатия, и использование в этом канале дросселя насыщения в последнем звене сжатия с величиной потокосцепления, большей чем у дросселя насыщения последнего звена сжатия в основном канале, позволяет реализовать двухимпульсный режим работы линейного индукционного ускорителя. Это открывает перспективы применения подобных источников питания для технологических применений, существенно увеличивая производительность установок и снижая затраты при их эксплуатации.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков намагничивания прикреплены потенциальные и земляные электроды одинарной формирующей линии, земляные электроды формирующей линии заземлены через виток намагничивания магнитного коммутатора. Для заряда формирующей линии используется магнитный импульсный генератор, представляющий собой последовательность звеньев сжатия, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. В двухимпульсном режиме предлагается в одинарную формирующую линию ввести дополнительные электроды, электрически связанные с высоковольтным выводом магнитного импульсного генератора и посредством витка намагничивания дополнительного дросселя насыщения с землей. В магнитный импульсный генератор вводится дополнительный канал, состоящий не менее чем из двух звеньев сжатия. При этом дроссель насыщения последнего звена сжатия основного канала магнитного импульсного генератора должен иметь величину потокосцепления ψ=WSΔB, меньшую, чем дроссель насыщения последнего звена сжатия дополнительного канала, где W - число витков обмотки дросселя насыщения, S - сечение стали сердечника дросселя насыщения, ΔВ - размах индукции магнитного поля в стали сердечника. Техническим результатом является получение высокого к.п.д. передачи энергии из сети в нагрузку, возможность работы с высокой частотой повторения импульсов и большой ресурс работы источника питания ионного диода. 1 ил.

Линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключены потенциальные и земляные электроды одинарной формирующей линии, заряжаемой от магнитного импульсного генератора в виде набора звеньев сжатия основного канала, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения, земляные электроды формирующей линии соединены с землей через виток намагничивания магнитного коммутатора, отличающийся тем, что в одинарную формирующую линию между потенциальными и земляными электродами введены дополнительные электроды, электрически связанные с высоковольтным выводом магнитного импульсного генератора и посредством витка намагничивания дополнительного дросселя насыщения с землей линейного индукционного ускорителя, магнитный импульсный генератор имеет дополнительный канал, состоящий из не менее двух звеньев сжатия из конденсаторов и дросселей насыщения, подключенных параллельно звеньям сжатия основного канала к формирующей линии, причем дроссель насыщения последнего звена сжатия основного канала имеет величину потокосцепления Ψ=WSΔB, меньшую, чем дроссель насыщения последнего звена сжатия дополнительного канала, где W - число витков обмотки дросселя насыщения, S - сечение стали сердечника дросселя насыщения, ΔВ - размах индукции магнитного поля в стали сердечника.