СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНОГО СОЛЕНОИДА Российский патент 2006 года по МПК H01F41/06 H01F5/02 H01F5/04 H01F27/28 

Изобретение относится к электротехнике; может быть использовано в магнитных фокусирующих системах ускорителей заряженных частиц, в соленоидах, предназначенных для генерации сильных магнитных полей, когда предъявляются повышенные требования к азимутальной симметрии аксиального магнитного поля.

Аналогом является способ изготовления соленоида с магнитной индукцией до 30 Тл, используемый группой PPG AWE Superswarf (G.M.Cooper, J.McLean, R.Davitt, T.J.Goldsack. Recent immersed B_z X-ray diode experiments. Материалы международной научной конференции BEAMS, 2002, стр.155-158). В этом способе многослойный многовитковый (≈100 витков) проволочный соленоид, для магнитного фокусирующего устройства, наматывается послойно одним изолированным проводом прямоугольного сечения 2×3 мм². Концы проволочной обмотки выведены на тот торец соленоида, где аксиальное поле более сильное, причем они расположены на разных расстояниях от оси, с одной стороны от нее. Такое расположение концов обмотки не дает полной компенсации на оси перпендикулярной к ней составляющей магнитного поля вблизи торца соленоида. Поле вблизи торца, следовательно, не обладает строгой азимутальной симметрией и имеет составляющую, перпендикулярную к пучку заряженных частиц. Качество магнитного поля вблизи торца будет ухудшаться по мере уменьшения числа витков в соленоиде. Однако многовитковый проволочный соленоид, хотя и обеспечивает хорошую азимутальную симметрию магнитного поля, обладает значительной индуктивностью, что влечет необходимость его питания от высоковольтной (≈22 кВ в рассматриваемой работе) конденсаторной батареи, так как низковольтная батарея большой емкости, но с эквивалентным энергозапасом, даст большой период возбуждения тока и сильный нагрев проводников. Высокое напряжение представляет также серьезную проблему при обеспечении электропрочности.

Аналогом можно считать способ изготовления соленоида, используемый объединенной группой из Левенского университета (Бельгия) и Российского научного центра «Курчатовский институт» (А.С.Лагутин, К.Россель, Ф.Герлах, И.Бренсераде. Разработка пользовательского импульсного соленоида на 75 Тесла. Доклад на международной научной конференции MEGAGAUSS, 2002. Россия). В этом способе соленоид наматывается в 8 слоев по 12 витков изолированного провода прямоугольного сечения 2×3,5 мм². Оба конца обмотки выведены на один торец соленоида и расположены диаметрально противоположно, на разных расстояниях от оси. В этом случае параллельные оси соленоида прямые участки обмоточного провода будут создавать вблизи торца соленоида перпендикулярную к оси составляющую магнитного поля. Кроме этого, эта составляющая нарушит азимутальную симметрию основного (аксиального) поля соленоида вблизи торца, поскольку один вывод провода находится существенно ближе к оси, чем другой. Для целей предназначения этого соленоида указанные недостатки, возможно, не существенны, особенно при большом числе витков и малом токе соленоида, поскольку рабочим объемом является только центральная часть канала соленоида. Но для фокусировки пучка заряженных частиц это может иметь значение, так как пучок должен проходить строго по оси через весь соленоид.

Еще одним аналогом можно считать способ, использованный в институте Ядерной физики, Новосибирск (С.Г.Воропаев, А.И.Горбовский, Б.А.Князев и др. Магнитная система для компрессии и транспортировки мощного РЭП с полем до 12 Тл. Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия ТС. 1986. Вып.2. Стр. 25-30). В этом способе однозаходный ленточный соленоид, предназначенный для фокусировки и транспортировки релятивистского электронного пучка, содержит 140 витков медной ленты сечением 60×0,2 мм². Как показано на конструктивной схеме этого соленоида в упомянутой статье, выводы катушки вынесены на одну сторону внешнего диаметра. При этом авторы отмечают, что расположение соединительных проводов с одной стороны соленоида приводит к искажению поля и «уходу» силовых линий до 2 мм на длине 1,3 метра при апертуре ≈160 мм. Отмеченный недостаток может стать решающим при попытке транспортировать на несколько метров и фокусировать электронный пучок миллиметрового диаметра.

Наиболее близок к заявляемому способ изготовления ленточного соленоида, предназначенного для генерации сильного магнитного поля - Катрухин Ю.К., Дорошенко А.П. Прочность многослойных клееных обмоток соленоидов. Приборы и Техника Эксперимента. №6, 1985, стр.162-165. Полный текст статьи депонирован в ВИНИТИ: №64-85 (деп.). Способ заключается в укладке витков ленточного проводника и изолятора между внутренним и внешним электродами, электрическом соединении ленточного проводника с электродами. При этом ленточный проводник по ширине припаивается к бронзовой втулке (внутренний электрод), а затем наматывается на нее вместе с изолирующей лентой. Данный способ не позволяет изготовить ленточный соленоид с азимутально симметричным магнитным полем, что обусловлено присущей этому способу неизбежной несимметричностью распределения тока на внутреннем электроде.

Данным изобретением решается задача разработки способа изготовления ленточного соленоида, создающего симметричное магнитное поле.

Техническим результатом является повышение выходных параметров изготовленного заявляемым способом ленточного соленоида в отношении азимутальной симметрии его аксиального магнитного поля.

Указанный технический результат достигается тем, что, по сравнению с известным способом изготовления ленточного соленоида, заключающемся в укладке витков ленточного проводника и изолятора между внутренним и внешним электродами, электрическом соединении ленточного проводника с электродами, в заявляемом способе одновременно укладывают несколько, по меньшей мере два, ленточных проводников, а токопроводящие соединения располагают на электродах осесимметрично, равномерно распределенными по углу, причем поверхности электродов между соседними токопроводящими соединениями дополнительно изолируют.

В заявляемом способе изготовления ленточного соленоида, с одновременной укладкой сразу нескольких ленточных проводников, при осесимметричном расположении токопроводящих соединений ленточных проводников с электродами, можно получить распределение плотности тока, а следовательно, и магнитного поля с лучшей симметрией. В известном способе намотки соленоида одной проводящей лентой, при одном токопроводящем шовном соединении с внутренним электродом, оказывается, что вектор плотности тока, текущего по электроду извне к месту соединения ленточного проводника с электродом, вблизи торца соленоида имеет в основном аксиальную составляющую, которая обусловливает появление здесь азимутального магнитного поля. Это поле, по своей конфигурации, подобно полю от аксиального тока, сконцентрированного около образующей линии, на которой находится шовное соединение. При небольшом числе витков в ленточном соленоиде для генерации необходимого магнитного поля 30-40 Тл требуется большой ток - десятки килоампер. В этом случае аксиальная (от соленоида) и азимутальная (от прямого тока на внутреннем электроде) составляющие магнитного поля становятся сравнимыми по величине, а азимутальная симметрия магнитного поля, которая важна для фокусировки пучка заряженных частиц, сильно нарушается. Фактором, усиливающим концентрацию плотности тока на внутреннем электроде вдоль линии шовного соединения в однозаходном ленточном соленоиде, может стать также большая величина отношения значений коэффициентов электропроводности материалов ленточного проводника (медь) и электрода (сталь).

В заявляемом способе основной изолятор укладывается только между группой ленточных проводников. Это позволяет уменьшить радиальный размер соленоида, увеличить коэффициент заполнения, что, в свою очередь, повышает эффективность генерации магнитного поля на единицу энергии источника тока за счет концентрации магнитного поля в приосевой области соленоида.

Фиг.1 поясняет заявляемый способ изготовления ленточного соленоида. На ней изображена начальная стадия намотки цилиндрического соленоида двумя ленточными проводниками по заявляемому способу. На фиг.2 показан тот же соленоид в поперечном сечении по окончании намотки. Заявляемый способ изготовления ленточного соленоида заключается в электрическом соединении ленточных проводников 1, 2, разделенных основным 3 и дополнительными 4, 5 изоляторами, с внутренним электродом 6, укладке витков ленточных проводников и основного изолятора между внутренним 6 и внешним 7 электродами с последующим электрическим соединением ленточных проводников с внешним электродом. В варианте реализации заявляемого способа, представленном на фиг.1, 2, укладывают два одинаковых ленточных проводника одновременно, а токопроводящие соединения 8-11 с электродами 6, 7 выполняют в виде продольных швов по всей ширине ленточных проводников 1, 2 и располагают параллельно, вдоль образующих линий поверхностей электродов, осесимметрично, равномерно распределяя по углу, причем поверхности электродов 6, 7 между соседними шовными соединениями 8, 9 и 10, 11 соответственно дополнительно покрывают изоляторами 4, 5. В заявляемом способе возможно произвольное исполнение токопроводящих соединений ленточных проводников с электродами: это могут быть точечные контакты, швы произвольной формы и длины, при осесимметричном распределении всех одинаково исполненных токопроводящих соединений на электродах.

В примере осуществления заявляемого способа изготовления ленточного соленоида, содержащего 2,25 витка, производят одновременно укладку двух одинаковых ленточных проводников 1, 2 сечением 60×0,5 мм² из меди М 1. В качестве изоляторов 3, 4 и 5 используется диэлектрическая лента, например стеклоткань, толщиной 0,25 мм и шириной 70 мм. Наружный 7 и внутренний 6 электроды выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т в виде трубок диаметром ≈40 мм с толщиной стенки около 2 мм, длина которых больше ширины ленточных проводников. В конкретном примере токопроводящие соединения 8-11, соединяющие ленточные проводники 1, 2 с электродами 6, 7, выполнены в виде швов, путем пайки припоем ПСР-40 вдоль оси соленоида по ширине ленточных проводников. Эти соединения расположены осесимметрично, равномерно распределенными по азимутальному углу, в данном случае - диаметрально противоположно. Участки поверхности электродов 6 и 7 между соседними токопроводящими соединениями 8, 9 и 10, 11 покрыты дополнительными изоляторами 4, 5. Основной изолятор 3 начинают укладывать под ленточный проводник, начиная с токопроводящего соединения 9 и заканчивая соединением 10.

Заявляемый способ можно осуществить и другим образом, например начиная и заканчивая укладку, по меньшей мере, двумя ленточными проводниками разной длины, а в промежутке укладывая только один ленточный проводник. Для этого более короткие проводники после укладки нескольких витков (и за несколько витков до окончания укладки) с помощью токопроводящих соединений подключаются к самому длинному проводнику. Токопроводящие соединения всех ленточных проводников с электродами выполняются осесимметрично.

В соленоиде, изготовленном по заявляемому способу, токи, протекающие по симметрично расположенным параллельным ленточным проводникам, образующим обмотку соленоида, с высокой степенью точности совпадают по величине. Вблизи торца соленоида распределение плотности тока в электродах, при двухзаходной обмотке, будет иметь плоскость симметрии. Поэтому на оси соленоида перпендикулярные к ней азимутальные составляющие магнитного поля, отвечающие этим токам, будут взаимно компенсироваться. Таким образом, магнитное поле вблизи оси соленоида будет практически аксиальным и иметь плоскость симметрии, что исключит отклонение фокусируемого пучка заряженных частиц от оси.

Проведем численное сравнение параметров магнитного поля в соленоидах, изготовленных известным по прототипу и предлагаемым способами. Рассмотрим соленоид из 20-ти витков, намотанный по прототипу одним ленточным проводником. Пусть ширина ленточного проводника составляет 60 мм, диаметр внутреннего электрода - 30 мм. В этом случае для генерации на торце соленоида аксиального магнитного поля 30 Тл потребуется ток ≈150 кА. Поскольку ток во внутреннем электроде вблизи торца соленоида концентрируется вдоль единственной линии токопроводящего шовного соединения, то на оси возникнет перпендикулярное к ней поле ≈2 Тл, причем это поле будет иметь радиальный градиент. Предположим, что фокусируемый электронный пучок имеет диаметр 10 мм. Тогда со стороны токопроводящего шовного соединения перпендикулярная к оси пучка составляющая внешнего поля будет равна ≈3 Тл, а с противоположной, удаленной от токопроводящего шовного соединения, стороны - всего ≈1,5 Тл. В то же время в ленточном соленоиде, изготовленном по заявляемому способу, напряженность магнитного поля в диаметрально противоположных точках на поверхности пучка, в силу симметрии, будет строго одна и та же, и причин для отклонения пучка от оси не возникнет. При увеличении числа укладываемых одновременно ленточных проводников в соленоиде симметрия магнитного поля будет повышаться, а приосевая область, со строго аксиальным магнитным полем, расширяться.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в магнитных фокусирующих системах ускорителей заряженных частиц, в соленоидах, предназначенных для генерации сильных магнитных полей, когда предъявляются повышенные требования к азимутальной симметрии аксиального магнитного поля. Технический результат заключается в повышении азимутальной симметрии аксиального магнитного поля в ленточном соленоиде. Способ изготовления ленточного соленоида заключается в укладке витков ленточного проводника и изолятора между внутренним и внешним электродами, электрическом соединении ленточного проводника с электродами. Согласно изобретению укладку производят, по меньшей мере, двумя ленточными проводниками одновременно, а токопроводящие соединения на электродах располагают осесимметрично, равномерно распределенными по углу. Поверхности электродов между соседними токопроводящими соединениями дополнительно изолируют. 2 ил.

Способ изготовления ленточного соленоида, заключающийся в укладке витков ленточного проводника и изолятора между внутренним и внешним электродами, электрическом соединении ленточного проводника с электродами, отличающийся тем, что укладку производят, по меньшей мере, двумя ленточными проводниками одновременно, а токопроводящие соединения на электродах располагают осесимметрично, равномерно распределенными по углу, причем поверхности электродов между соседними токопроводящими соединениями дополнительно изолируют.