Устройство импульсного питания ускорителя Советский патент 1981 года по МПК H05H5/02 

(54). УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ УСКОРИТЕЛЯ

Изобретение относится к системам питания ускорителей заряженных частиц прямого действия, а точнее к устройствам импульсного питания с индуктивными накопителями энергии, предназначенным, например, для генераци импульсных сильноточных (несколько кА электронных пучков большой энергии (сотни кэВ) и длительности (сотни мкс), интерес к которым повысилс.я в последнее время в связи с необходимостью решения проблем управляемого термоядерного синтеза. Для импульсного питания таких ускорителей наряду с устройствами фо мирования мощных импульсов, выполнен ньлии на емкостных накопителях энергии, .все чаще используют импульсные устройства с индуктивными накопителя ми энергии, которые имеют ряд преимуществ перед первыми. К достоинствам устройств импульсного питания с индуктивными накопителями можно отнести способность индуктивного на копителя трансформировать напряжение источника, что позволяет обходиться сравнительно низковольтным источником, а также лучшие весо-габаритные характеристики по сравнению с емкостными накопителями LllИзвестны устройства формирований высоковольтных импульс| в, выполненные на основе формирующих искусственных линий с накоплением энергии в индуктийностях 2. Здесь высоковольтные импульсы формируются на согласованной нагрузке при отключении источника тока зарядки. Недостатком такого устройства является сравнительно малая импульсная мощность в нагрузке. Это связано с тем, что через нагрузку протекает импульс тока, амплитуда которого равна лишь половине тока, накопленного в индуктивности линии. Прототипом изобретения является устройство импульсного питания 3, содержащее источник питания, коммутатор и двойную формирующую линию, состоящую из .двух одинаковых линий, между которыми параллельно им включена нагрузка. Недостатками такого устройства являются большой вес и габариты.Это вызвано тем, что конденсаторы, в которых накапливается энергия, находятся длительное время под постоянным высоким напряжением источника заряда (особенно в режиме большой скважности) и для обеспечения их

высокой электрической прочности они выполнены с большими линейными размерами их изоляционных промежутков, что ведет к увеличению габаритов устройства. I

Цель изобретения - снижение веса и габаритов устройства импульсного питания.

Указанная цель достигается тем, что вторая формирующая линия на выходе закорочена, причем низковольтный источник зарядки подключен через коммутатор параллельно входу первой линии, а нагрузка подключе а между линиями параллельно им и ее величина выбрана равной половине волнового сопротивления линии.

Предложенное устройство поясняется чертежом.

Источник 1 зарядки через выключатель 2 подключен к входу искусственной линии 3, к выходу которой подключены параллельно нагрузка 4, роль которой может играть ускорительный диод, и вход второй искусственной линии 5, закороченной на конце.

Работа устройства происходит следующим образом.

После замыкания выключателя 2 начинанается зарядка током от источника индуктивностей формирующих линий 3 и 5 до значения тока IQ. Затем выключатель 2 размыкается. Вход искусственной линии 3 оказывается разомкнутым. Образующая при этом падающая волна напряжения проходит слева направо и достигает выхода линии через время t}ад . После прохода этой первой падающей волны все конденсаторы линии 3 оказываются заряженными до напряжения UQ « Igpi где р- волновое сопротивление линии . Достигнув выхода линии, падающа волна встречает сопротивление.Сопротивление нагрузки 4 выбирается равным половине сопротивления линии т.е. Рц Р/2. Это сопротивление включено параллельно с входным сопротивлением линии 5. Таким образом, результирующее сопротивление , которое встречает пгщающая волна на выходном конце линии 3, равно Р/3. Из-за такого рассогласования падающая волна частично отражается, образуя первую отраженную волну в линии 3 с амплитудой

UnP

ди.

пряжения - ff

Остальная часть падающей волны проходит через сопротивления нагрузки и образует первую падающую волну в

Uo Р/3 линии 5 с амплитудой uUy - уj

J DO. Одновременно с этим формируется перепад напряжения на входе линии 5. Ток 1о,накопленный в ее индуктивностях, распределяется скачком между собственным волновым сопротивлением и сопротивлением, подключенным к ее входу (образованным параллельным соединением нагрузки и сопротивлением выхода линии 3) и равным р/3. Таким образом с выхода на вход линии 3 будет распространяться вторая падающая волна амплитудой

Г-1Я%7Г- - 1/р+2/р+-|;рЯ

.

а со входа на выход линии 5 будет распространяться падающая волна амплитудой

JoP.jL

1|р 2/рН/р7

Суммарная волна, распространяющаяся с выхода на вход линии 3 , будет состоять из двух составляющих: первой отраженной волны дУз и второй падающей волны д иэ. Амплитуда суммарной волны составит +диз

4 о- означает, что конденсаторы линии 3 к концу пробега этой волны окажутся заряженными

- li MO

до напряжения U

Суммарная волна, распространяющаяся с входа на выход линии 5, будет также состоять из двух составляющих : первой падающей волны uUU и второй падающей волны д и. Амплитуда этой

f

суммарной волны составит ли (j ди

+ ди 4 o I o конденсаторы линии 5 к концу пробега этой волны до короткозамкнутого выхода лнии окажутся заряженными также до У

Суммарная волна в

напряжения линии 3 амплитудой - 2достигая

входа линии через , встречает разомкнутый и отражается с тем же знаком, разряжая конденсаторы линии 3 до нуля.

Эта отраженная волна линии 3 распространяется теперь от входа к выходу и достигает нагрузки через ъремя , полностью снимая заряд с конденсаторов линии 3. Одновременно с этим суммарная волна в линии 5 ампли

тудой

отргикается от коротко-замкнутого конца линии с обратным знаком и распространяется к входу, разряжая также конденсаторы линии 5.

Через t

она достигает нагрузки.

ЭОА

полностью сняв заряд с конденсаторов Напряжение на нагрузке появляется, таким образом, с момента достижения первой палающей волной линии 3,т.е. через время tj. после размыкания выключателя, и существует в течение времени, равиого двойному пробегу волна линиях, т.е. до момента Следовательно, длительность импульса на нагрузке составляет (д. Дмплитуда напряжения равна а амплитуда тока равна IQ. Энергия, вьаделяющаяся -на нагрузк за это время, равна fjл и 2t,c,, ,д9 Учитывая выражения для волнового со противления и задержки P-VK Н -t : Vi Г ЪОА где L- - суммарная индуктивность ли нии; С.(з - суммарная емкость линии; получим L о Р t jQA I откуда WH Llo Следовательно, энергия, выделяющаяся в нагрузке за время двойной задержки, равна энергии, накопленно в индуктивностях двух искусственных линий. Формула изобретения Устройство импульсного питания ускорителя, содержащее источник пи тания, коммутатор и двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий, между которыми параллельно им включена нагрузка, отличающееся тем, что , с целью уменьшения веса и габаритов устройства, вторая формирующая линия закорочена на выходе. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Бондаренко И,М и др. Сильноточные импульсные ускорители электронов микросекундного диапазона с индуктивными накопителями энергии.Доклады всесоюзного совещания по инженерным проблемам управляемого., термоядерного синтеза7 т.2, с. 91, Л, НИИЭФА, 1975. 2 . Авторское свидетельство СССР 331762, кл. Н 05 Н 5/00, 1971. 3. Патент США № 4.024.430, кл. Н 03 К 5/08, 1977.