Линейный индукционный ускоритель

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К окончаниям витков прикреплены электроды одинарной формирующей линии. На противоположном конце электроды соединены с магнитным импульсным генератором, предназначенным для заряда формирующей линии. Один из электродов формирующей линии заземлен и разомкнут. В месте разрыва установлен магнитный коммутатор в виде одновиткового дросселя насыщения. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность контуров, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. На нагрузке предлагается выполнять формирующую линию емкостью в 2-4 раза меньше емкости конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора, а магнитный коммутатора с параметрами, находящимися в определенном соотношении с элементами ускорителя. Технический результат - сохранение амплитуды зарядного напряжения одинарной формирующей линии на уровне зарядного напряжения С_N и сокращение времени ее разряда на нагрузку. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Известно устройство - линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания [Бахрушин Ю.Р., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978]. К виткам намагничивания подключены электроды формирующей линии.

На один из электродов формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, установленного в разрыве любого из электродов, одинарная формирующая линия начинает разряжаться на витки индукционной системы, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как E(t)=-NU(t)/L, где N - число сердечников; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы.

В качестве коммутатора формирующих линий используются газовые искровые разрядники. Подобным коммутаторам присущи ограничения по частоте срабатывания. Кроме того, при работе разрядников наблюдается эрозия материала электродов, что заставляет уменьшать величину коммутируемой энергии либо снижать количество импульсов между профилактическими работами по очистке изоляторов разрядников.

Наиболее близким техническим решением является конструкция ускорителя [Винтизенко И. И. , Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов. Физика. Издание ТГУ, 1998, 4, с. 111-119]. Основным отличием от описанной выше конструкции линейного индукционного ускорителя является использование магнитного коммутатора энергии формирующей линии. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать в наносекундном диапазоне длительностей с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако в этом случае требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время сотни наносекунд от магнитных импульсных генераторов Итак, подобный линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключены концы электродов одинарной формирующей линии. Противоположные концы электродов формирующей линии подключены к магнитному импульсному генератору. Заземленный электрод формирующей линии разомкнут, и в разрыв включен магнитный коммутатор.

Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность контуров с увеличивающейся собственной частотой. Каждый контур содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов контуров C₁, C₂, . .C_N равны между собой и равны емкости С_фл одинарной формирующей линии. Каждый следующий дроссель насыщения L_i, по сравнению с предыдущим L_i-1, имеет меньшее число витков обмотки, то есть 1) меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника, 2) меньшую величину потокосцепления, определяемую как Ψ_i = W_iS_iΔB, где W_i, S_i - число витков и сечение стали i-го дросселя насыщения, ΔB -размах индукции в стали сердечника дросселя.

Для уменьшения сечения стали ферромагнитных сердечников дросселей насыщения магнитного импульсного генератора и сердечника магнитного коммутатора используется перекрытие процессов разряда конденсатора С_i+1 предыдущего контура и заряда конденсатора С_i следующего контура (процесс перезаряда не завершился, а сердечник дросселя уже насытился). В этом случае выполняется условие где L_i-1 - индуктивность обмотки дросселя при насыщенном состоянии сердечника, ψ_i = W_i•S_iΔB; W_i,S_i - число витков и сечение стали дросселя насыщения, ΔB - размах индукции в материале сердечника.

При использовании этого эффекта для магнитного импульсного генератора действительно возможно сокращение сечения стали сердечников дросселей насыщения, следовательно, весогабаритных показателей установки. Однако использование перекрытия фазы разряда приводит к неполному заряду конденсатора последующего контура С_i по сравнению с предыдущим С_i+1, то есть происходит постепенное снижение уровня зарядного напряжения конденсаторов контуров, в том числе и неполный заряд одинарной формирующей линии (U_N>U_фл), где U_N, U_фл - амплитуды зарядного напряжения на конденсаторе и формирующей линии соответственно. Этот эффект снижает величину максимальной мощности ускорителя.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение максимальной мощности импульса, выделяемой на нагрузке. Техническим результатом является сохранение амплитуды зарядного напряжения одинарной формирующей линии на уровне зарядного напряжения C_N и сокращение времени ее разряда на нагрузку.

Для решения данной 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 электродов одинарной формирующей линии. Противоположные концы электродов соединены с магнитным импульсным генератором. Заземленный электрод разомкнут и в место разрыва включен магнитный коммутатор. Магнитный генератор представляет собой последовательность контуров 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 одинарная формирующая линия выполняется емкостью значительно меньшей (в 2-4 раза), чем емкость конденсатора _N, и параметры магнитного коммутатора находятся в определенном соотношении с элементами ускорителя где L_N - индуктивность дросселя насыщения последнего контура магнитного импульсного генератора, W_k, S_k, ΔB - число витков, сечение стали, размах индукции в стали магнитного коммутатора, <U>=U_фл/2=U_N/2 - действующее зарядное напряжение формирующей линии, U_фл, U_N - амплитуды зарядного напряжения формирующей линии и конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора.

Принципиальная схема устройства изображена на чертеже, где обозначено: 1 - ферромагнитная индукционная система, 2 - одинарная формирующая линия, 3 - магнитный коммутатор, 4 - магнитный импульсный генератор, 5 - витки намагничивания.

Устройство содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания 5. К окончаниям витков намагничивания 5 подключены электроды одинарной формирующей линии 2. Противоположные концы электродов формирующей линии 2 подключены к магнитному импульсному генератору 4, состоящему из последовательных контуров С_i-L_i, где С_i - это конденсатор емкостью C_i, L_i - дроссель насыщения индуктивностью L_i. Один из электродов формирующей линии 2 посредством дросселя насыщения L_N последнего контура соединен с конденсатором C_N. Другой электрод заземлен и разомкнут. В место разрыва установлен магнитный коммутатор L_k 4, представляющий собой одновитковый дроссель насыщения.

Формирующая линия представляет собой набор параллельно-включенных медных электродов, причем величина емкости линии определяется количеством электродов, их длиной и шириной, а также зависит от толщины изоляции между электродами. Формирующая линия изготавливается с емкостью, значительно меньшей (в 2-4 раза) емкости конденсатора последнего контура. Параметры магнитного коммутатора (число витков, сечение стали, используемый материал сердечника, определяющий размах индукции в стали) выбираются в соотношении с величинами емкостей конденсатора и формирующей линии в соответствии с формулой (2).

Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (не указаны) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L_i-L_N контуров, магнитного импульсного генератора 4, магнитного коммутатора 3, индукционной системы 1. От внешнего источника питания (например, конденсаторная батарея разряжается при включении игнитронного или тиристорного коммутатора) осуществляется заряд конденсатора С₁ первого контура магнитного импульсного генератора 4. При заряде C₁ на выводах дросселя насыщения L₁ появляется разность потенциалов U_C1, вызывающая протекание тока намагничивания и сердечник дросселя насыщения L₁ перемагничивается. Величина потокосцепления дросселя насыщения L₁ составляет ψ₁ = W₁S₁ΔB, где W₁ - число витков, S₁ - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔB=2,5 Тл для пермаллоя 50 НП) и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда С₁. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от μ = 10⁵ до μ = 1 и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд С₁ и заряд С₂ через индуктивность витков дросселя L₁ в интервале времени Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления Ψ₂ дросселя насыщения L₂. При заряде конденсатора C₂ к виткам дросселя насыщения L₂ начинает прикладываться разность потенциалов:
где Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0,π] составит

Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L₂ и переход его в состояние с μ = 1. Поэтому где ψ₂ = W₂S₂ΔB - потокосцепление дросселя насыщения L₂(W₂, S₂ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₂, ΔB - размах индукции в стали).

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

где (W₃, S₃ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₃
Аналогично предыдущим рассуждениям

где W_k - число витков магнитного коммутатора 3, S_k - сечение стали сердечника магнитного коммутатора 3. Обычно W_k=1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, поскольку

где а - линейный размер магнитного коммутатора 3, D_n, D_в - наружный и внутренний диаметры витка. Используя соотношения (3-7), рассчитывают параметры линейного индукционного ускорителя. Обычно выбирают С₁=C₂=...=С_N=С_фл, и без использования эффекта перекрытия фаз получим
<U>=<U>=...=<U>=<U>=1/2U_С2=1/2U_С3=1/2U_CN=1/2U_фл. (9)
U_C2, U_C1, U_CN - aмплитyда зарядного напряжения конденсаторов магнитного импульсного генератора. Если С_N>С_фл, то зарядное напряжение на одинарной формирующей линии 2 составит
U_фл=2С_NU_CN/(C_фл+C_N). (10)
Кроме того, что одинарная формирующая линия 2 заряжается до большего напряжения, она разряжается на нагрузку за более короткое время (емкость меньше). Это позволяет увеличить импульсную мощность на нагрузке. Причем, чем меньше емкость формирующей линии, тем больше мощность, отдаваемая ей в нагрузку.

Рассчитаем мощность, выделяемую на нагрузке, представляя формирующую линию в виде конденсатора С, разряжающегося через индуктивность L на омическую нагрузку R. Поскольку аналитический расчет протекающих процессов совместного разряда конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора и формирующей линии на нагрузку сложен, приведем результаты компьютерного моделирования с использованием программного продукта Electronic Workbench.

Для нашего случая C соответствует С_фл, L=L_k+L_напр.+L_фл≈18,7•10⁹ Гн, где L_k - индуктивность коммутатора; L_нагр. - индуктивность нагрузки; L_фл - индуктивность формирующей линии; R = 50Ω/n²≈0,25Ω, где n=14 число сердечников индукционной системы ускорителя (поскольку рассматриваются процессы, протекающие в первичном контуре линейного индукционного ускорителя). Возьмем С_N=0,3•10⁶ Ф и рассчитаем для вариантов с 1) С_фл=0,3•10^-6Ф, 2) С_фл=0,2•10^-6Ф и 3) С_фл= 0,1•10^-6 Ф величины зарядных напряжений формирующей линии и мощность на нагрузке. В первом варианте U_фл=U_N=50 кВ (амплитуды напряжения на конденсаторе C_N и формирующей линии равны). Во втором и третьем вариантах U_фл= 2С_N•U_N/(С_фл+С_N)=61,2 и 70 кВ. Выделяемая мощность на нагрузке равна P₁= 2,12•10⁹ Вт, P₂=2,78•10⁹ Вт. P₃=3,43•10⁹ Вт. Таким образом, увеличение мощности, выделяемой на нагрузке, при С_N=3С_фл в сравнении с С_N=С_фл составляет 62%, а при С_N=1,5С_фл - 23%.

Однако процесс увеличения мощности сопровождается значительным ростом зарядного напряжения формирующей линии, которое может превысить пробивные значения. Исходя из опыта работы с полосковыми линиями, нежелательно превышать напряжение более 60-65 кВ. Поэтому в предлагаемом ускорителе параметры магнитного коммутатора находятся в определенном соотношении с емкостями формирующей линии и конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора, а именно

где L_N - индуктивность дросселя насыщения последнего контура магнитного импульсного генератора, W_k, S_k, ΔB - число витков, сечение стали, размах индукции в стали магнитного коммутатора, <U>=U_фл/2=U_N/2 - действующее зарядное напряжение формирующей линии, U_фл, U_N - амплитуда зарядного напряжения формирующей линии и кондденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора. Приведенное соотношение физически означает, что параметры магнитного коммутатора выбраны таким образом, что как только при разряде конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора величина зарядного напряжения формирующей линии достигает зарядного напряжения конденсатора, происходит насыщение сердечника магнитного коммутатора и начинается совместный разряд конденсатора и формирующей линии на нагрузку. Другими словами, используется эффект перекрытия фаз разряда конденсатора и заряда формирующей линии.

Из соотношения аналогичного (4) можно определить момент времени выполнения условия U_фл=U_N, которое равно

В свою очередь этот момент времени определяется величиной потокосцепления магнитного коммутатора, а именно числом витков, сечением стали, материалом сердечника (размах индукции)
t₁ = W_k, S_kΔB/<U>. (13)
Выражения (11) и (12) позволяют получить соотношение для параметров магнитного коммутатора и элементов ускорителя

Рассчитаем мощность, выделяемую на нагрузке при выполнении данного условия с использованием программного продукта Electronic Workbench. Интервал изменения С_фл относительно C_N составлял 2-4 раза, индуктивности разрядного контура и дросселя насыщения последнего контура сжатия составляют L= 18,7•10^-9 Гн, L_N=13•10^-9 Гн, что соответствует реальным параметрам ускорителя ЛИУ 04\ 4000 [Бутаков Л.Д., Винтизенко И.И. Частотный линейный индукционный ускоритель ЛИУ 04\4000.ПТЭ, 2000, 3, с. 159-160]. Наибольшая рассчитанная мощность наблюдалась при 3С_фл=С_N и выполнении условия (13), которая составила 3,83 ГВт. По сравнению со случаем без использования эффекта перекрытия фаз при том же соотношении емкостей мощность равна 3,43 ГВт (см. результаты расчета выше). Таким образом, увеличение мощности составило 11%. Отметим, что поскольку величина емкости формирующей линии значительно уменьшилась, то сократилось время перезаряда конденсатора и формирующей линии. Это позволяет уменьшать величину потокосцепления магнитного коммутатора, что автоматически приводит к уменьшению габаритов, а значит, и снижению индуктивности магнитного коммутатора согласно (8). В расчетах этот параметр изменялся от 18,7•10^-9 Гн до 16•10^-9 Гн, что вызывало рост мощности на нагрузке еще на 3%, которая составила 3,942 ГВт.

Примером конкретного выполнения является модуль линейного индукционного ускорителя, изготовленного в НИИ ядерной физики со следующими конструктивными параметрами С₁=C₂=С₃=0,3•10⁶ Ф. Дроссели насыщения L₁, L₂ имеют одинаковые сердечники, изготовленные из 6 колец с внешним и внутренним диаметрами 250 и 110 мм, соответственно шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм. Дроссель L₁ имеет 14 витков, L₂ 4 витка. Одновитковый дроссель насыщения L₃ имеет сердечник из 3-х колец внешним и внутренним диаметрами 500 мм и 220 мм, соответственно шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты толщиной 0,02 мм. Одновитковый магнитный коммутатор, как и сердечники индукционной системы, выполнен из колец с внешним и внутренним диаметрами 360 мм и 150 мм, соответственно шириной 25 мм, намотанных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,01 мм. Конденсаторы C₁-С₃ с сосредоточенными параметрами типа К75-74 0,1 мкФ по 3 параллельно. Формирующая линия состоит из двух электродов длиной 4 метра, шириной 0,2 метра с изоляцией из синтофлекса общей толщиной 1,2 мм. Емкость формирующей линии 0,1•10^-6 Ф. Формирующая линия намотана вокруг сердечников индукционной системы по спирали Архимеда. Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм. Конденсатор С₁ заряжается до 50 кВ от внешнего источника питания за интервал времени 12 мкс. Зарядка С₂ происходит за 3 мкс, С₃ - за 1 мкс, С_фл - за 0,2 мкс и время разряда С_фл на индукционную систему ~0,18 мкс. Импульсная мощность линейного индукционного ускорителя составляет 3,94 ГВт, что на 86% выше, чем при использовании формирующей линии с емкостью 0,3•10^-6 Ф, как предложено в приборе-прототипе. Таким образом, использование в линейном индукционном ускорителе формирующей линии емкостью в 2-4 раза меньше емкости конденсатора последней ступени сжатия магнитного импульсного генератора и магнитного коммутатора с параметрами, находящимися в следующем соотношении с параметрами элементов ускорителя

вызывает увеличение мощности выделяемой на нагрузке на 86%.

Формула изобретения

Линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключены концы электродов одинарной формирующей линии, причем электроды на противоположном конце соединены с магнитным импульсным генератором, состоящим из последовательных контуров, каждый из которых образован конденсатором и дросселем насыщения и в разрыв заземленного электрода одинарной формирующей линии включен магнитный коммутатор, отличающийся тем, что одинарная формирующая линия выполнена с емкостью С_фл в 2-4 раза меньше емкости С_N конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора, а магнитный коммутатор имеет параметры, находящиеся в следующем соотношении с элементами ускорителя

где L_N - индуктивность дросселя насыщения последнего контура магнитного импульсного генератора;
W_k, S_k, ΔB - число витков, сечение стали, размах индукции в стали магнитного коммутатора;
<U>= U_фл/2= U_N/2 - действующее зарядное напряжение формирующей линии, U_фл, U_N - амплитуды зарядного напряжения формирующей линии и конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1