Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. Техническим результатом изобретения является исключение зависимости тока размагничивания от частоты следования импульсов излучения, уменьшение массогабаритных параметров, упрощение конструкции и повышение надежности импульсной системы питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода. В импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода (БРМ) емкостной накопитель 4 через ветви тиристоров 5 и 6, собранных по схеме инвертора тока, подключен к включенным последовательно и встречно обмоткам 2 и 3, причем в цепи компенсационной обмотки 3 включен диод 7. Высоковольтный источник питания 8 постоянного тока подключен параллельно через диод 9 и коммутирующий дроссель 10 к конденсатору 11. Конденсатор 11 через тиристор 12 подключен к диоду 7 и обмотке 3, причем обмотка 3 и диод 7 зашунтированы диодом 13. Низковольтный источник питания 14 постоянного тока подключен параллельно к дросселю 15 и обмотке 2 возбуждения. Одна обкладка корректирующего конденсатора 16 через тиристор 17 цепи коррекции подключена к общей точке подключения диодов 7, 13. Эта же обкладка через переменный резистор 18 подключена к общей точке подключения высоковольтного источника питания 8 постоянного тока и диода 9. Другая обкладка конденсатора 16 подключена через резистор 19 к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения, компенсационной обмотки 3 и низковольтного источника питания 14. Эта же обкладка подключена к общей точке подключения высоковольтного источника питания 8 постоянного тока и дросселя 10. 4 ил.

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.

Известна импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода (БРМ) [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А. С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение №2187912], выбранная в качестве прототипа, содержащая электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, тиристор цепи коррекции, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к включенным последовательно и встречно обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, низковольтный источник питания постоянного тока, параллельно подключенный к дросселю и обмотке возбуждения, коммутирующий дроссель, конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом.

В данной импульсной системе питания используется три источника питания: первый - высоковольтный источник питания постоянного тока, обеспечивающий заряд корректирующего конденсатора; второй -низковольтный источник питания постоянного тока, обеспечивающий размагничивание магнитопровода электромагнита БРМ; третий - источник питания, обеспечивающий заряд конденсатора в цепи ввода энергии и размагничивание магнитопровода электромагнита БРМ.

Использование трех источников питания приводит к увеличению массогабаритных параметров и усложняет конструкцию импульсной системы питания БРМ.

Кроме того, в данной импульсной системе питания БРМ размагничивание магнитопровода электромагнита БРМ осуществляется суммой токов размагничивания. Первый ток размагничивания I_p1 протекает по цепи: источник питания 8 - коммутирующий дроссель 9 - обмотка 2 возбуждения - конденсатор 10. Второй ток размагничивания I_p2 протекает по цепи: низковольтный источник питания 15 постоянного тока - дроссель 16 - обмотка 2 возбуждения [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение №2187912].

Значение первого тока размагничивания можно приближенно определить из выражения

где С₁₀ - емкость конденсатора 10 [Ф]; Т - период следования импульсов излучения [с], U_C10 - напряжение, до которого за T заряжается конденсатор 10 [В]; f - частота следования импульсов излучения [Гц].

Как видно из (1), значение тока I_p1 зависит от частоты следования импульсов излучения f.

Для целей интраоперационной лучевой терапии требуется повторно-кратковременный режим работы бетатрона [Чахлов В.Л., Чертов А.С. Бетатрон с подмагничиванием и с выводом электронного пучка // Труды VII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Современные техника и технологии”. Сб. докладов. Томск: Изд-во ТПУ, 2001 - С.206-209]. Обмотки электромагнита БРМ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном режиме, для повышения технико-экономического эффекта от размагничивания магнитопровода электромагнита [Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2002 г.], рассчитываются на плотности тока в меди более 10 А/мм². При таких плотностях тока в меди БРМ, как показывает практика, сможет работать не более 5 минут, а перерыв должен составлять более 1 часа [Чертов А.С. Результаты измерения фокусного пятна и тепловых испытаний бетатрона с последовательно-встречным включением обмоток возбуждения и компенсационной // Труды VIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Современные техника и технологии”. Сб. докладов. Том 1. Томск: Изд-во ТПУ, 2002. - С.100-102]. Для настройки БРМ на максимальное излучение, как правило, 5 минут не достаточно. Чтобы увеличить время настройки БРМ на максимальное излучение нужно будет снижать частоту следования импульсов излучения. Из (1) следует, что при уменьшении f, ток I_p1 будет уменьшаться, данное обстоятельство приведет к уменьшению значения общего тока размагничивания (I_p1+I_p2) и, следовательно, к уменьшению кинетической энергии ускоренных электронов. Чтобы скомпенсировать уменьшение значения общего тока размагничивания придется увеличивать значение тока I_p2. Далее после настройки БРМ на максимальное излучение, при переходе на требуемую частоту следования импульсов излучения придется снова изменять значения тока I_p2. Из вышесказанного следует, что зависимость тока размагничивания от частоты следования импульсов излучения f приведет к трудностям настройки БРМ на максимальное излучение, предназначенного для работы в повторно-кратковременном режиме.

Задачей изобретения является исключение зависимости тока размагничивания от частоты следования импульсов излучения, уменьшение массогабаритных параметров, упрощение конструкции и повышение надежности импульсной системы питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода.

Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащей электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, тиристор цепи коррекции, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к включенным последовательно и встречно обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, низковольтный источник питания постоянного тока, параллельно подключенный к дросселю и обмотке возбуждения, коммутирующий дроссель, конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, согласно изобретению высоковольтный источник питания постоянного тока подключен параллельно к конденсатору через диод и коммутирующий дроссель, а корректирующий конденсатор подключен параллельно к диоду и компенсационной обмотке через резистор и тиристор цепи коррекции, причем высоковольтный источник питания постоянного тока подключен параллельно к корректирующему конденсатору и переменному резистору.

При таком исполнении импульсной системы питания БРМ вместо трех источников питания будет использоваться два, что, соответственно, приведет к уменьшению массогабаритных параметров, к упрощению конструкции и повышению надежности импульсной системы питания БРМ. При этом не будет зависимости тока размагничивания от частоты следования импульсов излучения, что упростит настройку БРМ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном режиме, на максимальное излучение.

На фиг.1 приведена электромагнитная система БРМ, где пунктиром показано положение вакуумной ускорительной камеры в межполюсном пространстве.

На фиг.2 приведена принципиальная схема импульсной системы питания БРМ.

На фиг.3 приведены эпюры изменения напряжений, токов, магнитных индукций, радиуса равновесной орбиты в рабочем зазоре электромагнита и магнитодвижущих сил в импульсной системе питания БРМ, где цифрами обозначено:

20 - изменение напряжения на обмотке 2 возбуждения;

21 - изменение магнитной индукции в обратном магнитопроводе магнитопровода 1 электромагнита БРМ;

22 - изменение напряжения на корректирующем конденсаторе 16;

23 - изменение напряжения на конденсаторе 11;

24 - изменение магнитной индукции в области равновесной орбиты электромагнита БРМ;

25 - изменение магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита БРМ;

26 - изменение напряжения на компенсационной обмотке 3;

27 - изменение напряжения на емкостном накопителе 4;

28 - изменение тока корректирующего конденсатора 16;

29 - изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения;

30 - изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3;

31 - изменение радиуса равновесной орбиты.

На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса 32 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

Электромагнитная система БРМ (фиг.1) содержит магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

Импульсная система питания БРМ (фиг.2), включает магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 электромагнита БРМ. Емкостной накопитель 4 через ветви тиристоров 5 и 6, собранных по схеме инвертора тока, подключен к включенным последовательно и встречно обмоткам 2 и 3, причем в цепи компенсационной обмотки 3 включен диод 7. Высоковольтный источник питания 8 постоянного тока подключен параллельно через диод 9 и коммутирующий дроссель 10 к конденсатору 11. Конденсатор 11 через тиристор 12 подключен к диоду 7 и обмотке 3, причем обмотка 3 и диод 7 зашунтированы диодом 13. Низковольтный источник питания 14 постоянного тока подключен параллельно к дросселю 15 и обмотке 2 возбуждения. Одна обкладка корректирующего конденсатора 16 через тиристор 17 цепи коррекции подключена к общей точке подключения диодов 7, 13. Эта же обкладка через переменный резистор 18 подключена к общей точке подключения высоковольтного источника питания 8 постоянного тока и диода 9. Другая обкладка конденсатора 16 подключена через резистор 19 к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения, компенсационной обмотки 3 и низковольтного источника питания 14. Эта же обкладка подключена к общей точке подключения высоковольтного источника питания 8 постоянного тока и коммутирующего дросселя 10.

Рассмотрим работу импульсной системы питания БРМ на фиг.2.

В исходном состоянии емкостной накопитель 4 заряжен до напряжения U₁ (фиг.3, кривая 27). От низковольтного источника питания 14 постоянного тока через дроссель 15 по обмотке 2 возбуждения протекает постоянный ток I_p, который задает магнитное состояние магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

К моменту времени t₁ магнитное состояние магнитопровода определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг.3, кривая 29) и характеризуется начальным значением магнитной индукции - B_{c max} (фиг.4, кривая 32, точка 1) в центральном сердечнике магнитопровода 1 и начальным значением магнитной индукции - _о.м.н в обратном магнитопроводе магнитопровода 1, при этом начальное значение магнитной индукции в области равновесной орбиты близко к нулю (фиг.3, кривые 21, 24, 25).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 5 или 6 емкостной накопитель 4 начинает разряжаться на включенные последовательно и встречно обмотки 2 и 3 (фиг.3, кривая 27). Создаются магнитные потоки в области равновесной орбиты, в центральном сердечнике магнитопровода 1 и в обратном магнитопроводе магнитопровода 1.

В момент времени t₁ включается также тиристор 17 цепи коррекции и корректирующий конденсатор 16, заряженный до требуемого напряжения U₀ (фиг.3, кривая 22) через переменный резистор 18 от высоковольтного источника питания 8 постоянного тока, начинает разряжаться на обмотку 2 через резистор 19 и емкостной накопитель 4. Ток разряда конденсатора 16 (фиг.3, кривая 28) направлен согласно с током обмотки 2, и ее магнитодвижущая сила увеличивается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода 1 в интервале времени t₁-t₂, компенсируется начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе перемагничивания (фиг.4, кривая 32, участок 1-2). Радиус равновесной орбиты в этом интервале времени изменяется от начального значения r_он до расчетного r_ор (фиг.3, кривая 31). Изменяя сопротивление резистора 18 можно в широких пределах регулировать положение радиуса равновесной орбиты в момент инжекции t_i электронов в вакуумную ускорительную камеру, оптимизируя тем самым захват электронов в ускорение.

В момент времени t₂, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 32, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 16 спадает до нуля (фиг.3, кривая 28), тиристор 17 выключается и в дальнейшем (до момента времени ₃) выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты r_ор (фиг.3, кривая 32) полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.

В момент времени t₃ включается тиристор 12 и подключает конденсатор 11, заряженный до напряжения U₂ через диод 9 и дроссель 10 от высоковольтного источника питания 8 постоянного тока, к диоду 7. Ток разряда конденсатора 11 направлен встречно току компенсационной обмотки 3. Ток обмотки 3 начинает уменьшаться, а ток обмотки возбуждения 2 переходит в цепь конденсатора 11 и тиристора 12.

В течение интервала времени t₃ ÷ t₅ происходит ввод энергии от конденсатора 11 в колебательный контур для компенсации потерь энергии в нем за цикл ускорения t_у, а ток обмотки 3 спадает до нуля. При обесточивании обмотки 3 (интервал времени t₃ ÷ t₅) за счет увеличения разницы магнитодвижущих сил обмоток 2, 3 (фиг.3, кривые 29, 30) магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода возрастает, происходит увеличение радиуса равновесной орбиты (фиг.3, кривая 31). В момент времени t₄, когда радиус равновесной орбиты достигает значения радиуса установки инжектора r_i, происходит сброс электронов на внешнюю мишень. Дальнейшее обесточивание обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода (фиг.4, кривая 32, точка 4). При полном разряде конденсатора 11 (момент времени t₅) включается диод 13, тиристор 12 обесточивается и выключается, а конденсатор 11 начинает заряжаться от высоковольтного источника питания 8 постоянного тока через диод 9 и дроссель 10.

К моменту времени t₄ магнитное состояние магнитопровода характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода + B_с.к и конечным значением магнитной индукции в обратном магнитопроводе + В_о.м.к (фиг.3, кривые 21, 25).

Магнитная индукция в области равновесной орбиты в течение процесса ускорения t_y на радиусе равновесной орбиты r_ор изменяется приблизительно от 0 до конечного значения + В_о.р.к (фиг.3, кривая 24).

К моменту времени t₆, когда ток обмотки 2 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения, центральный сердечник магнитопровода выходит из насыщения и в интервале времени t₆ ÷ t₇ размагничивается вновь в исходное состояние - B_{c max} (фиг.4, кривая 32, участок 4-5-6-1).

В момент времени t₇ тиристоры 5 или 6 выключаются и магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода определяется током I_р, протекающим по обмотке 2, и цикл работы импульсной системы питания БРМ закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания БРМ вместо трех источников питания используется всего два, что делает предлагаемую импульсную систему питания БРМ более простой и надежной и уменьшает ее массогабаритные параметры. При этом исключена зависимость тока размагничивания от частоты следования импульсов излучения, что позволяет упростить настройку БРМ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном режиме, на максимальное излучение. А подключение тиристора 17 цепи коррекции к общей точке подключения диодов 13 и 7 позволяет уменьшить на нем обратное напряжение на величину напряжения холостого хода компенсационной обмотки 3, что, соответственно, приводит к уменьшению стоимости цепи коррекции радиуса равновесной орбиты по сравнению с цепью коррекции, предложенной в [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение №2187912].

Формула изобретения

Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, тиристор цепи коррекции, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к включенным последовательно и встречно обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, низковольтный источник питания постоянного тока, параллельно подключенный к дросселю и обмотке возбуждения, коммутирующий дроссель, конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, отличающаяся тем, что высоковольтный источник питания постоянного тока подключен параллельно к конденсатору через диод и коммутирующий дроссель, а корректирующий конденсатор подключен параллельно к диоду и компенсационной обмотке, через резистор и тиристор цепи коррекции, причем высоковольтный источник питания постоянного тока подключен параллельно к корректирующему конденсатору и переменному резистору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4