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 уменьшение массогабаритных параметров, упрощение конструкции и повышение надежности импульсной системы питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода. В импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода обмотка возбуждения подключена параллельно к корректирующему конденсатору через переменный резистор и дополнительно введенные в данную систему питания диод и резистор. 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.

Известны импульсные системы питания бетатронов с размагничиванием магнитопровода (БРМ) [1-3]. У БРМ при определенных условиях за счет размагничивания магнитопровода постоянным или переменным током массогабаритные параметры электромагнита получаются меньше, чем у общепринятых классических бетатронов [4].

Наиболее близким техническим решением является импульсная система питания БРМ [5], содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и зашунтированной тиристором, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмотками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор.

В такой системе питания обеспечивается экономичный режим работы элементов схемы, емкостной накопитель работает в однополярном режиме, а ток в наиболее нагруженном узле - компенсационной обмотке действует практически только в течение цикла ускорения.

Недостатком данной системы питания является использование высоковольтного источника питания постоянного тока для заряда корректирующего конденсатора. Данный источник питания увеличивает массогабаритные параметры и усложняет конструкцию импульсной системы питания БРМ.

Задачей изобретения является 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 магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и зашунтированной тиристором, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмотками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор, согласно изобретению обмотка возбуждения через диод и переменный резистор подключена к общей точке подключения тиристора цепи коррекции и одной обкладки корректирующего конденсатора, другая обкладка которого через резистор подключена к общей точке подключения обмотки возбуждения, компенсационной обмотки и кольцевой обмотки.

При таком исполнении импульсной системы питания БРМ за счет подключения обмотки возбуждения параллельно к корректирующему конденсатору через переменный резистор и дополнительно введенные в данную систему питания диод и резистор для его заряда не потребуется использование высоковольтного источника питания постоянного тока.

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, радиуса равновесной орбиты в рабочем зазоре электромагнита и магнитных индукций в импульсной системе питания БРМ, где цифрами обозначено:

22 - изменение магнитной индукции в обратном магнитопроводе магнитопровода 1,

23 - изменение магнитной индукции на расчетном радиусе равновесной орбиты r_о,

24 - изменение напряжения на емкостном накопителе 5,

25 - изменение тока тиристора 9,

26 - изменение напряжения на корректирующем конденсаторе 16,

27 - изменение напряжения на коммутирующем конденсаторе 12,

28 - изменение тока обмотки 2 возбуждения,

29 - изменение тока компенсационной обмотки 3,

30 - изменение тока кольцевой обмотки 4,

31 - изменение напряжения на обмотке 2 возбуждения,

32 - изменение магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1,

33 - изменение радиуса равновесной орбиты.

На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса 34 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, кольцевую обмотку 4, уложенную на внешнем радиусе полюсов магнитопровода 1, которая образует единую обмотку совместно с компенсационной обмоткой 3.

Импульсная система питания БРМ (фиг.2) включает магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1, кольцевую обмотку 4, уложенную на внешнем радиусе полюсов магнитопровода 1. Емкостной накопитель 5 через тиристоры 6 подключен к обмотке 2 возбуждения. Обмотка 2 возбуждения через диод 7 подключена к одной обкладке емкостного накопителя 5, другая обкладка которого через диод 8 и кольцевую обмотку 4, которая зашунтирована тиристором 9, подключена к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения и компенсационной обмотки 3. Низковольтный источник питания 10 постоянного тока подключен параллельно к дросселю 11 и обмотке 2 возбуждения. Одна обкладка коммутирующего конденсатора 12 подключена к общей точке подключения дросселя 11 и обмотки 2 возбуждения. Другая обкладка коммутирующего конденсатора 12 через коммутирующий дроссель 13 подключена к коммутирующему диоду 14, который имеет общую точку подключения с обмоткой 2 возбуждения, причем коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14 зашунтированы тиристором 15 ввода энергии. Одна обкладка корректирующего конденсатора 16 через резистор 17 подключена к общей точке подключения обмоток 2, 3 и 4. Другая обкладка корректирующего конденсатора 16 через тиристор 18 цепи коррекции подключена к обмотке 3, которая через диод 19 подключена к кольцевой обмотке 4. Эта же обкладка конденсатора 16 через диод 20 и переменный резистор 21 подключена к общей точке подключения обмотки 2, тиристора 15 и диода 14.

Рассмотрим работу импульсной системы питания БРМ на фиг.2.

В исходном состоянии емкостной накопитель 5 заряжен до напряжения U₁ (фиг.3, кривая 24). От низковольтного источника питания 10 постоянного тока через дроссель 11 по обмотке 2 возбуждения протекает постоянный ток (ток размагничивания) I_р, который задает магнитное состояние магнитопровода 1 электромагнита БРМ (фиг.3, кривая 28). К моменту времени t₁ магнитное состояние магнитопровода 1 определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения и характеризуется начальным значением магнитной индукции -B_{c max} в центральном сердечнике магнитопровода 1 (фиг.4, кривая 34, точка 1) и начальным значением магнитной индукции -B_о.м.н в обратном магнитопроводе магнитопровода 1, при этом начальное значение магнитной индукции на расчетном радиусе равновесной орбиты r_о близко к нулю (фиг.3, кривые 22, 23, 32).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 6 емкостной накопитель 5 подключается к обмотке 2. При этом напряжение на компенсационной обмотке 3 прикладывается к кольцевой обмотке 4, и ток в ней начинает изменяться (фиг.3, кривая 30). Коммутирующий конденсатор 12 заряжается от емкостного накопителя 5 через коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14 (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 16 цепи коррекции и корректирующий конденсатор 18, заряженный до напряжения U₂ (фиг.3, кривая 26), начинает разряжаться на обмотку 3 через резистор 17. Ток разряда конденсатора 16 направлен встречно току обмотки 3 (фиг.3, кривая 29), и ее магнитодвижущая сила уменьшается, 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 34, участок 1-2).

В момент времени t₂, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 34, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 16 спадает до нуля, тиристор 18 выключается, и в дальнейшем на оставшейся части цикла ускорения выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты r_o полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2, 3 и 4.

В момент времени t₃ включается тиристор 15 ввода энергии, и под действием напряжения коммутирующего конденсатора 12 тиристоры 6 обесточиваются и выключаются, а ток обмотки 2 замыкается по цепи тиристора 15 и конденсатора 12. При перезарядке конденсатора 12 (интервал времени t₃-t₆) за счет увеличения разницы магнитодвижущих сил обмотки 2 и обмоток 3, 4, которые образуют единую обмотку, магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода возрастает, происходит увеличение радиуса равновесной орбиты (фиг.3, кривая 33).

В момент времени t₄, когда радиус равновесной орбиты достигает значения радиуса расположения инжектора r_i, происходит сброс электронов на внешнюю мишень, а магнитное состояние магнитопровода 1 определяется разницей магнитодвижущих сил обмотки 2 и обмоток 3, 4 и характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 +B_с.к и конечным значением магнитной индукции в обратном магнитопроводе магнитопровода 1 +В_о.м.к (фиг.3, кривые 22, 32).

В итоге в течение процесса ускорения t_y магнитная индукция в центральном сердечнике магнитопровода 1 изменяется от начального значения -B_{с mах} до конечного значения +В_с.к, а магнитная индукция в обратном магнитопроводе магнитопровода 1 изменяется от начального значения -B_о.м.н до конечного значения +B_о.м.к. При этом магнитная индукция на расчетном радиусе равновесной орбиты r_o в течение процесса ускорения t_y изменяется приблизительно от 0 до конечного значения +B_о.р.к (фиг.3, кривые 22, 23, 32).

В момент времени t₅, когда напряжения на конденсаторе 12 и на емкостном накопителе 5 сравниваются, открываются диоды 7, 8. Напряжение обмотки 3 меняет знак на противоположный, и она оказывается закороченной по цепи диода 19 и включающегося в момент времени t₅ тиристора 9, и ток в ней в интервале времени t₅-t₆ убывает до нуля. Обесточивание обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода (фиг.4, кривая 34, точка 4). Ток в кольцевой обмотке 4 замыкается через тиристор 9 и убывает, а ток обмотки 2 перехватывается в цепь диодов 7 и 8, при этом через тиристор 9 протекает разница токов обмоток 2 и 4 (фиг.3, кривая 25).

В момент времени t₇, когда величины токов обмоток 2 и 4 сравниваются, тиристор 9 обесточивается и выключается, при этом обмотки 2, 4 оказываются включенными последовательно с емкостным накопителем 5.

В момент времени t₈, когда напряжение на обмотке 2 (фиг.3, кривая 31) сравнивается с напряжением на конденсаторе 16, открывается диод 20, и конденсатор 16 начинает заряжаться от обмотки 2 через диод 20, резистор 17 и переменный резистор 21 (фиг.3, кривая 26). Изменяя сопротивление резистора 21, можно регулировать напряжение конденсатора 16 к моменту времени t₁ и тем самым регулировать положение радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения. Данное обстоятельство позволяет оптимизировать захват электронов в ускорение.

В интервале времени t₅-t₁₀ емкостной накопитель 5 заряжается с той же полярностью (фиг.3, кривая 24), что и разряжался, а энергия, отдаваемая емкостным накопителем 5 за время t₅-t₁ в магнитное поле электромагнита БРМ, в течение времени t₁₀-t₅ обратно рекупирирует в емкостной накопитель 5.

К моменту времени t₉, когда ток обмоток 2, 4 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмоток 2, 4, центральный сердечник магнитопровода 1 выходит из насыщения и в интервале времени t₉-t₁₀ размагничивается вновь в исходное состояние -B_{с mах} (фиг.4, кривая 34, участок 4-3-1).

В момент времени t₁₀ диоды 7, 8, 20 выключаются, ток обмотки 4 спадает до нуля, конденсатор 16 заряжается до напряжения U₂ (фиг.3, кривая 26), а магнитное состояние магнитопровода 1 определяется током I_р, протекающим по обмотке 2, и цикл работы импульсной системы питания БРМ закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания БРМ за счет подключения обмотки 2 возбуждения параллельно к корректирующему конденсатору 16 через переменный резистор 21 и дополнительно введенные в данную систему питания диод 20 и резистор 17 для его заряда не требуется использование высоковольтного источника питания постоянного тока, что делает предлагаемую импульсную систему питания БРМ более простой и надежной и уменьшает ее массогабаритные параметры.

Литература

1. Kerst D.W., Adams J.D., Koch H.W., Robinson C.S. An 80-Mev model of a 300-Mev betatron. // Journ. The Reviev of Scientific instruments, volume 21, №5, p.462-480.

2. Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство №619071.

3. Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство №639393.

4. Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 2002.

5. Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение №2187914.

Формула изобретения

Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и зашунтированной тиристором, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмотками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения через диод и переменный резистор подключена к общей точке подключения тиристора цепи коррекции и одной обкладки корректирующего конденсатора, другая обкладка которого через резистор подключена к общей точке подключения обмотки возбуждения, компенсационной обмотки и кольцевой обмотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4