импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода

Формула изобретения

Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая магнитопровод, обмотку возбуждения, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания постоянного тока, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, тиристор цепи коррекции, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что параллельно к компенсационной обмотке подключена цепь коррекции, состоящая из последовательно соединенных между собой корректирующего конденсатора, резистора и тиристора цепи коррекции, а высоковольтный источник питания постоянного тока подключен через ключ и дроссель параллельно к коммутирующему конденсатору, который через ключ подключен параллельно к резистору и тиристору цепи коррекции.

Описание изобретения к патенту

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) [Kerst D.W., Adams J.D., Koch H.W., Robinson C.S. An 80-Mev model of a 300-Mev betatron. // Journ. The Review of Scientific instruments, v. 21, №5, p.462-480; Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. св. №619071; Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. св. №639393]. У БРМ при определенных условиях за счет размагничивания магнитопровода постоянным или переменным током массогабаритные параметры электромагнита получаются меньше, чем у общепринятых классических бетатронов [Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссерт. на соиск. учен. степ. к.т.н., Томск, 2002 г.].

Наиболее близким техническим решением является импульсная система питания БРМ [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение №2187913], содержащая магнитопровод, обмотку возбуждения, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания постоянного тока, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, тиристор цепи коррекции, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор.

В такой системе питания емкостной накопитель работает в экономичном режиме - однополярном.

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 коммутирующего конденсатора в паузе между импульсами.

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

Кроме того, в данной системе питания необходимы стабилизация и возможность регулировки кинетической энергии ускоренных электронов.

Задачей изобретения является обеспечение стабилизации и регулировки кинетической энергии ускоренных электронов, 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, обмотку возбуждения, включенную последовательно и встречно с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный к обмоткам возбуждения и компенсационной по схеме инвертора тока, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания постоянного тока, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, тиристор цепи коррекции, высоковольтный источник питания постоянного тока, корректирующий конденсатор, согласно изобретению, параллельно к компенсационной обмотке подключена цепь коррекции, состоящая из последовательно соединенных между собой корректирующего конденсатора, резистора и тиристора цепи коррекции, а высоковольтный источник питания постоянного тока подключен через ключ и дроссель параллельно к коммутирующему конденсатору, который через ключ подключен параллельно к резистору и тиристору цепи коррекции.

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 обеспечится стабилизация и регулировка кинетической энергии ускоренных электронов за счет подключения ключа в цепь заряда коммутирующего конденсатора.

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 и магнитодвижущих сил в импульсной системе питания БРМ, где цифрами обозначено:

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

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

20 - изменение напряжения на емкостном накопителе 4;

21 - изменение напряжения на коммутирующем конденсаторе 12;

22 - изменение напряжения на обмотке 2 возбуждения;

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

24 - изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения;

25 - изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3;

26 - изменение напряжения на корректирующем конденсаторе 14;

27 - изменение тока корректирующего конденсатора 14.

На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса 28 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 тиристоры 5 подключен к включенным последовательно и встречно обмоткам 2 и 3. Обмотка 2 возбуждения через диоды 6 подключена к емкостному накопителю 4. Низковольтный источник питания 7 постоянного тока подключен параллельно к дросселю 8 и обмотке 2 возбуждения. Высоковольтный источник питания 9 постоянного тока через ключ 10 и дроссель 11 подключен параллельно к коммутирующему конденсатору 12, который через тиристор 13 ввода энергии подключен параллельно к включенным последовательно и встречно обмоткам 2 и 3. Параллельно к обмотке 3 подключена цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из последовательно соединенных между собой корректирующего конденсатора 14, резистора 15 и тиристора 16 цепи коррекции. Конденсатор 12 подключен параллельно к резистору 15 и тиристору 16 через ключ 17.

Рассмотрим работу импульсной системы питания БРМ на фиг.2. В исходном состоянии емкостной накопитель 4 заряжен до напряжения U₀ (фиг.3, кривая 20), корректирующий конденсатор 14 заряжен до напряжения U₁ (фиг.3, кривая 26), а коммутирующий конденсатор 12 заряжен до напряжения U₂ (фиг.3, кривая 21). От низковольтного источника питания 7 постоянного тока через дроссель 8 по обмотке 2 возбуждения протекает постоянный ток I_р (ток размагничивания), который задает магнитное состояние магнитопровода 1 электромагнита БРМ. К моменту времени t₁ магнитное состояние магнитопровода 1 определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг.3, кривая 24) и характеризуется начальным значением магнитной индукции -B_{c max} в центральном сердечнике магнитопровода 1 (фиг.4, кривая 28, точка 1) и начальным значением магнитной индукции -B_о.м.н в обратном магнитопроводе магнитопровода 1, при этом начальное значение магнитной индукции в области равновесной орбиты близко к нулю (фиг.3, кривые 18, 19, 23).

В момент времени t₁ с приходом управляющих импульсов на тиристоры 5 емкостной накопитель 4 начинает разряжаться на включенные последовательно и встречно обмотки 2 и 3. 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 14 начинает разряжаться на компенсационную обмотку 3 через резистор 15 (фиг.3, кривая 26). Ток разряда конденсатора 14 (фиг.3, кривая 27) направлен встречно току обмотки 3 и ее магнитодвижущая сила уменьшается (фиг.3, кривая 25), 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 28, участок 1-2). Радиус равновесной орбиты в этом интервале времени изменяется от начального значения, определяемого значением напряжения U₁, до расчетного.

В момент времени t₂, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита БРМ по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 28, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 14 спадает до нуля (фиг.3, кривая 27), тиристор 16 выключается и в дальнейшем (до момента времени t₃) выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.

В момент времени t₃ включается тиристор 13, и под действием напряжения коммутирующего конденсатора 12 тиристоры 5 обесточиваются и выключаются, а ток обмоток 2 и 3 замыкается в цепи тиристора 13 и конденсатора 12. При перезарядке конденсатора 12 (интервал времени t₃-t₆) за счет увеличения разницы магнитодвижущих сил обмоток 2, 3 (фиг.3, кривые 24, 25) магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода 1 возрастает, происходит увеличение радиуса равновесной орбиты и к моменту времени t₄, когда он достигает значения радиуса установки инжектора, происходит сброс электронов на внешнюю мишень.

К моменту времени t₄ (конец цикла ускорения t_у) магнитное состояние магнитопровода 1 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 18, 23).

Магнитная индукция в области равновесной орбиты в течение процесса ускорения t_y на расчетном радиусе изменяется приблизительно от 0 до конечного значения +B_о.р.к (фиг.3, кривая 19).

В момент времени t₅, когда напряжения на конденсаторе 12 и на емкостном накопителе 4 сравниваются, открываются диоды 6. Ток обмотки 2 возбуждения переходит в цепь диодов 6. В течение интервала времени t₅-t₆ ток обмотки 3 спадает до нуля. Обесточивание обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода 1 (фиг.4, кривая 28, точка 4).

В интервале времени t₅-t₈ емкостной накопитель 4 заряжается с той же полярностью, что и разряжался (фиг.3, кривая 20), а энергия, отдаваемая емкостным накопителем 4 за время t₅-t₁ в магнитное поле электромагнита БРМ, в течение интервала времени t₈-t₅ обратно рекуперирует в емкостной накопитель 4.

К моменту времени t₇, когда ток обмотки 2 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмотки 2, центральный сердечник магнитопровода 1 выходит из насыщения и в интервале времени t₇-t₈ размагничивается вновь в исходное состояние -В_{с mах} (фиг.4, кривая 28, точка 1).

В момент времени t₈ диоды 6 выключаются, включается ключ 10 и конденсатор 12 начинает заряжаться от высоковольтного источника питания 9 постоянного тока через дроссель 11 (фиг.3, кривая 21), а магнитное состояние центрального сердечника магнитопровода 1 определяется током I_р, протекающим по обмотке 2

В момент времени t₉, когда напряжение на конденсаторе 12 достигает значения напряжения на конденсаторе 14, включается ключ 17 и конденсатор 14 начинает подзаряжаться (фиг.3, кривая 26) от источника питания 9 через дроссель 11 и обмотку 3.

В момент времени t₁₀, когда конденсатор 14 заряжается до требуемого напряжения U₁ (фиг.3, кривая 26) ключ 17 выключается.

В момент времени t₁₁, когда конденсатор 12 заряжается до требуемого напряжения U₂ (фиг.3, кривая 21), ключ 10 выключается, и цикл работы импульсной системы питания БРМ закончился. Регулируя временем выключения ключа 10, можно в широких пределах регулировать величину энергии вводимой в колебательный контур БРМ и тем самым регулировать кинетической энергией ускоренных электронов. При этом также осуществляется стабилизация кинетической энергией ускоренных электронов.

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 обеспечивается стабилизация и регулировка кинетической энергии ускоренных электронов за счет подключения ключа 10 в цепь заряда коммутирующего конденсатора 12.