импульсная система питания малогабаритного бетатрона с размагничиванием магнитопровода

Формула изобретения

Импульсная система питания малогабаритного бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, коммутирующий дроссель, конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что конденсатор через дроссель цепи коррекции и тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, а корректирующий конденсатор подключен параллельно к диоду и компенсационной обмотке через резистор и тиристор цепи коррекции, причем одна обкладка корректирующего конденсатора, имеющая общую точку подключения с тиристором цепи коррекции, через переменный резистор подключена к общей точке подключения дросселя цепи коррекции и преобразователя постоянного напряжения в постоянное, который подключен параллельно к обмотке возбуждения через коммутирующий дроссель и конденсатор.

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.

Известна импульсная система питания малогабаритного 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, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, коммутирующий дроссель, конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор, низковольтный источник питания, высоковольтный источник питания постоянного тока, источник питания.

В данной импульсной системе питания используется три источника питания постоянного тока: первый - для заряда корректирующего конденсатора, второй - для обеспечения размагничивания магнитопровода, третий - для заряда конденсатора, обеспечивающего ввод энергии в колебательный контур. При этом также используются два дросселя, имеющих большие массогабаритные параметры: первый - в цепи размагничивания магнитопровода, второй - в цепи заряда конденсатора, обеспечивающего ввод энергии в колебательный контур. Использование трех источников питания постоянного тока, требующих стабилизацию своих выходных напряжений, и двух дросселей сильно увеличивает массогабаритные параметры, усложняет конструкцию импульсной системы питания малогабаритного БРМ и делает ее непригодной для создания компактных малогабаритных бетатронов, питающихся от аккумуляторной батареи (кинетическая энергия ускоренных электронов до 2.5 МэВ, вес электромагнита до 25 кг, вес схемы питания до 20 кг).

Кроме того необходима коррекция радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения, вызванная нелинейностью петли гистерезиса на конечном этапе перемагничивания ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода электромагнита малогабаритного БРМ. Без применения данной цепи коррекции, как показывает практика [Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2002], в конце цикла ускорения из-за уменьшения радиуса равновесной орбиты происходят частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры. Данное обстоятельство, соответственно, приводит к уменьшению интенсивности излучения.

Задачей изобретения является обеспечение коррекции радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения, уменьшение массогабаритных параметров и повышение надежности импульсной системы питания малогабаритного бетатрона с размагничиванием магнитопровода.

Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания малогабаритного бетатрона с размагничиванием магнитопровода, также как в прототипе, содержащей электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода, емкостной накопитель, подключенный по схеме инвертора тока к обмоткам возбуждения и компенсационной, в цепи которой включен диод, коммутирующий дроссель, конденсатор, который через тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, которая с диодом дополнительно зашунтирована диодом, тиристор цепи коррекции, корректирующий конденсатор, согласно изобретению, конденсатор через дроссель цепи коррекции и тиристор подключен к диоду и компенсационной обмотке, а корректирующий конденсатор подключен параллельно к диоду и компенсационной обмотке через резистор и тиристор цепи коррекции, причем одна обкладка корректирующего конденсатора, имеющая общую точку подключения с тиристором цепи коррекции через переменный резистор подключена к общей точке подключения дросселя цепи коррекции и преобразователя постоянного напряжения в постоянное, который подключен параллельно к обмотке возбуждения через коммутирующий дроссель и конденсатор.

При таком исполнении импульсной системы питания малогабаритного БРМ вместо трех источников питания постоянного тока, требующих стабилизацию своих выходных напряжений, будет использоваться один преобразователь постоянного напряжения в постоянное со стабилизированным выходным напряжением, а вместо двух дросселей будет использоваться один, что приведет соответственно к уменьшению массогабаритных параметров импульсной системы питания малогабаритного БРМ, повысит ее надежность и сделает ее пригодной для создания компактных малогабаритных бетатронов, питающихся от аккумуляторной батареи (кинетическая энергия ускоренных электронов до 2.5 МэВ, вес электромагнита до 25 кг, вес схемы питания до 20 кг). При этом обеспечится коррекция радиуса равновесной орбиты в конце цикла ускорения за счет подключения конденсатора через дроссель цепи коррекции и тиристор к компенсационной обмотке и диоду.

На фиг.1 приведена электромагнитная система малогабаритного БРМ, где пунктиром показано положение вакуумной ускорительной камеры в межполюсном пространстве. На фиг.2 приведена принципиальная схема импульсной системы питания малогабаритного 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 малогабаритного БРМ. На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита малогабаритного 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 малогабаритного 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. Преобразователь 8 постоянного напряжения в постоянное подключен параллельно к обмотке 2 через коммутирующий дроссель 9 и конденсатор 10. Конденсатор 10 через тиристор 11 подключен к диоду 7 и обмотке 3, причем обмотка 3 и диод 7 зашунтированы диодом 12. Дроссель 13 цепи коррекции и тиристор 14 подключены параллельно к тиристору 11. Преобразователь 8 через переменный резистор 15 подключен к одной обкладке корректирующего конденсатора 16. Корректирующий конденсатор 16 подключен параллельно к обмотке 3 и диоду 7 через тиристор 17 цепи коррекции и резистор 18.

На фиг.3, 4 цифрами обозначено:

19 - изменение напряжения на обмотке 2 возбуждения;

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

21 - изменение напряжения на корректирующем конденсаторе 16;

22 - изменение напряжения на конденсаторе 10;

23 - изменение магнитной индукции в области равновесной орбиты электромагнита малогабаритного БРМ;

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

25 - изменение напряжения на компенсационной обмотке 3;

26 - изменение напряжения на емкостном накопителе 4;

27 - изменение тока корректирующего конденсатора 16;

28 - изменение магнитодвижущей силы обмотки 2 возбуждения;

29 - изменение магнитодвижущей силы компенсационной обмотки 3;

30 - изменение радиуса равновесной орбиты.

31 - предельная петля гистерезиса ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита малогабаритного БРМ.

Рассмотрим принцип действия импульсной системы питания малогабаритного БРМ на фиг.2. В исходном состоянии емкостной накопитель 4 заряжен до напряжения U₁ (фиг.3, кривая 26). Конденсатор 10 заряжается от преобразователя 8 постоянного напряжения в постоянное, питающегося от аккумуляторной батареи, через коммутирующий дроссель 9 и обмотку 2 возбуждения постоянным током I_p, который задает магнитное состояние магнитопровода 1 электромагнита малогабаритного БРМ.

К моменту времени t₁ магнитное состояние магнитопровода 1 определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения (фиг.3, кривая 28) и характеризуется начальным значением магнитной индукции - В _с.н (фиг.4, кривая 31, точка 1) в центральном сердечнике магнитопровода 1 (центральный сердечник магнитопровода в данном случае размагничивается не до максимально допустимой отрицательной величины магнитной индукции ферромагнитного материала -В _{c max}, а до величины B_с.н=-В_{с mах} /2 - ~0 (фиг.3, кривая 24), чтобы значительно уменьшить массогабаритные параметры коммутирующего дросселя 9, т.к. при кинетических энергиях менее 2.5 МэВ выигрыш по массогабаритным параметрам электромагнита БРМ в сравнении с классическим бетатроном не велик, либо его вообще нет, выигрыш в данном случае БРМ в сравнении с классическим бетатроном будет по потребляемой мощности, т.к. в БРМ нет центрального воздушного зазора, и в упрощении схемы питания, т.к. не требуется использование специальных схем сброса и контрактора [Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2002] 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 20, 23, 24).

В момент времени t ₁ 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 26). 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 цепи коррекции 17 и корректирующий конденсатор 16, заряженный до требуемого напряжения U₀ (фиг.3, кривая 21) через переменный резистор 15, резистор 18, обмотку 2 и дроссель 9 от преобразователя 8, начинает разряжаться на обмотку 2 через резистор 18 и емкостной накопитель 4. Ток разряда конденсатора 16 (фиг.3, кривая 27) 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 31, участок 1-2). Радиус равновесной орбиты в этом интервале времени изменяется от начального значения r_он до расчетного r_ор (фиг.3, кривая 30). Изменяя сопротивление резистора 15 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 31, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 18 спадает до нуля (фиг.3, кривая 27), тиристор 17 выключается и в дальнейшем (до момента времени t₃ ) выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты r_ор (фиг.3, кривая 30) полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.

В момент времени t₃ включается тиристор 14 и конденсатор 10, заряженный через коммутирующий дроссель 9 и обмотку 2 до напряжения U₂, начинает разряжаться на обмотку 3 через дроссель 13 цепи коррекции, имеющего небольшие массогабаритные параметры. Ток разряда конденсатора 10 направлен встречно току обмотки 3 и ее магнитодвижущая сила уменьшается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода 1, компенсируется сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на конечном этапе перемагничивания ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 (фиг.4, кривая 31, участок 3-4). В течение интервала времени t₃-t₄ происходит частичный ввод энергии от конденсатора 10 в колебательный контур, при этом корректируется соотношение напряжений на обмотках 2, 3 (фиг.3, кривые 19, 25), а радиус равновесной орбиты остается постоянным или несколько увеличивается в зависимости от величины индуктивности дросселя 13. Данное обстоятельство исключает частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры в конце цикла ускорения, что, соответственно, приводит к увеличению интенсивности излучения малогабаритного БРМ.

На кривых 19, 25 и 30 (фиг.3) в интервале времени t₃ -t₄ пунктиром показаны изменения напряжений на обмотках 2, 3 и изменение радиуса равновесной орбиты при отключенной цепи коррекции. В данном случае радиус равновесной орбиты будет уменьшаться, и когда он достигнет значения r_кр произойдут частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры, что, соответственно, приведет к уменьшению интенсивности излучения малогабаритного БРМ.

В момент времени t₄ включается тиристор 11 и подключает конденсатор 10, к диоду 7, а тиристор 14, обесточивается и выключается. Ток разряда конденсатора 10 направлен встречно току компенсационной обмотки 3. Ток обмотки 3 начинает уменьшаться, а ток обмотки возбуждения 2 переходит в цепь конденсатора 10 и тиристора 11.

В течение интервала времени t₄-t₆ происходит ввод энергии от конденсатора 10 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 t₄-t₆) за счет увеличения разницы магнитодвижущих сил обмоток 2, 3 (фиг.3, кривые 28, 29) магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода возрастает, происходит увеличение радиуса равновесной орбиты (фиг.3, кривая 30). В момент времени t ₅, 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 31, точка 5). При полном разряде конденсатора 10 (момент времени t₆) включается диод 12, тиристор 11 выключается и конденсатор 10 вновь заряжается током I_р.

К моменту времени t₅ магнитное состояние магнитопровода характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода + В_с.к и конечным значением магнитной индукции в обратном магнитопроводе + В_о.м.к (фиг.3, кривые 20, 24). Магнитная индукция в области равновесной орбиты в течение процесса ускорения t_у на радиусе равновесной орбиты r_ор изменяется приблизительно от 0 до конечного значения + B_о.р.к (фиг.3, кривая 23).

К моменту времени t₇, 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 t₇-t₈ размагничивается вновь в исходное состояние -B_с.н (фиг.4, кривая 31, участок 5-6-7-1).

В момент времени t₈ 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 малогабаритного БРМ закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания малогабаритного БРМ вместо трех источников питания постоянного тока, требующих стабилизацию своих выходных напряжений, используется один преобразователь постоянного напряжения в постоянное со стабилизированным выходным напряжением, вместо двух дросселей используется один коммутирующий дроссель, который имеет меньшие массогабаритные параметры по сравнению с коммутирующим дросселем в [Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение №2187912], из-за меньшего тока размагничивания, что делает предлагаемую импульсную систему питания малогабаритного БРМ более простой и надежной, уменьшает ее массогабаритные параметры и делает ее пригодной для создания компактных малогабаритных бетатронов, питающихся от аккумуляторной батареи (кинетическая энергия ускоренных электронов до 2.5 МэВ, вес электромагнита до 25 кг, вес схемы питания до 20 кг). При этом подключение тиристора 17 цепи коррекции к общей точке подключения диодов 12 и 7 позволяет уменьшить на нем обратное напряжение на величину напряжения холостого хода компенсационной обмотки 3, что, соответственно, приводит к уменьшению массогабаритных параметров и 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], и, соответственно, к уменьшению массогабаритных параметров и стоимости импульсной системы питания малогабаритного БРМ.

Введенная в импульсную систему питания малогабаритного БРМ простая цепь коррекции радиуса равновесной орбиты, состоящая из дросселя 13 цепи коррекции и тиристора 14, имеющая небольшие массогабаритные параметры и стоимость, обеспечивает исправление магнитного поля в конце цикла ускорения. Данное обстоятельство устраняет частичные потери пучка ускоренных электронов на стенках вакуумной ускорительной камеры в конце цикла ускорения и, соответственно, повышает интенсивность излучения малогабаритного БРМ.