линейный индукционный ускоритель

Формула изобретения

Линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, выводы витков намагничивания с каждой стороны сердечников соединены между собой и электрически связаны с выводами последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора, имеющего не менее двух (N 2) звеньев сжатия, образуемых конденсаторами и дросселями насыщения, отличающийся тем, что параллельно последнему звену сжатия подключены один или более (m 1) дополнительные звенья сжатия, при этом величины потокосцеплений дросселей насыщения дополнительных звеньев сжатия отличаются друг от друга на величину диапазона, равную

где U_mN - напряжение на конденсаторе m-го дополнительного звена сжатия;

L_mN - индуктивность обмотки дросселя насыщения m-го дополнительного звена сжатия;

С_mN - емкость конденсатора m-го дополнительного звена сжатия.

Описание изобретения к патенту

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

Для получения сильноточных электронных или ионных пучков микросекундной длительности применяются ускорители прямого действия, содержащие генераторы импульсных напряжений. Генератор импульсных напряжений представляет собой набор конденсаторов, заряжаемых параллельно от источника высокого напряжения [Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение.// М.: Атомиздат, 1977, 153 с.]. Разряд конденсаторов на нагрузку осуществляется при последовательном включении с помощью набора газовых разрядников, устанавливаемых между конденсаторами. Недостатки, присущие подобному ускорителю, связаны с моноимпульсным режимом его работы из-за необходимости восстановления электрической прочности газового промежутка разрядника. 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. Указанные обстоятельства существенно ограничивают возможности эффективного применения ускорителей прямого действия в технологических целях.

Наиболее близким техническим решением является конструкция линейного индукционного ускорителя [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов Физика. Издание ТГУ, 1998, №4, Приложение, с.111-119]. Данное устройство содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. 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 магнитного коммутатора формирующей линии, представляющего собой дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитной стали и 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 заряженные частицы. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как

где N - число сердечников,

U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии),

L - длина индукционной системы.

Принципиальным отличием линейного индукционного ускорителя от описанной выше конструкции ускорителя прямого действия является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать 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, в противном случае размеры, а значит индуктивность такого коммутатора становятся недопустимо большими. Итак, линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к выводам 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 N звеньев сжатия (LC контуров с увеличивающейся собственной частотой). Каждое звено сжатия содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов звеньев сжатия С ₁, С₂,... С_N, обычно 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 меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. Поэтому процессы передачи энергии от одного звена сжатия к последующему звену происходят за меньший интервал времени, чем обеспечивается компрессия энергия для зарядки формирующей линии за малый промежуток времени (сотни наносекунд).

Подобные линейные индукционные ускорители могут работать с частотой следования импульсов в единицы килогерц. Основной их недостаток - короткая длительность импульса выходного напряжения (не более 200 нс). Это связано: 1) с применением формирующих линий, имеющих ограниченную длину, 2) с использованием магнитных коммутаторов, способных обеспечивать зарядку формирующих линий с электрической длиной 0,5-1 мкс, только при значительной массе ферромагнитного материала, а значит при больших размерах и большой индуктивности обмотки, что делает невозможным формирование прямоугольного импульса выходного напряжения, 3) с использованием ферромагнитной индукционной системы, способной трансформировать импульс напряжения ограниченное время до момента насыщения ферромагнитных сердечников. Допустимый интервал времени t от момента подачи прямоугольного импульса напряжения амплитудой U до момента насыщения сердечников определяется по следующей формуле:

где = ·S· B - величина потокосцепления индукционной системы,

- число витков намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы,

S - сечение стали ферромагнитных сердечников,

В - размах магнитной индукции в стали сердечников.

Для получения выходного импульса прямоугольной формы или близкой к ней изготавливают индукционные системы с одним витком намагничивания сердечников. Увеличение числа витков намагничивания до двух приводит к увеличению примерно в 4 раза индуктивности разрядного контура, образованного емкостью формирующей линии и индуктивностями магнитного коммутатора и витков намагничивания. При этом в 2 раза увеличивается длительность импульса выходного напряжения при пропорциональном уменьшении его амплитудных параметров (максимальная мощность в импульсе уменьшается в 2 раза). Выходной импульс напряжения индукционной системы приобретает колоколообразный вид. В случае использования линейного индукционного ускорителя для формирования пучков заряженных частиц следует ожидать большого энергетического разброса частиц. Увеличение потокосцепления индукционной системы ограничено размером выпускаемых ферромагнитных сердечников, а величина В ограничена свойствами ферромагнитного материала. Исходя из изложенного, линейные индукционные ускорители изготавливаются для формирования импульсов выходного напряжения наносекундной длительности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание линейного индукционного ускорителя с микросекундной длительностью импульса выходного напряжения. Техническим результатом является осуществление последовательного разряда с необходимой величиной временной задержки нескольких (двух или более) параллельно включенных звеньев сжатия магнитного импульсного генератора на витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы.

Для решения данной задачи предлагается линейный индукционный ускоритель, содержащий, как и прототип, индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. Выводы витков намагничивания с каждой стороны сердечников объединены между собой и подключены к выводам последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность не менее (N 2) звеньев сжатия с увеличивающейся собственной частотой, каждое из которых состоит из конденсатора с сосредоточенными параметрами и дросселя насыщения.

Отличием от известного технического решения является наличие одного или более (m 1) дополнительных звеньев сжатия, подключенных параллельно последнему звену сжатия магнитного импульсного генератора. При этом величины потокосцеплений дросселей насыщения каждого дополнительного звена сжатия отличаются друг от друга на величину диапазона, равную

где U_mN - напряжение на конденсаторах дополнительных звеньев сжатия,

L_mN - индуктивность обмоток дросселей насыщения дополнительных звеньев сжатия,

С_mN - емкость конденсаторов дополнительных звеньев сжатия.

Значение 0,5 соответствует включению i-го дополнительного звена сжатия примерно в максимуме импульса тока разряда предыдущего (i-1)-го дополнительного звена сжатия. В этом случае формируется выходной импульс с формой, близкой к прямоугольной. Значение 1 соответствует включению дополнительного звена сжатия в момент окончания импульса тока разряда предыдущего звена сжатия. При этом выходной импульс, формируемый индукционной системой, имеет максимальную длительность. Следует отметить, что индукционная система может быть выполнена с многовитковыми витками намагничивания сердечников (в этом случае пропорционально сокращаются вес, габариты и стоимость индукционной системы), что позволяет, тем не менее, формировать выходные импульсы напряжения и тока микросекундной длительности формой, близкой к прямоугольной.

Принципиальная схема устройства изображена на чертеже, где обозначено: 1 -индукционная система, состоящая из ферромагнитных сердечников (на чертеже показан один сердечник), 2 - выводы витков намагничивания сердечников индукционной системы, 3 - магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов С₁-C_N и дросселей насыщения L₁-L_N, 4 - первое дополнительное звено сжатия, состоящее из конденсатора C_1N и дросселя насыщения L_1N; 5 - m-е дополнительное звено сжатия, состоящее из конденсатора С_mN и дросселя насыщения L_mN .

Устройство содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания, имеющими выводы 2. К выводам витков намагничивания 2 подключены последнее звено сжатия магнитного импульсного генератора 3 и дополнительные звенья сжатия 4,5 количеством m (общее количество звеньев сжатия, включенных параллельно друг другу m+1). Последнее звено сжатия магнитного импульсного генератора 3 и дополнительные звенья сжатия 4,5 имеют одинаковую электрическую схему и принцип работы.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве отсутствует формирующая линия, роль которой выполняют конденсаторы звеньев сжатия (применение вместо формирующей линии элементов с сосредоточенными параметрами правомочно, поскольку выходной импульс каждого звена сжатия имеет субмикросекундную длительность),

Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на чертеже не указаны) производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L₁-L_N магнитного импульсного генератора 3, сердечников дросселей насыщения L_1N-L _mN дополнительных звеньев сжатия и сердечников индукционной системы 1. От внешнего источника питания (например, конденсаторная батарея разряжается через высоковольтный трансформатор при включении игнитронного или тиристорного коммутатора) осуществляется заряд конденсатора С₁ первого звена сжатия магнитного импульсного генератора 3.

При заряде С₁ на выводах дросселя насыщения L₁ появляется разность потенциалов UC ₁, вызывающая протекание тока намагничивания по обмотке и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L₁ . Величина потокосцепления дросселя насыщения L₁ составляет: ₁=W₁S₁ B, где W₁ - число витков, S₁ - сечение стали дросселя, B - размах индукции (например, B=2,5 Т для пермаллоя 50 НП). Величина потокосцепления выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда С₁. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от =10⁴-10⁵ до =1, и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд C₁ и заряд С ₂ через обмотку дросселя L₁ в интервале времени

где С₁ и С₂ - емкости соответствующих конденсаторов,

L₁ - индуктивность обмотки дросселя при насыщенном состоянии сердечника.

Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₂. При заряде конденсатора С₂ к обмотке дросселя насыщения L₂ начинает прикладываться разность потенциалов

где ,

U_C1 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора C₁.

Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0, ] составит

Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L₂ и переход его в состояние с 1. Поэтому , где ₂=W₂S₂ B - потокосцепление дросселя насыщения (W₂, S₂ - число витков и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₂, B - размах индукции в стали).

При насыщении дросселя L₂ начинается разряд конденсатора С₂ и заряд конденсатора С₃ через обмотку дросселя насыщения L₂. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L₃

где С₃ - емкость конденсатора,

L₂ - индуктивность обмотки дросселя при насыщенном состоянии сердечника,

(W₃, S₃ - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L₃),

Аналогично предыдущим рассуждениям

где W_N, S_N - число витков и сечение стали дросселя насыщения последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора 3.

Используя соотношения (4)-(8), рассчитывают параметры элементов магнитного импульсного генератора линейного индукционного ускорителя. Обычно выбирают C₁ =C₂=...=С_N и в этом случае

<U ₁>=<U₂>=...=<U_N-1>=1/2U _C1=1/2U_С2=1/2U_CN-1=1/2U_CN ,

где U_C1, U_C2,... U_CN - амплитуды зарядного напряжения конденсаторов магнитного импульсного генератора.

Для формирования ускорителем импульса большой (микросекундной) длительности с плоской вершиной предлагается параллельно последнему звену сжатия магнитного импульсного генератора 3 подключить несколько дополнительных звеньев сжатия 4,5, состоящих из конденсаторов С_1N-C_mN и дросселей насыщения L_1N-L_mN. Для обеспечения временной задержки разряда конденсаторов С_1N,..., С_mN относительно разряда конденсатора C_N на витки намагничивания индукционной системы необходимо увеличить величину потокосцепления дросселей насыщения L_1N,..., L_mN. Это возможно осуществить: 1) увеличением числа витков обмоток, 2) увеличением сечения стали ферромагнитных сердечников, 3) выбором материала сердечников с различной величиной размаха магнитной индукции в стали, 4) комбинацией указанных способов.

Импульс тока разряда конденсатора С_N последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора 3 через последовательно включенные индуктивность обмотки дросселя насыщения L_N и индуктивность витков намагничивания 2 сердечников индукционной системы имеет колоколообразный вид. Величина потокосцепления дросселя насыщения L_1N первого дополнительного звена сжатия выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда конденсатора последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора. Величина потокосцепления дросселя насыщения L_2N второго дополнительного звена сжатия выбирается таким образом, чтобы насыщение сердечника наступило в максимуме (или близко от максимума) импульса тока разряда конденсатора первого дополнительного звена сжатия. Включение следующих дополнительных звеньев сжатия производится по описанному принципу. Суперпозиция импульсов тока разряда конденсаторов звеньев сжатия позволяет формировать индукционной системе импульс напряжения, близкий к прямоугольной форме на нагрузке. Задавая различное время подключения дополнительных звеньев сжатия к индукционной системе выбором величины потокосцепления дросселей насыщения дополнительных звеньев сжатия, можно формировать импульсы на выходе индукционной системы различной длительности, амплитуды и формы. Для этого задается диапазон изменения потокосцепления дросселей насыщения дополнительных звеньев сжатия в следующем виде:

где U_mN - напряжение на конденсаторах дополнительных звеньев сжатия,

L_mN - индуктивность обмоток дросселей насыщения дополнительных звеньев сжатия,

С_mN - емкость конденсаторов дополнительных звеньев сжатия.

Предложенное устройство наиболее эффективно применять для формирования импульсов напряжения микросекундной длительности при использовании индукционных систем с многовитковыми витками намагничивания сердечников индукционной системы. С одной стороны это позволяет значительно (в число используемых витков раз) сократить весогабаритные характеристики и стоимость индукционной системы, а с другой стороны увеличение индуктивности разрядного контура: конденсаторы-дроссели насыщения-витки намагничивания индукционной системы не приводит к снижению качества выходною импульса.

Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя ГНУ "НИИЯФ при ТПУ". Рассмотрим работу устройства, состоящего из магнитного импульсного генератора, имеющего два звена сжатия со следующими конструктивными параметрами С ₁=С₂=0,3·10^-6Ф. Дроссели насыщения L₁, L₂ изготовлены из колец с внешним диаметром D_внешн=360 мм и внутренним диаметром D_внутр =180 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм. Конденсаторы C₁, C₂ с сосредоточенными параметрами типа К75-74 0,1 мкФ по 3 параллельно.

Индукционная система содержит 14 ферромагнитных сердечников с размерами: внешний и внутренний диаметры D_внешн=360 и D_внутр=150 мм, ширина h=25 мм, изготовленных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,01 мм. Каждый сердечник охвачен трехвитковой первичной обмоткой. Вторичная обмотка (на которой суммируется вихревая ЭДС) общая для всех сердечников и выполнена из трех витков. Одним концом вторичная обмотка подключена к корпусу линейного индукционного ускорителя, вторым концом к нагрузке. Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали диаметром 1000 мм. Конденсатор C ₁ заряжается до U_C1=50 кВ (<U> 25 кВ) от внешнего источника питания за интервал времени t₀=10 мкс. Величина потокосцепления дросселя насыщения L₁ должна составлять

Сечение стали сердечников дросселей насыщения L₁ должно быть не менее

где K=0,8 - коэффициент заполнения сталью объема сердечника,

N₁=6 - число колец, из которых производится сборка сердечника дросселя насыщения.

Для выполнения равенства в формуле (9), т.е. достижения полной передачи энергии из первичного накопителя в конденсатор первого звена сжатия магнитного импульсного генератора число витков в обмотке дросселя насыщения L₁ должно составлять ₁=9. Индуктивность обмотки дросселя L₁ в насыщенном состоянии сердечника равна

где а=180 мм - линейный размер обмотки, D _{внешн.обм.}=380 мм -, D_{внутр.обм.}=140 мм - внешний и внутренний диаметры обмотки дросселя насыщения.

Длительность времени разряда C₁ на С₂ составит в соответствии с (4): t₁=2,1 мкс. Величина потокосцепления дросселей насыщения L₂ для полной передачи энергии из C ₁ в С₂ должна составлять

Если для изготовления сердечника дросселя насыщения L₂ применить N₂=5 колец с внешним D _внешн диаметром 360 мм и внутренним D_внутр диаметром 150 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм, то необходимое сечение стали сердечника составит: . Для выполнения равенства в левой части формулы (12) число витков в обмотке дросселя насыщения L₂ должно быть не менее ₂=2.

Индуктивность обмотки дросселя L ₂ в насыщенном состоянии сердечников равна

где а₂=150 мм.

Конденсатор С₂ разряжается на набор из m=2 (для выбранного нами случая) конденсаторов C₃₁ и С₃₂ дополнительных звеньев сжатия и конденсатор С₃ последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора. Для согласованной передачи энергии величина емкости конденсаторов должна удовлетворять условию: С₂=3С₃=3С₁₃=3С₂₃. Данное условие не является необходимым. Задавая различную величину емкости конденсаторов, можно варьировать зарядное (разрядное) напряжение конденсаторов и длительность процесса их разряда. При этом появляется возможность формировать на выходе индукционной системы импульсы различной формы.

Длительность импульса разряда C₂ на параллельно включенные конденсаторы С₃, C₁₃, С₂₃ через обмотку дросселя насыщения L₂, находящегося в насыщенном состоянии, составит

Величина потокосцепления дросселя насыщения L₃ должна составлять

Если для изготовления дросселя насыщения L ₃ применить N₃=2 сердечника из колец с внешним диаметром D_внешн=360 мм и внутренним диаметром D _внутр=150 мм, шириной h=25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм, то сечение стали сердечника составит: . Число витков в обмотке дросселя насыщения L₃ должно быть ₃=1. Индуктивность обмотки дросселя L₃ в насыщенном состоянии сердечников равна

где а₃=60 мм.

Длительность импульса разряда С₃ на индукционную систему через индуктивность обмотки дросселя насыщения L₃ и индуктивность витков намагничивания L_и.c. (ориентировочно 0,15 мкГн) составит

Потокосцепление дросселя насыщения дополнительного звена сжатия L₁₃ должно превышать величину потокосцепления дросселя насыщения L₃ для задержки разряда конденсатора С₁₃. Если для изготовления дросселя насыщения L ₁₃ использовать 3 ферромагнитных кольца с размерами; внешний и внутренний диаметры 360 и 150 мм, ширина 25 мм и использовать одновитковую обмотку, это позволяет задержать разрядный импульс конденсатора C₁₃ на величину: t= t'₂- t₂=0,21 мкс, где величина t'₂ определяется из соотношения

Таким образом, первое дополнительное звено сжатия подключается к виткам намагничивания индукционной системы в максимуме импульса тока разряда конденсатора магнитного импульсного генератора.

Добавляя второе дополнительное звено сжатия, можно увеличить длительность выходного импульса индукционной системы еще на 0,21 мкс. Для этого дроссель насыщения второго дополнительного звена сжатия L₂₃ должен быть изготовлен из 4 ферромагнитных колец с размерами: внешний и внутренний диаметры 360 и 150 мм, ширина 25 мм с одновитковой обмоткой.

Выходное напряжение индукционной системы составляет 25 кВ, умноженное на число сердечников, что равно 350 кВ в согласованном режиме при длительности выходного импульса по основанию 1,1 мкс. Длительность плоской части вершины импульса порядка 0,6 мкс.

Количество дополнительных звеньев сжатия ограничено следующим. При окончании разряда конденсатора последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора 3 сердечник дросселя насыщения L_N (L₃) находится в насыщенном состоянии. При включении на индукционную систему дополнительных звеньев сжатия 4,5 по обмотке дросселя насыщения L_N (L₃) начинает протекать размагничивающий ток под действием разности потенциалов на выводах индукционной системы. Длительность этого процесса ограничена величиной потокосцепления дросселя насыщения. В рассмотренном примере конкретного выполнения линейного индукционного ускорителя длительность процесса обратного перемагничивания зависит от формы импульса напряжения на выводах индукционной системы и составляет ˜0,42 мкс. Поэтому в данном конкретном случае можно подключить не более двух дополнительных звеньев сжатия.

Таким образом, в предлагаемом линейном индукционном ускорителе, способном формировать выходные импульсы напряжения микросекундной длительности, реализуется Оригинальный подход, связанный с подачей на витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы разрядных импульсов от нескольких дополнительных звеньев сжатия, подключенных параллельно последнему звену сжатия магнитного импульсного генератора, включаемых с необходимой временной задержкой. Суперпозиция импульсов от звеньев сжатия позволяет формировать выходной импульс микросекундной длительности, близкий к прямоугольной форме.