CS268378B1

CS268378B1 - Wiring for pulse power of the betatron solenoid

Info

Publication number: CS268378B1
Application number: CS882443A
Authority: CS
Inventors: Lubomir Ing Pikulik
Original assignee: Pikulik Lubomir
Priority date: 1988-04-09
Filing date: 1988-04-09
Publication date: 1990-03-14
Also published as: CS244388A1

Abstract

Řešení se zabývá úpravou napájení elektromagnetu betatronu, které je možno aplikovat u stávajících zařízeních. Výhody tohoto řešení spočívají především v tom, že umožňuje zvýšit střední hodnotu zářivého výkonu urychlovače a snížit tepelné ztráty v elektromagnetu betatronu. Mezi proudovými pulsy elektromagnetu lze vytvářet časové prodlevy pro potlačení parazitních kmitů narušujících funkci urychlovače, přičemž funkce urychlovače je nezávislá na frekvenci napájení sítě. Kondenzátor se dobíjí ze zdroje nízkého napětí. Zapojení je tvořeno dvojcestným řízeným usměrňovačem s prvním a druhým spínacím prvkem s vypínacím obvodem a třetím a čtvrtým spínacím prvkem. Na vstupu usměrňovače je zapojen kondenzátor, na výstupu elektromagnet betatronu. Ve větvi třetího spínacího prvku a/nebo čtvrtého spínacího prvku je zapojen stejnosměrný napětový zdrojThe solution deals with the modification of the betatron electromagnet power supply, which can be applied to existing devices. The advantages of this solution lie primarily in the fact that it allows to increase the average value of the accelerator's radiant power and reduce heat losses in the betatron electromagnet. Time delays can be created between the electromagnet's current pulses to suppress parasitic oscillations that disrupt the accelerator's function, while the accelerator's function is independent of the network supply frequency. The capacitor is recharged from a low-voltage source. The circuit consists of a two-way controlled rectifier with the first and second switching elements with a tripping circuit and the third and fourth switching elements. A capacitor is connected to the rectifier input, and a betatron electromagnet is connected to the output. A direct-current voltage source is connected to the branch of the third switching element and/or the fourth switching element

Description

Vynález se týká zapojení pro pulsní napájení elektromagnetu betatronu, využívaného pro lékařské a průmyslové účely. ·The invention relates to a circuit for the pulse supply of a betatron electromagnet used for medical and industrial purposes. ·

U stávajících betatronů bývá elektromagnet napájen ze sítě přes zvyšovací transformátor, přičemž jalová induktivní složka proudu je kompenzována kondenzátorem, se kterým elektromagnet vytváří paralelní resonanční obvod na frekvenci napájecí sítě.In existing betatrons, the electromagnet is supplied from the mains via a step-up transformer, while the reactive inductive component of the current is compensated by a capacitor, with which the electromagnet forms a parallel resonant circuit at the frequency of the supply network.

Protože funkce betatronu vyžaduje jen jednu polaritu proudu, je při přímém napájení ze sítě funkční jen jedna půlperioda. Druhá je nevyužita a způsobuje jen ohřev elektromagnetu. Jedinou výhodou tohoto napájení je jeho značná jednoduchost, kterou však převáží takové nedostatky jako jsou zbytečně veliké tepelné ztráty a malý zářivý výkon urychlovače.Because the function of the betatron requires only one polarity of current, only one half-period is functional when supplied directly from the mains. The second is unused and only causes the electromagnet to heat up. The only advantage of this power supply is its considerable simplicity, which, however, is outweighed by such shortcomings as unnecessarily large heat losses and low radiant power of the accelerator.

V současné době, kdy se požaduje vyšší zářivý výkon a spolehlivá funkce betatronu při dlouhodobém provozu je výhodnější pulsní napájení elektromagnetu, při kterém protékají elektromagnetem jen půlperiody proudu jedné polarity. Tím se sníží tepelné ztráty v elektromagnetu a současně lze zvýšit opakovači frekvenci funkčního cyklu betatronu, což vede ke zvýšení střední hodnoty zářivého výkonu urychlovače. Dvoucestným usměrněním lze využít i druhou půlperiodu napájecího proudu a zdvojnásobit tak počet funkčních cyklů urychlovače, což se projeví dvojnásobným zvýšením zářivého výkonu urychlovače. U těchto zapojení lze však obtížně sladit požadavky na správnou funkci urychlovače s podmínkami napájení obvodu elektromagnetu. Aby se nemohly negativně uplatnit parazitní kmity obvodu nebo změny frekvence napájecí sítě, je žádoucí vytvořit mezi proudovými pulsy elektromagnetu časovou prodlevu. To však vede k neúnosnému přetěžování napájecích obvodů, které ještě umocňuje vysoká citlivost resonančního obvodu na změny frekvence napájení sítě.At present, when higher radiant power and reliable function of the betatron are required in long-term operation, it is more advantageous to pulse the solenoid, in which only half-periods of a current of one polarity flow through the solenoid. This reduces the heat loss in the electromagnet and at the same time increases the repetition frequency of the betatron's functional cycle, which leads to an increase in the mean value of the radiant power of the accelerator. Two-way rectification can also be used to use the second half-period of the supply current and thus double the number of functional cycles of the accelerator, which results in a twofold increase in the radiant power of the accelerator. However, with these connections, it is difficult to match the requirements for proper accelerator operation with the power conditions of the solenoid circuit. In order not to negatively apply parasitic oscillations of the circuit or changes in the frequency of the supply network, it is desirable to create a time delay between the current pulses of the solenoid. However, this leads to unbearable overloading of the supply circuits, which is exacerbated by the high sensitivity of the resonant circuit to changes in the frequency of the mains supply.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení pro pulsní napájení elektromagnetu betatronu podle vynálezu. Je tvořené dvojcéstným řízeným usměrňovačem, na jehož vstupu je zapojen kondenzátor a na výstupu elektromagnet betatronu. Usměrňovač je tvořen prvním a druhým spínacím obvodem a třetím a čtvrtým spínacím prvkem. Podstatu vynálezu tvoří sériové zapojení stejnosměrného napěťového zdroje ve větvi třetího a/nebo ve větvi čtvrtého spínacího prvku.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the connection for the pulse supply of the betatron electromagnet according to the invention. It consists of a two-way controlled rectifier, at the input of which a capacitor is connected and at the output of the betatron electromagnet. The rectifier consists of a first and a second switching circuit and a third and a fourth switching element. The invention relates to a series connection of a DC voltage source in the branch of the third and / or in the branch of the fourth switching element.

Výhody napájení podle vynálezu jsou dány tím, že funkce urychlovače není závislá na frekvenci sítě, mezi proudovými pulsy lze vytvářet časovou prodlevu potřebnou pro útlum parazitních kmitů v obvodu. Lze snížit efektivní hodnotu proudu v elektromagnetu při prakticky nezměněných parametrech urychlovače a lze řídit velikost vybuzení elektromagnetu. Snížení efektivní hodnoty proudu a vytvoření časových prodlev mezi proudovými pulsy vede k výraznému snížení tepelných ztrát v elektromagnetu, což příznivě ovlivňuje životnost a poruchovost betatronu, stejně jako náklady na chladicí systém. Umožňuje to i případné další zvýšení střední hodnoty zářivého výkonu cestou zvýšení opakovači frekvence funkčního cyklu urychlovače. Jinou výraznou výhodou je možnost aplikace napájení betatronu podle vynálezu na stávajících zařízeních.The advantages of the power supply according to the invention are given by the fact that the function of the accelerator does not depend on the mains frequency; It is possible to reduce the effective value of the current in the electromagnet with practically unchanged parameters of the accelerator and it is possible to control the magnitude of the excitation of the electromagnet. Reducing the effective value of the current and creating time delays between current pulses leads to a significant reduction in heat loss in the electromagnet, which favorably affects the life and failure of the betatron, as well as the cost of the cooling system. This also allows for a possible further increase in the mean value of the radiant power by increasing the repetition frequency of the accelerator's operating cycle. Another significant advantage is the possibility of applying the betatron power supply according to the invention to existing devices.

Za podmínky, že pracovní cyklus betatronu je obsažen v púlperiodě síťové frekvence, bude zářivý výkon dvojnásobný a tepelné ztráty v budicích cívkách elektromagnetu se sníží až o 30 % oproti stavu, kdy je betatron napájen přímo ze střídavé sítě.Provided that the betatron's duty cycle is included in the half-period of the mains frequency, the radiant power will be doubled and the heat loss in the solenoid excitation coils will be reduced by up to 30% compared to when the betatron is powered directly from the AC mains.

Oproti jiným známým zapojením je napájení podle vynálezu výhodné také tím, že napájecí obvod obsahuje minimální počet polovodičových prvků což je výhodné z hlediska jednoduchosti konstrukce i dlouhodobé funkční spolehlivosti. Jiná výhoda je dána napětím zdroje více nežli o řád nižším, vzhledem k plnému pracovnímu napětí na kondenzátoru, což je výhodné jak z konstrukčního hlediska, tak také tím, že případná nestabilita napětí zdroje způsobená nestabilitou napájecí sítě ovlivní proud výrazně méně - více než o řád - než v případě napájení elektromagnetu ze sítě. Pro řadu aplikací tak odpadá potřeba stabilizace napájení obvodu.In contrast to other known connections, the power supply according to the invention is also advantageous in that the power supply circuit contains a minimum number of semiconductor elements, which is advantageous in terms of simplicity of construction and long-term functional reliability. Another advantage is given by the source voltage more than an order of magnitude lower, due to the full operating voltage on the capacitor, which is advantageous both from a design point of view and by the fact that possible source voltage instability caused by supply network instability affects the current significantly less - than in the case of mains supply to the solenoid. For many applications, this eliminates the need to stabilize the circuit power supply.

CS 268 378 BlCS 268 378 Bl

Na připojeném výkresu je na obr. 1 znázorněno zapojení pro pulsní napájení elektromagnetu betatronu podle vynálezu a na obr. 2 jsou nakresleny průběhy proudu a napětí obvodu.In the accompanying drawing, FIG. 1 shows a circuit for the pulse supply of a betatron electromagnet according to the invention, and FIG. 2 shows the current and voltage waveforms of the circuit.

Zapojení sestává z dvojcestného řízeného usměrňovače, tvořeného prvním a druhým spínacím prvkem 2, 3 s vypínacím obvodem a třetím a čtvrtým spínacím prvkem £, £ na jehož vstupní svorky je připojen kondenzátor 7 a na výstupní svorky elektromagnet £ betatronu. Ve větvi čtvrtého spínacího prvku 5 je zapojen stejnosměrný napěťový zdroj £.The circuit consists of a two-way controlled rectifier, formed by first and second switching elements 2, 3 with a trip circuit and third and fourth switching elements 6, 6 to the input terminals of which a capacitor 7 is connected and to the output terminals of the betatron solenoid. A DC voltage source £ is connected in the branch of the fourth switching element 5.

Průběhy proudu i, elektromagnetu £ a napětí u_c na kondenzátoru 7 spolu s vyznačenými časovými okamžiky t_Q až t^ názorně představují funkci napájecího obvodu betatronu v jedné periodě pracovního cyklu.The waveforms of current i, electromagnet e and voltage u _c on capacitor 7, together with the indicated time moments t _Q to t 1, clearly represent the function of the betatron supply circuit in one period of the operating cycle.

První a druhý spínací prvek 2, 3 s vypínacím obvodem je možno realizovat tyristorem s vypínacím obvodem a třetí a čtvrtý spínací prvek £, 5 polovodičovou diodou nebo tyristorem.The first and second switching elements 2, 3 with a trip circuit can be realized by a thyristor with a trip circuit and the third and fourth switching elements 6, 5 by a semiconductor diode or a thyristor.

Funkce zapojení je následující: Kondenzátor £ se nabije z neznázorněného zdroje na pracovní napětí s požadovanou polaritou. V čase t^ přichází řídicí impuls na první a druhý spínací prvek £, 3 s vypínacím obvodem a tyto prvky spínají. Kondenzátor £ se začne vybíjet přes budicí cívky elektromagnetu 6 proudem i_T . V čase t,, kdy proud i_rdosáhne určené hodnoty, je na vypínací obvody prvého a druhého prvku 2, £ přiveden řídicí impuls a ty se uzavírají. Vybíjení kondenzátoru 7 je ukončeno. Proud i_T elektromagnetu £ se přenese na třetí a čtvrtý spínací prvek £, £, které se řídicím impulsem, pokud je použit tyristor, nebo napětím, jedná-li se o diodu, otevírají a energie elektromagnetu £ se vrací do kondenzátoru £ při stejné polaritě napětí. Ve větvi třetího nebo čtvrtého spínacího prvku £, 5 a nebo v obou větvích je zařazen stejnosměrný napěťový zdroj £. Kondenzátor 7 se tak v časovém intervalu tj až t₂ dobíjí jednak z elektromagnetu £ a jednak ze stejnosměrného napěťového zdroje £. Ten musí dodat do obvodu energii, potřebnou ke krytí ztrát, které vznikají v elektromagnetu £ a kondenzátoru 7 při jejich vzájemné výměně energie. Napětí stejnosměrného zdroje £ musí být takové, aby v okamžiku zániku proudu elektromagnetu £ to jest v čase t₂ bylo na kondenzátoru £ napětí stejné hodnoty jako v čase V čase t₃ se celý cyklus opakuje.The connection function is as follows: Capacitor £ is charged from a source (not shown) to an operating voltage with the required polarity. At time t 1, a control pulse arrives at the first and second switching elements 6, 3 with a trip circuit and these elements switch. The capacitor £ begins to discharge through the excitation coils of the electromagnet 6 with a current i _T. At time t 1, when the current i _r reaches the specified value, a control pulse is applied to the switching circuits of the first and second elements 2, 6 and they are closed. The discharge of the capacitor 7 is completed. The current i _{T of the} electromagnet £ is transferred to the third and fourth switching elements £, £, which open with a control pulse if a thyristor is used or a voltage if it is a diode and the energy of the solenoid £ returns to the capacitor £ at the same polarity Tension. A DC voltage source £ is arranged in the branch of the third or fourth switching element £, 5 and / or in both branches. The capacitor 7 is then in the time interval t ₂ i.e. to recharge both from £ electromagnet and secondly from a DC voltage source £. It must supply the circuit with the energy needed to cover the losses which occur in the electromagnet 6 and the capacitor 7 during their mutual exchange of energy. The voltage of the DC source £ must be such that at the moment of the current of the electromagnet £, i.e. at time t ₂ , the voltage on the capacitor £ is of the same value as at time t ₃ , the whole cycle is repeated.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Connection for pulse supply of betatron solenoid and capacitor connected at input and solenoid connected at output of two-way controlled rectifier, consisting of first and second switching element with switching circuit and third and fourth switching element, characterized in that in the branch of third switching element / 4 / a / or in the branch of the fourth switching element / 5 / a DC voltage source / 1 / is connected in series.