IT9041652A1 - Alimentatore compatto per alte tensioni in alto vuoto. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

di un brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

ALIMENTATORE COMPATTO PER ALTE TENSIONI IN ALTO VUOTO

Sistemi costituiti da armature in alto vuoto con alte tensioni applicate sono comunemente usati i n tutte quelle applicazioni in cui si debba separare e/o focalizzare fasci di particelle cariche. In genere per questi sistemi si richiedono basse correnti di lavoro, alta stabilità nel tempo e basso ripple.

L’alimentatore compatto in oggetto è stato realizzato per fornire le alte tensioni necessarie ai due dipoli elettrostatici (ED) dello spettrometro di massa dei Laboratori Nazionali di Legnaro utilizzato in linea con l’acceleratore di ioni di tipo Tandem XTU. Le tensioni continue massime richieste per ciascun dipolo sono di 225 kW( 450 kV su una gap di 150 mm) con stabilità a lungo termine (≥ 8h) e ripple ≤0.1%.

I raggiungimento di alte tensioni e di alti campi elettrostatici in sistemi in alto vuoto (10<-7 >- 10<-8 >mbar) è possibile solamente dopo aver "condizionato” adeguatamente tutte le parti sotto tensione .

Il condizionamento si realizza incrementando gradualmente l’alta tensione e lasciando, punto per punto, il tempo necessario al sistema per autopulirsi. Tale processo avviene attraverso un numero considerevole di piccole scariche che riescono ad eliminare i punti critici delle superfici esposte al campo elettrostatico. Questa fase è sempre molto critica perchè si possono verificare scariche di tipo distruttivo che danneggiano il sistema. Risulta quindi di fondamentale importanza l’utilizzo di alimentatori per alta tensione che abbiano la più bassa energia elettrostatica immagazzinata e che possano essere controllati anche in corrente in modo da poter limitare il suo valore massimo durante la fase di scarica. Inoltre, impostando il valore di corrente ottimale per il condizionamento, il sistema raggiungerà il valore di tensione voluto nel minor tempo possibile riducendo notevolmente i tempi di condizionamento.

I moltiplicatori di tensione pilotati da una unità a radiofrequenza (URF) consentono di ottenere alte tensioni con bassa capacità di uscita (cioè con bassa energia elettrostatica immagazzinata). Questa caratteri stica viene compromessa quando l’alta tensione è trasportata nel punto di utilizzo attraverso cavi per alta tensione e passanti multipli le cui capacità vanno a sommarsi a quella dell 'alimentatore .

Un alimentatore per alta tensione con lo stadio moltiplicatore di dimensioni molto ridotte che possa essere inserito direttamente all’interno dell’isolatore per alta tensione, senza cavi e senza passanti multipli, è la soluzione tecnicamente più valida.

Oggetto del presente brevetto è un nuovo alimentatore per alta tensione costituito da una unità a radiofrequenza (URF) e da un moltiplicatore di tensione compatto ( per esempio 36XMULT) ad essa connesso attraverso cavi per bassa tensione. Il moltiplicatore è inserito direttamente all’interno degli isolanti ceramici cilindrici ( diametro di 200 mm e profondità di 400 mm ) dei dipoli elettrostatici dello spettrometro di massa. La figura 1 mostra lo schema a blocchi di tutto l’alimentatore (URF+36XMULT ) le cui parti principali sono:

1- L’amplificatore di potenza in continua DCVPA;

2- Il convertitore da tensione continua ad alternata DC/AC;

3- l’oscillatore a radiofrequenza RFO ;

4- L’amplificatore di errore di tensione EVA;

5- L’amplificatore di errore di corrente EIA;

6- L’OR esclusivo analogico AXOR;

7- Il trasformatore RFT;

8- Il moltiplicatore 36XMULT.

Unità a radiofrequenza URF. La tensione continua VBB di 240 volt è connessa all’ingresso dell’amplificatore di potenza DCVPA la cui uscita VB è controllata dall’amplificatore di errore EVA. Il valore di VB può andare da 0 a 235 volt in accordo con il valore di tensione impostata e con la potenza di uscita richiesta all’alimentatore. Il convertitore di potenza DC/AC trasforma la tensione continua VB in alternata (± VB /2). Questa tensione è inviata al primario del trasformatore RFT la cui tensione secondaria pilota lo stadio moltiplicatore 36XMULT che produce l’alta tensione continua di uscita.

Il segnale di reazione di tensione VF , che viene inviato all’amplificatore di errore ÈVA, è prelevato attraverso il partitore compensato Rv ; quello di corrente è prelevato da R, ed è inviato al relativo amplificatore di errore EIA.

I valori di tensione e di corrente voluti sono impostati attraverso Vset e Iset rispettivamente. II circuito RFO produce la frequenza ed il dutycycle predeterminati per commutare gli elementi di potenza del convertitore DC/AC.

Attraverso la porta analogica AXOR l’alimentatore passa dalla reazione di tensione a quella di corrente (e viceversa) automaticamente una volta che le relative soglie impostate siano raggiunte. Moltiplicatore di tensione compatto. Il moltiplicatore realizzato è del tipo a "mezza semionda simmetrico" (Fig.2) nel quale la tensione di eccitazione è simmetrica rispetto a massa e l’alta tensione di uscita è prelevata nel centro di simmetria tra le due resistenze di ugual valore R che sono accoppiate alle due batterie di condensatori da un lato direttamente e dall’altro attraverso la capacità C*.

Questa configurazione presenta due grandi vantaggi rispetto ad un moltiplicatore convenzionale equivalente a "mezza semionda".:

1) La tensione di eccitazione Epk del moltiplicatore, rispetto alla massa, è ridotta di un fattore 2;

2) La simmetria del circuito è tale da eliminare il ripple presente anche in assenza di carico dovuto alla presenza delle capacità parassite che accoppiano la due batterie di condensatori C.

Il moltiplicatore è stato realizzato con 36 stadi moltiplicatori( 1 stadio = 1 diodo 1 condensatore ), una capacità serie di 2200 pF e una tensione di ecitazione Epk massima di 5.0 kV picco. Teoricamente quindi si può avere una tensione di uscita massima pari a 2X5X36=360 kV.

Tutti i componenti, opportunamente ancorati su di una struttura isolante, sono inseriti all’interno dell’isolatore ceramico in cui l’isolamento del moltiplicatore è ottenuto mediante gas (per esempio SF6) ad una pressione di 2 bar assoluti. Il trasformatore RTF è ancorato direttamente sulla flangia di tenuta, dal lato esterno, consentendo di connettere l’unità di pilotaggio URF con cavi di bassa tensione.

Le caratteristiche principali dell’alimentatore qui descritto, quando lavora nelle condizioni di carico trascurabile (IL«10 μΑ), sono le seguenti:

-Vuscita-max £ 300 kV (limite dei componenti);

-Efficienza = Vuscita / (2 Epk X 36) = 83%; -Vripple < 0.2 %o, picco a picco;

-Stabilità a lungo termine ( ≥ 8h ) = 0.1%o , dopo I ora dal1’accensione.

In tutti quei casi in cui la condizione di basso ripple non sia importante, l’alimentatore può erogare una potenza massima di 50 Watts.

La soluzione adottata per il moltiplicatore di tensione consente di realizzare il minor ingombro possibile e, sotto la condizione che la corrente di carico sia trascurabile (IL≈10 juA ), il ripple di uscita è confrontabile con un moltiplicatore equivalente a "doppia semionda" che richiede un numero molto più elevato di componenti ( un numero doppio di diodi radr izzatori, il 50% in più di condensatori e una tensione di eccitazione doppia ) limitando fortemente la possibilità di realizzare moltiplicatori di tensione di dimensioni ridotte. II moltiplicatore realizzato è quindi particolarmente efficiente, sia dal punto di vista economico che tecnico, in tutti quei casi in cui si richiedono alte tensioni applicate a sistemi di condensatori in alto vuoto.

In figura 3 è schematizzato, a titolo di esempio applicativo, l’apparato sperimentale utilizzato per misurare le caratteristiche dell’alimentatore. Come si può vedere tutti gli elementi del moltiplicatore (stack), opportunamente ancorati su una struttura isolante solidale con la flangia di tenuta, sono contenuti all’interno dell’isolatore ceramico.

Si indica con (P) il cavo di potenza, con IC gli isolatori ceramici e con (E) gli elettrodi, con (S) gli schermi.

Queste sono le modalità schematiche sufficienti alla persona esperta per realizzare quanto esposto, di conseguenza, in concreta applicazione, potranno esservi delle varianti senza pregiudizio alla sostanza del concetto innovativo.

Pertanto, con riferimento alla descrizione che precede e· ai disegni allegati, si esprimono le seguenti

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI 1) Moltiplicatore di tensione caratterizzato dal fatto di essere a mezza semionda simmetrico nel quale la tensione di eccitazione è simmetrica rispetto a massa e l’alta tensione è prelevata nel centro di simmetria tra due resistenze di ugual valore R al fine di annullare il ripple che sarebbe presente anche quando l’alimentatore lavora a vuoto (fig.2).
2. 2) Unità a radiofrequenza URF caratterizzata dal fatto di poter lavorare sia in reazione di tensione che in reazione di corrente e di passare da un modo all’altro automaticamente in funzione delle condizioni di lavoro e dei valori impostati di Vset e la Iset.