RU2031557C1

RU2031557C1 - Method of formation of pulse of accelerating electric field and device for its implementation

Info

Publication number: RU2031557C1
Authority: RU
Inventors: А.И. Сидоров
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: acceleration equipment. SUBSTANCE: method solvent problem of simplification of process of formation of pulse of accelerating electric field. Essence of invention is that power difference is formed, magnetic flux of ferromagnetic core is changed in time and accelerating electric field is excited simultaneously. Magnetic flux changing in time is intercepted and energy is transmitted into storage of electric energy. With magnetization of ferromagnetic core in original direction magnetic flux is changed in time for second time, core is magnetized in direction opposite to original one with simultaneous excitation of accelerating magnetic field. Device for implementation of method of includes power source 1, pulse generator 2, ferromagnetic core 5 with primary winding 4. Power source is linked to pulse generator 2 which output is coupled to primary winding 4 of ferromagnetic core. Device is supplemented with choke 3, power storage 7. Ferromagnetic core 5 has additional winding 6 apart from primary winding 4. Choke 3 is connected in series with primary winding 4 of core 5 and leads of additional winding 6 are tied up with leads of power storage 7. EFFECT: expanded application field. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании линейных индукционных ускорителей, мощных генераторов импульсов с крутым фронтом. The invention relates to accelerator technology and can be used to create linear induction accelerators, powerful pulse generators with a steep front.

Известен способ формирования импульса на нагрузке, заключающийся в импульсной передаче энергии из накопителя в формирователь, состоящий из двух частей, соединенных между собой через нагрузку, создании перепада мощности в одной из частей формирователя с помощью дополнительного магнитного коммутатора и формировании импульса на нагрузке с помощью обеих частей формирователя [1]. A known method of generating a pulse on a load, which consists in pulsed energy transfer from a storage device to a shaper, consisting of two parts interconnected via a load, creating a power drop in one of the shaper parts using an additional magnetic switch and generating a pulse on the load using both parts shaper [1].

Известен способ формирования импульса ускоряющего электрического поля, заключающийся в воздействии импульса перемагничивающего тока с крутым фронтом от импульсного генератора на ферромагнитный сердечник с обмоткой. При этом в сердечнике возникает изменяющийся во времени магнитный поток, который в соответствии с принципом электромагнитной индукции возбуждает в окружающем сердечник пространства вихревое электрическое поле. Это поле используется для ускорения заряженных частиц [2]. A known method of generating a pulse of an accelerating electric field, which consists in the action of a magnetizing current pulse with a steep front from a pulse generator on a ferromagnetic core with a winding. In this case, a time-varying magnetic flux arises in the core, which, in accordance with the principle of electromagnetic induction, excites a vortex electric field in the surrounding space core. This field is used to accelerate charged particles [2].

Известное устройство, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит источник электроэнергии, импульсный генератор, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, причем источник электроэнергии подключен к импульсному генератору, выход которого соединен с первичной обмоткой ферромагнитного сердечника [2]. The known device, selected as a prototype of the claimed device, contains an electric power source, a pulse generator, a ferromagnetic core with a primary winding, and the electric power source is connected to a pulse generator, the output of which is connected to the primary winding of the ferromagnetic core [2].

Недостатком известных способа и устройства заключается в сложности процесса формирования импульса ускоряющего электрического поля с крутым фронтом. Это объясняется тем, что в устройствах, реализующих известный способ, фронт импульса, прикладываемого к первичной обмотке ферромагнитного сердечника, дополнительно обостряют с помощью специальных коммутаторов-обострителей. Временная нестабильность импульса напряжения, прикладываемого к первичной обмотке ферромагнитного сердечника, возникающая в процессе обострения фронта, усложняет процесс синхронизации пучка заряженных частиц с импульсом индукционного ускоряющего поля и требует сложного процесса стабилизации его амплитуды. Кроме того, для сокращения габаритов ферромагнитного сердечника при заданных значениях длительности и амплитуды импульса напряжения, прикладываемого к первичной обмотке ферромагнитного сердечника, его дополнительно размагничивают специальным генератором. A disadvantage of the known method and device is the complexity of the process of generating a pulse of an accelerating electric field with a steep front. This is because in devices that implement the known method, the front of the pulse applied to the primary winding of the ferromagnetic core is further sharpened using special sharpening switches. Temporary instability of the voltage pulse applied to the primary winding of the ferromagnetic core, which occurs during the sharpening of the front, complicates the process of synchronizing a beam of charged particles with a pulse of an induction accelerating field and requires a complex process of stabilization of its amplitude. In addition, to reduce the dimensions of the ferromagnetic core at given values of the duration and amplitude of the voltage pulse applied to the primary winding of the ferromagnetic core, it is additionally demagnetized by a special generator.

Цель изобретения состоит в упрощении процесса формирования импульса ускоряющего электрического поля. The purpose of the invention is to simplify the process of generating a pulse of an accelerating electric field.

Цель достигается тем, что по способу формирования импульса ускоряющего электрического поля, включающему формирование перепада мощности, изменение во времени магнитного потока в ферромагнитном сердечнике при воздействии перепада мощности на его обмотку с одновременным возбуждением ускоряющего электрического поля, согласно изобретению перехватывают изменяющийся во времени магнитный поток и передают энергию в накопитель электрической энергии, намагничивая ферромагнитный сердечник в первоначальном направлении, вторично изменяют во времени магнитный поток в ферромагнитном сердечнике, намагничивая его в направлении, обратном первоначальному, с одновременным возбуждением ускоряющего электрического поля. The goal is achieved by the fact that according to the method of generating a pulse of an accelerating electric field, including the formation of a power drop, the time variation of the magnetic flux in the ferromagnetic core when the power drop acts on its winding with the simultaneous excitation of the accelerating electric field, according to the invention, the time-varying magnetic flux is captured and transmitted energy in the electric energy storage device, magnetizing the ferromagnetic core in the initial direction, is secondarily changed into time magnetic flux in a ferromagnetic core, magnetizing it in the opposite direction to the original, with the simultaneous excitation of an accelerating electric field.

Цель достигается также тем, что в устройство для формирования импульса ускоряющего электрического поля, содержащее источник электроэнергии, импульсный генератор, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, причем источник электроэнергии подключен к импульсному генератору, выход которого соединен с первичной обмоткой ферромагнитного сердечника, согласно изобретению введены дроссель, накопитель электрической энергии, а ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой содержит дополнительную обмотку, причем дроссель соединен последовательно с первичной обмоткой ферромагнитного сердечника, а выводы введенной дополнительной обмотки соединены с выводами накопителя электрической энергии. The goal is also achieved by the fact that in the device for generating a pulse of an accelerating electric field containing a source of electricity, a pulse generator, a ferromagnetic core with a primary winding, the source of electricity connected to a pulse generator, the output of which is connected to the primary winding of the ferromagnetic core, according to the invention, a choke is introduced, electric energy storage, and the ferromagnetic core with the primary winding contains an additional winding, and the inductor is connected after ovatelno with the primary winding of the ferromagnetic core, and the introduced additional winding terminals are connected to terminals of electric power storage unit.

Введение новых элементов обеспечивает намагничивание ферромагнитного сердечника в начальном направлении и формирование импульса ускоряющего электрического поля с крутым фронтом в процессе его перемагничивания в направлении, обратном первоначальному, и тем самым достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод о том, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. The introduction of new elements ensures the magnetization of the ferromagnetic core in the initial direction and the formation of a pulse of an accelerating electric field with a steep front during its magnetization reversal in the direction opposite to the original, and thereby achieve the goal. This allows us to conclude that the inventions are interconnected by a single inventive concept.

По сравнению с известными способом и устройствами аналогичного назначения предложенные способ и устройство отличаются тем, что при передаче энергии в дополнительный накопитель электрической энергии за счет дополнительной обмотки с одновременным намагничиванием ферромагнитного сердечника в начальном направлении отпадает необходимость в дополнительном размагничивании сердечника, в использовании системы размагничивания для увеличения размаха индукции в нем. За счет формирования импульса ускоряющего электрического поля с крутым фронтом при обратном перемагничивании сердечника дополнительный накопитель электрической энергии (формирователь) подключен к дополнительной обмотке (в данных способе и устройстве с нее помощью возбуждают ускоряющее электрическое поле) без коммутатора-обострителя, который представляет собой достаточно сложное устройство, особенно в наносекундном диапазоне длительностей. Compared with the known method and devices for similar purposes, the proposed method and device are characterized in that when transferring energy to an additional electric energy storage device due to the additional winding while magnetizing the ferromagnetic core in the initial direction, there is no need for additional demagnetization of the core, use of a demagnetization system to increase the magnitude of induction in it. Due to the formation of a pulse of an accelerating electric field with a steep front during reverse magnetization reversal of the core, an additional electric energy storage device (generator) is connected to an additional winding (in this method and device, an accelerating electric field is excited with it) without a sharpening switch, which is a rather complicated device , especially in the nanosecond range of durations.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". В известных технических решениях длительность фронта импульса ускоряющего электрического поля определяется характеристиками коммутатора-обострителя и паразитными параметрами ферромагнитного сердечника с обмоткой. В предлагаемом решении длительность фронта определяется в основном паразитными параметрами сердечника с обмотками. Это обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". Comparison of the claimed technical solutions with the prototype made it possible to establish compliance with their criterion of "novelty." In known technical solutions, the duration of the pulse front of an accelerating electric field is determined by the characteristics of the sharpening switch and the parasitic parameters of the ferromagnetic core with a winding. In the proposed solution, the duration of the front is determined mainly by the parasitic parameters of the core with windings. This ensures that the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 показана схема устройства для осуществления предлагаемого способа, где 1 - источник электроэнергии, 2 - импульсный генератор, 3 - дроссель, 4 - первичная обмотка, 5 - ферромагнитный сердечник, 6 - дополнительная обмотка, 7 - дополнительный накопитель электрической энергии (конденсатор или отрезок линии передачи). Figure 1 shows a diagram of a device for implementing the proposed method, where 1 is a power source, 2 is a pulse generator, 3 is a choke, 4 is a primary winding, 5 is a ferromagnetic core, 6 is an additional winding, 7 is an additional electric energy storage device (capacitor or transmission line segment).

Источник 1 электроэнергии подключен к входу импульсного генератора 2. Выход импульсного генератора через дроссель 3 соединен с первичной обмоткой 4 ферромагнитного сердечника 5. Выводы дополнительной обмотки 6 ферромагнитного сердечника соединены с выводами дополнительного накопителя 7 электрической энергии. В наносекундном диапазоне длительности импульса ускоряющего электрического поля функцию дросселя 3 может выполнять паразитная индуктивность контура цепи с первичной обмоткой. The electric power source 1 is connected to the input of the pulse generator 2. The output of the pulse generator through the inductor 3 is connected to the primary winding 4 of the ferromagnetic core 5. The terminals of the additional winding 6 of the ferromagnetic core are connected to the terminals of the additional drive 7 of electric energy. In the nanosecond range of the pulse duration of the accelerating electric field, the function of the inductor 3 can perform the stray inductance of the circuit with the primary winding.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

При передаче энергии от импульсного генератора 2 через ферромагнитный сердечник 5 с первичной 4 и дополнительной 6 обмотками в дополнительный накопитель 7 электрической энергии и последующей его перезарядке ферромагнитный сердечник 5 намагничивают в первоначальном направлении из состояния начальной намагниченности до насыщения и возвращают его в состояние остаточной намагниченности по окончании перезарядки. В момент окончания перезарядки напряжение дополнительного накопителя электрической энергии приложено к дополнительной обмотке 6, в ферромагнитном сердечнике 5 возникает изменяющийся во времени магнитный поток с одновременным возбуждением ускоряющего электрического поля в окружающем его пространстве, при этом ферромагнитный сердечник 5 намагничивается в направлении, обратном первоначальному, и возвращается в исходную точку на петле гистерезиса. Дроссель 3, включенный последовательно с первичной обмоткой 4, исключает передачу энергии в цепь с первичной обмоткой 4 в процессе формирования ускоряющего электрического поля. When transferring energy from a pulse generator 2 through a ferromagnetic core 5 with primary 4 and additional 6 windings to an additional drive 7 of electrical energy and then recharging it, the ferromagnetic core 5 is magnetized in the initial direction from the initial magnetization to saturation and returned to the state of residual magnetization at the end recharge. At the time of recharging, the voltage of the additional storage of electrical energy is applied to the additional winding 6, a time-varying magnetic flux appears in the ferromagnetic core 5 with the simultaneous excitation of the accelerating electric field in the surrounding space, while the ferromagnetic core 5 is magnetized in the opposite direction to the original, and returns to the starting point on the hysteresis loop. The inductor 3, connected in series with the primary winding 4, eliminates the transfer of energy to the circuit with the primary winding 4 in the process of forming an accelerating electric field.

На фиг.2 показан ход изменения магнитной индукции ферромагнитного сердечника и тока в дополнительной обмотке, соответствующий процессам, происходящим в схеме на фиг.1; на фиг.3 и 4 - импульс ускоряющего электрического поля, сформированный в устройстве по фиг.1. Figure 2 shows the course of the change in the magnetic induction of the ferromagnetic core and current in the additional winding, corresponding to the processes occurring in the circuit of figure 1; figure 3 and 4 is a pulse of an accelerating electric field generated in the device of figure 1.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Импульсный генератор 2 вырабатывает перепад мощности и возбуждает первичную обмотку 4 ферромагнитного сердечника 5. При этом дополнительный накопитель 7 электрической энергии заряжается через дополнительную обмотку 6 ферромагнитного сердечника, а ферромагнитный сердечник намагничивается и переходит из начального состояния (например, точка А на петле гистерезиса, фиг. 2) в состояние с остаточной индукцией (кривая А-Б-В) по окончании зарядки дополнительного накопителя электрической энергии. В момент окончания зарядки ток в дополнительной обмотке 6 (фиг.2) изменяет направление (с этого момента оно совпадает с направлением тока в первичной обмотке), начинается перезарядка дополнительного накопителя 7 электрической энергии, а ферромагнитный сердечник 5 насыщается (кривая В-Г) и обратно возвращается в состояние с остаточной индукцией (кривая Г-Д) по окончании перезарядки. В этот момент ток в дополнительной обмотке 6 снова изменяет направление, производная по току максимальна, напряжение дополнительного накопителя 7 электрической энергии приложено к дополнительной обмотке 6, ферромагнитный сердечник 5 начинает перемагничиваться в направлении, обратном первоначальному (кривая Д-Е-А), а в окружающем его пространстве возбуждается ускоряющее электрическое поле с временем нарастания, определяемым паразитными параметрами контура с дополнительной обмоткой 6. Дроссель 3, включенный последовательно с первичной обмоткой 4, исключает влияние первичной цепи на процесс формирования ускоряющего электрического поля, по окончании которого ферромагнитный сердечник 5 возвращается в исходную точку на петле гистерезиса (точка А). The pulse generator 2 generates a power drop and excites the primary winding 4 of the ferromagnetic core 5. In this case, the additional drive 7 of electric energy is charged through the additional winding 6 of the ferromagnetic core, and the ferromagnetic core is magnetized and goes from the initial state (for example, point A on the hysteresis loop, FIG. 2) in a state with residual induction (curve A-B-C) at the end of charging an additional electrical energy storage device. At the end of charging, the current in the additional winding 6 (Fig. 2) changes direction (from this moment it coincides with the direction of the current in the primary winding), recharging of the additional drive 7 of electric energy begins, and the ferromagnetic core 5 is saturated (curve V-D) and back to the state with residual induction (curve G-D) at the end of the recharge. At this moment, the current in the additional winding 6 again changes direction, the current derivative is maximum, the voltage of the additional electric energy storage 7 is applied to the additional winding 6, the ferromagnetic core 5 begins to magnetize in the opposite direction to the original (curve D-E-A), and in the space surrounding it is excited by an accelerating electric field with a rise time determined by the parasitic parameters of the circuit with an additional winding 6. Inductor 3 connected in series with the primary skeins 4, excludes the influence of the primary circuit on the formation accelerating electric field, after which the ferromagnetic core 5 is returned to the starting point on the hysteresis loop (point A).

Приведем выражения для вычисления величин элементов и параметров устройства. Длительность формируемого импульса ускоряющего электрического поля
τ_имп = ΔB˙S˙Wg/ U, где W_g - количество витков в дополнительной обмотке;
ΔВ - приращение магнитной индукции в ферромагнитном сердечнике за время формирования импульса ускоряющего электрического поля; S - поперечное сечение ферромагнитного сердечника, u - амплитуда напряжения, приложенного к дополнительной обмотке, при формировании импульса ускоряющего электричества.We give the expressions for calculating the values of the elements and parameters of the device. The duration of the generated pulse of the accelerating electric field
τ _imp = ΔB˙S˙Wg / U, where W _g is the number of turns in the additional winding;
ΔВ is the increment of magnetic induction in the ferromagnetic core during the formation of an accelerating electric field pulse; S is the cross section of the ferromagnetic core, u is the amplitude of the voltage applied to the additional winding during the formation of an accelerating electricity pulse.

Величина емкости дополнительного накопителя электрической энергии
C_д.н.э.э =

где
ρ_o =

где ρ_инд - динамическое сопротивление ферромагнитного сердечника с дополнительной обмоткой;
ρ_п=

- сопротивление пучка, где I_п - амплитуда тока ускоряющего пучка заряженных частиц.The value of the capacity of the additional storage of electrical energy
C _BC =

Where
ρ _o =

where ρ _ind is the dynamic resistance of the ferromagnetic core with an additional winding;
ρ _p =

- beam resistance, where I _p is the current amplitude of the accelerating beam of charged particles.

Величина выходной емкости импульсного генератора
C≥

C_д.н.э.э где W₁ - количество витков первичной обмотки.The value of the output capacitance of a pulse generator
C≥

C _BCE where W ₁ is the number of turns of the primary winding.

В качестве источника 1 электроэнергии использован высоковольтный источник напряжения ВС-50/50, импульсного генератора 2 - конденсатор типа Alfons емкостью 15 нФ, тиратрон ТГИI-2500/50, объединенный в последовательную цепь с дросселем 3 и обмоткой 4, дросселя 3 - паразитная индуктивность цепи с первичной обмоткой, обмоток 4, 6 - обмотки с количеством витков, равным одному в каждой, сердечника 5 - пермаллоевый сердечник размером 430х230х25 мм³, накопителя 7 энергии - конденсатор типа Alfons емкостью 12 нФ. Кроме того, на пермаллоевый сердечник намотана измерительная обмотка для регистрации импульса ускоряющего электрического поля, выводы которой подключены к делителю напряжения.A high-voltage source of voltage VS-50/50, a pulse generator 2 - an Alfons type capacitor with a capacity of 15 nF, a TGI-2500/50 thyratron combined in a serial circuit with inductor 3 and winding 4, inductor 3 — parasitic inductance of the circuit were used as source 1 of electric power with primary winding, windings 4, 6 - windings with the number of turns equal to one in each, core 5 - permalloy core 430x230x25 mm ³ in size, energy storage 7 - Alfons type capacitor with a capacity of 12 nF. In addition, a measuring winding is wound around the permalloy core to register an accelerating electric field pulse, the terminals of which are connected to a voltage divider.

На фиг. 3 и 4 приведены осциллограммы напряжения 4 тока, полученные с помощью измерительной обмотки, делителя напряжения и пояса Роговского в дополнительной обмотке. In FIG. Figures 3 and 4 show oscillograms of voltage 4 of the current obtained using a measuring winding, a voltage divider, and a Rogowski belt in an additional winding.

На фиг. 3 показаны развертка по вертикали 10 кВ/кл и развертка по горизонтали 100 нс/кл. Отрицательный импульс соответствует процессу передачи энергии в конденсатор 7, положительный импульс - импульс ускоряющего электрического поля, время между импульсами соответствует процессу перезарядки конденсатора 7. In FIG. Figure 3 shows a vertical scan of 10 kV / cell and a horizontal scan of 100 ns / cell. A negative pulse corresponds to the process of transferring energy to the capacitor 7, a positive pulse corresponds to a pulse of an accelerating electric field, the time between pulses corresponds to the process of recharging the capacitor 7.

На фиг. 4 показана развертка по горизонтали 50 нс/кл, отдельно импульс ускоряющего электрического поля. In FIG. 4 shows a horizontal scan of 50 ns / cell, separately an impulse of an accelerating electric field.

Данный способ позволяет исключить процесс обострения фронта импульса, осуществляемого в прототипе, так как формируемая длительность фронта импульса ускоряющего электрического поля не требует дальнейшего обострения, и тем самым упростить процесс формирования ускоряющего электрического поля. This method allows to exclude the process of exacerbation of the pulse front, carried out in the prototype, since the generated duration of the pulse front of the accelerating electric field does not require further exacerbation, and thereby simplify the process of forming the accelerating electric field.

Использование предлагаемых способа формирования ускоряющего электрического поля и устройства позволяет повысить временную стабильность формируемого импульса, что упрощает процесс синхронизации пучка заряженных частиц с импульсом. Одновременно отпадает необходимость в использовании коммутаторов-обострителей и системы размагничивания ферромагнитного сердечника, что снижает стоимость разработки устройств. Using the proposed method of forming an accelerating electric field and device can improve the temporary stability of the generated pulse, which simplifies the process of synchronizing a beam of charged particles with a pulse. At the same time, there is no need to use sharpening switches and a demagnetization system of a ferromagnetic core, which reduces the cost of developing devices.

Claims

METHOD FOR FORMING A PULSE OF ACCELERATING ELECTRIC FIELD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION.

1. The method of generating a pulse of an accelerating electric field, including the formation of a power drop, the time variation of the magnetic flux in the ferromagnetic core when a power drop acts on its winding with the simultaneous excitation of an accelerating electric field, characterized in that, in order to simplify the process of generating a pulse of an accelerating electric field intercept a time-varying magnetic flux and transfer energy to an electrical energy storage device, magnetizing a ferromagnetic heart nickel in the initial direction, the magnetic flux in the ferromagnetic core is secondarily changed in time, magnetizing it in the direction opposite to the original, with the simultaneous excitation of the accelerating electric field.

2. A device for generating a pulse of an accelerating electric field containing a source of electricity, a pulse generator, a ferromagnetic core with a primary winding, the source of electricity being connected to a pulse generator, the output of which is connected to the primary winding of the ferromagnetic core, characterized in that, in order to simplify the formation of the pulse accelerating electric field, an inductor, an electric energy storage device, and a ferromagnetic core with a primary winding are additionally introduced into it win additional winding, the inductor is connected in series with the primary winding of the ferromagnetic core, and terminals connected to the additional winding pin electrical energy storage device.