RU2077759C1

RU2077759C1 - High-voltage transformer accelerator

Info

Publication number: RU2077759C1
Authority: RU
Inventors: Геннадий Александрович Кривоносов; Виктор Николаевич Сокол
Original assignee: Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт"
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1997-04-20

Abstract

FIELD: high- voltage power supplies for accelerators. SUBSTANCE: device has accelerating tube, charged particles source, potential screen, voltage divider, and axial symmetric magnetic circuits which number n is greater than or equal to two. Magnetic circuits are located along common axial symmetry axis. In addition device has rectification unit which is connected to high-voltage windings and short-circuited windings which embrace adjacent magnetic circuits in pairs. Number of short-circuited windings is equal to n-1. Primary winding is located at first magnetic circuit, secondary winding is located at last magnetic circuit. EFFECT: decreased weight and size, increased efficiency. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к трансформаторным высоковольтным источникам питания, используемым в ускорительной технике и технологии. The invention relates to electrical engineering, namely, to transformer high-voltage power sources used in accelerator engineering and technology.

Высоковольтные трансформаторные ускоряющие установки находят широкое применение не только для научных исследований, но и для практических целей: в технологических электронно-лучевых и лазерных установках и для радиационно-химической обработки металлов. Возникает необходимость иметь подобные установки в транспортируемом исполнении. При решении этой задачи определяющим является достижение низких массогабаритных показателей. High-voltage transformer accelerating installations are widely used not only for scientific research, but also for practical purposes: in technological electron-beam and laser installations and for radiation-chemical processing of metals. There is a need to have such installations in a transportable design. In solving this problem, the decisive factor is the achievement of low overall dimensions.

Известна высоковольтная трансформаторная установка [1] Установка содержит расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n ≥2, охваченные высоковольтными обмотками осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичными обмотками, а также выпрямительный блок, к которому подключены высоковольтные обмотки. При этом высоковольтные и вторичные обмотки расположены симметрично относительно оси магнитопроводов. Выпрямительный блок состоит из выпрямительных мостов, образующих колонны вдоль оси магнитопроводов. Known high-voltage transformer installation [1] The installation contains axially symmetric magnetic cores provided with primary and secondary windings located along a common axis of symmetry in an amount equal to n ≥ 2, covered by high-voltage windings, and also a rectifier unit to which high-voltage windings are connected. In this case, the high-voltage and secondary windings are located symmetrically with respect to the axis of the magnetic cores. The rectifier unit consists of rectifier bridges forming columns along the axis of the magnetic cores.

Недостатком такой установки является то, что она является дополнением к ускоряющему устройству, и в случае использования в последнем требуется применение дополнительно разделительного трансформатора для питания аппаратуры на высоком потенциале. Поэтому массогабаритные показатели всей установки, сочетающей как высоковольтную трансформаторную часть, так и ускоряющую часть, велики. Известна высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка [2] выбранная в качестве прототипа, содержащая расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n≥2, охваченные высоковольтными обмотками, осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичной обмотками, ускоряющую трубку, источник заряженных частиц, потенциальный экран и делитель напряжения. При этом высоковольтные обмотки выполнены секционированными. The disadvantage of this installation is that it is an addition to the accelerating device, and if used in the latter, an additional isolation transformer is required to power the equipment at high potential. Therefore, the overall dimensions of the entire installation, combining both the high-voltage transformer part and the accelerating part, are large. Known high-voltage transformer acceleration unit [2] selected as a prototype, containing located along the common axis of symmetry in an amount equal to n≥2, covered by high-voltage windings, axisymmetric magnetic circuits equipped with primary and secondary windings, an accelerating tube, a source of charged particles, a potential screen and voltage divider. In this case, the high-voltage windings are made partitioned.

Наличие электрической изоляции между отдельными секциями высоковольтной обмотки и отдельными элементами магнитопровода оказывает значительное влияние на степень рассеяния магнитного потока в магнитопроводе. С увеличением напряжения на потенциальном экране возрастает необходимость в увеличении изоляции магнитопровода, что приводит к увеличению промежутка между отдельными частями магнитопровода и, как следствие к увеличению массогабаритных показателей. Кроме того, для функционирования установки, выбранной в качестве прототипа необходимо устанавливать автономный источник питания на высоком потенциале, либо подключать разделительный трансформатор, В том и другом случаях значительно увеличивается массогабаритные показатели установки. The presence of electrical insulation between the individual sections of the high-voltage winding and the individual elements of the magnetic circuit has a significant effect on the degree of scattering of the magnetic flux in the magnetic circuit. With increasing voltage on the potential screen, the need for increasing the insulation of the magnetic circuit increases, which leads to an increase in the gap between the individual parts of the magnetic circuit and, as a result, to an increase in overall dimensions. In addition, for the operation of the installation, selected as a prototype, it is necessary to install an autonomous power source at high potential, or to connect an isolation transformer. In both cases, the overall dimensions of the installation significantly increase.

Поставленный технический результат снижение массогабаритных показателей достигается в высоковольтной трансформаторной ускоряющей установке, содержащей расположенные вдоль общей оси симметрии в количестве, равном n≥2, охваченные высоковольтными обмотками осесимметричные магнитопроводы, снабженные первичной и вторичной обмотками, ускоряющую трубку, источник заряженных частиц, потенциальный экран и делитель напряжения, которая, в соответствии с изобретением, снабжена выпрямительным блоком, к которому подключены высоковольтные обмотки, и короткозамкнутыми обмотками, попарно охватывающими близлежащие магнитопроводы, причем количество короткозамкнутых обмоток равно (n-1), при этом первичная обмотка размещена на первом магнитопроводе, а на n-ном вторичная. The technical result achieved is the reduction of overall dimensions is achieved in a high-voltage transformer accelerating installation, containing along the common axis of symmetry in an amount equal to n≥2, axisymmetric magnetic circuits covered by high-voltage windings, equipped with primary and secondary windings, an accelerating tube, a source of charged particles, a potential screen and a divider voltage, which, in accordance with the invention, is equipped with a rectifier unit to which high-voltage transformers are connected tissue, and short-circuited windings, pairwise covering the nearby magnetic cores, the number of short-circuited windings being equal to (n-1), with the primary winding placed on the first magnetic circuit, and on the nth secondary.

Снабжение установки короткозамкнутыми обмотками, попарно охватывающим близлежащие магнитопроводы при количестве короткозамкнутых обмоток равном (n-1) позволяет создать между каждой парой близлежащих магнитопроводов кроме электрической связи еще и магнитную, что способствует снижению рассеяния магнитного потока и, как следствие, снижению массогабаритных показателей. Providing the installation with short-circuited windings, pairwise covering the nearby magnetic cores with the number of short-circuited windings equal to (n-1), it is possible to create a magnetic circuit between each pair of nearby magnetic cores, in addition to the electrical connection, which helps to reduce the magnetic flux scattering and, as a result, reduce the overall dimensions.

Размещение первичной обмотки на первом магнитопроводе, а вторичной обмотки на n-ом магнитопроводе способствует уменьшению общего количества изоляции, более компактному размещению элементов установки, а также, в силу симметричности рассеянного магнитного поля вдоль оси магнитопровода, значительному уменьшению его влияния на движение частиц, что в целом снижает массогабаритные показатели. Placing the primary winding on the first magnetic circuit, and the secondary winding on the nth magnetic circuit helps to reduce the total amount of insulation, more compact placement of the installation elements, and also, due to the symmetry of the scattered magnetic field along the axis of the magnetic circuit, a significant decrease in its effect on particle movement, which generally reduces weight and dimensions.

На фиг. 1 представлена заявляемая высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка. На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема установки. In FIG. 1 presents the inventive high-voltage transformer accelerating installation. Figure 2 shows a circuit diagram of the installation.

Высоковольтная трансформаторная ускоряющая установка содержит (см.фиг. 1), расположенные вдоль оси симметрии 1 в количестве равном n≥2, осесимметричные магнитопроводы 2, охваченные высоковольтными обмотками 3. Магнитопроводы 2 снабжены также первичной обмоткой 4, размещенной на первом магнитопроводе, и вторичной обмоткой 5, размещенной на n-ом магнитопроводе. The high-voltage transformer accelerating installation contains (see FIG. 1) located along the axis of symmetry 1 in an amount equal to n≥2, axisymmetric magnetic circuits 2, covered by high-voltage windings 3. Magnetic circuits 2 are also equipped with a primary winding 4, located on the first magnetic circuit, and a secondary winding 5 located on the nth magnetic circuit.

Соосно с осью симметрии размещена ускоряющая трубка 6 на входе которой размещен источник заряженных частиц 7. Со стороны входа ускоряющей трубки 6 магнитопроводы 2 охвачены потенциальным экраном 8. Вдоль ускоряющей трубки 6 размещен делитель напряжения 9, один выход которого соединен с потенциальным экраном 8, а другой заземлен. Установка снабжена также выпрямительным блоком 10, образованным соединенными последовательно вентильными мостами 11. Один из выходов выпрямительного блока 10 заземлен, а другой подключен к потенциальному экрану 8. Высоковольтные обмотки 3 своими выводами подключены к вентильным мостам 11. Установка снабжена короткозамкнутыми обмотками 12 попарно охватывающими близлежащие магнитопроводы 2. Магнитопроводы 2 механически укреплены стойками 13, выполненными из диэлектрика. Accelerating tube 6 is arranged coaxially with the axis of symmetry, at the input of which a source of charged particles is placed 7. On the input side of the accelerating tube 6, the magnetic circuits 2 are covered by a potential screen 8. Along the accelerating tube 6 is a voltage divider 9, one output of which is connected to a potential screen 8 and the other grounded. The installation is also equipped with a rectifier block 10 formed by series-connected valve bridges 11. One of the outputs of the rectifier block 10 is grounded and the other is connected to a potential shield 8. High-voltage windings 3 are connected to the valve bridges 11. The installation is equipped with short-circuited windings 12 pairwise covering nearby magnetic circuits 2. Magnetic cores 2 are mechanically strengthened by struts 13 made of a dielectric.

Входы первичной обмотки 4 подключены к источнику электрического тока 14 (фиг.2). Вторичная обмотка 5 подключена к источнику заряженных частиц 7, потенциальному экрану 8 и делителю напряжения 9. The inputs of the primary winding 4 are connected to a source of electric current 14 (figure 2). The secondary winding 5 is connected to a source of charged particles 7, a potential screen 8 and a voltage divider 9.

Устройство работает следующим образом (см.фиг.2). При подаче переменного напряжения от источника электрического тока 14 на первичную обмотку 4, в высоковольтной 3 и короткозамкнутой 12 обмотках, охватывающих первый магнитопровод 2, индуцируется переменная ЭДС. Сформированное переменное высокое напряжение выпрямляется вентильным мостом 11, фиксируя высокий потенциал на вышерасположенном вентильном мосте 11. Так как установившийся переменный ток в первой короткозамкнутой обмотке 12 охватывает последующий магнитопровод 2, то в нем протекают процессы аналогичное рассмотренным в предыдущем магнитопроводе 2, а роль первичной обмотки в данном случае выполняет первая короткозамкнутая обмотка 12. Индуцированный переменный ток во второй короткозамкнутой обмотке 12 создает переменный магнитный поток в третьем магнитопроводе 12, а он в свою очередь наводит ЭДС как в последующей короткозамкнутой обмотке 12, так и в высоковольтной обмотке 3, а вентильный мост 11 фиксирует очередной уровень высокого потенциала. Процесс передачи электрической энергии продолжается до n-го магнитопровода 2, в котором переменный магнитный поток индуцирует переменную ЭДС во вторичной обмотке 5. Напряжение постоянного электрического тока, зафиксированное выпрямительным блоком 10 подается на потенциальный экран 8, на входы ускоряющей трубки 6 и делителя напряжения 9. Делитель напряжения 9 осуществляет равномерное распределение электрического потенциала вдоль колонны магнитопроводов 2 и ускоряющей трубки 6, а также служит для стекания токов проводимости. Электрическая изоляция между магнитопроводами 2 осуществляется межобмоточной изоляцией короткозамкнутых обмоток 12 и изоляцией стоек 13 (фиг.1), выполняющих также роль несущей конструкции. Такая конструкция изоляции элементов, находящихся на высоком потенциале, дает возможность исключить в значительной степени массу изолирующих материалов всей установки, а передаваемая электрическая мощность по короткозамкнутым обмоткам 12 достаточна для работы источника заряженных частиц 7 в заданном режиме. The device operates as follows (see figure 2). When applying an alternating voltage from an electric current source 14 to the primary winding 4, in the high voltage 3 and short-circuited 12 windings covering the first magnetic circuit 2, a variable EMF is induced. The generated alternating high voltage is rectified by the gate bridge 11, fixing the high potential on the upstream gate bridge 11. Since the steady-state alternating current in the first short-circuited winding 12 covers the subsequent magnetic circuit 2, processes similar to those considered in the previous magnetic circuit 2 proceed, and the role of the primary winding in In this case, the first short-circuited winding 12 performs. The induced alternating current in the second short-circuited winding 12 creates an alternating magnetic flux in retem magnetic core 12, and it in turn induces emf in the winding 12 followed by a short-circuited, and the high-voltage winding 3 and the valve bridge 11 captures the next high potential level. The process of electric energy transmission continues to the nth magnetic circuit 2, in which an alternating magnetic flux induces a variable EMF in the secondary winding 5. The DC voltage recorded by the rectifier unit 10 is supplied to the potential screen 8, to the inputs of the accelerating tube 6 and voltage divider 9. The voltage divider 9 provides a uniform distribution of electric potential along the column of magnetic cores 2 and the accelerating tube 6, and also serves to drain the conduction currents. The electrical isolation between the magnetic circuits 2 is carried out by winding insulation of the short-circuited windings 12 and the insulation of the racks 13 (figure 1), which also plays the role of a supporting structure. This design of insulation of elements at high potential makes it possible to exclude to a large extent the mass of insulating materials of the entire installation, and the transmitted electric power through the short-circuited windings 12 is sufficient for the operation of the source of charged particles 7 in a given mode.

Примером конкретного выполнения может служить высоковольтная ускоряющая установка на 50 кВ. В качестве магнитопроводов применялись тороиды из ферромагнитного материала размером 120х80х12. Колонна состояла из трех магнитопроводов. Вентильные мосты содержали диоды КЦ 106Г и были собраны по схеме удвоения напряжения. Для намотки высоковольтных обмоток применялся провод типа ИГТФ-0,07, а для первичной обмотки осуществлялось переменным током с частотой 18 кГц. An example of a specific implementation can serve as a high-voltage accelerating installation at 50 kV. As magnetic cores, toroids made of ferromagnetic material with a size of 120x80x12 were used. The column consisted of three magnetic cores. The bridge bridges contained the KTs 106G diodes and were assembled according to the voltage doubling circuit. For winding high-voltage windings, an IGTF-0.07 type wire was used, and for the primary winding it was carried out by alternating current with a frequency of 18 kHz.

В качестве источника заряженных частиц был выбран источник электронов прямого действия. Все устройство помещалось в трубу из изоляционного материала и объем заполнялся трансформаторным маслом. Изоляция испытывалась на напряжение 100 кВ, рабочее напряжение 50 кВ. Массогабаритные характеристики приведены в таблице. A source of direct-acting electrons was chosen as the source of charged particles. The entire device was placed in a pipe made of insulating material and the volume was filled with transformer oil. The insulation was tested at a voltage of 100 kV, an operating voltage of 50 kV. Mass and dimensional characteristics are given in the table.

Технико-экономическая эффективность устройства определяется снижением расхода конструкционных материалов. Почти в несколько раз снижается все высоковольтной части устройства за счет уменьшения их номенклатурного числа и количества, существенно снижается расход твердой изоляции в результате улучшения массогабаритных показателей при заданном уровне мощности выходного пучка заряженных частиц. Technical and economic efficiency of the device is determined by the reduction in the consumption of structural materials. All the high-voltage parts of the device are reduced by several times due to a decrease in their nomenclature number and quantity, the consumption of solid insulation is significantly reduced as a result of the improvement of mass and size indicators at a given power level of the output beam of charged particles.

Claims

1 High-voltage transformer accelerating installation, containing n <$ E >> => 2 located along the common axis of symmetry, axisymmetric magnetic circuits covered by high-voltage windings, equipped with primary and secondary windings, accelerating tube, source of charged particles, potential screen and voltage divider , characterized in that the installation is equipped with a rectifier unit, to which high-voltage windings are connected, and squirrel-cage windings, pairwise covering nearby magnetic cores, m is equal to the number of short-circuited windings n - 1, the primary winding is placed in the first magnetic circuit, and secondary n-m.