RU31088U1 - Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода - Google Patents

Abstract

Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и зашунтированной тиристором, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмотками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения через диод и переменный резистор подключена к общей точке подключения тиристора цепи коррекции и одной обкладки корректирующего конденсатора, другая обкладка которого через резистор подключена к общей точке подключения обмотки возбуждения, компенсационной обмотки и кольцевой обмотки.

Description

ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ БЕТАТРОНА С РАЗМАГНИЧИВАНИЕМ МАГНИТОНРОВОДА

Полезная модель относится к области ускорительной техники и предназначена для генерации электронных нучков с большой энергией для последующего использования энергии ускоренных электронов для целей дефектоскопии, лечения онкологических заболеваний и т.д.

Известны импульсные системы питания бета1Т)онов с размагничиванием магнитопровода (БРМ) 1-3. У БРМ при определенных условиях за счет размагничивания магнигопровода постоянным или переменным током массогабаритные параметры электромагнита получаются меньше, чем у общепринятых классических бетатронов 4.

Наиболее близким техническим рещением является импульсная система питания БРМ 5, содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внещнем радиусе полюсов магнитопровода и защунтированной тиристором, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор

ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный,

параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмо1ками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор.

В такой системе питания обеспечивается экономичный режим работы элементов схемы, емкостной накопитель работает в однополярном режиме, а ток в наиболее нагруженном узле - компенсационной обмотке действует практически только в течение цикла ускорения.

МКП7 Н05Н 7/04

Недостатком данной системы питания является использование высоковольтного источника питания постоянного тока для заряда корректирующего конденсатора. Данный источник питания увеличивает массогабаритные параметры и усложняет конструкцию импульсной системы питания БРМ.

Задачей полезной модели является уменьшение массогабаритных параметров, упрощение конструкции и повыщение надежности импульсной системы питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода.

Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащей магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и зашунтировашюй тиристором, коммутирующий конд енсатор,коммутирующий дроссель,

коммутирующими диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмотками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор, согласно полезной модели, обмотка возбуждения через диод и переменный резистор подключена к общей точке подключения тиристора цепи коррекции и одной обкладки корректирующего конденсатора, другая обкладка которого через резистор подключена к общей точке подключения обмотки возбуждения, компенсационной обмотки и кольцевой обмотки.

f&O

при таком исполнении импульсной системы питания БРМ за счет подключения обмотки возбуждения параллельно к корректирующему конденсатору через переменный резистор и дополнительно введенные в данную систему питания диод и резистор для его заряда не потребуется использование высоковольтного источника питания постоянного тока.

На фиг. 1 приведена электромагнитная система БРМ, где пунктиром показано положение вакуумной ускорительной камеры в межполюсном пространстве.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема импульсной системы питания БРМ.

На фиг.З приведены эпюры изменения напряжений, токов, радиуса равновесной орбиты в рабочем зазоре электромагнита и магнитных индукций в импульсной системе питания БРМ, где цифрами обозначено:

22- изменение магнитной ишщукции в обратном магнитопроводе магнитопровода,

23- изменение Мс гнитной индукции на расчетном радиусе равновесной орбиты Го,

24- изменение напряжения на емкостном накопителе 5,

25- изменение тока тиристора 9,

26- изменение напряжения на корректирующем конденсаторе 16,

27- изменение напряжения на коммутирующем конденсаторе 12,

28- изменение тока обмотки 2 возбуждения,

29- изменение тока компенсационной обмотки 3,

30- изменение тока кольцевой обмотки 4,

31- изменение напряжения на обмотке 2 возбуждения,

32- изменение магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1,

На фиг. 4 приведена предельная петля гистерезиса 34 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 электромагнита БРМ.

Элек1ромагнитная система БРМ (фиг.1) содержит магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода I, кольцевую обмотку 4, уложенную на внешнем радиусе полюсов магнитопровода 1, которая образует единую обмотку совместно с компенсационной обмоткой 3.

Импульсная система питания БРМ (фиг. 2), включает магнитопровод 1 электромагнита БРМ, обмотку 2 возбуждения, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1, кольцевую обмотку 4, уложенную на внешнем радиусе полюсов магнитопровода 1. Емкостной накопитель 5 через тиристоры 6 подключен к обмотке 2 возбуждения. Обмотка 2 возбуждения через диод 7 подключена к одной обкладке емкостного накопителя 5, другая обкладка которого через диод 8 и кольцевую обмотку 4, которая зашунтирована тиристором 9, подключена к общей точке подключения обмотки 2 возбуждения и компенсационной обмотки 3. Низковольтный источник питания 10 постоянного тока подключен параллельно к дросселю 11 и обмотке 2 возбуждения. Одна обкладка коммутирующего конденсатора 12 подключена к общей точке подключения дросселя 11 и обмотки 2 возбуждения. Другая обкладка коммутирующего конденсатора 12 через коммутирующий дроссель 13 подключена к коммутирующему диоду 14, который имеет общую точку подключения с обмоткой 2 возбуждения, причем коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14 зашунтированы тиристором 15 ввода энергии. Одна обкладка корректирующего конденсатора 16 через резистор 17 подключена к общей точке подключения обмоток 2,3 и 4. Другая обкладка корректирующего

конденсатора 16 через тиристор 18 цепи коррекции подключена к обмотке 3, которая через диод 19 подключена к кольцевой обмотке 4. Эта же обкладка конденсатора 16 через диод 20 и переменный резистор 21 подключена к общей точке подключения обмотки 2, тиристора 15 и диода 14.

Рассмотрим работу импульсной системы питания БРМ на фиг.2.

В исходном состоянии емкостной накопитель 5 заряжен до напряжения U (фиг.З, кривая 24). От низковольтного источника питания 10 постоянного тока через дроссель 11 по обмотке 2 возбуждения протекает постоянный ток (ток размагничивания) /р, который задает магнитное состояние магнитопровода 1 электромагнита БРМ (фиг.З, кривая 28). К моменту времени t магнитное состояние магнитопровода 1 определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения и характеризуется начальным значением магнитной индукции -5с max в центральном сердечнике магнитопровода 1 (фиг.4, кривая 34, точка 1) и начальным значением магнитной индукции -5о.мн в обратном магнитопроводе магнитопровода 1, при этом начальное значение магнитной индукции на расчетном радиусе равновесной орбиты г близко к нулю (фиг.З, кривые 22, 23,32).

В момент времени ti с приходом управляющих импульсов на тиристоры 6 емкостной накопитель 5 подключается к обмотке 2. При этом напряжение на компенсационной обмотке 3 прикладывается к кольцевой обмотке 4 и ток в ней начинает изменяться (фиг.З, кривая 30). Коммутирующий конденсатор 12 заряжается от емкостного накопителя 5 через коммутирующий дроссель 13 и коммутирующий диод 14 (фиг.З, кривая 27). Создаются магнитные потоки в области равновесной орбиты, в центральном сердечнике магнитопровода 1 и в обратном магнитопроводе магнитопровода 1.

в момент времени t включается также тиристор 16 цепи коррекции и корректирующий конденсатор 18, заряженный ДО йапряжения t/2 (фиг.З, кривая 26), начинает разряжаться на обмотку 3 через резистор 17. Ток разряда конденсатора 16 направлен встречно току обмотки 3 (фиг.З, кривая 29) и ее магнитодвижущая сила уменьшается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода 1 в интервале времени t - /2, компенсируется начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе перемагничипвания (фиг.4, кривая 34, участок 1-2)..

В момент времени 2, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 34, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 16 спадает до нуля, тиристор 18 выключается и в дальнейщем на оставшейся части цикла ускорения выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбшы Го полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2,3 и 4.

В момент времени t включается тиристор 15 ввода энергии, и под действием напряжения коммутирующего конденсатора 12 тиристоры 6 обесточиваются и выключаются, а ток обмотки 2 замыкается по цепи тиристора 15 и конденсатора 12. При перезарядке конденсатора 12 (интервал времени /з -ь 4) за счет увеличения разницы магнитодвижущих сил обмотки 2 и обмоток 3, 4, которые образуют единую обмотку, магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода возрастает, происходит увеличение радиуса равновесной орбиты (фиг.З, кривая 33).

В момент времени 4, когда радиус равновесной орбиты достигает значения радиуса расположения инжектора /„ происходит сброс элеюронов на внешнюю мишень, а магнитное состояние магнитопровода 1 определяется разницей магнитодвижущих сил обмотки 2 и обмоток 3, 4 и

характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 +5с.к и конечный Значением магнитной индукции в обратном магнитопроводе магнитопровода 1 +5ол,к (фиг.З, кривые 22, 32).

В итоге, в течение процесса ускорения ty магнитная индукция в центральном сердечнике магнитопровода 1 изменяется от начального значения -Вс max до конечного значения +Вс.к, а магнитная индукция в обратном магнитонроводе магнитопровода 1 юменяется от начального значения -5о.м.н ДО конечного значения +5о.м.к. При этом магнитная индукция на расчетном радиусе равновесной орбиты Го в течение процесса ускорения ty изменяется приблизшельно от О до конечного значения + 5о.р.к (фиг.З, кривые 22, 23, 32).

В момент времени з, когда напряжения на конденсаторе 12 и на емкостном накопителе 5 сравниваются, открываются диоды 7, 8. Напряжение обмотки 3 меняет знак на противоположный, и она оказывается закороченной по цепи диода 19 и включающегося в момент времени ts тиристора 9 и ток в ней в интервале времени ( - 4 убывает до нуля. Обесточивание обмотки 3 приводит к насыщению центрального сердечника магнитопровода (фиг.4, кррюая 34, точка 4). Ток в кольцевой обмотке 4 замыкается через тиристор 9 и убывает, а ток обмотки 2 перехватывается в цепь диодов 7 и 8, при этом через тиристор 9 протекает разница токов обмоток 2 и 4 (фиг.З кривая 25).

В момент времени tj когда величины токов обмоток 2 и 4 сравниваются, тиристор 9 обесточивается и выключается, при этом обмотки 2, 4 оказываются включенными последовательно с емкостным накопителем 5.

В момент времени /g, когда напряжение на обмотке 2 (фиг.З, кривая 31) сравнивается с напряжением на ковденсаторе 16, открывается диод 20 и конденсатор 16 начинает заряжаться от обмотки 2 через диод 20,

резистор 17 и переменный резистор 21 (фигЗ, кривая 26). Изменения сопротивление резистора 21 можно регулировать напряжение конденсатора 16 к моменту времени t и тем самым регулировать положение радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения. Данное обстоятельство позволяет оптимизировать захват электронов в ускорение.

В интервале времени ю емкостной накопитель 5 заряжается с той же полярностью (фиг.З, кривая 24), что и разряжался, а энергия, отдаваемая емкостным накопителем 5 за время /з - i в магнитное поле электромагнита БРМ, в течение времени /ю-г /з обратно рекупирирует в емкостной накопитель 5.

К моменту времени /9, когда ток обмоток 2, 4 спадает до значения тока насыщения, определяемого магнитодвижущей силой обмоток 2, 4, центральный сердечник магнитопровода 1 выходит ю насыщения и в интервале времени i -г ю размагничивается вновь в исходное состояние - бстах (фиг.4, кривая 34, участок 4-3-1).

В момент времени ю диоды 7, 8, 20 выключаются, ток обмотки 4 спадает до нуля, конденсатор 16 заряжается до напряжения Ui (фиг.З, кривая 26), а магнитное состояние магнитопровода 1 определяется током /р, протекающд1м по обмотке 2 и щжл работы импульсной системы питания БРМ закончился.

Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания БРМ за счет подключения обмотки 2 возбуждения параллельно к корректирующему конденсатору 16 через переменный резистор 21 и дополнительно введенные в данную систему питания диод 20 и резистор 17 для его заряда не требуется использование высоковольтного источника питания постоянного тока, что делает предлагаемую импульсную систему питания БРМ более простой и надежной и уменьшает ее массогабаритные параметры.

1.Kerst D.W., Adams J.D., Koch H.W., Robinson C.S. An 80-Mev model of a 300-Mev betatron. // Joum, The Reviev of Scientific instmments, volume 21, № 5, p.462-480.

2.Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство № 619071.

3.Васильев В.В., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство № 639393.

4.Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2002 г.

5.Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение № 2187914.

Литература

Claims (1)

1. Импульсная система питания бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащая магнитопровод, подключенные к импульсной схеме питания с емкостным накопителем и коммутирующим устройством, выполненным по мостовой схеме инвертора тока, обмотку возбуждения и компенсационную обмотку, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода и подключенную через диод к кольцевой обмотке, уложенной на внешнем радиусе полюсов магнитопровода и зашунтированной тиристором, коммутирующий конденсатор, коммутирующий дроссель, коммутирующий диод, тиристор ввода энергии, низковольтный источник питания, подключенный параллельно к дросселю и обмотке возбуждения, имеющую общую точку подключения с компенсационной и кольцевой обмотками, тиристор цепи коррекции, переменный резистор, корректирующий конденсатор, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения через диод и переменный резистор подключена к общей точке подключения тиристора цепи коррекции и одной обкладки корректирующего конденсатора, другая обкладка которого через резистор подключена к общей точке подключения обмотки возбуждения, компенсационной обмотки и кольцевой обмотки.