К вопросу стабилизации параметров излучения импульсных бетатронов

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА

279 1974

К ВОПРОСУ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ БЕТАТРОНОВ

Б. А. БАГИНСКИИ, Ю. А. ОТРУБЯННИКОВ, М. М. ШТЕЙН

Установлено, что для бетатронов одними из наиболее перспективных являются системы питания, обеспечивающие однополярные импульсы тока при однополярном режиме работы по напряжению накопительной батареи конденсаторов. В работах [1, 2, 3] рассмотрены и исследованы различные варианты подобных схем, а также некоторые вопросы стабилизации питания магнита. В качестве основного, и зачастую единственного, дестабилизирующего фактора рассматривалось изменение напряжения питающей сети. Однако тяжелый тепловой режим работы бетатронов [4] приводит к существенному изменению параметров контура магнита в процессе работы. Поэтому достаточно актуальным является вопрос исследования влияния указанных параметров на стабильность интенсивности излучения.

Кроме этого, до настоящего времени основное внимание уделялось стабилизации непосредственно интенсивности излучения (среднего значения, импульсного и т. д.). Новые области применения импульсных бетатронов, связанные с контролем взаимного положения деталей механизмов, находящихся в периодическом движении, предъявляют высокие требования к стабильности временных интервалов работы, и, в частности, к стабильности интервалов между запуском ускорителя и моментом получения импульса излучения.

При исследовании вопросов стабилизации следует различать системы импульсного питания с индуктивным и емкостным вводом энергии, а также способ коммутации тока, так как они в значительной степени определяют количественное влияние дестабилизирующих факторов и принципы построения схем стабилизации.

В настоящей статье оценивается влияние дестабилизирующих факторов для систем питания без искусственной коммутации с вводом энергии в индуктивность и емкость контура бетатрона. Система возбуждения электромагнита бетатрона при индуктивном вводе энергии показа-па на рис. 1. [5]. В исходном состоянии напряжение контурной емкости Ск больше напряжения на фильтровой емкости Сф. С приходом управляющего импульса на тиристор ввода энергии Т1 ток в электромагните Ьк начинает нарастать. Когда величина этого тока становится до-

статочной для компенсации потерь за импульс, включаются тиристоры прямой ветви и Г3 емкость Ск разряжается на электромагнит, а тиристор ввода выключается. При достижении напряжения на Ск некоторого отрицательного значения (И\), которое определяется вольтсекун-дами коммутирующего дросселя Дрь происходит перехват тока из це-

пи тиристоров в цепь диодов. Текущий по цепи перезаряда ЬКУ Д2, С10 Дг ток заряжает конденсаторную батарею Ск с первоначальной полярностью. Сброс ускоренных электронов осуществляется в момент перехвата тока в диодную цепь [6]. На рис. 2 показана схема импульсного питания с емкостным вводом энергии [1]. Отличием ее от рассмотрен-

Рис. 2.

ной выше схемы явлется то, что тиристор ввода, присоединенный к контурной емкости Ск, открывается в момент времени, когда произошла коммутация тока в контуре магнита. При этом ток от источника начинает подзаряжать емкость Ск, и при равенстве его нулю тиристор ввода энергии закрывается.

Требования стабилизации интенсивности излучения применительно к системе формирования магнитного поля сводятся к обеспечению стабильного значения индукции в момент сброса электронов и, следовательно, стабильного значения Втах в рассматриваемых схемах.

Для сравнения различных систем питания в первом приближении можно считать, что величина индукции в обмотке электромагнита прямо пропорциональна току. При анализе принимаем следующие допущения:

1. Фильтровая емкость Сф является источником напряжения.

2. Обратное сопротивление вентиля бесконечно велико.

3. Потерями в цепи ввода энергии пренебрегаем.

Максимальное значение тока с учетом принятых допущений соответственно для индуктивного и емкостного вводов запишется

1т=е

4

-+2

V'

иеи

и

У

ис(и-и,у

з ЬМе

т. Я

2 о»¿к

-тс/? I

(.»¿К

+1.

си^К'

здесь

Ьк—индуктивность намагничения магнита; С — емкость контурной батареи конденсаторов; Я — эквивалентное сопротивление потерь в контуре; ¿в — время ввода энергии при индуктивном вводе. Временной интервал между запускающим импульсом и максимумом тока определяется *

2ш £ 1

агс^

~ и,

I

/ 1-е-

- С

» т*л^тг—7~=ш'

1 X 2<о1 ...

Iе =-агс^- .

О)

Для исследования влияния различных дестабилизирующих факторов, относительные изменения которых невелики, найдем выражение, связывающее непосредственное приращение функции с приращением аргументов. Изменение тока и времени при отклонении параметров (&Хк> С ис /в, 1]\) может быть найдено разложением в ряд Тейлора:

А 11т Аие I ^

^=

'т V с I

Здесь коэффициенты Кц = К< =1; К«

1 ц-1.

V, Кл =

1 ..л - • 1

2<2

4«

где у = т — п + р\ т. — агс1§—

1

/

1-е-

1 —[— тс

П =

уГ

1-е

ке

2<3

1 +

2<з

— е

— тс

"о"

Ки^+К^

V-/ Л ' т

К^ + К^+К^*

Я

и

Коэффициенты

Кц

к£ = 1——

2<Л 2<2

п

т

0.

/п

4(2 V т

Для емкостного ввода

/

Коэффициенты

л/с лг/ Шл

у.

¿л

дс

'К

К! = 1-К2

их

кг

4^+1

ЕЛ =__в.

+ 8(2 Р'

1

8 (1Г 4 '

16(3

р.

где

£

Коэффициенты Кс* =

44(32^; К!

где

Л

(1+4 <?2) аг^2<2

Полученные выражения позволяют определить возможное влияние каждого из дестабилизирующих факторов, а также просчитать необходимые законы регулирования для выбранного способа стабилизации. На рис. 3 и 4 представлены зависимости коэффициентов, характеризующих влияние изменения параметров контура, от добротности ф. Анализируя полученные результаты для индуктивного и емкостного ввода энергии, можно отметить следующее:

1. Стабильность временных интервалов импульсов излучения, а также стабильность максимума тока при применении системы импульс-

К 0,9

М 0,7 аб

05

04

0,3 од 0,1

<

чг <

'4? <

5 Ю

&о

30

Рис. 3

40

50 О

К I 1,6 14

?л 1

0,8

0,6

0,4

0,2

1

\

—

\

- -- __ __

С

к;

х?

20

30

Рис. 4

40

50 О

ного питания с вводом энергии в индуктивность магнита наиболее сильно зависит от изменения параметров цепи ввода (1)с^3)9 а также изменения индуктивности электромагнита, причем стабильность временного промежутка в наибольшей степени зависит от Ьк.

2. При вводе энергии в емкость контура основное влияние на стабильность импульсов тока оказывает напряжение питающей сети и величина емкости конденсаторной батареи, а стабильность временных интервалов определяется постоянством индуктивности и емкости контура бетатрона.

3. Индуктивный ввод энергии при стабилизации как временных интервалов, так и максимума тока предъявляет существенно более жесткие требования к стабильности параметров контура, чем емкостной.

4. Так как время ввода энергии в индуктивность магнита входит в интервал между запуском ускорителя и моментом получения импульса излучения, то наиболее разработанный метод стабилизации поля путем регулирования этого времени является неприемлемым для систем, предъявляющих требования к стабильности временных интервалов. Одновременная стабилизация указанных параметров для систем питания с вводом энергии в индуктивность возможна лишь путем применения отдельного стабилизированного источника питания, причем может оказаться целесообразным применение регулируемого в функции изменения параметров контура источника стабилизированного постоянного напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. В. И в а ш и н. Коммутация тока в схемах создания магнитных полей и электрических машинах. Диссертация, 1968.

2. Э. Г. Фурман. Разработка и исследование схем импульсного питания электромагнитов ускорителей. Диссертация, 1972.

3. Ю. П. Я рушкин, П. Г. Гордеев, П. П. Румянцева. Разработка и исследование системы импульсного питания малогабаритного бетатрона. Научный отчет НИИЯФ ЭА, 1972.

4. А. А. Г е й з е р, В. С. Логинов, В. Л. Ч а х л о в. Исследование бетатрона на энергию до 6 Мэв с импульсным питанием. Труды НИИЯФ ЭА при ТПИ. Вып. 2, Атомиздат, 1972.

5. А. А. Гейзер, Г. Л. Ч а х л о в, В. Л. Ч а х л о в. К вопросу выбора способа ввода энергии в электромагнит бетатрона. Отчет НИИЯФ ЭА, 1972.

.6. А. А. Г е й з е р, В. В. Б а ж и л и н, В. Л. Чахл о в. Выбор системы сброса электронов в импульсном бетатроне. Отчет НИИЯФ ЭА, 1972.