ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
LINEAR INDUCTION ACCELERATOR

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.
Известно устройство - линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания [Бахрушин Ю.Р., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978, 245 с.]. К виткам намагничивания подключены электроды формирующей линии.
На один из электродов формирующей линии от импульсного генератора подается импульс зарядного напряжения амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод формирующей линии заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, установленного в разрыве любого из электродов, одинарная формирующая линия начинает разряжаться, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как
где n - число сердечников; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы.
В качестве коммутаторов формирующих линий используются газовые искровые разрядники. Подобным коммутаторам присущи ограничения частоты срабатывания. Кроме того, при работе разрядников наблюдается эрозия материала электродов, что заставляет уменьшать величину коммутируемой энергии либо снижать количество импульсов между профилактическими работами по очистке изоляторов разрядников.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению техническим решением являются линейные индукционные ускорители на магнитных элементах [Бутаков Л.Д., Васильев В.В., Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах. // ПТЭ, 2001, №5, с.104-110]. Основным отличием от описанной выше конструкции линейного индукционного ускорителя с искровыми газовыми разрядниками является использование магнитного коммутатора формирующей линии, представляющего собой дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитного материала. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать в наносекундном диапазоне длительностей с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако, чтобы выполнить в этом случае малоиндуктивный коммутатор, требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время в сотни наносекунд от магнитных импульсных генераторов. Итак, линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключены концы электродов одинарной формирующей линии. Заземленный электрод формирующей линии разомкнут, и в разрыв включен магнитный коммутатор. Противоположные концы электродов формирующей линии подключены к магнитному импульсному генератору.
1
2
N-1
N
i
i-1
i
i
i
i
i
Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность LC-контуров (числом N-1) с увеличивающейся собственной частотой. Каждый контур содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов контуров С, С, … C равны между собой и равны емкости C одинарной формирующей линии. Каждый следующий дроссель насыщения L по сравнению с предыдущим L имеет меньшее число витков обмотки, то есть: 1) меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника, 2) меньшую величину потокосцепления, определяемую как Ψ=ωSΔВ, где ω-, S - число витков обмотки и сечение стали i-го дросселя насыщения, ΔВ - размах индукции в стали сердечника дросселя. За счет этого происходит сжатие передаваемой от одного контура к другому энергии во времени, что позволяет заряжать формирующую линию за времена порядка нескольких сотен наносекунд. Подобные ускорители могут формировать электронные пучки энергией 400-3000 кэВ, током 1-10 кА с длительностью импульса 50-200 нс.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение максимальной мощности импульса линейного индукционного ускорителя, формируемого на нагрузке.
Технический результат заключается в увеличение амплитуды и сокращение длительности импульса разрядного напряжения формирующей линии, поступающего на витки намагничивания индукционной системы.
N-1
Указанный технический результат достигается тем, что в линейном индукционном ускорителе, содержащем, как и прототип, ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, одинарную формирующую линию, заземленный и потенциальный электроды которой соединены с магнитным импульсным генератором, состоящим из последовательных контуров сжатия, каждый из которых образован конденсатором и дросселем насыщения, между заземленным электродом одинарной формирующей линии и витками намагничивания индукционной системы включена обмотка магнитного коммутатора, в отличие от прототипа к электродам одинарной формирующей линии подключена обмотка дополнительного дросселя насыщения с сердечником из ферромагнитного материала, и между потенциальным электродом одинарной формирующей линии и витками намагничивания индукционной системы установлена дополнительная одинарная формирующая линия, причем емкости конденсатора последнего контура сжатия магнитного импульсного генератора C и формирующих линий находятся в следующем соотношении:
N-1
N
Д
C≥C+C,
N
где C - емкость одинарной формирующей линии,
Д
C - емкость дополнительной одинарной формирующей линии,
величина потокосцепления дополнительного дросселя насыщения составляет
,
а величина потокосцепления магнитного коммутатора составляет
N-1
где L - индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего контура сжатия магнитного импульсного генератора,
Д
L - индуктивность обмотки дополнительного дросселя насыщения,
Д
Д
ω, S, ΔВ - число витков обмотки, сечение стали, размах индукции в стали дополнительного дросселя насыщения.
N
N
Д
Д
Принципиальная схема устройства изображена на фигуре, где обозначено: 1 - ферромагнитная индукционная система, 2 - одинарная формирующая линия C, 3 - магнитный коммутатор L, 4 - магнитный импульсный генератор, 5 - витки намагничивания ферромагнитной индукционной системы, 6 - дополнительный дроссель насыщения L, 7 - дополнительная одинарная формирующая линия C, 8 - нагрузка линейного индукционного ускорителя R.
i
i
i
i
i
i
N-1
N-1
N
N
Д
Устройство содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания 5. Электроды формирующей линии 2 подключены к магнитному импульсному генератору 4, состоящему из последовательных контуров (числом N-1) C-L, где C - конденсатор емкостью C, L - дроссель насыщения с обмоткой индуктивностью L. Заземленный электрод формирующей линии 2 посредством обмотки дросселя насыщения L последнего контура магнитного импульсного генератора соединен с конденсатором C. Заземленный электрод формирующей линии 2 также соединен через обмотку магнитного коммутатора L 3, представляющего собой одновитковый дроссель насыщения, с набором окончаний витков намагничивания индукционной системы ускорителя, расположенных по одну сторону сердечников. Другой (потенциальный) электрод формирующей линии C соединен с одним из электродов дополнительной одинарной формирующей линии C 7. Другой электрод дополнительной одинарной формирующей линии 7 соединен с набором окончаний витков намагничивания индукционной системы 1, расположенных по другую сторону сердечников индукционной системы 1. Нагрузка ускорителя условно показана сопротивлением R 8. Обычно нагрузкой ускорителя является электронная пушка либо электронный пучок.
N
Д
Одинарные формирующие линии C и C представляют собой наборы параллельно-включенных медных электродов, разделенных слоями изоляции. Величина емкости линий определяется количеством электродов, их длиной и шириной, а также зависит от типа и толщины изоляции между электродами.
1
N-1
N
Д
1
1
1
C1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
5
Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на фигуре не указаны) за счет протекания токов по обмоткам производится размагничивание сердечников дросселей насыщения L-L контуров магнитного импульсного генератора 4, сердечника магнитного коммутатора L 3, сердечников индукционной системы 1, сердечника дополнительного дросселя насыщения L 6. От внешнего источника питания, (например, конденсаторная батарея разряжается при включении игнитронного или тиристорного коммутатора) осуществляется заряд конденсатора C первого контура магнитного импульсного генератора 4. При заряде C на выводах дросселя насыщения L появляется разность потенциалов U, вызывающая протекание тока намагничивания и сердечник дросселя насыщения L перемагничивается. Величина потокосцепления дросселя насыщения L составляет ψ=ωSΔВ, где ω - число витков обмотки, S - сечение стали дросселя, ΔВ - размах индукции (например, ΔB=2,5 Тл для пермаллоя 50 НП) и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда C. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от µ=10 до µ=1, и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Начинается разряд C и заряд C через витки дросселя L в интервале времени
2
2
2
2
Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления Ψ дросселя насыщения L. При заряде конденсатора C к виткам дросселя насыщения L начинает прикладываться разность потенциалов
где  - частота колебании.
Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0, π] составит
2
2
2
2
2
2
2
2
Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L и переход его в состояние µ=1. Поэтому , где ψ=ωSΔВ - потокосцепление дросселя насыщения L (ω - число витков обмотки, S - сечение стали сердечника дросселя насыщения L).
2
2
3
2
3
При насыщении дросселя L начинается разряд конденсатора C и заряд конденсатора C через витки дросселя насыщения L. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L, то есть
3
3
где , (ω - число витков обмотки, S - сечение стали сердечника дросселя насыщения L),
Аналогично предыдущим формулам
Д
Д
Д
где ω - число витков обмотки дополнительного дросселя насыщения 6, S - сечение стали сердечника дополнительного дросселя насыщения 6. Следует выбирать ω=1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность обмотки дополнительного дросселя насыщения 6 в насыщенном состоянии, поскольку
Д
n
B
где a - линейный размер обмотки дополнительного дросселя насыщения 6, D -, D - наружный и внутренний диаметры витка.
N-1
Д
N
N-1
N
Д
N-1
N
Д
N-1
N
Д
N-1
N-1
N
Д
Разряд конденсатора C обеспечивает параллельный заряд дополнительной формирующей линии 7, имеющей емкость C, и формирующей линии 2, имеющей емкость C. Для полной передачи энергии из конденсора последнего контура сжатия магнитного импульсного генератора 4 в формирующие линии 2, 7 следует выбирать их емкости следующим образом C=C+C. В этом случае величины зарядного напряжения на C, C и C будут равны. Если выбрать C=C+C, то в этом случае напряжение на формирующих линиях будет превышать зарядное напряжение конденсатора последнего контура магнитного импульсного генератора 4. Соответственно, увеличится разрядное напряжение формирующих линий, поступающее на витки намагничивания 5 индукционной системы 1. Однако в этом случае в конденсаторе C останется часть энергии и КПД линейного индукционного ускорителя уменьшится. Целесообразно использовать C=(1,1-1,3)(C+C), при котором потери энергии малы, но заметен эффект увеличения мощности выходного импульса на нагрузке из-за увеличенного разрядного напряжения формирующих линий.
Величину потокосцепления дополнительного дросселя насыщения 6 следует выбирать из следующего условия: сердечник дополнительного дросселя насыщения 6 должен насытиться в момент окончания заряда формирующих линий, т.е. должно выполняться условие
Д
N
При заряде дополнительной формирующей линии C зарядный ток протекает по обмотке магнитного коммутатора L и виткам намагничивания 5 индукционной системы 1, при этом сердечники магнитного коммутатора и индукционной системы дополнительно размагничиваются.
N
Д
N
N
В процессе заряда под действием напряжения на формирующей линии C сердечник дросселя насыщения L начнет перемагничиваться. При насыщении сердечника дополнительного дросселя насыщения начинается процесс перезаряда формирующей линии C через его обмотку и появляется разность потенциалов на концах обмотки магнитного коммутатора 3. Через обмотку магнитного коммутатора начинает протекать ток намагничивания. Величину потокосцепления магнитного коммутатора следует выбирать из следующего условия: сердечник магнитного коммутатора должен насытиться в момент окончания перезаряда формирующей линии C, т.е. должно выполняться условие
N
Д
N
где ω - число витков обмотки магнитного коммутатора, S - сечение стали сердечника. Следует выбирать ω=1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность обмотки магнитного коммутатора.
N
Д
После насыщения сердечника магнитного коммутатора включенные последовательно формирующие линии C и C начнут разряжаться через обмотку магнитного коммутатора 3 на витки намагничивания 5 индукционной системы 1.
В предлагаемом линейном индукционном ускорителе в отличие от прибора-прототипа в 2 раза увеличивается разрядное напряжение последовательно включенных формирующих линий, в 4 раза уменьшается величина разрядной емкости, что приводит к сокращению длительности разрядного импульса и значительному увеличению импульсной мощности, выделяемой на нагрузке.
1
2
N-1
Д
N
Используя соотношения (2-9), рассчитывают параметры линейного индукционного ускорителя. Если выбрать: C=C=…=C=C+C, то в этом случае
C2
C3
CN-1
N
Д
где U, U, U - амплитуды зарядного напряжения конденсаторов магнитного импульсного генератора, U, U - амплитуды зарядного напряжения формирующих линий.
Д
N
Рассчитаем мощность, выделяемую на нагрузке, представляя одинарные формирующие линии в виде конденсаторов емкостью C, и C, разряжающиеся через индуктивность разрядного контура величиной L на омическую нагрузку R.
1
R
Известны [Гинзбург Г.С. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. М.: Изд-во Высшая школа, 1967, стр.63-65] соотношения для расчета времени t при разряде емкости на последовательно включенные сопротивление и индуктивность, когда ток в омической нагрузке максимален, и величины тока I для случя апериодического разряда
N-1
N
Рассмотрим два варианта. Первый вариант - прибор-прототип, для которого C=C, т.е. емкость конденсатора последнего контура сжатия магнитного импульсного генератора равна емкости одинарной формирующей линии.
N
N
R
CN
N
R
CN
N
C
CN-1
CN
N-1
N
1
R1
1
R1
CN
-8
2
-6
-9
9
Для этого случая C в формулах (11) соответствует C, L=L+L+L≈10 Гн, где L - индуктивность обмотки магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, L - индуктивность нагрузки, L - индуктивность одинарной формирующей линии, R=50Ω/n≈0,255Ω (поскольку рассматриваются процессы, протекающие в первичном контуре линейного индукционного ускорителя), где n - число сердечников индукционной системы линейного индукционного ускорителя. Выберем C=0,3·10 Ф и U=U=U=50 кВ (амплитуды напряжения на конденсаторе C и формирующей линии C равны). Согласно расчетам время нарастания тока до максимума составляет t=24,2·10 с, амплитуда тока в максимуме I=25,4 кА, мощность, выделяемая на нагрузке, Р=IU=1,27·10 Вт.
-6
C
CN
Д
Для второго варианта величина С соответствует емкости 0,075·10 Ф, напряжение U=U+U=100 кВ, поскольку при разряде на витки намагничивания индукционной системы формирующие линии включаются последовательно.
1
R2
1
2
CN
CД
-9
-9
Время нарастания тока до максимума составляет t=17,8·10 с, амплитуда тока в максимуме I=47,5 кА, мощность, выделяемая на нагрузке, P=I(U+U)=4,75·10 Вт.
1
2
3
1
2
1
2
3
1
2
3
-6
-6
Таким образом, увеличение мощности, выделяемой на нагрузке, достигает 3,8 раза. Примером конкретного выполнения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя, изготовленный в Томском политехническом университете, со следующими конструктивными параметрами C=C=C=0,3·10 Ф. Дроссели насыщения магнитного импульсного генератора L, L имеют одинаковые сердечники, изготовленные из шести колец с внешним и внутренним диаметром 250 и 110 мм, соответственно, шириной 25 мм из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,02 мм. Дроссель L имеет четырнадцать витков, L - четыре витка. Одновитковый дроссель насыщения L имеет сердечник из трех колец внешним и внутренним диаметрами 500 мм и 220 мм, шириной 25 мм из пермаллоевой ленты толщиной 0,02 мм. Одновитковый магнитный коммутатор, как и сердечники индукционной системы, выполнен из колец с внешним и внутренним диаметрами 360 мм и 150 мм, шириной 25 мм из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,01 мм. Конденсаторы C, C, C - типа К75-74 0,1 мкФ, включенные последовательно-параллельно. Каждая формирующая линия состоят из двух электродов длиной 4 метра, шириной 0,2 метра с изоляцией из синтофлекса толщиной 0,8 мм. Емкости формирующих линий составляют 0,15·10 Ф. Формирующие линии намотаны одна над другой вокруг сердечников индукционной системы по спирали Архимеда. Дополнительный дроссель насыщения, включенный параллельно одной из формирующих линий, имеет сердечник из трех колец с внешним и внутренним диаметрами 500 мм и 220 мм, шириной 25 мм, изготовленных из пермаллоевой ленты толщиной 0,02 мм.
1
2
3
Д
N
N
-6
Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм. Конденсатор C заряжается до 50 кВ от внешнего источника питания за интервал времени 12 мкс. Зарядка конденсатора C происходит за 3 мкс, C - за 1 мкс, формирующих линий C и C - за 0,3 мкс. Длительность перезаряда формирующей линии C через обмотку дополнительного дросселя насыщения составляет 0,2 мкс. Время разряда формирующих линий на индукционную систему ~0,15 мкс. Импульсная мощность линейного индукционного ускорителя составляет 3,6 ГВт, что в 3,2 раз выше, чем при использовании формирующей линии с емкостью 0,3·10 Ф, как в приборе-прототипе.
Таким образом, применение в линейном индукционном ускорителе дополнительной формирующей линии и дополнительного дросселя насыщения с сердечником из ферромагнитного материала с параметрами, находящимися в определенном соотношении с другими параметрами элементов линейного индукционного ускорителя, позволяет в несколько раз увеличить импульсную мощность линейного индукционного ускорителя.