Импульсная система питания двойного бетатрона с размагничиванием магнитопровода

ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВОЙНОГО БЕТАТРОНА С РАЗМАГНИЧИВАНИЕМ МАГНИТОПРОВОДА
Полезная модель относится к области ускорительной техники и предназначена для генерации электронных пучков с большой энергией для последующего использования энергии ускоренных электронов для целей дефектоскопии, лечения онкологических заболеваний и т.д.
В ряде случаев для определения координат дефектов требуется стереоснимок, для получения которого требуется использование двух бетатронов (двойного бетатрона).
Известны системы питания двойного бетатрона в случае смешанного возбуждения его электромагнитов Ярушкин Ю.П. Некоторые вопросы исследования смешанного возбуждения электромагнитов малогабаритных бетатронов. Диссертация, Томск, 1964; Ивашин В.В. Вентильная и вентильно-механическая коммутация в схемах получения магнитных полей в электрических машинах. Диссертация, Томск, 1968; Ананьев Л.М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов бетатрон. М., Госатомиздат, 1961.. В связи с разработкой и внедрением импульсных систем питания бетатронов Ивашин В.В., Фурман Э.Г. Экспериментальное исследование потерь в схеме питания бетатрона однополярными импульсами тока. Известия ТПИ, 1970, т.212, с. 134-139; Фурман Э.Г. Системы питания импульсных электромагнитов с емкостными накопителями энергии. - ПТЭ, №5, 1988, с.7-27., позволяющих формировать в индуктивной нагрузке и, в том числе, в обмотках электромагнита бетатрона импульсы тока различной формы, интерес к смешанному возбуждению пропал. Это объясняется тем, что при возбуждении электромагнита бетатрона однополярными импульсами тока сохраняется не только основное достоинство смешанного возбуждения формирование однонаправленных магнитных потоков, но и появляется
.- «  1 .iT . е--;- ; -tr  .z-.,-1-:-..
МКП7 H05H 7/04
целый ряд дополнительных преимуществ. Например, массогабаритные параметры электромагнита бетатрона получаются меньше, чем при смешанном возбуждении, уменьшаются массогабаритные параметры системы питания.
Известны бетатроны с размагничиванием магнитопровода (БРМ) с импульсным питанием электромагнита 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 instruments, volume 21, №. 5, p.462-480; Васильев B.B., Фурман Э.Г. Магнитная система индукционного ускорителя. - Авт. свидетельство № 639393; Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение .№ 2187914.. У таких бетатронов при определенных условиях за счет размагничивания магнитопровода постоянным или переменным током массогабаритные параметры электромагнита получаются меньше, чем у общепринятых классических бетатронов с импульсным питанием электромагнита Чертов А.С. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2002 г..
Наиболее близким техническим решением является импульсная система питания БРМ Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Натент РФ на изобретение № 2187912.. Для создания двойного БРМ потребуется использование двух таких импульсных систем питания, которые образуют импульсную систему питания двойного БРМ, содержащую первый электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода первого электромагнита, второй электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с
компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода второго электромагнита, емкостной накопитель, низковольтный источник питания постоянного тока, дроссель, высоковольтный источник питания постоянного тока, тиристор первой цепи коррекции, тиристор второй цепи коррекции, первый корректирующий конденсатор, второй корректирующий конденсатор, переменный резистор первой цепи коррекции, переменный резистор второй цепи коррекции.
Данная импульсная система питания двойного БРМ должна будет содержать 8 тиристоров двух колебательных контуров, два емкостных накопителя, два высоковольтных источника питания постоянного тока для заряда корректирующих конденсаторов, две схемы размагничивания, содержащие два низковольтных источника питания постоянного тока и два дросселя. Использование такого большого количества элементов приведет к существенному увеличению стоимости и массогабаритных параметров двойного БРМ.
Задачей полезной модели является уменьшение стоимости и массогабаритных параметров двойного БРМ.
Поставленная задача достигается тем, что в импульсной системе питания двойного бетатрона с размагничиванием магнитопровода, содержащей первый электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода первого электромагнита, второй электромагнит с магнитопроводом, с обмоткой возбуждения и с компенсационной обмоткой, уложенной на сплошном центральном сердечнике магнитопровода второго электромагнита, емкостной накопитель, низковольтный источник питания постоянного тока, дроссель, высоковольтный источник питания постоянного тока, тиристор первой цепи коррекции, тиристор второй цепи коррекции, первый
корректирующий конденсатор, второй корректирующий конденсатор, переменный резистор первой цепи коррекции, переменный резистор второй цепи коррекции, согласно полезной модели емкостной накопитель через один тиристор соединен с включенными последовательно и встречно обмотками возбуждения и компенсационной первого электромагнита, а через другой тиристор емкостной накопитель соединен с включенными последовательно и встречно обмотками возбуждения и компенсационной второго электромагнита, причем низковольтный источник питания постоянного тока через дроссель подключен параллельно к включенным последовательно и согласно обмоткам возбуждения первого и второго электромагнитов, а первый корректирующий конденсатор подключен параллельно к компенсационной обмотке первого электромагнита через резистор первой цепи коррекции и тиристор первой цепи коррекции, а второй корректирующий конденсатор подключен параллельно к компенсационной обмотке второго электромагнита через резистор второй цепи коррекции и тиристор второй цепи коррекции, причем к первому корректирующему конденсатору через переменный резистор первой цепи коррекции параллельно подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, который через переменный резистор второй цепи коррекции подключен параллельно ко второму корректирующему конденсатору.
При таком исполнении импульсной системы питания двойного БРМ вместо 8 тиристоров двух колебательных контуров будет использоваться всего 2, вместо двух емкостных накопителей будет использоваться один, вместо двух схем размагничивания магнитопроводов первого и второго электромагнитов будет использоваться одна, вместо двух высоковольтных источников питания постоянного тока для заряда корректирующих конденсаторов будет использоваться один.
в БРМ значительную часть стоимости импульсной системы питания составляют следующие элементы - схема размагничивания магнитопровода электромагнита, емкостной накопитель, тиристоры колебательного контура, высоковольтный источник питания постоянного тока для заряда корректирующего конденсатора. Эти элементы также составляют значительную часть массогабаритных параметров системы питания. Следовательно, полученная импульсная система питания двойного БРМ будет обладать значительно меньшими массогабаритными параметрами и стоимостью, чем импульсная система питания двойного БРМ, состоящая из двух импульсных систем питания, рассмотренных в Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чертов А.С. Импульсная система питания индукционного ускорителя. Патент РФ на изобретение № 2187912.. Данное обстоятельство соответственно приведет к значительному уменьшению стоимости и массогабаритных параметров двойного БРМ.
На фиг. 1 приведена электромагнитная система двойного БРМ.
На фиг.2 приведена принципиальная импульсная система питания двойного БРМ.
На фиг.З приведены эпюры изменения магнитных индукций, токов и напряжений в импульсной системе питания двойного БРМ, где кривая демонстрирует:
21- изменение тока обмотки 2 возбуждения первого электромагнита,
22- изменение тока обмотки 5 возбуждения второго электромагнита,
23- изменение магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 первого электромагнита,
24- изменение магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 4 второго электромагнита,
0
25- изменение магнитной индукции в области равновесной орбиты первого электромагнита,
26- изменение магнитной индукции в области равновесной орбиты второго электромагнита,
27- изменение напряжения на емкостном накопителе 7,
28- изменение напряжения на первом корректирующем конденсаторе 14,
29- изменение тока первого корректирующего конденсатора 14,
30- изменение напряжения на втором корректирующем конденсаторе 18,
31- изменение тока второго корректирующего конденсатора 18.
На фиг.4 приведена предельная петля гистерезиса 32 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 первого электромагнита двойного БРМ.
На фиг. 5 приведена предельная петля гистерезиса 33 ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 4 второго электромагнита двойного БРМ.
Электромагнитная система двойного БРМ (фиг. 1) содержит магнитопровод 1 первого электромагнита, обмотку 2 возбуждения первого электромагнита, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 первого электромагнита, магнитопровод 4 второго электромагнита, обмотку 5 возбуждения второго электромагнита, компенсационную обмотку 6, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 4 второго электромагнита. На фиг. 1 пунктиром показаны положения вакуумных ускорительных камер в межполюсных пространствах электромагнитов.
Импульсная система питания двойного БРМ (фиг.2), включает магнитопровод 1 первого электромагнита, обмотку 2 возбуждения первого электромагнита, компенсационную обмотку 3, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 1 первого электромагнита, магнитопровод 4 второго электромагнита, обмотку 5 возбуждения второго
электромагнита, компенсационную обмотку 6, уложенную на сплошном центральном сердечнике магнитопровода 4 второго электромагнита. Емкостной накопитель 7 через тиристор 8 соединен с включенными последовательно и встречно обмотками 2 и 3 первого электромагнита. Включенные последовательно и встречно обмотки 5 и 6 второго электромагнита через тиристор 9 соединены с емкостным накопителем 7. Низковольтный источник питания 10 постоянного тока через дроссель 11 соединен параллельно с включенными последовательно и согласно обмотками 2 и 5. Высоковольтный источник питания 12 постоянного тока через переменный резистор 13 первой цепи коррекции подключен параллельно к первому корректирующему конденсатору 14, который подключен параллельно к компенсационной обмотке 3 первого электромагнита через резистор 15 первой цепи коррекции и тиристор 16 первой цепи коррекции. Высоковольтный источник питания 12 через переменный резистор 17 второй цепи коррекции подключен параллельно ко второму корректирующему конденсатору 18, который подключен параллельно к компенсационной обмотке 6 второго электромагнита через резистор 19 второй цепи коррекции и тиристор 20 второй цепи коррекции. От низковольтного источника питания 10 постоянного тока (фиг.2) по обмоткам возбуждения 2 и 5 первого и второго электромагнитов через дроссель И (индуктивность которого много больше эквивалентной индуктивности обмоток возбуждения 2 и 5) протекает постоянный ток (ток размагничивания) /о (фиг.З, кривые 21, 22). К моменту времени t магнитное состояние магнитопровода 1 первого электромагнита определяется магнитодвижущей силой обмотки 2 возбуждения и характеризуется начальным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 первого электромагнита - BC max (фиг.З, кривая 23; фиг.4, кривая 32, точка 1), а магнитное состояние магнитопровода 4 второго электромагнита определяется магнитодвижущей
силой обмотки 5 возбуждения и характеризуется начальным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 4 второго электромагнита -  max (фиг.З, кривая 24; фиг.5, кривая 33, точка 1). При этом начальные значения магнитных индукций в области равновесной орбиты первого и второго электромагнитов близки к нулю (фиг.З, кривые 25, 26).
В момент времени t с приходом управляющего импульса на тиристор 8 начинается колебательный разряд емкостного накопителя 7 на включенные последовательно и встречно обмотки 2 и 3 первого электромагнита двойного БРМ (фиг.З, кривая 27). За счет магнитодвижущей силы обмотки 2 магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, перераспределяется, делясь на две части. Первая часть, пропорциональная магнитодвижущей силе обмотки 3, замыкается по воздушному зазору межполюсного пространства, образуя магнитный поток в области равновесной орбиты первого электромагнита. Вторая часть, обратно пропорциональная магнитодвижущей силе обмотки 3, замыкается по центральному сердечнику магнитопровода I первого электромагнита и образует центральный магнитный поток.
В момент времени t включается также тиристор 16 первой цепи коррекции и первый корректирующий конденсатор 14, заряженный до требуемого напряжения UQ (фиг.З, кривая 28) через переменный резистор 13 первой цепи коррекции от высоковольтного источника питания 12 постоянного тока, начинает разряжаться на обмотку 3 через резистор 15 первой цепи коррекции. Ток разряда конденсатора 14 (фиг.З, кривая 29) направлен встречно току обмотки 3 и ее магнитодвижущая сила уменьшаетя, что вызывает появление дополнительного потока через центральный сердечник магнитопровода 1, в интервале времени t ч- 2, компенсируется начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе перемагничивания
(фиг.4, кривая 32, участок 1-2). Изменяя сопротивление резистора 13 можно в широких пределах регулировать положение радиуса равновесной орбиты в момент инжекции электронов в вакуумную ускорительную камеру, оптимизируя тем самым захват электронов в ускорение.
В момент времени t2, когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 1 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.4, кривая 32, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 14 спадает до нуля (фиг.З, кривая 29), тиристор 16 выключается и в дальнейшем выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты первого электромагнита полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 2 и 3.
К моменту времени /з магнитное состояние магнитопровода 1 определяется разницей магнитодвижущих сил обмоток 2 и 3 и характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 1 первого электромагнита +  nm (фиг.З, кривая 23). В итоге, в течение процесса ускорения ty, получается размах магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода А5сь который изменяется от начального значения - Вс max ДО конечного значения + В шах- При этом магнитная индукция в области равновесной орбиты первого электромагнита в течение процесса ускорения ty изменяется приблизительно от О до конечного значения + BO ,шх (фиг.З, кривая 25).
В момент времени /з после окончания процесса ускорения ty, формируется спадающая часть импульсов тока в обмотках 2 и 3. При этом вся энергия, запасенная в магнитном поле первого электромагнита двойного БРМ, в течение интервала времени  рекуперирует в емкостной накопитель 7, а центральный сердечник магнитопровода 1
перемагничивается вновь в исходное состояние - BC max (фиг.З, кривая 23; фиг.4, кривая 32, точка 1).
В момент времени 4 с приходом управляющего импульса на тиристор 9 начинается колебательный разряд емкостного накопителя 7 на включенные последовательно и встречно обмотки 5 и 6 второго электромагнита двойного БРМ (фиг.З, кривая 27). За счет магнитодвижущей силы обмотки 5 магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, перераспределяется, делясь на две части. Первая часть, пропорциональная магнитодвижущей силе обмотки 6, замыкается по воздушному зазору межполюсного пространства, образуя магнитный поток в области равновесной орбиты второго электромагнита. Вторая часть, обратно пропорциональная магнитодвижущей силе обмотки 6, замыкается по центральному сердечнику магнитопровода 4 второго электромагнита и образует центральный магнитный поток.
В момент времени /4 включается также тиристор 20 второй цепи коррекции и второй корректирующий конденсатор 18, заряженный до требуемого напряжения С/о2 (фиг.З, кривая 30) через переменный резистор 17 второй цепи коррекции от высоковольтного источника питания 12 постоянного тока, начинает разряжаться на обмотку 6 через резистор 19 второй цепи коррекции. Ток разряда конденсатора 18 (фиг.З, кривая 31) направлен встречно току обмотки 6 и ее магнитодвижущая сила уменьшаетя, что вызывает появление дополнительного потока через центральный сердечник магнитопровода 4, в интервале времени t - ti, компенсируется начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе перемагничивания (фиг.З, кривая 33, участок 1-2). Изменяя сопротивление резистора 17 можно в широких пределах регулировать положение радиуса равновесной орбиты в момент инжекции электронов в вакуумную ускорительную камеру, оптимизируя тем самым захват электронов в ускорение.
в момент времени /з когда начинается перемагничивание ферромагнитного материала центрального сердечника магнитопровода 4 по линейному участку предельной петли гистерезиса (фиг.5, кривая 33, участок 2-3), разрядный ток корректирующего конденсатора 18 спадает до нуля (фиг.З, кривая 31), тиристор 20 выключается и в дальнейшем выполнение бетатронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе равновесной орбиты второго электромагнита полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток 5 и 6.
К моменту времени /б магнитное состояние магнитопровода 4 определяется разницей магнитодвижущих сил обмоток 5 и 6 и характеризуется конечным значением магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 4 второго электромагнита + 5с2 max (фиг.З, кривая 24). В итоге, в течение процесса ускорения fy2, получается размах магнитной индукции в центральном сердечнике магнитопровода 4 А5с2, который изменяется от начального значения -  max ДО конечного значения + 5с2 max- При этом магнитная индукция в области равновесной орбиты второго электромагнита в течение процесса ускорения /у2 изменяется приблизительно от О до конечного значения + В max (фиг.З, кривая 26).
В момент времени 6 после окончания процесса ускорения tyi, формируется спадающая часть импульсов тока в обмотках 5 и 6. При этом вся энергия, запасенная в магнитном поле второго электромагнита двойного БРМ, в течение интервала времени  рекуперирует в емкостной накопитель 7, а центральный сердечник магнитопровода 4 перемагничивается вновь в исходное состояние - 5с2 max (фиг.З, кривая 24; фиг.4, кривая 33, точка 1) и цикл работы импульсной системы питания двойного БРМ закончился.
SM
Таким образом, в рассмотренной импульсной системе питания двойного БРМ вместо 8 тиристоров двух колебательных контуров используется всего 2, вместо двух высоковольтных источников питания постоянного тока для заряда корректирующих конденсаторов используется один, используется один емкостной накопитель вместо двух, используется одна схема размагничивания магнитопроводов первого и второго электромагнитов вместо двух, что соответственно приводит к значительному уменьшению стоимости и массогабаритных параметров двойного БРМ.
MJ(