Разработка малогабаритных бетатронов с повышенными удельными характеристиками

ИЗВЕСТИЯ

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

Том 232 1975

РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ БЕТАТРОНОВ С ПОВЫШЕННЫМИ УДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

А. А. ГЕЙЗЕР, В. Л. ЧАХЛОВ, М. М. ШТЕПН

Переносные малогабаритные бетатроны типа ПМБ-6 [1], которые в настоящее время выпускаются мелкими сериями, весьма эффективно применяются для контроля рентгенографическим способом различных материалов и изделий с эквивалентной толщиной по стали от 30 до 250 мм в нестационарных условиях.

Важной характеристикой для данных типов бетатронов является отношение мощности экспозиционной дозы к весу всей установки или к весу блока излучения, которые будем называть удельными характеристиками бетатрона.

Улучшение удельных характеристик позволяет повысить производительность контроля как за счет сокращения времени экспозиции, так и за счет уменьшения затрат времени на транспортировку и установку излучателя у контролируемого участка детали. При разработке переносных малогабаритных бетатронов с повышенными, но сравнению с ПМБ-б, удельными характеристиками, рассматривалась возможность увеличения частоты следования импульсов излучения, повышения напряжения инжекции, применения новых материалов, а также совершенствования технологии изготовления и создания более оптимальных конструкций электромагнитов.

Из известных схем возбуждения электромагнитов бетатронов [2, 3], позволяющих повышать частоту следования импульсов излучения, наиболее перспективной является импульсная схема питания [4], обеспечивающая протекание по обмотке электромагнита однополярных импульсов тока при однополярном напряжении на конденсаторной батарее.

Как показано в [5] переход от возбуждения электромагнита переменным током частотой 50 гц к питанию одноиолярными импульсами тока при неизменных суммарных потерях в электромагните, а также одинаковом его весе позволяет довести частоту следования импульсов тока до 200 в секунду, а следовательно, и увеличить мощность дозы тормозного излучения, генерируемого бетатроном, в 4 раза.

Для исследования особенностей работы бетатрона с импульсным возбуждением электромагнита была изготовлена экспериментальная бетатронная установка, рассчитанная на энергию 6 Мэв, состоящая из четырех блоков: излучателя, импульсных схем, конденсаторов и пульта управления.

В блоке излучателя этого бетатрона использовался электромагнит от бетатрона типа ПМБ-6 [1].

Параметры импульсов возбуждения следующие: длительность импульсов тока 2500 мксек, скважность следования импульсов равна 2, амплитуда импульсов тока—376 а.

Схема питания электромагнита приведена на рис. 1 и работает следующим образом. С момента подачи запускающих импульсов на тиристоры Т1 и Т/ предварительно заряженная конденсаторная батарея Ск разряжается на обмотку электромагнита Ьк. В момент, когда напряжение на емкости Ск равно нулю, открываются диоды Д1 и Д/, но дрос-

Рис. 1.

сель насыщения задерживает нарастание тока в них на время, достаточное для закрытия тиристоров Ть Т/. После перехвата тока в диоды ток емкости изменяет направление, и при спаде тока в индуктивности емкость Ск заряжается до напряжения первоначального знака.

Для компенсации потерь в контуре от емкости фильтра выпрямителя Сфчерез индуктивность ¿ри тиристор Т2 осуществляется ввод энергии. Если питание бетатрона осуществляется от низковольтного источника, то тиристор ввода Т2 включается после перехвата тока из тиристоров Ть Т/, в диоды Дь Д/.

Стабилизация максимального значения магнитного поля в рабочем зазоре бетатрона при нестабильном напряжении источника питания осуществляется путем регулирования порции вводимой энергии в колебательный контур. Количество вводимой энергии регулируется изменением времени включения тиристора Т2 относительно момента закрытия тиристоров Т1 и ТУ.

Анализ процесса ввода энергии в предположении, что за время ввода ток в контуре Ск Ьк остается постоянным и напряжение на емкости Сф не изменяется, показал, что за время ввода

со р/к

в контур вводится

п 2 ЦСфС1(ЦС1р—Ц 8_ 3

джоулей энергии, где 1

со= _— — резонансная частота коп гура подзаряда,

У ^рСк

£/Сф— напряжение на фильтрующей емкости выпрямителя,

и{ — напряжение на конденсаторе контура в момент начала ввода энергии,

характеристическое сопротивление контура цепи под-

заряда. Для поддержания в контуре электромагнита неизменной энергии задержка момента включения тиристора ввода энергии Т2 относительно перехвата тока в контуре подчиняется зависимости

4 3 А и.

А исфих

= —агсзт----^772^— >

1де —т / ----собственная частота контура,

1

со —-у= —резонансная частота контура, V ЬъРь

искт —напряжение на конденсаторе контура, ы = кт- —коэффициент затухания контура, Д£/сф —изменение напряжения на емкости фильтра,

сф -ПОМСПСПИС

/-2Г

71=2ти1/ 1кСк---—период собственной частоты контура.

У Г к

Такая зависимость реализуется схемой задержки [6], включающей динистор Д3, конденсаторы С3, С4, резисторы к\—Кь> трансформатор ТР1 , тиристор Т3 и диоды Д4, Д5.

Схема принимает исходное состояние после того, как подано питающее напряжение и потенциал на интегрирующей емкости С3 достиг величины, при которой включается динистор Д3. При этом конденсатор С3 через внутреннее сопротивление источника опорного напряжения разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора Тр1. Возникший на вторичной обмотке №2 импульс приводит тиристор Т3 во включенное состояние. Режим работы тиристора выбирается таким, что он удерживается включенным. Это обеспечивается соответствующим выбором величины резистора из условия

б±£дь±£дО =/т>/ {4)

ЯЛЯь+г**)

где /т —ток тиристора,

Еа —напряжение источника питания,

/Уи— ток удержания тиристора,

ги, гд5— внутреннее сопротивление диодов Д4 и Д5.

Динистор выключается после полного разряда конденсатора С3. Исходным состоянием схемы является такое, когда тиристор Т3 включен, а динистор Д3 выключен. С приходом запускающего импульса с обмотки тиристор Т3 закрывается. Протекающий по цепи /?5Сз ток заряжает конденсатор, и напряжение на его обкладках экспоненциально возрастает.

где Т^/^Сз, ¿зац~ время задержки импульса. Динистор включается тогда, когда

где иоп—величина опорного напряжения.

Возникающий при этом импульс на обмотке трансформатора возвращает схему в исходное состояние, а импульс с обмотки служит для включения тиристора ввода энергии Т2.

Из формул (5) и (б) видно, что при изменении величины опорного напряжения изменяется момент включения динистора, т. е. величина задержки импульса включения тиристора ввода энергии.

+

При испытании схема стабилизации работала удовлетворительно и при изменении напряжения на конденсаторе фильтра Сф в пределах от 200 до 300 в обеспечивала изменение напряжения на конденсаторе контура Ск в пределах 1,5 в.

Схема, задающая момент включения тиристоров колебательного контура Т] и Т/ и тем самым определяющая скважность импульсов тока в обмотке электромагнита, построена аналогично вышеописанной схеме задержки. Ее запуск осуществляется продифференцированными це-^ почками С7/?2 импульсами с дополнительной обмотки электромаг-

^ нита.

Схемы синхронизации, инжекции и смещения (рис. 2), выполненные полностью на "полупроводниковых приборах, кроме своей простоты, от-

ьз

личаются от известных схем тем, что для задержки момента инжекции

используется однотактный магнитный усилитель МУ. Применение такого усилителя с обмоткой подмагничивания, ток которой пропорционален напряжению инжекции, позволяет автоматически поддерживать оптимальный момент инжекции при изменении напряжения на электромагните в небольших пределах. Обмотка подмагничивания WT]l служит для регулирования момента инжекции вручную. Ампер-витки обмоток и

устанавливаются примерно одинаковыми.

Напряжение с витков охватывающих центральный магнитный поток бетатрона, через диод Д] подается на рабочую обмотку магнитного усилителя. После включения тиристоров колебательного контура через некоторое время, определяемое параметрами МУ и ампер-витками ^^ сердечник МУ перемагничивается. На сопротивлении возникает перепад напряжения, который через стабилитрон Ст и дифференцирующую цепь С\Я6 поступает на управляющий электрод тиристора IV

На тиристорах Т1 и Т2 собрана схема ждущего мультивибратора, длительность импульса которого регулируется сопротивлением /?э и определяет момент смещения электронов на мишень.

Схемы смещения и инжекции состоят из зарядных вентилей Д3 и Д4, зарядных сопротивлений /?и и и накопительных конденсатороз С4 и С5. В качестве коммутаторов используются тиристоры Т3 и Т4 со средним током 25 а и напряжением 600 в.

Трансформатор Тр4 служит для получения импульсного напряжения инжекции с амплитудой порядка 30 кв и длительностью 10 мсек. С импульсным трансформатором конструктивно в один блок объединен высоковольтный накальный трансформатор Трз.

Поскольку при переходе на импульсный режим питания распределение потерь между элементами электромагнита зависит от параметров импульсов, а теоретическое исследование этого вопроса сопряжено с определенными трудностями, на экспериментальном образце импульсного бетатрона на б Мэв, наряду с другими вопросами, детально исследовался температурный режим электромагнита бетатрона и распределение потерь в его частях.

Потери в намагничивающих обмотках, найденные экспериментально, составляют 746 вт, а в магнитопроводе — 551 вт.

Подсчет джоулевых потерь, без учета дополнительных, обусловленных наличием полей рассеяния, показывает, что в намагничивающих обмотках они должны составить при этом режиме питания всего лишь 164,2 вт. Таким образом, при расчете и конструировании намагничивающих обмоток необходимо учитывать дополнительные потери от полей рассеяния, которые, как видно, значительно превышают джоулевые потери.

Исследование магнитных характеристик рабочего зазора электромагнита бетатрона, питаемого однополярными импульсами тока, и сравнение их с аналогичными характеристиками этого же электромагнита, возбуждаемого синусоидальным током от сети 50 гц, показало, что переход на импульсное питание не привел к их существенному изменению.

Настройка бетатрона на излучение показала, что с одной и той же ускорительной камерой, при одинаковом напряженки импульса инжекции, мощность экспозиционной дозы излучения возросла пропорционально частоте питаемого тока и составила 72 р/час на расстоянии 1 м от мишени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Л. М. А н а н ь е в [и др]. Малогабаритные бетатроны и их применение в дефектоскопии. «Дефетоскогшя», 1968, № 6, стр. 60—61.

2. Л. М. Ананьев [и др.]. Индукционный ускоритель электронов — бетатрон. Госатомиздат, 1961, стр. 136—163.

3. Электронные ускорители. Труды IV Межвузовской конференции по электронным ускорителям. «Высшая школа», 1964, стр. 243—247, 280—1285.

4. В. В. И в а ш и и. Экономическая тиристорпая схема возбуждения электромагнита ускорителя однополярпыми импульсами тока. «Электронные ускорители», вып. 3. Атомиздат, 1970, 27—29.

5. Л. М. А п а и ь е в, Ю. А. О т р у б я п п и к о в. Некоторые вопросы импульсного питания электромагнитов индукционных ускорителей. «Приборы и техника эксперимента», № 3, 1967, 40—41.

6. А. А. Гейзер [и др]. Устройство задержки. Авторское свидетельство № 302824. «Бюллетень изобретений». № 15, М., 1971.

г/2 5 Заказ 9559