УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ДУАНТНОЙ СИСТЕМЫ СИНХРОЦИКЛОТРОНА ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ И ПРОБОЕВ

Полезная модель относится к электротехнике и технике ускорителей заряженных частиц и предназначена для защиты дуантной системы синхроциклотрона от электрических разрядов и пробоев.
К дуантной системе синхроциклотрона (СЦ) относятся дуант и все электрически связанные с ним элементы: вариатор частоты, ввод мощности, доускоряющий С-электрод растяжки протонного пучка и т.д. [1] (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.). Известно, что дуантные системы СЦ работают при предельно высоких напряжениях (10-20 кВ) и высоких частотах (10÷30 мГц), и для обеспечения их надежной работы используются различные устройства защиты от электрических разрядов и пробоев. В ускорительной электротехнике различают принципиально разные два типа электрических разрядов и пробоев: высоковольтный вакуумный разряд (ВВР) [2] (И.Н. Сливков. «Процессы при высоком напряжении в вакууме», М., 1986 г.) и низковольтный резонансный высокочастотный разряд (РВР - multipactor effect) [4] (Б.А. Затер, В.Г. Тишин. «Резонансный высокочастотный разряд и возможности его подавления», ЖТФ, т. XXXIV, в. 2, 1964 г., с. 297-306.) [3], (В.Г. Мудролюбов, В.И. Петрушин. «Соотношения для области существования модификаций РВР», ЖТФ, 1979, с. 1017-1021).
В качестве аналога укажем на устройство защиты от электрических разрядов и пробоев [5] (ГОСТ 16357-83 «Разрядники вентильные переменного тока на номинальное напряжение»), состоящее из токового высоковольтного двухэлектродного разрядника, подсоединенного к дуантной системе СЦ. Устройство-аналог работает следующим образом: в случае превышения напряжения выше предельно допустимого пробой происходит не в дуантной системе, а между электродами разрядника. Тем самым дуантная система защищается от последствий электрического разряда и пробоя.
Недостатком устройства-аналога является то, что оно, защищая от высоковольтного вакуумного разряда типа ВВР, не обеспечивает защиту дуантной системы от резонансного высокочастотного разряда типа РВР, который наступает в дуантной системе при напряжениях гораздо меньших, чем предельно допустимое пробивное напряжение электрического пробоя в вакууме [3, 4].
В качестве прототипа выбрано устройство защиты дуантной системы СЦ от разрядов и пробоев, описанное в работе [6] (М.Ф. Ворогушин, В.Г. Мудролюбов, А.В. Степанов, И.И. Финкельштейн. «Радиотехнические системы циклотронов», Л., Энергоиздат, 1989, с. 30-31 и с. 73-74.).
Устройство-прототип широко используется на всех ускорителях заряженных частиц как линейных, так и циклических, в том числе на синхроциклотронах [6] (с. 103-105). Оно состоит из источника постоянного напряжения 500÷1000 В, подсоединенного отрицательным полюсом к дуанту (источника смещения), из датчика тока электрического разряда и из блока защиты для отключения анодного питания автогенератора дуанта.
Устройство-прототип работает следующим образом. Подача отрицательного потенциала на дуант путем подключения к нему источника отрицательного смещения полностью исключает возможность появления разряда типа РВР, так как изменяет временные интервалы пролета эмиссионных электронов между поверхностями дуантной системы и заземленной камерой СЦ. Подробно причины возникновения РВР и его параметры приведены, например, в [3, 4, 6].
В случае же возникновения в дуантной системе разряда типа ВВР происходит возрастание тока утечки через сопротивление утечки (дуант-земля), сигнал с которого поступает в блок защиты для отключения анодного питания автогенератора дуанта, и ускоряющее напряжение с дуанта отключается. По существу, происходит аварийная остановка работы СЦ.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие быстродействия защиты и, как следствие - аварийная остановка синхроциклотрона при возникновении в дуантной системе разряда и пробоя.
Техническим эффектом новой полезной модели является повышение быстродействия устройства защиты без усложнения конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве защиты дуантной системы синхроциклотрона от электрических разрядов и пробоев с использованием источника отрицательного смещения новым является то, что вводится коммутатор и вводится цепь синхронизации между коммутатором и вариатором частоты, с помощью которой коммутатор связывает источник отрицательного смещения с дуантной системой только в паузах между ускорительными циклами синхроциклотрона.
Блок-схема полезной модели изображена на фиг. 1.
1. Дуант.
2. Вариатор частоты дуантной системы.
3. Вакуумная камера СЦ.
4. Автогенератор дуантной системы.
5. Манипулятор анодного питания для автогенератора 4.
6. Источник отрицательного смещения.
7. Коммутатор (двухконтактный управляемый ключ).
8. Цепь синхронизации манипулятора 5 с вариатором 2.
9. Цепь синхронизации коммутатора 7 с вариатором 2.
10. Сопротивление утечки дуантной системы.
11. Ускоренный пучок протонов СЦ.
12. Условное изображение РВР (резонансного высокочастотного разряда).
13. Условное изображение ВВР (высоковольтного вакуумного разряда).
Полезная модель состоит из дуанта 1 и вариатора частоты 2 дуанта 1, находящихся в вакуумной камере 3 синхроциклотрона (другие элементы дуантной системы СЦ на фиг. 1 не показаны).
Дуант 1 и вариатор 2 подключены к автогенератору 4, который подключен к манипулятору анодного питания 5. Источник отрицательного смещения 6 подключен к дуанту 1 через коммутатор 7. Вариатор 2 связан цепью синхронизации 8 с манипулятором анодного питания 5, а также связан цепью синхронизации 9 с коммутатором 7.
Полезная модель работает следующим образом.
1
2
1
2
Как известно, СЦ относится к ускорителям импульсного периодического действия [1]. Период его работы Т состоит из двух временных интервалов Т=T+Т, где T - рабочий интервал - это время ускорения пучка протонов 11 дуантом 1, а Т - интервал паузы, при котором пластины вращающегося вариатора частоты 2 возвращаются в исходное положение.
1
1
2
1
2
В рабочем интервале T работает автогенератор 4, на который поступает анодное напряжение от манипулятора анодного питания 5. И в этом интервале T на дуанте 1 присутствует высокочастотное напряжение, и происходит ускорение протонного пучка 11. При этом частота напряжения на дуанте 1 изменяется при помощи вариатора 2 в соответствии с релятивистским законом изменения частоты вращения протонов в магнитном поле СЦ. В интервале паузы Т манипулятор анодного питания 5 выключается, и автогенератор 4 не работает. Интервалы T и Т задаются положением вращающихся пластин вариатора 2 при помощи цепи синхронизации 8 между вариатором 2 и манипулятором 5.
Источник отрицательного смещения 6 периодически подключается к дуанту 1 через коммутатор 7. Важно отметить последовательность такого периодического подключения.
2
1
Источник 6 подключается к дуанту 1 только в паузе - в интервале Т, когда напряжение на дуанте 1 отсутствует и отключается в рабочем интервале Т, когда на дуанте 1 присутствует напряжение и происходит ускорение протонного пучка 11. Такая последовательность подключения осуществляется за счет введения цепи синхронизации 9 между коммутатором 7 и вариатором 2.
Дуантная система СЦ, как радиотехническая система, является перестраиваемым по частоте резонансным контуром, состоящим из дуанта 1 в качестве объемного резонатора с распределенными электрическими параметрами и подсоединенного к нему вариатора частоты 2 в качестве переменной электроемкости. Разряд 13 типа ВВР происходит в вариаторе частоты 2, а разряд 12 типа РВР происходит на дуанте 1 и связанных с ним элементах дуантной системы. Это принципиальное отличие лежит в основе принципа работы предлагаемого устройства.
2
1
2
Работа предлагаемого устройства и быстродействие защиты дуантной системы СЦ от электрических разрядов и пробоев, как типа ВВР, так и типа РВР, происходит следующим образом. Кратковременное подсоединение высокоомного источника отрицательного смещения 6 к дуанту 1 заряжает все элементы дуантной системы отрицательным потенциалом и тем самым полностью исключает возможность возникновения разряда типа РВР. Однако, из-за наличия в дуантной системе сопротивления утечки 10, отрицательный заряд необходимо периодически пополнять, что и осуществляется в предлагаемом устройстве путем периодического подсоединения источника отрицательного смещения 6 к дуанту 1 с помощью коммутатора 7 в интервалах паузы Т. Такая временная последовательность подсоединения источника отрицательного смещения 6 к дуанту 1 осуществляется путем введения цепи синхронизации 9 между коммутатором 7 и вариатором 2. Повышение интенсивности протонного пучка 11 за счет увеличения ускоряющего напряжения дуанта 1 приводит к появлению одиночных разрядов 13 типа ВВР, которые происходят в вариаторе 2, так как расстояние между пластинами вариатора 2 мало (~ 1 мм), а напряжение на пластинах соизмеримо с напряжением на дуанте 1 [1, стр. 226-238]. Эти пробои закорачивают пластины вариатора 2 и приводят к изменению частоты автогенератора 4, при этом не происходит срыва его генерации и напряжения на дуанте 1. Одновременно с разрядом ВВР 13 в вариаторе 2 происходит утечка через сопротивление 10 отрицательного заряда со всей дуантной системы СЦ. Исчезновение отрицательного смещения с дуантной системы «мгновенно» приводит к возникновению на дуанте 1 электрического разряда типа РВР 12 и к срыву генерации автогенератора 4 без отключения его анодного питания манипулятором 5. Отсутствие ускоряющего напряжения на дуанте 1 продолжается от момента возникновения разряда РВР 12 до конца рабочего интервала Т, что приводит к «потере» только одного импульса протонного пучка 11. В паузе Т происходит зарядка дуантной системы отрицательным зарядом от источника смещения 6, и очередной период Т работы СЦ полностью возобновляется. Таким образом, последовательность протекания процессов при срабатывании устройства защиты от разрядов и пробоев происходит следующим образом: возникновение высоковольтного разряда ВВР 13 в вариаторе 2 разряжает дуантную систему от отрицательного смещения, что «мгновенно» приводит к возникновению на дуанте 1 низковольтного разряда типа РВР 12. Разряд 12 срывает генерацию автогенератора 4 (выключает ускоряющее напряжение на дуантной системе) и тем самым предотвращает продолжение и развитие возникшего разряда ВВР 13.
1
1
Сформулируем преимущества полезной модели и ее отличие от прототипа. Основное преимущество - это быстродействие защиты и простота ее реализации. Действительно: в прототипе быстродействие защиты τ определяется суммой времени отключения мощного манипулятора анодного питания 5 и постоянной времени спада запасенной энергии в дуантной системе (τ≈100÷200 мкс [1]).
2
2
В предлагаемом устройстве быстродействие τ определяется временем развития разряда типа РВР 13, которое соизмеримо с периодом высокочастотного напряжения на дуанте ≈ 75 нс и срывом генерации автогенератора 4 (τ≈1÷5 мкс [3]).
1
2
1
Таким образом, τ>>τ. Такое соотношение в продолжительности существования в дуантной системе разрядов в прототипе и в предлагаемом устройстве приводит к следующим последствиям. В прототипе за время τ происходит развитие высоковольтного разряда ВВР 13 и переход его в серию пробоев между пластинами вариатора 2, а так как эти пластины во время работы перемещаются, то пробои оставляют «дорожку» кратеров. Одновременно происходит ухудшение вакуума в вариаторе 2 и камере 3, что приводит к аварийной остановке СЦ. На откачку дуантной системы требуется 1-5 минут с соответствующей потерей интенсивности пучка протонов 11.
2
В предлагаемом устройстве не происходит остановка работы СЦ, так как за время τ происходит срыв автогенерации дуанта только на один период Т его работы, что приводит к потере всего одного импульса протонного пучка. Из-за быстродействия защиты и прекращения разряда автоматически возобновляется очередной период Т стандартной работы СЦ.
Отметим также простоту реализации предлагаемого устройства.
Перечисленные преимущества выгодно отличают предлагаемую полезную модель от прототипа и других известных устройств.
Полезная модель прошла длительные (>1 года) испытания на синхроциклотроне 1000 МэВ НИЦ КИ - ПИЯФ и показала полную эффективность и надежность защиты дуантной системы от электрических разрядов и пробоев.
Источники информации
1. Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.
2. И.Н. Сливков «Процессы при высоком напряжении в вакууме», М., 1986 г.
3. Б.А. Затер, В.Г. Тишин «Резонансный высокочастотный разряд и возможности его подавления», ЖТФ, т. XXXIV, в. 2, 1964 г., с. 297-306.
4. В.Г. Мудролюбов, В.И. Петрушин «Соотношения для области существования модификаций РВР», ЖТФ, 1979, с. 1017-1021.
5. Аналог. ГОСТ 16357-83 «Разрядники вентильные переменного тока на номинальное напряжение».
6. Прототип. М.Ф. Ворогушин, В.Г. Мудролюбов, А.В. Степанов, И.И. Финкельштейн. «Радиотехнические системы циклотронов», Л., Энергоиздат, 1989, с. 30-31 и с. 73-74.