CC BY
11
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
(Представлена кафедрой промышленной и медицинской электроники)
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'
(1)
(2)
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' (3)
1 X 2<о1 ...
Iе =-агс^- . (4)
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 ^
^= (5)
'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"
(1-е « )(2-еЯ )
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.
