К вопросу стабилизации параметров излучения импульсных бетатронов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

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.