Упрощенные схемы инжекции и смещения электронов в бетатроне Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том Ы ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1957 г.

УПРОЩЕННЫЕ СХЕМЫ ИНЖЕКЦИИ И СМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В БЕТАТРОНЕ

В. М. РАЗИН

(Представлено научным семинаром физико-технического факультета)

Если частота питания зарядного трансформатора в схемах инжекции и смещения равна (или кратна) частоте тока, питающего электромагнит бетатрона, то представляется возможным зарядную часть схем построить без применения вентильного элемента (рис. 1). Этим достигается значительное упрощение схем. Расчет подобных схем может быть произведен на основании следующих теоретических рассуждений.

Рис. 1

Будем считать, что частота повторения импульсов в разрядной части схемы равна частоте питания всей схемы. Тогда процессы в зарядной части схемы будут протекать следующим образом. В течение каждого периода зарядного тока напряжение на емкости достигает величины UCx при определенной фазе. В этот момент, в результате генерации импульса в разрядной части цепи схемы, напряжение на емкости становится равным —k(Jcx, где k — коэффициент, характеризующий потери разрядной цепи. Очевидно 0<А<1.

Таким образом, в течение каждого периода имеет место переходный процесс в цепи из последовательно включенной емкости включаемой под напряжение зарядного трансформатора u=Um sin (W-j-Ф) при одной и той же фазе а и сопротивления, выполняющего функции токоограничи-вающего и разделительного элемента. В начале переходного процесса напряжение на емкости равно — к UcX, в конце равно-f-Ucx. Переходный процесс в цепи из последовательно соединенных сопротивления R и ем-

13. Изв. ТПИ, т. 87.

193

кости С при включении в момент t — О напряжения и — Um sin (W-f-ф), как известно |1|, описывается уравнением:

и г = Im - COS I + Ф ? j -f Л ^ " , (1)

со

С

где ис- напряжение на емкости,

ш круговая частота питающего напряжения,

/111=—®- ; * = ■ ^Ч--1- ' ? = arctg(—1) ; т=/?С, * ( ^ «'С* ' \ /

/1 постоянная интегрирования, определяемая из граничных условий. В нашем случае мы имеем в момент <Qt = a,uc = kUcx, т. е.

kl)cx— Ifn~ cos (я + ф- 9 ) +Ае ~ , (2)

и) С \ /

в момент o)i = я -н 2 к, = £/сл., т. е.

а + 2т:

i/cx: ~Lsl— cos f a -j- Л +Ае • (3)

И)С \ /

Решая совместно (2) и (3), получим:

L',,-- : cos a4-i ф U——.......-.- • (4)

(О

С

1 4-

Л — cos / a + ф ф I_____________________ . (5)

Следовательно,

и г = cos I a> £ -J- ф - ф I 4-

OJ

С

!

-Г COS

озС

a 4- 0 9 I ;--L+*-г- " " ' (6)

( 14-Л* )

Выражение (4) позволяет определить напряжение на емкости в момент генерации импульса в разрядной цепи, а выражение (6) определяет характер изменения напряжения на аноде коммутирующего тиратрона. Найдем характер изменения тока в зарядной цепи схемы:

• ^ duc Т .

i = C-—- = fms in at

I tot -f ф - - © j

1m I 1 1 4- k e

^ cos^ + ф-.с?J--L_ --—г- . (7)

' 1 - he e <ox

вреднее значение тока:

Л

I 1(1 («О*)

1 т

2 тг

СОЭ I я

1+£

1+/ге

X

Х\ «

Эффективное значение тока:

/

(8)

1

9 г »

«7

V

сое2 (а 4- ф -2 тго) -

1 + Л

2 7Г

1

4 71

ШТ

1 е

(9)

На основании полученных соотношений расчет зарядного трансформатора производится известными методами [2]. Коэффициент полезного действия зарядной цепи определяется следующим образом. Мощность, рассеиваемая в активном сопротивлении зарядной цепи:

Лолезная мощность:

Ро =

р1=/-/?. сис/(\ + к)

2~

Коэффициент полезного действия:

Рг+Р*

<0,5.

(Ю) (П)

(12)

Величина сопротивления Р определяется на основании следующих соображений. После окончания импульса в разрядной цепи напряжение на емкости будет изменяться по закону

ис= ит + Ахе

(13)

В момент т. е.

откуда

Следовательно,

¿ = 0; ис= — Шсх, кисх=ит 4-Аи А1— — кисх - ит.

/ \

иг = и

т

1 —е

Шсхе

или

а = и

т

1+ли

сх

\

(х

и,п )

Момент времени, когда напряжение на емкости станет равным нулю, опре делится из соотношения:

( 1 Шсх \

и

т

1

и

т

О,

откуда

tx — х 1п

I

(141

Последнее соотношение позволяет вычислить т, если известно Ьх. Для обеспечения нормальной работы тиратрона в импульсном режиме необходимо выполнить с некоторым запасом приближенное неравенство где

— время деионизации тиратрона. Это необходимо для того, чтобы за время действия отрицательного напряжения на аноде тиратрона успело восстановиться управляющее действие сетки.

Некоторый расчетный запас имеется в соотношении (13), где предполагается, что после импульса в разрядной цепи напряжение на емкости будет стремиться к ит. В действительности это установившееся напряжение при определенных фазовых соотношениях в схеме будет меньше Ош и. следовательно, действительное значение Ьх будет больше расчетного, определенного из (14).

Примеры расчета. Схема иижекции

Для схемы инжекции характерны следующие значения входящих в расчетные уравнения величин

С = 0,1 = ¿^0,1 -^0,2.

Принимая для приближенного расчета 10~4 сек, Исх~ ит найдем кз (14):

Тогда

1 + Ш

сх

и.

А> =

)

1п(1 4-Л)

= Ю ~Чек

к

10

С

0, 1 -г- 0,2

10-8: (5-т- 10) 10;; ом.

Величина е входящая в расчетные уравнения, при <и = 314,

'¿л

— 0,31 4

Ю~3се-

будет равна е

е 0.

По этой причине расчетные формулы значительно упрощаются. Учитывая, что

г _ Ут ыС

* т — •>

/1+Л2

уравнение (4) запишем в виде

UeX =----~Um-COS (а + <> - ср).

Y\ +co-v

Если зарядный трансформатор питается напряжением, синфазным напряжению на электромагните бетатрона, то должно быть выполнено равенство

a 4- = ,

2

так как инжекция электронов в бетатрон происходит при максимальном значении напряжения на обмотке электромагнита.

Следовательно,

U,г,

Urr=--—™- sine*.

} 1 -j- Ш2 T2

читывая, что ?=arctg f--—] , получим sin о ~

\ I

U,

Y

при » = 314,^^1,1^« > т- е- ¿Ля ^ 3300 в.

Среднее значение тока в зарядной цепи, с учетом написанных соотношений определится из (8):

Im 1+k ' _ /

2т: 2~

'2 тс

'Так как

Um о> С 3300.314.0,2.10~~6 ^ 0

1 m = — - =---= 0, 2 а,

Y 1 + <»2т2 1,05

0 2 11

то . ~ - 0,033 а.

2т, 1,05

Эффективный ток зарядной цепи из (9):

1+ <'+*>' ~ 0,9/ш = 0.18 а. V 2 I/ 1 2«®t(l +«8тг)

Коэффициент трансформации:

£/т 3300 ... п =-—---------------— = 10.6.

ит 220

Эффективный ток сетевой обмотки:

/, = п У"р~ ¡2 ~ 1.9 а-

Расчетная мощность зарядного трансформатора:

Р = ишЬ + ит/

2УТ

197

Мощность потерь:

[\ = Р # = 0,182.5000 - 160 вт

Полезная мощность:

А, = - -------г х ------------s 55 вт.

2тг 2

Коэффициент полезного действия:

Р,

ri —

0,25.

+ Л

Коэффициент полезного действия может быть повышен, если применить зарядку емкости через индуктивность, однако применение такого способа для схемы инжекции не следует считать целесообразным ввиду возможности возникновения перенапряжений на аноде коммутирующего тиратрона при ненормальной работе схемы. Мощность, потребляемая зарядным трансформатором схемы инжекции из сети, обычно невелика, поэтому низкое значение коэффициента полезного действия в этом случае оказывается вполне допустимым.

Схема смещения

Зарядная цепь схемы смещения отличается от соответствующей цепи схемы инжекции иным соотношением фаз процессов зарядки и разрядки, а также другими величинами параметров цепи. Так, в большинстве практических случаев для смещения электронов с равновесной орбиты на мишень в бетатронах на энергии 15 25 Мэв требуется емкость, разряжаемая на витки смещающей обмотки, порядка нескольких мкф при напряжении на ней порядка 2—3 кв. Для зарядки емкости может быть использована такая же цепь (рис. 1), как и в схеме инжекции.

Для целей зарядки емкости в этом случае целесообразно использовать напряжение, отстающее на 60 электрических градусов от напряжения на электромагните. Такое соотношение фаз не трудно получить при наличии трехфазной сети питания. Следовательно, напряжение зарядного трансформатора должно изменяться по закону:

и Um sin (ш t 60°), т. е. ф — 60°.

Сброс электронов обычно осуществляется в момент времени, соответствующий углу в 75 эл. град, после момента инжекции, т. е. а = 90° + + 75° = 165"°.

Для упрощения выкладок перенесем начало координат в точку, где = 0 и а — 165° 60 — Ю5°.

Используя приведенные выше соотношения, произведем примерны!} расчет схемы смещения для параметров

С= 2 мкф; Ucx = 2000 e;k = 0,6; а = 1,83.

Из условия (14):

¿X

lní(l +

kU

сх

ит '

Принимая по-прежнему для приближенного расчета

— 10 1 секу исх ~ ит,

получим т ^ 2,14.10~4се/с, откуда /? = ~ 100 ом.

С

Параметр ют 0,067, следовательно, и в этом случае можно воспользоваться приближенным выражением, как и в случае расчета схемы инжек-ции.

Напряжение на емкости:

Ucx = ---- cos (а т).

У 1+«>2т2

В нашем случае

х _ 9

Следовательно,

cos (а — ср) = — sin а — sin 105 = — 0, 97

UCJC^0,97Um, так как К1 + 0)2x2

Получаем 1Ьг = ^^ ^2060/?. В приближенном расчете 0,97

можно принять исх и/7? ~ 2000 е. Среднее значение тока:

/

m

2т:

где

cos (a ?)(l+jc)s0,3a,

/ =--_ £/a>C = 1,25a.

} l+«>;

Эффективный ток зарядной цепи:

/ = J™- / , , cos2 (a — <р) (1 -f «-) ^ 2,3a.

1

Коэффициент трансформации:

п = = 6,4.

ит

Эффективный ток сетевой обмотки:

1г ^ п/= 14,7 а,

Полезная мощность:

P., —

2т: 2

Мощность потерь:

^ /2 /? - 536 вт.

Коэффициент полезного действия: rt 0,48.

Расчетная мощность трансформатора:

Р = 1, и1 ^ 3250 ва.

Для зарядной цепи в схеме с применением газотрона при тех же значениях величин С, ит,Р и к получаем:

А — 670 ва, Рг = 27,5 вт, Рх —5\2 вт, г, = 0,95.

Следовательно, отказ от применения газотрона приводит в этом случае к значительному увеличению размеров зарядного трансформатора и к снижению коэффициента полезного действия, что не следует считать целесообразным.

Л И Т Е Р А Т У У А

1. К ал ангаров П. Л. и Нейман Л. Р. Теоретические основы электротехники, Згюсэмергоиздат, 1951.

2. Каганов И. Л. Электронные и ионные преобразователи ч. 1, Госэнергоизжат, 1950.