CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕИА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА
Том 279 1974
ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ СИСТЕМА ИНЖЕКЦИИ ДЛЯ КОМПАКТНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО БЕТАТРОНА
В. А. МОСКАЛЕВ, Ю. М. СКВОРЦОВ
Высокая плотность ускоренного электронного пучка в сильноточном бетатроне [1, 2, 3] достигнута как за счет увеличения области фокусирующих сил и создания «емкого» поля, так и за счет ввода в ускорение не менее 1013 электронов в каждом импульсе. Применение увеличенного напряжения инжекции накладывает своеобразный отпечаток на вид и конструктивйые особенности высоковольтного инжекторного устройства [4], а также схемы его питания. Ниже приводятся результаты разработки высоковольтной системы инжекции для компактного сильноточного бетатрона (БСК)-
Известно, что с целью обеспечения пропорционального изменения количества ускоренных частиц с повышением напряжения инжекции [5, 6] импульсный генератор, питающий электронную пушку, должен иметь мощность, обеспечивающую ток не менее
Лп в*=1.8(Рт)я-£^, (1)
где р и у — релятивистские факторы, учитывающие скорость и
Ри
энергию инжектируемых частиц; хи—--отношение приведенных к
Ро
круглому сечению радиусов области фокусирующих сил и апертуры ин-жекционного устройства; Ь = ——) —параметр, учитываю-
щий расходимость инжектируемого в межполюсное пространство пучка с углом а; — равновесный радиус, а 1,8 — коэффициент, учитывающий физические константы при подстановке величин в системе МК5. Именно ток этот определяет импульсную мощность генератора схемы инжекции БСК, в модуляторе которого (рис. 1) предусмотрен комбинированный накопитель [7].
Поскольку в таком бетатроне все узлы и элементы, включая и импульсные системы, рассчитываются на оптимальные параметры, при проектировании импульсного модулятора учтен опыт применения высоковольтной инжекции в первых сильноточных бетатронах. С этой целью в линейном модуляторе накопитель, основные параметры которого определены из выражений:
С0=
У и
с'к0 р = 0,5^£2оти,
¿7,
(2)
¿кор — 0,25
и,
и-
■ах,
составляется из ограниченного числа конденсаторов типа ИМ или КВ, а их зарядка с целью экономичности и повышения к.п.д. осуществляется через дроссель с индуктивностью:
4р
О-"*-
запуск
КФА ¿ког
Т7 т * л- иг _к?
I----Г1т-___^
Рис. 1. Принципиальная схема импульсного модулятора с комбинированным накопителем
I
1
3 ор1
С Ар
10
-2
(3)
В (2) и (3) С0, Скор, ¿кор — параметры накопителя и корректирующей линии (КФЛ); и и,/н и ти — амплитудные значения и величина напряжения, тока и длительности генерируемого импульса; сг — выбираемый момент корректирования импульса (фронт, вершина или срез) а=
= 0,14-0,9); Сл=С0+2СКОр — суммарная емкость накопителя; / и х — частота питающего напряжения и относительный период процесса зарядки накопителя. Применение в системе инжекции БСК указанного модулятора позволяет не только подавать на инжекторное устройство напряжение с заданной мощностью, но и в известных пределах осуществлять коррекцию формы импульса с целью оптимизации условий захвата [8].
Сокращение геометрических размеров сильноточного бетатрона без изменения его электрофизических параметров при заданной энергии инжекции достигается за счет объединения источника электронов — пушки и источника импульсного напряжения — высоковольтного трансформатора инжекции в единый блок аналогично [9]. До настоящего времени электронная пушка и импульсный трансформатор (ИТ) во всех бетатронах (за исключением ПМБ-6 [10] и бетатрона производства ФРГ на 42 Мэв [И]) разносились на расстояние, которое, с одной стороны, обеспечивало электрическую прочность деталей, находящихся под высоким импульсным напряжением, но, с другой стороны, существенно увеличивало размеры ускорителя, ограничивая его мобильность, так как передача импульсов напряжения на инжекторное устройство осуществлялось по кабельным или жесткофиксированным проводным линиям при напряжении 25—300 кв.
Рассмотрим некоторые моменты, позволяющие решить задачу по созданию импульсного источника ускоренных электронов (ИИУЭ). Прежде всего необходимо принять условие, что такой ИИУЭ не должен ухудшать импульсные и энергетические характеристики прежней системы, когда высоковольтный инжектор торцово'го типа с инфлекторным вводом электронов в область захвата питались от отдельных генераторов импульсами различной полярности.
В БСК инжекторное устройство и импульсный трансформатор питания выполняются в виде совмещенной конструкции (рис. 2), позволя-
Рис. 2. Эскиз конструктивного объединения электронной пушки торцового типа и импульсного трансформатора
ющсй инжектировать пучок электронов с параметрами, обеспечивающими достижение требуемой величины ускоряемого заряда. В основу ИИУЭ положен импульсный трансформатор, состоящий из восьми отдельных стальных сердечников 1, которые наматываются из ленточной холоднокатаной стали марки Э310А и укрепляются по звездообразной схеме вокруг инжектора 5. Используя воздушно-каркасную изоляцию 2.
/с зл.лушке
%
Рис. 3. Принципиальная схема совмещенного питания пушки и инфлектора с применением двух импульсных трансформаторов
с применением оргстекла и полиэтилентерфталатной пленки, детали округлой формы, способствующей выравниванию электростатического поля [12], удалось при заданном напряжении инжекции сконструировать ИИУЭ, который вписывается в установленные габариты. Проведенная оценка эффективности трансформирования импульсов заданной формы (длительность, фронт, спад на вершине и т. п.) показала, что ухудше-
ние переходной характеристики [13] такого ИТ привело к некоторому" увеличению длительности фронта, но в допустимых пределах. В указанной системе удается сохранить важное достоинство импульсного трансформатора для высоковольтной инжекции [14]—незначительная зависимость энергетических параметров от степени нагрузки.
Однако даже при использовании ИИУЭ требуется осуществлять раздельное питание пушки и инфлектора импульсами различной полярности, причем их амплитудные и фазовые соотношения должны находиться в определенной связи.
В системе инжекции БСК питание ИИУЭ, снабженного электростатическим инфлектором, будет осуществляться от одного модулятора. Это позволит [15] упростить процесс настройки ускорителя с высоковольтной системой инжекции.
В качестве оконечной ступени импульсного генератора предлагается применить какую-либо одну из 2-х нижерассматриваемых схем, использующих для целей согласования импульсов по фазе так называемых «фильтров квазинизких» или «квазивысоких частот» [16]. Водной из схем (рис. 3) применяются два импульсных трансформатора. Трансформатор для питания инфлектора подключается непосредственно к выходным клеммам модулятора, а импульсный трансформатор, питаю-
Рис. 4. Волновая диаграмма импуль-
сов:
ик
9ьу
U
by
импульс инфлектора,
- импульс электронной пушки, и =ри — задержки (фазы) соответствующих импульсов
fk
%
f
f
/с эл. пушке
иг w:
w.
%
h *
l
if* т 11^» *шфл
У
I
Рис. 5. Принципиальная схема совмещенного питания пушки и инфлектора от одного импульсного трансформатора
щий электронную пушку, подключается к модулятору через «фильтр
г I И п \
квазинизких частот» ЬфСф . Путем регулировки напряжения
на вторичной стороне ИТ2 можно получить требуемое соотношение между напряжением инфлектора и напряжением пушки, которое в дальнейшем с изменением напряжения на выходе модулятора (Т I—I, рис. 1)
будет оставаться неизменным, т. е. = const. «Фильтр» позволит
U и
обеспечить необходимое согласование импульсов UH и Uву по фазе* причем для случая (рис. 4), когда
Дф-=(Рл- ф >0,
(4)
может быть достигнуто условие максимальной «проходимости» электронного пучка через инфлектор.
Применение отдельного трансформатора несколько усложняет схему, но не исключает ее возможного применения. В связи с этим для системы БСК предпочтительнее применить схему с одним импульсным трансформатором, но имеющим две раздельные обмотки для питания пушки и инфлектора (рис. 5).
Для изменения моментов подачи импульсов на пушку и инфлектор от одного модулятора — согласно (4)—на выходе обмотки 1Г3, питающей инфлектор, устанавливается «фильтр квазивысоких частот» с емкостью Сф=2С', где С'= ^ условная емкость, характеризующая пе-
2* , Р
редачу импульса с частотой хю=-, а — индуктивность филь-
тра. Здесь ти—длительность импульса, формируемого в модуляторе. Параметры таких фильтров определяются из условия передачи импульса за время ¿=срву =2я'~|^1,фСфДля соблюдения необходимого согласования (4).
ЛИТЕРАТУРА
1. В. А. Москалев, Б. В. Окулов, Ю. А. О т р уб я и и и к о в, Ю. М. Скво р-ц о в, А. Г. С к о р и к о в, В. Г. Ш е с т а к о в. Изв. ТПИ т. 2, 122, 1962, 50—58.
2. В. А. Москалев, Ю. М. Скворцов, Б. Н. Окулов, В. Г. Ш е с т а к о в. -Электронные ускорители. Труды IV межвузовской конф., 1964. 204—209.
3. А. А. В о р о б ье в, В. А. Москалев, Ю. М. Скворцов, А. М. Слуп-с к и й, В. Г. Шест а ко в. Изв. вузов, «Физика», № 4, 1967, 139—140.
4. Б. В. Окулов. Диссертация. НИИ ЯФ, Томск, 1969.
5. L. Gonella, Nucl, Jnstr. а. Meth., 22, 1963, 269—291.
6. Б. Н. Р о д и м о в. Докторская диссертация. НИИ ЯФ, Томск, 1966.
7. В. А. Москалев, Б. В. Окулов, Ю. М. Скворцов, А. М. С л у п с к и и. Электронные ускорители. Труды IV межвузовской конф. 1968, 273—276.
8. А. А. В о р о б ь е в, В. А. В о р о б ь е в, я. Н. Д р о з д о в, О. В. С о к о л о в, И. А. Ц е х а н о в с к и й. Электронные ускорители. Труды VII межвузов, конф., вып. 2, 1970, 41—43.
9. Е. А. А б р а м я н, С. Б. В а с с е р м а и, В. М. Д о л г у ш и и, А. А. Егоров, И. В. К а з а р е з о в, А. В. Ф и л и п ч е н к о, Г. И. Я с и о в. Электронные ускорители. Труды VII межвуз. конф., вып. 3, 1970, 36—38.
10. JI. М. Ананьев, М. И. Штейн, В. Л. Ч а х л о в, Ю. П. Ярушки н. Дефектоскопия, 1968, № 6.
11. R. Schittenhelm и. а. Sirahlentherapie., b. 127, h4, 1965.
12. С. В. Кривоносов. Электронные ускорители. Труды VII межвуз. конф., вып. 3, 1970, 49—51.
13. Я- С. И цк ох и. Импульсные трансформаторы. ВИ, 1950. . 14. Ю. М. С к в о р ц о в, А. М. С л у п с к и й. Элетронные ускорители. Труды VII межвуз. конф., вып. 2, 1970, 41—43.
15. Б. Б. Окулов. Электронные ускорители. Труды VII межвуз. конф. вып. 2, 1970, 25—28.
16. Г. В. 3 е в е к е, П. А. И о и к и п, С. В. Страхов. Основы теории цепей. Изд-во «Энергия», 1965.
