CC BY
18
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА
Том 279 ' 1974
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ИНЖЕКТОРНЫХ УСТРОЙСТВ СИЛЬНОТОЧНЫХ БЕТАТРОНОВ
Ю. М. СКВОРЦОВ
(Представлена научно-исследовательским институтом ядерной физики, электроники и автоматики)
Для повышения эффективности применения бетатронов за счет увеличения количества ускоряемых электронов в каждом импульсе наиболее реальным и выгодным путем представляется повышение напряжения инжекции с одновременным увеличением апертуры ускоряющего зазора [1, 2]. В настоящее время целесообразность применения высоковольтной инжекции для увеличения интенсивности излучения циклических ускорителей подтверждена экспериментально [3,4] а стоящие перед этой инжекцией требования достаточно четко поставлены в [5,6]. Именно удовлетворения этих требований [7] позволило в бетатронах с высоковольтной инжекцией получить существенное увеличение числа ускоряемых электронов. Возможность пропорционального изменения числа захватываемых и сохранение доводимых до конца цикла ускорения числа электронов в значительной степени определяется электрическими параметрами импульсного генератора схемы инжекции и характеристиками межполюсного пространства бетатрона. С этой точки зрения для получения условий «оптимального» захвата * инжектируемых электронов к высоковольтным генераторам импульсного напряжения, в частности, предъявляется ряд требований.
В связи с необходимостью в момент инжекции получить удовлетворение условий равенства сил электрического взаимодействия электронного пучка с силами магнитного поля в межполюсном пространстве, к генерируемому импульсу напряжения, питающему высоковольтный инжектор, предъявляются требования как по мощности, которая соответствует необходимому току инжекции, так и по форме. Получение необходимого соответствия между амплитудами напряжения и тока импульса, подаваемого на инжектор, определяет источник питания и вид коммутатора схемы импульсного генератора. В то же время генерирование импульса с заданной формой зависит от конструктивных особенностей и электрических параметров накопителя высоковольтного модулятора.
Так как, согласно исследованиям ряда авторов [9,10], между величиной захватываемого заряда и напряжением инжекции не устанавливается предел начальному значению энергии вводимых в ускорение
* «Оптимальный захват соответствует вводу такого количества электронов, которое приближается по величине к равновесному заряду, способному удержаться магнитными силами поля в межполюсном зазоре бетатрона при данных условиях.
электронов, поэтому реально допустимая амплитуда напряжения связана с обеспечением необходимой электрической прочности инжектора и деталей электромагнита в воздушном зазоре, где размещается этот инжектор.
Для инжекции в сильноточном бетатроне на 25 Мэв нами выбрана энергия инжекции примерно в 10 раз большая, чем ранее применяемая в обычных бетатронах на аналогичную энергию, то есть Еи = 400-\-Е0Кэв. При указанном напряжении размеры системы инжекции в целом не выходят из разумных пределов. Такое увеличение энергии инжекции в соответствии с теоретическими предсказаниями дает увеличение выхода излучения более чем на порядок при прочих равных условиях. Для бетатрона на 15 Мэв энергия инжекции была выбрана равной £и=200 + + Е^Кэв, здесь и ранее £0=511 Кэв — энергия покоя электронов.
к эл. пушке
#
Я от схемы Синхронизации
Рис. 1
Увеличение напряжения инжекции до сотен киловольт требует применения в тракте инжекции — инфлектора. Согласно существующей связи между напряжениями на электронной пушке и пнфлекторе электростатического типа и с учетом его геометрических характеристик для выбранного диапазона напряжений инжекции (£/и= 200—400 кв), на отклоняющей пластине инфлектора требовалось напряжение (/ ву = = 30—60 кв соответственно.
Поскольку при высоковольтной инжекции мощность генератора импульсного напряжения приобретает существенное значение, для систем инжекции первых сильноточных бетатронов на 15—20 Мэв величина необходимого тока рассчитывалась по эмпирической формуле:
/Иг = (6-8) ,10-*
Здесь и Эй — радиус равновесной орбиты и область фокусирующих сил в межполюсном пространстве, (6—8)-Ю-6 коэффициент, учитывающий изменение необходимого тока генератора в зависимости от вида инжекторного устройства и мощности схемы.
7*
99
Сооруженные автором модуляторы для высоковольтных генераторов импульсных напряжений охватывает весь диапазон:
а) по типу накопителя,
б) по виду коммутатора.
Для сильноточного бетатрона на 25 Мэв, работающего на промышленной частоте, предусматривалась схема на мощной электронной лампе (рис.1), причем в качестве накопителя должна была использоваться сосредоточенная емкость с частичным разрядом. Однако малая величина
№ пп. Характеристика Ед. изм.
А. Модулятор
1 Амплитуда напряжения выпрямителя Кб
2 Зарядный ток ма
3 Накопитель —
4 Суммарная емкость мкф
5 Суммарная индуктивность мкгн
Б. Импульсный трансформатор
6 Импульсная мощность мгвт
7 Форма генерируемого импульса:
а) длительность по основанию мксек
б) длительность фронта „
8 Индуктивность кажущегося намагничивания мкгн
9 Суммарная паразитная емкость тгср
10 Индуктивность рассеяния мкгн
11 Сердечник магнитопровода:
а) тип и толщина ленты мм
б) средняя длина силовой линии см
в) сечение см2
12 Число витков обмоток:
а) первичной вит.
б) вторичной »
13 Диэлектрическая среда
* Частота повторения импульсов 0,25 гц
** Корректирующей линии
Таблица 1
Номин. напряжение инжекции (кв)
200 300 400
30 50 60
40 150 15*
двойная формирующая емкость с коррект. ли- двойная формирующая
линия нией линия
0,023 0,05 (0,023) 0,066
73 138
7,6 18,4 40,0
1,3 3,5 3,0
0,22 0,8 0,4
650 1280 1500
1795 2547 1975 •
13,6 9,0 14,3
ЭЗЮ-0,08 Э310А—0,08 ЭЗЮ-0,08
101 180 200
52 102 128
12 18 10
80 108 66
масло масло масло
импульсной мощности, допускаемая современными электронными модуляторными лампами, и сложность эксплуатации, связанная с применением отдельных выпрямителей для питания сеток и необходимостью жидкостного охлаждения ее электродов, делают невозможным их применение на современном этапе в мощных генераторах высоковольтных систем инжекции.
Применение в качестве модуляторов ионных приборов типа воздушный управляемый разрядник или водородный тиратрон (рис- 2) позволило полностью удовлетворить требования к системе высоковольтной инжекции. Коммутирование в модуляторе импульсных токов с амплитудой до 1000 а при напряжении 60 кв позволило обеспечить генератором для напряжений до 400 кв необходимые токи в нагрузке — высоковольтной электронной пушке торцового типа [11]. Кроме того, путем изменения волнового сопротивления линии за счет уменьшения ее продольной индуктивности возможно осуществлять необходимую коррекцию формы импульса. Эта коррекция призвана повысить стабильность захвата, что отражается на средней интенсивности тормозного излучения сильноточного бетатрона.
Положительные свойства емкостного накопителя и двойной формирующей линии были реализованы в предложенном и осуществленном импульсном модуляторе (рис. 3) с комбинированным накопителем [2]. Оригинальное подключение отрезка искусственной линии, разомкнутой на конце, позволяет, изменяя ее волновое сопротивление, осуществлять в известных пределах коррекцию импульса ( рис. 4).
Ниже в таблице приведены основные характеристики высоковольтных модуляторов и импульсных трансформаторов [13], изготовленных под руководством автора для сильноточных бетатронов на энергию 15ч-25 Мэв.
В заключение отметим, что применение изготовленных высоковольтных генераторов импульсного напряжения в системе инжекции сильноточных бетатронов [14, 15], имеющих увеличенную область фокусирующих сил в межполюсном пространстве электромагнита, дало возможность повысить ускоряемый заряд более чем в 200—500 раз по сравнению с обычными бетатронами такой же энергии.
Пользуясь случаем, автор приносит искреннюю благодарность профессору Москалеву В. А. за постановку задачи и ценные советы.
ЛИТЕРАТУРА
1. \Videroe. 1опгп. Арр1. РЬуэ., 18, 783, (1947).
2. В. А. Москалев, М. Ф. Филиппов, А. Г. С к о р и к о в, Ю. М. Скворцов. Изв. вузов. «Физика», № 5, 35—44. (1959).
Рис. 4. Осциллограммы импульсов при различных значениях ¿к отрезка искусственной линии
3. А. П. Комар, О. П. Коровин. ДАН СССР, 159, № 4, 775—776, (1964). 4. В. А. Мо с к а л е в, Б. В. Окулов, Ю. М. Скворцов, А. М. С л у п с к и й. Электронные ускорители. Труди VI межвузовской конференции. «Энергия», 273, (1968).
5. Б. Н. Родимов. Докторская диссертация. НИИ ЯФ ТПИ, Томск, (1967).
6. L. G о riel la, Nucí. Instr. a Meth, 22, № 2, 269—291, (1963).
7. Ю. M. Скворцов. Диссертация. НИИ ЯФ ТПИ, Томск, (1967).
8. Б. Н. Р о д и м о в, П. А. Ч е р д а и ц е в, В. Л. Р у с а н о в, А. М. Герасимов. Изв. вузов, «Физика», № 5, 6—13, (1959).
9. -В. Н. Логунов, Е. П. Овчинников, В. Л. Русанов, А. М. Герасимов. ЖТФ, 27, № 5, 1125—1142, (1967).
10. А. И. Павловский, Г. В. Склизков, Г. Д. Кулешов, А. М. Герасимов. ЖТФ, 33, № 3, 374—375, (1963).
11. Б. В. Окулов. Диссертация. Томск, (1969).
12. В. А. Москалев, Ю. М. Скворцов, А. М. С л у п с к и й. Авторское свидетельство, № 207979 от 16/Х-1967.
13. Ю. М. Скворцов, А. М. Слупский. Электронные ускорители. Труды VII межвузовской конференции. Атомиздат, М., в. 3, 41, (1970).
14. В. А. Москалев, Ю. М. Скворцов, Б. В. Окулов, В. Г. Ш е с т а к о в. Электронные ускорители. Труды IV межвузовской конференции. М., «Высшая школа», (1964), 204—209.
15. А. А. Воробьев, В. А. Москалев, Ю. М. Скворцов, Б. В. Окулов, А. М. Слупский, В. Г. Ш е с т а к о в. Изв. вузов, «Физика», 4, 139, (1967).
