Новое поколение источников высоковольтного питания диагностических атомарных инжекторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение стр.

Глава 1. Инжекторы атомов водорода для диагностики параметров плазмы в крупных плазменных установках

§1.1 .Плазменный эмиттер на основе дугового разряда

§1.2. Плазменный эмиттер на основе ВЧ разряда

Глава 2. Требования и ограничения, предъявляемые к источнику высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора. Возможные варианты построения

§ 2.1. Обзор возможных принципов построения систем высоковольтного питания

2.1.1. Источник высоковольтного питания с использованием трансформаторов, работающих с частотой промышленной сети

2.1.2. Источник высоковольтного питания на основе импульсного трансформатора

2.1.3. Секционированный источник высоковольтного питания на основе емкостных накопителей энергии

2.1.4. Источник высоковольтного питания на основе высокочастотного разделительного трансформатора

Глава 3. Практическая реализация метода «многофазного преобразования напряжения». Высоковольтный модулятор диагностического инжектора "DNBI-TCV". Анализ полученных характеристик системы высоковольтного питания стр.

§3.1. Основные принципы, использованные при разработке источников высоковольтного питания диагностических атомарных инжекторов нового поколения стр.

§3.2. Основные элементы и узлы источника высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора стр.

3.2.1. Преобразователь напряжения повышенной частоты стр.

3.2.2. Конструкция разделительного трансформатора повышенной частоты стр.

3.2.3. Конструкция и схема высоковольтного выпрямителя стр.

3.2.4. Устройство демпфирования режима «прерывистых» токов питающей сети стр.

3.2.5. Схема индивидуального таймирования работы «высоковольтных ячеек» стр. стр.6 стр.8 стр. стр.15 стр. стр.18 стр.20 стр.23 стр.

§3.3. Модульная система высоковольтного питания диагностического инжектора «DNBI-ТСУ» стр.

§3.4. Анализ полученных характеристик системы высоковольтного питания диагностического инжектора

DNBI-ТСУ» стр.

Глава 4. Необходимость использования промежуточных накопителей энергии при работе мощных систем высоковольтного питания с малыми длительностями. Источник высоковольтного питания диагностического инжектора "DNBI-RFX". Анализ полученных характеристик стр.

§4.1. Емкостной накопитель энергии стр.

§4.2. Работа источника высоковольтного напряжения в составе диагностического атомарного инжектора стр.

Глава 5. Энергоемкие емкостные накопители на основе «суперконденсаторов». Модернизированная система высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора "DNBI-TCV-M". Анализ полученных характеристик стр.

§5.1. Емкостной накопитель энергии с использованием конденсаторов типа «ИКЭ» стр.

§5.2. Работа источника высоковольтного питания с использованием конденсаторов типа «ИКЭ» стр.

Глава 6. Источник тока дугового разряда с возможностью модуляции амплитуды стр.

§6.1. Источник тока дугового разряда ионного источника установки "DNBI-RFX" стр.

§6.2. Источник тока дугового разряда «квази-непрерывного» источника ионов стр.

Статус работ стр.

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера ведутся исследования в области физики высоких энергий и физики плазмы. Для этих целей в Институте построены и сооружаются сложные электрон-позитронные ускорительные комплексы, уникальные установки для исследований в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, специализированные источники синхротронного излучения.

Наряду с относительно крупными физическими комплексами в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера сооружаются сравнительно небольшие установки, предназначенные для обеспечения конкретных физических экспериментов, как в России, так и за рубежом. Создание крупных ускорительных комплексов, плазменных установок, источников синхротронного излучения и многих других установок было бы затруднено без адекватного развития технологий преобразования электрической энергии и совершенствования элементной базы, позволяющей строить для этих установок специализированные системы питания.

Опыт построения экспериментальных физических установок в ИЯФ им. Г.И. Будкера и других ведущих научных центрах показывает, что только специально спроектированные системы позволяют достичь необходимого качества питания элементов физических установок. Промышленных изделий, обладающих необходимыми характеристиками, зачастую, просто не существует. Кроме того, системы питания экспериментальных физических установок интегрированы в сложные комплексы нестандартного электротехнического оборудования и электроники, поэтому их целесообразно составлять из устройств, специально построенных по единым правилам, обеспечивающим совместимость оборудования с системами управления, электромагнитную совместимость источников питания измерительными и физическими устройствами. При этом необходимо учитывать и то, что экспериментальные физические установки зачастую являются источниками различного рода излучений, генерируют помехи различной природы. В частности, работа мощных плазменных установок, таких как токамаки, сопровождается генерацией мощных рассеяных магнитных и электрических полей широкого частотного диапазона. Кроме того, импульсный или квазиимпульсный режим работы таких установок приводит к существенному возмущению питающей сети. Разработку и создание специализированных систем высоковольтного питания экспериментальных физических установок можно рассматривать как самостоятельное направление работ. Проектирование мощных высоковольтных источников питания, работающих в импульсных и квазиимпульсных режимах, является актуальной задачей при создании установок для изучения характеристик плазмы в крупных плазменных установках. 5

Данная работа посвящена разработке нового поколения высоковольтных систем квазиимпульсного питания на основе транзисторных (IGBT) преобразователей повышенной частоты и метода модульного построения таких систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в диссертации научно - технические решения нашли широкое применение при проектировании источников высоковольтного питания диагностических инжекторов атомов водорода в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера и за его пределами. На основе разработанных базовых схем «распределенного» многофазного преобразователя напряжения и высоковольтного выпрямителя с малой запасенной энергией за последние годы построены несколько источников высоковольтного питания, успешно функционирующих в комплексе с диагностическими атомарными инжекторами.

Реализация предложенных автором принципов построения позволила расширить возможности систем высоковольтного питания, в частности, реализовать режим 100% амплитудной модуляции выходного напряжения в широком диапазоне частот: от 250Гц до непрерывного режима и достичь мощностей сотни киловатт.

Разработки специализированных высоковольтных источников напряжения с самого начала были ориентированы на применение в реальных условиях, когда существенное влияние на работу всех систем оказывает неблагоприятное воздействие действующих плазменных установок, работа которых сопровождается генерацией большого уровня электромагнитных наводок. Убежденность в правомерности выбранных решений позволяет использовать их и в дальнейших разработках, в частности, при создании системы высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора с выходной мощностью до 600кВт и временем работы до Юсек.

В заключение необходимо отметить, что без постоянных обсуждений научных и технических решений с заведующим Лаб. 6 к.т.н. А.С.Медведко было бы невозможно в ограниченные сроки разработать, изготовить и ввести в эксплуатацию большой объем специализированного оборудования.

Автор признателен заведующему Лаб. 9-1 д.ф-м.н. А.А.Иванову за корректно поставленные задачи и постоянную моральную поддержку.

Автор благодарен заведующему НКО-4 к.т.н. Г.С.Крайнову за большой личный вклад в разработку конструкций специализированных источников высоковольтного питания и А.В.Булатову за большой вклад в разработку конструкций высоковольтных выпрямителей и источников тока дугового разряда.

Автор признателен Г.Ф.Абдрашитову за техническую и моральную помощь и всестороннюю поддержку в наладке и запуске установок, Е.В.Севастьянову и А.Н.Семенову за высококачественное изготовление электронного и электротехнического оборудования, а так-же другим сотрудникам Лаб 6,

101

НКО- 4 и Лаб 9-1, принимавшим участие в создании специализированных источников высоковольтного питания.

1. Н.В.Ступишин и др., «Квазистационарный дуговой генератор водородной плазмы». Тезисы докладов XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС 1998г.

2. М.Д.Габович, Физика и техника плазменных источников ионов. М., Атомиздат, 1972, стр.30.

3. Крупник Л.И. Терёшин В.И., Методы активной корпускулярной диагностики плазмы (обзор), Физика плазмы, Т.20, No.2, 1994.

4. В.И.Давыденко, П.Дейчули, А.А.Иванов, В.В.Колмогоров, В.В.Мишагин, Н.В.Ступишин. Квазистационарный дуговой генератор водородной плазмы. Тез. докл.25 Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 2-6 марта, 1998, с 188, Звенигород, Россия.

5. Г.Ф.Абдрашитов, И.И.Авербух, П.П.Дейчули, А.Н.Драничников, А.А.Иванов, В.А.Капитонов, М.В.Коллегов, В.В.Колмогоров,

6. В.И.Давыденко, П.П.Дейчули, А.А.Иванов, В.В.Колмогоров, Е.М.Мандрик,

7. B.В.Мишагин, В.В.Ращенко, Н.В.Ступишин, Ю.Ф.Токарев. Диагностический инжектор на основе квазистационарного дугового плазменного эмиттера// Тез.докл.27 Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС,21-25февраля2000-Звенигород,2000,с54.

8. V.Kolmogorov, A.Bulatov, Yu.Evtoushenko, A.Medvedko. High-voltage modulator with small energy accumulation in the output filter //Proc. Of the 7th European Particle Accelerator Conference (EPAC'2000), 26-30 June 2000, Vienna, Austria, 2000, p.2208-2210.

9. D.E. Poole, L.M. Ford, S.A. Griffiths, M.T. Heron, C.W. Horrabin, "A Crowbarless High Voltage Power Converter For RF Klystrons", EPAC96, p. 2326.

10. U.Schwarz, U.Braunsberger, A.Furrer, U.Pfister, The High Voltage Power Supply for the Acceleration Grids of the TEXTOR NEUTRAL INJECTORS, Symposium of Fusion Technology, Varese 1984, pp.823-828.

11. U.Boksberger, U.Braunsberger,U.Schwarz. THE SOLID STATE TEXTOR HIGH VOLTAGE NEUTRAL BEAM ACCELERATOR POWER SUPPLIES, Symposium of Fusion Technology, Austin, Texas 1985, pp.679-680.

12. U.Schwarz, M.Lochter, U.Braunsberger, H.U.Boksberger, M.Portmann. OPERATING OF THE TEXTOR ACCEL POWER SUPPLY ON THE NEUTRAL INJECTION TEST STAND. Symposium of Fusion Technology, Aviguon 1986, pp.679-680.

13. E.Hintz and B.Schweer, Plasma Phys. Control. Fusion 37 (1995) A87-A101; M.M.Menon, C.C.Tsai, J.H.Whealton, D.E.Schechter, G.C.Barber, et al, Rev. Sci. Instrim. 56 (1985), No. 2, p.242 (нагрев плазмы)

14. M.C.Vella, W.S.Cooper, P.A.Pincosy, R.V.Pyle, P.D.Weber, R.P.Wells, Rev. Sci. Instrm. 59 (1988), No. 11, p.235718.0hara, Y., Akiba, M., Arakawa,Y., Okumura, Y., and Sakuraba, J. (1980). J.Appl.Phys. 51(7), p.3614

15. Davydenko V.I. et al, Proc. 18th Symp. Fusion Techn., Karlsruhe, Germany (1994), p.601

16. Beklemishev A., Davydenko V., Ivanov A., Podyminogin A., Rev.Sci.Instrum., 69,(1998), No. 5.

17. Davydenko V.I., Ivanov A.A., Rogozin A.I., Uhlemann R., Rev. Sci. Instrum., 68, (1997),No. 3.

18. Dimov G.I. and Roslyakov G.V., Sov. Pribori. Tech. Exp. 1, 29 (1974)

19. Yu.I.Belchenko, V.I.Davydenko, G.I.Dimov, et al., Rev. Sci. Instrum. 61(1990)378

20. J.Mlynar et al., Diagnostic Neutral Beam injector at the TCV Tokamak, CRPP report LRP 710/01, CRPP-EPFL, Lausanne, 2001. (про DNBI-TCV)104

21. P.Bosshard, B.P.Duval, J.Mlynar, H.Weisen, 28th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Madera, Portugal, ECA Vol. 25A, (2001), 365-368. (про DNBI-TCV)

22. F Hofmann et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 36 (1994) B277-B287

23. F Hofmann et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 43 (2001) A161-A173

24. J.-M. Moret, ECH physics and new operational regimes on TCV, Plasma Phys. Control. Fusion (to be published in 2002).

25. V.I.Davydenko, P.P.Deichuli, A.A.Ivanov, A.Kreter, V.V.Mishagin, A.A.Podminogin, I.V.Shikhovtsev, B.Schweer, R.Uhlemann, Rev. Sci. Instruments, v.71, No.10, pp.3728-3735 (2000)

26. J.Mlynar, TCV DNBI Profile and Attenuation Studies with Code Manual, CRPP report LRP 692/01, CRPP-EPFL, Lausanne, 2001.

27. Karpushov, P.Bosshard, B. P. Duval, J. Mlynar, 29th EPS Conference on Plasma Phys. and Contr. Fusion, Montreux, ECA 26B (2002) P-4.119.