Разработка и создание импульсной системы линейного индукционного ускорителя силунд-20 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

О .50

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-90-251

ФАТЕЕВ Анатолий Александрович

УДК 621.384.6

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ СИЛУНД-20

Специальность: 01.04.13 - электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1990

Работа выполнена в Общеинститутском научно-методическом отделении Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Долбилов Геннадий Варламович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Мешков Анатолий Николаевич

кандидат физико-математических наук Коваленко Александр Дмитриевич

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте.

Защита диссертации состоится " '^^-¿^/¿^_1990 года

в на заседании Специализированного совета Д-047-01.02 при

Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

Автореферат разослан " ^ " 1яяп года.

Ученый секретарь

Специализированного совета

М.Ф.Лихачев

бшай ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ХУальцдсзь.. В научных исследованиях и технике широкое

?имен< ние находят линейные индукционные ускорители. Основным гораь юнием развития ЛИУ в последние годы является повышение эщности пучков.

Одна из наиболее сложных задач, возникающих при этом, состоит формировании мощных импульсов наносекундного диапазона для жорения сильноточных пучков заряженных частиц. Особые трудности )зникают при формировании ускоряющих импульсов длительностью ¡сколько десятков наносекунд и меньше. Путь увеличения количества >адиционных наносекундных генераторов представляется малоперспек-шным, что с неизбежностью приводит к необходимости разработки >вых типов генераторов для ЛИУ.

Успешное решение этой задачи позволяет добиться существенного югресса не только в развитии ЛИУ, но и в других областях корительной (в частности, формирования импульсов для отклоняющих (стем) и высоковольтной импульсной техники.

Цедь„¡заботы заключалась в исследовании схем усиления пульсной мощности с применением нелинейных ферромагнитных

о л

ементов при больших СЮ +10 Вт) уровнях мощностей, разработка и здание на этой основе мощных магнитных генераторов импульсов носекундного диапазона и импульсной системы линейного дукционного ускорителя СИЛУНД-20.

Иаучиад_новааиа приведенньа в диссертации результатов ределяетея их связью с развитием нового направления техники ЛИУ, растеризующегося применением схем усиления импульсной мощности и рмирования наносекундных импульсов на нелинейных ферромагнитных эментах. Впервые создана импульсная система ЛИУ на основе схем атия.

Имкхиыайкая-Ценнййть^ Научные результаты, полученные в ;сертационной работе, использованы при проектировании и создании шейного индукционного ускорителя СИЛУНД-20, корректирующего гройства системы формирования электронных колец и положили шло развитию нового класса ЛИУ - ЛИУ с использованием принципа атия во времени электромагнитной энергии.

АПйойаииа.сайогы^ Основные результаты работ автора, связанных •емой диссертации, докладывались на научных семинарах ОНМО ОИЯИ, Совещании по проблемам коллективных методов ускорения ( Дубна, *2г. ), на IX Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных тиц ( Дубна, 1984г. ), на Международной конференции "ЛЙНАК-86"

( Станфорд, США, 1986г. ) и на XIII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий ( Новосибирск, 1986г.).

Публикации^ Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, приведенных в списке литературы.

С1еУЕХУ£а_ЛИ£сеЕ1:аыии- Работа состоит из введения, трех гла! и заключения. Общий обьем составляет 90 страниц, включая 26 иллюстраций, список литературы насчитывает 47 наименований, каждаг глава заканчивается выводами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во _вве лацйй показана актуальность темы, сформулирована цель работа и дано краткое содержание основньк разделов диссертации.

йасваЗ-МаМ посвящена решению проблем усиления импульсной мощности и формирования импульсов в наносекундной области длительностей с помощью коаксиальных нелинейных линий, заполненных ферритом.

В такой линии на фронте импульса может образовываться ударна: электромагнитная волна* с коротким (~10-*сек) перепадом напряжени; и тока. В случае, когда относительная магнитная проницаемость н; фронте волны му»1, зарядка линии происходит за время много больше чем ее разрядка на нагрузку, то есть возможно усиление импульсно мощности-

Показано^Л что максимальный коэффициент усиления при работе н согласованную нагрузку достигается в случае максимальног заполнения линии ферритом и зависит от амплитуды напряженное! магнитного поля ударной волны Ну (рис.1).

б

--

Рис.1. Зависимость максимальног коэффициента усиления от амплитудь напряженности магнитного поля в лин» 1 - расчет по измерянным значениям >■ и ^0Тр» 2 - экспериментальные точки! 3 - расчет для волны, отраженной <

о * в I? и 20 н,ыа/м> короткозамкнутого конца линии.

Получены также зависимости относительной магнитной проницаемое на фронте ударной (>у) и отраженной (^отр) волн от Ну.

Приведены формулы для инженерного расчета ферромагнитных линий использованием полученных экспериментальных данных.

* Катаев И.Г. "Ударные электромагнитные волны". Сов. радио, 1963

Второй раздел первой главы посвящен вопросам формирования мощных импульсов наносекундной длительности (~20-30нсек) для ЛИУ. Проблема формирования наносекундных импульсов является одной из наиболее сложных в магнитных генераторах и тесно связана с проблемой усиления мощности в наносекундном диапазоне.

С целью решения этих проблем была предложена^7' схема (рис-2), включающая в себя ДФЛ, одно из плечей которой заполнено ферритом, и нелинейный ферромагнитный дроссель 1-к, который играет роль коммутатора. ДФЛ заряжается резонансным образом от накопительной емкости Сн, приблизительно равной суммарной емкости плечей. В общем случае емкость Ся является элементом цепи сжатия, а дроссель 1.н и коммутатор 1С заменяются нелинейным дросселем.

ДФЛ

/н к

НФЛ

тххт

и

ФЛ

ш

и

1п

Рис.2. Принципиальная схема устройства для формирования ускоряющих импульсов.

В начальном состоянии феррит в линии и нагрузке (индуктор ЛИУ) замагничен и ДФЛ заряжается как сосредоточенная емкость. При этом дроссель 1_к ненасыщен и обладает значительным импедансом. В момент достижения максимума напряжения дроссель 1_к насыщается и на входе ДФЛ образуется перепад напряжения. При распространении по нелинейной формирующей линии (НФЛ) он преобразуется в более короткий по длительности и на индукторе формируется прямоугольный импульс.

Расчеты такого звена показали, что максимальный коэффициент полезного действия достигается при условии равенства волновых сопротивлений нелинейного и линейного участков (рс)=р1) и определяется отношением длительности перепада напряжения на входе

НФЛ твх к длительности импульса на нагрузке Ти:

Проведены испытания такого формирующего звена, показавшие возможность его использования в модуляторе ЛИУ наносекундного диапазона (Ти~20нсек).

£тйеа.3_1:£&ва посвящена вопросам практического использования нелинейных схем усиления мощности в ускорительной технике.

Предложена схема магнито-тиратроиного генератора мощных высоковольтных импульсов с коротким спадом и малым уровнем послеимпуль-сов (рис.3) для питания корректирующих пластин системы захвата электронного пучка. Повышающий трансформатор с насыщающимся сердечником служит одновременно и элементом звена сжатия. Короткий (~1нсек) спад формируется короткозамкнутой линией Ф, заполненной ферритом.

Рис.3. Схема генератора мощных высоковольтных импульсов с коротким спадом. Л4- тиратрон ТТИ1-2500/50.

Определены основные причины возникновения послеимпульсов в тага» схеме и указаны пути их уменьшения. В результате наладки получен: рекордная для такого типа генераторов импульсная мощность -150 МВ-Генератор формирует импульсы амплитудой до ЮОкВ на нагрузке 75 0] со спадом 10-осек. Уровень послеимпульсов не превышает .

Генератор работает с частотой повторения до 50Гц. Временна, нестабильность положения спада импульса на нагрузке л определяется нестабильностью зарядного напряжения и пр существующей в настоящее время системе стабилизации (Ч1/и <0Л%) не превышает 1нсек. Созданный генератор полностью удовлетворяв требованиям, предъявляемым к источнику питания корректорны пластин системы захвата электронного пучка. Длительная эксплуа тация показала его высокую надежность.

Сг12Н

ит

Во втором разделе второй главы рассмотрены вопросы разработки и создания магнито-тиратронного модулятора для линейного индукционного ускорителя наносекундного диапазона. Определена общая требуемая мощность модулятора, включая потери на перемагничивание индукторов^. Рассмотрены основные характеристики ячейки сжатия с сосредоточенными параметрами на энергию ~102Дж (емкость ОЛмкФ при напряжении ~50кВ, сердечник дросселя с изменением потока -10~ЭВ-сек). Показано, что максимальный коэффициент усиления мощности такого звена ( К ==5 ) достигается при длительностях выходного импульса т>300нсек. Экспериментально исследованы предельные по времени и мощности характеристики импульса при работе на резистивную нагрузку.

Такая ячейка может быть использована для запитки оконечных каскадов модулятора, выполненных по схеме рис.2, что и было реализовано на головном образце ускорителя СИЛУНД-го^'', где в модуляторе использовались 12 нелинейных ДФЛ с коммутирующими дросселями на ферритовых сердечниках.

Приведены описание схемы и принципа работы модулятора, формулы для расчета напряжения на нагрузке (пучке), основные технические характеристики элементов и узлов. На рис.4 показаны импульс напряжения на входе в индуктор (а) и импульс тока (б) в резистивной нагрузке индукторов (эквивалент пучка). Отличие их по форме связано с влиянием индуктивностей рассеяния и конечного времени распространения сигналов по ферритовым сердечникам индукторов.

Рис.4 - Осциллограммы импульсов: а- - напряжения на входе в индуктор» б.- тока на эквивалентной нагрузке. Развертка 17нсек/дел.

** к

Приведены экспериментальные нагрузочные характеристики одной ускоряющей секции, которые находятся в хорошем соответствии с расчетными. Получена импульсная мощность ~400МВт в пучке при токе ~1кА (общая выходная мощность ~600МВт). Модулятор был запущен на головном образце ускорителя СИЛУНД-20 совместно с электронным источником и проработал ~103часов с цикличностью 50Гц. Тем самым

впервые была экспериментально доказана возможность использования нелинейных схем усиления импульсной мощности в модуляторах линейных индукционных ускорителей. В дальнейшем на головном образце была запущена вторая ускоряющая секция с аналогичным модулятором, а затем оба модулятора были объединены в один с общим коммутатором.

1ретья_Е.лава посвящена решению проблемы создания импульсной системы линейного индукционного ускорителяСИЛУНД-20/2_5/, которая включает в себя 5 магнито-тиратронных модуляторов с индукционными ускоряющими секциями, систему размагничивания нелинейных ферромагнитных элементов и устройство стабилизированной резонансной зарядки

Рассмотрена блок схема и назначение важнейших узлов системы. Приведено описание схемы (рис.5) и конструкции модулятора и индукторов, обоснованы основные изменения по сравнению с модулятором головного образца, вызванные более жесткими требованиями по стабильности и надежности.

Высокая повторяемость начальной намагниченности ферромагнитных сердечников обеспечивается двуполярными импульсными источниками тока ИТ^- ИТЭ. Кроме того, дроссель 1_2, наиболее сильно влияющий на задержку выходного импульса, размагничивается высокостабилъным током зарядки модуляторов.

Модуляторы формируют прямоугольные импульсы длительность*: ~30нсек и мощностью ~600МВт. Рабочая частота повторения до 50Гц. Джиттер выходного импульса не превышает 2нсек при общем времена задержки ~3мксек относительно времени коммутации тиратрона.

Во втором разделе третьей главы проведен анализ тиристорно-резонансной зарядки модуляторов. Показано, что она не обладает достаточной устойчивостью при работе с тиратронными генераторами.

Предложена двухконтурная схема зарядки (рис.6)/'®/, обладающая повышенной помехозащищенностью. Стабилизация напряжения осуществляется с помощью запираемого тиристорного ключа Т, на буферной емкости С1.

Промежуточная емкость С2, равная суммарной емкости модуляторов, заряжается резонансным образом через дроссель Ц и тиристорный ключ Т2 и только после его закрытия происходит зарядка накопительных емкостей модуляторов. Таким образом, срабатывание тиратронов в любой момент времени не приводит к режиму короткого замыкания высоковольтного выпрямителя- Схема обеспечивает зарядку емкости ~1мкФ до 50кВ с цикличностью до 50Гц. Нестабильность напряжения не превышает 0,04?, что является достаточным для того, чтобы исключить его влияние на джиггер ускоряющих импульсов модуляторов.

В третьем разделе приведены основные результаты длительной (>104часов) эксплуатации всей импульсной системы, в целом подтверждающие правильность и целесообразность выбранной схемы построения и технической реализации отдельных узлов.

Импульсная система ускорителя СИЛУНД-20 обеспечивает суммарную энергию 2МэВ при токе нагрузки 1кА и работает с частотой до 50Гц. Рассмотрены основные результаты работы импульсной системы с пучком. Внешний вид ускорителя СИЛУНД-20 показан на рис.7.

В заключение перечислены основные выводы по проделанной работе и обобщены результата работы в целом.

Рис.7. Внешний вид ускорителя СИЛУНД-20.

Оснййиы&_ваа*дыахыА_погху£ныы£_пеи_выпйдн£иии

ЛИ££.£Е2а1Ш&аЦ&а_Мй01Ыг.

1. Впервые в практике создания ЛИУ реализована возможность использования схем усиления импульсной мощности на нелинейных ферромагнитных элементах при формировании ускоряющих импульсов.

Проведенные исследования вариантов схем усиления использованы при проектировании и создании линейного индукционного ускорителя СИЛУНД-20.

Актуальность выбранного направления исследований подтверждается дальнейшим развитием ЛИУ наносекундного диапазона.

2. .Предложена разработана и создана импульсная система линейного индукционного ускорителя СМУНД-20 с параметрами: суммарная энергия МэВ при токе ~1кА, длительность ускоряющих импульсов ~3-10~всек, частота повторения до 50 Гц.

3. Предложен, разработан и создан модулятор линейного индукционного ускорителя с импульсной мощностью -600 МВт, длительность« ~3-10-всек, частотой повторения импульсов до 50 Гц. В модуляторе применена новая схема формирования мощных наносекундных импульсо!

с использованием нелинейных ферромагнитных линий, имеющая приоритетную новизну, подтвержденную авторским свидетельством на изобретение.

4- Экспериментально доказана возможность стабилизации временного положения импульсов магнито-тиратронных генераторов с точностью не хуже 0,1# общего времени задержки от момента срабатывания коммутатора.

5- Предложена, разработана и создана система резонансно-тиристорной зарядки модуляторов, обладающая повышенной надежностью. Надежность обеспечивается двухконтурной схемой зарядки.

6. Предложен, разработан и создан магнитный генератор высоковольтных импульсов с коротким спадом. Генератор формирует импульсы

_о

амплитудой до ЮОкВ на нагрузке 75 Ом, со спадом -10 сек. Исследованы основные причины возникновения послеимпульсов в таких генераторах и выработаны рекомендации по их уменьшению. Достигнут минимальный уровень послеимпульсов ± 15%.

7. Проведены исследования работы нелинейных ферромагнитных линий в режиме усиления импульсной мощности. Экспериментально показано, что существует предельный коэффициент усиления, определяемый непрямоугольностью петли гистерезиса. Получена экспериментальная зависимость коэффициента усиления от амплитуды магнитного поля в феррите марки 600НН. Получено, что максимальный коэффициент усиления равен ~2 для проходящей и -6 для отраженной волн.

Литература.

1. Горинов Б.Г., Долбилов Г.В., Лебедев Н.И., Петров В.А., Петров В.А-, Саранцев В.П., Сумбаев А.П., Фатеев A.A., Эберль У. Экспериментальное исследование систем индукционного ускорителя с повышенной цикличностью СИЛУНД II. ОИЯИ, 9-12148, Дубна, 1979.

2. Долбилов Г.В., Лебедев Н.И., Петров В.А., Петров В-А., Саранцев В.П., Сумбаев А.П., Фатеев A.A. В кн.: Коллективные методы ускорения. ОИЯИ, Д9-82-664, Дубна, 1982, с.101.

3. Долбилов Г.В., Дубовик Л.В., Инкин В.Д., Лебедев Н.И., Николаев В.П., Петров В.А., Петров В.А., Саенко Т.П., Саранцев В.П., Сумбаев А.П., Фатеев А-А., Щеулин A.C., Щинов Б.Г. Коллективный ускоритель тяжелых ионов КУТИ-20. СИЛУНД-20, системы управления, контроля и диагностики. ОИЯИ, Р9-83-307, Дубна, 1983.

4. Александров B.C., Белошцкий П.Ф., Беляев Л.Н..........

Фатеев A.A.,......Щорнак Г. В кн. Ускорительный комплекс тяжелых

ионов в ОИЯИ - ОИЯИ, Р9-83-613, Дубна, 1983.

5. Долбилов Г.В., Петров В-А., Фатеев A.A. Линейный индукционный ускоритель электронов СИЛУНД-20. ОИЯИ, Р9-86-290, Дубна, 1986.

6- Долбилов Г-В-, Лебедев Н.И., Узлов C.B., Фатеев A.A., Щинов Б.Г. Система стабилизированной резонансной зарядки модуляторов ускорителя СИ ЛУН Д-20. ПТЭ, if5,1986, с.22.

7. Долбилов Г.В., Петров В.А., Фатеев A.A. Магнитный генератор высоковольтных импульсов с коротким спадом. ПТЭ, №1, 1986, с.98.

8. Фатеев A.A. Усиление импульсной мощности в нелинейных Ферромагнитных линиях. ПТЭ, №1, 1988, сЛ01-

9. Долбилов Г.В., Фатеев A.A. Импульсная система линейного индукционного ускорителя. Авторское свидетельство СССР № 724065, H 05 H 5/00. Приоритет от03.07.78. Бюл.#47, 1986.

Рукопись поступила в издательский отдел 6 апреля 1990 года.