Расчет разрядного контура на апериодичность

 

Для проверки разрядного контура на апериодичность необходимо оценить индуктивность разрядного контура генератора (L_г), которая должна быть меньше или равна эквивалентной индуктивности(L_э). Эквивалентная индуктивность определяется из условия отсутствия колебаний в разрядном контуре, которое имеет вид:

 

R₁³ R_кр=2 , где С_э=С_1·С₂/(С₁+С₂) (2.10)

 

При испытании изоляции, в соответствии с требованием ГОСТ, допускаются колебания с амплитудой не более 5% от амплитуды импульса напряжения. С учетом этого условия (2.24) можно записать как:

 

R₁³ 0.69·R_кр=1.38·  (2.11)

 

Тогда величина эквивалентной индуктивности, при которой в контуре будут колебания с допустимой амплитудой, определяется как:

 

L_э£0.525·C_э·R₁² (2.12)

 

Индуктивность генератора можно представить суммой индуктивности:

 

L_г= L_пр+ N₁L_к+ N₂*L_разр (2.13)

 

Где L_пр - индуктивность провода; L_к - индуктивность конденсатора;

L_разр - индуктивность разрядного промежутка; N₁ – количество конденсаторов;

N₂ – количество разрядников.

L_пр=2*10^-7l ((ln 2l/r)-0.75), где l - длина провода примерно 3 м, r-радиус провода, его находим из того что s=4мм² значит r= 1,1*10^-3м

L_пр=2*10^-7*3 ((ln 2*3/1.1*10^-3)-0.75)=4.3 мкГн;

L_пр=4.3 мкГн – индуктивность провода;

Сопротивление провода R=l*ρ/s, где ρ – удельное сопротивление меди 0,0167 Ом*мм²/м, l – длина провода, s- поперечное сечение провода.

R=0,012 Ом

Рассчитываем L_разр, т.е. L_искры используя формулу для расчета индуктивности провода:

L_пр=2*10^-7l ((ln 2l/r)-0.75), где l - длина провода в рассматриваемой задаче это длина искрового канала примерно 0.01 м, r-радиус провода – радиус канала искры r= 0.5*10^-3м [9]

Вычисляем:

L_разр=2*10^-7*0,01*((ln2*0,01/0,5*10^-3)-0.75)=5.8нГн

L_разр – индуктивность разрядного промежутка, или L_искры

L_к – индуктивность конденсатора. Просмотрев ряд справочников, книг и сайтов в интернете индуктивность конденсаторов не была определена, поэтому при расчетах бралась оценочное значение индуктивности 100нГн. конденсаторы

Таким образом, емкость генератора:

L_г = 4.3*10^-6+7*100*10^-9+7*5.8*10^-9=4,6*10^-6 Гн

L_г= 4.6 мкГн - индуктивность ГИНа

L_э=1*10^-4 - эквивалентная индуктивность

Сравним L_г= 4,6 мкГн - индуктивность ГИНа и L_э=1*10^-4 - эквивалентная индуктивность, L_э > L_г, следовательно, условие выполняется, и допустимые колебания не превышают 5% от амплитуды импульса напряжения.

Генератор импульсных напряжений параметры, которого рассчитывались выше, в НИИ ВН в лаборатории №1 был разработан в 2000г. Имеются осциллограммы, полученные при работе ГИНа в режиме короткого замыкания, холостого хода, стабильной работы ГИНа. Используя некоторые осциллограммы можно рассчитать некоторые реальные значения параметров ГИНа.

При режиме КЗ (короткое замыкание) получена осциллограмма с помощью, можно рассчитать индуктивность L_г:

 

Рис.2.2. Режим короткого замыкания ГИНа

 

В режиме КЗ период колебаний

                          (2.13)

 

где С₁ = Ск/7 = 6.7 нФ. Отсюда индуктивность ГИНа

С₁ – разрядная емкость ГИН; С_к - емкость конденсатора.

Определим f – частоту колебаний используя следующую осциллограмму:

 

Рис.2.3. Зависимость амплитуды сигнала от частоты для ГИНа тогда

 

 

 

Если сравнить значение L_г полученное из режима КЗ и рассчитанного по формуле

 

L_г= L_пр+ N₁L_к+N₂ L_разр,

 

то можно сделать вывод о том, что значение индуктивности генератора, полученное при расчете вполне соответствует и реальное значение индуктивность.

2.5 Измерение тока и напряжения ГИНа

 

Для определения тока ГИНа используется пояс Роговского, схема которого представлена на рис.2.4.:

 

Рис.2.4. Изображение пояса Роговского

 

Пояс Роговского используют для измерения импульсных токов в проводниках и в пучках заряженных частиц. Пояс Роговского представляет собой длинный замкнутый соленоид произвольной формы с равномерно намотанной обмоткой. Принцип его работы основан на регистрации магнитного поля, создаваемого измеряемым током I₀(t).

 

Рис.2.5. Эквивалентная схема пояса Роговского

 

При выполнении условия ωRнС << 1 влиянием паразитной межвитковой емкости обмотки ПР можно пренебречь.

Тогда из второго уравнения Кирхгофа изменение тока в нагрузке равно:

                                                      (2.14)

 

Для импульса тока с линейно растущим током

 

где τ – длительность импульса.

Затем

 

(2.15)

 

 (2.16)

 

Этот режим работы ПР называется режимом трансформатора тока.

Индуктивность обмотки ПР равна:

 

                       (2.17)

 

где S - площадь сечения обмотки, l- длина сердечника, μ – магнитная проницаемость сердечника.

При обратном соотношении

Реализуется режим контура ударного возбуждения и из уравнения:

 

 

Преобразовываем:

 

 

В этом случае измеряемый ток равен:

 

 

Рис.2.6. Пояс Роговского с обратным витком

 

Для измерения напряжения на ГИНе используют жидкостной делитель напряжения:

 

Рис. 2.7. Схема жидкостного делителя напряжения

 

Эквивалентная схема делителя представлена на рис.2.8.

 

Рис. 2.8. Эквивалентная схема жидкостного делителя напряжения

 

Рассмотрим, где расположен делитель, к сожалению, подробное описание основных частей делителя неизвестны.

 

Рис.2.9. Схема импульсного электронного ускорителя ТЭУ-500 с основными элементами

 

Рассмотрим калибровку делителя, обратимся к схеме, по которой производилась калибровка:

 

Рис.2.10. Схема калибровки жидкостного делителя

 

На рисунке жидкостной делитель представлен как делитель ДФЛ, с генератора ГЗИ-6 подаем напряжение на делитель U₁ – входное напряжение и U₂ – выходное напряжение. С помощью осциллографа фиксируем значения U₁ и U₂, получаем следующую осциллограмму:

 

Рис.2.11. Осциллограммы напряжения на входе и выходе делителя ДФЛ

 

Затем с помощью программы Origin8 определяем значения U₁ и U₂, а также определяем коэффициент деления К= U₁/ U₂, К= 1050 ± 1%

Таким образом, используя выше приведенные выражения, и вычисления был рассчитан генератор импульсных напряжений, который собран по схеме Аркадьева-Маркса. Подобные генераторы импульсных напряжений широко используется практически во всех ускорителях в лаборатории №1 НИИ ВН.

 

3. Констуктивное исполнение ГИНа

 

На рис.3.1. показан внешний вид ГИНа.

 

Рис.3.1. Конструкция генератора импульсных напряжений

 

Весь объём корпуса (1 на рис.3.1.) ГИНа заполнен азотом при давлении 1,5 атм. Азот используется главным образом в качестве изолятора, а также энергия ионизации у азота больше, чем на пример у воздуха и вследствие этого увеличивается значение зарядного напряжения и быстрее происходит пробой. Корпусе изготовлен из стали, на нем расположены две стойки (3 на рис.3.1.) из капролона. Капролон - полимер, предназначен для изготовления механической обработкой изделий конструкционного и антифрикционного назначения. Устойчив к воздействию углеводородов, масел, спиртов, кетонов, эфиров, щелочей, и слабых кислот.

На стойки крепятся с помощью специальных хомутов и шпилек разрядники и конденсаторы (5 и 6 на рис.3.1), помимо этого внутри стойки расположены зарядные сопротивления марки ТВО-20 (7 на рис.3.1).

С целью уменьшения экранирования и возможности возникновения пробоев концы креплений, на которые крепятся конденсаторы, изготовлены в виде шаров (4 на рис.3.1).

Медный провод (2 на рис.3.1). длиной 3м и предназначен для того, чтобы передать импульс напряжения, полученный в ГИНе на нагрузку (ДФЛ).

Генератор работает в режиме с внешней синхронизацией, т.е напряжение срабатывания разрядников больше, чем напряжение до которого заряжаются, а для срабатывания генератора в первую ступень включен управляемый разрядник представляемый собой тригатрон со встроенным во внутрь электродом на который со внешнего источника подается напряжения. Разрядники имеют интересную форму: шар, помещённый в стакан, дело в том, что конструктивно разрядник разработан, так чтобы шары могли перемещаться, вращаться вокруг свое оси в стакане и тем самым могут чиститься от различных окислений и уменьшать эрозию своей поверхности.

Конструктивное расположение элементов и размеры ГИНа приведены в приложении Б.

 

Заключение

 

В данной работе рассчитывался и проектировался генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Аркадьева-Маркса. Были рассчитаны количественные значения элементов ГИНа: значения коэффициентов использования разрядной схемы и волны; емкость и индуктивность конденсатора (из значения емкости конденсатора был выбран тип конденсатора К75-74 для использования в ГИНе); количество ступеней; фронтовое и разрядное сопротивления. Проведен расчет разрядного контура на апериодичность. Описаны зарядные устройства (регулятор напряжения и высоковольтный источник), а также пояс Роговского, который применяется для измерения тока на выходе ГИНа и жидкостной делитель напряжения, который фиксирует значение напряжения на выходе ГИНа.

Для расчета выше перечисленных элементов предоставлялись исходные данные ГИНа, который используется в качестве первоначального источника образования электронного пучка в ускорители ТЭУ-500 в лаборатории №1 в НИИ ВН. Сравнивая значения, полученные при расчете и реальные значения можно сделать вывод, что расчет сделан грамотно и соответствует реальным значениям элементов генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Аркадьева-Маркса.

 

Список использованной литературы

 

1. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. - М., Автомиздат, 1977. – 280с.

2.Смирнов С.М., Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения. – М.: Энергия, 1964. – 239с.

3. Авруцкий В.А., Кужекин И.П., Чернов Е.Н. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента. М.:МЭИ, 1983.-264с.

4. Альбертинский Б.И., Свиньин М.П. Каскадные генераторы - М.; Атомиздат, 1980 г. - 93с.

5. Бажанов С.А., Воскресенский В.Ф. Профилактические испытания оборудования высокого напряжения - М.; Энергия, 1977г.- 288с.

6. Богатенков И.П. Генератор импульсных напряжений. -С-Пб., АНО, 1999г.-262с.

7. Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. – М.: Высш.шк, 1983. – 288с.

8. И.П. Кужекина. Испытательные и электрофизические установки, техника эксперимента. - М.; МЭИ, 1983 г. - 263с.

9. Ларионов В.П., Базуткин В.В., Сергеев Ю.Г. Техника высоких напряжений. - М.; Энергоиздат, 1982 -296 с.

10. Костенко М.В. Техника высоких напряжений. - М.; Высшая школа, 1973 г. - 528с.

11. Леонтьев Ю.Н. Высоковольтные испытательные и электрофизические установки. Высоковольтные измерения. - Томск. ТПУ, 1993 г.-93 с.

12. Баумштейна И.А., Хомякова М.В.. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. -М.: Энергия, 1981.-656 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

Приложение А

 

 

 

оптимальное отношение емкостей

 

Приложение Б