Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе
В статье приведены основные аналитические выражения для расчета баланса энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе (ЛИУ) большой средней мощности, предназначенном для промышленных целей. Показана взаимосвязь между энергетическими, электрическими и конструкционными параметрами уско...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2005
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142502 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе / А.Г. Гурин, Р.С. Ложкин // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 83-85. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859913433412009984 |
|---|---|
| author | Гурин, А.Г. Ложкин, Р.С. |
| author_facet | Гурин, А.Г. Ложкин, Р.С. |
| citation_txt | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе / А.Г. Гурин, Р.С. Ложкин // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 83-85. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | В статье приведены основные аналитические выражения для расчета баланса энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе (ЛИУ) большой средней мощности, предназначенном для промышленных целей. Показана взаимосвязь между энергетическими, электрическими и конструкционными параметрами ускоряющей и сопровождающей систем ЛИУ.
В статті наведено головні аналітичні формули для розрахунку балансу енергії в високоенергетичному лінійному індукційному прискорювачі (ЛІП) великої середньої потужності, призначеному для промислових цілей. Показано взаємозв’язок поміж енергетичними, електричними і конструкційними параметрами прискорювальної та супровідної систем ЛІП.
The article presents the main analytical expressions to calculate energy balance in a highenergy linear induction accelerator of high average power intended for industrial applications. Relationship between power, electrical, and construction parameters of the linear induction accelerator accelerating and focusing systems is shown.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:03:57Z |
| format | Article |
| fulltext |
Техніка сильних електричних та магнітних полів
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 83
УДК 621.314.б
БАЛАНС ЭНЕРГИИ В ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОМ ЛИНЕЙНОМ
ИНДУКЦИОННОМ УСКОРИТЕЛЕ
Гурин А.Г., д.т.н., проф., Ложкин Р.С.
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"
Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", кафедра "Электроизоляционной и кабельной техники"
тел. (0572) 70-76-663, E-mail: AGurin@kpi.kharkov.ua
В статті наведено головні аналітичні формули для розрахунку балансу енергії в високоенергетичному лінійному інду-
кційному прискорювачі (ЛІП) великої середньої потужності, призначеному для промислових цілей. Показано взаємо-
зв’язок поміж енергетичними, електричними і конструкційними параметрами прискорювальної та супровідної сис-
тем ЛІП.
В статье приведены основные аналитические выражения для расчета баланса энергии в высокоэнергетичном линей-
ном индукционном ускорителе (ЛИУ) большой средней мощности, предназначенном для промышленных целей. Пока-
зана взаимосвязь между энергетическими, электрическими и конструкционными параметрами ускоряющей и сопро-
вождающей систем ЛИУ.
ВВЕДЕНИЕ
Линейные индукционные ускорители в настоя-
щее время находят всё более широкое применение в
различных областях промышленности. Наибольший
интерес приобретают те технологические примене-
ния, в которых пучок электронов выводят из вакуума
в обрабатываемую среду. Это: стерилизация меди-
цинских изделий, создание вакцин, очистка выброс-
ных газов, очистка воды (пучково-озонная техноло-
гия), и многие другие. Для большинства технологиче-
ских применений требуемая энергия пучка не превы-
шает 10 МэВ, а требуемая средняя мощность лежит в
диапазоне от нескольких десятков киловатт до 1 МВт
и более. Преимуществом ЛИУ перед другими типами
ускорителей является возможность генерации пучков
с наибольшей средней мощностью (от 200 кВт до 1
МВт и более) при относительно невысокой энергии
ускоренных частиц, не приводящей к возникновению
наведенной радиации (не более 6÷10 МэВ, в зависи-
мости от свойств материала выпускных окон). Задача
создания ЛИУ большой средней мощности особенно
актуальна для пучково-озонной очистки воды, по-
требляемой крупными населенными пунктами. На-
пример, для обеззараживания коммунальных стоков
такого города, как Харьков (500000 м3/сут) дозой 1,2
кГр [1], требуемая средняя мощность электронного
пучка составляет 6,95 МВт. Пучково-озонная техно-
логия очистки воды является наиболее универсаль-
ным и экологически безопасным средством обеззара-
живания воды от патогенных микроорганизмов и син-
тетических высокомолекулярных веществ по сравне-
нию с хлорированием, так как хлорирование ведёт к
образованию широкого спектра канцерогенных хло-
рорганических веществ, пагубно влияющих на чело-
века и фауну. Во многих странах мира в настоящее
время проводятся многочисленные исследования по
применению электронных пучков для различных эко-
логических целей.
До настоящего времени большинство линейных
индукционных ускорителей создавалось для чисто
экспериментальных целей. Эти ускорители имели
небольшую среднюю мощность (несколько десятков
киловатт), невысокий общий КПД и не были рассчи-
таны на длительный режим бесперебойной работы.
Поэтому в литературе описание энергетических про-
цессов, происходящих в ЛИУ, имеет разрозненный
характер, и не полное.
Для создания ЛИУ большой мощности с дли-
тельным режимом непрерывной работы нужно знать о
всех возможных потерях энергии в процессе эксплуа-
тации. Это необходимо для правильного расчета теп-
ловой устойчивости секций ЛИУ, а также позволяет
выявить пути удешевления конструкции и повышения
общего КПД ускорителя.
КОНСТРУКЦИЯ И
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛИУ
Компоновочная схема промышленного варианта
ЛИУ представлена на рис. 1. Принцип действия ЛИУ
аналогичен принципу действия импульсного транс-
форматора. Его силовой частью является индукцион-
ная система, состоящая из набора индукторов, каж-
дый из которых имеет изолированный ферромагнит-
ный сердечник и виток намагничивания (первичный
виток). Индукционную систему охватывает вторич-
ный контур, состоящий из ускоряющих электродов и
корпуса ускорителя. Металлический корпус ускори-
теля выполняет роль токопровода и экрана, ограничи-
вающего область действия вихревого электрического
поля. Индуцированное во вторичном контуре напря-
жение обоих полусекций суммируется на ускоряю-
щем зазоре и осуществляет ускорение заряженных
частиц, двигающихся в ускорительном тракте вдоль
оси системы. При этом потенциалы на ускоряющих
электродах равны по модулю и противоположны по
знаку. Ускоряющее напряжение каждой полусекции
пU прикладывается к размещенной в ней дроссель-
ной катушке, уложенной вдоль вакуумного изолятора.
Дроссель предназначен для пропускания
84 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 ISBN 966-593-254-4
Корпус ЛИУ Индукторы Дроссель Вакуумные изоляторы
Ускоряющие электроды
Фокусирующая катушка
ускорительной камеры
E
Фокусирующие соленоиды
Вводы дросселей цепи
размагничивания
Высоковольтные вводы индукторов, подключаемые к импульсным модуляторам
Принуди-
тельное
охлажде-
ние
транс.
маслом
Фокуси-
рующая
катушка
стыко-
вочной
камеры
электроны
1i пi , рi
t
B
∂
∂
Рис. 1. Упрощенная компоновочная схема секции ЛИУ.
Мощность пучка,
введенного в
обрабатываемую
среду
Потери пучка при
транспортировке и
в выпускном окне
Диэлектри-
ческие по-
тери в изо-
ляции ЛИУ
Потери в
ферромаг-
нетике ин-
дукторов
ЛИУ
Джоулевы
потери в
импульсных
модуляторах,
первичном и
вторичном
контурах
ЛИУ
Энергоза-
траты на
систему
охлажде-
ния ЛИУ
Джоулевы
потери в
цепях
фокуси-
рущих
катушек
ПОТРЕБЛЯЕМАЯ
ЛИУ ЭНЕРГИЯ
ПОТЕРИ НА УСКОРЯЮЩЕЕ ПОЛЕ
ПОТЕРИ НА
СОПРОВОЖДА-
ЮЩЕЕ ПОЛЕ
Рис. 2. Классификация потерь в ЛИУ.
постоянного размагничивающего тока рi во вторич-
ный контур ЛИУ, возвращающего в отрицательное
насыщение ферромагнетика индукторов в паузе меж-
ду ускоряющими импульсами, и для ограничения
броска тока от приложенного ускоряющего напряже-
ния. Значение 1iiр << , так как ЛИУ работает в мик-
росекундном диапазоне с большой глубиной скваж-
ности ускоряющих импульсов. Конструкция катушки
предусматривает наиболее равномерное распределе-
ние потенциалов по вакуумному изолятору, что по-
вышает значение напряжения перекрытия. Для транс-
портировки пучка в ускорительном тракте создается
постоянное и однородное продольное магнитное поле
фокусирующими катушками. Для отвода тепла, выде-
ляемого в секции, предусмотрено принудительное
охлаждение трансформаторным маслом. Обмотка фо-
кусирующей катушки ускорительной камеры может
быть изготовлена из полой медной шинки для охлаж-
дения её продуваемым воздухом, так как в вакууме
конвективный теплообмен отсутствует. Количество
ускоряющих секций определяется требуемой мощно-
стью и энергией пучка на выходе ускорителя.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПОТЕРЬ В ПОЛУСЕКЦИИ
ЛИУ
На рис. 2 представлена структурная схема, пояс-
няющая основные виды потерь в ЛИУ. Рассмотрим
более подробно наиболее существенные виды потерь,
происходящих в ускоряющей полусекции ЛИУ.
При разработке конструкции ЛИУ исходными
параметрами являются рабочий импульсный ток пуч-
ка пI кА, и его энергия пeUeU 2= МэВ на входе в
канал электрода после прохождения первого уско-
ряющего зазора. Значение пI ограничено значением
предельного тока пучка, который можно транспорти-
ровать в металлической трубе [3]:
)/ln(21
)1(17
2/33/2
ab
I макс +
−
=
γ
кА; )/(1 2mceU+=γ , (1)
где 2mc – энергия покоя частицы, МэВ; a и b – ра-
диусы пучка и канала электрода (в см). Для удержа-
ния пучка в трубе длинным соленоидом создается
магнитное поле, определяемое из условия:
2/1)(12,0 пIaB γ≥ (2)
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 85
где B – магнитная индукция, в Тл. Вдали от торцов
длинного соленоида nIB c0µ= , где cI – ток соленои-
да, А; n – количество витков на 1 м длины. Потери в
соленоиде при этом составят
nl
S
bIP c
сc 50
2 π
ρ⋅= Вт; (3)
где ρ – удельное сопротивление, Ом·м; S – сечение
провода, м2; l – длина соленоида, м; bbbc ∆+= –
радиус соленоида, см; b∆ обусловлено толщиной
стенки трубы, толщиной изоляции соленоида, и т. д..
При определении B из (2) радиус a принимают
меньшим b , но с учетом ограничения, накладываемо-
го выражением (1). Из выражения (2) и (3) следует,
что увеличение a при constab = практически
пропорционально снижает потери в соленоиде за счет
снижения требуемого значения B , так как это снижа-
ет значение сI .
Потери в ферромагнитной системе на рабочем
цикле. Согласно теории импульсного перемагничи-
вания [3], потери в ферромагнитной ленте при воз-
действии импульса магнитного поля
)2/()()( rtitH π= , определяются выражением:
∫
λ
δπ=
пT
s dt
dt
dtHbrBrw
0
)(4)( Дж; (4)
где пT – время полного перемагничивания в течение
рабочего цикла, с; рп itititi −−= )()()( 1 - функция пе-
ремагничивающего импульса тока (ток пучка )(tiп и
размагничивающий ток рi оказывает размагничи-
вающее действие по отношению к току импульсного
модулятора )(1 ti ; b – ширина ленты, м; δ – её тол-
щина, м; r – радиус ленты, м; sB – индукция насы-
щения, Тл.
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−ττ+
−
=
λ
∫ωω
t
e tHdHSS
HtH
dt
d
0
0
2
0
0
)(4
)( . (5)
Здесь 0ωS и se BS 2)4/1( σδ=ω – коэффициенты
переключения, учитывающие магнитную вязкость и
вихревые токи, Кл/м; σ – удельная проводимость
ферромагнетика, 1/(Ом·м); 0H – поле старта, А/м.
Следует отметить, что при меньшем значении r и
неизменном H меньше и потери на перемагничива-
ние. Отсюда следует вывод, что уменьшение радиаль-
ных размеров сердечников способствует снижению
потерь. Мощность потерь во во всей ферромагнитной
системе полусекции составляет:
∑
δ−
=
δ+=⋅⋅=
/)(
0
1
12
)/(
зKRR
k
зфр KkRrwNfP Вт; (6)
где 1R и 2R – внутренний и внешний радиусы сер-
дечников, м; зК – коэффициент заполнения; N –
количество индукторов; f – частота посылок, Гц.
Потери в изоляции. В осесимметричной конст-
рукции ЛИУ в течение рабочего импульса действует
вихревое электрическое поле, описываемое II уравне-
нием Максвелла, которое наводит напряжение элu
между металлическими элементами конструкции (в
масляных зазорах между индукторами, в изоляции
сердечников; между ускоряющим электродом и ин-
дукторами; в вакуумном изоляторе). С учетом (5):
t
B
r
E
z
E
s
zr
∂
λ∂
−=
∂
∂
−
∂
∂ 2 ; ldEu
L
эл ∫= , (7)
где L – путь по металлу, соединяющем разные эле-
менты. После нахождения функции )(tuэл и разло-
жения её (или более простой функции, близкой по
форме, с учетом частоты посылок) в ряд Фурье, мощ-
ность диэлектрических потерь можно определить как:
∑
∞
=
δω=
1
2
..
k
kkkkэлиз tgUCP , Вт
Значение мощности, потребляемой полусекцией,
можно представить суммой мощностей:
пактизфофрc PPPPPPP +++++= ,
где фоP – потери в ферромагнетике на обратном цик-
ле ( фрфо PP << ); изP – суммарные потери в изоляции;
актP – джоулевы потери в первичном и вторичном
контурах ЛИУ; пP – мощность, переданная пучку.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье рассмотрены основные виды по-
терь в полусекции ЛИУ. Исходя из изложенного ма-
териала видно, что создание оптимальной конструк-
ции ускорителя с максимальным КПД возможно
только при комплексном подходе к выбору парамет-
ров, учитывающем взаимосвязь ускоряющей и сопро-
вождающей систем ЛИУ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Бабич Є.М., Гладков В.С., Корнілов Є.О. та ін. Еко-
логічно чиста та економічна пучково-озонна технологія
стерилізації та очистки питної води та стічних вод. \ Эко-
технологии и ресурсо-сбережение. 2001, № 6, с. 40-43.
[2] Абрамян Е.А., Альтеркоп Б.А., Кулешов Г.Д.. Интенсив-
ные электронные пучки. Физика. Техника. Применение.
М.: Энергоатомиздат, 1984. с. 25-27.
[3] Гурин А.Г., Ложкин Р. С.. Определение потерь в витых
тороидальных сердечниках при импульсном перемагни-
чивании. \ Вестник НТУ "ХПИ", Вып. 7, "Электроэнер-
гетика и преобразовательная техника", Харьков 2004,
с.73-76.
Поступила 14.10.2004
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142502 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:03:57Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гурин, А.Г. Ложкин, Р.С. 2018-10-10T18:01:36Z 2018-10-10T18:01:36Z 2005 Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе / А.Г. Гурин, Р.С. Ложкин // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 83-85. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142502 621.314.б В статье приведены основные аналитические выражения для расчета баланса энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе (ЛИУ) большой средней мощности, предназначенном для промышленных целей. Показана взаимосвязь между энергетическими, электрическими и конструкционными параметрами ускоряющей и сопровождающей систем ЛИУ. В статті наведено головні аналітичні формули для розрахунку балансу енергії в високоенергетичному лінійному індукційному прискорювачі (ЛІП) великої середньої потужності, призначеному для промислових цілей. Показано взаємозв’язок поміж енергетичними, електричними і конструкційними параметрами прискорювальної та супровідної систем ЛІП. The article presents the main analytical expressions to calculate energy balance in a highenergy linear induction accelerator of high average power intended for industrial applications. Relationship between power, electrical, and construction parameters of the linear induction accelerator accelerating and focusing systems is shown. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе Energy balance in a high-energy linear induction accelerator Article published earlier |
| spellingShingle | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе Гурин, А.Г. Ложкин, Р.С. Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| title | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе |
| title_alt | Energy balance in a high-energy linear induction accelerator |
| title_full | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе |
| title_fullStr | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе |
| title_full_unstemmed | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе |
| title_short | Баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе |
| title_sort | баланс энергии в высокоэнергетичном линейном индукционном ускорителе |
| topic | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| topic_facet | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142502 |
| work_keys_str_mv | AT gurinag balansénergiivvysokoénergetičnomlineinomindukcionnomuskoritele AT ložkinrs balansénergiivvysokoénergetičnomlineinomindukcionnomuskoritele AT gurinag energybalanceinahighenergylinearinductionaccelerator AT ložkinrs energybalanceinahighenergylinearinductionaccelerator |