Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками
Представлен метод расчета основных элементов секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков, оптимизированных с целью получения наибольшего КПД, темпа ускорения и средней мощности пучка. Показана возможность создания секции ускорителя на среднюю мощно...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17016 |
| 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: | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками / А.Г. Гурин, Е.А. Корнилов, Р.С. Ложкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 61-66. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859627401894428672 |
|---|---|
| author | Гурин, А.Г. Корнилов, Е.А. Ложкин, Р.С. |
| author_facet | Гурин, А.Г. Корнилов, Е.А. Ложкин, Р.С. |
| citation_txt | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками / А.Г. Гурин, Е.А. Корнилов, Р.С. Ложкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 61-66. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Представлен метод расчета основных элементов секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков, оптимизированных с целью получения наибольшего КПД, темпа ускорения и средней мощности пучка. Показана возможность создания секции ускорителя на среднюю мощность пучка 100 кВт при КПД индукционной системы на уровне 0,7, токе пучка в импульсе 20 кА, темпе ускорения 2 МэВ/м, длительности ускоряющего импульса 125 нс, частоте посылок 13,3 Гц, величине ускоряющего напряжения 3 МВ.
Представлено метод розрахунку основних елементів секції потужнострумового лінійного індукційного прискорювача зарядово-компенсованих іонних пучків, оптимізованих з метою отримання найбільшого ККД, темпу прискорення й середньої потужності пучка. Показана можливість створення секції на середню потужність пучка 100 кВт при ККД індукційної системи на рівні 0.7, струмі пучка в імпульсі 20 кА, темпі прискорення 2 МеВ/м, тривалості прискорювального імпульсу 125 нс, частоті посилань 13.3 Гц, значенні прискорювальної напруги 3 МВ.
The method of account of basic elements of section of the high-current linear induction accelerator of charge-compensating ion beams, optimized with the purpose of reception of the greatest efficiency, rate of acceleration and average capacity of a beam is submitted. The opportunity of creation section on average capacity of a beam 100 kW at efficiency of induction system at a level 0,7, current of a beam in a pulse 20 кА, rate of acceleration 2 MeV/m, duration of an accelerating pulse 125 ns, frequency of shots 13,3 Hz, meaning of an accelerating voltage 3 MV, is shown.
|
| first_indexed | 2025-11-29T12:18:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.314.б
ЭЛЕМЕНТЫ СЕКЦИИ СИЛЬНОТОЧНОГО ЛИНЕЙНОГО
ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ
ЗАРЯДОВО-КОМПЕНСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ
С ПОВЫШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
А.Г. Гурин1, Е.А. Корнилов2, Р.С. Ложкин2
1Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»;
2Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: AGurin@KPI.Kharkov.ua; Kornilov@KIPT.Kharkov.ua; Lozhkin@KIPT.Kharkov.ua
Представлен метод расчета основных элементов секции сильноточного линейного индукционного уско-
рителя зарядово-компенсированных ионных пучков, оптимизированных с целью получения наибольшего
КПД, темпа ускорения и средней мощности пучка. Показана возможность создания секции ускорителя на
среднюю мощность пучка 100 кВт при КПД индукционной системы на уровне 0,7, токе пучка в импульсе
20 кА, темпе ускорения 2 МэВ/м, длительности ускоряющего импульса 125 нс, частоте посылок 13,3 Гц,
величине ускоряющего напряжения 3 МВ.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время рассматривается возмож-
ность получения сильноточного ионного пучка
(СИП) для инерциального термоядерного синтеза с
помощью линейного индукционного ускорителя
ионов с использованием методов коллективной фо-
кусировки, в которых силы пространственного заря-
да ионного пучка скомпенсированы электронами, а
электронный ток подавлен магнитной изоляцией
ускоряющих промежутков [1,2]. Предварительные
оценки показывают, что имеются возможности соз-
дания установки для ИТС с 12 радиально располо-
женными индукционными ускорителями, каждый из
которых обеспечит на мишени пучок ионов с энер-
гией порядка 300 МэВ, током 100 кА, при длитель-
ности импульса 20 нс, что даёт общий вклад энергии
9 МДж. При этом предполагается, что инжектор
модуля и все ускоряющие секции (кроме последней)
будут формировать пучок ионов с током 20 кА и
длительностью 125 нс. Продольная компрессия пуч-
ка предположительно может быть ограничена 6,25-
кратным сжатием, причем для этого можно будет
использовать последние ускоряющие секции, запи-
тав их импульсом необходимой формы.
Целью данной статьи является рассмотрение воз-
можности оптимизации конструкции линейного ин-
дукционного ускорителя зарядово-компенсированных
ионных пучков с точки зрения повышения КПД, темпа
ускорения и обеспечения большой средней мощности
пучка.
2. КОНСТРУКЦИЯ СЕКЦИИ ЛИУ
ЗАРЯДОВО-КОМПЕНСИРОВАННЫХ
ИОННЫХ ПУЧКОВ
На рисунке представлена разрабатываемая кон-
струкция секции ЛИУ зарядово-компенсированных
ионных пучков.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 3. 61
Особенностью ускорения СИП в линейном ин-
дукционном ускорителе является необходимость
инжекции электронов в канал дрейфа ионов после
каждого ускоряющего зазора для компенсации ку-
лоновских полей ионного пучка перед прохождени-
ем им последующего ускоряющего зазора. Это осу-
ществляется с помощью инжектора электронов
(компенсатора), представляющего собой отдельную
индукционную секцию, нагруженную на ножевой
автоэмиссионный катод 3. Для обеспечения надеж-
ного прохождения пучком электронов ускоряющего
зазора секции, ускоряющей ионы, энергия элек-
тронного пучка выбирается большей приращения
энергии ионного пучка на следующем ускоряющем
зазоре на величину, определяемую энергетическим
разбросом электронного пучка. В ускоряющем зазо-
ре ионного ускорителя полем ускоряются только
положительные частицы. Электроны, летящие па-
раллельно ионному пучку, тормозятся в зазоре и их
кинетическая энергия преобразуется в энергию
электромагнитного поля (происходит рекуперация
их энергии). Поскольку эту же энергию отбирает у
секции ускоряемый пучок ионов, получается, что
ускоряющая секция ионного ускорителя может ра-
ботать на холостом ходу. Это выполняется при ра-
венстве по модулю значений тока электронного и
ионного пучков. При этом приращение энергии,
приобретаемое ионным пучком в ускоряющем зазо-
ре ускорителя, определяется энергией, отобранной
от электронного пучка.
Особенность разрабатываемой конструкции, от-
личающая её от классических крупносекциониро-
ванных секций индукционных ускорителей, заклю-
чается в том, что компенсатор выполнен в виде мо-
дуля ЛИУ с вакуумной высоковольтной изоляцией,
обращенной на внешний радиус индукционной сис-
темы. Это позволяет получить наибольшее уско-
ряющее напряжение секции при наименьших ради-
альных размерах индукторов, что способствует
удешевлению конструкции и снижению потерь в
индукционной системе компенсатора. Секция, уско-
ряющая ионы, выполнена с индукционной системой,
секционированной по радиусу. Это выгодно с точки
зрения повышения темпа ускорения, так как при
этом минимизируется длина секции.
Series: Nuclear Physics Investigations (54), p.61-66.
Упрощенная компоновочная схема секции ЛИУ
зарядово-компенсированных ионных пучков:
1 – корпус ускорителя; 2 – экран лезвийного катода;
3 – лезвийный автоэмиссионный катод; 4 – спираль-
ные и соленоидальные фокусирующие катушки,
встроенные в центральные электроды; 5 – ускоряю-
щий зазор компенсатора; 6 – область вакуума;
7 – электростатические экраны; 8 – цилиндрический
вакуумный изолятор с градиентными кольцами;
9 – индукторы компенсатора; 10 – центральный
армирующиий элемент; 11 – энергопроводы питания
индукционной системы компенсатора;
12 – энергопроводы питания индукционной системы
секции, ускоряющей ионы; 13 – индукторы ускорите-
ля ионов; 14 – плоский вакуумный изолятор
с градиентными кольцами; 15 – ускоряющий зазор
секции, ускоряющей ионы
В дрейфовые трубки секции встроены фокуси-
рующие спиральные и соленоидальные катушки,
создающие касповую геометрию магнитного поля в
области ускоряющего зазора компенсатора и сек-
ции, ускоряющей ионы. Касповая геометрия в об-
ласти ножевого катода компенсатора нужна для по-
ворота пучка электронов по направлению движения
ионного пучка.
Для обеспечения тепловой устойчивости секции
планируется использовать принудительное охлаж-
дение индукционных систем циркулирующим
трансформаторным маслом. Через индукционную
систему компенсатора масло будет прокачиваться в
щелевом зазоре между индукторами в радиальном
направлении от оси системы, а в секции, ускоряю-
щей ионы – в осевом направлении от торца секции к
вакуумному изолятору.
Рассмотрим более подробно вопросы, касающие-
ся возможности повышения КПД, обеспечения
электрической и механической прочности вакуум-
ных изоляторов ускорителя и тепловой устойчиво-
сти индукционных систем.
3. КПД ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
СЕКЦИИ ЛИУ ЗАРЯДОВО-
КОМПЕНСИРОВАННЫХ ИОННЫХ
ПУЧКОВ
Поскольку в секции осуществляется передача
энергии от электронного пучка к ионному, при рас-
чете КПД целесообразно говорить об общем КПД
ускорительной пары «ускоритель ионов – компенса-
тор», поскольку они в этом случае представляют
собой единую систему. Выражение для КПД в этом
случае имеет вид [3]:
i
e ei e i
W
W W W Wμ μ
ηΣ = + + +
. (1)
Здесь Wμe, Wμi – потери за импульс на перемагничи-
вание индукционной системы компенсатора и сек-
ции, ускоряющей ионы, соответственно; Wi=UiIiτ –
энергия, переданная пучку ионов за импульс;
We=UeIeτ – энерговложенность компенсатора в элек-
тронный пучок за импульс; Wei=Ui(Ii-Ie)τ – энергия,
отобранная электронно-ионным пучком за импульс
от секции, ускоряющей ионы. В этих выражениях Ie,
Ue, Ii, Ui – модули величин тока электронного пучка,
ускоряющего напряжения компенсатора, тока ион-
ного пучка и напряжения секции, ускоряющей ио-
ны, соответственно. Эти выражения справедливы
для прямоугольной формы ускоряющего импульса
напряжения длительностью τ.
Из (1) следует очевидный факт, что КПД ускори-
тельной пары будет тем большим, чем меньшими
будут потери на перемагничивание её индукцион-
ных систем (Wμe и Wμi). Потери на перемагничива-
ние индукционной системы секции ЛИУ в общем
случае определяются как
ÇW V d K S nμ μ μω π ω= = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ , (2)
где V – объем ферромагнетика в индукционной сис-
теме; d – её средний диаметр; Kз – коэффициент за-
полнения сердечников индукторов ферромагнети-
ком; S – площадь поперечного сечения сердечника
индуктора; n – количество индукторов; ωμ – энергия,
теряемая за импульс в единице объема ферромагне-
тика, которая может быть определена на основе тео-
рии импульсного перемагничивания [4]:
2
0 02 (2 / )(S S eB H B S Sμ ω
3)ωω λ τ λ= + + λ . (3)
Здесь H0 – поле старта; BBs – индукция насыщения;
Sω0, Sωe – коэффициенты переключения, учитываю-
62
щие потери на магнитную вязкость и вихревые токи,
соответственно. Эти величины являются характери-
стиками магнитного материала [4,5]. λ=ΔB/2Bs –
относительное приращение индукции за импульс.
Площадь S определяется как
)KnB2/(US зs ⋅⋅λ⋅τ⋅= . (4)
Из (2) и (3) видно, что снизить потери на пере-
магничивание возможно за счет уменьшения объема
ферромагнетика индукционной системы, что, в свою
очередь, осуществимо за счет изготовления секций с
как можно меньшими радиальными размерами.
4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
В результате обзора существующих материалов,
применяемых в вакуумной изоляции и в электро-
технике в целом, в качестве материала изоляторов
была взята корундовая керамика (Al2O3) (её диэлек-
трическая проницаемость ε = 8, пробивная напря-
женность электрического поля 50 МВ/м). Этот ма-
териал обладает значительно более высокой нагре-
востойкостью по сравнению с полимерными мате-
риалами, не подвержен электрическому и радиаци-
онному старению, механически прочен, стабилен в
размерах в широком диапазоне температур и позво-
ляет получить высокий вакуум.
Ввиду того, что вакуумная поверхностная элек-
трическая прочность (Eпр.п. = 7 МВ/м [6]) значитель-
но ниже прочности по объему изолятора – она явля-
ется основным фактором, ограничивающим его
электрическую прочность. При однородном распре-
делении поля по поверхности изолятора длина его
изоляционной части может быть определена сле-
дующим образом:
пр.п..пр.з Е/UKL = . (5)
Здесь Кз.пр. – коэффициент запаса электрической
прочности изолятора. За счет наличия в изоляторе
градиентных колец его суммарная длина составит
Lиз=L ٠K1, где K1=(Δ1+Δ2)/Δ1 (здесь ∆1 – расстояние
между пластинами градиентных электродов. Δ2 –
толщина пластины градиентного электрода); ∆1 за-
дается из условия обеспечения возможности разме-
щения между градиентными электродами индукто-
ров и исходя из технологической простоты изготов-
ления изолятора. Δ2 задается требованиями к меха-
нической прочности градиентных электродов. Сле-
дует отметить, что между двумя соседними гради-
ентными электродами как в компенсаторе, так и в
секции, ускоряющей ионы, может размещаться не
один, а несколько индукторов. Коэффициент запаса
электрической прочности задаётся исходя из макси-
мально возможного перенапряжения в системе, и
определяется как Кз.пр.=1,2⋅Кп.н.=2,4. Максимально
возможное перенапряжение зависит от схемы пита-
ния ускорителя. В нашем случае индукторы будут
питаться от энергопроводов, имеющих с ними со-
гласованное волновое сопротивление. Поскольку
индукционная система компенсатора проектируется
на КПД, близкий к 1, предельно возможный коэф-
фициент перенапряжения в этом случае составит
Кп.н.=2. Перенапряжение в системе может появиться
при величине тока электронного пучка меньше но-
минального (например, из-за ухудшения эмиссион-
ных свойств катода).
Для устранения краевого эффекта и повышения
электрической прочности на краях градиентных
электродов можно разместить металлические труб-
ки, радиус которых можно определить из условия
минимизации напряженности поля в системе элек-
тродов, состоящей из двух параллельных цилинд-
ров: rт = h/5,84 (здесь h – расстояние между центра-
ми трубок). При этом напряженность поля между
соседними трубками будет больше напряженности
поля по поверхности изолятора в 2,4 раза, что обыч-
но не велико по сравнению с напряженностью поля,
при которой начинается пробой между электродами
в вакууме в диапазоне длительностей импульсов,
характерных для ЛИУ (Eпр.в. = 50 МВ/м) [7]. Элек-
трическая прочность трансформаторного масла бу-
дет также достаточна, поскольку она значительно
больше поверхностной прочности изолятора в ва-
кууме (Eпр.м. = 20 МВ/м при 50 Гц для чистого масла,
а в наносекундном диапазоне больше этого значения
до 6 раз [6]).
Известно, что максимальная напряженность поля
в системе двух электродов, состоящих из концен-
трически расположенных цилиндров, находится на
поверхности электрода с меньшим радиусом. При-
равнивая её к максимально допустимой напряжен-
ности на поверхности металла в вакууме,
Eдоп.в.=Eпр.в./Кз.пр.=20,8 МВ/м, можно записать
Eдоп.в.=Ue/(R1 ٠ln(R2/R1)). Здесь R1 – внешний радиус
градиентного электрода; R2 – внутренний радиус
корпуса компенсатора (см. рисунок). Отсюда можно
выразить R2:
))E/(RUexp(RR .в.доп1e12 ⋅⋅= . (6)
Такой подход достаточно точно позволяет опре-
делить оптимальные радиальные размеры корпуса
компенсатора при заданном неизменном габарите R1
и области, более близкой к «земле», где напряжение
между градиентными электродами и корпусом
меньше Ue. Аналогичным образом можно опреде-
лить длину вакуумной камеры lк и радиальный раз-
мер тороидального и цилиндрического экранов но-
жевого катода r. Поскольку оптимальное отношение
внешнего к внутреннему радиусу концентрических
цилиндров (при котором напряженность поля в сис-
теме минимальна) равно e ≈ 2,7, радиус экрана r це-
лесообразно задать равным r = Ue/Eдоп.в., а длину
камеры lк = 2r ٠e. Расстояние между центром
тороидального экрана ножевого катода и стенкой
вакуумной камеры целесообразно задать равным
lк/2. Расстояние между ускоряющими электродами
секции, ускоряющей ионы, считая поле
однородным, можно задать как lз.i = Ui/Eдоп.в..
Следует отметить, что после аналитического
расчета должен производиться численный расчет
поля разрабатываемой конструкции, чтобы выявить
возможное наличие слабых мест и провести при
необходимости окончательную оптимизацию эле-
ментов.
63
5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ПРОЧНОСТИ ВАКУУМНЫХ
ИЗОЛЯТОРОВ
Анализ механической прочности вакуумных
изоляторов секции, ускоряющей ионы, и компенса-
тора показывает, что их градиентные электроды це-
лесообразно использовать как дополнительные ар-
мирующие элементы. Для механической разгрузки
изоляторов секции, ускоряющей ионы, градиентные
электроды должны иметь жесткое крепление с тор-
цевой металлической стенкой корпуса, при этом их
можно задействовать для механической фиксации
остальных элементов секции (индукторов, энерго-
проводов и трубок, подводящих и отводящих охла-
ждающее масло). Минимально допустимая толщина
пластины градиентного электрода может быть опре-
делена следующим образом:
. . c
2
ñð
( m g
d
ç ì ï
ò ýë î ò â
Ê pS
n Êσ π
+
Δ =
)
. (7)
Здесь Кз.м. = 1,6 – коэффициент запаса механической
прочности; p – давление, воздействующее на изоля-
тор; Sп – площадь изолятора; mс – масса всех элемен-
тов полусекции, несомых градиентными электрода-
ми; g – ускорение свободного падения; σт – механи-
ческое напряжение текучести металла; nэл – количе-
ство градиентных электродов; dcp – средний диаметр
изолятора; Котв = 0,2 – коэффициент, учитывающий
уменьшение сечения несущих пластин вследствие
наличия в них сквозных отверстий, необходимых для
размещения в секции энергопроводов и трубок, под-
водящих и отводящих охлаждающее масло.
Другим фактором, важным с точки зрения обес-
печения механической прочности вакуумного изо-
лятора секции, ускоряющей ионы, является механи-
ческая прочность мест склеивания сегментов изоля-
тора с градиентными электродами. Растягивающее
механическое усилие в месте склеивания можно
определить как
1 3 1(p / ) / 2ð gσ ρ= Δ Δ + Δ . (8)
Здесь ∆3 – толщина вакуумного изолятора; ρ – плот-
ность материала изолятора. ∆3 выбирается из усло-
вия технологической простоты изготовления сег-
ментов, обеспечения механической прочности изо-
лятора с точки зрения перепада давления и из усло-
вия обеспечения адгезионной прочности мест
склеивания сегментов изолятора с электродами
(σр≤σа/Кз.м.). Расчеты показывают, что при использо-
вании связки на основе органического термореак-
тивного связующего (σa = 10 МН/м2 [10]) при тол-
щине плоского изолятора 40 мм и соизмеримой с
этим размером радиальной ширине сегмента ∆1
обеспечивается достаточная механическая проч-
ность конструкции.
Анализ механической прочности вакуумного
изолятора компенсатора показывает, что для обес-
печения его механической прочности целесообразно
использовать градиентные электроды, жестко при-
крепленные к центральному армирующему элемен-
ту 10 (см. рисунок). Этот элемент выполняет также
роль токопровода вторичного контура компенсато-
ра. На нём целесообразно закрепить также индукто-
ры и другие элементы секции. Он может быть труб-
чатым или стержневым. Его минимально допусти-
мое поперечное сечение может быть определено
следующим образом:
ê ê
. .
p S m g
/a
ò ç ì
S
Êσ
⋅ + ⋅
= . (9)
Здесь Sк – поперечная площадь внутреннего про-
странства секции компенсатора; mк – масса всех
элементов секции компенсатора.
Расчеты показывают, что для характерных в ком-
пенсаторе радиальных размеров керамического изо-
лятора при радиальной толщине его сегментов по-
рядка 40 мм и соизмеримой с этим размером их дли-
не достигается достаточно высокая механическая
прочность с точки зрения осевых механических уси-
лий, перепада давления и адгезионной прочности
мест склеивания сегментов изолятора с электродами.
6. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА СЕКЦИИ ЛИУ
ЗАРЯДОВО-КОМПЕНСИРОВАННЫХ
ИОННЫХ ПУЧКОВ
Был произведен расчет секции ускорителя ионов
на ускоряющее напряжение Ui = 3 МВ, ток пучка
Ii = Ie = 20 кА, темп ускорения 2 МэВ/м (взят на
уровне темпа ускорения резонансных ускорителей
тяжелых ионов), длительность ускоряющего им-
пульса τ = 125 нс, среднюю мощность пучка ионов
100 кВт (частота посылок при этом составляет
f = 13,3 Гц). В качестве материала ферромагнетика
был взят сплав 50 НП 10 мкм. Его параметры:
H0 = 100 А/м, Sω0 = 80 мкКл/м, Sωe = 80 мкКл/м,
BBs = 1,4 Тл [4]. Первичное напряжение на индукто-
рах было принято равным U1 = 50 кВ, ускоряющее
напряжение компенсатора Ue = Ui + U1 = 3,05 МВ.
Количество индукторов в секции компенсатора при
этом составило ne =Ue/U1=61, а в секции, ускоряю-
щей ионы, ni= Ui/U1=60. Минимально допустимая
длина изолятора составила L=1,04м. Радиус экрана
лезвийного катода при этом составил r = 146 мм,
длина вакуумной камеры компенсатора составила
lк = 0,79 м. При принятом коэффициенте заполнения
сердечников Кз = 0,6 (взят из существующей конст-
рукции), коэффициентах относительного прираще-
ния индукции за импульс, принятых равными 0,75
для индукционной системы компенсатора и единице
для секции ускорителя ионов, площадь поперечного
сечения сердечника индуктора составила 0,005 м
для компенсатора и 0,0037 м для секции, ускоряю-
щей ионы. Зазор между индукторами в секциях был
принят равным 5 мм, между сердечниками индукто-
ров и изолятором – 10 мм. Расстояние между торцом
секции, ускоряющей ионы, и сердечниками индук-
торов из конструкторских соображений было при-
нято равным 7 см (исходя из возможности размеще-
ния энергопроводов и прочих элементов в секции).
Расстояние между градиентными электродами сек-
ции, ускоряющей ионы, было взято равным 7,4 см.
Длина ускорительного зазора секции ускорителя
ионов
2
2
составила lз.i = Ui/Eдоп.в. = 144 мм. Длины час-
тей центральных электродов, выступающих из изо-
лятора в вакуумную камеру секции ионов, были
приняты равными 5 см, радиус центрального элек-
трода (он же наименьший радиус индукционной
64
системы ускорителя ионов) был принят равным
200 мм (размеры взяты из существующей конструк-
ции). Из условия обеспечения темпа ускорения
2 МэВ/м осевые длины сердечников индукторов
секции, ускоряющей ионы, были приняты равными
12 см. При этом суммарная длина секции (вместе с
длиной вакуумной камеры компенсатора) составила
1,5 м. Радиальная толщина индукторов секции уско-
рителя ионов, определенная исходя из рассчитанной
площади сердечника и принятой длины, составила
3 см, внешний радиус индукционной системы соста-
вил 1,354 м, радиальный размер вакуумного изоля-
тора ∆Rиз = 1,154 м, вес всех элементов полусекции
ускорителя ионов mc ≈ 4,5 тонны. Количество гра-
диентных электродов в полусекции ускорителя ио-
нов составило 14 (при этом между соседними элек-
тродами размещено по два индуктора). Толщина
пластин градиентных электродов из нержавеющей
стали (σт = 285 МПа) была принята равной 2 мм в
секции ускорителя ионов и в компенсаторе.
Внутренний радиус сердечников компенсатора
из конструкторских соображений был принят рав-
ным 100 мм, наружный – 200 мм. Ширина сердеч-
ников индукторов, определённая исходя из извест-
ной его площади, при этом составила 0,05 м.
Радиальная толщина сегмента изолятора была
принята равной 40 мм, длина 115 мм (между сосед-
ними градиентными электродами при этом разме-
щено по 2 индуктора). Внешний радиус градиентно-
го электрода R1 был принят равным 310 мм. Радиус
корпуса компенсатора R2 при этом составил 497 мм.
Вес элементов секции компенсатора составил
mк ≈ 2,5 тонны. Поперечная площадь армирующего
элемента из нержавеющей стали составила
Sa=2,15 см2, длина цилиндрического изолятора –
3,57 м. Масса ферромагнетика в индукционной сис-
теме компенсатора составила 1348 кг, а в индукци-
онной системе ионного ускорителя - 3070 кг.
Удельные потери в ферромагнетике составили
для индукторов компенсатора 1974 Дж/м3, а для
секции, ускоряющей ионы – 3864 Дж/м3. Потери на
перемагничивание в индукционной системе за им-
пульс для компенсатора составили Wµe = 309 Дж, а в
секции ускорителя ионов Wµi = 2758 Дж. Средняя
мощность потерь в индукционной системе компен-
сатора составила 4126 Вт, а в секции ускорителя
ионов - 36780 Вт. КПД компенсатора относительно
энергии, переданной пучку электронов, составил
ηк = We/(We+Wµe) = 0,96, а общий КПД индукцион-
ной системы ускорительной пары составил ηΣ = 0,7.
Для оценки возможности обеспечения тепловой
устойчивости секции был произведен тепловой рас-
чет индукционных систем компенсатора и секции,
ускоряющей ионы. Расчет основывался на следую-
щих допущениях:
− тепловыделение в системе считалось непрерыв-
ным процессом;
− не учитывалась нестационарность на входных
участках как гидродинамическая, так и тепловая;
− стенки щелевого канала считались гладкими;
− считалось, что теплоотдача от индукторов в масло
осуществлялась только в щелевом зазоре;
− тепловое сопротивление ферромагнитного сер-
дечника ввиду его малости не учитывалось;
− полагалось, что все сердечники в ускорителе
имеют слой органической изоляции с термореак-
тивным связующим толщиной 1,5 мм и теплопро-
водностью 0,38 Вт/(м⋅К);
− максимально допустимая температура в изоляции
и в масле была принята 80°С.
Целью теплового расчета являлось определение
минимально допустимой скорости движения масла в
зазоре, при которой температура в изоляции и в
масле не превысит максимально допустимых значе-
ний. Расчет осуществлялся методом последователь-
ных приближений с использованием критериальных
уравнений для щелевого канала [9]. Результат рас-
чета показал, что тепловой баланс между выделяе-
мым в индукционной системе и отводимым маслом
выполняется при весьма малых скоростях масла в
каналах, соответствующих вязкостному течению.
Это обусловлено большой суммарной площадью
поперечного сечения каналов и боковых поверхно-
стей индукторов. Массовый расход масла на охлаж-
дение индукционной системы полусекции ускорите-
ля ионов составил 0,3 кг/с, а индукционной системы
компенсатора 0,072 кг/с. Перепад температуры в
изоляции сердечников индукторов секции, уско-
ряющей ионы, при этом составил 2°С, а в компенса-
торе 1,4°С. Температура масла на входе в канал бы-
ла принята 35°С, а конечная температура масла на
выходе из канала как в компенсаторе, так и в уско-
рителе ионов составила примерно 77°С. Результаты
расчета показали техническую возможность обеспе-
чения тепловой устойчивости при весьма незначи-
тельных скоростях масла, однако во избежание ло-
кальных перегревов, обусловленных разными ско-
ростями движения масла в щелевом канале вследст-
вие естественной конвекции и того, что оно будет
подаваться в систему через трубки, нужны эмпири-
ческие исследования и соответствующие расчеты на
их основе. Возможно, будет целесообразна интен-
сификация теплоотдачи через увеличение скорости
прокачки масла и создание направляющих каналов
для более равномерного распределения скорости
движения масла в каналах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создание секции сильноточного линейного ин-
дукционного ускорителя зарядово-компенсиро-
ванных ионных пучков с высоким темпом ускоре-
ния (на уровне 2 МэВ/м) и большой средней мощно-
стью пучка является с точки зрения тепловой устой-
чивости секции, механической и электрической
прочности её элементов технически реализуемой
задачей. Дальнейшей задачей в данном направле-
нии, помимо более тщательной проработки элемен-
тов, является разработка мощного импульсного мо-
дулятора, который обеспечит формирование тре-
буемой формы импульса ускоряющего напряжения
в секции. Для этого потребуется тщательный учет
паразитных параметров, присутствующих в схеме
ускорителя (индуктивностей рассеяния в первичном
и вторичном контурах ЛИУ, нелинейного характера
перемагничивания сердечников, наличие паразит-
ных емкостей и т.д.).
65
5. А.И. Пирогов, Ю.М. Шамаев. Магнитные сер-
дечники в автоматике и вычислительной техни-
ке. М.: «Энергия», 1967.
ЛИТЕРАТУРА
1. О.В. Батищев, В.И. Голота, В.И. Карась и др.
Линейный индукционный ускоритель зарядово-
компенсированных ионных пучков для инерци-
ального термоядерного УТС // Физика плазмы.
1993, т.19, № 5, с.611-644.
6. Е.А. Абрамян, Б.А. Альтеркоп, Г.Д. Кулешов.
Интенсивные электронные пучки. Физика. Тех-
ника. Применение. М.: «Энергоатомиздат», 1984.
7. Е.А. Абрамян. Промышленные ускорители элек-
тронов. М.: «Энергоатомиздат», 1986. 2. В.И. Карась, В.И. Голота, В.А. Кияшко и др. Ис-
следования линейного индукционного ускорите-
ля зарядово-компенсированных ионных пучков
для инерциального УТС // Проблемы теорети-
ческой физики. Київ: «Наукова думка». 1991,
с.165-180.
8. В.И. Феодосьев. Сопротивление материалов. М.:
«Гос. изд-во физико-математической лит-ры»,
1962.
9. В.М. Капинос. Процессы теплообмена в приме-
рах и задачах: Учеб. пособие. Харьков: «НТУ
ХПИ», 2007. 3. А.Г. Гурин, Е.А. Корнилов, Р.С. Ложкин. Коэф-
фициент полезного действия линейного индук-
ционного ускорителя зарядово-компенси-
рованных ионных пучков // Вестник НТУ
"ХПИ". "Электроэнергетика и преобразова-
тельная техника". Харьков, 2006, в.34, с.66-73.
10. Л.Д. Гинзбург. Высоковольтные трансформа-
торы и дроссели с эпоксидной изоляцией. Л.:
«Энергия», 1987.
Статья поступила в редакцию 18.09.2009 г.
4. Ю.П. Вахрушин, А.И. Анацкий. Линейные ин-
дукционные ускорители. М.: «Атомиздат», 1978.
ELEMENTS OF SECTION OF THE HIGH-CURRENT LINEAR INDUCTION ACCELERATOR
OF CHARGE-COMPENSATING ION BEAMS WITH THE RAISED POWER CHARACTERISTICS
А.G. Gurin, Е.A. Kornilov, R.S. Lozhkin
The method of account of basic elements of section of the high-current linear induction accelerator of charge-
compensating ion beams, optimized with the purpose of reception of the greatest efficiency, rate of acceleration and
average capacity of a beam is submitted. The opportunity of creation section on average capacity of a beam 100 kW
at efficiency of induction system at a level 0,7, current of a beam in a pulse 20 кА, rate of acceleration 2 MeV/m,
duration of an accelerating pulse 125 ns, frequency of shots 13,3 Hz, meaning of an accelerating voltage 3 MV, is
shown.
ЕЛЕМЕНТИ СЕКЦІЇ ПОТУЖНОСТРУМОВОГО ЛІНІЙНОГО ІНДУКЦІЙНОГО
ПРИСКОРЮВАЧА ЗАРЯДОВО-КОМПЕНСОВАНИХ ІОННИХ ПУЧКІВ З ПІДВИЩЕНИМИ
ЕНЕРГЕТИЧНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
А.Г. Гурін, Є.О. Корнілов, Р.С. Ложкін
Представлено метод розрахунку основних елементів секції потужнострумового лінійного індукційного
прискорювача зарядово-компенсованих іонних пучків, оптимізованих з метою отримання найбільшого ККД,
темпу прискорення й середньої потужності пучка. Показана можливість створення секції на середню потуж-
ність пучка 100 кВт при ККД індукційної системи на рівні 0.7, струмі пучка в імпульсі 20 кА, темпі приско-
рення 2 МеВ/м, тривалості прискорювального імпульсу 125 нс, частоті посилань 13.3 Гц, значенні приско-
рювальної напруги 3 МВ.
66
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17016 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T12:18:20Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гурин, А.Г. Корнилов, Е.А. Ложкин, Р.С. 2011-02-18T10:50:34Z 2011-02-18T10:50:34Z 2010 Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками / А.Г. Гурин, Е.А. Корнилов, Р.С. Ложкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 61-66. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17016 621.314.б Представлен метод расчета основных элементов секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков, оптимизированных с целью получения наибольшего КПД, темпа ускорения и средней мощности пучка. Показана возможность создания секции ускорителя на среднюю мощность пучка 100 кВт при КПД индукционной системы на уровне 0,7, токе пучка в импульсе 20 кА, темпе ускорения 2 МэВ/м, длительности ускоряющего импульса 125 нс, частоте посылок 13,3 Гц, величине ускоряющего напряжения 3 МВ. Представлено метод розрахунку основних елементів секції потужнострумового лінійного індукційного прискорювача зарядово-компенсованих іонних пучків, оптимізованих з метою отримання найбільшого ККД, темпу прискорення й середньої потужності пучка. Показана можливість створення секції на середню потужність пучка 100 кВт при ККД індукційної системи на рівні 0.7, струмі пучка в імпульсі 20 кА, темпі прискорення 2 МеВ/м, тривалості прискорювального імпульсу 125 нс, частоті посилань 13.3 Гц, значенні прискорювальної напруги 3 МВ. The method of account of basic elements of section of the high-current linear induction accelerator of charge-compensating ion beams, optimized with the purpose of reception of the greatest efficiency, rate of acceleration and average capacity of a beam is submitted. The opportunity of creation section on average capacity of a beam 100 kW at efficiency of induction system at a level 0,7, current of a beam in a pulse 20 кА, rate of acceleration 2 MeV/m, duration of an accelerating pulse 125 ns, frequency of shots 13,3 Hz, meaning of an accelerating voltage 3 MV, is shown. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Физика и техника ускорителей Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками Елементи секції потужнострумового лінійного індукційного прискорювача зарядово-компенсованих іонних пучків з підвищеними енергетичними характеристиками Elements of section of the high-current linear induction accelerator of charge-compensating ion beams with the raised power characteristics Article published earlier |
| spellingShingle | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками Гурин, А.Г. Корнилов, Е.А. Ложкин, Р.С. Физика и техника ускорителей |
| title | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками |
| title_alt | Елементи секції потужнострумового лінійного індукційного прискорювача зарядово-компенсованих іонних пучків з підвищеними енергетичними характеристиками Elements of section of the high-current linear induction accelerator of charge-compensating ion beams with the raised power characteristics |
| title_full | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками |
| title_fullStr | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками |
| title_full_unstemmed | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками |
| title_short | Элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками |
| title_sort | элементы секции сильноточного линейного индукционного ускорителя зарядово-компенсированных ионных пучков с повышенными энергетическими характеристиками |
| topic | Физика и техника ускорителей |
| topic_facet | Физика и техника ускорителей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17016 |
| work_keys_str_mv | AT gurinag élementysekciisilʹnotočnogolineinogoindukcionnogouskoritelâzarâdovokompensirovannyhionnyhpučkovspovyšennymiénergetičeskimiharakteristikami AT kornilovea élementysekciisilʹnotočnogolineinogoindukcionnogouskoritelâzarâdovokompensirovannyhionnyhpučkovspovyšennymiénergetičeskimiharakteristikami AT ložkinrs élementysekciisilʹnotočnogolineinogoindukcionnogouskoritelâzarâdovokompensirovannyhionnyhpučkovspovyšennymiénergetičeskimiharakteristikami AT gurinag elementisekcíípotužnostrumovogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazarâdovokompensovanihíonnihpučkívzpídviŝenimienergetičnimiharakteristikami AT kornilovea elementisekcíípotužnostrumovogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazarâdovokompensovanihíonnihpučkívzpídviŝenimienergetičnimiharakteristikami AT ložkinrs elementisekcíípotužnostrumovogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazarâdovokompensovanihíonnihpučkívzpídviŝenimienergetičnimiharakteristikami AT gurinag elementsofsectionofthehighcurrentlinearinductionacceleratorofchargecompensatingionbeamswiththeraisedpowercharacteristics AT kornilovea elementsofsectionofthehighcurrentlinearinductionacceleratorofchargecompensatingionbeamswiththeraisedpowercharacteristics AT ložkinrs elementsofsectionofthehighcurrentlinearinductionacceleratorofchargecompensatingionbeamswiththeraisedpowercharacteristics |