Содержание к диссертации
Введение 4
Глава первая
Ускоряющие системы ЛЙУ и параметры систем импульсного питания 14
Глава вторая
Машинный анализ схем замещения импульсных генераторов 28
§2.1. Дискретные схемные модели элементов цепи 28
§2.2. Аппроксимация начальных условий многошагового метода 30
§2.3. Анализ разреженных матриц схем замещения 43
§2.4. Анализ схем замещения импульсных генераторов с лестничной структурой 50
Глава третья
Вариационный анализ схем замещения 64
§3.1. Топология метода переноса ветвей линейной электрической цепи 64
§3.2. Анализ схем замещения при модификации параметров и структуры 76
§3.3. Эквивалентный синтез схем замещения импульсных генераторов 88
Глава четвёртая
Анализ переходных процессов в мощных импульсных генераторах 95
§4.1. Анализ переходного процесса формирования импульса в тиратронном генераторе, нагруженном секцией индукторов 95
§4.2. Анализ переходного процесса формирования импульса в тиратронном
генераторе с магнитными ячейками сжатия 120
Глава пятая
Исследование и разработка тиратронних генераторов импульсов 141
§5.1. Импульсный генератор ЛИУ-5/5000 142
§5.2. Магнитный преобразователь формы импульса 152
§5.3. Ускоряющий модуль ЛИУ-І,25/200 165
Заключение 171
Литература 177
Введение к работе
Современные ускорительные комплексы широко используются как в физических исследованиях, так и в ряде отраслей промышленности и медицины. Кроме традиционного направления ускорительной техники - физики ядра и элементарных частиц, мощные пучки заряженных частиц используют и в новых направлениях, к которым относится возбуждение мощных электромагнитных колебаний, коллективное ускорение ионов, генерация мощных потоков рентгеновского излучения, термоядерный синтез и др. Проведённые в последнее время работы показали также высокую эффективность использования лучков заряженных частиц в целом ряде технологических процессов. Так ускорители заряженных частиц используются в технологических процессах облучения полиэтилена с целью повышения его теплостойкости и электрической прочности, внедрена технология облучения кабелей для повышения электрической прочности изоляции, достигнута высокая эффективность использования волновод-ных ускорителей в добывающей промышленности при проведении анализа руд на процентное содержание полезных ископаемых, расширяется использование ускорителей для дефектоскопии толстостенных изделий атомной промышленности [ I + 5 ] . В связи с вышеизложенными задачами ускорительных комплексов физического и технологического назначения несомненный интерес представляют линейные индукционные ускорители, обладающие высокой импульсной и средней мощностью.
При разработке мощного линейного индукционного ускорителя встаёт целый комплекс задач как исследовательских и технологических, так и расчётно-теоретических. Повышение выходной мощности приводит к росту потерь энергии в элементах ускоря - 5 ющего модуля ЛИУ. Рассеяние энергии происходит на фронте и спаде импульса ускоряющего напряжения; энергия рассеивается также в сердечниках индукторов при их перемагничивании, в коммутаторе и батарее накопительных конденсаторов. Остаточная энергия рассеивается в элементах ускоряющего модуля на обратном послеимпульсе. Для снижения потерь энергии в элементах ускоряющего модуля и соответствующего повышения ШЩ ускорителя необходима разработка уточнённой методики машинного анализа переходного процесса формирования импульса ускоряющего напряжения в комплексе импульсный генератор -- передающая линия - индукционная система. Последнее позволит перейти к анализу формирования пучка в самосогласованной системе ускоряющий модуль - пучок заряженных частиц и повысить эффективность ускорителя за счёт снижения потерь ускоряемых частиц в тракте ускорения.
Анализ переходного процесса формирования импульса ускоряющего напряжения в модуле линейного индукционного ускорителя включает два комплекса задач. Во-первых, необходима разработка уточнённых эквивалентных схем и математических моделей элементов ускоряющего модуля. Во-вторых, ряд осо -бенностей структуры ускоряющего модуля ЛИУ приводит к специфическим задачам расчётно-теоретического характера. В этой связи следует отметить разветвлвнноеть эквивалентной схемы ускоряющего модуля ЛИУ, результатом чего является большое количество описывающих устройство уравнений. Кроме этого характерной особенностью эквивалентной схемы является большое количество реактивных элементов, к числу которых относятся индуктивности рассеяния и паразитные ёмкости, ёмкости накопителей, фильтров и цепей перезаряда, индуктивности рассея - 6 ния индукторов и т.д. В результате последнего резко растёт порядок описывающего цепь дифференциального уравнения.
Определённые трудности расчётно-теоретического характера связаны со стремлением разработчиков повысить прямоугольность формируемых импульсов» что позволяет снизить потери мощности и повысить КЦЦ всего устройства. Указанная тенденция имеет место не только в области линейных индукционных ускорителей, но и в целом ряде других. Так генераторы прямоугольных импульсов широко используются в радиолокации [ 6 ] , в системах литания СШ генераторов на магнетронах и клистронах [ 7] , в системах катодного питания источников заряженных частиц [ 8 ] ускорителей самых разнообразных конструкций и схем. Однако повышение прямоугольности выходных импульсов приводит к расширению их частотного спектра, при этом система уравнений равновесия преобразуется в систему жёстких дифференциальных уравнений [ 9 ] . Таким образом алгоритмы интегрирования уравнений равновесия схем замещения импульсных генераторов должны обладать повышенной устойчивостью интегрирования переходного процесса.
При проектировании импульсных систем часто возникает необходимость в изменении параметров ряда элементов, введении новых узлов и элементов для обеспечения необходимой передаточной функции всего устройства. В этой связи и для программ машинного анализа целесообразно введение режима "наладки" цепи. Таким образом необходима разработка таких алгоритмов анализа переходного процесса, при использовании которых изменение параметров цепи и введение дополнительных блоков не требует переработки всей программы машинного анализа.
В настоящее время существует ряд работ, посвященных анализу переходного процесса в ускоряющем модуле ЛИУ. Так в работе [.34] проведено исследование электромагнитного процесса в индукторе ЛИУ, составлены эквивалентные схемы накопителя и индукционной системы, рассмотрен процесс коммутации в водородном тиратроне. В работе [ 72 ] предложена методика анализа переходного процесса в наносекундном импульсном генераторе,нагруженном нелинейным сопротивлением в виде одновиткового трансформатора с ферритовым сердечником. При этом линия пе -редачи энергии была представлена лестничной 1с- структурой, характеристика перемагничивания ферромагнитного сердечника выражена аналитической зависимостью магнитной индукции от напряжённости магнитного поля и скорости перемагничивания. Уравнения равновесия эквивалентной схемы представлены в виде системы интегро-дифференциальных уравнений, решаемых известными методами-. Однако повышение мощности разрабатываемых ускоряющих модулей ЛИУ ужесточает требования к точности как эквивалентной схемы, так и к точности и быстродействию ис -пользуемого алгоритма машинного анализа.
В настоящее время существует целый ряд программ машинного анализа электронных схем, созданных как советскими специалистами, так и зарубежными. К числу программ первого поколения следует отнести американские программы NET-1, ЕС АР, PREDICT, CALAHAN [іО + із] и отечественные программы ПАЭС-1, СПАЭЛ, АСАМС-Ф [і4 + І6І. Уже программы первого поколения позволяли проводить анализ цепей по постоянному току и переходных процессов в последних, при этом анализируемые схемы имели достаточно разветвлённую структуру, включающую десятки узлов. Программа СПАЭЛ позволяла проводить анализ переходных характеристик схем с учётом влияния линий связи. АСАМС-Ф обеспечивала как статический, так и динамический анализ схем и позволяла проводить анализ чувствительности передаточных характеристик цепи к вариации параметров отдельных элементов,
В программах машинного анализа второго поколения $1$САР,МТ-2, CIRCAL-2,ЛАРИСІ 17, 18 ] значительно расширены функциональные возможности программ. Так возможен анализ схем с входными сигналами сложной формы; в статическом режиме моделируются отказы схемных элементов, включение питающих напряжений, производится анализ чувствительности потенциалов схемы к изменению её параметров.
Структура современных программ машинного анализа электронных цепей составляется таким образом, чтобы обеспечить как высокое качество непосредственно машинного анализа -- устойчивость интегрирования, быстродействие, широту функциональных возможностей, так и уменьшение ручного труда при формировании начальных условий, их вводу в ЭВМ и формированию уравнений равновесия. С этой целью, согласно выбранному алгоритму машинного интегрирования осуществляется формирование системы уравнений равновесия и её преобразование до вида пригодного к непосредственному интегрированию. При этом пользователь программы вводит в память дШі информацию о топологии схемы и параметры её элементов. В дальнейшем с использованием известных топологических преобразований [19, 20 ] осуществляется формирование уравнений равновесия в координатах узловых потенциалов, напряжений хорд, либо переменных состояния [ 21, 22]. Сформированная в результате преобразования система уравнений равновесия интегрируется одним из известных методов - методами Рунге-Кутта, явными многошаговыми, либо предиктор-корректорными методами. Анализ электронных цепей в нелинейном приближении производится в большинстве случаев на базе одного из модернизированных методов Ньютона.
В диссертационной работе построены математические модели элементов ускоряющего модуля ЛИУ, разработаны алгоритмы комплексного анализа ускоряющего модуля с учётом параметров накопителя, линии связи, временных характеристик коммутатора, нелинейного входного сопротивления индукторов и паразитных параметров всего разрядного контура. Анализ переходного процесса формирования импульса ускоряющего напряжения может бытъ произведён с учётом нелинейной нагрузки индукторов пучком ускоряемых частиц. Предложен ряд алгоритмов, позволяющих повысить качество программ машинного анализа переходных процессов применительно как к задачам разработки мощных импульсных генераторов электрофизических устройств вообще, так и импульсных генераторов линейных индукционных ускорителей в частности.
В первой главе рассмотрены модификации ускоряющих структур индукционного типа. Определён диапазон основных параметров индукторов и соответствующие характеристики импульсных генераторов. Последнее позволяет определить комплекс основных задач анализа переходных процессов.
Во второй главе рассмотрены некоторые аспекты матричных методов решения уравнений равновесия схем замещения электрофизических устройств. Так наиболее эффективнымапри анализе переходного процесса представляются многошаговые методы, обладающие высокой устойчивостью и точностью интегрирования. Однако при их использовании встаёт задача аппроксимации начальных условий интегрирования. В работе рассмотрен итерационный метод аппроксимации, позволяющий получить точность аппроксимации, адекватную точности многошагового метода.
Матрицы коэффициентов уравнений равновесия имеют высокий порядок и соответственно сильноразреженную структуру, характеризующуюся большим количеством нулевых элементов [23, 24 ] , что связано как с большим количеством основных и аппроксимирующих элементов, так и паразитных. Предложен метод анализа матричного уравнения равновесия цепи с разреженной матрицей коэффициентов, обладающий повышенной точностью.
Многие импульсные генераторы, используемые в электрофизической аппаратуре, и, в частности, в ЛИУ, обладают схемами замещения с лестничной структурой, К числу таких устройств относятся генераторы с формирующими линиями в качестве накопителей, генераторы с кабельными и полосковыми линиями свя -зи, линии задержки и т.д. Матрицы коэффициентов таких генераторов имеют трёхдиагональную структуру. Рассмотрена устойчивость и быстродействие некоторых алгоритмов анализа таких устройств. Предложен устойчивый алгоритм анализа»
В третьей главе рассмотрены вопросы вариационного анализа схем замещения импульсных генераторов,
В процессе разработки сложных электрофизических устройств важной задачей является вариация параметров их элементов с целью достижения необходимых передаточных функций, 0птимиза«» ция цепей в большинстве случаев реализуется использованием алгоритмов определения чувствительности цепи к вариации параметров и соответствующей модификацией схемы. Однако, в ряде важных практических случаев, например, в процессе предварительной "настройки" схемы на этапе машинного проектирования, целесообразно введение новых элементов или целых блоков с целью обеспечения устойчивости схемы, вариаттии передаточных функций и т.п. Изменение параметров или структуры схемы требует повтор - II ного составления и решения уравнений равновесия, что в условиях непрерывного усложнения электрофизических устройств существенно увеличивает как время машинного анализа, так и составления алгоритма.
Преобразование электрической цепи и определение передаточных функций может быть осуществлено методами переноса I и П ро-да[25, 2б], позволяющими с сохранением передаточных функций осуществить исключение отдельных элементов цепи или их введение в цепь. При использовании методов переноса осуществляется преобразование параметров либо элементов контура, включающего исключаемый элемент, либо элементов узла цепи; перенос контурного или узлового элемента сопровождается образованием управляющих связей между элементами контура (узла). Преобразование электрических цепей методами переноса может быть реализовано как на уровне инженерного расчёта цепи, так и организацией специализированного машинного алгоритма. Однако разработка и использование специализированного алгоритма существенно усложнит ведение машинного анализа и целесообразно создание методов преобразования, изоморфных машинным методам анализа цепей. В третьей главе с помощью топологического представления цепи направленным графом показан изоморфизм матричных методов анализа цепей и её анализа методами переноса I и П рода. Целью проведённого исследования является разработка единой методики машинного анализа как при проведении исследования переходного процесса формирования импульса в аппаратуре, так и её автоматического проектирования в режиме "настройки" аппаратуры.
Важным этапом при проектировании сложных электрофизических устройств является их оптимизация по весогабаритным показателям. В этой связи целесообразно проведение операций эквивалент - 12 ного преобразования структуры импульсного устройства с целью упрощения схемы, уменьшения габаритов, веса и др. В диссертационной работе рассмотрен ряд методов, позволяющих на этапе машинного анализа проводить эквивалентный синтез устройств с использованием алгоритмов, близких алгоритмам машинного анализа цепи. Приведены примеры эквивалентного преобразования схем импульсных генераторов.
В четвёртой главе рассмотрены вопросы анализа переходных процессов в мощных импульсных генераторах линейных индукционных ускорителей. Описана методика составления машинных моделей элементов импульсного генератора, нагруженного индукционной системой. Предложенная методика машинного анализа позволяет рассчитать переходный процесс формирования импульса в ускоряющем модуле индукционного ускорителя как в режиме холостого хода, так и с нагрузкой ускоряемым пучком при вариации времени его инжекции.
Высокое значение ускоряемого в индукционной структуре пучка при большом количестве ускоряющих элементов ставит задачу создания импульсных генераторов с низким выходным сопротивлением и выходной импульсной мощностью, достигающей десятков ГВт, Обычно эта задача решается установкой в параллель ряда импульсных генераторов, выполненных по схеме с полным разрядом емкостного накопителя через газоразрядный прибор. Однако, в устройствах со столь высокой мощностью возможно использование элементов магнитного сжатия на основе /с-ячеек с ферро -магнитными сердечниками [ 27, 28 J , Применение таких структур позволяет существенно повысить выходной импульсный ток генератора. В диссертационной работе разработана математическая модель магнитного генератора импульсов и предложена методика уточнённого анализа переходного процесса формирования импульса, что позволяет оптимизировать структуру магнитного генератора и повысить его ЫЩ.
В пятой главе приведены результаты исследования и разработки мощных импульсных генераторов питания ускоряющих систем линейных индукционных ускорителей ЛИУ-5/5000, ЛИУ-І,25/200 и магнитных генераторов импульсов. Описаны схемы и конструктивные особенности оборудования, приведены осциллограммы формируемых импульсов, нагрузочные характеристики. Результаты экспериментальных исследований сравниваются с расчётными зависимостями, полученными на базе разработанных методик анализа.
