Главная | Обратная связь

Электромагнит бетатрона

Для создания необходимых условий ускорения электронов по индукционному методу основой бетатрона является специальный электромагнит, включающий в себя ярмо и стойки магнитопровода, возбуждающую и намагничивающую обмотки и полюсные наконечники (полюса электромагнита), между которыми устанавливается ускорительная камера (рис. 2).

Особенностью электромагнита индукционного ускорителя, по сравнению с магнитопроводом обычного трансформатора, является наличие в его магнитной цепи большого воздушного зазора (между полюсными наконечниками), в котором происходит ускорение электронов.

Характер распределения магнитного поля по радиусу в ускоряющем зазоре определяется профилем торцевых поверхностей полюсов, обращенных к зазору. Большой воздушный зазор в магнитопроводе электромагнита бетатрона, вследствие возрастания потоков рассеяния, существенно влияет на его нагрев и накладывает определенные требования на охлаждение электромагнита.

Пакеты магнитопровода и полюсные наконечники набираются из пластин листовой электротехнической стали. Для создания условий воздушного охлаждения электромагнита пакеты магнитопровода разделяются каналами посредством установки изолирующих распорок. В стыке между верхним ярмом и стойками магнитопровода помещается тонкая текстолитовая прокладка для установки равновесной орбиты на расчетный радиус, толщина которой определяется либо по методу бетатронного соотношения, либо по минимуму вихревого электрического поля.

Для обеспечения азимутальной симметрии магнитного поля полюса электромагнита фиксируются по геометрическому центру верхнего и нижнего ярма болтами из немагнитного материала (латунь), ярма прижимаются к стойкам посредством сквозных шпилек.

Возбуждающая и намагничивающие обмотки располагаются коаксиально вокруг верхнего и нижнего полюсов. Обмотки выполняются из изолированного гибкого медного провода большого сечения (для бетатронов с энергией 10 – 30 МэВ, S_сеч. ≈ 50 – 100 мм²). Каркасы обмоток изготавливаются из изолирующего материала (текстолит). Катушки обмоток крепятся к ярмам магнитопровода посредством латунных болтов.

Серийно изготавливаемые электромагниты бетатронов питаются от сети переменного синусоидального тока промышленной частоты 380/220В; 50Гц. Типовая электрическая схема питания обмоток электромагнита бетатрона от источника синусоидального тока промышленной частоты приведено на рис. 3.

Воздушные зазоры в магнитопроводе электромагнита бетатрона между полюсами и на стыках ярем и стоек с учетом значительного рассеяния в них магнитных потоков обуславливают большое число ампер – витков и потребление большой реактивной мощности. Ввиду значительной индуктивности обмоток электромагнита питание её переменным током связано с низким значением стандартизованного энергетического параметра cos φ (сдвиг по фазе между током и напряжением). Для повышения cos φ используется резонансная схема питания обмоток, которая содержит в цепи намагничивающей обмотки параллельно включенную ёмкостную нагрузку (конденсаторную батарею).

Компенсация реактивной мощности достигается путем настройки LC – контура в резонанс посредством подбора оптимальной величины С. Ёмкость конденсаторной батареи подбирается так, чтобы собственная частота полученного колебательного контура равнялась частоте питающего тока.

,

где и - ток и напряжение на намагничивающей обмотке электромагнита, - угловая частота.

,

f - частота питающей сети 50Гц.

Решая приведенное равенство при разных значениях U_н, находят оптимальную область напряжений намагничивающей обмотки. Так, для бетатронов с энергией ускоряемых электронов 5 – 10МэВ наиболее приемлемым является напряжение от 1 до 1,5 кВ. Для индукционных ускорителей в диапазоне энергий 10 – 15 МэВ оптимальное значение величины U составляет 3 кВ, для энергий от 15 до 35 МэВ – 6кВ.

Путем регулирования напряжения питания возбуждающей обмотки электромагнита бетатрона (автотрансформатор АТ, рис.3) добиваются настройки контура в полный резонанс по величине тока амперметра А. Минимальной величине тока в цепи возбуждающей обмотки будет соответствовать максимальная компенсация реактивной мощности в намагничивающей цепи.