2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Инжекторы атомов водорода для диагностики параметров плазмы в крупных плазменных установках §1.1 .Плазменный эмиттер на основе дугового разряда § 1.2. Плазменный эмиттер на основе ВЧ разряда
Глава 2. Требования и ограничения, предъявляемые к источнику высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора. Возможные варианты построения § 2.1. Обзор возможных принципов построения систем высоковольтного питания
2.1.1. Источник высоковольтного питания с использованием трансформаторов, работающих с частотой промышленной сети
2.1.2. Источник высоковольтного питания на основе импульсного трансформатора
2.1.3. Секционированный источник высоковольтного питания на основе емкостных накопителей энергии
2.1.4. Источник высоковольтного питания на основе высокочастотного разделительного трансформатора
Глава 3. Практическая реализация метода «многофазного преобразования напряжения». Высоковольтный модулятор диагностического инжектора “ОЫВГТСУ”. Анализ полученных характеристик системы высоковольтного питания
§3.1. Основные принципы, использованные при разработке источников высоковольтного питания диагностических атомарных инжекторов нового поколения §3.2. Основные элементы и узлы источника высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора
3.2.1. Преобразователь напряжения повышенной частоты
3.2.2. Конструкция разделительного трансформатора повышенной частоты
3.2.3. Конструкция и схема высоковольтного выпрямителя
3.2.4. Устройство демпфирования режима «прерывистых» токов питающей сети
3.2.5. Схема индивидуального таймирования работы «высоковольтных ячеек»
стр.4
стр.6 стр. 8 стр. 9
стр. 15 стр. 17
стр. 18 стр.20 стр.23 стр.25
стр.28
стр. 2 8
стр.29 стр. 29
стр.31 стр.36
стр.40
стр.40
3
§3.3. Модульная система высоковольтного питания диагностического инжектора «БИИ-ТСУ»
§3.4. Анализ полученных характеристик системы
высоковольтного питания диагностического инжектора «БШ1-ТСУ»
Глава 4. Необходимость использования промежуточных накопителей энергии при работе мощных систем высоковольтного питания с малыми длительностями. Источник высоковольтного питания диагностического инжектора ‘ТОШП^РХ”. Анализ полученных характеристик
§4.1. Емкостной накопитель энергии
§4.2. Работа источника высоковольтного напряжения в составе диагностического атомарного инжектора
Глава 5. Энергоемкие емкостные накопители на основе «суперконденсаторов». Модернизированная система высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора “БИШ-ТСУ-М”. Анализ полученных характеристик §5.1. Емкостной накопитель энергии с использованием конденсаторов типа «ИКЭ»
§5.2. Работа источника высоковольтного питания с использованием конденсаторов типа «ИКЭ»
Глава 6. Источник тока дугового разряда с возможностью модуляции амплитуды
§6.1. Источник тока дугового разряда ионного источника установки ‘ТОШНЫХ”
§6.2. Источник тока дугового разряда «квази-иепрерывного» источника ионов Статус работ
Заключение
Литература
стр.43 стр. 53
стр.57
стр.60
стр. 64
стр. 71
стр.73
стр.77
стр.81
стр. 81
стр.93
стр.98
стр.100
стр.102
4
ВВЕДЕНИЕ
В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера ведутся исследования в области физики высоких энергий и физики плазмы. Для этих целей в Институте построены и сооружаются сложные электрон-позитронные ускорительные комплексы, уникальные установки для исследований в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, специализированные источники синхротронного излучения.
Наряду с относительно крупными физическими комплексами в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера сооружаются сравнительно небольшие установки, предназначенные для обеспечения конкретных физических экспериментов, как в России, так и за рубежом. Создание крупных ускорительных комплексов, плазменных установок, источников
синхротронного излучения и многих других установок было бы затруднено без адекватного развития технологий преобразования электрической энергии и совершенствования элементной базы, позволяющей строить для этих установок специализированные системы питания.
Опыт построения экспериментальных физических установок в ИЯФ им. Г.И. Будкера и других ведущих научных центрах показывает, что только специально спроектированные системы позволяют достичь необходимого качества питания элементов физических установок. Промышленных изделий, обладающих необходимыми характеристиками, зачастую, просто не существует. Кроме того, системы питания экспериментальных физических установок интегрированы в сложные комплексы нестандартного электротехнического оборудования и электроники, поэтому их целесообразно составлять из устройств, специально построенных по единым правилам, обеспечивающим совместимость оборудования с системами управления, электромагнитную совместимость источников питания измерительными и физическими устройствами. При этом необходимо учитывать и то, что экспериментальные физические установки зачастую являются источниками различного рода излучений, генерируют помехи различной природы. В частности, работа мощных плазменных установок, таких как токамаки, сопровождается генерацией мощных рассеяных магнитных и электрических полей широкого частотного диапазона. Кроме того, импульсный или квазиимпульсный режим работы таких установок приводит к существенному возмущению питающей сети. Разработку и создание специализированных систем высоковольтного питания экспериментальных физических установок можно рассматривать как самостоятельное направление работ. Проектирование мощных высоковольтных источников питания, работающих в импульсных и квазиимпульсных режимах, является актуальной задачей при создании установок для изучения характеристик плазмы в крупных плазменных установках.
5
Данная работа посвящена разработке нового поколения высоковольтных систем квазиимпульсного питания на основе транзисторных (ЮВТ) преобразователей повышенной частоты и метода модульного построения таких систем.
6
ГЛАВА 1. Инжекторы атомов водорода для диагностики параметров плазмы в крупных плазменных установках.
Одним из важных применений атомарных пучков является активная корпускулярная диагностика параметров плазмы в крупных термоядерных установках благодаря возможности пучка нейтральных частиц проникать в магнитную ловушку сквозь удерживающее плазму магнитное поле. Это дает возможность измерения широкого набора параметров плазмы в плазменных установках. Диагностики, основанные на инжекции атомарного пучка в плазму, используются для измерения профилей плотности плазмы, локальной ионной температуры, концентрации и температуры примесей и т.д. Для таких диагностик требуются атомарные пучки с кинетической энергией нейтральных частиц в десятки килоэлектронвольт, эквивалентным током от одного до десятков ампер и длительностью от единиц миллисекунд до нескольких секунд. Энергия частиц определяет глубину проникновения пучка в плазму, а ток лучка - величину полезного сигнала при взаимодействия пучка с плазмой. Локальность диагностики определяется размером пучка и его угловым разбросом, который должен быть минимально возможным. Также важным требованием к диагностическому пучку нейтральных атомов является высокое содержание частиц с полной энергией. К примеру, источники положительных ионов водорода дают пучки, содержащие помимо протонов ионы Щ и Я3+, которые после нейтрализации имеют энергии 1/2 и 1/3 от основной энергии пучка. Вполне достижимым является содержание протонов в пучке 80ч-90% .
Большой интерес представляет собой корпускулярная диагностика на токамаках, как наиболее распространенных установках для получения управляемого термоядерного синтеза. Для эффективной диагностики в любой точке плазменного шнура токамаков необходимы диагностические инжекторы атомов водорода с энергией порядка 50кэВ, эквивалентным током до 10А, угловой расходимостью <1° на расстоянии до 5 метров от ионнооптической системы диагностического инжектора до мишени. Длительность рабочего цикла диагностическогго инжектора определяется длительностью рабочего цикла исследуемой плазменной установки и может достигать десятков секунд. В Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН разработан и изготовлен ряд диагностических инжекторов с различными характеристиками: «ДИНА» (Диагностический Инжектор Нейтральных Атомов), “RUDI” (Russian Diagnostic Injector) для эмиссионной спектроскопии на токамаке TEXTOR (Юлих, Германия), “DNBI-TCV” (Diagnostic Neutral Beam Injector) для токамака TCV (Лозанна, Швейцария), “DNBI-RFX” для плазменной установки RFX (Падуя, Италия). Эти инжекторы позволяют получать квазистационарный модулированный или не модулированный пучок атомов водорода с энергией до 55 кВ, эквивалентным током атомов водорода до 2А и длительностями работы от сотен микросекунд (ДИНА) до единиц секунд (“DNBI-TCV”).
7
Основными элементами инжектора атомов водорода являются:
1.1. ионный источник
1.2. система высоковольтного питания
1.3. система питания плазменного эмиттера
Так же необходимыми системами для работы Диагностического Инжектора являются:
• система напуска газа
• система "поджига", инициирующая разряд
• вакуумная система
• система нейтрализации заряженных ионов
• магнит - сепаратор и его питание
• система измерения параметров (профиля) пучка - калориметр
• система управления и контроля
• система блокировок и защит
1.1. Ионный источник.
Ионный источник состоит из следующих двух основных функциональных узлов: газоразрядной камеры (ГРК), в которой создается плазменный эмиттер ионов, и электростатической ионнооптической системы (ИОС), с помощью которой происходит извлечение ионов из плазмы, их ускорение и формирование направленного пучка. В качестве источников протонов используются разработанные в ИЯФ СО РАН плазменные эмиттеры на основе дугового разряда, плазменные эмиттеры на основе высокочастотного индукционного разряда и некоторые другие [4]. При этом 'гребуемая плотность тока источника протонов, используемого в диагностическом атомарном инжекторе должна быть не меньше 1 ООмА на квадратный сантиметр.
1.1.1. Плазменый эмиттер на основе дугового разряда.
В ионных источниках с плазменым эмиттером на основе дугового разряда дуговой разряд горит между холодным катодом и анодом в канале, состоящем из набора медных диафрагм, изолированных друг от друга керамическими изоляторами. Дуговой разряд инициируется высоковольтным импульсом амплитудой 3-7 кВ длительностью
5-10мкс, прикладываемым в описываемых ниже конструкциях между корпусом импульсного электромагнитного клапана, напускающего газ, и катодом. В ионном источнике обычно имеется два электромагнитных клапана для напуска
8
газа: один из них включается на короткое время вначале формирования импульса, второй работает в стационарном режиме и служит для подпитки газом дугового разряда в течение рабочего импульса. Напуск газа ведется в область между анодом и ближайшей к нему диафрагмой.
Рис.1.1. Ионный источник на основе дугового разряда.
Ниже в качестве примера приводится конструкция квазистационарного ионного источника на основе дугового разряда с использованием катода из гексабаридлантана (ЬаВб).
- Київ+380960830922