ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 164-167
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.384.64 + 621.385.64
МАГНИТНАЯ СИСТЕМА РЕЛЯТИВИСТСКОГО МАГНЕТРОНА
© 2015 г. И. И. Винтизенко, А. И. Мащенко, В. Ю. Митюшкина, К. С. Лазар
Физико-технический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета
Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2/А E-mail: vintizenko@tpu.ru Поступила в редакцию 01.04.2014 г.
Описана конструкция и приведены результаты испытаний водоохлаждаемой магнитной системы импульсно-периодического релятивистского магнетрона. Магнитная система работает в непрерывном режиме и создает в рабочей области магнетрона поле с индукцией 0.55 Тл, аксиальной неоднородностью <5% и пульсациями тока <0.1%.
DOI: 10.7868/S0032816215010127
В настоящее время релятивистские магнетроны [1] широко используются для генерации мощных с.в.ч.-импульсов сантиметрового диапазона длин волн. Перспективы прикладных применений магнетронов связаны с импульсно-периоди-ческим режимом их работы в течение длительных интервалов времени.
В последние годы в Томском политехническом университете разработан линейный индукционный ускоритель (л.и.у.) ЛИУ 0.4/6 [2], работающий с частотой повторения импульсов до 320 Гц. Для того чтобы максимально использовать возможности ускорителя для генерации с.в.ч.-излу-чения релятивистскими магнетронами, необходимо иметь магнитную систему, создающую в рабочей области магнетрона постоянное магнитное поле либо изменяющееся с частотой импульсов л.и.у. Использование импульсных схем питания магнитных систем с рекуперацией энергии позволяет максимально увеличить частоту следования импульсов до 50 Гц, однако это является недостаточной величиной. Поэтому было принято решение создать магнитную систему на постоянном токе.
Для эффективной работы магнетронов, в том числе и релятивистских, необходимо магнитное поле с высокой круговой симметрией и максимальной однородностью по длине пространства взаимодействия, локализованное в объеме, диаметр которого больше или соизмерим с длиной. При проектировании, изготовлении и эксплуатации необходимо сводить к минимуму вариации поля вдоль анодного блока.
Получение однородного магнитного поля основано на принципе суперпозиции: два или более
источников магнитного поля располагаются относительно заданного объема таким образом, чтобы векторная сумма напряженностей полей источников была постоянна в этом объеме. Полученное магнитное поле является однородным с известной степенью точности, зависящей от конструкции системы.
Для создания однородного магнитного поля в некотором объеме (в данном случае — в рабочей области магнетрона) необходимо выполнить условия размещения и подбора геометрических размеров магнитных катушек, создающих это поле (условие Гельмгольца). Катушки Гельмгольца представляют собой систему из двух катушек, формирующих однородное поле в приосевой области при выполнении следующих условий: а) расстояние между геометрическими центрами катушек равно их среднему радиусу А = Яср = (Я1 + + Я2)/2, где Я1 — внутренний радиус, Я2 — внешний радиус катушек; б) толщина обмотки катушек К = = Я2 — Я1 и ее длина Ьк малы по сравнению с А. Если
2 2
сечение обмотки выбрать так, чтобы 31^ = 36Хк, то магнитное поле, представленное в виде разложения по полиномам Лежандра, будет однородным с точностью до члена разложения, содержащего г4/'А4, где г — радиус внутреннего объема (0 < г < < Я]). При выполнении этого условия имеем: К/Ьк = = 1.077 (отношение толщины намотки к ее длине). Область, в которой требуется создание однородного магнитного поля индукцией до 0.55 Тл, определяется размерами релятивистского магнетрона: диаметр катода 18—22 мм, внутренний диаметр анода 43 мм, длина анода 72 мм.
МАГНИТНАЯ СИСТЕМА РЕЛЯТИВИСТСКОГО МАГНЕТРОНА
165
Рис. 1. Секция катушки магнитной системы, выполненной из медной трубки квадратного сечения с центральным отверстием для охлаждающей воды.
В нашем случае к геометрическим параметрам исследуемой магнитной системы имеется несколько дополнительных требований, обусловленных ее конструктивными особенностями. Это, прежде всего, ограничение на внешний радиус магнитных катушек (^2), который связан с общими габаритами установки и ограничен стягивающими шпильками. Внутренний радиус (Я1) выбирается как результат компромиссного решения нескольких противоположных по своим функциям требований. С одной стороны, уменьшение Я1 приводит к возможности создания необходимого магнитного поля за счет дополнительных витков без резкого увеличения плотности тока в обмотке магнита. С другой стороны, это затрудняет выполнение первого условия Гельмгольца и, кроме того, вызывает уменьшение поперечных размеров труб дрейфа, следовательно, рост потерь тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона. Уменьшение расстояния между катушками ограничено размерами волновода для вывода с.в.ч.-энергии, ширина которого равна 80 мм.
Аналогичные рассуждения можно привести и относительно длины каждой магнитной катушки. Так, увеличение Ьк с целью добавления дополнительных ампервитков и, тем самым, получения требуемого поля 0.55 Тл без существенного роста тока в витках приводит к увеличению расстояния между геометрическими центрами катушек (А) и,
естественно, нарушению однородности магнитного поля.
В рамках указанных ограничений габаритами магнетрона и л.и.у. с максимальным сохранением конфигурации катушек Гельмгольца были выбраны следующие размеры магнитной системы релятивистского магнетрона: внутренний радиус катушек 100 мм, внешний — 234 мм, длина каждой катушки — 107 мм, расстояние между катушками — 90 мм. Рассчитанная аксиальная неоднородность магнитного поля в рабочей зоне магнетрона не превышала 3%.
Для работы релятивистского магнетрона при выходном напряжении л.и.у. ~400 кВ необходимо магнитное поле индукцией 0.4—0.55 Тл, что соответствует плотности тока в проводнике утреб ~ 8.4— 10.5 А/мм2 (предварительные расчеты проводились для медной шинки сечением 3.05 х 3.28 мм2). Для отвода тепла, выделяющегося в магнитной системе, необходимо эффективное охлаждение, поэтому на стадии проектирования были выполнены расчеты теплового состояния катушек. Использовался метод численного моделирования, основанный на решении конечно-разностных уравнений теплопроводности с внутренними источниками тепла [3]. Ставилась задача определения максимальных температур в катушках с целью выбора оптимальной конструкции охлаждающей системы для реализации непрерывного режима работы релятивистского магнетрона.
В результате расчетов нескольких вариантов охлаждения катушек магнитной системы получено: 1) при водяном охлаждении всей наружной поверхности допустимая плотность тока в проводнике магнитной системы утреб = 8.4 А/мм2, 2) при наружном водяном охлаждении и одном дисковом охлаждающем канале внутри каждой катушки утреб = 9.46 А/мм2, 3) при наружном водяном охлаждении и двух дисковых охлаждающих каналах внутри каждой катушки утреб = 11.5 А/мм2. При таких плотностях тока в проводнике достижение температуры катушки 100°С происходит после одной—двух минут работы, а стационарный тепловой режим работы магнитной системы возможен только при значительном снижении плотности тока в проводнике — до (0.5—0.7)утреб.
КОНСТРУКЦИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО МАГНЕТРОНА
Поскольку тепловой расчет показал невозможность использования стандартной медной шины даже при наличии каналов охлаждения, была выбрана конструкция катушек из медной трубки квадратного сечения 12.5 х 12.5 мм2 с центральным отверстием 08 мм для протекания охлаждающей воды. При этом для создания маг-
166
ВИНТИЗЕНКО и др.
Т, °С
60
50
40
30
20
- кхгоооооо<>1
-!.с
\1 I 1 1 1 1
10 15 20 25
мин
Рис. 2. Температурный режим катушек магнитной системы при токе 1000 А (1), 800 А (2).
нитного поля индукцией 0.55 Тл в каждую катушку необходимо уложить 120 витков и пропустить ток 1000 А (плотность тока 9.4 А/мм2). Длина катушек с учетом изоляции увеличилась до 176 мм, что привело к росту неоднородности магнитного поля в рабочей зоне магнетрона до 5%. В результате, каждая катушка состоит из шести плоскоспиральных секций (рис. 1), имеющих по 20 витков, соединенных последовательно и согласно направлению токов и параллельно по охлаждающей жидкости. Длина трубки в каждой секции 20.4 м.
Технология изготовления секций заключалась в следующем. Для придания мягкости медному проводнику непосредственно перед намоткой он нагревался до температуры "отжига" при пропускании через него в течение ~15 мин переменного тока 5000 А от однофазного печного трансформатора серии ТПО. После остывания проводника до приемлемой температуры его середина закреплялась на оправке намоточного устройства. Одна половина проводника скручивалась в кольцо и крепилась снаружи щеки устройства, а вторая половина проводника прикреплялась своим концом к устройству, которое обеспечивало постоянное натяжение проводника. В процессе намотки проводник покрывался электроизоляционным пропиточным лаком МЛ-92 и стеклолентой марки ЛЭСБ. После намотки первого слоя витков секции устройство разворачивалось на 180°, и процесс намотки повторялся для второго слоя витков секции. Процесс сушки секций проходил при естественном воздухообмене в отдельном помещении в течение нескольких суток. Затем производилась сборка секций в катушки магнита на каркасы из нержавеющей стали.
Рис. 3. Магнитная система с источником питания.
Контур охлаждения магнитной системы выполнен по замкнутой схеме, в качестве хладагента используется обессоленная вода. Регулируя расход воды, можно добиться необходимого тепло-съема и обеспечить стационарный режим работы. На рис. 2 приведены графики изменения температуры охлаждающей воды на выходе центральной секции катушки при работе в непрерывном режиме при токе 1000 А (/треб = 9.5 А/мм2, кривая 1) и 800 А (/треб = 7.6 А/мм2, кривая 2). Расход воды составлял 0.32 л/с при давлении на входе секций 1.5 атм. Как следует из представленных кривых, магнитная система обеспечивает непрерывную работу релятивистского магнетрона в течение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.