Система селективного нагрева ионов в установке "Плазменный сепаратор-1"

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИСТЕМА СЕЛЕКТИВНОГО НАГРЕВА ИОНОВ В УСТАНОВКЕ «ПЛАЗМЕННЫЙ СЕПАРАТОР - 1»

1. Описание экспериментальной установки ПС - 1

Для большей наглядности и лучшего понимания процесса ВЧ - нагрева плазмы в установке ПС - 1 опишу вкратце всю установку в целом и назначения отдельных её узлов. На рис. 2.1 можно видеть схематическое изображение плазменного сепаратора - 1, в котором будет производиться разделение изотопов имитатора техногенных материалов по массе:

Схема экспериментальной установки ПС - 1

В узле 1 сложный по составу материал переводится из твердого состояния в плазменное путем катодного распыления и дальнейшей ионизации свободных атомов. Далее, в узле 2, производится резонансный нагрев частиц. Здесь как раз и расположена катушка, создающая постоянное магнитное поле в полтесла (зеленым цветом обозначена) и ВЧ антенна (обозначена красным цветом). В следующем модуле (узел 3) селективно нагретые частицы уже разделяются пространственно. Таким образом, система ВЧ - нагрева состоит из ВЧ - антенны, катушки постоянного магнитного поля и ВЧ - генератора, который вместе с антенной составляет единую радиочастотную систему ионно-циклотронного резонанса.

2. Описание радиочастотной системы ИЦР в ПС - 1

Общая схема радиочастотной системы для селективного нагрева ионов в сепараторе показана на рис.2.2.

Блок-схема радиочастотной системы

селективный нагрев ион плазменный сепаратор

Антенна представляет собой две проводящие прямоугольные рамки (0.2 м на 1 м) с общей осью симметрии вдоль длинной стороны, расположенные перпендикулярно друг к другу и равномерно закрученные вокруг этой оси на угол около 1800. Проводники антенны изготовлены из медных трубок диаметром 0.008 м для обеспечения их водяного охлаждения. Антенные рамки замыкаются конденсаторами САНТ, образуя колебательные контуры, настроенные на заданную частоту щ, что снижает затраты на создание ускоряющего электрического поля антенны и, при достаточной добротности контуров Q ? 50, обеспечивает удовлетворительную фильтрацию высших гармоник тока при работе генератора в ключевом режиме. Поскольку индуктивность рамки из одного витка трубки мала (порядка 1мкГн), а циклотронные частоты щ ионов меди при магнитном поле в соленоиде В = 0.5 Тл довольно низкие и составляет 150кГц, то для увеличения поля, снижения требующейся емкости и повышения добротности контура рамки антенны сделаны двухвитковыми. Вид одной из спиральных рамок антенны схематично представлен на рис.2.3.

Схема одной из двух витковых рамок антенны (стрелками показаны направления протекания тока)

Выводы реальной антенны, в отличие от рисунка направлены наружу вакуумной камеры в радиальном направлении через отверстия в специальном антенном фланце (см рис.2.4).

Фотография реальной антенны, установленной на сборочном каркасе

Две антенные рамки питаются токами частотой щ, сдвинутыми по фазе на р/2, от двух усилителей ВЧ-генератора. Усилители управляются двухфазным задающим генератором, выдающим два напряжения частотой щ с фазами 0 и р/2. Контуры связаны с выходами усилителей мощности согласующими трансформаторами в виде кольцевых ферритов, надетых на проводники контуров. Индуктивная связь между рамками антенны, которую практически невозможно устранить конструктивно, приводит к дисбалансу амплитуд токов в рамках. Чтобы их сбалансировать, в каждый антенный контур включен последовательно один виток (диаметром около 10см) проводника, причем плоскости этих витков расположены параллельно на близком и регулируемом расстоянии друг от друга (от 1 до 5 см). При правильном взаимном направлении токов в витках юстировка расстояния между витками (их взаимной индуктивности) позволяет выровнять амплитуды токов в антенных рамках. Для измерения и контроля токов в антенне применены трансформаторы тока, выходы которых подключены к двухлучевому осциллографу. Для того, чтобы при эквивалентном ионном токе (ЭИТ) сепаратора 10А нагреть ионы целевого изотопа концентрации порядка 10% до 500эВ (максимальная энергия, не вызывающая распыления материала коллектора ионов) суммарная мощность усилителей без учета потерь должна быть не менее 0,5кВт. При этом следует поддерживать уровень тока в антенне (не менее 75А) достаточный для создания необходимого ускоряющего поля (1В/см) и независящий от ЭИТ. Различного рода потери мощности в проводниках антенны, в стенках вакуумной камеры, в элементах передачи и согласования, в самой схеме усилителя мощности при токе в антенне 75А оцениваются величиной порядка 0,5кВт. С учетом этих оценок и того, что плотность плазмы может сильно варьироваться ( (1-3)*1012 част./см3 ) соответственно изменяя ЭИТ, двухфазный генератор спроектирован с выходной мощностью усилителей не менее 2х2кВт.

Усилители обеих фаз идентичны и представляют собой 6-транзисторную мостовую сборку (модуль) типа CM50TF12H из биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT) фирмы MITSUBISHI. Параметры этих модулей с запасом удовлетворяют всем требованиям. Реально используются 4 из 6 транзисторов. Управление модулем осуществляется двухтактным предварительным усилителем на транзисторах КТ908Б, выдающим напряжение почти прямоугольной формы амплитудой около 12В.

Емкостной характер входной цепи модуля требует от предварительных усилителей (при работе в ключевом режиме) пиковых токов около 5А, что обеспечивается специальным источником питания мощностью до 150Вт. Он собран по схеме полумостового инвертора на двух транзисторах КТ826Б, работающего на частоте около 40 кГц от трехфазного сетевого напряжения 380В с «нулевым» проводом в качестве «средней точки». Для повышения к.п.д. стабилизация выходного напряжения осуществляется управляемым дросселем в первичной цепи инвертора. Инвертор также обеспечивает питанием маломощные цифровые (+5В) и аналоговые (±15В) цепи. Предварительные усилители возбуждаются от двухфазного задающего генератора, схема которого представлена на рисунке 2.5. От любого обычного первичного генератора с достаточно стабильной частотой (дщ/щ < 10-4), выдающего напряжение около 1В частотой 2щ поступает сигнал на формирователь прямоугольных импульсов (VT1,2). Эти импульсы с помощью двухканального мультиплексора К555КП14 и сдвоенного триггера К155ТМ2 распределяются по двум каналам (парафазным выходам триггера (Q0, ?Q0) и (Q1, ?Q1) ) так, что частота импульсов в каждом канале становится равной щ, а сдвиг фаз между ними - р/2. Транзисторы VT3,4 двухтактного каскада одного из каналов (оба канала идентичны) понижают выходное сопротивление триггера и через трансформатор Тр2 подают сигнал на оконечный усилитель соответствующей фазы задающего генератора. С помощью управляющих сигналов «Вкл» и «Реверс» можно включать и выключать генератор и менять местами фазы выходных сигналов.

Двухфазный задающий генератор

Собственная частота антенных контуров в процессе длительной работы изменяется вследствие температурных и прочих изменений параметров элементов контуров. Это приводит к падению амплитуды тока в антенне, а так же к нарушению режима работы генератора. Для предотвращения ухода собственной частоты контуров разработано устройство фазовой автоподстройки контуров (ФАПК), схема которого представлена на рисунке 2.6.

Схема фазовой автоподстройки контура

На фазовый детектор, на основе микросхемы аналогового перемножителя К140МА1 подается сигналы с датчиков тока и напряжения контура. Если разность фаз этих двух сигналов не равна р/2, то сигнал ошибки после операционного усилителя К140УД6 подается в обмотку управляемого дросселя, включенного в цепь антенного контура. Соответствующее изменение индуктивности дросселя приводит к восстановлению собственной частоты антенного контура.

Размещено на Allbest.ru