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磁芯模拟直线感应加速器单组元系统

发布时间：

2023-08-21

磁芯模拟直线感应加速器单组元系统

　　利用非线性线圈电路代替感应加速腔中的磁芯回路 , 对直线感应加速器的单组元系统进行了实验模拟。首先确定每块磁芯的开关参数 : 加速腔采用的铁氧体磁芯大环的外径 D = 508mm , 内径 d = 237mm , 厚度δ =25. 4mm , 最大磁通密度 B max ≈ B r = 0. 38T 。所以 , 磁通面积 S =( D-d)δ / 2 ≈ 34cm 2 , 平均磁路长度 l = π( D+d)/ 2 ≈ 120cm , 最大磁通量变化ΔΦ max = 2 B r S = 2. 5m · Wb 。

采取轴向馈入方式 [4] 的加速腔的同轴磁芯回路可以视为一段传输线 , 其电感为L = ( μ d μ 0 / 2 π ) δ ln ( D/ d)( 5 )式中 : 真空磁导率μ 0 = 4π×10- 7 H/ m 。由于在脉冲情况下没有铁氧体磁芯大环的磁化曲线波形, 因此μ d 只能根据经验取值。在脉冲情况下 , 大多数文献都使用磁芯的平均磁导率μ = μ Δ μ 0 = Δ B / Δ H , 对于同样尺寸的铁氧体磁芯 , μ Δ 一般取 400 , 在模拟中 , 磁化时μ d 取值 4 000 , 当饱和时则取值 10 。考虑到馈入回路本身的电感 ,最后确定对每块磁芯回路取 L mag = 16 μ H , L sat = 0. 5 μ H 。

国产铁氧体的相对介电常数ε r = 7. 5 , 波在材料中的传输速度远小于光速 , 因此还必须考虑脉冲到达每块磁芯时间的差异。图 3 是对直线感应加速器单组元系统的模拟电路 , 其中加速腔总共有 11 块铁氧体磁芯 , 在模拟电路中将磁芯同轴回路分成了 11 段 , 以便更好的表现回路的时间特性 , 其中非线性线圈模型 UCORE 对应图 1 中的电路 , 其涡流临界频率 f eddy 取近似值 1MHz , 电容 C 对应磁芯的轴向电容为C = 2 πε / ln ( D/ d)。

通过模拟 , 可以得到一些实验中无法测得的量。图 5 给出了加速腔中每块磁芯在脉冲到达时的励磁电流和磁通量变化的波形。由图中可以明显看到 , 每块磁芯在脉冲经过时的表现是不同的 , 磁芯受到励磁的时间顺序是由前到后 , 而磁芯达到饱和的时间顺序则是由后到前。这一结果与文献 [5] 的报道是一致的 , 说明在励磁过程中 , 同一时间不同位置的磁芯 , 其状态是不同的。即对加速腔磁芯而言 , 磁芯的激励和饱和不是瞬时发生的 , 而需要一个传播过程。在研制多脉冲 LIA 加速腔时 , 须考虑这种现象带来的影响。