بخشی از مقاله
مقدمه
شـــتابدهنده داینامیترون به عنوان یکی از پرکاربرد ترین شـــتابدهندههای الکترواســـتاتیک با کاربرد صـــنعتی (شـتابدهی به الکترون) و همجنین کاربرد تحقیقاتی (شـتابدهی به یون) شـناخته می شود. شمای کلی این نوع شتابدهنده در شکل 1 دیده می شود.[1]
الکترود های RF
حلقههای کرونا
شکل :1شمای کلی شتابدهنده داینامیترون.
در راستای طراحی و ساخت شتابدهنده داینامیترون تحقیقات گستردهای انجام شده است که از آن جمله میتوان به تحلیل و شبیه سازی نحوه عملکرد شتابدهنده داینامیترون، طراحی و شبیهسازی کوپلینگ خازنی این شتابدهنده، طراحی و شبیه سازی تیوب شتابدهی مناسب و طراحی و شبیهسازی مولد RF اشاره کرد.[5-2]
از جمله بخش های مهم و کلیدی در ســاخت این شــتابدهنده، ترانس RF آن می باشــد. اســتفاده از ترانس در ســیســتم شــتابدهنده داینامیترون، می تواند مزیتهای مختلفی را در پی داشــته باشــد. اولا اینکه بخاطر افزایش ولتاژ تغذیه می توانیم تعداد طبقات ستون افزاینده ولتاژ را کاهش دهیم و ثانیا وجود ترانس باعث ایحاد ایزولاسیون بین منبع تغذیه ومحفظه ولتاژ فشـارقوی خواهد شـد. که از لحاظ ایمنی سـیستم مهم وموثر خواهد بود. ازاین رو این مقاله به ارائه پیشــنهاد روشــی در مورد طراحی و ســاخت ترانس RF شــتابدهنده داینامیترون با ســطح انرژی 800KeVپرداخته است.
609
با اعمال ولتاژ 3 فاز 380 ولت 50 هرتز به ورودی مبدل RF، شــکل موج ســینوســی با فرکانســی در حدود 50 تا 100 کیلو هرتز در خروجی آن تولید می گردد. با استفاده از یک ترانسفورمر افزاینده این سیگنال افزایش ولتاژ پیدا کرده و به دامنهای در حدود 100 کیلوولت میرسد.
اسـتفاده از روشهای متداول طراحی ترانس فشـار قوی بدلیل فرکانس کاری این سـیستم غیر ممکن میباشد زیرا تلفات هسته به شدت افزایش مییابد و راندمان سیستم به شدت کاهش مییابد. برای این منظور دو روش پیشنهاد میگردد. یکی اسـتفاده از ترانس هسته هوا و دیگری استفاده از ترانس هسته فریت، که هر یک از این دو روش را بررسی و مقایسه میکنیم.
ترانس هسته فریت
به طور کلی فریت به آن دسـته از مواد مغناطیسی اطلاق میشود که جزء اصلی تشکیل دهنده آنها اکسید آهن
اسـت و پارامترهای مغناطیسـی مطلوبی نظیر ضریب نفوذ پذیری مغناطیسی، اندوکسیون اشباع و مقاومت
ویژه الکتریکی بالا درحدود1012 Ω.cm از جمله اصـلیترین خصـیصههای آنها به شمار میرود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص دادهاند.
با وجودی که آلیاژهای مغناطیسـی و سیستمهای فلزی، بالاترین ضریب نفوذپذیری مغناطیسی را دارا میباشند اما به دلیل مقاومت الکتریکی پایین، امکان اسـتفاده از آنها در فرکانسهای بالاتر از KHzعملاً1 میسر نیست و بنابراین امکان اســتفاده از فریتهای مغناطیســی ســرامیکی از این حیث در محدوده فرکانســی وســیعی وجود دارد. بر این اساس ترکیبات متعددی با ساختارهای کریستالی متفاوت برای کاربردهای مختلف معرفی شدهاند.
ترانس با هسـته فریت بدلیل پارامترهای مغناطیسی مطلوب که در بالا ذکر شد به ویژه مقاومت ویژه الکتریکی بالا و شـار نشـتی کم، بسیار گزینه مناسبی میباشد ولی بدلیل اینکه در ایران تولید کننده این نوع هستهها نیستیم و به دلیل محدودیتهای موجود، نمیتوان هسـته با کیفیت بالا تهیه کرد. البته هسـته فریت قابل استفاده در این ترانس ملاحظـات خـاص خود را دارد کـه آن را از هســـتههای فریت متداول موجود در بازارمتمایز میکند.از جمله آنها میتوان به توانایی تحمل ولتاژ 100 کیلو ولت که بحث عایقی خاص خود را دارد اشــاره کرد.در ادامه به بررســی ترانس هسته هوا که میتواند جایگزین ترانسهای هسته فریت شود میپردازیم.
ترانس هسته هوا
ترانس هسـته هوا یک ترانس خاص میباشـد که در مدارهای فرکانس رادیویی معمولا استفاده میشود. همانطور که از اسـم این ترانس مشـخص است ترانس هسته هوا، ترانسی است که سیم پیچ آن دور یک هسته عایق پیچیده میشـود که معمولا هسته آن به شکل یک لوله توخالی میباشد. ضریب کوپلینگ و القای متقابل بین سیمپیچها در ترانس هسـته هوا کمتر از ترانسهای هســته آهنی میباشـد. اما ویژگیهای نامطلوب هســتههای فرومغناطیســی از جمله تلفات جریان فوکو، هیسترزیس، اشباع ترانس و ...به طور کامل در ترانس هسته هوا برطرف میشوند.
610
ترانس هســته هوا میتواند به فرم اســتوانهای یا حلقوی پیچیده شــود. نمونهای از ترانس اســتوانهای و حلقوی یا تروئیدی در شـکل 2 نشان داده شده است. از مزیتهای ترانس حلقوی نسبت به ترانس استوانهای میتوان به شار نشتی کمتر اشاره کرد.
شکل :2 شمایی از ترانس حلقوی و استوانهای.
کاهش اندوکتانس متقابل در ترانس هسـته هوا نسبت به ترانس هسته فریت بدلیل افزایش شار نشتی، از معایب ترانس هسـته هوا میباشد. با ارائه این مقدمات گزینه پیشنهادی برای ترانس، ترانس هسته هوا میباشد که در ادامه به طراحی یک ترانس هسته هوای مناسب میپردازیم.
طراحی ترانس مناسب برای شتابدهنده داینامیترون
از مزیتهای کارکرد مدار در حالت رزونانس میتوان به کاهش تلفات کلید زنی، کاهش تداخل رادیویی (RFI)، کاهش تداخل الکترومغناطیس (EMI)، کوچکتر شدن ابعاد مولد RF وافزایش راندمان مولد RF اشاره کرد. در نتیجه فرکانس کلیدزنی و اندوکتانس معادل ترانس که در طراحی باید به آن توجه نمود و خازن معادل ستون شتابدهی به گونهای انتخاب و طراحی میشوند که عملکرد مدار در حالت رزونانسی را تضمین کنند.
اجزای تشکیل دهنده این تانک تشدید (رزونانسی) در شکل 3دیده می شوند:
خازن معادل ستون افزاینده ولتاژ
اندوکتانس معادل ترانسفورمر
