УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА
ELECTRON ACCELERATOR BASED ON FERROELECTRIC PLASMA CATHODE

Изобретение относится к области ускорительной техники, физике плазмы, радиационной физике и может быть использовано в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела, где важным является получение пучков заряженных частиц с необходимыми энергетическими параметрами и регулируемой длительностью.
Известно устройство (G. Rosenman and D Shur. Elektron emission from ferroelectrics // J of Appl. Phys. V. 88 N 11 2000 pp 6109-6161 1]), предназначенное для получения электронных пучков - ускоритель электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода. Ускоритель включает в себя источник высоковольтных импульсов - импульсный генератор, высоковольтный трансформатор, передающую линию, СЭП-катод и анод, образующие диодный промежуток.
Недостатком такого ускорителя является то, что
1. Электронная эмиссия с поверхности СЭП-катода начинается с определенной задержкой после подачи импульса напряжения на диодный промежуток, а это приводит к тому, что длительность токового импульса электронного потока оказывается жестко привязанной к импульсу ускоряющего напряжения от источника высоковольтных импульсов.
2. Характерно отсутствие возможности изменять в широких пределах величину ускоряющего напряжения, прикладываемого к диодному промежутку ускорителя, из-за специфики используемого импульсного генератора.
Наиболее близким к заявленному устройству является ускоритель электронов с использованием СЭП-катода (Г.А. Месяц УФН 2008 г. т. 178, №1 стр. 85-108). Он состоит из электрически связанных между собой зарядного конденсатора, разрядника (образующих накопитель энергии); импульсного трансформатора; накопительной глицериновой линии в виде одинарной формирующей линии (ОФЛ), обостряющего разрядника и срезающего разрядника (разрядный узел) (образующих формирователь импульса совместно); делителей напряжения; кабеля питания катода (отдельного кабеля (передающей линии), обеспечивающего передачу импульса напряжения от накопителя энергии на катод для создания на его поверхности плазмы); катода и анода, образующих диод с СЭП - катодом.
При срабатывании разрядника накопителя энергии конденсатор разряжается на обмотку импульсного трансформатора, при этом заряжается накопительная глицериновая линия. При срабатывании обостряющего разрядника на диоде появляется импульс напряжения. Изменяя длину зазора срезающего разрядника, можно изменять длительность импульса. Когда срабатывает разрядник накопителя энергии, в разрядную цепь катода по кабелю подается напряжение необходимое для формирования плазмы на поверхности катода которое приходит раньше, чем импульс высокого напряжения, обеспечивающий ускорение электронов.
Основными недостатками данной системы являются:
1. Отсутствие возможности изменять в широких пределах величину ускоряющего напряжения, прикладываемого к диодному промежутку ускорителя, что делает невозможным варьирование энергией электронов пучка.
2. Невозможность менять длительность потока электронов (длительность токового импульса электронного потока).
Техническая проблема состоит в получении электронных пучков различной длительности в широком диапазоне энергий.
Технический результат заключается в обеспечении возможности варьировать энергией электронов пучка и длительностью генерации пучка (длительностью токового импульса электронного потока).
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного ускорителя электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного катода (СЭП-катода), содержащего электрически связанные между собой накопитель энергии, формирователь импульса в виде одинарной формирующей линии (ОФЛ) и разрядного узла, диод с СЭП-катодом, отдельную передающую линию, обеспечивающую передачу импульса напряжения от накопителя энергии на катод для создания на его поверхности плазмы, в предложенном ускорителе разрядный узел представляет собой единичный неуправляемый разрядник; неуправляемый разрядник включен в электрическую цепь между ОФЛ и диодом через согласующий резистор и обеспечивает коммутацию ОФЛ на диодный промежуток диода с СЭП-катодом; накопитель энергии представлен парой импульсных генераторов напряжения, связанных между собой волоконно-оптическими линиями связи через блок синхронизации, обеспечивающий коммутацию этих генераторов с различными временами задержки, причем один из генераторов накопителя электрически связан с ОФЛ формирователя импульса через емкость, а второй генератор подключен к отдельной передающей линии; ОФЛ электрически связана с генератором постоянного напряжения через резистор.
пучка
ускоряющий импульс
ускоряющий импульс
поджигающий импульс
Предложенная схема за счет временной разницы между поджигающим разряд на поверхности СЭП-катода и ускоряющим импульсами, а также за счет наличия двух различных источников питания схемы ускорителя электронов, позволяет менять длительность токового импульса. Токовый импульс может существовать только при одновременном воздействии обоих поджигающего и ускоряющего импульсов, что приводит к возможности варьировать длительностью потока электронов в пределах 0≤t≤t при условии t≤t
То есть, технически подход реализован за счет принципиально новой системы электропитания и управления ускорителем. Для этого использованы вместо накопителя энергии в виде конденсатора е разрядником накопитель энергии, представляющий собой пару генераторов импульсного напряжения определенным образом связанных, что позволяет организовать в заявляемом ускорителе две различные схемы его питания. Одна из них осуществляет предвари тельный пробой вдоль керамической поверхности катода с целью создания на этой поверхности плазмы, которая является источником электронов. Другая предназначена для формирования электрического импульса необходимой амплитуды и длительности производящего ускорение электронов пучка.
c
d
c
d
В заявляемой конструкции блок синхронизации через волоконно-оптическую линию связи (световод) соединен с первым генератором импульсного напряжения, имеющим меньшее амплитудное значение напряжения. С другого выхода блок синхронизации подключен к другому генератору с большим амплитудным напряжением. Последний через емкость подсоединен к одинарной формирующей линии (ОФЛ). К этому же концу ОФЛ посредством развязывающего резистора гальванически подсоединен генератор постоянного напряжения. Сопротивление согласующего резистора в сумме с сопротивлением диода должны равняться волновому сопротивлению ОФЛ ρ=R+R, где R - номинал нагрузочного сопротивления - согласующего резистора, R - сопротивление диода.
Использование ОФЛ, согласованной с сопротивлением согласующего резистора и сопротивлением диода, позволяет формировать импульсы высокого ускоряющего напряжения на диоде.
Варьируя величиной напряжения, формируемого генератором импульсного напряжения с большим амплитудным напряжением, и производя настройку неуправляемого разрядника, можно изменять величину ускоряющего напряжения, что влияет на величину ускоряющего напряжения и однозначно характеризует энергию электронов пучка.
Длительность импульса ОФЛ, нагруженной на согласующий резистор, равна двойному пробегу электромагнитной волны по линии. Меняя длину ОФЛ, можно менять длительность электронного потока.
Данная система обладает возможностью регулировать длительность импульса, которая реализуется благодаря возможности изменять время задержки между импульсом напряжения, создающим плазму на поверхности катода, и импульсом ускоряющего напряжения. Это осуществляется путем изменения времени задержки между коммутациями пары импульсных генераторов напряжения с помощью блока синхронизации.
Все признаки в совокупности работают на заявляемый технический результат и позволяют формировать импульсы ускоряющего напряжения с обеспечением возможности регулировать энергию электронов пучка и длительность генерации пучка.
На фиг. представлена принципиальная электрическая схема заявляемого ускорителя, где
1 - импульсный генератор с меньшим амплитудным значением напряжения;
2 - отдельная передающая линия;
3 - генератор постоянного напряжения;
4 - импульсный генератор с большим амплитудным значением напряжения;
5 - блок синхронизации;
6 - развязывающий резистор;
7 - емкость;
8 - ОФЛ;
9 - неуправляемый разрядник;
10 - СЭП-кэтод;
11 - согласующий резистор;
12 - пучок электронов.
Устройство работает следующим образом
г
г
пр
пр
Генератор постоянного напряжения U 3 через развязывающий резистор 6 заряжает ОФЛ и переводит неуправляемый разрядник в пред пробойное состояние при выполнении условия U<U, где U - пробойное напряжение неуправляемого разрядника 9. В качестве импульсных генераторов использовались импульсные генераторы напряжения [1].
1
2
2
пр
г
1
c
d
c
d
В исходном положении импульсные генераторы напряжения 1 и 4 находятся в заряженном состоянии. В начальный момент времени с блока синхронизации 5 по волоконно-оптической линии связи (световоду) происходит сначала коммутация импульсного генератора с меньшим амплитудным значением напряжения. Сгенерированный им высоковольтный импульс напряжения длительностью τ амплитудой U, через передающую линию 2 подается на СЭП-катод 10, в результате по керамической поверхности катода происходит поверхностный пробой, создающий плазму, являющуюся источником электронов для ускорителя. С некоторой задержкой Δτ с блока синхронизации по оптическому каналу производится запуск импульсного генератора с большим амплитудным значением напряжения U. Сформированный им импульс через емкость 7 подается на ОФЛ 8. Важно отметить, что импульс с этого генератора превосходит величину напряжения генератора постоянного напряжения U>U>U, что приводит к уверенному пробою неуправляемого разрядника 9. Далее импульс высокого напряжения U, от ОФЛ через согласующий резистор 11 поступает на ускоряющий промежуток диода электронного ускорителя, что приводит к формированию электронного потока 12. Сопротивление согласующего резистора в сумме с сопротивлением диода должны равняться волновому сопротивлению ОФЛ ρ=R+R, где R - номинал нагрузочного сопротивления - согласующего резистора, R - сопротивление диода.
Ускоритель электронов выполнен следующим образом.
ОФЛ изготовлена из отрезка коаксиального кабеля КВИ - 100.
В качестве импульсного генератора напряжения с меньшим амплитудным значением напряжения 1 использовался генератор, который обладает следующими характеристиками:
- задержка срабатывания: ±2 нс;
- длительность импульса напряжение: 10 кВ;
- фронт формируемого импульса: до 5 нс;
- задержка импульса напряжения: 500 нс.
Генератор с большим амплитудным значением напряжения 4 - второй импульсный генератор напряжения, характеристики которого таковы:
- выходное напряжение: от 60 до 80 кВ;
- фронт формируемого импульса: до 5 нс
- задержка срабатывания ±2 нс.
Для улучшения стабильности срабатывания неуправляемого разрядника 9 одинарная формирующая линия 8 находится в заряженном состоянии. Заряд этой линии осуществляется источником постоянного напряжения 3-25 кВ через развязывающий резистор 6-100 кОм. Для устранения связи по постоянному току формирующей линии и второго импульсного генератора напряжения 4 использован конденсатор 7 К15-10 3300 пФ ×31,5 кВ. Резистор 6 ограничивает ток генератора 4 и устраняет его влияние на формируемый выходной импульс. По достижении напряжения, при котором происходит пробой разрядника, на ускоряющем промежутке формируется импульс напряжения отрицательной полярности. Проверка показала возможность регулирования длительности в диапазоне от 5 нс до 1 мкс и энергии электронов пучка в диапазоне от 2 кэВ до 40 кэВ.
Таким образом, за счет предложенных усовершенствований схемы питания ускорителя электронов и управления ускорителем по сравнению с прототипом обеспечена возможность регулирования такими его параметрами, как энергия электронов пучка и длительность генерации пучка (длительность токового импульса электронного потока).