ИНЖЕКТОР ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ
LINEAR INDUCTION ACCELERATOR INJECTOR

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации сильноточных релятивистских электронных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.
Известно устройство - линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания [Бахрушин Ю.Р., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978]. К виткам намагничивания подключены потенциальные и земляные электроды формирующей линии.
На потенциальные электроды формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии одинарная формирующая линия начинает разряжаться, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как
где n - число сердечников; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (разрядное напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы. Если по оси индукционной системы установить высоковольтный электрод, то на нем будет суммироваться вихревая ЭДС. При этом один конец высоковольтного электрода заземлен, а второй конец соединен с катодом электронной пушки, формируя на нем высоковольтный импульс напряжения. Такую конструкцию имеют инжекторы линейных индукционных ускорителей. Если по оси индукционной системы разместить вакуумированную трубу дрейфа, то образуется ускоряющая секция линейного индукционного ускорителя, внутри которой ускоряются электроны.
В качестве коммутатора формирующих линий используются газовые искровые разрядники. Подобным коммутаторам присущи ограничения по частоте срабатывания. Кроме того, при работе разрядников наблюдается эрозия материала электродов, что заставляет уменьшать величину коммутируемой энергии, либо снижать количество импульсов между профилактическими работами по очистке изоляторов разрядников.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является конструкция линейного индукционного ускорителя на магнитных элементах с плазменным катодом, используемого для генерации мощного СВЧ-излучения релятивистским магнетроном [Y.Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107]. Основным отличием от описанной выше конструкции линейного индукционного ускорителя является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Магнитный коммутатор выполняется в виде дросселя насыщения с сердечником из ферромагнитного материала, охватываемым витком намагничивания. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать в наносекундном диапазоне длительностей с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако чтобы магнитный коммутатор имел малую индуктивность, а значит, импульс выходного напряжения - прямоугольную форму и короткую длительность, требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время не более нескольких сотен наносекунд от магнитных импульсных генераторов (МИГ). Наиболее подробно конструкция, электрическая схема, принцип работы этого ускорителя описаны в [Бутаков Л.Д., Васильев В.В., Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах. // ПТЭ, 2001, №5, с.104-110].
Этот и подобные ему линейные индукционные ускорители содержат индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключен магнитный импульсный генератор. По оси индукционной системы размещается высоковольтный электрод, на котором суммируется вихревая ЭДС. Один конец высоковольтного электрода заземлен, второй конец связан с катодом электронной плазменной пушки. Конденсаторы последнего звена сжатия МИГ, как правило, изготавливаются по технологии одинарной формирующей линии. Формирующая линия линейного индукционного ускорителя может быть выполнена в виде одной пары или нескольких пар электродов, образуя чередующийся набор потенциальных и земляных электродов, разделенных слоями изоляции. Формирующая линия для уменьшения весогабаритных показателей ускорителя может быть намотана по спирали Архимеда вокруг сердечников индукционной системы [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с 111-119]. В случае применения нескольких пар электродов витки намагничивания сердечников индукционной системы имеют с каждой стороны сердечника несколько отводов. Число отводов с каждой стороны сердечника совпадает с числом потенциальных электродов и с числом земляных электродов. Потенциальные и земляные электроды формирующей линии попарно электрически связаны, образуя параллельное соединение, и подключены к магнитному импульсному генератору.
1
2
N
i
i-1
Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность LC-контуров (звеньев сжатия) с увеличивающейся собственной частотой [Меерович А.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. // М.: Сов. радио, 1968, 476 с.]. Звено сжатия содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитного материала. Обычно емкости конденсаторов звеньев сжатия C, C, …C равны между собой. Каждый последующий дроссель насыщения L по сравнению с предыдущим L имеет меньшее число витков обмотки, то есть меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. При передаче энергии от одного звена сжатия МИГ к другому происходит компрессия энергии: увеличивается передаваемая мощность за счет сокращения времени заряд-разрядных процессов (увеличивается ток в звеньях сжатия при практически не изменяющемся напряжении). Выбирая необходимое количество звеньев сжатия, возможно сократить время передачи энергии в несколько десятков и даже сотен раз и зарядить формирующую линию за время в сотни наносекунд. Обычно в линейных индукционных ускорителях применяются магнитные импульсные генераторы с числом звеньев сжатия 4-6.
Для функционирования линейного индукционного ускорителя на магнитных элементах необходимо перед подачей зарядного импульса МИГ перевести сердечники индукционной системы и сердечники магнитного импульсного генератора в состояние обратного насыщения. Для этого используется дополнительный источник тока.
p
p
6
-9
С целью увеличения скорости нарастания, импульса тока, полной энергии электронного пучка по сравнению с взрывоэмиссионными катодами в приборе-прототипе применяется плазменный катод. Идея применения такого катода заключается в предварительном (до подачи высоковольтного импульса ускорителя) формировании однородного плазменного слоя. Такой способ создания плотной плазмы с независимым от ускоряющего поля возбуждением был предложен в конце 60-х годов [Месяц Г.А., Бугаев С.П. и др. Импульсный источник больших электронных токов малой длительности. // Изв. Вузов. Физика, 1968, №1], который заключался в создании незавершенного разряда на поверхности диэлектрика в вакууме. Основным элементом эмиттера электронов являлся диск из диэлектрика, например титаната бария. С одной стороны к диску прижата металлическая игла (вспомогательный электрод), а на другую нанесен контактный металлический слой (металлический электрод). Разряд возникает при подаче импульсного напряжения Up между иглой и контактным слоем, превышающего некое пороговое значение. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости диэлектрика напряжение разряда составляет несколько сот вольт. В работе [Месяц Г.А., Бугаев С.П. и др. Эмиссия из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме. // Доклады АН СССР, 1971, т.196, №2] показано, что при отрицательном потенциале на острие разряд возникает при испарении диэлектрика под действием бомбардировки электронами, эмитированными острием за счет автоэлектронной эмиссии. Плазма разряда создается в парах разрушенного поверхностного слоя диэлектрика. После зажигания разряда плазма распространяется по поверхности диэлектрика со скоростью ν=AU, где A=21 м/(Вс) при отрицательной полярности иглы относительно контактного слоя. Одновременно с движением плазмы по диэлектрику происходит ее распространение в промежуток перпендикулярно поверхности диэлектрика со скоростью 2·10 см/с. Расширяющаяся плазма является эффективным эмиттером электронов, которые извлекаются и ускоряются с помощью положительного относительно иглы электрода (анода), при этом начало эмиссии с точностью до 10 с совпадает с возникновением плазмы у острия. Извлеченный из плазмы ток возрастает с увеличением напряжения U, что объясняется увеличением поверхности плазмы, эмитирующей электроны.
Использование вместо одной прижатой к поверхности диэлектрика иглы мелкоструктурной сетки позволяет одновременно создать большое число эмитирующих центров за счет разрядов по поверхности диэлектрика в точках касания его сеткой, что позволяет увеличить общую площадь плазмы. В работе [Бугаев С.П., Ельчанинов А.С. Сильноточный импульсный ускоритель электронов. // ПТЭ, 1970, №6] описан ускоритель электронов с катодом диаметром 40 мм, покрытым сеткой. При ускоряющем напряжении 500 кВ и длительности импульса 25 нс ускоритель обеспечивал ток 10 кА.
В приборе-прототипе [Y.Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107] предложена и экспериментально исследована конструкция плазменного катода цилиндрической геометрии, используемого в линейном индукционном ускорителе на магнитных элементах для питания релятивистского магнетрона. Плазменный катод сделан из диэлектрической (материал с диэлектрической постоянной ~80) трубы с внешним диаметром 16 мм; толщина трубы и длина равны 2 мм и 60 мм, соответственно. Внутренний металлический электрод катода соединен с высоковольтным электродом линейного индукционного ускорителя и сделан из меди. Контакт между этим электродом и внутренней поверхностью диэлектрической трубы осуществляется с использованием серебряной краски. На поверхность диэлектрика приклеиваются медные полосы шириной ~1 мм с интервалом между ними ~1.5 мм (вспомогательные электроды). Питающий импульс с амплитудой ~3 кВ с отрицательной или положительной полярностью, и продолжительностью 150 нс на полувысоте создается внешним импульсным генератором. Один конец питающего кабеля от импульсного генератора соединяется с внутренним металлическим электродом плазменного катода, другой конец - с медными полосами. При поступлении импульса начинается поверхностный разряд, образование плазмы и ее расширение в катод-анодный промежуток релятивистского магнетрона.
Надо отметить, что возможны и другие конструкции плазменных катодов (например, плоской геометрии), для работы которых необходима подача дополнительных импульсов питания от внешних источников на электроды.
Поскольку один конец высоковольтного электрода ЛИУ заземлен и соединен с земляным фланцем индукционной системы, это позволяет пропустить кабель от внешнего генератора для питания плазменного катода внутри полого высоковольтного электрода инжектора линейного индукционного ускорителя. При любом другом способе подключения кабеля к электродам плазменного катода на кабеле будет индуцироваться высоковольтный импульс напряжения, что требует применения дополнительной высоковольтной индуктивной развязки. Кроме того, такое подключение будет сопровождаться потерями энергии. Подача импульса на внутренний электрод плазменного катода за 1000±200 нс до высоковольтного импульса ЛИУ приводит к образованию однородной плазмы на поверхности диэлектрика. Формирование высоковольтного импульса линейным индукционным ускорителем и создание электрического поля высокой напряженности между внешней поверхностью плазменного слоя и заземленным анодом приводит к формированию однородного сильноточного электронного пучка. Эксперименты показывают, что при использовании плазменного катода по сравнению с традиционным взрывоэмиссионным катодом наблюдается увеличение выходной мощности релятивистского магнетрона от 150 МВт до 170 МВт и увеличение длительности импульса СВЧ-излучения от 70 нс до 100 нс.
Важным является то, что на питающем кабеле не наводится высокий потенциал при срабатывании линейного индукционного ускорителя, поскольку кабель не образует замкнутый виток, охватывающий индукционную систему. Схема питания плазменного катода, кроме импульсного генератора, имеет в своем составе блок регулируемых задержек для синхронизации импульсов питания катода и высоковольтного импульса ЛИУ. В процессе работы возможно нарушение синхронизации указанных импульсов вследствие изменяющейся от импульса к импульсу длительности заряд-разрядных процессов в магнитном импульсном генераторе ЛИУ. Различная длительность вызывается разным начальным состоянием сердечников дросселей насыщения МИГ из-за процессов обратного перемагничивания вследствие остаточной энергии в элементах МИГ.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка инжектора линейного индукционного ускорителя с улучшенными характеристиками формируемого электронного пучка.
Техническим результатом является упрощение известной конструкции за счет исключения из схемы внешних приборов, осуществление жесткой синхронизации импульсов для образования плазмы на поверхности плазменного катода и высоковольтным импульсом.
Для решения указанной задачи предлагается инжектор линейного индукционного ускорителя, содержащий, как и прототип, плазменный катод, включающий металлический и вспомогательный электроды, разделенные слоем диэлектрика, индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников с расположенным на оси трубчатым высоковольтным электродом, один конец которого заземлен на корпус ускорителя, а второй связан с металлическим электродом плазменного катода, сердечники охвачены витками намагничивания, к окончаниям которых подключен магнитный импульсный генератор, состоящий из набора звеньев сжатия, образуемых конденсаторами и дросселями насыщения, в отличие от прототипа один из дросселей насыщения магнитного импульсного генератора охвачен дополнительной обмоткой с одним или несколькими витками, выводы обмотки пропущены внутри высоковольтного электрода и соединены с электродами плазменного катода.
В цепь дополнительной обмотки дросселя насыщения магнитного импульсного генератора может быть включен резистор, для регулирования амплитуды импульса напряжения, подаваемого на электроды плазменного катода.
В предлагаемом устройстве-инжекторе линейного индукционного ускорителя возможно исключить из схемы питания плазменного катода внешние приборы - импульсный генератор, блок задержек, т.е. существенно упростить схему питания катода. Одновременно повышается точность синхронизации между импульсом питания катода и высоковольтным импульсом ЛИУ, поскольку импульс питания формируется одним из элементов ускорителя. Это достигается применением дополнительной обмотки с одним или несколькими витками, размещенной вокруг одного из дросселей насыщения магнитного импульсного генератора, выводы которой проходят внутри высоковольтного электрода инжектора ЛИУ и соединяются с электродами плазменного катода.
1
N
1
N
Принципиальная электрическая схема устройства изображена на фиг.1 для плазменной пушки цилиндрической геометрии и на фиг.2 для плазменной пушки плоской геометрии, где обозначено: 1 - индукционная система в виде набора ферромагнитных сердечников, 2 - витки намагничивания сердечников индукционной системы, 3 - высоковольтный электрод индукционной системы, 4 - дополнительная обмотка i-го дросселя насыщения магнитного импульсного генератора, C-…C - конденсаторы магнитного импульсного генератора, L-…L - дроссели насыщения магнитного импульсного генератора, 5 - металлический электрод, 6 - диэлектрик, 7 - вспомогательный электрод плазменного катода. Вспомогательный электрод 7 может выполняться в виде отдельного острия, мелкоструктурной сетки, либо, как в приборе-прототипе, в виде чередующихся медных полос, 8 - резистор.
N
N
1
1
2
2
i
i
N
N
i
i
i
i
i
Предлагаемое устройство-инжектор линейного индукционного ускорителя содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания 2. К одному набору отводов витков намагничивания подключены земляные электроды одинарной формирующей линии C. С противоположной стороны сердечников к другому набору отводов витков намагничивания через обмотку дросселя насыщения последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора L подключены потенциальные электроды одинарной формирующей линии. Магнитный импульсный генератор состоит из последовательных звеньев сжатия C-L, C-L…C-L, …C-L, где C - конденсатор емкостью C, L - дроссель насыщения с ферромагнитным сердечником индуктивностью L. Один из дросселей насыщения L имеет дополнительную обмотку 4 с одним или несколькими витками. Выводы обмотки 4 проходят внутри полого цилиндрического высоковольтного электрода 3, размещенного по оси индукционной системы 1. С противоположной от заземленной стороны высоковольтного электрода 3 выводы дополнительной обмотки 4 соединены с электродами плазменного катода: металлического электрода 5 и вспомогательного электрода 7. Между электродами 5 и 7 расположен диэлектрик 6.
1
N
1
1
1
C1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на фиг.1 и фиг.2 не показаны) производится размагничивание ферромагнитных сердечников дросселей насыщения L-L магнитного импульсного генератора, ферромагнитных сердечников индукционной системы 1. От внешнего импульсного источника (на фиг.1 и фиг.2 не показан) осуществляется заряд конденсатора C первого звена сжатия магнитного импульсного генератора. При заряде C на выводах дросселя насыщения L появляется разность потенциалов U, вызывающая протекание тока намагничивания и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L. Величина потокосцепления дросселя насыщения L составляет ψ=WSΔB, где W - число витков обмотки, S - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔB=2,5 T для пермаллоя 50 НП) и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда C. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от µ=10 до µ→1, и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Индуктивность дросселя составляет
c
н.с
в.с
1
1
2
1
где l - линейный размер сердечника индуктора, D, D - наружный и внутренний диаметры обмотки индуктора, W - число витков обмотки. При насыщении сердечника дросселя начинается разряд C и заряд C через индуктивность витков дросселя насыщения L в интервале времени
2
2
2
Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L. При заряде конденсатора C к виткам дросселя насыщения L начинает прикладываться разность потенциалов
где . Среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения в интервале времени [0, π] составит
C2
2
где U - амплитуда зарядного напряжения конденсатора C.
2
2
2
2
2
2
2
Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L и переход его в состояние с µ→1 за интервал времени , где ψ=WSΔB - потокосцепление дросселя насыщения (W, S - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения L, ΔB - размах индукции в стали).
2
2
3
2
3
При насыщении дросселя L начинается разряд конденсатора C и заряд конденсатора C через индуктивность обмотки дросселя насыщения L. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L, т.е.
3
3
3
C3
3
где  - потокосцепление дросселя насыщения, W, S - число витков обмотки и сечение стали сердечника дросселя насыщения  - среднее значение напряжения на витках дросселя насыщения L, где U - амплитуда зарядного напряжения конденсатора C.
Аналогично приведенным выше формулам
N
N
N
N-1
N
N
0
H
B
1
2
N
a
где W - число витков обмотки дросселя насыщения L, S - сечение стали сердечника, C, C - емкости конденсаторов магнитного импульсного генератора. Обычно W=1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего звена сжатия магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, поскольку , где µ, µ - магнитная проницаемость ферромагнитного материала сердечников и вакуума,  - линейный размер обмотки дросселя, D, D - наружный и внутренний диаметры обмотки. Используя соотношения (3-7) рассчитывают параметры линейного индукционного ускорителя. Обычно выбирают C=C= … =C для полной передачи энергии от первого звена сжатия МИГ в конденсатор последнего звена сжатия (формирующую линию). В этом случае
i-1
1
Поскольку выбирают Ψ≈(3-4)Ψ, то в каждом следующем звене сжатия по сравнению с предыдущим в 3-4 раза увеличивается ток, протекающий через обмотку дросселя насыщения, в 3-4 раза сокращается длительность импульса тока, т.е. в 3-4 раза сокращается время разряда конденсатора по сравнению с длительностью его заряда. Используя дополнительную обмотку 4 для того или иного дросселя насыщения, можно выбрать подходящую длительность импульса для питания плазменного катода и интервал времени между импульсом питания и высоковольтным импульсом, формируемым индукционной системой 1. Выбирая число витков или используя дополнительное сопротивление в цепи обмотки, можно регулировать амплитуду напряжения для питания катода. Число витков дополнительной обмотки 4 больше одного следует применять, если необходимо увеличить амплитуду импульса напряжения, а применять сопротивление при использовании одновитковой дополнительной обмотки, если необходимо понизить напряжение питания плазменного катода.
1
2
3
1
2
1
2
3
-6
Примером конкретного выполнения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя на магнитных элементах, изготовленный в ГОУ ВПО «НИ ТПУ» со следующими конструктивными параметрами C=C=C=0,3·10 Ф. Дроссели насыщения L, L имеют одинаковые сердечники, изготовленные из 6 колец с внешним и внутренним диаметром 250 и 110 мм, соответственно, шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,2 мм. Дроссель L имеет 14 витков, L - 4 витка. Одновитковый дроссель насыщения L имеет сердечник из 3-х колец внешним и внутренним диаметрами 500 мм и 220 мм, соответственно, шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты толщиной 0,2 мм.
3
Одновитковый дроссель насыщения последнего звена сжатия МИГ L, как и сердечники индукционной системы 1, выполнен из колец с внешним и внутренним диаметрами 360 мм и 150 мм, соответственно, шириной 25 мм, намотанных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,1 мм.
1
3
-6
Конденсаторы C-C с сосредоточенными параметрами типа К75-74 0,1 мкФ по 3 параллельно. Формирующая линия состоит из двух электродов длиной 4 метра, шириной 0,4 метра с изоляцией из синтофлекса общей толщиной 1,2 мм. Емкость формирующей линии 0,3·10 Ф. Формирующая линия намотана вокруг сердечников индукционной системы по спирали Архимеда.
Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм.
1
1
2
2
3
3
3
Конденсатор C заряжается до 50 кВ от внешнего импульсного источника питания за интервал времени 12 мкс. Разряд C и заряд C происходит за 3 мкс, разряд C и заряд C - за 1 мкс, разряд C на витки намагничивания индукционной системы через обмотку дросселя насыщения последнего звена сжатия МИГ L~0,22 мкс.
1
2
Используя дополнительную одновитковую обмотку 4 в дросселе насыщения L, можно сформировать на вспомогательном электроде 7 плазменного катода импульс напряжения полусинусоидальной формы амплитудой 50 кВ/14=3,57 кВ, длительностью 3 мкс, задержка от момента окончания импульса до подачи высоковольтного импульса от индукционной системы 1 составит: 1 мкс + 0,22 мкс=1,22 мкс. Используя дополнительную одновитковую обмотку 4 в дросселе насыщения L можно сформировать на вспомогательном электроде 7 плазменного катода импульс напряжения полусинусоидальной формы амплитудой 50 кВ/4=12,5 кВ, длительностью 1 мкс, задержка от момента окончания импульса до подачи высоковольтного импульса от индукционной системы 1 составит 0,22 мкс. Увеличивая количество витков дополнительной обмотки 4 дросселей насыщения, можно увеличивать амплитуду напряжения на вспомогательном электроде 7 плазменного катода. Для уменьшения напряжения следует применять резистор 8 в цепи дополнительной обмотки 4. При этом импульс, поступающий на вспомогательный электрод 7 плазменного катода от дополнительной обмотки 4, и высоковольтный импульс напряжения индукционной системы 1 жестко синхронизированы. Схема питания плазменного катода не требует использования дополнительных элементов, таких как блок задержек и внешний генератор импульсов.