СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
SUBNANOSECOND ELECTRON ACCELERATOR

Изобретение относится к технике формирования электронных пучков субнаносекундной длительности и может быть использовано при создании субнаносекундных ускорителей электронов мегавольтного диапазона. Данные ускорители широко применяются для определения временного разрешения наносекундных детекторов импульсов электронного и тормозного излучения, а также скоростных измерительных каналов, получения ультракоротких световых вспышек и т.д.
Известны субнаносекундные ускорители электронов (Месяц Г.А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, №3. С. 225-246), (Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Шпак В.Г. Генератор высоковольтных субнаносекундных электронных пучков // ПТЭ. 1976. №6. С. 73-75), (Яландин М.И., Шпак В.Г. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона (обзор) // ПТЭ. 2001. №3. С. 5-31), содержащие источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку. Формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные промежутки, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов.
Недостатками этих ускорителей является ограничение энергии электронов в пучке, связанное с обязательным согласованием сопротивлений передающей линии и ускорительной трубки, а также со спецификой пробоя газовых зазоров, у которых возрастание электропрочности при снижении длительности прикладываемого импульса напряжения происходит значительно в меньшей степени, чем в жидком диэлектрике (например, в трансформаторном масле). Кроме того, наличие срезающего разрядного промежутка приводит к дополнительному увеличению разброса параметров электронного пучка.
Наиболее близким к заявляемому является субнаносекундный ускоритель электронов (Желтое К.А. и др. Пикосекундный сильноточный источник электронов с высокоимпедансным вакуумным диодом // ПТЭ. 1999. №6 С. 89-94) на основе источника наносекундных высоковольтных импульсов и маслонаполненного формирователя, содержащего формирующую, короткую накопительную и передающую линии, а также ускорительную трубку. Передающая линия выполнена ступенчатой, в промежутках между линиями расположены два обостряющих разрядных промежутка. Пробой разрядных промежутков происходит в среде масла. Выходная секция передающей линии подключена к ускорительной трубке, которая имеет сопротивление, в несколько раз превышающее волновое сопротивление выходной секции.
Сильная (по сравнению со сжатым газом) зависимость электропрочности масла от длительности прикладываемого импульса напряжения позволяет обеспечить большую перенапряженность электрического поля в разрядных промежутках, чем обеспечивается высокая энергия (порядка 1 МэВ) электронов в пучке при длительности импульсов электронов не более 150-200 пс. Кроме того, формирование импульса происходит без срезающего разрядного промежутка, что упрощает конструкцию формирователя и позволяет снизить разброс параметров электронного пучка по сравнению с газонаполненными формирователями.
Главным недостатком данного ускорителя является то, что пробои разрядных промежутков в среде масла сопровождаются выделением газовых пузырьков и сажи. Это приводит к заметному снижению напряжения пробоя разрядных промежутков при последующих включениях ускорителя. Поэтому необходимо выдерживать большую паузу (несколько минут) между импульсами. Кроме того, ускорители требуют стационарной установки, в противном случае нарушаются регулировки и настройки ускорителя.
При создании данного изобретения решалась задача создания переносного субнаносекундного ускорителя электронов с энергией электронов порядка 1 МэВ, с повышенной частотой срабатывания, простого и удобного в эксплуатации.
Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей за счет снижения временных пауз между включениями, простоты обслуживания, а также возможности оперативной перестройки конструкции формирователя с целью изменения параметров ускорителя.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным субнаносекундным ускорителем электронов, содержащим источник наносекундных высоковольтных импульсов, к которому подключен маслонаполненный формирователь, включающий последовательно расположенные коаксиальные формирующую линию. развязывающую линию, короткую накопительную линию, передающую линию и ускорительную трубку, формирователь закреплен на корпусе источника, внутренние проводники формирующей и развязывающей линий, а также короткой накопительной и передающей линий разделены разрядными промежутками, новым является то. что формирователь выполнен съемным и отделен от объема источника изолятором, на котором закреплена формирующая линия, корпус формирователя разделен на разъемные секции двух типов, смежные секции первого типа, в которых расположены формирующая и развязывающая линии, электрически соединены цилиндрическими цангами, секции второго типа, в которых расположена передающая линия, электрически соединены прижатыми друг к другу торцами с контактом по кольцевой поверхности, на цилиндрических цангах одной из секций первого типа закреплены два изолятора, на которых установлены внутренние проводники развязывающей и короткой накопительной линий, передающая линия на выходе электрически соединена с ускорительной трубкой посредством цанги, на корпусе формирователя установлены штуцеры для поперечной прокачки масла через разрядные промежутки.
Кроме этого, цилиндрические цанги установлены во внутренних проточках смежных секций первого типа, при этом осевая длина цанг на 0.05-0.1 мм меньше суммарной осевой длины проточек смежных секций; внутренний проводник развязывающей линии выполнен в виде проволоки диаметром 0.1-5 мм; формирователь закреплен на корпусе источника при помощи фланцевого соединения; электрический контакт секций второго типа осуществлен по кольцевой поверхности с радиальной шириной 1-3 мм.
Выполнение формирователя съемным и отделение его от объема источника наносекундных высоковольтных импульсов изолятором, на котором закреплена формирующая линия, позволяет:
- использовать и обновлять в объеме формирователя масло более высокого качества или другого состава, чем в источнике наносекундных высоковольтных импульсов, что необходимо для обеспечения стабильности параметров электронных импульсов ускорителя;
- оперативно осуществлять обслуживание источника без разборки формирователя.
Для формирования и передачи коротких импульсов без искажений внутренняя поверхность корпуса формирователя должна быть единой. В то же время для упрощения обслуживания формирователя, связанного с его разборкой, чисткой и заменой отдельных деталей, корпус выполнен секционированным, т.е. с разрывами единой поверхности. Для выполнения столь противоречивых требований, секции корпуса необходимо стыковать грамотно, с обеспечением качественного электрического контакта и переходов поверхности одной секции в поверхность другой с минимальными неоднородностями в виде ступенек и канавок. Наличие секций двух типов вызвано тем, что электропрочность масла при работе на субнаносекундных импульсах в 2-3 раза выше, чем при работе на наносекундных импульсах. Поэтому секции первого типа, через которые проходят наносекундные импульсы, имеют диаметр, соответственно, в 2-3 раза больше диаметра секций второго типа. В то же время для субнаносекундных секций второго типа требования по однородности внутренней поверхности значительно выше. В связи с этим стыковка секций первого типа осуществляется цилиндрическими цангами, которые установлены в проточках секций. Цанги позволяют обеспечить достаточно качественный для передачи наносекундных импульсов контакт секций и в то же время легкую разборку корпуса формирователя; внутренняя поверхность цанг является продолжением внутренней поверхности корпуса формирователя. Поскольку осевая длина цанг на 0.05-0.1 мм меньше суммарной осевой длины проточек секций, при смыкании фланцев смежных секций цанги не испытывают деформирующих усилий. В то же время взаимное осевое позиционирование секций (которое определяет величину разрядных промежутков) обеспечивается с достаточной точностью. Закрепление на цилиндрических цангах одной из секций двух изоляторов, на которых установлены внутренние проводники развязывающей и короткой накопительной линий, позволяет собрать указанные детали в единый блок. Это значительно упрощает разборку формирователя при установке и контроле разрядных промежутков.
Стыковка секций второго типа, ввиду значительно меньшего диаметра, позволяет, путем прижима друг к другу торцов секций с контактом по кольцевой поверхности, решить одновременно две задачи: обеспечить их качественное электрическое соединение и простоту сборки и разборки. Ограничение радиальной ширины электрического контакта секций в пределах 1-3 мм связано с технологичностью изготовления (что приводит к наличию взаимного осевого смещения смежных секций до 0,3-0,5 мм) и одновременно требованием близкого расположения точек прижимного контакта торцов к внутренней поверхности секций.
Стыковка передающей линии с ускорительной трубкой посредством цанги также обеспечивает качественное электрическое соединение линии с трубкой.
Выполнение внутреннего проводника развязывающей линии в виде проволоки диаметром 0.1-5 мм упрощает конструкцию и обслуживание формирователя.
Как показали эксперименты, газовые пузырьки и сажа, возникающие в разрядном промежутке после его пробоя, со временем выводятся естественным путем. Но если газовые пузырьки поднимаются и выходят за пределы промежутка сравнительно быстро (за 20-30 секунд), то сажа ввиду легкости и малости ее частиц остается взвешенной в течение нескольких минут. Поперечная прокачка масла через разрядные промежутки при помощи попарно установленных на корпусе формирователя штуцеров позволяет выводить сажу за несколько секунд и тем самым в несколько раз повысить производительность ускорителя.
Таким образом, в данном изобретении все указанные признаки направлены на реализацию указанного технического результата.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 показана конструкция ускорителя и его основных узлов, где:
1 - источник высоковольтных импульсов наносекундной длительности;
2 - маслонаполненный субнаносекундный формирователь;
3 - зарядная катушка индуктивности;
4 - одна из корпусных секций первого типа
5 - одна из корпусных секций второго типа
6 - разделяющий изолятор;
7 - внутренний проводник первой накопительной линии;
8 - первый разрядный промежуток;
9 - штуцеры для поперечной прокачки;
10 - внутренний проводник развязывающей линии;
11 - цилиндрические цанги для электрического соединения секций корпуса;
12, 13, 14, 15 - опорные изоляторы;
16 - второй разрядный промежуток;
17 - внутренний проводник короткой накопительной линии;
18 - первая секция передающей линии;
19 - вторая секция передающей линии;
20 - цанга подключения ускорительной трубки;
21 - ускорительная трубка;
На фиг. 5 приведена осциллограмма импульса тока за окном ускорительной трубки. Развертка по горизонтали - 500 пс на деление.
Субнаносекундный ускоритель электронов содержит источник 1 наносекундных высоковольтных импульсов. На его корпусе при помощи фланцевого соединения закреплен маслонаполненный субнаносекундный формирователь 2. Он подключен к источнику 1 через зарядную катушку индуктивности 3 и включает в себя последовательно расположенные формирующую, развязывающую и короткую накопительную линии с внутренними проводниками 7, 10 и 17, а также передающую линию, состоящую из секций 18 и 19, и ускорительную трубку 21. Трубка подключена к выходу передающей линии посредством цанги 20. Корпус формирователя разделен на разъемные секции двух типов (позиции 4 и 5). Электрическое соединение секций 4 первого типа осуществляется цилиндрическими цангами 11, секций 5 второго типа - путем их осевого стягивания. При этом происходит сжатие их торцов, и этим обеспечивается качественное электрическое соединение с контактом по кольцевой поверхности. Внутренний объем формирователя отделен от объема источника 1 изолятором 6 и заполнен трансформаторным маслом. Внутренние проводники линий закреплены на опорных изоляторах 12, 13, 14 и 15 и разделены разрядными промежутками 8 и 16. Изоляторы 12 и 13 закреплены на цилиндрических цангах одной из секций 4 первого типа, на этих изоляторах установлены внутренние проводники развязывающей и короткой накопительной линий 10 и 17. Вместе с секцией корпуса эти детали образуют единый блок, который легко снимается при необходимости контроля и настройки разрядных промежутков 8 и 16. На корпусе формирователя напротив разрядных промежутков установлены штуцеры 9 для поперечной прокачки масла через промежутки.
Ускоритель работает следующим образом. Высоковольтный импульс наносекундной длительности (5-10 нс) от источника 1 через зарядную катушку индуктивности 3 поступает на вход формирователя 2 и заряжает первую формирующую линию 7. После этого пробивается первый разрядный промежуток 8, и линия подключается к развязывающей линии 10, что приводит к зарядке короткой накопительной линии 17 за время ≈1.5 нс. После этого пробивается второй разрядный промежуток 16. Благодаря малой длительности зарядки короткой линии время развития пробоя второго разрядного промежутка составляет не более 0.2 нс, и в передающую линию сходит импульс напряжения субнаносекундной длительности. Он проходит через секции 18 и 19 передающей линии и поступает на ускорительную трубку 21, вызывая генерацию электронного пучка субнаносекундной длительности. Использование ступенчатой передающей линии, а также режим работы трубки, при котором ее сопротивление в 2-3 раза больше сопротивления передающей линии, происходит увеличение амплитуды импульса напряжения на трубке и, соответственно, повышение энергии электронов в пучке.
Заявляемый ускоритель с использованием указанных отличительных признаков был изготовлен и испытан. На фиг. 5 приведена осциллограмма электронного тока ускорительной трубки. Длительность импульса на полувысоте не превышает 0.2 нс при амплитуде тока электронов не менее 1 кА и максимальной энергии электронов 0.95 МэВ. Малая длительность полученного пучка электронов при высоких значениях тока и энергии электронов указывает на хорошую пропускную способность коаксиальных линий, которая в заявляемом ускорителе обеспечена указанными выше особенностями их конструкции. Наличие поперечной прокачки масло позволило сократить время пауз между включениями ускорителя до 10-20 с. Ускоритель легко разбирается и собирается при необходимости его обслуживания с целью чистки и регулировки.