УСКОРИТЕЛЬНАЯ ТРУБКА
ACCELERATION TUBE

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к импульсным сильноточным ускорителям электронов, и предназначено для передачи энергии от мощного источника электромагнитного импульса к нагрузке.
Известна ускорительная трубка [«Импульсный ускоритель электронов Страус-2», Сборник научных трудов. Физика и техника высоких плотностей электромагнитной энергии под редакцией В.Д.Селемира, Л.Н.Пляшкевича, авт. B.C.Босамыкин, B.C.Гордеев, А.И.Павловский и др., Саров, 2003, стр.97-99], состоящая из двух коаксиально расположенных электродов, секционированного изолятора, установленного в полиэтиленовой трубе и разделяющего вакуумированный объем и объем, заполненный жидким диэлектриком (трансформаторным маслом), конусного и анодного соленоидов для создания режима магнитной изоляции, нагрузки. Полость между секционированным изолятором и полиэтиленовой трубой заполнена электролитом (водный раствор NaCl), предназначенным для выравнивания распределения электрического потенциала по длине изолятора и рассеяния энергии. Недостатком данной трубки является сложность в обслуживании и эксплуатации, в частности необходимость поддерживания рабочего состояния электролита, а также повышенная напряженность электрического поля в полиэтиленовой трубе, что может привести к ее пробою.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, который выбран в качестве прототипа, является ускорительная трубка [W.B.Moore, R.W.Stinnett, and D.H.McDaniel «Supermite vacuum interface design», Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico, presented at the 5th IEEE Pulsed power Conf, Washington, D.C., 10.06.1985, pp.315-317], состоящая из двух коаксиально расположенных электродов, нагрузки, секционированного изолятора, разделяющего вакуумированный объем и объем, заполненный жидким диэлектриком, и диэлектрической линзы, размещенной в этом объеме и прилегающей к корпусу трубки. Поверхность диэлектрической линзы со стороны жидкого диэлектрика является тороидальной с большим радиусом кривизны и предназначена для выравнивания распределения электрического поля по длине секционированного изолятора. Сама же линза выполнена из материала с высокой электрической прочностью (Acrylic).
Недостатками данной трубки является сложность в изготовлении и высокая стоимость, связанная с необходимостью использования крупных заготовок и материала с высокой электрической прочностью. Последнее вызвано неоптимальной формой линзы, приводящей к высокой напряженности электрического поля в объеме линзы и повышающей таким образом вероятность пробоя, для предотвращения которого необходима высокая электрическая прочность материала, а материалы с требуемыми характеристиками труднодоступны на территории России и стоят дорого.
Решаемой задачей, на которое направлено данное изобретение, является создание оптимальной конструкции диэлектрической линзы для ускорительной трубки, которая позволила бы упростить и удешевить изготовление линзы и обеспечивала возможность использования более дешевых материалов.
Техническим результатом изобретения является упрощение изготовления при сохранении эксплуатационных характеристик (надежности, ресурса работы трубки) за счет расширения выбора используемых материалов, а также снижение стоимости материалов.
Указанный технический результат в устройстве достигается тем, что ускорительная трубка состоит из коаксиально расположенных двух электродов, внешний из которых является корпусом трубки, секционированного изолятора между ними, разделяющего межэлектродную полость на вакуумированный объем и объем, заполненный жидким диэлектриком, и диэлектрической линзы, прилегающей к корпусу трубки и расположенной с зазором к изолятору. Новым является то, что поверхность диэлектрической линзы со стороны жидкого диэлектрика образована четырьмя тороидальными участками, первый и второй участок сопряжены при помощи конического участка, второй и третий - цилиндрического, третий и четвертый - плоского участка, причем образующая конического участка линзы образует с нормалью к поверхности корпуса угол от 0° до 30°, а высота цилиндрического участка линзы, обращенного к изолятору, составляет не более половины величины длины изолятора, при этом радиус второго тороидального участка, по крайней мере, в 2 раза больше, чем радиусы других тороидальных участков поверхности.
1
2
3
4
1
2
3
4
Кроме этого, соотношения различных элементов поверхности диэлектрической линзы к высоте цилиндрического участка поверхности выбраны следующие: R=(1,25-1,40)r; r=(0,025-0,075)h; r=(0,25-0,35)h; r=(0,025-0,075)h; r=(0,025-0,075)h; l=(0,7-0,8)h; где h - высота цилиндрического участка поверхности линзы, r - радиус внешней поверхности секционированного изолятора, R - радиус цилиндрического участка поверхности линзы, r - радиус первого тороидального участка поверхности линзы, r - радиус второго тороидального участка поверхности линзы, r - радиус третьего тороидального участка поверхности линзы, r - радиус четвертого тороидального участка поверхности линзы, l - расстояние между образующей цилиндрического участка поверхности линзы и точкой пересечения поверхности корпуса с образующей конического участка поверхности, измеренное в плоскости, в которой лежит ось симметрии линзы.
Выполнение поверхности диэлектрической линзы со стороны жидкого диэлектрика в виде четырех тороидальных участков, где первый и второй участки сопряжены при помощи конического участка, второй и третий - цилиндрического, третий и четвертый - плоского участка, приводит к перераспределению электромагнитного поля в трубке таким образом, что напряженность электрической составляющей поля в линзе становится ниже, и ограничивается напряженность поля вблизи тройных точек металл - жидкий диэлектрик - твердый диэлектрик, что снижает требования к электрической прочности материала линзы и упрощает ее изготовление за счет более компактной формы.
Угол величиной от 0° до 30° между образующей конического участка линзы и нормалью к поверхности корпуса приводит к тому, что угол вхождения электромагнитной волны в диэлектрическую линзу оказывается мал, что не вызывает повышенную напряженность электрического поля на границе раздела двух диэлектриков, и, следовательно, в линзе менее вероятно развитие пробоя, что также снижает требования к материалу линзы, удешевляя ее изготовление.
Выполнение цилиндрического участка линзы, обращенного к изолятору, таким образом, что его высота составляет не более половины величины длины изолятора, позволяет применить при изготовлении линзы заготовку меньшего размера и веса, что упрощает и удешевляет изготовление.
Изготовление радиуса второго тороидального участка, по крайней мере, в 2 раза больше, чем радиусы других тороидальных участков поверхности, позволяет уменьшить размер и вес заготовки, удешевляя и упрощая изготовление.
Выполнение диэлектрической линзы из вышеописанных участков поверхностей в сочетании с вышеперечисленными соотношениями элементов поверхности линзы (которые были найдены в результате вычислительного эксперимента) позволяет создать оптимальный вариант конструкции, который за счет оптимизации распределения напряженности электрического поля в объеме линзы снижает требования к ее материалу. Все это упрощает и удешевляет изготовление ускорительной трубки при сохранении ее эксплуатационных качеств.
Рассмотрим вариант реализации представленного устройства, конструкция которого приведена на фиг.1, где 1, 2 - электроды, 3 - секционированный изолятор, 4 - вакуумированный объем, 5 - объем, заполненный жидким диэлектриком, 6 - нагрузка, 7 - диэлектрическая линза, 8 - коаксиальная линия передачи. На фиг.2 представлена диэлектрическая линза в увеличенном масштабе.
1
2
3
4
1
2
3
4
Устройство представляет собой два электрода, которые являются продолжениями соответствующих электродов коаксиальной линии передачи, и один из которых является корпусом трубки. В объеме трубки, заполненном жидким диэлектриком - деионизированной водой, размещена диэлектрическая линза, выполненная из полиэтилена с заявленной электрической прочностью. 150 кВ/см. При этом поверхность диэлектрической линзы со стороны жидкого диэлектрика образована четырьмя тороидальными участками, первый и второй участок сопряжены при помощи конического участка, второй и третий - цилиндрического, третий и четвертый - плоского участка. Образующая конического участка линзы выполнена перпендикулярно к поверхности корпуса. Соотношения различных элементов поверхности диэлектрической линзы к высоте цилиндрической поверхности выбраны следующими: R=(1,25-1,40)r, r=(0,025-0,075)h, r=(0,25-0,35)h, r=(0,025-0,075)h, r=(0,025-0,075)h, l=(0,7-0,8)h, где h - высота цилиндрического участка поверхности линзы, r - радиус внешней поверхности секционированного изолятора, R - радиус цилиндрического участка поверхности линзы, r - радиус первого тороидального участка поверхности линзы, r - радиус второго тороидального участка поверхности линзы, r - радиус третьего тороидального участка поверхности линзы, r - радиус четвертого тороидального участка поверхности линзы, l - расстояние между образующей цилиндрического участка поверхности линзы и точкой пересечения поверхности корпуса с образующей конического участка поверхности, измеренное в плоскости, в которой лежит ось симметрии линзы. Другая часть объема ускорительной трубки вакуумирована, нагрузкой ускорительной трубки является магнитоизолированная передающая линия. Вакуумированный объем отделен от остального объема трубки, заполненного жидким диэлектриком, при помощи секционированного изолятора. Секционированный изолятор с внешним диаметром 480 мм и длиной 431,5 мм расположен между электродами и состоит из 19 диэлектрических секций, разделенных градиентными электродами, выполненных из нержавеющей стали. Целостность изолятора сохраняется за счет сил сжатия, которые создаются при помощи диэлектрических шпилек.
Ускорительная трубка работает следующим образом.
Электромагнитный импульс по коаксиальной линии передачи 8 поступает в ускорительную трубку и, распространяясь по электродам 1, 2 и в объеме, заполненном жидким диэлектриком 5, в диэлектрической линзе 7, а также в вакуумированном объеме 4, поступает в нагрузку 6. При прохождении электромагнитного импульса через ускорительную трубку электрическая составляющая электромагнитной волны способна вызвать пробой как в объеме, заполненном жидким диэлектриком 5, так и в диэлектрической линзе 7 и изоляторе 3. При помощи диэлектрической линзы 7 электромагнитное поле перераспределяется в трубке таким образом, что распределение электрического поля в секционированном изоляторе 3 становится ближе к равномерному, тем самым снижается вероятность пробоя.
На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предлагаемого устройства с достижением вышеуказанного технического результата. В результате компьютерного моделирования было получено распределение напряженности электрического поля в ускорительной трубке и, в частности, в линзе. При использовании диэлектрической линзы выбранной формы средняя напряженность в линзе составила 110 кВ/см. Выбор линзы из полиэтилена позволило приблизительно в 10 раз уменьшить ее стоимость по сравнению с материалом, используемым в прототипе, а ее компактная форма позволила уменьшить размер и вес заготовки, что упростило и удешевило ее производство. Предлагаемое изобретение планируется использовать для выравнивания напряженности электрического поля по длине секционированного изолятора в ускорительной трубке, находящейся в стадии изготовления.