ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
PULSE GENERATOR

Изобретение относится к области генерации электронных пучков и рентгеновского излучения и может быть использовано в прикладных физических исследованиях, таких как взаимодействие излучения с веществом, быстропротекающие процессы, накачка лазеров, а также в плазмохимии, в радиационной химии, в биологии и т.д.
Известно устройство получения наносекундных пучков быстрых электронов в вакууме с выводом его через фольгу на базе малогабаритного импульсно-периодического сильноточного источника питания с резонансным трансформатором на разомкнутом магнитопроводе и совмещенной с ним формирующей линией [1]. Высоковольтные наносекундные импульсы в данном устройстве формируются с помощью повышающего импульсного трансформатора с последующим обострением фронта посредством срабатывания разрядника-обострителя. Повышающий импульсный трансформатор собран на разомкнутом цилиндрическом магнитопроводе. Данное устройство позволяет получать импульсы напряжения длительностью на полувысоте 5 нс.
Недостатком устройства является неэффективное использование магнитного потока за счет геометрии магнитопровода и большая электрическая длина формирующей линии.
Известно устройство получения наносекундных пучков быстрых электронов в вакууме с выводом его через фольгу на базе малогабаритного импульсно-периодического сильноточного источника питания с резонансным трансформатором на разомкнутом магнитопроводе и совмещенной с ним формирующей линией [2]. Разомкнутый магнитопровод импульсного трансформатора состоит из внешнего и внутреннего магнитопроводов, расположенных в трансформаторе коаксиально. Такой трансформатор имеет более высокий коэффициент связи и трансформации. При емкости накопительной линии источника питания 55 пФ полная электрическая длина формирующей линии не более 2 нс.
Недостатком устройства для получения короткоимпульсных режимов является большая электрическая длина формирующей линии.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению является малогабаритный сильноточный генератор электронов серии РАДАН [3]. Генератор содержит высоковольтный импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Наличие наружного магнитопровода позволяет поместить трансформатор в металлический корпус, практически полностью экранирующий помехи. Конструкция трансформатора, совмещенного с формирующей линией и имеющего коаксиальный разомкнутый магнитопровод, позволяет получить коэффициент связи между обмотками, близкий к единице. Первичная обмотка повышающего трансформатора намотана четырьмя витками медной фольги с бумажной изоляцией. Вторичная обмотка содержит 400 витков провода марки ПЭШО, намотанных на тонкостенный конический каркас. Данное устройство позволяет получать импульсы напряжения длительностью примерно 1,5-2 нс.
Недостатками такого устройства являются повышенное требование к электрической прочности изоляции зазора формирующей линии, изолятору высоковольтного разрядника-обострителя при работе импульсного трансформатора на второй полуволне зарядного напряжения, невозможность получения импульсов электронных пучков и рентгеновского излучения субнаносекундной длительности в вакуумных отпаянных электронных и рентгеновских трубках на основе данного генератора.
Технической задачей настоящего изобретения является формирование высокоэнергетичных (сотни кэВ) субнаносекундных потоков электронов и рентгеновских квантов с длительностью импульса менее 0,2 нс генератором импульсов с газовым диодом атмосферного давления и выше.
Решение технической задачи достигается тем, что в генераторе импульсов сверхкоротких лавинных электронных пучков, содержащем соосно в корпусе источник питания с повышающим импульсным трансформатором на разомкнутом коаксиально симметричном магнитопроводе, обострительный разрядник, корпус которого образует с корпусом генератора короткую формирующую линию с масляной изоляцией, и диод, катододержатель которого соединен с высоковольтным выводом разрядника, согласно изобретению, в импульсном трансформаторе магнитопровод выполнен в виде двух коаксиальных ферритовых цилиндров, электрически соединенных со стороны низковольтной части трансформатора и разомкнутых со стороны обострительного разрядника, при этом внутренняя часть магнитопровода секционирована диэлектрическими вставками, а диод имеет газовое наполнение.
Кроме того, в генераторе импульсов короткая формирующая линия имеет длину, обеспечивающую длительность импульса напряжения на полувысоте не более 0,5 нс.
Кроме того, в генераторе импульсов анод газового диода выполнен из метрической фольги с большим атомным номером.
Выполнение внутренней части ферритового магнитопровода секционированным диэлектрическими вставками позволяет равномерно распределить наведенный электрический потенциал, что позволяет получить высокую электрическую прочность импульсного трансформатора, уменьшить его габаритные размеры, в соединении с обострительным разрядником получить короткую формирующую линию, нагруженную с минимально возможной индуктивностью на газовый диод, для получения сверхкоротких лавинных электронных пучков и рентгеновского излучения.
На чертеже представлен общий вид ускорителя. В корпусе (1) генератора размещены: импульсный резонансный трансформатор, собранный на разомкнутом ферритовом коаксиально-симметричном магнитопроводе (2), обострительный разрядник (3), высоковольтный вывод которого соединен с катодом газового диода (4), газовый диод (5), заполненный атомарным, молекулярным газом либо газовой смесью. Магнитопровод (2) изготовлен из феррита и имеет зазор в высоковольтной части. В целях распределения наведенного электрического потенциала внутренняя часть магнитопровода секционирована и состоит из шести ферритовых колец, разделенных лавсанобумажными изоляторами (7). Первичная обмотка (8) импульсного повышающего трансформатора намотана медной лентой на картонную гильзу, а вторичная обмотка (9) намотана на тонкостенный каркас (10) из капролона и имеет малоиндуктивную электрическую связь с обострительным разрядником (3). Металлическая оболочка разрядника (3) и металлический корпус (1) генератора образуют формирующую линию и одновременно высоковольтный конденсатор, в котором диэлектрической средой является трансформаторное масло. Высоковольтный вывод (4) разрядника удлинен и является катододержателем газового диода. Камера (5) газового диода изготовлена из капролона, на внешнюю поверхность которой намотана зарядная индуктивность (11). Анод (6) газового диода выполнен из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Высоковольтный блок ускорителя и газовый диод выполнены в коаксиальной геометрии. Минимально возможная индуктивность генератора обеспечивается коаксиальной геометрией устройства.
Устройство работает следующим образом. Вторичная обмотка импульсного трансформатора заряжает формирующую линию, образованную внешней оболочкой обострительного разрядника (3) и корпусом (1) генератора. После включения обострительного разрядника 3 сформированный импульс напряжения посредством передающей линии, образованной выводом разрядника, катододержателем (4) и корпусом генератора (1), подается на катод газового диода. Формирование электронного пучка происходит на фронте приложенного импульса напряжения, пучок формируется между движущимся фронтом импульсного объемного разряда и анодом. При этом скорость распространения плазмы определяется быстрыми электронами, возникающими у катода за счет усиления поля на катоде и катодных пятнах.
Использование генератора импульсов, формирующего импульсы напряжения с длительностью фронта не более 0,4 нс, выполнение индуктивности разрядного контура и поверхности изолятора газового диода минимально достаточными для подаваемого на газовый диод напряжения и использование обострительного разрядника со временем срабатывания менее 1 нс и катода, скатанного тонкостенной трубкой из проката нержавеющей стали толщиной 100 мкм, позволяет эффективно формировать сверхкороткий поток электронов и рентгеновского излучения в газовых средах атмосферного давления и выше. В этой конструкции в объемном импульсном разряде основная часть убегающих электронов при низких начальных параметрах Е/р~0,1 кВ/см·Торр (Е - напряженность электрического поля, р - давление газа) формируется в пространстве между плазмой, которая образовалась на катоде, и анодом. Катодная плазма с большой скоростью распространяется к аноду, при этом за счет перераспределения электрического поля в части газового диода достигается критическая величина Е/р, в том числе и вследствие геометрического фактора.
Генератор содержит в коаксиальной схеме источник высоковольтных импульсов и газовый диод, заполненный атмосферой воздуха. Импульсы напряжения ~(150-160) кВ длительностью на полувысоте ~0,5 нс с фронтом нарастания ~0,3 нс подавались на газовый диод, в котором расположена двухэлектродная система "острие-плоскость". Катод имел форму тонкостенной трубки диаметром 6 мм, скатанной из фольги (100 мкм) нержавеющей стали. Анод - плоскость алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Вывод электронного пучка осуществлялся через анодное окно. Оптимальное расстояние анод-катод составило 12 мм. Получен пучок электронов с амплитудой тока ~20 А и длительностью импульса на полувысоте ~100 пс.
Источники информации
1. Белкин Н.В., Колесов В.И., Худяков Л.Н. Генераторы наносекундных импульсов быстрых электронов с энергией до 500 кэВ. ПТЭ №5, 1981, с.145.
2. Месяц Г.А. Сильноточные электронные пучки в технологии. Издательство "Наука" СО АН СССР, Новосибирск, 1983, с.125-129.
3. Загулов Ф.Я., Котов А.С., Шпак В.Г., Юрике Я.Я., Яландин М.И. РАДАН - малогабаритные сильноточные ускорители электронов импульсно-периодического действия. ПТЭ №2, 1989, с.146.
4. Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. Генератор субнаносекундных пучков электронов. Патент на изобретение РФ №2242062.
5. Желтов К.А., Малыгин А.В., Розов В.И., Шалимов В.Ф. Наносекундный сильноточный ускоритель электронов со стабильной энергией 1 МэВ. ПТЭ, №5, 1981, с.23-26.
6. Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. Способ получения субнаносекундного электроннного пучка. Патент на изобретение РФ №2244361.