СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
SUB-NANOSECOND ELECTRONS 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 канатов, получения ультракоротких световых вспышек и т.д.
Известны субнаносекундные ускорители электронов (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. - С. 93-105), содержащие источник наносекундных высоковольтных импульсов и маслонаполненный формирователь, в котором при помощи разрядников-обострителей происходит обострение фронта и укорочение импульсов до долей наносекунды. Эти импульсы далее поступают на ускорительную трубку, где происходит генерация электронных пучков субнаносекундной длительности.
Недостатками данных ускорителей является то, что пробои межэлектродного промежутка обостряющих разрядников происходят в среде трансформаторного масла. При этом требуется периодическая прокачка масла через формирователь и необходимо выдерживать большое время (несколько минут) выдержки между импульсами: ускорители требуют стационарной установки, в противном случае нарушаются регулировки и настройки генератора.
Наиболее близким к заявляемому является субнаносекундный ускоритель электронов (Месяц Г.А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, №3. С. 225-246), содержащий источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку. Формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные зазоры, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов.
Использование сжатого газа в качестве рабочей среды коммутирующих обостряющих и срезающих разрядных зазоров позволяет значительно сократить время выдержки между импульсами и обеспечить частотный режим работы данных ускорителей, которые к тому же могут быть выполнены переносными и работают в любом положении.
Недостатками этих ускорителей является сравнительно низкая энергия электронов в пучке (не выше 300 кэВ), что связано 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 трансформаторном масле. При этом на ускорительную трубку подаются импульсы напряжения с амплитудой, соответственно, не более 300 кВ.
При создании данного изобретения решалась задача создания частотного субнаносекундного ускорителя электронов с энергией электронов выше 0.8 МэВ.
Техническим результатом является увеличение амплитуды импульса напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным субнаносекундным ускорителем электронов, содержащим источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку, формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные зазоры, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов, новым является то, что между формирующей и передающей линиями дополнительно введена вторая формирующая линия с образованием второго обостряющего разрядного зазора, причем вторая формирующая линия состоит из двух участков, из которых первый, высокоомный участок, расположен со стороны первой формирующей линии, а второй, низкоомный. представляет собой короткую накопительную линию, расположенную со стороны передающей линии, оба обостряющих разрядных зазора образованы разрывами между линиями, поверхности внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии в зоне минимального зазора между проводниками выполнены эквидистантными, передающая линия выполнена длинной, с возрастанием волнового сопротивления в сторону ускорительной трубки, причем ускорительная трубка содержит металлический корпус и токоввод, которые образуют линию с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению выходного участка передающей линии, а токоввод закреплен на корпусе посредством керамического полого конического изолятора, при том сопротивление зазора между анодом и катодом ускорительной трубки, по меньшей мере, в два раза превышает волновое сопротивление выходного участка передающей линии.
Кроме этого, первый участок второй формирующей линии имеет волновое сопротивление, в 3-10 раз большее волнового сопротивления второго участка этой же линии.
Длины эквидистантных поверхностей внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии не превышают 0.03 м.
Длина L передающей линии отвечает условию L≥c⋅Т/4. где с - скорость света в вакууме, Т - минимальное значение временного интервала между генерацией первого и повторных электронных импульсов ускорителя.
Второй, низкоомный участок второй формирующей линии (короткая накопительная линия) назван коротким из-за его малой протяженности (не более 0.03 м) и обеспечивает формирование субнаносекундного импульса напряжения при разрядке на передающую линию. Длительность разрядки равна времени τ двойного пробега импульса по эквидистантному участку короткой линии. В газонаполненной линии τ=2×l/с, где l - длина эквидистантного участка короткой линии, с - скорость света в вакууме. При величине l=0.03 м, τ=0.2 нс.
Передающая линия названа длинной, поскольку ее длина L во много раз больше длины l короткой накопительной линии. Условие L≥c⋅T/4 учитывает то, что повторные электронные импульсы появляются после четырехкратного пробега субнаносекундных импульсов напряжения между срезающим разрядным зазором и катодом ускорительной трубки. При этом минимальное значение временного интервала Т между генерацией первого и повторных электронных импульсов ускорителя определяется временем, в течение которою происходит затухание переходной характерце гики (отклика) исследуемого объекта.
В заявляемом ускорителе зарядка короткой накопительной линии производится от первой формирующей линии через первый высокоомный участок второй формирующей линии после пробоя первого обостряющего зазора. Благодаря малой длине и небольшой емкости короткой линии, время ее зарядки не превышает 1 нс (в ускорителе по прототипу время зарядки формирующей линии составляет 10 нс). Это позволяет повысить напряжение пробоя второго обостряющего зазора и тем самым увеличить амплитуду напряжения субнаносекундного импульса, сходящего в передающую линию.
Прохождение импульса по передающей линии с возрастающим в сторону ускорительной трубки волновым сопротивлением сопровождается трансформацией субнаносекундного импульса напряжения с увеличением его амплитуды, что приводит к увеличению амплитуды напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки.
Превышение сопротивления зазора между анодом и катодом относительно сопротивления выходного участка передающей линии, по меньшей мере, в два раза также приводит к увеличению амплитуды напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки.
Срезающий разрядный зазор служит для уменьшения длительности среза субнаносекундного импульса напряжения путем замыкания зазора при его пробое на вершине или фронте импульса. Повышение амплитуды субнаносекундного импульса напряжения, сходящего в передающую линию, создает необходимость увеличения длины срезающего разрядного зазора, что в ускорителе по прототипу приведет к уширению импульса вследствие возрастания индуктивности канала искрового пробоя. В заявляемом ускорителе наличие высокоомного участка второй формирующей линии позволяет осуществить развязку низкоомного участка от первой формирующей линии и обеспечить эффективный быстрый срез субнаносекундного импульса даже при повышенной индуктивности канала искрового пробоя.
Увеличение амплитуды напряжения зарядки короткой накопительной линии влечет за собой необходимость увеличения минимального зазора между проводниками линии для обеспечения достаточной электропрочности. Выполнение поверхностей внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии в зоне минимального зазора между проводниками эквидистантными позволяет выполнить короткую линию с равной электрической прочностью в указанной зоне и при повышенном напряжении зарядки исключить пробои между проводниками линии.
Применение в ускорительной трубке керамического полото конического изолятора дает возможность располагать трубку непосредственно в атмосфере сжатого газа. Полый конический изолятор имеет высокую механическую прочность, но при этом толщина стенки во много раз меньше радиального размера изолятора в любом сечении, что обеспечивает прохождение субнаносекундного импульса напряжения через изолятор практически без искажений.
Наличие в трубке металлического корпуса и токоввода, которые образуют линию с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению выходного участка передающей линии, обеспечивает пробег высоковольтного субнаносекундного импульса вплоть до затора между анодом и катодом без искажений благодаря отсутствию неоднородностей, которые приводят к уширению импульса и снижению его амплитуды,
Таким образом, в данном изобретении все указанные признаки направлены па увеличение амплитуды импульса напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки и поэтому реализуется указанный технический результат.
На фиг. 1. фиг. 2. фиг. 3 показаны конструкция высоковольтного блока заявляемого субнаносекундного ускорителя, выходной участок передающей линии с присоединенной к нему ускорительной трубкой и фрагмент формирователя субнаносекундных импульсов напряжения с формирующими и передающей линиями, а также обостряющими и срезающими зазорами, где обозначены следующие элементы:
1 - источник наносекундных высоковольтных импульсов;
2 - герметичный корпус;
3 - первая формирующая линия;
4 - вторая формирующая линия;
5, 6, 7 - секции передающей ступенчатой линии;
8 - ускорительная трубка;
9 - первый обостряющий зазор;
10 - второй обостряющий зазор;
11 - выдвижной электрод;
12 - срезающий зазор;
13, 14 - изоляторы;
15 - катушка индуктивности;
16 - бескаркасная катушка индуктивности;
17 - опорные изоляторы передающей линии;
18 - высокоомный участок второй формирующей линии;
19 - низкоомный участок второй формирующей линии (короткая накопительная линия);
20 - цанга;
21 - токоввод;
22 - зазор между катодом и анодом;
23 - катод;
24 - анод;
25 - корпус ускорительной трубки;
26 - керамический изолятор;
А - эквидистантные поверхности проводников короткой накопительной линии.
На фиг. 4 показана осциллограмма тока электронов за окном ускорительной трубки.
Заявляемый субнаносекундный ускоритель включает в себя источник 1 наносекундных высоковольтных импульсов и формирователь субнаносекундных импульсов, который содержит герметичный корпус 2. первую формирующую линию 3. вторую формирующую линию 4. передающую ступенчатую линию, разделенную на секции 5. 6 и 7, а также ускорительную трубку 8. Между линиями 3 и 4 расположен первый обостряющий зазор 9, между линией 4 и секцией 5 передающей ступенчатой линии - второй обостряющий зазор 10. Промежуток между боковой поверхностью секции 5 и выдвижным электродом 11 является срезающим зазором 12. Линия 4 закреплена на изоляторах 13 и 14. Изолятор 14 одновременно является каркасом катушки индуктивности 15, которая служит для подавления предимпульса при зарядке паразитной емкости электродов, образующих обостряющий зазор 9. Линия 3 электрически соединена с выходом источника 1 через бескаркасную катушку индуктивности 16. Секции 5. 6 и 7 передающей ступенчатой линии закреплены в корпусе формирователя на опорных изоляторах 17.
Принцип работы заявляемого ускорителя заключается в следующем. После срабатывания источника 1 наносекундных высоковольтных импульсов, через катушку индуктивности 16 за время 5-10 не происходит зарядка первой формирующей линии 3. После этого пробивается первый обостряющий зазор 9 и подключает линию 3 ко второй формирующей линии 4 через ее высокоомный участок 18. За время, меньшее 1 нс, происходит зарядка короткой накопительной линии 19 (низкоомного участка второй формирующей линии). После ее зарядки пробивается второй обостряющий зазор 10 и подключает короткую накопительную линию 19 к секции 5 передающей линии. При этом происходит быстрый разряд короткой линии 19 на секцию 5 передающей линии, в результате чего в передающей линии формируется импульс напряжения субнаносекундной длительности. На вершине этого импульса пробивается срезающий зазор 12 и происходит укорачивание среза субнаносекундного импульса с дополнительным уменьшением длительности импульса. Далее этот импульс распространяется вдоль секций 5, 6 и 7 передающей ступенчатой линии, причем на каждом переходе одной ступени в последующую, с более высоким волновым сопротивлением, происходит трансформация импульса с возрастанием амплитуды напряжения После прохода по передающей линии субнаносекундный импульс через цангу 20 поступает на токоввод 21 ускорительной трубки 8. При этом на зазоре 22 ускорительной трубки происходит сложение напряжений поступающего и отраженного импульсов, что при сравнительно высоком сопротивлении зазора 22 приводит к дополнительном) увеличению импульса напряжения на зазоре и повышению максимальной энергии электронов в выходном пучке. Амплитуда напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки в конечном счете достигает значения, близкою к амплитуде напряжения зарядки первой формирующей линии 3, в то время как амплитуда субнаносекундного импульса, сходящего в секцию 5 передающей линии, примерно вдвое меньше.
Заявляемый субнаносекундный ускоритель электронов был изготовлен и испытан при следующих параметрах некоторых узлов:
- напряжение источника наносекундных высоковольтных импульсов - 900 кВ;
- волновое сопротивление высокоомного участка второй формирующей линии линии - 90 Ом;
- длина образующих эквидистантных поверхностей короткой накопительной линии - не более 0.015 м;
- волновое сопротивление короткой накопительной линии - 18 Ом;
- длина передающей линии - 0.97 м;
- волновое сопротивление выходного участка передающей линии - 60 Ом;
- волновое сопротивление корпуса и токоввода ускорительной трубки - 60 Ом;
- сопротивление зазора между анодом и катодом ускорительной трубки - более 200 Ом.
Ускоритель обеспечивает генерацию электронных пучков с частотой 30 импульсов в минуту при величине максимальной энергии электронов в пучке не менее 800 кэВ и амплитуде тока около 2 кА. На фиг. 4 приведена типичная осциллограмма тока электронов за окном ускорительной трубки. Развертка по горизонтали - 0.5 не/деление, длительность субнаносекундного импульса на полувысоте амплитуды составляет 0.23 нс. Временной интервал Т между генерацией первого и повторных электронных импульсов ускорителя равен Т=13 нс.