ИМПУЛЬСНЫЙ ИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
PULSE IONIC ACCELERATOR

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий из металлов с целью повышения их эксплуатационных характеристик.
Известен импульсный ионный ускоритель [Ремнев Г.Е., Исаков И.Ф., Опекунов М.С., Матвиенко В.М. Источники мощных ионных пучков для практического применения // Известия вузов. Физика. 1998. №4 (приложение), с.92-110]. Ускоритель содержит генератор импульсного напряжения, корпус, двойную формирующую линию (ДФЛ), зарядную индуктивность, основной и предварительный газовые разрядники, вакуумный полосковый диод, состоящий из потенциального и заземленного электродов. Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используется явление взрывной электронной эмиссии. Недостатком известного устройства является низкая эффективность передачи энергии из ДФЛ в диод из-за потери энергии в зарядной индуктивности. В течение генерации ионного пучка часть энергии, накопленной в ДФЛ, потребляется зарядной индуктивностью. Потери энергии достигают 40%.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранный нами за прототип импульсный ионный ускоритель ТЕМП-4М [Патент РФ на ПМ №86374, опубл. 27.08.2009]. Ускоритель ТЕМП-4М содержит генератор импульсного напряжения, корпус, двойную формирующую линию, основной и предварительный газовые разрядники, вакуумный полосковый диод, состоящий из потенциального и заземленного электродов. Потенциальный графитовый электрод диода соединен через предварительный газовый разрядник с внутренним электродом ДФЛ. Средний электрод ДФЛ соединен с корпусом ускорителя через основной газовый разрядник и с генератором импульсного напряжения. Зарядная индуктивность отсутствует.
Ускоритель ТЕМП-4М работает следующим образом. Генератор импульсного напряжения (ГИН) заряжает емкость, образованную средним электродом ДФЛ и корпусом ускорителя. Емкость внутреннего электрода ДФЛ относительно среднего электрода много больше емкости внутреннего электрода ДФЛ относительно корпуса, поэтому потенциал внутреннего электрода приблизительно равен потенциалу среднего электрода. При достижении на предварительном газовом разряднике пробивного напряжения он срабатывает и происходит зарядка емкости между внутренним и средним электродами ДФЛ. Зарядка происходит через предварительный газовый разрядник и диод. При этом на диоде формируется импульс отрицательного напряжения. В течение первого импульса на поверхности графитового потенциального электрода диода образуется взрывоэмиссионная плазма. Пробивное напряжение основного разрядника выше, чем у предварительного разрядника, и его пробой происходит через паузу, контролируемую давлением газа в основном разряднике. В течение паузы происходит дополнительная зарядка емкостей среднего электрода относительно корпуса и внутреннего электрода ДФЛ. После срабатывания основного газового разрядника генерируется второй импульс напряжения положительной полярности. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы формируется пучок-ионов, который ускоряется в диодном зазоре. При работе ускорителя без зарядной индуктивности потери передачи энергии из ДФЛ в нагрузку снизились до 30-31%.
Недостатком устройства-прототипа является низкая стабильность работы основного газового разрядника. Стандартная девиация напряжения пробоя в серии 50 импульсов составляет 5-9%. Большой коммутируемый ток, превышающий 40 кА, вызывает сильную эрозию электродов. При искровом пробое основного разрядника формируются капли расплавленного металла, которые оседают на поверхности электрода. Формируемые при этом микроострия снижают электрическую прочность разрядного промежутка и вызывают разброс напряжения пробоя в серии импульсов.
Основной технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении стабильности напряжения пробоя основного газового разрядника в серии импульсов. Экспериментально нами получено снижение стандартной девиации напряжения пробоя до 1-2% в серии 50 импульсов. Кроме того, выполненные исследования показали, что управляемый режим работы основного разрядника обеспечивает снижение потерь передачи энергии из ДФЛ в нагрузку до 15-16%.
Указанный технический результат достигается тем, что в импульсном ионном ускорителе, содержащем как и прототип, генератор импульсного напряжения и установленные в корпусе предварительный газовый разрядник, основной газовый разрядник, включающий заземленный и потенциальный электроды, двойную формирующую линию, средний электрод которой соединен с генератором импульсного напряжения и через основной газовый разрядник с корпусом ускорителя, а также вакуумный полосковый диод, потенциальный электрод которого соединен через предварительный газовый разрядник с внутренним электродом двойной формирующей линии, согласно предложенному решению, в заземленном электроде основного газового разрядника установлен дополнительный запускающий электрод, соединенный через линию задержки с выходом двойной формирующей линии.
Изобретение поясняется графическими материалами.
Фиг.1 - функциональная схема примера выполнения импульсного ионного ускорителя, где обозначено: 1 - генератор импульсного напряжения, 2 - корпус двойной формирующей линии, 3 - средний электрод двойной формирующей линии, 4 - основной газовый разрядник, 5 - внутренний электрод двойной формирующей линии, 6 - потенциальный электрод вакуумного полоскового диода, 7 - предварительный газовый разрядник, 8 - заземленный электрод вакуумного полоскового диода, 9 - делитель напряжения, 10 -линия задержки, 11 - резистор, 12 - запускающий электрод.
Фиг.2 - осциллограммы напряжения на выходе ДФЛ и импульса запуска, где обозначено: 13 - осциллограммы напряжения на выходе ДФЛ, 14 - осциллограммы импульса запуска основного разрядника.
Фиг.3 - статистический анализ работы ДФЛ на резистивную нагрузку, где обозначено: 15 - изменение напряжения пробоя основного разрядника, 16 - изменение напряжения пробоя предварительного разрядника в серии импульсов.
Фиг.4 - статистический анализ работы ДФЛ на диод, где обозначено: 17 - изменение напряжения пробоя основного разрядника, 18 - изменение напряжения пробоя предварительного разрядника в серии импульсов.
Фиг.5 - баланс энергии в ДФЛ, где обозначено: зависимость энергии, переданной из ДФЛ в диодный узел от энергии в ДФЛ при работе основного разрядника в управляемом (19) и неуправляемом (20) режимах.
Импульсный ионный ускоритель (фиг.1) содержит генератор импульсного напряжения 1, корпус 2, двойную формирующую линию, основной 4 и предварительный 7 газовые разрядники, вакуумный полосковый диод, состоящий из потенциального 6 и заземленного 8 электродов, линию задержки 10, делитель напряжения 9 и запускающий электрод 12, установленный в основном газовом разряднике 4.
Генератор импульсного напряжения 1, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, содержит восемь ступеней конденсаторов ИК100-0.4 (100 кВ, 0.4 мкФ) и разрядную штангу. Собственная индуктивность ГИН~5 мкГн. Двойная формирующая линия с деионизированной водой в качестве диэлектрика имеет емкость среднего электрода 3 относительно корпуса 2 и внутреннего электрода 5 ДФЛ 14 нФ и 10 нФ соответственно. Средний электрод 3 двойной формирующей линии коммутируется на корпус 2 основным газовым разрядником 4 (зазор 11 мм, давление до 8 атм. технического азота). Внутренний электрод 5 двойной формирующей линии соединен с потенциальным электродом 6 вакуумного полоскового диода через предварительный газовый разрядник 7. Заземленный электрод 8 диода соединен с корпусом 2 только с одной стороны. Запускающий электрод 12 основного газового разрядника 4 соединен с потенциальным электродом 6 диода через делитель 9, линию задержки 10 (например, коаксиальный кабель РК 50-15 длиной 80 м) и резистор 11.
Задержку пробоя основного газового разрядника относительно времени пробоя предварительного газового разрядника регулировали изменением длины коаксиального кабеля.
Ускоритель работает следующим образом. Генератор импульсного напряжения 1 заряжает емкость между средним электродом 3 ДФЛ и корпусом 2. Емкость внутреннего электрода 5 ДФЛ относительно среднего электрода 3 много больше емкости между средним электродом 3 ДФЛ и корпусом 2, поэтому потенциал внутреннего электрода 5 ДФЛ приблизительно равен потенциалу среднего электрода 3 ДФЛ. Внутренняя формирующая линия ДФЛ практически не заряжается. При достижении на предварительном газовом разряднике 7 пробивного напряжения он срабатывает и происходит зарядка емкости между внутренним 5 и средним 3 электродами ДФЛ. Зарядка происходит через предварительный газовый разрядник 7 и диод. При этом на диоде формируется импульс отрицательного напряжения. Этот импульс через делитель 9, линию задержки 10 и резистор 11 поступает на запускающий электрод 12 основного газового разрядника 4. Пробивное напряжение основного разрядника 4 ниже напряжения на выходе ГИН, и его пробой происходит при поступлении импульса запуска на запускающий электрод 12 через паузу, контролируемую длиной коаксиального кабеля линии задержки 10. В течение паузы происходит дополнительная зарядка емкостей среднего электрода 3 относительно корпуса 2 и внутреннего электрода 5 ДФЛ. На поверхности потенциального электрода 6 диода формируется взрывоэмиссионная плазма. После пробоя основного газового разрядника 4 генерируется второй импульс напряжения положительной полярности. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы формируется пучок ионов, который ускоряется в диодном зазоре.
Пример 1 конкретного выполнения. Ускоритель работал на резистивную нагрузку, установленную в диодной камере между потенциальным электродом и корпусом. Заземленный электрод диода отсутствовал. Ускоритель ТЕМП-4М в двухимпульсном режиме формирует сдвоенные разнополярные импульсы - первый отрицательный (300-600 нс, 150-200 кВ) и второй положительный (150 нс, 250-300 кВ). Делитель напряжения 9 обеспечивал снижение амплитуды импульса запуска основного газового разрядника 4 до 60-65 кВ. Запускающий Управляющий электрод 12 диаметром 3 мм расположен в центре заземленного электрода основного разрядника 4. При величине основного промежутка 10 мм зазор между управляющим электродом и корпусом заземленного электрода составлял 2 мм. На фиг.2 показаны осциллограммы напряжения на выходе ускорителя и импульса запуска основного разрядника.
На фиг.3 и в таблице приведены результаты исследования стабильности работы ускорителя в серии импульсов. Управляемый режим работы основного разрядника 4 обеспечивает высокую стабильность напряжения пробоя и длительности первого импульса в серии импульсов. Стандартная девиация напряжения пробоя основного разрядника снизилась с 5-9% до 1-2% в серии 50 импульсов.
Пример 2 конкретного выполнения. Ускоритель работал на ионный диод. Исследования выполнены на полосковом фокусирующем диоде размером 22 см×4,5 см, фокусное расстояние 15 см. Зазор между потенциальным 6 и заземленным 8 электродами выбирали из условия согласования импеданса диода с волновым сопротивлением двойной формирующей линии (4,9 Ом), он составлял 8 мм в начале диода (вблизи точки заземления) и 10 мм в конце диода. Потенциальный электрод 6 изготовлен из графита, заземленный электрод 8 - из нержавеющей стали с прорезями 2 см×0,5 см, прозрачность 80%. Электроды фокусирующего ионного диода имеют полуцилиндрическую конфигурацию, и геометрическая фокусировка происходит только в вертикальном сечении диода. На фиг.4 приведены данные исследования стабильности работы ускорителя в серии импульсов. Стандартная девиация напряжения пробоя основного разрядника составила 1-2% в серии 50 импульсов.
Использование выходного напряжения ДФЛ для запуска основного разрядника не снизило эффективность ее работы. Результаты исследования баланса энергии в ДФЛ при работе ускорителя на диод показаны на фиг.4. Расчет энергии, переданной из ДФЛ в диод, проводили интегрированием произведения ускоряющего напряжения на полный ток диодного узла в течение второго импульса и после импульсов. Энергию, передаваемую из ГИН в ДФЛ, рассчитывали интегрированием произведения напряжения и тока на выходе ГИН. Выполненные исследования показали, что управляемый режим работы основного разрядника обеспечивает снижение потерь энергии в ДФЛ с 30-31% до 15-16%.