УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА СИЛЬНОТОЧНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ
DEVICE FOR FORMING PULSE OF HIGH-CURRENT ELECTRON ACCELERATOR

Устройство относится к области ускорительной техники, а точнее к технике получения высокоинтенсивного импульсного пучка электронов различной длительности. Наиболее эффективно оно может быть использовано для формирования импульсов электронного или тормозного излучения высокой интенсивности и различной длительности в сильноточных ускорителях электронов прямого действия, например, используемых в технологии испытаний и исследований образцов на радиационную стойкость для получения многообразия дозовых, амплитудно-временных нагружений.
В известных сильноточных ускорителях электронов прямого действия типа ИГУР-3 [1] устройство формирования импульса (УФИ) состоит из индуктивного накопителя энергии (ИНЭ), выход которого соединен с электровзрывным прерывателем тока (ЭВП) и бескорпусным обостряющим разрядником (ОР), помещенных в бак (∅ 2 м) с трансформаторным маслом. Второй вывод ЭВП заземлен. Выходной электрод ОР в виде токовода пропущен через проходной изолятор (ПИ) и образует катод вакуумного диода (ВД) в ускорительной трубке.
Электровзрывной прерыватель тока состоит из набора медных проволочек выбранного диаметра, размещенных параллельно в воздухе внутри 10 полиэтиленовых труб длиной 8 м, находящихся в трансформаторном масле.
Недостатки УФИ проявляются в том, что выходное импульсное электронное или тормозное излучения имеют невысокую воспроизводимость амплитудно-временных характеристик при заданном режиме работы ускорителя (30-40%), обусловленную нестабильностью режима формирования импульса из-за несинхронности процесса взрыва проводников в 10 трубах и неконтролируемого ускорительного промежутка ВД. Длительность импульса по нижней границе диапазона составляет ≥80 нс и ограничена технологическими возможностями формирования ЭВП (длительность импульса однозначно связана с диаметром проволочек при их постоянном суммарном сечении, при этом затруднено снаряжение в трубах проволочек диаметром менее 0,07 мм и длиной 8 м). Конструкция бака не позволяет достигать напряжения на ЭВП более 8 MB.
Известно устройство формирования импульса ускорителей прямого действия ЭМИР-М [2], содержащее ИНЭ, выход которого соединен с электродом ЭВП тока и ОР, размещенных в баке с трансформаторным маслом. Второй электрод ЭВП заземлен. При этом токовод второго электрода ОР, пропущенный через ПИ, образует катод ВД в ускорительной трубке. Электровзрывной прерыватель тока представляет собой набор из 10 герметичных полиэтиленовых труб диаметром 130 мм и длиной 4 м, в которые помещаются кассеты с проводниками. На момент срабатывания трубы заполняются сжатым воздухом с давлением до 3 атмосфер. Обостряющий разрядник - обычное двухэлектродное бескорпусное устройство, работающее на самопробое в трансформаторном масле.
Недостатком подобного УФИ являются:
- необходимость регулировки рабочего зазора ОР, находящегося в масляном объеме бака и ответственного за формирование импульса, что связано с временными затратами и перегрузкой большого объема масла;
- невысокая воспроизводимость амплитудно-временных характеристик импульсов электронного и тормозного излучений при заданном режиме работы ускорителя (30-40%), обусловленная несинхронностью процесса взрыва проводников в 10 трубах и неконтролируемого зазора ускорительного промежутка ВД;
- ограниченный диапазон формирования длительности импульсов выходного излучения снизу, обусловленный технологическими возможностями формирования ЭВП (чем меньше длительность импульса, тем меньше диаметр проволочек ЭВП);
- трудности технологического обслуживания ЭВП и низкая производительность ускорителя, связанные с тем, что большая часть продуктов при электровзрыве проволочек залипает на внутренней поверхности полиэтиленовых труб, что повышает их поверхностную проводимость, приводящую к электрическому пробою и частым заменам этих труб.
Наиболее близким, принятым за прототип, является УФИ ускорителя электронов прямого действия типа УИН-10 [3]. Устройство содержит бескаркасный ИНЭ, выход которого соединен с входными электродами ЭВП тока и двухкаскадного газового ОР, размещенных в баке с трансформаторным маслом, при этом токовод второго электрода ОР, пропущенный через ПИ, образует катод ВД в ускорительной трубке, а второй электрод ЭВП заземлен. Электровзрывной прерыватель тока размещен в воздухе, в полиэтиленовой трубе с внутренним диаметром 1 м и длиной 11 м, позволяющей поддерживать ее состояние в условиях, исключающих как поверхностный, так и объемный электрический пробой при достижении на ЭВП напряжения до 10 MB. Двухкаскадный газовый ОР позволяет регулировать в определенной степени параметры формируемого импульса ускорителя посредством изменения в нем давления газа без слива масла из бака (напряжение срабатывания и передний фронт импульса), а задний фронт импульса определяется характером цепи нагрузки. Длительность импульса электронного или тормозного излучения на выходе ускорителя регулируется в ограниченном пределе подбором диаметра проволочек ЭВП при их неизменной длине и суммарном сечении по принципу - чем меньше диаметр проволочки, тем меньше длительность импульса. Минимальная длительность импульсов излучения (≥80 нс), ограничиваемая технологическими трудностями снаряжения ЭВП, достигнута при использовании проволочек ЭВП диаметром 0,07 мм при оптимальном давлении газа в ОР.
К существенным недостаткам прототипа относится невысокая воспроизводимость как амплитудных, так и временных характеристик выходных импульсов электронного и тормозного излучений (30÷40%) при получении напряжений на ЭВП более 4 MB, обусловленная неконтролируемым состоянием величины ускорительного промежутка ВД до прихода основного импульса.
Кроме того, приведенное в прототипе УФИ может изменять с помощью давления газа в ОР в определенных пределах передний фронт импульса электронного и тормозного излучений, но не способно влиять на параметры заднего фронта импульсов излучений, вследствие чего формируются импульсы с ограниченной минимальной длительностью (не менее 80 нс). Используемый в качестве ОР двухкаскадный газовый разрядник имеет ограниченное воздействие на формирование переднего фронта импульса в силу конечного быстродействия двухкаскадной схемы с оказанием влияния на спектрально-энергетические характеристики импульсов, при этом существенно снижает напряжение на ВД (до 20%).
Предлагается устройство формирования импульса сильноточного ускорителя электронов прямого действия, содержащее указанные признаки прототипа.
Отличительные признаки предлагаемого УФИ заключаются в том, что выход ИНЭ шунтируется жидкостнонаполненным срезающим разрядником (CP) с изменяемым зазором, а непосредственно перед катодом ВД в тоководе электрода однокаскадного газонаполненного ОР установлен бескорпусный разделительный разрядник (РР) с тороидальными электродами и изменяемым зазором, выходной электрод которого совмещен с катодом ВД. При этом время срабатывания CP регулируется и больше суммарного времени срабатывания OP, РР и ВД, а напряжение срабатывания РР регулируется и ниже напряжения срабатывания ВД.
Для пояснения свойств и работы описываемого объекта на рис. 1 приведена эквивалентная электрическая схема УФИ.
Использование однокаскадного газонаполненного разрядника с изменяемым давлением в качестве ОР не изменяет его функций, но позволяет повысить быстродействие (уменьшить время срабатывания) за счет уменьшения индуктивности и активного сопротивления его канала разряда, а также снизить на нем падение напряжения, т.е., повысить КПД ускорителя и расширить диапазон ускоряющих напряжений для режимов формирования длительности импульса ВД.
Введение в УФИ жидкостнонаполненного CP с регулируемым зазором (масляный, безкорпусной разрядник), соединение его электрода с выходом ИНЭ и входом газонаполненного ОР, при заземленном другом электроде CP, придает УФИ новые функции, свойства и связи.
Использование жидкостнонаполненного CP обеспечивает режим шунтирования выхода ИНЭ, осуществляемый в зависимости от времени срабатывания CP и определяемый его регулируемым межэлектродным зазором из условия, что время срабатывания CP всегда больше суммарного времени срабатывания ОР, РР, ВД. Подобное включение CP в УФИ создает связи, обеспечивающие идентичные предстартовые условия для работы CP и ОР, минимизирует влияние их пусковых характеристик на воспроизводимость длительности формируемого импульса электронного или тормозного излучения.
Реализация подобной связи и условия совместной работы нагрузочных цепей с ОР и CP придают УФИ новую функцию по формированию длительности импульса и его заднего фронта, позволяющую расширить диапазон формирования длительности импульса в сторону ее уменьшения.
Длительность формируемого УФИ импульса зависит от интервала между временем срабатывания нагрузочных цепей с ОР и CP, а задний фронт импульса определяется не параметрами цепи нагрузки с ОР, а параметрами CP и его разрядного контура. Для расширения диапазона длительности импульса электронного или тормозного излучения от нижней границы длительности импульса используется параллельная нагрузочная цепь, состоящая из CP с его разрядным контуром, сопротивление которой в проводящем состоянии много меньше, чем сопротивление нагрузочной цепи с ОР. Подобное включение CP позволяет формировать импульсы электронного и тормозного излучений с неизменной мощностью при уменьшении длительности импульса до суммарной длительности, включающей передний фронт на ОР и задний фронт на CP, а также более короткие по длительности импульсы при уменьшении их мощности.
Электрическая прочность ПИ зависит от амплитуды приложенного напряжения и его длительности [4], поэтому установленный на выходе ИНЭ CP при срабатывании уменьшает длительность импульса и тем самым выполняет новые функции, обеспечивающие повышение надежности и долговечности работы ПИ, а с другой стороны, при уменьшении длительности импульса существует возможность повысить напряжение на ПИ, что позволяет увеличить выходную мощность ускорителя.
ор
Использование в тоководе ОР непосредственно перед катодом ВД разделительного разрядника с тороидальными электродами и изменяемым зазором, выходной электрод которого совмещен с катодом ВД, существенно снижает потенциал предымпульса на ВД, передаваемого через конструктивную емкость ОР (С) до прихода основного импульса, уменьшая или исключая влияние взрывной эмиссии с электродов ВД на его промежуток, чем улучшает воспроизводимость амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик импульса в выбранном режиме работы ускорителя.
Разделительный разрядник изменяет функцию активной (проводной) электрической связи между ОР и ВД на емкостную, что понижает потенциал предымпульса на катоде ВД и придает ему новые свойства, повышающие ресурс, ослабляющие или исключающие взрывную эмиссию и движение плазмы в зазоре ВД до прихода основного импульса, что стабилизирует ускоряющий промежуток ВД и повышает воспроизводимость выходных характеристик ускорителя.
L
При работе УФИ энергия от мощного импульсного источника, поступающая в нагрузочную цепь, состоящую из ИНЭ и ЭВП (рис. 1), приводит к срабатыванию ЭВП примерно при максимуме тока I (подбирается при настройке). На этот момент в индуктивности L ИНЭ сосредотачивается максимальная величина электромагнитной энергии, полученной от импульсного источника, что составляет примерно половину энергии импульсного источника, а вторую половину энергии поглощает ЭВП на осуществление размыкания. Происходящие в разрядном контуре УФИ процессы до разрыва цепи ЭВП, в момент разрыва и после характеризуются током, напряжением на ЭВП и представлены на рис. 2, на котором позиция 1 - ток в цепи с ИНЭ и ЭВП, позиция 2 - напряжение на ЭВП.
L
L
L
С момента срабатывания ЭВП ИНЭ выступает как источник энергии, при этом напряжение U на выходе ИНЭ и его нагрузке возрастает в 2-5 раз по сравнению с напряжением импульсного источника в зависимости от скорости вклада энергии в ЭВП (U ~ LdI/dt).
Разряд ИНЭ осуществляется по двум параллельным нагрузочным цепям. Одна нагрузочная цепь содержит ОР, ПИ, РР, ВД, а вторая содержит только CP, при этом разрядники ОР и CP этих цепей имеют идентичные стартовые условия. Различие во времени срабатывания нагрузочных цепей и характеризует, собственно, формирование длительности импульса.
9
7
Различие во времени срабатывания нагрузочных цепей определяется временем развития разряда в этих цепях. Скорости формирования канала разряда в газонаполненных разрядниках типа ОР и в вакуумных разрядниках типа РР, в условиях существующих больших перенапряжений, соизмеримы и достигают 10 см/с [4]. В жидкостнонаполненных разрядниках типа CP скорость формирования канала разряда достигает 10 см/с [5], что определяет различие во времени развития разряда в ОР, РР и CP и характеризует, собственно, формирование длительности импульса напряжения.
ор
Импульс напряжения формируется на ЭВП вследствие резкого обрыва тока, а его предымпульс (часть импульса напряжения на ЭВП до срабатывания ОР), через конструктивную емкость ОР (например, С, рис. 1), передается на токовод ПИ и РР, достигая потенциала относительно земли в сотни киловольт. При отсутствии РР в нагрузочной цепи подобное напряжение вызывает взрывную эмиссию и образование плазмы с электродов ВД, изменяющей за время предымпульса реальную конфигурацию его ускоряющего промежутка к приходу основного импульса. Присутствие в цепи РР с регулируемым зазором позволяет уменьшить или избежать взрывной эмиссии с электродов ВД до прихода основного импульса.
рр
вд
До момента срабатывания РР от основного импульса напряжение предымпульса распределено на емкостях межэлектродных промежутков РР (С) и ВД (С), представленных на рис. 3, на котором 1 - электроды РР, 2 - держатель электрода (изолятор), 3 - катод ВД, 4 - анод ВД.
рр
вд
вд
pp
При выполнении условия С<<С, напряжение на катоде ВД (U) до прихода основного импульса существенно ниже напряжения на РР (U) и может быть оценено по формуле
вд
pp
рр
pp
вд
U≈UC/(C+С).
рр
вд
Как следует из формулы, при уменьшении емкости С посредством конструктивного исполнения РР величина U может быть снижена в несколько раз.
При этом РР выполняет функции снижения напряжения на катоде ВД и напряженности поля на нем, исключающего или существенно снижающего явление взрывной эмиссии электронов и, следовательно, стабилизирует величину ускоряющего промежутка ВД до прихода основного импульса, а также образует новые связи между тоководом ОР и катодом ВД, обеспечивающие функции формирования более короткого фронта основного импульса на ВД.
По истечении регулируемого времени срабатывания CP, которое больше времени срабатывания нагрузочная цепи ОР→ПИ→РР→ВД, эта цепь шунтируется нагрузочной цепью с СР. Длительность формируемого на ВД импульса напряжения и импульса ТИ за мишенью-конвертером определяется разницей во времени срабатывания нагрузочных цепей с CP и ОР.
Подобное включение в устройство формирования импульса CP при его срабатывании позволяет уменьшить сопротивление формируемой им новой нагрузочной цепи и снизить ток в нагрузке (ВД) практически до нуля, что обеспечивает увеличение сопротивления канала ОР за счет снижения на нем напряжения и облегчает условия работы ПИ и ОР.
Достоинством технического решения является то, что устройство позволяет существенно повысить воспроизводимость амплитудно-временных характеристик электронного или тормозного излучений на выходе ускорителя для выбранного режима работы, расширить практически до нуля нижнюю границу диапазона формирования длительности формируемого импульса, снизить длительность действия нагрузки на проходной изолятор, увеличить рабочий ресурс проходного изолятора и катода вакуумного диода.
Источники информации
1. B.C. Диянков, В.П. Ковалёв, А.И. Кормилицын и др. Мощные импульсные генераторы тормозного излучения и электронных пучков на основе индуктивных накопителей энергии. // Известия высших учебных заведений: Физика, 1995, №12, с. 85-92.
2. Импульсные ускорители электронов с индуктивным накопителем энергии // под ред. В.П. Ковалёва - Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2012 г. - 338 с.
th
3. Mordasov N.G., Ivaschenko D.M., Chlenov A.M. et al. Monitoring of Energetic Characteristics of Electron Beams During Formation of High-Power Pulsed Bremsstrahlung. // Book of Abstracts of 15 International Conference on High-Power Particle Beams, S-Petersburg, Russia, 2004.
4. Г.А. Месяц. Импульсная энергетика и электроника. - М.: Наука, 2004 г. - 704 с.
5. В.Я. Ушаков. Импульсный электрический пробой жидкостей. – Томск: Изд. ТГУ, 1975 г. - 258 с.