Обостритель импульса ускорителя электронов
IMPULSE PEAKER OF ELECTRON ACCELERATOR

Изобретение относится к технике ускорителей заряженных частиц, в частности к формированию импульсов ускоряющего напряжения и может быть использовано для генерирования мощных импульсов тормозного и электронного излучения.
Известна установка для генерации импульса тормозного излучения на базе генератора МИГ с плазменным прерывателем тока, в которой реализован двухкаскадный режим обострения импульса. (Кабламбаев Б.А., Ратахин Н.А., Шляхтун С.В. Генерация жесткого тормозного излучения на установке МИГ с плазменным прерывателем тока. Изв. вузов. Физика - 1999 - №12. С. 26). Энергия бегущей волны генератора МИГ аккумулировалась в индуктивном накопителе энергии, при этом в фазе накопления энергии ток замыкался плазмой, создаваемой плазменными пушками, запитываемыми от отдельного источника питания. Количество плазмы и момент прерывания тока регулировались величиной протекающего в пушках тока, задаваемого внешним источником питания, включение которого синхронизировано с работой первичного генератора.
Недостатком такого технического решения является то, что требуется дополнительный источник питания плазменных пушек и схема синхронизации, регулирующая время между моментом инжекции плазмы и формированием основного импульса.
Известно устройство катод-анодного узла ускорителя ИГУР-3, в котором применен режим формирования электронного пучка, основанный на использовании плазмы, образованной в результате пробоя по поверхности диэлектрической вставки в катоде, возникающего под воздействием предимпульса основного импульса напряжения. (Кормилицин А.И. Мощный многофункциональный импульсный ускоритель электронов ИГУР-3: диссертация к.т.н. ВНИИТФ, 2005).
К недостаткам этого технического решения, выбранного в качестве прототипа относится наличие ограничений по повышению мощности электрического импульса (обострению импульса) путем увеличения амплитуды напряжения и сокращения длительности импульса, так как источник плазмы (плазменная пушка) и катод конструктивно совмещены, при этом геометрия катода оптимизирована на фокусировку пучка, что приводит к существенным ограничениям на величину переключаемого в электронный режим тока. ППТ в устройстве, выбранном в качестве прототипа, переключает ток в электронный режим в начальной фазе нарастания тока, следовательно, обострения импульса за счет увеличения амплитуды ускоряющего напряжения и уменьшения его длительности не происходит.
Изобретение направлено на решение задачи повышения мощности импульса тормозного излучения путем обострения импульса ускоряющего напряжения за счет увеличения его амплитуды и сокращения длительности.
Технический результат достигается разделением функции ППТ и вакуумного диода путем размещения плазменных пушек ППТ в дополнительном промежуточном электроде, конструкция которого не связана с геометрией ускоряющего промежутка, при этом электропитание плазменных пушек осуществляется за счет энергии предимпульса напряжения ускорителя, а регулирование количества плазмы для настройки на величину тока срабатывания ППТ осуществляется изменением числа установленных в дополнительном электроде пушек.
Обостритель импульса, схема которого представлена на рис. 1, устанавливается в вакуумную передающую линию (ВПЛ) ускорителя, образованную внешним электродом 1 и внутренним электродом 2. Конструкция обострителя включает в себя промежуточный электрод 4, находящийся под плавающим потенциалом и установленные в нем по окружности плазменные пушки 5. Плазменная пушка состоит из двух электродов, разделенных диэлектрической вставкой, причем один из электродов гальванически соединен с внутренним электродом ВПЛ. Геометрия ускоряющего промежутка катод 3 - мишень 6 подбирается исходя из требований к электронному пучку. Потенциал, возникающий на промежуточном электроде вовремя предимпульса напряжения и определяющий напряжение на электродах плазменных пушек, зависит от соотношения электрических емкостей С1 и С2.
Обостритель импульса работает следующим образом. В результате последовательного срабатывания первичного накопителя энергии, например, генератора импульсных напряжений и системы формирования импульсов (СФИ), состоящей, например, из индуктивности, электровзрывного прерывателя тока и коммутирующего разрядника импульс ускоряющего напряжения по ВПЛ подается на вакуумный диод, образованный катодом и мишенью. Характерной особенностью фазы передачи энергии из первичного накопителя в СФИ является появление предимпульса напряжения в ВПЛ и вакуумном диоде. Соответственно, на промежуточном электроде, электрически изолированном диэлектрическими вставками плазменных пушек от внутреннего электрода ВПЛ наводится напряжение. Величина этого напряжения и одновременно напряжения на плазменных пушках после деления по конструктивным электрическим емкостям будет равна Uп = Uпр С2/С1+С2, где Uпр - напряжение предимпульса на внутреннем электроде ВПЛ. В ускорителях мегавольтного уровня Uпр ~ 400-800 кВ, что позволяет получить Uп ~ 100 кВ и выше. Напряжение Uп вызывает электрический пробой по поверхности диэлектрических вставок плазменных пушек, образование плазмы и замыкание этой плазмой вакуумного зазора между промежуточным электродом и внешним электродом ВПЛ. После срабатывания СФИ рабочий импульс напряжения вызывает рост тока в плазменной перемычке. При достижении критического тока (тока обрыва) сопротивление плазмы возрастает, вызывая рост напряжения в вакуумном диоде и переключение тока в вакуумный диод, формирование и ускорение электронного пучка. Длительность фазы ускорения и, соответственно, длительность импульса тормозного излучения определяется временем переключения тока в вакуумный диод и электрической прочностью ППТ (моментом, когда произойдет вторичное замыкание ППТ).
Для эффективной работы обострителя импульса в мегавольтном диапазоне напряжений как наиболее эффективном для генерации тормозного излучения необходимо выполнение ряда условий. Работа ППТ в мегавольтном диапазоне или с наиболее высокими значениями сопротивления после обрыва тока наилучшим образом реализуется при «эрозионном» механизме потери проводимости плазмы (Долгачев Г.И. Физика плазменных прерывателей тока и их возможные применения: диссертация д. ф-м. н. Москва, 2005). Экспериментально установлено, что эрозионный режим работы ППТ возможен при выполнении ограничения на плотность переносимого заряда на «пушку». Эта проблема решается путем установки в промежуточном электроде нескольких плазменных пушек с тем, чтобы, не выходя из эрозионного режима работы ППТ мог пропустить максимальный разрядный ток. Варьирование параметров плазмы и оптимизация срабатывания ППТ осуществляется путем изменения количества установленных в промежуточном электроде пушек. В прототипе эта функция ограничена, так как источником плазмы является одна плазменная пушка, настроенная на эрозионный режим работы, которая при этом совмещена с катодом.