ИМПУЛЬСНАЯ УСКОРИТЕЛЬНАЯ ТРУБКА
PULSED ACCELERATION TUBE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для генерации электронных и рентгеновских пучков наносекундной и субнаносекундной длительности и может быть использовано в ускорителях на напряжения до 1 MB и выше.
Известна миниатюрная импульсная рентгеновская трубка (Лойко Т.В. и др. «Импульсная рентгеновская трубка», патент RU №2160480, кл. МПК Н01J 35/00, опубл. 10.12.2000 г.), содержащая вакуумированный металлический корпус с прострельной мишенью (анодом) и окном для вывода излучения, внутренний электрод трубки, состоящий из токоввода и закрепленного на нем взрывоэмиссионного катода, а также изолятор.
Недостатками трубки являются:
- малые габариты миниатюрной трубки делают невозможным частотный режим работы;
- отсутствие возможности генерации электронов;
- малая длина образующей изолятора, что ограничивает рабочее напряжение и ресурс работы трубки;
- выполнение изолятора из стекла делает невозможной работу трубки в атмосфере сжатого газа;
- наличие ступенчатых переходов на внутреннем электроде трубки, состоящем из токоввода и катода; переходы являются неоднородностями на пути распространения импульсов напряжения субнаносекундной длительности, что приводит к временному уширению импульсов.
Наиболее близкой к заявляемой является импульсная электронная трубка ИМА3-150Э (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные ускорители. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. - С. 29), содержащая вакуумированную оболочку, включающую в себя металлический корпус и расположенный внутри него стеклянный конический изолятор, на малом основании которого закреплен катододержатель с присоединенными к нему токовводом и трубчатым взрывоэмиссионным катодом, напротив катода расположено закрепленное на торцевом участке корпуса бериллиевое окно для выпуска электронов.
Недостатками трубки является низкая механическая прочность стеклянного изолятора, что не позволяет использовать трубку в газонаполненных формирующих линиях в среде газа под давлением до 5 МПа; малый ресурс трубчатого катода, который имеет сравнительно небольшую длину эмитирующих острий и поэтому быстро изнашивается; трубчатый катод формирует неоднородный электронный пучок на аноде (выпускном окне) с выраженной фокусировкой в центральной части, что снижает допустимую амплитуду тока в трубке и делает невозможным частотный режим работы. Трубки по аналогу и прототипу могут работать только в среде жидкого диэлектрика.
При создании данного изобретения решалась задача разработки надежной импульсной ускорительной трубки для генерации наносекундных и субнаносекундных пучков электронов с энергией до 1 МэВ, способной работать в среде сжатого газа под давлением до 5 МПа. Электронные пучки могут быть конвертированы в рентгеновские при установке на пути электронов мишени из тантала, вольфрама и т.д.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей трубки за счет работы как в газонаполненных линиях высокого давления, так и в линиях с жидким диэлектриком, обеспечения частотной генерации электронных и рентгеновских пучков субнаносекундной длительности с минимальными искажениями, а также увеличения надежности и ресурса.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной импульсной ускорительной трубкой, содержащей вакуумированную оболочку, включающую в себя металлический корпус и расположенный внутри него полый конический изолятор, на малом основании которого закреплен катододержатель с присоединенными к нему токовводом и взрывоэмиссионным катодом, напротив катода расположено закрепленное на торцевом участке корпуса окно с прострельным анодом, большее основание изолятора закреплено на корпусе, новым является то, что изолятор выполнен керамическим, со стороны токоввода корпус имеет дополнительный патрубок с торцевым фланцем для присоединения к формирующей линии, внутренние поверхности корпуса и патрубка и соответственно наружные поверхности токоввода, катододержателя и катода образуют единые цилиндрические токопроводящие поверхности, расположенные соосно по отношению друг к другу, взрывоэмиссионный катод выполнен многоострийным, с торцевым плоским участком, на котором своими основаниями закреплены эмитирующие острия.
Выполнение изолятора керамическим позволяет значительно повысить его механическую прочность по сравнению со стеклянными изоляторами трубок по аналогу и прототипу. Изоляторы из корундовой керамики типа ВК94-1 и ВК100-1 легко выдерживают давления до 5 МПа (50 атм) и выше. Высокая механическая прочность изолятора, входящего в вакуумированную оболочку, обеспечивает возможность работы трубки в газонаполненных формирующих линиях высокого давления. Достоинством таких линий в отличие от линий с жидким диэлектриком, является возможность работы в частотном режиме. Это объясняется тем, что в газонаполненных линиях можно использовать газовые разрядники-обострители с малым временем восстановления электропрочности электроразрядного промежутка (порядка сотых долей секунды для азота) в отличие от, например, масляных, для восстановления которых требуется прокачка электроразрядного промежутка в течение нескольких минут.
Выполнение корпуса с дополнительным патрубком с фланцем, расположенным на торце патрубка, дает возможность герметичного присоединения трубки к формирующей линии при обеспечении качественного электрического контакта корпуса трубки с корпусом линии. Последнее необходимо для того, чтобы трубка служила продолжением линии с тем же волновым сопротивлением и могла осуществлять без искажений генерацию импульсов электронов субнаносекундной длительности.
Выполнение внутренних поверхностей корпуса и патрубка и соответственно наружных поверхностей токоввода, катододержателя и катода в виде единых цилиндрических токопроводящих поверхностей, расположенных соосно по отношению друг к другу, позволяет рассматривать трубку как отрезок формирующей линии. Длина заявляемой трубки не ограничена, поскольку она фактически является продолжением формирующей линии с тем же волновым сопротивлением, и увеличение длины трубки не приводит к искажению поступающего на катод субнаносекундного импульса. Внутренний же диаметр корпуса трубки ограничен в значительно меньшей степени, чем у трубки по прототипу, и определяется минимальной длительностью τ импульса, передаваемого по линии (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные ускорители. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. - С. 9):
;,
где f - критическая частота, Гц;
c - скорость света в вакууме, м/с
D - внутренний диаметр внешнего проводника линии, м;
d - внешний диаметр внутреннего проводника линии, м;
π=3.14;
ε - диэлектрическая проницаемость изоляционной среды линии (для газа ε≈1).
Согласно этим формулам, для формирования импульса длительностью 0.15 нс (что является наилучшим результатом в работах по созданию субнаносекундных ускорителей электронов с энергией 150-1000 кВ) допускается использовать газонаполненную линию диаметром около 50 мм. Соответственно такой же диаметр может иметь и ускорительная трубка. Это значительно больше диаметра трубки по прототипу ИМА-3 (30 мм). Увеличение диаметра корпуса позволяет повысить длину изолятора и тем самым увеличить электропрочность, надежность и ресурс трубки.
Выполнение катода многоострийным, с торцевым плоским участком, на котором своими основаниями закреплены эмитирующие острия, позволяет увеличить надежность и ресурс трубки. Многоострийный катод имеет большую суммарную длину эмитирующих кромок, что приводит к уменьшению плотности эмиссионного тока и снижению эрозии острий по сравнению с прототипом. Закрепление его эмитирующих острий на плоском участке торца катода позволяет расположить эмитирующие кромки в одной плоскости и избежать эффекта фокусировки электронного пучка на аноде, что так характерно для трубчатого катода, используемого в трубке по прототипу. Отсутствие фокусировки и увеличение суммарной длины эмитирующих кромок способствует повышению ресурса катода и анода, что приводит к повышению ресурса и всей трубки. Кроме того, заявляемая трубка может работать в частотном режиме и выдерживать токовые импульсы, которые в трубке по прототипу приводят к ее полному разрушению за несколько импульсов.
Таким образом, в данном изобретении реализуется указанный технический результат, поскольку наличие керамического изолятора и дополнительного патрубка с торцевым фланцем, а также то, что внутренние поверхности корпуса и патрубка и соответственно наружные поверхности токоввода, катододержателя и катода образуют единые цилиндрические токопроводящие поверхности, расположенные соосно по отношению друг к другу, катод многоострийный, с торцевым плоским участком, на котором своими основаниями закреплены эмитирующие острия - все перечисленные отличительные признаки позволяют расширить функциональные возможности трубки за счет работы как в газонаполненных линиях высокого давления, так и в линиях с жидким диэлектриком, обеспечения частотной генерации электронных и рентгеновских пучков субнаносекундной длительности с минимальными искажениями, а также увеличения надежности и ресурса.
На фиг. 1 показана конструкция ускорительной трубки по аналогу.
На фиг. 2 показана конструкция ускорительной трубки по прототипу (трубка ИМА3-150Э).
На фиг. 3 показана конструкция заявляемой трубки.
На фиг. 4 показан фрагмент газонаполненной формирующей линии с присоединенной к ней заявляемой трубки.
На фиг. 5 показаны автографы электронных пучков трубки заявляемой трубки (слева) и ИМА3-150Э (справа).
На фиг. 6 показана осциллограмма тока электронов за окном заявляемой трубки. Развертка по горизонтали - 2 нс/деление.
На фигурах обозначены следующие элементы:
1 - корпус;
2 - полый конический изолятор;
3 - катододержатель;
4 - токоввод;
5 - взрывоэмиссионный катод;
6 - эмитирующие острия;
7 - окно с прострельным анодом;
8 - патрубок;
9 - фланец;
10 - корпус формирующей линии (он же внешний проводник);
11 - внутренний проводник формирующей линии;
12 - прижимной фланец;
13 - герметизирующая прокладка;
14 - стягивающий болт;
15, 16 - токопроводящие поверхности проводников формирующей линии.
Заявляемая трубка (фиг. 3) содержит вакуумированную оболочку, состоящую из металлического корпуса 1 и расположенного внутри него полого конического изолятора 2, на малом основании которого закреплен катододержатель 3 с присоединенными к нему токовводом 4 и взрывоэмиссионным катодом 5 с эмитирующими остриями 6, напротив катода расположено закрепленное на торцевом участке корпуса окно 7 с прострельным анодом, большее основание изолятора закреплено на корпусе 1, со стороны токоввода 4 корпус имеет дополнительный патрубок 8 с торцевым фланцем 9. Корпус 1, катододержатель 3 и катод изготовлены из ковара 29НК, изолятор 2 - из керамики ВК94-1, токоввод 4 - из латуни, эмитирующие острия 6 - из танталовой фольги толщиной 0.05 мм, патрубок 8 и фланец 9 - из стали 12Х18Н10Т.
Принцип работы трубки заключается в следующем. При подаче импульса высокого напряжения на токоввод 4, происходит взрывная эмиссия электронов с эмитирующих острий 6. Под воздействием разности потенциалов в зазоре между взрывоэмиссионным катодом 5 и окно с прострельным анодом 7 происходит ускорение электронов, которые затем проходят через прострельный анод и выпускаются в атмосферу.
Было изготовлено 5 трубок по заявляемой конструкции и проведены их испытания при подключении к газонаполненной формирующей линии субнаносекундного ускорителя на напряжение 800 кВ при длительности импульсов на трубке 0.3 нс. Перед определением характеристик была произведена тренировка трубок (по 50 импульсов) с частотой 0.5 Гц, что никак не сказалось на работоспособности трубок. На фиг. 5 показаны автографы электронных пучков трубки ИМА3-150Э и заявляемой трубки, полученные на пленках ЦВИД-01-1 при их расположении вплотную к прострельным окнам трубок. По фиг.5 видно, что электронный пучок заявляемой трубки имеет более равномерное распределение, и в нем отсутствует участок центральной фокусировки, как это имеет место в трубке ИМА3-150Э. Лучшая равномерность электронного пучка на окне должна привести к увеличению ресурса трубки и возможности работать при больших токах.
Осциллография формы импульса тока электронов за окном заявляемой трубки, приведенная на фиг. 6, производилась осциллографом с полосой пропускания 1.5 ГГц. Измеренная длительность импульса на полувысоте амплитуды равна 0.4 нс. С учетом временного разрешения осциллографа и влияния измерительного шунта длительность импульса тока не превышает 0,3 нс.