СИЛЬНОТОЧНЫЙ НАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
HIGH-CURRENT NANOSECOND ELECTRON BEAM ACCELERATOR

Изобретение относится к ускорительной технике наносекундного диапазона и предназначено для генерации мощных электронных пучков, используемых в СВЧ приборах, радиационных технологиях и научных исследованиях.
Использование электронных пучков в указанных областях накладывает следующие требования к устройствам их генерирующих: амплитуда напряжения на нагрузках - (450÷600) кВ, ток электронного пучка - (20÷40) кА при длительности ускоряющего напряжения ~100 нс и частоте повторения от единиц до десятков Гц. Кроме того, необходимо обеспечить высокий к.п.д., ресурс устройства и надежность его работы.
Традиционно основой сильноточных наносекундных ускорителей электронных пучков являются емкостные накопители энергии в виде формирующих линий: одинарных или двойных. Наиболее часто применяют коаксиальные двойные формирующие линии. использующие в качестве изоляции деионизованную воду.
В качестве зарядных устройств двойных формирующих линий используют генераторы импульсных напряжений Аркадьева-Маркса, индуктивные накопители энергии и трансформаторные схемы. Эти устройства должны обеспечивать длительности зарядных напряжений не более 1 мкс, при которых отсутствует саморазряд водяного диэлектрика формирующих линий.
Известны сильноточные наносекундные ускорители электронных пучков [Смирнов В.П. «Получение сильноточных пучков электронов» / ПТЭ, 1977, №2, с.2-31], содержащие коаксиальные двойные формирующие линии, искровые разрядники, вакуумный диод, импульсный зарядный генератор. Импульсный зарядный генератор выполнен по схеме Аркадьева-Маркса с применением большого количества конденсаторов, зарядных резисторов и искровых разрядников. Кроме того, использование такого зарядного генератора для зарядки двойной формирующей линии требует зарядной индуктивности. Наличие большого количества искровых разрядников не позволяет работать с частотой более 1 Гц, а габариты зарядного генератора с зарядной индуктивностью часто соизмеримы с габаритами двойной формирующей линии, а все устройство обладает громоздкостью, малым ресурсом и надежностью в работе.
Известен также сильноточный наносекундный ускоритель [Жерлицын А.Г., Канаев Г.Г., Мельников Г.В. «Сильноточный наносекундный генератор с индуктивной зарядкой двойной формирующей линии» / Изв. Вузов. Физика. 2010. - №10/2. - С.73-76], содержащий коаксиальную двойную формирующую линию, искровые разрядники, вакуумный диод, импульсный зарядный генератор. Зарядный генератор выполнен на основе индуктивного накопителя энергии, запитка которого происходит от собственного генератора импульсного напряжения Аркадьева-Маркса. Индуктивный накопитель выполнен в виде спиральной катушки. Необходимым элементом такого накопителя является электровзрывной прерыватель тока (параллельно соединенные проводники определенного сечения и длины), обрыв которого приводит к возникновению импульса напряжения, который через разделительный искровой разрядник прикладывается к двойной формирующей линии, осуществляя ее зарядку. Такой импульсный зарядный генератор хотя и обладает компактностью, ресурсом и надежностью, может работать только в однократном режиме и тем исключает работу в частотном режиме всего устройства.
В качестве прототипа выбран импульсный ускоритель электронов с встроенным в формирующую линию фольговым трансформатором [Ельчаников А.С., Месяц Г.А. «Трансформаторные схемы питания мощных наносекундных импульсных генераторов» в кн. «Физика и техника мощных импульсных систем». Энергоатомиздат, 1987. С.179-188], содержащий коаксиальную формирующую линию, искровой разрядник, вакуумный диод. Зарядка линии осуществляется фольговым трансформатором (автотрансформатором), фольговые обмотки которого встроены в линию. Первичный виток фольгового трансформатора соединен с конденсатором, образуя колебательный контур, который индуктивно связан с колебательным контуром, образованный индуктивностью вторичной обмотки фольгового трансформатора и емкостью формирующей линии. При разряде конденсатора на первичный виток возникают свободные колебания, которые передаются во вторичный контур. В максимуме напряжения на емкости формирующей линии срабатывает искровой разрядник и на выходе формирующей линии формируется импульс высокого напряжения, который прикладывается к вакуумному диоду, генерируя в нем электронный пучок.
Недостатком такого ускорителя является то, что размещение фольгового трансформатора в объем двойной формирующей линии вносит в нее неоднородность, которая приводит к искажению формы формируемого импульса на нагрузке. Кроме того, изоляция обмоток фольгового трансформатора должна быть одинаковой с изоляцией (диэлектриком) формирующей линии. Размещение такого трансформатора непосредственно в среде деионизованной воды приведет к загрязнению последней и ухудшению ее свойств как диэлектрика. Все это, наряду со сложной технологией изготовления фольгового трансформатора и его размещения в объеме формирующей линии, приводит к уменьшению к.п.д., снижению надежности и ресурса работы всего устройства.
Технический результат изобретения заключайся в повышении надежности и ресурса ускорителя.
Технический результат предложенного решения достигается тем, что в сильноточном наносекундном ускорителе электронных пучков, содержащем, как и прототип, размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно двойную формирующую линию с коаксиальными электродами, основной с дисковым электродом и обостряющий искровые разрядники, вакуумный диод и импульсный зарядный генератор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом, в отличие от прототипа, высоковольтный электрод соединен с дисковым электродом основного искрового разрядника и коаксиальным электродом двойной формирующей линии, при этом объемы, занимаемые зарядным генератором и двойной формирующей линией, разделены корпусом основного разрядника.
Целесообразно, чтобы емкостный накопитель импульсного зарядного генератора был выполнен из параллельно соединенных и соосно расположенных цилиндрических конденсаторов.
Целесообразно также, чтобы вторичная обмотка импульсного трансформатора была выполнена из четырех секторных обмоток, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника.
Сущность изобретения поясняется таблицей, в которой представлены основные технические параметры примера конкретного выполнения заявляемого устройства, и фиг.1, где приведено осевое сечение сильноточного наносекундного ускорителя электронных пучков.
Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков содержит в одном цилиндрическом корпусе 1 двойную формирующую линию 2, основной 3 и обостряющий 4 искровые разрядники, вакуумный диод 5 и импульсный зарядный генератор 6. Двойная формирующая линия 2 образована коаксиальными электродами 7, 8 и корпусом 1. Диэлектриком линии 2 является деионизованная вода. Электрод 7 соединен с дисковым электродом 9 основного разрядника 3, а электрод 8 соединен через обостряющий разрядник 4 с катодом 10 вакуумного диода 5 и через индуктивность 11 с корпусом 1.
Импульсный зарядный генератор 6 содержит емкостный накопитель, собранный из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов 12, соединенных одним выводом с коммутатором 13, а другими - с импульсным трансформатором с ферромагнитным сердечником 14.
Импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником 14 имеет первичный виток, образованный корпусом 1, диском 15 с отверстиями, цилиндром 16 и пластиной 17, к которой присоединены конденсаторы 12. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из четырех секторных обмоток 18, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника 14. Секторные обмотки 18 намотаны по спирали медной лентой и включены по схеме автотрансформатора по отношению к первичному витку. Индуктивное напряжение на секторных обмотках 18 прикладывается к высоковольтному электроду 19, электрически соединенному с дисковым электродом 9 основного разрядника 3 и через последнего - с коаксиальным электродом 7 двойной формирующей линии 2, при этом объемы генератора 6 и формирующей линии 2 разделены корпусом основного разрядника.
0
Работа ускорителя заключается в следующем. При подаче напряжения U отрицательной полярности происходит зарядка конденсаторов 12 емкостного накопителя импульсного зарядного генератора 6 через первичный виток импульсного трансформатора с ферромагнитным сердечником 14, при этом зарядным током осуществляется размагничивание ферромагнитного сердечника 14. По окончании зарядки конденсаторов 12 подается импульс запуска коммутатора 13 и конденсаторы 12 разряжаются на первичный виток импульсного трансформатора. В результате на секторных обмотках 18 индуцируется положительный импульс зарядного напряжения, который прикладывается к высоковольтному электроду 19, электрически соединенному с дисковым электродом 9 основного разрядника 3 и коаксиальным электродом 7 двойной формирующей линии 2. Происходит зарядка диэлектрика формирующей линии (деионизованная вода) между коаксиальным электродом 7 и корпусом 1 и, через индуктивность 11, между коаксиальными электродами 7 и 8. При этом разрядник 4 обеспечивает отсечку предымпульса напряжения, возникающего на индуктивности 11 при зарядке формирующей линии. В момент максимума зарядного напряжения на дисковом электроде 9 пробивается основной разрядник 3 и происходит формирование импульса напряжения на индуктивности 11, который, с последующим обострением разрядником 4, прикладывается к вакуумному диоду 5, генерируя в последнем электронный пучок.
Основные технические параметры примера конкретного выполнения заявляемого устройства сведены в таблицу.
Таким образом, соединение высоковольтного электрода 19 импульсного зарядного генератора 6 с дисковым электродом 9 основного искрового разрядника и коаксиальным электродом 7 двойной формирующей линии 2 и разделение объемов, занимаемых генератором 6 и линией 2, корпусом основного разрядника, что исключает загрязнение диэлектрика формирующей линии 2 диэлектриком импульсного генератора 6, позволяет исключить искажение формы формируемого импульса и увеличить надежность и ресурс устройства. Также использование конденсаторов 12 и выполнение обмотки импульсного трансформатора в виде четырех секторных обмоток 18 и размещение всех элементов ускорителя в одном цилиндрическом корпусе 1 позволит увеличить надежность и ресурс всего устройства.