СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
SUBNANOSECOND ELECTRON ACCELERATOR

Изобретение относится к технике формирования электронных пучков субнаносекундной длительности и может быть использовано при создании субнаносекундных ускорителей электронов мегавольтного диапазона. Данные ускорители широко применяются для определения временного разрешения наносекундных детекторов импульсов электронного и тормозного излучения, аттестации и контроля работоспособности измерительных каналов, исследования электрофизических характеристик диэлектриков и полупроводников и т.д.
Известны субнаносекундные ускорители электронов (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. - С. 93-105), содержащие источник наносекундных высоковольтных импульсов и маслонаполненный формирователь, в котором при помощи разрядников-обострителей обеспечивается обострение фронта и укорочение импульсов до долей наносекунды. Эти импульсы далее поступают на ускорительную трубку, где происходит генерация электронных пучков субнаносекундной длительности.
Недостатками данных ускорителей является то, что пробои межэлектродного промежутка обостряющих разрядников происходят в среде трансформаторного масла. При этом требуется периодическая прокачка масла через формирователь и необходимо выдерживать длительные паузы (несколько минут) между импульсами; ускорители требуют стационарной установки, в противном случае нарушаются регулировки и настройки генератора; длинный маслонаполненный формирователь затрудняет перевозку ускорителя к потребителю.
Также известен субнаносекундный ускоритель электронов (Месяц Г.А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, №3. С. 225-246), (Яландин М.И., Шпак В.Т. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона (обзор) // ПТЭ. 2001. №3. С. 5-31), содержащий источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку. Формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные зазоры, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов. Высоковольтные импульсы субнаносекундной длительности с формирователя поступают на ускорительную трубку, где происходит генерация электронов в атмосферу.
Недостатками этого ускорителя являются высокая сложность его обслуживания, недостаточная прочность и жесткость конструктивных элементов, участвующих в формировании субнаносекундного импульса, и сравнительно низкая энергия электронов в выходном пучке (что связано с применением капролоновых изоляторов, использованием источника зарядки линий формирователя с амплитудой напряжения не более 300 кВ и т.д.). Эти недостатки приводят к ограниченному применению данных генераторов (в частности, к ограничению использования в полевых условиях).
Наиболее близким к заявляемому является субнаносекундный ускоритель электронов с максимальной энергией более 0.8 МэВ при длительности выходных импульсов не более 0.3 нс (патент RU №2666353, опубл. 07.09.2018, бюл. №25), содержащий источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку, формирователь содержит входной изолятор, две формирующие и передающую коаксиальные линии, два обостряющих и срезающий разрядные зазоры, первая формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов.
Недостатком этого ускорителя является большая протяженность передающей линии (около 1000 мм) и, соответственно, большая длина газонаполненного формирователя, что усложняет транспортировку ускорителя к месту проведения работ и снижает надежность его работы в условиях вибраций и других дестабилизирующих факторов. Кроме того, из-за сравнительно больших радиальных биений входного изолятора сильно затруднено обеспечение взаимной соосности проводников второй формирующей линии, что приводит к снижению ее электропрочности и уменьшению максимальной энергии электронов.
При создании данного изобретения решалась задача создания переносного, предназначенного для работы в полевых условиях субнаносекундного ускорителя электронов с сохранением выходных параметров.
Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей ускорителя с сохранением его выходных параметров за счет уменьшения длины формирователя, повышения простоты обслуживания и надежности работы при наличии вибраций и других дестабилизирующих факторов, а также за счет улучшения взаимной соосности проводников второй формирующей линии.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным субнаносекундным ускорителем электронов, содержащим источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку, формирователь содержит две формирующие и передающую коаксиальные линии, два обостряющих разрядных зазора, образованных разрывами между линиями, и срезающий разрядный зазор, образованный внутренним проводником передающей линии и стержневым электродом, расположенным на корпусе и имеющим возможность радиального перемещения, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов, новым является то, что корпус формирователя выполнен разъемным и состоит из двух секций, между которыми герметично установлена вставка, на которой посредством конического полого изолятора закреплен внутренний проводник второй формирующей линии, вставка соединена со второй секцией при помощи центровочных элементов с обеспечением взаимных радиальных биений проводников второй формирующей линии не более 0.2 мм, в первой секции расположена первая формирующая линия, во второй секции расположены передающая линия и ускорительная трубка, передающая линия выполнена с временем пробега импульса 0.3-0.5 нс и с волновым сопротивлением в пределах 40-80 Ом, внутренний проводник передающей линии на участке, примыкающем к изолятору трубки, содержит биконический радиальный выступ, срезающий зазор образован между выступом и стержневым электродом, установленным напротив выступа.
Выполнение корпуса формирователя разъемным из двух секций со вставкой обеспечивает простоту разборки и сборки формирователя для осмотра, ремонта и настройки.
Соединение вставки со второй секцией (с корпусом второй секции) при помощи центровочных элементов (например, штифтов или пары кольцевой выступ - кольцевая проточка) позволяет сравнительно легко обеспечить взаимные радиальные биения проводников второй линии не более 0.2 мм. Для этого достаточно выполнить соединения деталей, формирующих зазор между проводниками второй линии (в заявляемом ускорителе это корпус второй секции, вставка, конический полый изолятор и внутренний проводник, всего четыре детали), с сопряжением по 7-8 квалитету. В результате максимальное отклонение величины самого зазора между проводниками второй линии от номинального значения 6-8 мм составляет всего несколько процентов.
Соответственно, возможное снижение электрической прочности второй линии лежит в тех же пределах. Это выгодно отличает заявляемый ускоритель от его прототипа, в котором центровка электродов второй формирующей линии сильно зависит от больших (до 1 мм и более) биений входного керамического изолятора. При этом колебания величины зазора между проводниками второй формирующей линии достигали порой 15-20%, что приводило к соответствующим потерям напряжения на ускорительной трубке, либо требовалась компенсация биений, которая приводила к значительным трудозатратам и была возможна только в лабораторных условиях. В заявляемом ускорителе высокая точность зазора между проводниками второй линии обеспечивается автоматически при сборке формирователя и поддерживается в полевых условиях при наличии вибраций, ударов и других отрицательных факторов.
Уменьшение длины формирователя связано с двумя противоречащими друг другу требованиями. С одной стороны, это уменьшение длины формирователя за счет укорочения передающей линии, с другой - формирование субнаносекундного импульса, что требует достаточной длины передающей линии с электрической емкостью, необходимой для быстрого развития разряда в обостряющем зазоре между второй формирующей и передающей линиями. Выполнение передающей линии с обеспечением времени пробега импульса в диапазоне 0.3-0.5 нс позволяет разрешить этот конфликт и выполнить оба требования. В устройстве по прототипу это время составляет примерно 4.5 нс, в заявляемом устройстве - 0.33 нс.
Волновое сопротивление передающей линии в интервале 40-80 Ом является в несколько раз меньшим, чем сопротивление ускорительной трубки, что позволяет повысить амплитуду напряжения на трубке. В то же время оно в несколько раз больше сопротивления цепи срезающего зазора после его пробоя, что обеспечивает малое падение напряжения на зазоре и образующих его электродах и является необходимым условием снижения длительности среза импульса.
Данному обстоятельству также способствует выполнение одного из электродов, образующих срезающий зазор, в виде биконического радиального выступа на внутреннем электроде передающей линии. Это приводит к дополнительному снижению индуктивности и, соответственно, к снижению полного сопротивления цепи срезающего зазора.
Биконический выступ расположен на участке передающей линии, примыкающем к изолятору трубки. Подвижный стержневой электрод установлен напротив выступа, и вся данная электродная система находится на возможно малом расстоянии от ускорительной трубки. Это позволяет снизить уширение субнаносекундных импульсов за счет отражений импульсов между срезающим зазором и зазором между анодом и катодом трубки.
Таким образом, в данном изобретении все перечисленные признаки направлены на реализацию указанного технического результата.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны конструкции ускорителя по прототипу и заявляемого ускорителя, где:
1 - источник наносекундных высоковольтных импульсов;
2 - газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения;
3 - зарядная катушка индуктивности;
4 - первая формирующая коаксиальная линия;
5 - вторая формирующая коаксиальная линия;
6 - передающая коаксиальная линия;
7 - ускорительная трубка;
8 - катод;
9 - анод (мембрана выходного окна ускорительной трубки);
10 - первая секция;
11 - вторая секция;
12 - вставка;
13 - полый конический изолятор;
14 - внутренний проводник формирующей линии 5,
15 - первый обостряющий разрядный зазор;
16 - второй обостряющий разрядный зазор;
17 - срезающий разрядный зазор;
18 - подвижный стержневой электрод;
19 - биконический выступ; 20, 21 - фланцы;
22 - крепежные болты.
На фиг. 3 приведена осциллограмма импульса тока за окном ускорительной трубки.
Субнаносекундный ускоритель электронов содержит источник 1 наносекундных высоковольтных импульсов. На его корпусе при помощи фланцевого соединения закреплен газонаполненный субнаносекундный формирователь 2. Он подключен к источнику 1 через зарядную катушку индуктивности 3 и включает в себя последовательно расположенные первую формирующую линию 4, вторую формирующую линию 5 и передающую линию 6, а также ускорительную трубку 7 с катодом 8 и анодом 9. Корпус формирователя разделен на разъемные секции 10 и 11, между которыми герметично установлена вставка 12. Внутри вставки закреплен конический полый изолятор 13, на котором расположен внутренний проводник 14 второй формирующей линии 5. В разрывах между линиями 4, 5 и 6 находятся обостряющие зазоры 15 и 16. Срезающий зазор 17 образован стержневым подвижным электродом 18 и биконическим радиальным выступом 19 на внутреннем проводнике передающей линии 6. Сборка и разборка корпуса газонаполненного формирователя производится при помощи фланцев 20, 21 и крепежных болтов 22.
Ускоритель работает следующим образом. Высоковольтный импульс наносекундной длительности (5-10 нс) от источника 1 через зарядную катушку индуктивности 3 поступает на вход формирователя 2 и заряжает первую формирующую линию 4. После этого пробивается первый разрядный зазор 15, и линия 4 подключается к линии 5, что приводит к ее зарядке за время ≈0.8 нс. После этого пробивается второй разрядный зазор 16. Благодаря малой длительности зарядки линии 5 время развития пробоя второго разрядного промежутка составляет не более 0.2 нс, и в передающую линию 6 сходит импульс напряжения субнаносекундной длительности. Он проходит через передающую линию 6 и поступает на катод 8 ускорительной трубки 7, вызывая генерацию электронного пучка субнаносекундной длительности, который через анодную мембрану 9 выходит в атмосферу.
Заявляемый ускоритель с использованием указанных отличительных признаков был изготовлен и испытан. Формирователь субнаносекундных импульсов выполнен из нержавеющей стали и заполнен азотом при давлении 40 атм. Центровка проводников второй формирующей линии обеспечивается при помощи кольцевого выступа на фланце второй секции, входящего в соответствующую кольцевую проточку на фланце вставки. Взаимные радиальные биения проводников второй формирующей линии, измеренные при помощи индикатора перемещения часового типа, составили 0.18 мм. Передающая линия выполнена с длиной 100 мм (что примерно в 10 раз меньше, чем в прототипе) и временем пробега импульса 0.33 нс. Расчетное волновое сопротивление передающей линии составляет 58 Ом.
На фиг. 3 приведена осциллограмма электронного тока ускорительной трубки. Длительность импульса на полувысоте не превышает 0.2 нс при амплитуде тока электронов не менее 1 кА и максимальной энергии электронов 0.9 МэВ. Ускоритель легко разбирается и собирается при необходимости его обслуживания с целью чистки и регулировки.