Ускоритель заряженных частиц

 

УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТЩ , содержащий двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, подключенный через коммутатор и зарядньй элемент к высоковольтному вводу первой линии , шунтированному управляемым разрядником, отличающийс я тем, что, с целью повьшения его надежности, в него дополнительно введены две одинаковые цепи, состоящие из включенных последовательно датчика, тока, источника постоянного тока и коммутатора, шунтированного последовательно включенными разрядником и электрически взрываемым проводником, при этом указанные цепи подключены между высоковольтным вводом и выводом каждой из линий, ускорительньш диод включен между высоковольтным выводом первой линии и высокоё вольтным вводом второй линии и (Л шунтирован третьим электрическим взрываемым проводником, а дополнительные источники постоянного тока включены встречно один относительно другого.

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А (19) ())) (5()4 Н 05 Н 5/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

i

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3606274/18-21 (22) 17.06.83 (46) 07.10.85. Бюл. №- 37 (72) Е.M. Меллех и Е.П. Павлов (53) 621.384.6 (088.8) (56) 1. Патент США № 4024430, кл. Н ОЗК 5/06, опублик. 17.05.77.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 810061, кл. Н 05 Н 5/00, 30.11.82 (прототип) . (54) (57) УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения

его надежности, в него дополнительно введены две одинаковые цепи, состоящие из включенных последовательно датчика. тока, источника постоянного тока и коммутатора, шунтированного последовательно включенными разрядником и элек трически взрываемым проводником, при этом указанные цепи подключены между высоковольтным вводом и выводом каждой из линий, ускорительный диод включен между высоковольтным выводом первой линии и высоковольтным вводом второй линии и шунтирован третьим электрическим взрываемым проводником, а дополнительные источники постоянного тока включены встречно один относительно другого.

522

1 1123

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации импульсных электронных пучков большой интенсивности, энергии и длительности.

Известно устройство для импульсного питания электронной пушки (1j, содержащее двойную формирующую линию с накоплением энергии в ее конденсаторах, между обеими половинами которой последовательно с ними подключен ускорительный диод (нагрузка), причем вход линии шунтирован разрядником.

Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая импульсная мощность в нагрузке.

Это обусловлено тем, что энергия, накопленная в конденсаторах линии, выделяется в нагрузке за сравнительно большое время, равное времени двойного пробега волны по каждой половине линии.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является 25 ускоритель заряженных частиц, содержащий двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, 30 подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником (2) .

Недостатком известного устройства З5 является сравнительно невысокая надежность, связанная с низкой надежностью конденсаторов двойной формирующей линии (ДФЛ). Это вызвано тем, что в процессе формирования высоко- 40 вольтного импульса ускоряющего напряжения конденсаторы перезаряжаются от напряжения зарядки до удвоенного напряжения противоположной полярности, что резко снижает их ресурс. 45

Целью изобретения является повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в ускоритель заряженных частиц, содержащий двойную формирующую линию,59 состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному 55 вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником, дополнительно введены две одинаковые цепи, состоящие из включенных последовательно датчика тока, источника постоянного тока и коммутатора, шун-. тированного последовательно включенными разрядником и электрически взрываемым проводником. Цепи подключены между высоковольтным вводом и

Ф выводом каждой иэ линий, ускорительный диод включен между высоковольтным выводом первой линии и высоковольтным вводом второй линии и шунтирован третьим электрически взрываемым проводником, а дополнительные источники постоянного тока включены встречно один относительно другого.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг ° 2 — форма импульсов на ускорительном диоде.

Устройство содержит двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий 1 и 2, между которыми последовательно с ними подключен ускорительный диод 3. К входу линии 1 подключен управляемый разрядник 4, параллельно которому включены соединенные последовательно высоковольтный источник 5 постоянного напряжения, коммутатор 6 и зарядный элемент 7. Параллельно индукторам первой линии 1 подключены соединенные последовательно датчик 8 тока, источник постоянного тока 9 и контактный выключатель 10, шунтированный соединенными последовательно разрядником 11 и электрически взрываемым проводником (ЭВП) 12.

Ускорительный диод 3 шунтирован

ЭВП 13. Параллельно индукторам второй линии 2 подключены источник постоянного тока 14, контактный выключатель 15 и датчик 16 тока. Выключатель 15 шунтирован соединенными последовательно разрядником 17 и

ЭВП 18. К выходу второй линии 2 подсоединен датчик 19 напряжения.К коммутатору 6 подсоединен выход блока 20 управления, к управляемому разряднику 4 — выход блока 21 управления, к выключателю 10 — импульсный быстродействующий привод, совмещенный с блоком 22 управления, к выключателю 15 — импульсный быстродействующий привод, совмещенный с блоком 23 управления. Входы блоков

20,22 и 23 управления соединены с соответствующими выходами таймера

24, вход которого соединен с выхо3 1 123522 дом компаратора 25, входы которого соединены с датчиками 8,16 тока и с датчиком 19 напряжения. Вход блока

2 1 управления соединен с выходом датчика 8 тока.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии разрядники

4,11 и 17 находятся в непроводящем состоянии, коммутатор б и выключатели 10 и 15 разомкнуты. Запасов энергии в-элементах ДФЛ нет. По сигналам с таймера 24 срабатывают блоки 20, 22 и 23 управления, которые замыкают соответственно коммутатор 6 и выключатели 10 и 15. При этом от высоковольтного источника 5 постоянного напряжения через коммутатор б и зарядный элемент 7 начинается зарядка конденсаторов линии 1 и через

ЭВП 13 — конденсаторов линии 2 (в полярности, указанной на схеме).

Одновременно с этим от источника постоянного тока 9 через замкнутый выключатель 10 и датчик 8 тока происходит зарядка током индукторов линии 1, а от источника 14 постоянного тока через замкнутый выключатель

15 и датчик 16 тока и зарядка током индукторов линии 2 (направления протекания токов в индукторах линий показаны стрелками). При достижении током в индукторах заданного значения Зд, а напряжения на конденсаторах Ц (выбранных таким образом, чтобы выполнялось соотношение 0О=З, о где p — волновое сопротивление линии), соответствующие сигналы с датчиков 8,16 тока и датчика 19 напряжения поступают на компаратор 25.

При достижении равенства токов в индукторах линий 1 и 2 и выполнении указанного соотношения между током и напряжением на линиях срабатывает компаратор 25 и выдает сигнал на таймер 24, с выходов которого управляющие импульсы запускают блоки управления 20, 22 и 23. В этот момент отключается коммутатор 6 (он находится в обесточенном состоянии, поскольку к этому моменту зарядка конденсаторов линий была окончена), и разводятся контакты выключателей

10 и 15. Напряжение, возникающее на дуге отключения, образующейся между контактами выключателя 10, достаточно для пробоя разрядника 11, в результате чего осуществляется перевод

55 тока из ветви с выключателем 10 в ветвь с разрядником 11 .и ЭВП 12.

В результате шунтирования выключателя 10 низкоомной цепью из разрядника

11 и ЭВП 12 дуга в выключателе 10 гаснет, и ток индукторов линии 1 замыкается через датчик тока 8 источник 9, разрядник 11 и ЭВП 12. Аналогично осуществляется перевод тока из выключателя 15 в ветвь с разрядником t7 и ЭВП 18. Под действием токов, протекающих через ЭВП 12 и

ЭВП 18, последние взрываются и отклочают индукторы линии 1 от источника 9 тока, а индукторы линии 2 от источника 14 тока.

Сигнал с датчика 8 тока, свидетельствующий о прекращении тока в цепи с источником 9 тока, подается на вход блока 2 1 управления, который, в свою очередь, поджигает управляемый разрядник 4. Момент времени, соответствующий отключению ЭВП 12 и

ЭВП 18 и поджигу разрядника 4, обозначим как о. При рассмотрении процессов, происходящих в линиях, воспользуемся для удобства методом суперпозиции. Рассмотрим вначале процессы, происходящие в линиях и на нагрузке под действием только энергии, запасенной в конденсаторах линий (Ges учета энергии в индуктивностях). В момент времени 1, вход первой линии 1 (точка 26) замыкается разрядником 4. Образующаяся при этом падающая волна а Ц,= (1 проходит от точки 26 к точке 27 по линии 1, разряжая ее конденсаторы. Энергия, запасенная ранее в этих конденсаторах, обращается в магнитную энергию индуктивностей линии. К моменту прихода падающей волны к выходу линии 1 (точке 27), т.е, в момент времени 4 = 4 „ (времени задержки линии), ЭВП 13 электрически взрывается под действием разницы потенциалов в точках 27 и 28 линий, и падающая волна л О, встречает на своем пути несогласованное сопротивление, состоящее из сопротивления ускорительного диода 3, сопротивление которого равно двойному значению волнового сопротивления р линии (т.е. R <

=2p), и включенного последовательно с ним входного сопротивления р линии 2. Таким образом, суммарное сопротивление, которое встречает в момент sq< падающая волна дН, в

1123522

35 точке 27, равно Зр, т.е. в три раза больше выходного сопротивления р линии 1. Из-за такого рассогласования падающая волна частично отражается, образуя первую отраженную волну на1 пряжения линии 1 амплитудой 1

3 отр

= — — U Остальная часть падающей

4 о волны проходит через сопротивление

10 ускорительного диода и образует первую падающую волну линии 2 амплитудой 6U =- — Одновременно с этим

tl<

ЪBdA 4 линия 2, предварительно заряженная

15 до напряжения 0 со стороны входа о (точка 28) оказывается нагруженной на последовательно соединенные ускорительный диод 3 и выходное сопротивление р линии 1. При этом с вы20 хода на вход линии 1 (от точки 27 к точке 26) начинает распространяться

t падающая волна амплитудой 40 р * =

= + — о- и со входа на выход линии

2 (от точки 27 к точке 29) — отра-! женная волна амплитудой Ь " q0, Uo — В результате начиная с

4.

У 30 момента времени т. ад конденсаторы линии 1 начнут заряжаться с выхода к входу (от точки 27 к точке 26) напряжением т7* а0,от тдц па = у т тотр а конденсаторы линии 2 начнут раз-! 1 ряжаться напряжением hl3 =ь U д0, 2 2 Ideal* 2 отр

= - — . При этом величина напряжения, Оо

40 которая остается на конденсаторах ли.0 UÎ нии 2 составит =U - — - —. С моФ ао о 2 мента времени т, ад на ускорительном диоде 3 образуется падение на- 45 пряжения LI = 0 -U - — - - — I = U

0 0

28,27 28 7 2 Я о

После достижения суммарной волной

"о (- †) в линии 1 точки 26 в момент

2 50 времени 2 1 д она отразится от короткозамкнутого конца с обратным знаком и начнет распространяться к выходу линии 2 (от точки 26 к точке 27), снимая заряд с конденсато- 55 ров линии 1. Отражения в линиях от точки 27 и точки 28 в момент 21 а не происходит, поскольку обе линии, Ю начиная с момента 1 „ оказываются

ЪаД 7 подключенными в точках 27 и 28 последовательно на согласованную нагрузку. Аналогично в линии 2 суммарная волна (- — -) распространяюU

2 щаяся с момента т,та от точки 28 к точке 29, к моменту 2 1 достигает разомкнутого конца линии 2 и, отразившись с тем же знаком, начнет распространяться по линии 2 от точки 29 к точке 27, снимая заряд с конденсаторов линии. К моменту времени Зt а* обе волны одновременно достигнут ускорительного диода (точек 27 и 28), и процессы в линиях прекратятся. Эпюра напряжения, выделившегося на ускорительном диоде под действием только энергии запасенной в конденсаторах линий, показана на фиг.2,а.

Рассмотрим теперь процессы, происходящие в линиях и ускорительном диоде под действием только энергии, запасенной в индуктивностях линий (без учета энергии, запасенной в конденсаторах). В момент о как уже указывалось, замыкается разрядник 4 и электрически взрываются ЭВП

12 и 18. При этом в точке 27 под действием тока 3 накопленного в индуктивностях лийии 1, возникает перепад напряжения

Р 0о

»д 2 поскольку линия 1 оказывается нагруженной на входное сопротивление р линии 2 (ускорительный диод закорочен ЭВП 13). Этот перепад начинает распространяться по обеим линиям: в линии 1 от точки 27 к точке 26, а в линии 2 от точки 27 к точке 29.

Под действием тока запасенного в оу индуктивностях линии 2, в точках

27 и 28 возникает перепад напряжения

Р "о — — распространяющийся к

0dA 2 2 ! концам линий 26 и 28, а в точке 29 на разомкнутом конце линии 2 возниII кает перепад напряжения 607 „

7 "d4

=,P = 00 распространяющийся от точки 29 к точке 27. Через время, равное одному пробегу волны по линии т за конденсаторы линии 1

7 оказываются заряженными суммарной падающей волной до напряжения к 0 U0 и д = --0

Пад оад Я 2 0 7 а кон

1123522 зованная при разряде конденсаторов линии 1, заряженных до напряжения на изменившуюся при размыкании ЭВП

13 нагрузку. При этом образуется

О, падающая волна дЦ - на входе

2па4- 4 линки 2, которая распространяется от точки 28 к точке 29 ° Одновременно с этим ток 3 запасенный в индуктивностях линии 2, образует также три волны: — падающую в линии 1 величиной

О, 35 о 1т„о4-"+ «4 распространяющуюся от точки 27 к точке 28; — отраженную от линии 2 величие 3 ной ь 0 = + 0о распространяю 40 нотр щуюся от точки 28 к точке 29, — падающую в линии 2 от разомкнутого конца линии от точки 29 к

II точке 28 величиной еЦ =- о - Ц пр о!- - . О ° 45

В результате в линии 1 с момента от .точки 26 к точке 27 будет распространяться волна < U а от ор точки 27 к точке 26 — суммарная волиi а 1о Uo на равная ЙЧ отр 60„о 4= 4 4

С учетом того, что к моменту напряжение на конденсаторах линии t было равно — 0 результирующее напряжение на линйи 1 установится к моменту t, равным U + g 1

"о (4 о я о

В линии 2 с момента,о„ от точки

50 денсаторы линии 2 оказываются разряженными до нуля, так как напряжеI !! И

0.о4 Ь0.о4

=- — - — +О =0 и вся энергия линии

"о 0о о=

2 запасена к этому моменту в индуктивностях линии 2, причем ток 3 направлен при этом от точки 29 к точке 27. В момент *,как уже указывалось, электрически взрывается ЭВП 13, и ускорительный диод 3 оказывается включенным последовательно с линиями 1 и 2. В этот момент падающая волна — U в линии 1 отражается от короткозамкнутого конца в точке 26 и начинает распространяться по линии 1 от точки 26 к точке 27 с амплитудой t U, разряжая конденсаторы линии 1, а от точки 27 к точке 28 распространяется

"о отраженная волна ЬЦ = — обрат отр 4 7

1О

27 к точке 29 будет распространяться суммарная волна напряжения вели 4 Ц

60 оо„+ ИО 2от 4 4 о а от точки 29 к точке 28 — волна

=- Ц Результирующее напряже одд о ° ние на линии 2 установится к момени. u. ту времени 2 равным

ЪИ4 о 2

Таким образом, напряжение на нагрузке в интервале времени 4 „ -24 момент времени t,= 21 > оно становится равным Ц î "о

29 2v Я

С момента времени т 5ц4 обе линии 1 и 2 оказываются включенными в точках

27 и 28 последовательно на согласованную нагрузку. Поэтому отражения от концов 27 и 28 в момент 2 т, о, в линиях не возникают, а на ускорительном диоде выделяется напряжение

u«»=- u . Отраженные волны расФ пространяются по линии лишь от точек

26 и 29. Отраженная волна в линии 1 распространяется от короткозамкнутого конца линии 26 к точке 27 с обратным знаком, снимая заряд с конденсаторов линии 1. Отраженная волна в линии 2 распространяется от точки 29 с тем же знаком, снимая также остаток заряда с конденсаторов линии 2. К моменту 36 с, обе отраженных волны достигают ускорительного диода и процессы в линиях заканчиваются. Эпюра напряжения, выделившегося на ускорительном диоде под действием только энергии, запасенной в индуктивностях линий, показана на фиг.2,б.

Эпюра суммарного напряжения на ускорительном диоде от действия энергии, накопленной в конденсаторах и в индуктивностях линий, показана на фиг.2,в. Таким образом, в интер° вале времени 4»< - 21 происходит суммирование напряжений на ускорительном диоде от действия обоих факторов, а в интервале 2 „ -34 Aвычитание. Поэтому результирующее напряжение, выделившееся на ускорительном диоде, равно удвоенному значению напряжения зарядки линии, т.е. Оо4 = 2 Ц Длительность импульса на ускорительном диоде в предлагаемом ускорителе оказывается равной 1 6„, поэтому импульсная мощ1123522

U, Чь „ ность в нагрузке равна P г

Н

Нетрудно убедиться, ь0 U„

2р что вся запасенная энергия в линиях

Щ выделяется в ускорительном диоде à время импульса т „=4 „,т.е.

\Ч = 9I>,где %„ — энергия в ускориU„„ тельном диоде, равная 1ц=

=2 — q lb à Wz — энергия, накапливаемая в линиях, равная 7/; + Щ, =

2 Z

/ о о oUo1

=2 — ) . Учитывая, что 3 о =(J г z)

О О7 ,получаем Vl о

0 .

-2 — qoP, 0

Нетрудно убедиться, что в процессе формирования импульса конденсаторы линии 1 перезаряжаются от напряжения зарядки 0 до того же напряжения обратного знака (- Ц ), в то время, как в прототипе — от напряжения 00 до двойного напряжения обратного знака (-2 О 7. Конденсаторы линии 2 разряжаются от напряжения зарядки 00 до нуля, в то время как в прототипе они заряжаются от значения напряжения зарядки (- 0o) до двойного напряжения (- г ц 1, Следовательно, напряженность электрического поля в диэлектрике конденсаторов формирующих линий в процессе формирования высоковольтного импульса в прототипе вдвое превышает этот параметр для конденсаторов предлагаемого ускорителя— это более чем на порядок снижает ресурс работы конденсаторов в прототипе по сравнению с предлагаемым ускорителем. Снижение рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике конденсаторов прототипа до того же значения, что и в предлагаемом ускорителе, повлекло бы за собой удвоение линейных размеров конденсаторов и связанное с

Б этим возрастание объема,занимае- мого конденсаторами, в 2-3 раза и соответствующее увеличение веса и стоимости. Снижает также ресурс работы конденсаторов известного ускорителя по сравнению с предлагаемым величина амплитуды изменения напряжения в процессе формирования импульса. Так, на конденсаторах первой линии в прототипе напряжение .меняется на величину U - -2 U 1=

= 5Llо, в то время как в предлагаеу р t> (Бо =20 7 конденсаторах второй линии в прототипе напряжение меняется на

2о величину (-U,I — (-2О„) " Uо, а в предлагаемом ускорителе U -0= о.

Поскольку в генераторе импульсов на формирующих линиях при больших значениях энергий (0,1-1) МДж/имп основную роль в габаритах, весе и стоимости его играют конденсаторы формирующих линий,то их ресурс и надежность в основном и определяют работоспособность таких генеЗО раторов. Если принять, что устройство вырабатывается за год примерно 10 импульсов, и учесть,что ресурс работы конденсаторов в предлагаемом ускорителе составляет 10

З5 импульсов а в известном на поря док хуже, т.е. 10 импульсов, то ориентировочный экономический эффект по сравнению с известным ускорителем для энергии порядка

4О 100 кДж/имп при условии, что стоимость 1 кДж составляет примерно

50 руб, составит 50 тыс.руб. в год.

1123522

1123522

I Й ад

Up и,д

2Uo

Фиг. 2

Редактор Л. Утехина

Заказ 7014/1

I å

Составитель

Техред О.Ващишина Корректор

Тираж 793 Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4