Высоковольтный сильноточный монохроматический ускоритель

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Сущность изобретения: параллельно основной ускорительной трубке к высоковольтному электроду высоковольтной системы питания, выполненной на базе трансформатора Тесла с формирующей линией, подключена дополнительная ускорительная трубка, снабженная управляемой пушкой и системой управления. Система управления содержит цепь обратной связи, в которой управляющий сигнал формируется с помощью датчика. Компенсация пульсаций ускоряющего напряжения при таком конструктивном выполнении осуществляется за счет изменения тока дополнительной ускоряющей трубки при постоянном значении тока основной ускорительной трубки. 4 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к трансформаторным высоковольтным ускорителям прямого действия и может быть использовано при создании импульсных сильноточных ускорителей заряженных частиц, а также при создании лазеров на свободных электронах и для генерации СВЧ-излучения.

Известно семейство трансформаторных ускорителей серии ЭЛИТ, созданных в ИЯФ СО АН СССР, г. Новосибирск, и работающих в диапазоне энергий от 1 до 3 МэВ, токов - от 3 до 400 А при длительности импульса пучка от≈ 1 нс до ≈ 10 мкс (см. 1) Е. А. Аbramyan, IEEE Trans. on Nuclear Science, v. NS-18, June 1971, N 3, р. 447; Абрамян Е. А. , Альтеркоп Б. А. , Кулешов Г. Д. Интенсивные электронные пучки, М. : Энергоатомиздат, 1984, с. 461).

Важным параметром является стабильность энергии (монохроматичность) ускоренного пучка, определяемая отношением х100% , где W - номинальная энергия пучка, ΔW - разброс энергии пучка. Для ускорителей с монохроматичностью пучка порядка 5-10% выбор параметров контуров трансформатора Тесла производится по его характеристикам в режиме нагрузки прямоугольным импульсным током (см. Вассерман С. Б. "Трансформатор Тесла в высоковольтных ускорителях заряженных частиц", препринт ИЯФ 77-110, Новосибирск, 1977).

Известен ускоритель ЭЛИТ-Л, выбранный в качестве прототипа (см. И. В. Казарезов "Источник импульсного релятивистского электронного пучка для генерации мощных СВЧ-колебаний сантиметрового диапазона", Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1985). В данном ускорителе емкость вторичного контура выполнена в виде формирующей линии, электрическая длина которой много меньше периода связанных колебаний трансформатора Тесла. В котле, заполненном элегазом под давлением 9х10⁵ Па, размещены первичная и вторичная обмотки трансформатора Тесла; формирующая линия, состоящая из шести ячеек, каждая ячейка состоит из 28 последовательно соединенных конденсаторов К15-10-0,01/40. Непосредственно на ускорительной трубке расположен блок управления пушкой, обеспечивающий питание накала пушки и формирование ускоряющего импульса, прикладываемого к промежутку сетка-катод.

Ускоритель работает следующим образом. После замыкания ключа в первичном контуре трансформатора Тесла за время 0-t₁ энергия из емкости С₁ полностью перекачивается в емкость формирующей линии. В момент t₁, когда напряжение на формирующей линии достигает максимума U_2м, на сетку ускорительной трубки подается отпирающий импульс, при этом появляется ток пучка, разряжающий формирующую линию. Энергия, оставшаяся в формирующей линии после протекания импульса тока, рассеивается в контурах трансформатора Тесли в процессе затухающих связанных колебаний или, если приняты меры, обеспечивающие рекуперацию энергии, перекачивается в емкость С₁ первичного контура линии.

На фиг. 1 представлены форма импульса, ускоряющего напряжения (кривая 1) и форма импульса тока (кривая 2) ускорителя ЭЛИТ-Л, полученные расчетным путем с учетом реальных параметров ячейки ФЛ, измеренных в процессе сборки и наладки ускорителя. Видно, что в течение рабочего импульса ускоряющее напряжение не является постоянным. Амплитуда пульсаций напряжения достигает нескольких процентов от номинального значения. Недостатком ускорителя ЭЛИТ-Л является невысокая стабильность энергии ускоренного пучка (на уровне нескольких единиц процентов).

Целью изобретения является повышение стабильности энергии ускоренного пучка до уровня ≅ 0,5% .

Поставленная цель достигается тем, что в высоковольтном сильноточном монохроматичном ускорителе на основе трансформатора Тесла, включающем высоковольтный трансформатор Тесла, высоковольтную колонну и ускорительную трубку с электронной пушкой и блоком управления электронной пушки, введена дополнительная ускорительная трубка с дополнительными электронной пушкой и блоком управления, подключенная параллельно основной ускорительной трубке к трансформатору Тесла с формирующей линией. Дополнительная ускорительная трубка подключена параллельно основной к трансформатору Тесла.

На фиг. 1 представлена форма импульса ускоряющего напряжения (кривая 3) при наличии дополнительной ускорительной трубки; на фиг. 2 - конструктивная схема высоковольтного сильноточного монохроматичного ускорителя; на фиг. 3 и 4 - результаты расчета режима работы трансформатора Тесла, нагруженного на основной и дополнительный электронные пучки.

Предлагаемое устройство состоит из следующих узлов. Внутри высоковольтной колонны размещена основная ускорительная трубка 4 диаметром 0,3 м и длиной 3,2 м. Внутри нее располагается основная электронная пушка 5 с термоэмиссионным катодом, например, диаметром 80 м и сеткой для управления током пучка. Внутри высоковольтного кондуктора располагается блок 6 управления основной электронной пушки. Внутри высоковольтной колонны рядом с основной располагается дополнительная ускорительная трубка 7, например, тех же размеров, что и основная с дополнительной электронной пушкой 8 и блоком 9 управления электронной пушки. Дополнительная электронная пушка также содержит термоэмиссионный катод, например, диаметром 80 мм и сетку для управления током пучка. Электропитание термоэмиссионных катодом и блоков управления осуществляется от электрооборудования, расположенного внутри высоковольтного кондуктора. Основным элементом этого электрооборудования является генератор 10 переменного напряжения ГАБ-8, который должен приводиться во вращение электродвигателем 11 посредством металлодиэлектрической цепи 12. Снаружи котла располагаются патрубки вакуумной системы, через которые должна производиться откачка обеих ускорительных трубок, а также транспортировка основного и дополнительного электронных пучков. Основной пучок через систему 13 поворота должен отводиться для дальнейшего использования, а дополнительный пучок через систему поворота 14 - на токоприемник пучка 15. Сигнал ошибки, пропорциональный разбросу энергии пучка, должен вырабатываться в датчике 16 и по системе оптоволоконной связи (не показана) подаваться в блок управления дополнительной электронной пушки.

Устройство работает следующим образом.

После замыкания ключа в первичном контуре трансформатора Тесла за время 0-t₁ энергия из емкости С₁ полностью перекачивается в емкость формирующей линии. В момент t₁, когда напряжение на формирующей линии достигает максимума U_2м, на сетку основной электронной пушки 5 подается отпирающий импульс, при этом появляется ток пучка в основной ускорительной трубке 4. В этот же момент времени t₁ подается отпирающий импульс на сетку дополнительной электронной пушки 8, при этом появляется ток пучка в дополнительной ускорительной трубке 7. При разряде формирующей линии на нагрузку стремятся возникнуть пульсации ускоряющего напряжения (кривая 1). Изменения нагрузки (тока дополнительного электронного пучка) компенсируют пульсации ускоряющего напряжения, поддерживая это напряжение на постоянном уровне (кривая 3). При этом при увеличении или уменьшении ускоряющего напряжения необходимо соответственно увеличивать или уменьшать ток дополнительного электронного пучка, а ток основного электронного пучка остается постоянным. Необходимые изменения тока дополнительного электронного пучка обеспечиваются изменениями потенциала управляющей сетки дополнительной электронной пушки 8, которые в свою очередь задаются блоком 9 управления этой пушки по сигналу ошибки, вырабатываемому в датчике 16 разброса энергии после прохождения дополнительного электронного пучка через энергоанализатор. Кроме указанного механизма обратной связи изменения тока дополнительного электронного пучка могут задаваться "программным" способом с помощью оборудования, размещаемого как внутри высоковольтного кондуктора, так и вне котла ускорителя.

Расчет проводился для конкретных параметров ускорителя: ускоряющее напряжение 5 МВ, ток основного пучка 200 А, длительность рабочего импульса 2 мкс. Параметры трансформатора Тесла: индуктивность и емкость первичного контура соответственно L₁ = 7,5 мкГн; С₁ = 5,5 мкФ; индуктивность и емкость вторичного контура соответственно L₁ = 0,18 Гн; С₂ = 0,25 нФ. В момент времени t₁ = 24,8 мкс включаются одновременно основной и дополнительный пучки, в момент времени t₂ = 26,8 мкс оба пучка выключаются. Из графика изменения тока видно, что при постоянном токе основного пучка 200 А ток дополнительного пучка в течение рабочего импульса меняется от 20 А до нуля. При этом в течение рабочего импульса ускоряющее напряжение остается постоянным.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить стабильность энергии ускоренного пучка по сравнению с прототипом в ≈10 раз.

По данному техническому предложению в МРТИ разработан эскизный проект предлагаемого ускорителя и проводится теоретическое и экспериментальное исследование основных его систем. (56) Абрамян Е. А. Промышленные ускорители электронов, Энергоатомиздат, М. , 1986, с. 70-108.

Казарезов И. В. Источник импульсного релятивистского электронного пучка для генерации мощных СВЧ-колебаний сантиметрового диапазона, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1985.

Формула изобретения

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ МОНОХРОМАТИЧЕСКИЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий высоковольтный трансформатор Тесла с формирующей линией, высоковольтную колонну и ускорительную трубку с электронной пушкой и блоком управления электронной пушкой, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности энергии ускоренного пучка, в него введена дополнительная ускорительная трубка с дополнительной электронной пушкой и блоком управления, содержащим цепь обратной связи, причем дополнительная ускорительная трубка подключена параллельно основной ускорительной трубке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4