Сильноточный импульсный ускоритель

 

Использование: ускорительная техника, для получения сильноточных пучков заряженных частиц с токами в десятки килоампер, энергией до нескольких мегаэлектронвольт и длительностью импульса 10 - 100 нс. Сущность изобретения: ускоритель содержит зарядный емкостный накопитель энергии, коммутатор, формирующую индуктивность, прерыватель тока и вакуумный диод. Прерыватель тока выполнен в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, а емкость зарядного источника C и величина формирующей индуктивности L связаны с временем жизни дырок τ_р в n-базе диодов соотношением: 2π·(LC)^1/2= (0,1-0,5)τ_p Данное выполнение ускорителя позволяет повысить среднюю мощность путем увеличения частоты следования импульсов и упростить конструкцию. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения сильноточных пучков заряженных частиц с токами в десятки килоампер, энергией до нескольких мегаэлектронвольт и длительностью импульса 10-100 нс.

Известны наносекундные сильноточные импульсные ускорители, содержащие зарядный источник, формирующую линию, выходной коммутатор и нагрузку в виде вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом [1] Недостаток таких ускорителей состоит в малой удельной запасаемой энергии емкостной формирующей линии и в необходимости применения выходного коммутатора, рассчитанного на полное напряжение установки. Это приводит к тому, что такие ускорители громоздки и сложны в эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому является сильноточный импульсный ускоритель [2] содержащий зарядный генератор по схеме Аркадьева-Маркса, формирующую индуктивность, вакуумный диод и прерыватель тока, основанный на электрическом взрыве проволочек (ЭВП). При включении зарядного генератора через формирующую индуктивность и ЭВП-прерыватель протекает синусоидальный ток. Амплитуда и длительность тока и параметры ЭВП-прерывателя подобраны так, что в момент максимума тока происходит взрыв проволочек, на формирующей индуктивности и прерывателе возникает импульс напряжения, который приводит к генерированию сильноточного электронного пучка в вакуумном диоде, включенном параллельно ЭВП-прерывателю.

Недостаток ускорителя состоит в небольшой средней мощности электронного пучка, поскольку частота следования импульсов ограничена невозможностью быстрой замены ЭВП-прерывателя, осуществляемой с помощью механических средств, а также в сложной конструкции ускорителя, связанной с наличием дополнительной механической системы для замены ЭВП-прерывателя после каждого импульса.

Цель изобретения повышение средней мощности путем увеличения частоты следования импульсов и упрощение конструкции ускорителя.

Цель достигается тем, что в известном сильноточном импульсном ускорителе, содержащем зарядный емкостной накопитель энергии, коммутатор, формирующую индуктивность и прерыватель тока, параллельно которому подключена нагрузка в виде вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом, прерыватель тока выполнен в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, причем емкость зарядного источника С и величина формирующей индуктивности L связаны с временем жизни дырок τ_p в n-базе диодов соотношением 2 π (LC)^1/2=(0,1-0,5) τ_p.

Диоды прерывателя могут быть размещены в теле изолятора вакуумного диода.

Существенным отличительным признаком заявляемого устройства является выполнение прерывателя в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, время жизни дырок τ_p в которых связано с параметрами L и С ускорителя. При выполнении вышеприведенного соотношения диоды прерывают ток, протекающий по ним и по формирующей индуктивности, т.е. выполняют функцию ЭВП-прерывателя тока. Отсутствие механически движущихся частей, целостность и постоянная готовность к работе полупроводниковых диодов позволяют увеличить частоту следования импульсов ускорителя до десятков и сотен герц и увеличить среднюю мощность устройства, а также существенно упростить его конструкцию.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предложенного устройства; на фиг.2 эпюры токов и напряжений на прерывателе и вакуумном диоде; на фиг.3 один из возможных вариантов конструктивного размещения прерывателя в ускорителе.

Ускоритель содеpжит (фиг. 1) зарядный емкостной накопитель 1 энеpгии с емкостью С, в качестве которого может быть использован, например, генеатоp Аркадьева-Маркса, коммутатор 2 в виде искрового разрядника, формирующую индуктивность 3 с индуктивностью L, прерыватель 4 тока, выполненный в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов и вакуумный диод 5 с промежутком катод (К) анод (А).

Работа ускорителя осуществляется следующим образом.

При включении разрядника (коммутатора 2) предварительно заряженный емкостной накопитель 1 обеспечивает протекание тока накачки i_нсинусоидальной формы по формирующей индуктивности 3 и прерывателю 4 (фиг.2, кривая 1). Напряжение на вакуумном диоде ускорителя U_д при этом отсутствует, поскольку последний зашунтирован диодами прерывателя, находящимися в проводящем состоянии. Поскольку длительность импульса прямого тока t₁-t₀ π(LC)^1/2 меньше времени жизни дырок τ_p, диоды не успевают восстановить свои запирающие свойства, и после импульса прямого тока по ним начинает протекать нарастающий синусоидальный обратный ток. При выполнении вышеприведенного соотношения, связывающего параметры С, L и τ_p, диоды восстанавливают свои запирающие свойства в момент времени t₂, когда обратный ток близок к своему максимальному значению. К этому моменту времени энергия из емкостного зарядного источника оказывается переведенной в формирующую индуктивность L. Последующий обрыв тока в диодах прерывателя за время t₃-t₂, которое в несколько раз меньше времени t₂-t₁, приводит к возникновению на формирующей индуктивности, прерывателе и вакуумном диоде импульса высокого напряжения (кривая 2), который генерирует в межэлектродном промежутке между катодом и анодом импульсный электронный пучок с током i_эп (кривая 3).

На фиг.3 приведен один из возможных вариантов конструктивного размещения прерывателя в ускорителе. В корпусе 7, заполненном трансформаторным маслом или сжатым газом, расположены емкостной зарядный источник (накопитель 1), коммутатор 2 и формирующая индуктивность 3. Диоды прерывателя 4 размещены в теле изолятора 6 вакуумного диода 5. В таком варианте исполнения изолятор вакуумного диода ускорителя кроме своих традиционных функций выполняет и функцию прерывателя тока. Кроме этого такая компоновка выходного узла ускорителя, максимально приближающая прерыватель к катододержателю 8, позволяет снизить индуктивность подключения вакуумного диода к прерывателю и увеличить мощность электронного пучка на выходе ускорителя.

Материал основан на экспериментально обнаруженном эффекте резкого обрыва обратного тока в высоковольтных выпрямительных диодах. Были исследованы следующие типы высоковольтных выпрямительных столбов: КЦ105Д, КЦ108В, КЦ201Е, 2Ц202Е, СДЛ 0,4-800, СДЛ 0,4-1300, СДЛ 0,4-1600. Исследовались как одиночные столбы, так и сборки с суммарным количеством параллельно-последовательно соединенных столбов до 100 штук. Во всех типах диодов был обнаружен эффект резкого обрыва обратного тока. Этот эффект наблюдается, когда параметры L и С ускорителя связаны с временем жизни дырок τ_p в n-базе диодов соотношением: 2 π (LC)^1/2=K τ_p, где K=0,1-0,5. Оптимальная величина коэффициента К^опт, которой соответствует обрыв обратного тока в момент его максимального значения, подбиралась экспериментально путем изменения величин L и С для конкретного типа исследуемых диодов. Для всех типов диодов величина К^опт лежала в диапазоне 0,1-0,5. При К<К<SUP>оптопт обрыв наблюдается до достижения обратным током своего максимального значения. В том и другом случаях снижается эффективность вывода энергии в вакуумный диод в виде короткого импульса, поскольку значительная часть энергии в момент обрыва тока остается в емкостном зарядном источнике.

Время жизни дырок τ_p для конкретного типа диодов определяется экспериментально. При этом высокой точности предварительного определения величины τ_p не требуется, поскольку оптимальный коэффициент К^оптподбирается экспериментально при настройке ускорителя.

Выбор того или иного типа диодов для получения заданных параметров импульса зависит также от максимальных значений тока и напряжения на вакуумном диоде. При этом обратное импульсное напряжение на диодах прерывателя не должно превышать их обратного рабочего напряжения, а максимальная величина импульсного тока, как показали эксперименты, может выбираться в диапазоне (10³-10⁴)I_ср, где I_ср справочное значение среднего рабочего тока одного диодного столба. Увеличение импульсного тока достигается параллельным подключением диодных ветвей.

В качестве конкретного примера реализации предложенного ускорителя ниже приведены параметры сильноточного электронного ускорителя с прерывателем тока из полупроводниковых высоковольтных диодов. Ускоритель содержал зарядный емкостной источник в виде трехступенчатого генератора Аркадьева-Маркса, собранного на конденсаторах ИК-100-0,4 (100 кВ, 0,4 мкФ). При зарядном напряжении 50 кВ амплитуда импульса составляла 150 кВ при запасаемой энергии 1,5 кДж. Формирующая индуктивность представляла собой индуктивность подключения генератора к вакуумному диоду и прерывателю. Емкость зарядного источника С=0,133 мкФ. Прерыватель был собран из 30-ти параллельных ветвей по 3 последовательно включенных выпрямительных столба СДЛ 0,4-1600 в каждой. Суммарное количество диодов в прерывателе 90 шт. Ветви прерывателя располагались по цилиндрической образующей изолятора вакуумного диода. Обратное напряжение прерывателя 480 кВ. Экспериментально определенное для этих диодов время жизни дырок τ_p составило 10± 3 мкс. Оптимальное значение формирующей индуктивности составило L ≃ 2,4 мкГн, что соответствует величине 2 π (LC)^1/2 ≃ 3,6 мкс и К^опт ≃ 0,36. Время t₁-t₀ составило 1,8 мкс, t₂-t₁ ≃ 0,8-0,9 мкс и обрыв обратного тока происходил за время t₃-t₂ ≃ 60-80 нс. Ток по прерывателю в прямом направлении достигал 40 кА, в обратном 32 кВ. В диоде ускорителя был получен электронный пучок с энергией около 400 кэВ, током 8 кА и длительностью импульса 40 нс. Ускоритель допускал работу с частотой следования импульсов 1-2 Гц, которая была ограничена мощностью использованных источников питания.

Формула изобретения

1. СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий зарядный емкостный накопитель энергии, коммутатор, формирующую индуктивность и прерыватель тока, параллельно которому подключена нагрузка в виде вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом, отличающийся тем, что прерыватель тока выполнен в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, причем емкость C зарядного накопителя и величина формующей индуктивности L связаны с временем жизни дырок τ_р в n-базе диодов соотношением 2·π·(LC)^1/2= = (0,1-0,5)·τ_р . 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что диоды прерывателя размещены внутри изолятора вакуумного диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3