Высоковольтный сильноточный монохроматический ускоритель

 

Использование: в ускорительной технике, в частности в импульсных сильноточных ускорителях заряженных частиц. Сущность изобретения: ускоритель включает высоковольтный трансформатор Тесла с формирующей линией, высоковольтную колонну с основной и дополнительной ускорительными трубками, основную и дополнительную электронные пушки с блоками управления и фазоинвертор, подключенный в электрическую цепь между основным и дополнительным блоками управления пушек. Дополнительный блок управления содержит цепь обратной связи. 1 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники.

В частности, к области трансформаторных высоковольтных ускорителей прямого действия.

Изобретение 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 РАН, г. Новосибирск, и работающих в диапазоне (1-3) МЭВ, токов - (3-400)А при длительности импульса пучка от ≈ Iнс до ≈ 10 мкс [1] Важным параметром является стабильность энергии (монохроматичность) ускоренного пучка, определяемая отношением , 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. Известен ускоритель ЭЛИТ-Л2, выбранный в качестве прототипа [2] 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 9 х 10⁵ Па, размещены первичная и вторичная обмотки трансформатора Тесла; формирующая линия, состоящая из шести ячеек, каждая ячейка состоит из 28 последовательно соединенных конденсаторов К 15-10-0,01/40. 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 Тесла в процессе затухающих связанных колебаний или, если приняты меры, обеспечивающие рекуперацию энергии, перекачивается в емкость С₁ первичного контура. При разряде формирующей линии на нагрузку стремятся возникнуть пульсации ускоряющего напряжения и тока ускорительной трубки.

Недостатком представленного ускорителя ЭЛИТ-Л2 является невысокая стабильность энергии и силы тока ускоренного пучка (на уровне нескольких единиц процентов).

Целью изобретения является повышение стабильности энергии и силы тока ускоренного пучка до уровня ≅ 0,5% Поставленная цель достигается тем, что в известном высоковольтном сильноточном монохроматическом ускорителе на основе трансформатора Тесла, включающем высоковольтный трансформатор Тесла, высоковольтную колонну и ускорительную трубку с дополнительными электронной пушкой и блоком управления и фазоинвертором, при этом дополнительная ускорительная трубка подключена параллельно основной ускорительной трубке, причем дополнительный блок управления содержит цепь обратной связи, а фазоинвертор включен в электрическую цепь между основным и дополнительным блоками управления. Таким образом, оба блока управления электронных пушек охвачены обратной связью, при этом цепь дополнительной ускорительной трубки охвачена положительной обратной связью, а цепь основной ускорительной трубки отрицательной.

На чертеже представлена схема высоковольтного сильноточного монохроматического ускорителя.

Предлагаемое устройство состоит из следующих узлов. В котле, заполненном элегазом, размещены трансформатор Тесла с защитным электродом, высоковольтная колонна 1 с формирующей линией и высоковольтный электрод 2. Внутри высоковольтной колонны размещены основная ускорительная трубка 3 с электронной пушкой 4 и дополнительная ускорительная трубка 5 с электронной пушкой 6. Внутри высоковольтного электрода размещены блок управления 7 основной пушки, блок управления 8 дополнительной пушки и фазоинвертор 9, в качестве которого используется, например, однокаскадный ламповый усилитель с активным нагрузочным сопротивлением. Электропитание термоэмиссионных катодов пушек, блоков управления и фазоинвертора осуществляется от электрооборудования, расположенного внутри высоковольтного электрода. Основным элементом этого оборудования является генератор 10 переменного напряжения ГАБ-8, который должен приводиться во вращение электродвигателем 11 посредством металлодиэлектрической цепи 12. Основной пучок через систему поворота 13 должен отводиться для дальнейшего использования, а дополнительный пучок через систему поворота 14 на токоприемник пучка 15. Сигнал ошибки, пропорциональный разбросу энергии пучка, должен вырабатываться с датчика 16 и по системе оптоволоконной связи (на чертеже 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 времени t₁, когда напряжение на формирующей линии достигает максимума U_2м, на сетку основной электронной пушки 4 подается отпирающий импульс, при этом появляется ток пучка в основной ускорительной трубке 3. В этот же момент времени t₁ подается отпирающий импульс на сетку дополнительной электронной пушки 6, при этом появляется ток пучка в дополнительной ускорительной трубке 5. При разряде формирующей линии на нагрузку стремятся возникнуть пульсации ускоряющего напряжения. В датчике 16 вырабатывается сигнал ошибки, пропорциональный разности между мгновенным значением ускоряющего напряжения (напряжение пульсации) и постоянным значением ускоряющего напряжения (напряжение стабилизации). По цепи положительной обратной связи этот сигнал ошибки поступает в блок 8 управления дополнительной пушки 6, который в свою очередь устанавливает требуемое значение потенциала управляющей сетки. Этот сигнал ошибки поступает в фазоинвертор 9, где после усиления он приобретает дополнительный фазовый сдвиг на 180^o; и затем по цепи отрицательной обратной связи этот сигнал ошибки поступает в блок 7 управления основной пушки 4. С помощью сопротивления обратной связи, входящего в состав блока управления 7, осуществляется режим автоматического смещения катода основной пушки, что эквивалентно изменению напряжения управляющей сетки этой пушки. В итоге изменение тока основной ускорительной трубки, вызванное изменением ускоряющего напряжения, оказывается скомпенсированным.

Таким образом, использование изобретения позволит повысить стабильность энергии и силы тока ускоренного пучка по сравнению с прототипом ≈ в 10 раз.

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 пушки, отличающийся тем, что в него введены дополнительная ускорительная трубка с дополнительными электронной пушкой и блоком управления и фазоинвертор, при этом дополнительная ускорительная трубка подключена параллельно основной ускорительной трубке, причем дополнительный блок управления содержит цепь обратной связи, а фазоинвертор включен в электрическую цепь между основным и дополнительным блоками управления пушек.

РИСУНКИ

Рисунок 1