Устройство для генерации импульсного электронного пучка

 

Изобретение относится к технике генерации импульсных электронных пучков и может быть использовано при разработке генераторов электронных пучков и рентгеновских импульсов. Формирование импульса ускоряющего напряжения на вакуумном диоде происходит в результате возбуждения на катоде вакуумного диода взрывной электронной эмиссии и начального заполнения вакуумного диода взрывоэмиссионной катодной плазмой. Электрическое соединение каскадов генератора импульсов высокого напряжения выполнено так, что выходной полюс каскадного генератора является потенциальным, то есть соединен через разделительные элементы с потенциальным полюсом источника зарядного напряжения. Вакуумный диод, подключенный в качестве нагрузки между выходным полюсом генератора и землей, одновременно выполняет роль пускового разрядника каскадного генератора. Для повышения надежности запуска каскадного генератора используется резистивный механизм сосредоточения перенапряжения в межкаскадных разрядниках. Для повышения стабильности возбуждения взрывной электронной эмиссии под действием зарядного напряжения катод вакуумного диода выполняется жидкометаллическим. Изобретение позволяет увеличить скорость роста тока пучка и стабильность тока пучка при упрощении конструкции и повышении надежности работы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике генерации мощных импульсных электронных пучков и может быть использовано при разработке генераторов мощных электронных пучков и рентгеновских импульсов.

Известно устройство для генерации импульсного электронного пучка [1, 2], содержащее каскадный генератор импульсных напряжений (ГИН), собранный по схеме Аркадьева-Маркса или по подобным ей схемам [3], и вакуумный диод со взрывоэмиссионным катодом (ВЭК), в котором происходит формирование и ускорение электронного пучка [4]. В устройствах такого типа генерация мощного импульсного электронного пучка происходит в результате эмиссии электронов из расширяющейся плазмы, образующейся в процессе развития взрывной электронной эмиссии на поверхности катода вакуумного диода, и последующего ускорения электронов в межэлектродном промежутке, причем скорость роста тока электронного пучка определяется скоростью увеличения эмиссионной поверхности взрывоэмиссионной катодной плазмы в процессе ее расширения [5]. Инициирования взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ) достигают путем подачи на вакуумный диод импульса высокого напряжения, вырабатываемого ГИН. Формирование импульса высокого напряжения на выходе ГИН достигается путем коммутации последовательно каскадов генератора, заряженных параллельно от источника зарядного напряжения. С этой целью один или несколько каскадных разрядников выполняют управляемыми и подают на них импульс напряжения от пускового генератора.

Недостатками таких устройств для генерации импульсного электронного пучка являются: - сложность конструкции и недостаточно высокая надежность источника импульсного электронного пучка, обусловленная наличием в составе ГИН пусковых цепей и пусковых разрядников, - относительно малая скорость нарастания тока пучка в диоде, обусловленная конечной скоростью увеличения эмиссионной поверхности взрывоэмиссионной катодной плазмы в процессе ее разлета, - относительно невысокая стабильность импульсов тока электронного пучка при относительно низких электрических полях на твердотельных ВЭК, определяемая природой регенерации катодных микроострий от импульса к импульсу.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому устройству для генерации импульсного электронного пучка, взятым нами за прототип, является источник электронов [6], содержащий ГИН, выполненный по схеме Маркса, и подключенный к нему вакуумный диод с ВЭК и фольгой для вывода пучка. Генерация электронного пучка в прототипе достигается тем же способом, что и в описанных выше аналогах. Генератор импульсов высокого напряжения источника содержит 15 каскадов, собранных на конденсаторах К15-4. Первый каскад генератора снабжен пусковым разрядником, запуск производится от импульсного пускового генератора. С целью стабилизации запуска генератора второй и третий каскады генератора снабжены устройствами для подсветки зазоров разрядников. Прототип имеет такие же недостатки, что и аналоги.

Целью предлагаемого изобретения является - упрощение конструкции и повышение надежности работы источника электронных пучков, - увеличение скорости роста тока электронного пучка в диоде, - увеличение стабильности тока электронного пучка от импульса к импульсу при относительно невысоких электрических полях на катоде вакуумного диода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем источник зарядного напряжения, один из выводов которого заземлен, каскадный генератор импульсов высокого напряжения, образованный малоиндуктивными конденсаторами, разделительными элементами в виде активных или реактивных сопротивлений и искровыми межкаскадными разрядниками, и вакуумный диод со взрывоэмиссионным катодом, подключенный между последним каскадом генератора и землей, согласно изобретению полюс первого каскада генератора, противоположный потенциальному, заземлен, искровые разрядники включены покаскадно между потенциальным полюсом предыдущего каскада и заземленным через разделительные элементы полюсом последующего каскада, вакуумный диод подключен к потенциальному полюсу последнего каскада генератора, а также к дополнительной конструктивной емкости на землю, и выполняет роль пускового элемента каскадного генератора.

Кроме того, для повышения надежности запуска ГИН величины сопротивлений разделительных элементов каскадного генератора целесообразно выбирать из соотношений где N - число каскадов ГИН, R_2i (i=2...N) - сопротивления разделительных элементов между потенциальными полюсами (i - 1)-го и i-го каскадов, R_2i-1 (i= 2. . .N) - сопротивления разделительных элементов между заземленными полюсами (i - 1)-го и i-го каскадов, R_D - сопротивление вакуумного диода на момент запуска каскадного генератора импульсов высокого напряжения.

Для повышения стабильности возбуждения ВЭЭ на катоде вакуумного диода под действием приложенного к вакуумному диоду зарядного напряжения катод вакуумного диода целесообразно выполнять жидкометаллическим.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 (а) и (б) представлены осциллограммы напряжения на диоде и тока в диоде соответственно для вакуумного диода с одиночным острийным катодом и плоским анодом при межэлектродном зазоре катод-анод 7 мм (другие условия эксперимента и более подробное описание элементов устройства и устройства в целом будет приведено ниже).

Устройство работает следующим образом.

На первом этапе от источника зарядного напряжения U₀ через разделительные элементы R₂-R_2N происходит параллельная зарядка емкостных накопителей C₁-C_N каскадов генератора, а также зарядка конструктивной емкости на землю C_к (участки I и IV на фиг. 2). После зарядки каскадов ГИН и емкости C_к и до момента инициирования взрывной электронной эмиссии к вакуумному диоду D приложено зарядное напряжение U₀ (участок 1 на фиг. 2). Коммутации ступеней ГИН не происходит, поскольку напряжение самопробоя разрядников P₁-P_N-1 превышает величину зарядного напряжения.

Второй этап включает в себя отрезок времени от момента инициирования ВЭЭ на катоде вакуумного диода t₁ и до момента коммутации всех разрядников t₂. На этом этапе в процессе развития ВЭЭ в вакуумном диоде протекает электронный ток (ток предымпульса), приводящий к разряду конструктивной емкости C_к (уча сток II на фиг. 2) и спаду напряжения на вакуумном диоде. В результате этого на соседнем с вакуумным диодом разряднике ГИН возникает перенапряжение, приводящее к его пробою и последующему лавинообразному пробою всех остальных разрядников. Таким образом, используемый в качестве нагрузки ГИН вакуумный диод одновременно выполняет роль пускового элемента ГИН. В отличие от газонаполненного разрядника время коммутации вакуумного промежутка и, следовательно, длительность фронта импульса перенапряжения на соседнем с вакуумным диодом разряднике P_N-1 составляет несколько десятков и даже сотен наносекунд в зависимости от длины зазора катод-анод и величины емкости C_к [7]. При столь большой длительности фронта импульса перенапряжение может распределятся между несколькими разрядниками, не приводя к коммутации ни одного из них. Для повышения надежности коммутации целесообразно использовать резистивный механизм сосредоточения перенапряжения в одном ближайшем к вакуумному диоду разряднике P_N-1. Для этого соотношение сопротивлений разделительных элементов должно удовлетворять требованию

где
R_D - сопротивление вакуумного диода.

После коммутации разрядника P_N-1 для сосредоточения перенапряжения в следующем разряднике P_N-2 за счет резистивного деления напряжения требование соотношений сопротивлений разделительных элементов примет вид

Нетрудно видеть, что подобные соотношения сопротивлений разделительных элементов существуют для резистивного сосредоточения перенапряжения в любом разряднике. Однако выполнение этих соотношений для одного-двух ближайших к диоду разрядников достаточно для обеспечения надежной лавинообразной коммутации остальных разрядников.

Из соотношений (1) и (2) видно, что коммутация разрядников происходит только тогда, когда сопротивление вакуумного диода R_D становится меньше, чем сопротивления разделительных элементов. Уменьшение сопротивления вакуумного диода происходит за счет заполнения вакуумного промежутка взрывоэмиссионной катодной плазмой в результате протекания тока предымпульса.

Третий этап в работе источника начинается с момента лавинообразной коммутации разрядников t₂. В процессе протекания основного импульса тока взрывной эмиссии происходит разряд соединенных последовательно конденсаторов каскадов ГИН (участок III на фиг. 2). За счет начального заполнения вакуумного промежутка взрывоэмиссионной катодной плазмой скорость роста тока в диоде такова, что время достижения амплитудного значения тока фактически совпадает с длительностью фронта импульса высокого напряжения.

Таким образом, сущность изобретения можно выразить в изменении причинно-следственной связи между формированием импульса ускоряющего напряжения и процессами в вакуумном диоде. В прототипе и аналогах сначала независимо от вакуумного диода при помощи специальных пусковых устройств коммутируются межкаскадные разрядники ГИН и формируется импульс ускоряющего напряжения на вакуумном диоде, в результате чего возбуждается ВЭЭ на катоде вакуумного диода и формируется электронный пучок. В предлагаемом устройстве первоначально независимо от ГИН возбуждается ВЭЭ на катоде вакуумного диода, в результате последующего уменьшения сопротивления вакуумного диода коммутируются разрядники ГИН, формируется импульс высокого напряжения на вакуумном диоде и формируется электронный пучок.

В конструкции ГИН заявляемого устройства отсутствуют пусковые электрические цепи и управляемые разрядники. За счет этого достигается упрощение конструкции и повышение надежности источника электронов.

Поскольку импульс высокого напряжения от ГИН поступает уже на частично заполненный плазмой вакуумный диод, первеанс его резко возрастает по сравнению с первеансом вакуумного диода при традиционном способе генерации электронного пучка [8]. Благодаря этому достигается более высокая скорость роста тока электронного пучка.

При работе устройства предлагаемого типа возбуждение ВЭЭ на катоде вакуумного диода, к которому приложено зарядное напряжение, является отправным процессом, не зависящим от дальнейшей работы устройства. Поэтому можно применять различные способы возбуждения ВЭЭ. Возбуждение ВЭЭ можно осуществить путем воздействия на катод импульса лазерного излучения, предварительного заполнения вакуумного диода плазмой поджигающего разряда на одном из электродов диода либо плазмой, генерируемой специальным источником.

Наиболее просто возбуждение ВЭЭ осуществляется под действием самого приложенного к вакуумному диоду зарядного напряжения. В этом случае возбуждение ВЭЭ происходит в результате разогрева и взрыва катодных микроострий собственным автоэмиссионным током, причем стабильность ускоряющего напряжения, вырабатываемого ГИН, целиком будет зависеть от стабильности напряжения инициирования ВЭЭ. Использование твердотельных ВЭК в таком случае затруднительно из-за невысокой воспроизводимости параметров катодных микроострий от импульса к импульсу [9]. Для повышения стабильности напряжения возбуждения ВЭЭ катод вакуумного диода целесообразно выполнять жидкометаллическим. Под действием приложенного к вакуумному диоду зарядного напряжения происходит развитие электрогидродинамической неустойчивости жидкости на поверхности катода [10]. Пороговое напряжение, при котором начинается рост неустойчивости жидкости, определяется геометрией электродов и отличается высокой стабильностью в силу высокой воспроизводимости геометрии жидкометаллического катода от импульса к импульсу.

В качестве примера использования предлагаемого устройства приведем результаты исследований, выполненных авторским коллективом на опытно-экспериментальном образце источника импульсного электронного пучка. ГИН источника был образован тремя каскадами емкостью 250 пФ каждый, собранными на малоиндуктивных конденсаторах КВИ-3. В качестве разделительных элементов использовались резисторы. Величины сопротивлений разделительных элементов составляли 10-500 кОм, причем удовлетворяли условиям (1) и (2). Межкаскадные газовые разрядники открытого типа были образованы парами электродов, имеющими профиль Роговского. ГИН размещался в газонаполненном металлическом корпусе. Напряжение самопробоя разрядников составляло 45 кВ при межэлектродном зазоре 3,5 мм и давлении 300 кПа и могло быть изменено путем изменения межэлектродного зазора и давления в корпусе ГИН. Потенциальный полюс последнего каскада ГИН содержал плоскую металлическую чашу, образующую совместно с корпусом ГИН дополнительную конструктивную емкость C_к на землю, одновременно являющуюся высоковольтным плечом емкостного делителя напряжения. Величина дополнительной конструктивной емкости C_к составляла 30 пФ. ВЭК вакуумного диода был подключен к чаше посредством металлокерамического высоковольтного вакуумного ввода. В качестве ВЭК использовался жидкометаллический катод, представляющий собой капилляр из нержавеющей стали, заполненный In-Ga сплавом с температурой плавления около 15^oC. Пороговое напряжение срабатывания жидкометаллического катода составляло 32-33 кВ при длине зазора катод-анод 7 мм. Анодом служило выводное окно диаметром 3 см. Оно было изготовлено из алюминий-бериллиевой фольги толщиной 20 мкм и лежало на опорной решетке из нержавеющей стали с прозрачностью порядка 70%.

В результате испытаний были достигнуты следующие значения рабочих параметров источника. Амплитуда полного тока в диоде составляла 200-400 А при ускоряющем напряжении 60-100 кВ и длительности на полувысоте, ≃ 50 нс. Фиг. 2 демонстрирует типичные осциллограммы напряжения и полного тока диода для этого источника. Амплитуда импульса тока электронного пучка за выводным окном достигала 100 А при ускоряющем напряжении 70 кВ и длительности по основанию около 30 нс. Частота следования импульсов электронного пучка, выводимого в атмосферу, достигала 200-250 Гц и была ограничена отводом тепла, выделяющегося в выводном окне, и мощностью источника зарядного напряжения. Наработка данного источника без смены катода и ухудшения параметров составляла на момент написания заявки около 100 млн. импульсов. С точки зрения снижения активных потерь и увеличения частоты следования импульсов целесообразно использование индуктивных разделительных элементов (дросселей).

Источники информации
[1] А. А.Алтухов, Э.А.Авилов, Н.В.Белкин и А.А.Буклей. Импульсный рентгеновский аппарат. а.с. N 1064856, H 05 G 1/24, 1982.

[2] Месяц Г.А. Эктоны. Ч.3. Екатеринбург, УИФ "Наука", 1993, с. 63.

[3] Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М.: Сов. радио, 1974, с. 134-141.

[4] Месяц Г.А. Эктоны. Ч.3. Екатеринбург. - УИФ "Наука", 1993, с. 182-189.

[5] Там же, с. 189-192.

[6] Там же, с. 220-222 (прототип).

[7] Там же, с. 192-196.

[8] Месяц Г.А. Эктоны. Ч.1, Екатеринбург. - УИФ "Наука", 1993, с. 116-118.

[9] Там же, с. 154-159.

[10] Там же, с. 32-34.

Формула изобретения

1. Устройство для генерации импульсного электронного пучка, содержащее источник зарядного напряжения, один из выводов которого заземлен, каскадный генератор импульсов высокого напряжения, образованный малоиндуктивными конденсаторами, разделительными элементами в виде активных или реактивных сопротивлений и искровыми разрядниками, и вакуумный диод со взрывоэмиссионным катодом, подключенный между последним каскадом генератора и землей, отличающееся тем, что полюс первого каскада генератора, противоположный потенциальному, заземлен, искровые разрядники включены покаскадно между потенциальным полюсом предыдущего каскада и заземленным через разделительные элементы полюсом последующего каскада, вакуумный диод подключен к потенциальному полюсу последнего каскада генератора, а также к дополнительной конструктивной емкости на землю и является пусковым элементом каскадного генератора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что величины сопротивлений разделительных элементов каскадного генератора выбирают из соотношений
,
где N - число каскадов каскадного генератора импульсов высокого напряжения;
R_2i (i = 2...N) - сопротивления разделительных элементов между потенциальными полюсами (i-1)-го и i-го каскадов;
R_2i-1 (i = 2...N) - сопротивления разделительных элементов между заземленными полюсами (i-1)-го и i-го каскадов;
R_D - сопротивление вакуумного диода на момент запуска каскадного генератора импульсов высокого напряжения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что взрывоэмиссионный катод выполнен жидкометаллическим.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2