Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления

Авторы патента:

H05H15 - Способы или устройства для ускорения заряженных частиц, не предусмотренные в предыдущих рубриках

Владельцы патента RU 2376731:

Институт электрофизики Уральского отделения РАН (RU)

Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов (электронов с энергиями от нескольких десятков кэВ до нескольких сотен кэВ) с большой плотностью (до нескольких десятков А/см²) в газонаполненном промежутке атмосферного давления. Устройство представляет собой газонаполненный диод атмосферного давления. Анод в виде тонкой металлической фольги, закрепленной на заземленном металлическом цилиндре, который является корпусом разрядной камеры, катод в виде сплошного цилиндра с плоской поверхностью эмиссии. Вокруг всей боковой поверхности катода, а также перекрывая часть разрядного промежутка, расположена цилиндрическая кварцевая трубка, имеющая с катодом жесткий механический контакт. На катод подается импульсный потенциал с источника импульсного напряжения. Под действием напряжения между катодом и анодом начинается эмиссия электронов с катода. Часть электронов приобретает энергию, достаточную для перехода в режим непрерывного ускорения, и формирует импульсный электронный пучок, который выводится из разрядной камеры через анод. Цилиндрическая кварцевая трубка при этом препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод, что уменьшает расходимость электронного пучка, увеличивая его плотность. 2 ил.

Изобретение относится к области сильноточной электроники и может быть использовано для генерации импульсных пучков быстрых электронов (электронов с энергиями от нескольких десятков кэВ до нескольких сотен кэВ) с большой плотностью (до нескольких десятков А/см²) в газонаполненных промежутках атмосферного давления.

Существуют несколько устройств для получения пучков быстрых электронов. Одно из них представляет собой вакуумный диод, в котором импульсное электрическое напряжение создается между острийным металлическим катодом и анодом в виде тонкой металлической фольги, через которую осуществляется вывод электронов (М.И.Яландин, В.Г.Шпак. Мощные малогабаритные импульсно-периодические генераторы субнаносекундного диапазона.//ПТЭ, 2001, №3, с.5-31 - аналог). Плотности тока импульсных пучков быстрых электронов, создаваемых с помощью этого устройства, достигают нескольких сотен А/см². Недостаток данного устройства состоит в ограниченном сроке службы. Он составляет 10⁵-10⁶ импульсов, после чего целостность анодной фольги нарушается и диод теряет герметичность. Вследствие большой расходимости пучка плотность тока на его оси сильно снижается с расстоянием (В.Г.Шпак. Измерение энергетических характеристик наносекундного электронного пучка, выведенного в воздух через фольгу.//ЛПТЭ, 1980, №3, с.165-167), что также является недостатком.

Другое устройство представляет собой газонаполненный диод атмосферного давления, что автоматически устраняет недостаток малого срока службы, как в предыдущем случае. Принцип генерации импульсных электронных пучков остается тем же самым (Г.А.Месяц, В.Г.Шпак, С.А.Шунайлов, М.И.Яландин. Источник электронов и режим ускорения пикосекундного пучка в газовом диоде с неоднородным полем.// Письма в ЖТФ, т.34, №4, с.71-81 - прототип). В этом случае плотность электронного тока в импульсе, фиксируемая за анодом, на два порядка меньше тока, получаемого с помощью вакуумного диода, что существенно суживает область применения такого пучка. При этом расходимость пучка остается той же.

Задачей предложенного изобретения является частичная компенсация недостатков прототипа и значительное увеличение плотности тока импульсного пучка быстрых электронов. Для решения этой задачи предлагается следующее устройство: газонаполненный диод атмосферного давления, имеющий цилиндрический, сплошной катод с плоской поверхностью эмиссии и анод в виде тонкой металлической фольги, закрепленный на металлическом цилиндре, который служит корпусом разрядной камеры и является обратным токопроводом. Вокруг всей боковой поверхности катода, а также перекрывая часть межэлектродного промежутка, расположена цилиндрическая кварцевая трубка, имеющая с катодом жесткий механический контакт. Кварцевая трубка препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод в газоразрядном промежутке, что уменьшает расходимость электронного пучка. Межэлектродное расстояние L определяется величиной приведенной напряженности электрического поля Е/р-[В/(см·атм)] (Е - напряженность электрического поля, р - давление газовой среды), которая должна быть достаточной, чтобы некоторая часть электронов, эмитированных с катода, перешла в режим непрерывного ускорения. Электроны, перешедшие в режим непрерывного ускорения, создают импульсный пучок. Расстояние h от эмитирующей поверхности катода до основания цилиндрической кварцевой трубки, находящегося в межэлектродном промежутке, ограничено неравенством 0<h<A, где А - расстояние, при котором между основанием цилиндрической кварцевой трубки, находящимся в межэлектродном промежутке, и анодом происходит искровой разряд - в этом случае электрическая проводимость межэлектродного промежутка резко возрастает и перехода электронов в режим непрерывного ускорения не наблюдается.

Главным отличием предлагаемого устройства является использование при импульсном разряде в газе атмосферного давления цилиндрической кварцевой трубки, имеющей механически жесткий контакт с катодом и перекрывающей всю его боковую поверхность и часть разрядного промежутка. На фиг.1 приведена схема разрядной камеры, где 1 - анод из тонкой фольги, 2 - цилиндрический катод, 3 - цилиндрическая кварцевая трубка, 4 - металлический цилиндр, который служит корпусом разрядной камеры и является обратным токопроводом. На цилиндрический катод 2 подается импульсный потенциал. Далее под действием напряжения между катодом и заземленным анодом 1, закрепленным на металлическом цилиндре 4, начинается эмиссия электронов с катода. Часть электронов эмитированных с катода приобретает энергию, достаточную для перехода в режим непрерывного ускорения, и формирует электронный пучок. Кварцевая трубка 3 препятствует уходу электронов на стенки разрядной камеры, а также выравнивает силовые линии электрического поля вдоль оси катод-анод в газоразрядном промежутке, что уменьшает расходимость электронного пучка. Полученный пучок выводится через анод. Оптимальное межэлектродное расстояние L (фиг.1), т.е. такое, при котором наблюдается наибольшая плотность импульсного пучка быстрых электронов, определяется величиной приведенной напряженности электрического поля E/N, где Е - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа. Приведенная напряженность электрического поля должна быть достаточной, чтобы некоторая часть электронов, эмитированных с катода, перешла в режим непрерывного ускорения. Расстояние h (фиг.1) ограничивается неравенством 0<h<A, где А - расстояние, при котором между основанием цилиндрической трубки, находящимся в межэлектродном промежутке, и анодом происходит искровой разряд, что недопустимо, т.к. в этом случае перехода части электронов в режим непрерывного ускорения не наблюдается.

Плотность тока пучка быстрых электронов в проведенных экспериментах определялась по яркости свечения люминофора ZnSCdS:Ag под действием этого пучка. Люминофор был нанесен на подложку из плотной белой бумаги и расположен непосредственно на аноде. Яркость свечения люминофора измерялась с помощью ФЭУ-100, показания которого фиксировались осциллографом Tektronics TDS 360. На катод подавались импульсы амплитудой - 220 кВ длительностью 2 нс и фронтом 0,7 нс с источника импульсного напряжения РАДАН 220. Анод представлял собой алюминиевую фольгу толщиной 20 мкм. Разрядная камера закрепляется непосредственно на источнике импульсного напряжения РАДАН-220.

В частности, были получены зависимости плотности тока импульсного пучка быстрых электронов от комбинации расстояний h и L, а также найдены оптимальные диаметр и материал цилиндрического катода для наибольшей плотности тока импульсного пучка быстрых электронов. Наибольшая плотность импульсного пучка наблюдалась в случае стального (сталь 3) катода (в эксперименте использовалось 4 материала катода: медь, графит, свинец, сталь 3) диаметром 10,5 мм (в эксперименте использовались цилиндрические катоды девяти диаметров: 4,5; 6,5; 8,5; 10,5; 12,5; 14,5; 16,5; 18,5 и 20,5 мм), в конфигурации h=16 мм, L=28 мм. В данном случае оптимальные расстояния L и h определялись экспериментально. Графики зависимостей плотности тока пучка от расстояния L для h=16 мм и диаметра катода d=10,5 мм для четырех использованных материалов приведены на фиг.2. При анализе результатов эксперимента было обнаружено небольшое увеличение оптимального L при увеличении h.

Также была получена зависимость плотности импульсного пучка быстрых электронов от величины межэлектродного расстояния L в конфигурации без кварцевой трубки. Сравнение наилучших результатов, т.е. яркости свечения люминофора в конфигурациях h=20 мм, L=36 мм для графитового катода диаметром 18,5 мм; h=20 мм, L=28 мм для свинцового катода диаметром 14,5 мм; н=16 мм, L=28 мм для медного катода диаметром 12,5 мм; h=12, L=24 мм для стального катода диаметром 8,5 мм с наилучшими результатами в случае без кварцевой трубки для графитового катода диаметром 18,5 мм при L=36 мм, для свинцового катода диаметром 14,5 мм при L=28 мм, для медного катода диаметром 12,5 мм при L=40 мм и для стального катода диаметром 8,5 мм при L=32 мм показало увеличение плотности тока пучка быстрых электронов в 23,53; 3,95; 2,43 и 1,83 раза соответственно.

Устройство для генерации импульсных пучков быстрых электронов в воздушном промежутке атмосферного давления, включающее в себя сплошной цилиндрический катод, на который подается импульсный потенциал и заземленный анод в виде тонкой металлической фольги, сквозь который выводится пучок, отличающееся тем, что вокруг всей боковой поверхности катода, а также перекрывая часть межэлектродного промежутка, расположена цилиндрическая кварцевая трубка, имеющая с катодом жесткий механический контакт, при этом межэлектродное расстояние определяют величиной приведенной напряженности электрического поля Е/р, [В/см·атм], где Е - напряженность электрического поля, р - давление газовой среды, достаточной для перехода части электронов, эмитированных с катода, в режим непрерывного ускорения, а расстояние h от эмитирующей поверхности катода до основания цилиндрической кварцевой трубки, находящегося в межэлектродном промежутке, ограничено неравенством 0<h<A, где А - расстояние, при котором между основанием цилиндрической кварцевой трубки, находящимся в межэлектродном промежутке, и анодом происходит искровой разряд.

Изобретение относится к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц и может быть использовано для ускорения интенсивных пучков легких ионов как в фундаментальных, так и в прикладных задачах.

Способ генерации сильноточных пучков быстрых электронов в газонаполненном ускорительном промежутке // 2317660

Изобретение относится к сильноточной электронике. .

Ионный диод с внешней магнитной изоляцией // 2288553

Изобретение относится к области ускорительной техники. .

Устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса (варианты) // 2278725

Способ беспроволочной передачи электрической энергии и устройство для его осуществления // 2241313

Изобретение относится к беспроволочной передачи электрической энергии в атмосфере (воздухе) на большие расстояния на основе инициирования электрических разрядов с помощью лазерного излучения, в котором для формирования плазменного канала вместо использования длиннофокусных оптических систем формируют относительно короткофокусную оптическую систему совместным многократно повторяющимся силовым воздействием на окружающую атмосферу интенсивным лазерным излучением и передаваемым зарядом электронов, предварительно ускоренных до релятивистских или близких к ним энергий.

Способ разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса и устройство для его осуществления // 2217223

Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов в плазме методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР), а также к устройствам для его реализации. .

Способ ускорения ионов // 2201658

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения многозарядных ионов. .

Способ ускорения ионов // 2193830

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к способам ускорения ионов. .

Способ лазерного ускорения электронов и устройство для его осуществления // 2167504

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, а также к области лазерной физики и может быть использовано для разработки ускорителей заряженных частиц принципиально нового типа.

Способ создания беспроволочного соленоида // 2097867

Изобретение относится к физике и может найти применение не только для научных исследований, но и для решения важных технических задач, связанных с получением протяженных однородных электромагнитных полей.

Устройства для ускорения частиц и способы ускорения частиц // 2447627

Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления // 2449514

Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в физическом эксперименте для решения задач в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза

Способ ускорения макрочастиц // 2456782

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач

Способ изменения направления движения пучка ускоренных заряженных частиц, устройство для осуществления этого способа, источник электромагнитного излучения, линейный и циклический ускорители заряженных частиц, коллайдер и средство для получения магнитного поля, создаваемого током ускоренных заряженных частиц // 2462009

Способ ускорения макрочастиц // 2510603

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. Ускорение макрочастиц в данном способе осуществляют полем бегущего по спиральной структуре электрического импульса. Мощность подводят к спиральному волноводу и отводят от него по коаксиальным кабелям через согласователи волновых сопротивлений. Замедление электромагнитной волны осуществляется как за счет геометрических свойств самой спиральной структуры, так и за счет заполнения средой, имеющей большую диэлектрическую проницаемость ε (вода, титанат бария), области, расположенной между спиралью и экраном. Ускоряемые макрочастицы имеют цилиндрическую форму с диаметром цилиндра dsh=2 mm, длиной конусной части lcone=13 mm и общей длиной l=300 mm. Предварительное ускорение цилиндров до скорости Vin=1 km/s осуществляют газодинамическим методом. Макрочастицы облучают пучком электронов из электронного ускорителя. Синхронно с инжектированной макрочастицей на спиральный волновод подают импульс, которым макрочастицы ускоряют в продольном направлении. Технический результат заключается в увеличении темпа набора энергии макрочастицами и создании условий для проникновения макрочастиц сквозь атмосферу без фатальной потери скорости при горизонтально расположенном ускорителе. 1 ил., 6 табл.

Электромагнитное устройство для метания диэлектрических макротел // 2518162

Изобретение относится к области сильноточной импульсной электротехники. Технический результат - повышение эффективности использования электрической энергии, запасенной в индуктивном накопителе блока электропитания. Электромагнитное устройство для метания диэлектрических макротел содержит блок электропитания, блок пассивной временной нагрузки (БПВН) и N метательно-рекуперативных модулей (МРМ), при этом первый и второй выходные выводы блока электропитания соединены соответственно с первым и вторым входными выводами БПВН, а также с первым и вторым входными выводами каждого МРМ. Первый выходной вывод каждого МРМ соединен с третьим входным выводом БПВН, второй выходной вывод n-го МРМ соединен с третьим входным выводом (n+1)-го МРМ, где n=1, 2, …, (N-1), N≥2, а второй выходной вывод N-го МРМ соединен с третьим входным выводом первого МРМ. Каждый МРМ включает рельсовый электромагнитный ускоритель (РЭУ), дополнительно снабженный рекуперативным индуктивным преобразователем с основной и дополнительной обмотками, а также датчиком положения метаемого тела; два рекуператора, два полупроводниковых ключа, два насыщающихся дросселя, накопительный конденсатор, диод и три ключа. Первый вывод первого насыщающегося дросселя является первым входным выводом МРМ. Второй вывод первого насыщающегося дросселя соединен с первым электродом РЭУ, второй электрод которого соединен с плюсовым выводом первого полупроводникового ключа и плюсовым выводом диода, минусовой вывод которого является вторым входным выводом МРМ и соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, первыми выводами обмоток рекуперативного индуктивного преобразователя и вторыми выводами обоих рекуператоров. Минусовой вывод первого полупроводникового ключа является третьим входным выводом МРМ и соединен с первым выводом накопительного конденсатора и первым выводом первого ключа, второй вывод которого является первым выходным выводом МРМ. Первый вывод основной обмотки соединен с первым выводом второго насыщающегося дросселя и первым выводом второго ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого рекуператора. Второй вывод второго насыщающегося дросселя соединен с минусовым выводом второго полупроводникового ключа, плюсовой вывод которого является вторым выходным выводом МРМ, а второй вывод дополнительной обмотки через третий ключ соединен с первым выводом второго рекуператора. 5 ил.

Способ ускорения макрочастиц // 2523439

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. Ускорение макрочастиц в данном способе осуществляют градиентом поля бегущего по спиральной структуре электрического импульса. Способ ускорения макрочастиц заключается в том, что их предварительно электрически заряжают, предварительно ускоряют газодинамическим способом до скорости, соответствующей скорости инжекции в спиральный волновод, и окончательно ускоряют полем бегущего по виткам спирального волновода импульса напряжения. В качестве макрочастиц используют плоский конденсатор, который ускоряют полем бегущего по виткам импульса напряжения, при этом ускорение плоского конденсатора ведут в диэлектрическом канале, предотвращая его разворот на 180 градусов и его отклонение от оси ускорения. Технический результат - увеличение темпа ускорения. 1 ил., 1 табл.

Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления // 2534507

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в физическом эксперименте. В заявленном способе инициирования ядерной реакции синтеза предусмотрено использование двух мишеней, выбор в качестве материала первой мишени дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне 1 мкм÷10 мкм, генерация при этом ионов дейтерия с тыльной стороны ионизируемого материала первой мишени под воздействием на фронтальную поверхность этой мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с энергией в диапазоне 10 Дж÷500 Дж и с контрастом в диапазоне 108÷1010. При этом обеспечивают ускорение ионов дейтерия по направлению ко второй мишени для воздействия ускоренными ионами дейтерия на ее поверхностный слой. В качестве второй мишени используют титановую мишень, фронтальную поверхность которой предварительно активируют ионами гелия 3He. Вторую мишень располагают в вакууме на расстоянии 10 мм÷50 мм от первой мишени и ускоряют движущиеся к ее поверхности ионы дейтерия до энергии, достаточной для осуществления реакции D+3Не→4He+р+18,3 МэВ с получением α-частиц (4Не) и протонов р. Использование изобретения при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями позволяет снизить специальные требования по радиационной безопасности при разработке устройства для инициирования ядерных реакций синтеза. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ генерации пучков быстрых электронов в газонаполненном промежутке и устройство для его реализации (варианты) // 2581618

Изобретение относится к области сильноточной электроники. Технический результат - повышение плотности и величины тока пучка быстрых электронов. Способ генерации сильноточных плотных пучков быстрых электронов в газонаполненном диоде включает генерацию убегающих электронов в области с пониженной концентрацией газа, создаваемой искрой или излучением лазера, и их последующие ускорение в газе при нормальных условиях импульсным электрическим полем и вывод сформированного электронного пучка сквозь анод ускорительного промежутка. Для уменьшения расходимости, увеличения плотности и величины тока пучка вокруг зоны с пониженной концентрацией молекул газа создается электрический потенциал, препятствующий уходу электронов из этой зоны. Это обеспечивает больший пробег электронов в разреженной зоне с пониженной концентрацией газа, а значит, большее количество электронов захватывается в режиме непрерывного ускорения, они набирают большую энергию, а при выходе из зоны испытывают меньшее рассеяние. Устройство для реализации способа представляет газонаполненный диод, на катод которого подается потенциал от основного высоковольтного генератора, а через заземленный анод выводится электронный пучок. Катод окружен диэлектрической трубкой с высотой h над поверхностью катода, при этом 0<h<A, где A - расстояние между краем трубки и анодом, при котором происходит искровой разряд. У края диэлектрической трубки, обращенного к аноду, установлен дополнительный электрод, который совместно с катодом образуют дополнительный межэлектродный промежуток, к которому подключен дополнительный высоковольтный импульсный генератор для нагрева газа в диэлектрической трубке посредством образования искрового канала в ней. Под действием импульса напряжения от дополнительного высоковольтного генератора между катодом и вспомогательным электродом возникает искра, которая нагревает газ в диэлектрической трубке, давление в ней поднимается, и часть газа покидает пространство диэлектрической трубки. После выравнивания давления внутри диэлектрической трубки и снаружи от нее, восстановления электрической прочности, но не позже времени релаксации температуры, на промежуток катод-анод подается импульс напряжения от основного генератора. Эмитируемые с катода электроны попадают в разреженную зону и набирают между столкновениями энергии больше, чем теряют. Часть электронов оседает на стенках диэлектрической трубки, создавая электрический потенциал, препятствующий их дальнейшему оседанию. Расходимость и уход пучков быстрых электронов из разреженной (горячей) зоны диэлектрической трубки ограничивается отрицательным потенциалом. Поскольку длина диэлектрической трубки регулируется, то пробег электронов в разреженной области может быть больше, количество электронов, захваченных в режим непрерывного ускорения, увеличивается, а расходимость уменьшается. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

Способ фокусировки пучков заряженных частиц // 2633770

Изобретение относится к области и к способу фокусировки пучков заряженных частиц. В заявленном способе формируют систему магнитных полей, поочередно отклоняют ими частицы к оси и от оси системы, осуществляя таким образом жесткую фокусировку частиц, отклонение частиц проводят полями диполей с разной полярностью магнитной индукции, результирующее действие которых приводит к отклонению частиц только в одном из взаимно перпендикулярных направлений. Для отклонения частиц в другом направлении используют повернутую на 90° систему. При этом возможно использование однородных полей диполей. Поля магнитных диполей формируют таким образом, что частицы, движущиеся по оси системы, приобретают в полях разной полярности равные по величине, но разные по знаку момента силы Р=±Fct (Fc - сила, действующая на частицу, t - время движения в диполе). В этом случае суммарный импульс силы, приобретенный частицей, будет равен нулю, Р=0. Для любой отклоненной от оси частицы суммарный момент импульса не равен нулю и всегда отклоняет частицу к оси фокусирующей системы. Техническим результатом является увеличение жесткости фокусировки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.