Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков



Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков
Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков

 


Владельцы патента RU 2544845:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к ускорительной технике наносекундного диапазона и предназначено для генерации мощных электронных пучков, используемых в СВЧ приборах, радиационных технологиях и научных исследованиях. Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков содержит размещенные в одном цилиндрическом корпусе (1) и соединенные последовательно двойную формирующую линию (2) с коаксиальными электродами (7, 8), основной искровой разрядник (3) и обостряющий искровой разрядник (4), вакуумный диод (5) и импульсный зарядный генератор (6) с ферромагнитным сердечником (14) и высоковольтным электродом (19), который соединен с дисковым электродом (9) основного искрового разрядника (3) и коаксиальным электродом (7) двойной формирующей линии (2). При этом объемы, занимаемые зарядным генератором (6) и двойной формирующей линией (2), разделены корпусом основного разрядника (3). Емкостный накопитель зарядного генератора (6) выполнен из параллельно соединенных и соосно расположенных цилиндрических конденсаторов (12). Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из четырех секторных обмоток (18), радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника (14). Технический результат - повышение надежности и ресурса ускорителя. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике наносекундного диапазона и предназначено для генерации мощных электронных пучков, используемых в СВЧ приборах, радиационных технологиях и научных исследованиях.

Использование электронных пучков в указанных областях накладывает следующие требования к устройствам их генерирующих: амплитуда напряжения на нагрузках - (450÷600) кВ, ток электронного пучка - (20÷40) кА при длительности ускоряющего напряжения ~100 нс и частоте повторения от единиц до десятков Гц. Кроме того, необходимо обеспечить высокий к.п.д., ресурс устройства и надежность его работы.

Традиционно основой сильноточных наносекундных ускорителей электронных пучков являются емкостные накопители энергии в виде формирующих линий: одинарных или двойных. Наиболее часто применяют коаксиальные двойные формирующие линии. использующие в качестве изоляции деионизованную воду.

В качестве зарядных устройств двойных формирующих линий используют генераторы импульсных напряжений Аркадьева-Маркса, индуктивные накопители энергии и трансформаторные схемы. Эти устройства должны обеспечивать длительности зарядных напряжений не более 1 мкс, при которых отсутствует саморазряд водяного диэлектрика формирующих линий.

Известны сильноточные наносекундные ускорители электронных пучков [Смирнов В.П. «Получение сильноточных пучков электронов» / ПТЭ, 1977, №2, с.2-31], содержащие коаксиальные двойные формирующие линии, искровые разрядники, вакуумный диод, импульсный зарядный генератор. Импульсный зарядный генератор выполнен по схеме Аркадьева-Маркса с применением большого количества конденсаторов, зарядных резисторов и искровых разрядников. Кроме того, использование такого зарядного генератора для зарядки двойной формирующей линии требует зарядной индуктивности. Наличие большого количества искровых разрядников не позволяет работать с частотой более 1 Гц, а габариты зарядного генератора с зарядной индуктивностью часто соизмеримы с габаритами двойной формирующей линии, а все устройство обладает громоздкостью, малым ресурсом и надежностью в работе.

Известен также сильноточный наносекундный ускоритель [Жерлицын А.Г., Канаев Г.Г., Мельников Г.В. «Сильноточный наносекундный генератор с индуктивной зарядкой двойной формирующей линии» / Изв. Вузов. Физика. 2010. - №10/2. - С.73-76], содержащий коаксиальную двойную формирующую линию, искровые разрядники, вакуумный диод, импульсный зарядный генератор. Зарядный генератор выполнен на основе индуктивного накопителя энергии, запитка которого происходит от собственного генератора импульсного напряжения Аркадьева-Маркса. Индуктивный накопитель выполнен в виде спиральной катушки. Необходимым элементом такого накопителя является электровзрывной прерыватель тока (параллельно соединенные проводники определенного сечения и длины), обрыв которого приводит к возникновению импульса напряжения, который через разделительный искровой разрядник прикладывается к двойной формирующей линии, осуществляя ее зарядку. Такой импульсный зарядный генератор хотя и обладает компактностью, ресурсом и надежностью, может работать только в однократном режиме и тем исключает работу в частотном режиме всего устройства.

В качестве прототипа выбран импульсный ускоритель электронов с встроенным в формирующую линию фольговым трансформатором [Ельчаников А.С., Месяц Г.А. «Трансформаторные схемы питания мощных наносекундных импульсных генераторов» в кн. «Физика и техника мощных импульсных систем». Энергоатомиздат, 1987. С.179-188], содержащий коаксиальную формирующую линию, искровой разрядник, вакуумный диод. Зарядка линии осуществляется фольговым трансформатором (автотрансформатором), фольговые обмотки которого встроены в линию. Первичный виток фольгового трансформатора соединен с конденсатором, образуя колебательный контур, который индуктивно связан с колебательным контуром, образованный индуктивностью вторичной обмотки фольгового трансформатора и емкостью формирующей линии. При разряде конденсатора на первичный виток возникают свободные колебания, которые передаются во вторичный контур. В максимуме напряжения на емкости формирующей линии срабатывает искровой разрядник и на выходе формирующей линии формируется импульс высокого напряжения, который прикладывается к вакуумному диоду, генерируя в нем электронный пучок.

Недостатком такого ускорителя является то, что размещение фольгового трансформатора в объем двойной формирующей линии вносит в нее неоднородность, которая приводит к искажению формы формируемого импульса на нагрузке. Кроме того, изоляция обмоток фольгового трансформатора должна быть одинаковой с изоляцией (диэлектриком) формирующей линии. Размещение такого трансформатора непосредственно в среде деионизованной воды приведет к загрязнению последней и ухудшению ее свойств как диэлектрика. Все это, наряду со сложной технологией изготовления фольгового трансформатора и его размещения в объеме формирующей линии, приводит к уменьшению к.п.д., снижению надежности и ресурса работы всего устройства.

Технический результат изобретения заключайся в повышении надежности и ресурса ускорителя.

Технический результат предложенного решения достигается тем, что в сильноточном наносекундном ускорителе электронных пучков, содержащем, как и прототип, размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно двойную формирующую линию с коаксиальными электродами, основной с дисковым электродом и обостряющий искровые разрядники, вакуумный диод и импульсный зарядный генератор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом, в отличие от прототипа, высоковольтный электрод соединен с дисковым электродом основного искрового разрядника и коаксиальным электродом двойной формирующей линии, при этом объемы, занимаемые зарядным генератором и двойной формирующей линией, разделены корпусом основного разрядника.

Целесообразно, чтобы емкостный накопитель импульсного зарядного генератора был выполнен из параллельно соединенных и соосно расположенных цилиндрических конденсаторов.

Целесообразно также, чтобы вторичная обмотка импульсного трансформатора была выполнена из четырех секторных обмоток, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника.

Сущность изобретения поясняется таблицей, в которой представлены основные технические параметры примера конкретного выполнения заявляемого устройства, и фиг.1, где приведено осевое сечение сильноточного наносекундного ускорителя электронных пучков.

Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков содержит в одном цилиндрическом корпусе 1 двойную формирующую линию 2, основной 3 и обостряющий 4 искровые разрядники, вакуумный диод 5 и импульсный зарядный генератор 6. Двойная формирующая линия 2 образована коаксиальными электродами 7, 8 и корпусом 1. Диэлектриком линии 2 является деионизованная вода. Электрод 7 соединен с дисковым электродом 9 основного разрядника 3, а электрод 8 соединен через обостряющий разрядник 4 с катодом 10 вакуумного диода 5 и через индуктивность 11 с корпусом 1.

Импульсный зарядный генератор 6 содержит емкостный накопитель, собранный из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов 12, соединенных одним выводом с коммутатором 13, а другими - с импульсным трансформатором с ферромагнитным сердечником 14.

Импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником 14 имеет первичный виток, образованный корпусом 1, диском 15 с отверстиями, цилиндром 16 и пластиной 17, к которой присоединены конденсаторы 12. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из четырех секторных обмоток 18, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника 14. Секторные обмотки 18 намотаны по спирали медной лентой и включены по схеме автотрансформатора по отношению к первичному витку. Индуктивное напряжение на секторных обмотках 18 прикладывается к высоковольтному электроду 19, электрически соединенному с дисковым электродом 9 основного разрядника 3 и через последнего - с коаксиальным электродом 7 двойной формирующей линии 2, при этом объемы генератора 6 и формирующей линии 2 разделены корпусом основного разрядника.

Работа ускорителя заключается в следующем. При подаче напряжения U0 отрицательной полярности происходит зарядка конденсаторов 12 емкостного накопителя импульсного зарядного генератора 6 через первичный виток импульсного трансформатора с ферромагнитным сердечником 14, при этом зарядным током осуществляется размагничивание ферромагнитного сердечника 14. По окончании зарядки конденсаторов 12 подается импульс запуска коммутатора 13 и конденсаторы 12 разряжаются на первичный виток импульсного трансформатора. В результате на секторных обмотках 18 индуцируется положительный импульс зарядного напряжения, который прикладывается к высоковольтному электроду 19, электрически соединенному с дисковым электродом 9 основного разрядника 3 и коаксиальным электродом 7 двойной формирующей линии 2. Происходит зарядка диэлектрика формирующей линии (деионизованная вода) между коаксиальным электродом 7 и корпусом 1 и, через индуктивность 11, между коаксиальными электродами 7 и 8. При этом разрядник 4 обеспечивает отсечку предымпульса напряжения, возникающего на индуктивности 11 при зарядке формирующей линии. В момент максимума зарядного напряжения на дисковом электроде 9 пробивается основной разрядник 3 и происходит формирование импульса напряжения на индуктивности 11, который, с последующим обострением разрядником 4, прикладывается к вакуумному диоду 5, генерируя в последнем электронный пучок.

Основные технические параметры примера конкретного выполнения заявляемого устройства сведены в таблицу.

Таким образом, соединение высоковольтного электрода 19 импульсного зарядного генератора 6 с дисковым электродом 9 основного искрового разрядника и коаксиальным электродом 7 двойной формирующей линии 2 и разделение объемов, занимаемых генератором 6 и линией 2, корпусом основного разрядника, что исключает загрязнение диэлектрика формирующей линии 2 диэлектриком импульсного генератора 6, позволяет исключить искажение формы формируемого импульса и увеличить надежность и ресурс устройства. Также использование конденсаторов 12 и выполнение обмотки импульсного трансформатора в виде четырех секторных обмоток 18 и размещение всех элементов ускорителя в одном цилиндрическом корпусе 1 позволит увеличить надежность и ресурс всего устройства.

1. Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков, содержащий размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно двойную формирующую линию с коаксиальными электродами, основной с дисковым электродом и обостряющий искровые разрядники, вакуумный диод и импульсный зарядный генератор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом, отличающийся тем, что высоковольтный электрод соединен с дисковым электродом основного искрового разрядника и коаксиальным электродом двойной формирующей линии, при этом объемы, занимаемые зарядным генератором и двойной формирующей линией, разделены корпусом основного разрядника.

2. Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков по п.1, отличающийся тем, что емкостной накопитель импульсного зарядного генератора выполнен из параллельно соединенных и соосно расположенных цилиндрических конденсаторов.

3. Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков по п.1, отличающийся тем, что вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из четырех секторных обмоток, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей с получением разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения. В заявленном блоке излучателя нейтронов нейтронная трубка (8) с металлическим корпусом (9) герметично закреплена на торце корпуса блока схемы питания, имеет с ним тепловой и электрический контакты с возможностью смены нейтронной трубки.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, камеру высокого давления, блок формирования девиации частоты, высокочастотный конвертор, повышающий импульсный трансформатор и мишень.

Изобретение относится к способам регистрации аномальной дисперсии неоднородного протяженного плазменного столба и может быть использовано в спектроскопии в неоднородных газовых и плазменных средах, в лазерной спектроскопии и в спектральном анализе газообразных веществ.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в качестве инжектора пылевых частиц для последующей ускорительной системы. Инжектор заряженных пылевых частиц, содержащий корпус, зарядный электрод, зарядную камеру, внешний составной электрод зарядной камеры, иглу (или набор игл), бункерную камеру.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Каскадный импульсный ускоритель твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, цилиндрические электроды, резисторы делителя, колонны разделительных сопротивлений, высоковольтные конденсаторы, неуправляемые разрядники, управляемые разрядники, систему управления, датчик тока, источник высокого напряжения, шину данных, мишень, согласующее устройство, электронно-вычислительную машину.

Заявленное изобретение относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии дейтронов с тритиевыми мишенями.
Изобретение относится к высоковольтной ускорительной технике и, в частности, к ленточным транспортерам зарядов электростатических ускорителей. В качестве многослойной тканевой основы транспортировочной ленты используют полиэфирно-хлопковую ткань, слои которой соединяют между собой клеем с высокой адгезией, а плакировочные слои ткани выполняют из резиновой смеси на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающего мел и каолин.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. .

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.

Изобретение относится к приборам для ускорения ионов в электростатических полях, конкретно к технике генерации нейтронов при ядерном взаимодействии дейтронов с тритиевыми мишенями.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в качестве инжектора пылевых частиц в стенде для проведения испытаний по воздействию разнонаправленных потоков ускоренных частиц на материалы и элементов конструкции космических аппаратов. Инжектор заряженных пылевых частиц содержит корпус, зарядную камеру, внешний составной электрод зарядной камеры, бункерный электрод, бункерную камеру и пьезоизлучатель. Зарядный электрод имеет эллиптическую форму, на нем установлены два набора углеродистых нитей, направленных в горизонтальном и в вертикальном направлениях, внешний составной электрод содержит два выходных отверстия, направленных в горизонтальной и вертикальной плоскости, в выходных отверстиях инжектора установлены металлические сетки. Технический результат - увеличение выхода заряженных пылевых частиц и обеспечение двух направлений движения потока заряженных пылевых частиц - вертикального и горизонтального. 2 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Резонансный ускоритель пылевых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, мишень. Соосно инжектору установлены сквозной изолятор, экранирующий электрод, автогенератор и резонансный трансформатор, состоящий из диэлектрической трубы, первичной и вторичной обмотки и конического каркаса первичной обмотки. Технический результат - повышение скоростей и расширение диапазона ускоряемых частиц, повышение надежности и упрощение конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для создания пучков заряженных частиц наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему 1 в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания 2, которые объединены в два общих вывода, центральный электрод 3, расположенный по оси индукционной системы 1, один конец электрода 3 заземлен на корпус ускорителя, а второй связан с защитным экраном 5, одинарную формирующую линию 6, заземленный и потенциальный электроды которой соединены с выходом магнитного импульсного генератора 7, состоящего из последовательных контуров сжатия, каждый из которых образован конденсатором и дросселем насыщения, один из общих выводов витков намагничивания индукционной системы 1 подсоединен к потенциальному электроду формирующей линии 6, а между вторым общим выводом витков намагничивания индукционной системы 1 и заземленным электродом одинарной формирующей линии 6 включена обмотка магнитного коммутатора 8, между защитным экраном 5 и выходным фланцем 9 ускорителя расположен цилиндрический вакуумный изолятор 10, на изоляторе 10 размещена однослойная обмотка размагничивания 11, подсоединенная одним выводом к клемме 12 импульсного источника размагничивания. На изоляторе 10 размещена дополнительная обмотка 13, индуктивно связанная с обмоткой размагничивания 11, один вывод дополнительной обмотки 13 соединен с защитным экраном 5, другой подсоединен к обмотке размагничивания 11 и точка соединения обмоток 11, 13 подключена электрическим проводником 14 к центральному электроду 3, на котором у защитного экрана 5 размещены ферромагнитные сердечники 15 дополнительного дросселя насыщения. Контур, образованный дополнительной обмоткой 13, проводником 14, частью центрального электрода 16 и защитным экраном 5, охватывает сечение сердечников 15 дополнительного дросселя насыщения и является его короткозамкнутой обмоткой. Технический результат - повышение эффективности ускорителя за счет уменьшении длительности фронта импульса тока пучка ускорителя. 1 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Устройство для исследования физических явлений при высокоскоростном ударе состоит из ускорительного тракта, содержащего инжектор, индукционные датчики, линейный ускоритель, мишень, согласно изобретению в ускорительный тракт введены соосно расположенные квадруполь, установленный за индукционными датчиками, и блок разряда частиц, сетки заземления, расположенные на входе и выходе блока разряда частиц после линейного ускорителя, приемник ионов, установленный перед мишенью, дополнительно введен второй ускорительный тракт, расположенный под углом от 1° до 10° к первому ускорительному тракту, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, линейного ускорителя, мишени, квадруполя, блока разряда частиц, сетки заземления, приемника ионов, а также дополнительно в устройство введен измерительный блок, соединенный с блоком датчиков, приемниками ионов обоих усилительных трактов и блоком сбора информации, а также веден блок управляющих сигналов, соединенный с индукционными датчиками, квадруполями, линейными ускорителями, блоками разряда частиц обоих усилительных трактов и блоком сбора информации. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет возможности исследовать физические эффекты при встречном столкновении высокоскоростных частиц. 1 ил.
Наверх