НАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации мощных пучков заряженных частиц в наносекундной области.

Целью изобретения является повышение импульсной мощности и уменьшение весогабаритных характеристик устройства за счет снижения времени воздействия высокого напряжения на элементы конструкции ускорителя.

На фиг. 1 показана структурная схема ускорителя; на фиг.2- принципиальная электрическая схема; на фиг.3 - эпюры действующих напряжений и токов в схеме. На фиг.1-3 показаны электроды 1-8 полосковых формирующих линий, соединительные кабели-витки 9-12, ферромагнитный сердечник 13, разрядник 14, управляющий электрод 15, датчик 16 нуля тока, импульсный источник 17 питания, обостряющий разрядник 18, катодно-анодный промежуток 19 и 20, изолятор 21, накопительный конденсатор 22, тиристор 23, виток 24. На фиг.3 показаны эпюры: напряжение 25 накопительного конденсатора 22, напряжение 26 четных линий (C₂, С₄, С₆, С₈ - фиг.2), напряжение 27 нечетных линий, импульс 28 датчика нуля тока, ЭДС 29 одного витка сердечника 13, ток 30 намагничивания сердечника, напряжение 31 на обостряющем разряднике (равное напряжению между крайними электродами 1 и 8), ток 32 в катодно-анодном промежутке.

Конструктивно ускоритель содержит полосковые формирующие линии коаксиального исполнения с электродами 1-8, которые через кабели-витки 9-11 подключены к разряднику 14. Центральная четная линия, образованная электродами 4 и 5 (фиг. 1), подключена к разряднику, не образуя витков вокруг сердечника. Внешняя четная линия (электродов 2 и 3) подключена к разряднику 14 кабелем-витком, охватывающим сердечник 13 витком с левосторонней намоткой, а внутренняя четная линия (электроды 6 и 7) подключена к разряднику кабелем-витком, образующим вокруг сердечника 13 виток с правосторонней намоткой. Центральные (потенциальные) жилы кабелей-витков подключены к аноду разрядника, а оплетка кабелей-витков - к катоду разрядника. На принципиальной схеме (фиг.2) показано одиннадцать линий, и центральной четной линией является линия с емкостью С₆. Источник питания (повышающий импульсный источник 17, цепь синхронизации разрядника датчик 16 нуля тока) и разрядник размещены в полости набора полосковых линий, т.е. внутренний электрод 8 является баком для их размещения. Первичная обмотка импульсного источника 17 питания с помощью кабеля-витка 12, образующего витки вокруг ферромагнитного сердечника 13, подключена к первичному накопителю (конденсатор 22, тиристор 23). Внешний электрод 1 и внутренний электрод 8 подключены к нагрузке (катодно-анодный промежуток 19 и 20) через обостряющий разрядник 18. При этом изолятор 21 образует корпус обостряющего разрядника и вакуумную камеру ускорителя. Внутренний электрод 8 с соседним (по потенциалу) электродом 6 соединен витком 24, уложенным вокруг ферромагнитного сердечника.

Работает устройство следующим образом.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 22 заряжен (фиг.2). Энергия в остальных элементах схемы отсутствует. При включении тиристора 23 конденсатор 22 по кабелю разряжается на первичную обмотку импульсного источника 17. ЭДС вторичной обмотки прикладывается к разряднику 14 и через кабели-витки заряжаются четные линии С₂, С₄, С₆, С₈, С₁₀. Нечетные линии С₁, С₃, С₅, С₇, С₉ заряжаются через оплетку одного кабеля-витка и центральную жилу соседнего кабеля-витка. Поскольку кабели-витки имеют разные числа витков и различное направление намотки (на фиг.2 это показано (-3 В), (-2 В) и (-1 В) для левосторонней намотки, О В без витка, 1 В и 2 В для правосторонней намотки) при заряде нечетных линий возникают некомпенсированные ампер-витки, которые размагничивают сердечник 13. Последняя нечетная линия С₁₁ заряжается через оплетку кабеля, имеющего два витка 2 В и виток 24, который соединяет внутренний электрод с ближайшим однопотенциальным. В момент времени t₁, когда ток заряда линий переходит нулевое значение (фиг.3), формируется импульс с датчика 16 нуля тока на запуск разрядника 14. До момента времени t₁ ЭДС четных и нечетных емкостей, кроме последней С₁₁, уравновешивают друг друга.

При пробое разрядника четные линии перезаряжаются через кабели-витки. Нечетные линии могут разряжаться только через соседние кабели-витки, число витков которых отличается на единицу (фиг.2, 1 витки кабелей 9-12 и виток 24, которые образуют ряд, отличающийся на один виток -3 В, -2 В, -1 В, 0 В, 1 В, 2 В и один проводник-виток 24). Ток разряда нечетных линий ограничивается током перемагничивания сердечника 13, величина которого определяется характеристикой петли перемагничивания материала сердечника, его геометрическими размерами.

Четные линии перезаряжаются через кабели-витки и время перезаряда их - интервал времени t₁ - t₂ (фиг.3) определяется величиной индуктивности коаксиальных кабелей, образующих витки, и величиной одной емкости полосковой линии. При этом ферромагнитный сердечник 13 не оказывает на них практически никакого влияния. Если обеспечивается равная индуктивность кабелей-витков с различным числом витков вокруг сердечника 13 (фиг.2), то к моменту времени t₃ (фиг.3) четные емкости С₂, С₄, С₆, С₈, С₁₀ полностью перезарядятся. При этом к обостряющему разряднику в момент времени t₃ будет приложено напряжение, равное сумме напряжений всех емкостей С₁, С₂...С₁₁, т.е. будет равно (2n + 1)U_o, где U_o - напряжение заряда емкостей к моменту времени t₁, а n - любое нечетное число > 1, равное численно числу цепей перезаряда четных емкостей (для фиг.1 n = 3, для фиг.2 n = 5 и т.д.).

Если обостряющий разрядник 18 пробивается в момент времени t₂, то к катодно-анодному промежутку ускорителя подключается коаксиальная одинарная линия с электродами 1 и 8 (фиг.1), между которыми разность потенциалов стремится к величине (2n + 1)U_о и в интервале времени t₃-t₂ = τ формируется импульс тока пучка 32. Если волновое сопротивление линии, образованной крайними обкладками набора полосковых линий, равно импедансу нагрузки катодно-анодному промежутку, а пробой обостряющего разрядника происходит в момент времени t₂, отстоящий от момента времени окончания перезаряда четных линий t₃ на время пробега волны по длине линии, т.е. τ/2 , то в согласованном режиме вся энергия полосковых линий С₁-С₁₁ будет передана в нагрузку, за исключением потерь перезаряда четных линий, перемагничивания сердечника 13. В витках кабелей 9-12 останется только ток 30 перемагничивания ферромагнитного сердечника 13.

Таким образом, при формировании импульса тока пучка непосредственно разряжается отрезок времени коаксиальной линии, минуя цепи перезаряда четных линий, что позволяет обеспечивать максимально возможную скорость передачи энергии, а следовательно, иметь и максимальную импульсную мощность, определяемую параметрами линии, образованной крайними электродами полосковой линии. Наличие кабелей-витков с право- и левосторонней намоткой позволяет уменьшить в два раза длину кабелей-витков и тем самым уменьшить их собственную индуктивность, что приводит к сокращению времени воздействия высокого напряжения на изоляцию устройства (изолятор 21, обостряющий разрядник) интервал времени t₁-t₂, что также позволяет увеличивать импульсную мощность.

В представленной на фиг.1 схеме устройства импульсный источник 17, цепи синхронизации разрядника и сам разрядник расположены внутри набора полосковых линий и имеют потенциал центральной четной полосковой линии, т.е. той линии, которая подключена кабелем, не образующим витков вокруг ферромагнитного сердечника. Относительно первичного источника питания (накопительный конденсатор 22, тиристор 23) этот потенциал при работе уравновешивается на кабеле-витке 12, который имеет на один виток больше, чем число витков кабеля внешней четной линии. Кабель 12 может быть многожильным и содержать не только цепь питания первичной обмотки импульсного источника питания, но и контрольные цепи для управления, контроля и синхронизации работы разрядника 14.

Использование: в ускорительной технике для генерации мощных импульсных пучков наносекундного диапазона. Сущность изобретения: формирующая линия выполнена в виде набора полосковых линий коаксиального исполнения, четные линии которых через кабели, обхватывающие общий ферромагнитный сердечник 13 витками с лево- и правосторонней намоткой относительно центральной четной линии, подключены к общему коммутатору, а импульсный источник 17 питания расположен внутри набора полосковых линий и подключен кабелем, образующим на один виток больше вокруг ферромагнитного сердечника, чем число витков внешней четной линии. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. НАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий катод-анодный промежуток, обостряющий разрядник, набор из нечетного числа полосковых линий коаксиального исполнения, импульсный источник питания, кабели, соединяющие четные линии набора с коммутатором, причем кабели любой четной линии, кроме центральной, выполнены с переменным числом витков вокруг общего ферромагнитного сердечника, отличающийся тем, что кабели четных полосковых линий набора, расположенных на большем и меньшем диаметрах относительно центральной линии, выполнены соответственно с право- и левосторонней намоткой витков вокруг ферромагнитного сердечника, причем число витков равно порядковому номеру линии, считая от центральной, а источник питания подключен к четной линии, расположенной на меньшем диаметре набора, кабелем, имеющим на один виток больше, чем число витков кабеля четной линии, имеющей наибольший диаметр. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя обкладка набора полосковых линий подключена к внутренней обкладке соседней линии кабелем, охватывающим ферромагнитный сердечник одним витком.