ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H05H5/00 

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

В ускорительной технике широко применяются ускорители прямого действия. В качестве накопителей энергии в них используются формирующие линии, заряжаемые до высокого напряжения. (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М. Сов.радио, 1974, с. 255).

Однако такие ускорители требуют высоковольтных источников питания, и время действия высокого напряжения на изоляцию значительно из-за ограниченной мощности первичных источников питания, что снижает надежность ускорителя.

В сильноточной электронике известны методы умножения и трансформации напряжений, которые используются в ускорителях прямого действия (Кремнев В.В. Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987, с. 57-64). Варианты схем с полосковыми линиями позволяют многократно умножать напряжение первичного источника питания. Эффективным источником, повышающим напряжение на нагрузке, является генератор Фитча (Fitch R.А. Howell V.Т.S. Novel principle of transient nigh voltage generation. Proce IЕЕЕ Еlectronics Power Sciece and General. 1964, vol. III,N 4, р. 849-855), в котором одинарная полосковая формирующая линия свернута в спираль и образует двойную полосковую линию. Разрядник включен на середине длины и коммутирует одно плечо линии. В обоих направлениях от разрядника распространяются волны снятия напряжения, и между внутренним и внешним выводами одной обкладки появляется напряжение, которое на холостом ходу может достичь напряжения, 2nU_o, где n число оборотов; U_o напряжение между обкладками. Генератор формирует на нагрузке линейно нарастающее напряжение в течение времени пробега волны вдоль линии и обратно. Для получения крутого фронта необходимо применение обостряющего разрядника.

Известна модификация генератора, взятая за прототип, в котором для уменьшения длительности формируемого фронта генератор выполнен из нескольких одинарных полосковых линий, свернутых в многозаходную спираль Архимеда, и содержит разрядники, согласующие индуктивности, обостряющий разрядник, катод-анодный промежуток (авт.св. СССР N 1769690, кл. Н 05 Н 5/00, 1990), в котором длительность формируемого фронта сокращена в m раз по сравнению с генератором Фитча, где m число одинарных формирующих линий, а генерируемое напряжение на холостом ходу может достигать значения 2mnU_o.

Основным недостатком спиральных генераторов, в том числе и прототипа, является то, что при формировании фронта импульса возникает круговой ток, который снижает выходное напряжение генератора, так как часть энергии, запасаемая в емкостях полосковых формирующих линий, переходит в энергию магнитного поля, вызванного этим током, а также то, что при отражении волн от концов одинарных линий как на внутреннем, так и на внешнем диаметрах намотки линий также возникает перевод энергии электрического поля полосковых линий в энергию магнитного поля тока, вызванного проникновением волны из перезаряжающейся линии в не коммутируемое плечо.

Целью изобретения является повышение импульсной мощности за счет снижения перекачки энергии электрического поля полосковых линий в энергию магнитного поля, вызванного "паразитными" токами, не участвующими в формировании импульса напряжения.

Цель достигается тем, что как и в прототипе ускоритель содержит катод-анодный промежуток, обостряющий разрядник формирующие полосковые линии, уложенные по многозаходной спирали Архимеда, разрядник, источник питания, но в отличие от известной схемы однопотенциальные обкладки формирующих линий замкнуты и охватывают участки с ферромагнитным наполнением, а общие выводы обкладок через радиальную согласующую линию подключены к катод-анодному промежутку и обостряющему разряднику.

В технике широко применяются полосковые формирующие линии как генераторы, имеющие малое волновое сопротивление (см. например, Фурман Э.Г. Низкоимпедансные формирующие линии линейных индукционных ускорителей. ПТЭ, N 5, 1987, с. 26-31), а также многоканальные искровые разрядники для их коммутации (см. например, Васильев В.В. Фурман Э.Г. Многоканальные искровые разрядники для коммутации низкоимпедансных полосковых формирующих линий. ПТЭ, N 1, 1988, с. 111-116). Указанные элементы используются для повышения напряжения с помощью индукционных систем, но как элементная база может быть использована и используется для спиральных генераторов.

Существенность отличия предлагаемого ускорителя от известных заключается в том, что за счет ферромагнитного наполнения концов полосковых формирующих линий значительно снижаются токи, которые присутствуют в известных конструкциях спиральных генераторов и не требуют применения дополнительных тоководов (индуктивностей для их снижения), что затрудняет согласование генератора и нагрузки, а также в том, что предлагаемая конструкция позволяет обеспечить коаксиально-cим- метричную конструкцию подключения нагрузки, и тем самым исключить потери энергии при передаче ее в нагрузку как за счет уменьшения накопления ее в магнитных полях, так и за счет лучшего согласования импедансов генератора и нагрузки, что и позволяет повышать импульсную мощность ускорителя по сравнению с известными конструкциями спиральных генераторов.

На фиг. 1 показана функциональная схема ускорителя в разрезе; на фиг.2 сечение намотки полосковых формирующих линий; на фиг.3 схематично показано сечение ускорителя и направления действующих токов и магнитных потоков; на фиг. 4 эпюры действующих напряжений и токов в ускорителе, где 1,2,3,4 обкладки полосковых формирующих линий, 5 ферромагнитное наполнение на концах обкладок линий (сердечник) 6 изолятор, 7 разрядники, 8 сердечники, охватывающие выводы к разрядникам, 9 -пусковое устройство разрядников, 10, 11 кабели питания и синхронизации, 12 сердечник, 13 датчик нуля тока, 14 импульсный трансформатор, 15 емкостный накопитель, 16 тиристор, 17 обостряющий разрядник, 18 катод-анодный промежуток, 19 зарядные индуктивности, 20 ток на концах замкнутых обкладок, 21 магнитный поток тока, 21, 22 круговой ток линий, 23 магнитный поток тока 22, 24 эпюра напряжения емкостного накопителя 15, 25 эпюра напряжения заряда обкладок формирующих линий, она же на разряднике 7, 26 эпюра напряжения на обостряющем разряднике 17, 27 импульс, генерируемый в катод-анодном промежутке, 28 потокосцепление сердечников 5, действующее от ЭДС концов линий.

Импульсный ускоритель содержит две одинарные полосковые линии с обкладками 1, 2, 3, 4, которые свернуты по двухзаходной спирали Архимеда. Обкладками 2, 4 на внутреннем и внешнем диаметрах замкнуты и между ними расположены сердечники 5. В принципе, число одинарных линий может быть любое целое число m 1, 2, 3, 4. уложенных по m-заходной спирали, причем на внешнем и внутреннем диаметрах они образуют замкнутые поверхности. С одного конца к ним подключен обостряющий разрядник с катод-анодным промежутком, а изолятор 6 вакуумного объема выполняет функцию диэлектрика радиальной согласующей линии. На середине каждой пары обкладок включены разрядники 7, выводы которых охвачены ферромагнитными сердечниками 8. Пусковые электроды разрядников через пусковое устройство 9 соединены между собой. Аноды разрядников через индуктивности 19, а катоды непосредственно с помощью общего кабеля 10 подключены к импульсному трансформатору 14. Кабель 11, соединяющий пусковое устройство 9 и датчик 13 нуля тока, стоящий в цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора, совместно с кабелем 10 охватывает ферромагнитный сердечник 12. Первичная обмотка импульсного трансформатора подключена к накопительному конденсатору 15 и тиристору 16.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 15 заряжен. Энергия в остальных элементах схемы отсутствует. С включением тиристора 16 через импульсный трансформатор 14 заряжаются емкости одинарных полосковых линий. При этом между точками а, б, фиг.1 и 2, напряжение равно нулю, поскольку напряжения линий уравновешивают друг друга. В момент времени t₁, фиг.4, когда ток во вторичной обмотке переходит нулевое значение, датчиком 13 нуля тока формируется импульс, который запускает пусковое устройство 9 и срабатывают разрядники 7. От места коммутации (середина полосковых линий 1, 2 и 3, 4) распространяется волна снятия напряжения, при этом между точками а, б возникает напряжение, которое c каждым пробегом волны за оборот увеличивается на величину m˙ U_o за время τ /n, фиг.4, где m число одинарных линий; U_o напряжение заряда линий; τ время пробега волны от места коммутации до конца линий; n число оборотов линий. Через время τ волна достигает конца линии и отражается от конца линии, ЭДС линии меняет знак на противоположный и через время 2τ от начала коммутации достигает вновь место коммутации. При этом напряжение между точками а, б может достигнуть значения 2nmU_o. В идеальном случае импульс имеет ступенчатую форму, в реальных случаях имеют линейно нарастающее напряжение. Если обостряющий разрядник настроен на пробой при напряжении, близком к 2nmU_o, то при его пробое в нагрузке, катод-анодный промежуток, формируется импульс амплитудой nmU_o (cогласованный режим), длительностью τ₁, определяемой не длиной обкладок, а их шириной l, фиг.1, которая в принципе может быть значительно меньше длины. Длительность фронта 2τ определяется числом оборотов линии, и для увеличения напряжения нужно увеличивать число линий m, сокращая число оборотов, а следовательно, и длительность фронта.

По достижении волной концов линии в момент времени t₂ к виткам, образованным замкнутыми обкладками линий 4, 2, фиг.2, и имеющих ферромагнитное наполнение 5, прикладывается напряжение ≈2U_o. Сердечники 5 начинают перемагничиваться током 20. Величина этого тока ограничивается на уровне тока перемагничивания материала сердечников, который может быть значительно ≈ в μ раз меньше тока разряда линий, образованных обкладками 1,2 и 3,4. Если сердечник отсутствует, то волна линии 1,2 и 3,4 проникает в линии 1,4 и 2,3 (некоммутируемые линии), ограничиваясь только индуктивностью в соединении. В прототипе для этого введены дополнительные индуктивности, которые затем ограничивают ток в нагрузке при формировании импульса.

При срабатывании разрядников 7, момент времени t₁, сразу же начинает формироваться круговой ток 22, вызванный тем, что ЭДС разряжающихся и перезаряжающихся линий не уравновешиваются, для примера показаны элементарные участки этого тока между точками а,с и b,d. Величина этого тока ограничивается индуктивностью витков, образованных обкладками и включенными между ними емкостями, а в рассматриваемом случае и сердечниками 5, которые замыкают магнитный поток, вызванный этим током, что наглядно показано на фиг.3, направление и путь магнитного потока 23, вызванного током 22. При этом сердечники 5 на внешнем и внутреннем диаметрах намотки линий образуют сердечник с воздушными зазорами по краям намотки. При использовании магни- тодиэлектриков, ферритов, выдерживающих электрическое поле между точками а, б, фиг.3, торцы сердечников могут быть замкнуты дополнительными магнитопроводами.

Магнитные потоки 21, 23, вызываемые токами 20 на замкнутых концах линии и круговым током 22 относительно магнитопроводов сердечников 5, складываются. При этом потокосцепление дросселя, образованного сердечником 5 и витком замкнутых линий 4, 2, равно
Ψ= W˙S˙ΔB≈2U_o(τ-τ₁/2), где S сечение сердечника 5; W число витков 1; Δ B размах индукции. Потокосцепление сердечника относительно ЭДС, вызываемой круговым током 22, распределяется равномерно на все сердечники внутреннего и внешнего диаметров намотки. Круговой ток 22 ограничивается величиной индуктивности витка, определяемого диаметром намотки одинарных полосковых формирующих линий, а в рассматриваемом случае и наличием ферромагнитных сердечников, которые увеличивают индуктивность во много раз, а именно соотношением длины сердечников 5 и величиной воздушного зазора между ними.

Между точками а и б, фиг.1 и 3, в момент срабатывания обостряющего разрядника уложенные по многозаходной спирали линии представляют обычную коаксиальную линию длиной l, заряженную до напряжения, близкого к 2nmU_o. Формирование импульса в катод-анодном промежутке определяется согласованием импедансов коаксиальной линии и нагрузки. С этой целью коаксиальная линия должна переходить в радиальную с таким же волновым сопротивлением, как и коаксиальная. Функцию диэлектрика у радиальной линии выполняет изолятор.

В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим ускоритель на энергию электронов 750 кэВ, ток 100 кА с длительностью формируемого импульса τ₁ 7˙10^-9 c. Тогда волновое сопротивление линии должно быть ≈7,5 Ом. Этому условию удовлетворяет коаксиальная линия с диаметрами внутренней и внешней намотки набора полосковых линий 400 и 500 мм при относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика ε= 4. Ширина электродов
l 0,525 м
Принимаем зарядное напряжение U_o65 кВ, число одинарных полосковых линий m 4, тогда число оборотов каждой линии n 3, так как необходимо выполнение условия m˙n˙U_o 750 кВ. Длина электродов одинарных полосковых линий при среднем диаметре ≈ 450 мм, трех оборотах
l₁ π˙D˙n≈4 м.

Время пробега волны τ от середины линии до конца
τ₂= 13,3·10^-9c отсюда время формирования фронта импульса ≈2 τ= 26,6 нс. Сечение сердечника 5, ограничивающего перетекания энергии из коммутируемой части линии в некоммутируемую, составит
S˙2U_o(τ₂-τ₁/2)/ΔB=
2˙65˙10³(13,3-7/2)10^-9/1˙10^-4= 13 cм².

Если ферромагнитное наполнение выполнить из стали в виде полос стали и диэлектрика, то размах индукций ΔВ можно взять Bm равной максимальной индукции насыщения материала сердечника ≈1,5 Т, при ферритовом наполнении ΔВ ≈0,3-0,4 Т. С учетом того, что по сердечникам дополнительно протекает магнитный поток кругового тока, суммарное сечение сердечников должно быть
S=m˙n˙U_o(2τ-τ₁/2)/ΔB= 750˙10³˙22,8˙10^-9/1˙10^-4=
160 cм², а на один сердечник приходится ≈40 см².

Конструктивно сердечники 5 имеют толщину ≈2 см, ширину ≈20-30 см в зависимости то типа материала и длину, несколько большую ширины электродов l, т. е. 600 мм. Относительно друг друга в пространстве их надо располагать строго радиально относительно оси симметрии ускорителя с целью получения минимального воздушного зазора между ними, который равен ≈50 мм. Согласующая радиальная линия образована корпусом ускорителя и диэлектриком 6, выполняется достаточно просто и представляет собой конус с уклоном 1:2. Расчет остальных сердечников импульсного модулятора аналогичен методике, изложенной в прототипе.

Обостряющий разрядник 17 должен быть многоканальным, для 100 кА и принятой длительности импульса ≈7˙10^-9 с число искровых каналов должно быть ≈12, для быстронарастающего напряжения на обостряющем разряднике не требуется дополнительных устройств деления тока. Для обеспечения согласующего импеданса радиальной линии ≈7 Ом каналы должны быть расположены на диаметре ≈280 мм, давление газа (элегаз) ≈10 атм, расстояние между электродами ≈25-30 мм. Катод должен быть диаметром не менее 120 мм, и дальнейшее повышение плотности возможно только за счет сжатия пучка в магнитном поле.

Как следует из принципа работы, в предложенном ускорителе по сравнению с прототипом за сет использования ферромагнитного наполнения концов замкнутых одинарных полосковых линий снижено отрицательное влияние кругового тока, действующего во всех известных спиральных генераторах, и уменьшено проникновение волны из коммутируемых линий в некоммутируемые. Это позволяет уменьшить "паразитные" тока в ускорителе, исключить дополнительные развязывающие индуктивности в цепи подключения нагрузки и за счет лучшего согласования волнового сопротивления линии и импеданса нагрузки путем использования радиальной линии повысить импульсную мощность ускорителя по сравнению с прототипом и известными конструкциями спиральных генераторов.

Использование: для генерации мощных электронных пучков наносекундного диапазона. Цель изобретения повышение импульсной мощности за счет снижения отрицательного влияния токов, присущих известным схемам спиральных генераторов. Цель достигается за счет использования ферромагнитного наполнения концов замкнутых одинарных полосковых линий, уложенных по многозаходной спирали Архимеда, и подключением нагрузки через радиальную согласующую линию. 4 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий катод, анод, обостряющий разрядник, формирующие полосковые линии, выполненные в виде многозаходной спирали, разрядники, источник питания, отличающийся тем, что, с целью повышения импульсной мощности, концы однопотенциальных обкладок формирующих полосковых линий замкнуты и охватывают участки с ферромагнитным наполнением, введенные на внутреннем и внешнем диаметрах линии, а общие выводы обкладок через дополнительно введенную радиальную согласующую линию соединены с обостряющим разрядником.