ВАКУУМНЫЙ ДИОД С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к сильноточным ускорителям прямого действия и может быть использовано при генерировании мощных импульсных электронных пучков ленточной формы, используемых в радиационной технологии, стерилизации, для накачки газовых и полупроводниковых лазеров, и т.п.

Известны вакуумные диоды для генерирования ленточных сильноточных пучков большой площади, у которых катод T-образно расположен на катододержателе, консольно закрепленном на вакуумном проходном изоляторе. Анодом таких диодов обычно служит фольговое окно для вывода электронного пучка за пределы вакуумной камеры, в которой размещаются все элементы диода (см. например, книгу С. П. Бугаева, Ю.Е. Крейнделя и П.М. Щанина "Электронные пучки большого сечения". 1984, Энергоатомиздат, Москва, стр. 101, рис. 4.25).

Характерной особенностью вакуумных диодов с ленточными пучками большой площади является относительно большая величина емкости анод-катод C_ак. Из-за конечного значения выходного сопротивления импульсного источника питания Z постоянная времени зарядки этой емкости τ=ZC_ак удлиняет фронт импульса напряжения на диоде. Это не оказывает заметного влияния на работу мощных источником питания с относительно большой длительностью импульса, но является серьезным препятствием при использовании малогабаритных импульсных источников, длительность импульса которых составляет несколько наносекунд. В этом случае уже небольшое удлинение фронта может оказываться соизмеримым с длительностью импульса. Это снижает напряжение на диоде, вызывает уменьшение тока и энергии электронов в пучке и резкий рост потерь а фольговом окне.

Целью настоящего изобретения является получение наносекундных однородных ленточных пучков большой площади с помощью малогабаритных сильноточных ускорителей.

Указанная цель достигается тем, что в вакуумном диоде, содержащем катододержатель с ленточным катодом, анод в виде фольгового окна для выпуска электронов и высоковольтный проходной изолятор, размещенные в вакуумплотном корпусе, электрически соединенном с анодом, катододержатель и корпус образуют линию с волновым сопротивлением, равным выходному сопротивлению импульсного источника питания, ленточный катод расположен вдоль катододержателя таким образом, что расстояние анод-катод увеличивается по мере удаления от изолятора, а длина катода удовлетворяет соотношению, t_ф ≅ 2L/c ≅ t, где t_ф длительность фронта импульса; L длина катода; c -скорость света в вакууме; t длительность импульса.

Как вариант конструкции, в вакуумном диоде с бегущей волной, содержащем катододержатель с ленточным катодом, анод в виде фольгового окна для выпуска электронов и высоковольтный проходной изолятор, размещенные в вакуумплотном корпусе, электрически соединенном с анодом, катододержатель и корпус образуют линию с волновым сопротивлением, равным выходному сопротивлению импульсного источника питания, ленточный катод расположен вдоль катододержателя таким образом, что расстояние анод-катод уменьшается по мере удаления от изолятора, а на противоположном от изолятора конце диода установлен резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению линии, образованной катододержателем и корпусом, при этом длина катода удовлетворяет соотношению, t_ф ≅ L/c, где: t_ф длина фронта импульса; L длина катода; c скорость света в вакууме.

На фиг. 1 и фиг. 3 представлены конструкции ленточных вакуумных диодов с бегущей волной, а на фиг. 2 (а г) и фиг. 4 эпюры напряжения на катоде.

Вакуумные диод с бегущей волной (фиг. 1) состоит из вакуумплотного металлического корпуса 1, закрытого крышкой 2. На другой стороне установлен проходной вакуумный изолятор 3, на котором консольно закреплен катододержатель 4 с ленточным катодом 5. Анодом диода служит фольговое окно 6, имеющее электрический контакт с корпусом 1. Волновое сопротивление линии, образованной катододержателем 4 и корпусом 1, равном выходному сопротивлению импульсного источника питания. Предусмотрена возможность перемещение катода относительно катододержателя для регулировки расстояния анод-катод, и его перекоса, необходимого для достижения равномерности электронного тока по длине диода.

В варианте конструкции, изображенном на фиг. 3, на свободном конце диода вместо крышки установлена активная согласованная нагрузка, представляющая собой мощный малоиндуктивный резистор 7, помещенный для изоляции и охлаждения в трансформаторное масло, для чего вся конструкция размещена в герметичном металлическом корпуса 8 с проходным высоковольтным изолятором 9.

Вакуумный диод с бегущей волной работает следующим образом. Поскольку устройство, представленное на рис. 1, представляет собой отрезок длинной линии, то сигнал, отраженный от разомкнутого конца линии, возвращается на вход диода через время, соответствующее двойному пробегу волны по длине диода, т.е. через t 2L/c. При длительности фронта t_ф ≅ 2L/c, волна, распространяясь вдоль диода, последовательно включает в работу элементы ленточного катода 5. Ускоряемый электронный пучок служит распределенной нагрузкой линии, поэтому амплитуда напряжения уменьшается по мере прохождения волны (фиг. 2, а). На конце катододержателя волна меняет направление, при этом падающая волна складывается с отраженной, удваивая напряжение на этом конце (фиг. 2, б). Поскольку напряжение на любом участке катода катоде есть сумма подающей и отраженной волн, то однородность пучка достигается, если расстояние анод-катод увеличивается по мере приближения к разомкнутому концу диода. В случае, если длительность импульса составляет t 2L/c, то фронт и срез импульса встречаются на входе диода (фиг. 2,в), после чего по диоду распространяется волна снятия напряжения, при этом неиспользованная энергий возвращается в источник питания (фиг. 2,г).

Таким образом, основным параметром, определяющим волновой режим работы диода, является величина двойного времени пробега волны 2L/c. Через это время процессы в диоде становятся установившимися и, если фронт импульса t_ф < 2L/c, то режим работы не будет волновым, поскольку вся емкость диода заряжается одновременно, как и у прототипа. Очевидно, что T-образная установка катода на катододержателе также способна работать в волновом режиме, однако для этого потребуется вдвое меньшая длительность фронта импульса питающего напряжения. Если длительность импульса t < 2L/c, то на входном конце диода будет существовать промежуток времени, в котором падающая и отраженна волны не совпадают, что приводит к "раздвоению" импульса тока на этом конце диода. Это явление и выбрано в данной конструкции в качестве ограничения по минимальной длительности импульса напряжения.

Возвращающаяся в источник питания отраженная волна вызывает дополнительный нагрев источника и нагружает его высоковольтную изоляцию. Отраженную волну, а вместе с ней и ограничение на длительность импульса, можно устранить, установив на свободном конце диода активную согласованную нагрузку (фиг. 3, а). Естественно, что в этом случае не будет удвоения напряжения на конце диода, поэтому для обеспечения однородности пучка расстояние анод-катод делается уменьшающимся по мере удаления от изолятора к согласованной нагрузке. Длительность импульса в этом случае не ограничивается, остается только ограничение на длительность фронта t_ф ≅ L/c. Расстояние анод-катод устанавливается таким, что основная часть энергии поглощается электронным пучком за один проход волны (фиг. 4), а оставшаяся энергия превращается согласованной нагрузкой в тепло.

Таким образом, первая конструкция позволяет получить ускоряющее напряжение на диоде выше, чем амплитуда напряжения источника питания. Вторая конструкция не обладает этим свойством, но, в свою очередь, не дает отражений в источник, утилизируя неиспользованную часть энергии в виде тепла в согласованной нагрузке, легко доступной для внешнего охлаждения. Согласование волнового сопротивления диода с импульсным источником наиболее важно на участке между источником и катодом. Поскольку ленточный электронный пучок является распределенной нагрузкой, то отражение от рассогласования диода с пучком незначительно. Минимальная амплитуда отражения в импульсный источник определяется порогом прозрачности фольгового окна.

Оба варианта вакуумного диода с бегущей волной были испытаны с использованием малогабаритного импульсного источника питания на основании двойной формирующей линии и встроенным в нее резонансным трансформатором. Параметры источника: выходное напряжение до 200 кВ, длительность импульса - 4 нс, фронт <1 нс, выходное сопротивление 45 Ом, частота следования импульсов до 100 Гц, вес 28 кг. Были испытаны диоды с размерами пучка за фольгой 6 х 60 мм², 6 x 110 мм² и 5 х 500 мм², двойное время пробега 2 L/c которых составляло соответственно 0,4; 0,8 и 3,5 нс. В диодах использовались ленточные многоострийные металлокерамические катоды, работающие на основе эмиссии из контактов металл-диэлектрик в сильном электрическом поле. Поджиг катода осуществлялся фронтом импульса напряжения источника питания. В качестве согласованной нагрузки во втором варианте был использован мощный резистор ТВО-5 Вт-51 Ом.

Испытания показали, что при соответствующей настройке величины и неравномерности зазора анод-катод у обоих конструкций за фольговым окном регистрируется однородный электронный пучок. Под однородностью в данном случае подразумевалась равномерность поглощенной дозы, измеряемой пленочным дозиметром. Диоды можно настраивать и по другим параметрам, например, по требуемому распределению максимальной энергии электронов в пучке. Равномерность пучка позволяет резко увеличить срок службы фольги. В частности, алюминий-бериллиевая фольга толщиной 60 мкм выдержала более 3 • 10⁶ импульсов при работе с плотностью электронного тока 200 А/см² и частотой следования импульсов до 100 Гц. После испытания на внешней стороне фольги появились следы коррозии, вызванные агрессивными продуктами радиолиза воздуха, на вакуумной стороне фольги никаких следов разрушения не было обнаружено. Диод при этом откачивался механическим вакуумным насосом, рабочее давление составляло (0,5 ^oC 1)10^-2 Тор. Это не только значительно упрощало работу с диодом, но и делало ненужными устройства, предохраняющие вакуумную систему от аварии при прорыве фольги, поскольку такие насосы не требуют защиты.

Изоляция использованного нами источника питания выдерживала отраженные импульсы, поэтому в основном использовалась первая конструкция диода (без согласованной нагрузки), поскольку в этом случае более высокое напряжение на диоде обеспечивало повышенную прозрачность фольги. Как и ожидалось, установка согласованной нагрузки резко нарушала распределение тока, и для получения однородного пучка за фольгой потребовалось изменить направление перекоса катода и уменьшение зазора анод-катод. Полная энергия пучка во втором случае была примерно на 30% меньшей из-за снижения напряжения на диоде.

Использование: сильноточные ускорители прямого действия, при генерировании мощных импульсных электронных пучков ленточной формы, используемых в радиационной технологии, стерилизации, для накачки газовых и полупроводниковых лазеров, и т.п. Сущность изобретения: в вакуумном диоде, содержащем катододержатель с ленточным катодом, анод в виде фольгового окна для выпуска электронов и высоковольтный проходной изолятор, размещенные в вакуумплотном корпусе, электрически соединенном с анодом, катододержатель и корпус образуют линию с волновыми сопротивлением, равным выходному сопротивлению импульсного источника питания. Ленточный катод расположен вдоль катододержателя таким образом, что расстояние анод-катод увеличивается по мере удаления от изолятора. Длина катода удовлетворяет соотношение t_ф ≅ 2L/c ≅ t, где t_ф - длительность фронта импульса; L - длина катода; c - скорость света в вакууме; t - длительность импульса. Как вариант конструкции ленточный катод может быть расположен вдоль катододержателя таким образом, что расстояние анод-катод уменьшается по мере удаления от изолятора, а на противоположном от изолятора конце диода между катододержателем и корпусом подключен резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению линии. В этом случае длина катода удовлетворяет соотношению t_ф ≅ L/c, где t_ф - длительность фронта импульса; L - длина катода; c -скорость света в вакууме. Изобретение позволяет получить наносекундные однородные ленточные пучки большой площади с помощью малогабаритных сильноточных ускорителей. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вакуумный диод с бегущей волной, содержащий консольно установленный на проходном изоляторе катододержатель с ленточным катодом и анод в виде фольгового окна для выпуска электронов, размещенные в вакуумплотном корпусе, электрически соединенном с анодом, отличающийся тем, что волновое сопротивление линии, образованной катододержателем и корпусом, равно выходному сопротивлению импульсного источника питания, ленточный катод расположен вдоль катододержателя так, что расстояние анод катод увеличивается по мере удаления от изолятора, при этом длина L катода удовлетворяет соотношению
t_ф≅2L/c≅t,
где t_ф длительность фронта импульса;
c скорость света в вакууме;
t длительность импульса. 2. Вакуумный диод с бегущей волной, содержащий консольно установленный на проходном изоляторе катододержатель с ленточным катодом и анод в виде фольгового окна для выпуска электронов, размещенные в вакуумплотном корпусе, электрически соединенном с анодом, отличающийся тем, что волновое сопротивление линии, образованной катододержателем и корпусом, равно выходному сопротивлению импульсного источника питания, ленточный катод расположен вдоль катододержателя так, что расстояние анод катод уменьшается по мере удаления от изолятора, а на конце диода, противоположном изолятору, между катододержателем и корпусом установлен резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению линии, при этом длина L катода удовлетворяет соотношению
t_ф≅L/c,
где t_ф длительность фронта импульса;
L длина катода;
c скорость света в вакууме.