ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H05H9/00 H05H11/00 H05H5/08 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Известно устройство - линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания [Вахрушин Ю.Р., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М., Атомиздат, 1978]. Витки намагничивания сердечников имеют отводы, которые расположены по разные стороны от сердечников и объединяются с использованием шин. Индукционная система располагается в отдельном баке. С шинами соединены высоковольтные изоляторы, выходящие за пределы бака, к которым в свою очередь подключены электроды формирующей линии. Формирующая линия представляет собой два коаксиальных электрода, между которыми расположена изолирующая жидкость: трансформаторное масло, деионизованная вода, любой другой жидкий или твердый диэлектрик. Внутренний электрод линии подключен к изолятору, объединяющему шины. Шины связанны с отводами витков намагничивания, расположенных по одну сторону сердечников индукционной системы. Внешний электрод формирующей линии через коммутатор соединен с изолятором вторых шин, подключенных к виткам намагничивания, расположенным по другую сторону сердечников. Формирующая линия размещается снаружи от бака с индукционной системой и имеет достаточно большие габариты, чтобы, с одной стороны, обладать малым внутренним сопротивлением, а с другой стороны, обеспечивать необходимую электрическую прочность изоляции между электродами. Возможна установка нескольких формирующих линий, работающих параллельно. В этом случае становится еще более значительным объем, занимаемый ими.

Описанное устройство работает следующим образом. На внутренний электрод формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй (наружный) электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, установленного в разрыве соединения внешнего электрода с изолятором шин витков намагничивания, одинарная формирующая линия начинает разряжаться, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется как
E(t)=-NU(t)/L, (1)
где N - число сердечников; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (равно половине зарядного напряжения формирующей линии при работе линии на согласованную нагрузку); L - длина индукционной системы.

В качестве коммутатора формирующих линий используются газовые искровые разрядники. Подобным коммутаторам присущи ограничения по частоте срабатывания. Кроме того, при работе разрядников наблюдается эрозия материала электродов, что заставляет уменьшать величину коммутируемой энергии либо снижать количество импульсов между профилактическими работами по очистке изоляторов разрядников. В некоторых конструкциях линейных индукционных ускорителей применяются магнитные коммутаторы формирующих линий, свободные от указанных недостатков. Основной недостаток подобных линейных индукционных ускорителей - большие весогабаритные показатели.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является конструкция ускорителя, описанного в Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов. Физика. Издание ТГУ, 1998, 4, с.111-119]. Основным отличием от рассмотренной выше конструкции линейного индукционного ускорителя является использование полосковых формирующих линий. Подобный линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. Также как и в вышеописанной конструкции, отводы витков намагничивания, расположенные по разные стороны сердечника, объединяются шинами. К шинам, объединяющим отводы витков намагничивания, расположенных по одну сторону сердечников, подключаются потенциальные электроды формирующих линий. К другим шинам подключаются через искровой или магнитный коммутатор земляные электроды. Противоположные концы потенциальных и земляных электродов формирующей линии объединены двумя шинами, которые соединяются с клеммами источника зарядного напряжения формирующих линий. Отличием от рассмотренного выше случая являются применение полосковых формирующих линий и расположение их по спирали Архимеда вокруг сердечников индукционной системы. Такая компоновочная схема ускорителя позволяет значительно сократить его весогабаритные показатели, поскольку в такой конструкции и индукционная система и формирующие линии располагаются в одном баке. Как правило, используется несколько (4-12) полосковых формирующих линий, работающих параллельно.

Подобный линейный индукционный ускоритель работает аналогично рассмотренному выше. К электродам формирующих линий прикладывается импульс напряжения от источника зарядного напряжения. В момент окончания заряда при срабатывании коммутатора происходит разряд формирующей линии на витки намагничивания индукционной системы и формируется вихревое электрическое поле на оси индукционной системы. Однако полосковым формирующим линиям присуще увеличение напряженности электрического поля на краях обкладок относительно среднего значения, которое составляет

где δ - толщина изоляции (расстояние между электродами), Δ - радиус скругления электрода в области края. Для наиболее часто используемых при изготовлении формирующих линий параметров δ~1,5-2 мм, Δ~0,1-0,2 мм увеличение краевой напряженности электрического поля достигает 3-3,5 раз. Несмотря на предпринимаемые меры для снижения краевой напряженности нанесением специальных покрытий не удается решить указанную проблему. Как правило, пробой изоляции наблюдается именно на краях обкладок полосковых формирующих линий. Это накладывает существенные ограничения на величину зарядного напряжения формирующей линии на уровне U₁=50 кВ для указанной величины δ. Тем самым уменьшается величина разрядного напряжения на витки намагничивания индукционной системы и снижается темп ускорения линейного индукционного ускорителя. Для 10 сердечников выходное напряжение секции составит U₁•N/2=250 кВ, а импульсная мощность при работе на нагрузку R=50 Ом -
(U₁•N/2)²/R=1,25•10⁹ Вт. (2)
Данное устройство выбираем в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение темпа ускорения линейного индукционного ускорителя при сохранении весогабаритных показателей. Техническим результатом применения предлагаемого ускорителя является увеличение импульсной мощности, выделяемой на нагрузке линейного индукционного ускорителя. Для решения данной задачи предлагается линейный индукционный ускоритель, содержащий, как и прототип, ферромагнитную индукционную систему из N сердечников с витками намагничивания. Витки намагничивания имеют по М отводов с каждой стороны сердечников. Для заряда формирующей линии имеется источник зарядного напряжения, а также коммутатор для осуществления разряда линий на витки намагничивания индукционной системы. Отличием от известного технического решения является выполнение одинарной формирующей линии в виде набора коаксиальных кабелей, имеющих изолированные внутренний и внешний электроды. Кабели имеют длину

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции коаксиальных кабелей, с - скорость света, τ - требуемая длительность импульса напряжения на нагрузке. Общее число кабелей составляет
M = N²•ρ_каб/R, (4)
где R - импеданс нагрузки, ρ_каб - волновое сопротивление одного кабеля. Кабели располагаются по спирали Архимеда (как и электроды формирующей линии в приборе-прототипе) вокруг индукционной системы и соединены окончаниями внутренних электродов с отводами витков намагничивания, находящимися по одну сторону сердечников. Внешние электроды соединены посредством коммутатора с отводами витков намагничивания, находящимися по другую сторону сердечников. К противоположным окончаниям объединенных внутренних и объединенных внешних электродов коаксиальных кабелей подключены клеммы источника зарядного напряжения формирующих линий.

Схема устройства изображена на чертеже, где 1 - ферромагнитные сердечники индукционной системы, 2 - коаксиальные кабели, 3 - коммутатор, 4 - источник зарядного напряжения, 5 и 6 - шины, соединяющие отводы витков намагничивания индукционной системы, 7 - шины, соединяющие внешние электроды коаксиальных кабелей с коммутатором, 8, 9 - шины, соединяющие внутренние и внешние электроды коаксиальных кабелей с источником зарядного напряжения, 10 - виток намагничивания сердечника индукционной системы.

Устройство содержит ферромагнитную индукционную систему из последовательно установленных ферромагнитных сердечников 1. Ферромагнитный сердечник охвачен витком намагничивания 10. К шинам 5 отводов витков намагничивания 10 подключены внутренние электроды коаксиальных кабелей 2, а шины 6 соединяют отводы витков намагничивания, располагающиеся по другую сторону сердечников, с коммутатором 3. Внешние электроды коаксиальных кабелей 2 объединены шинами 7 и соединены с коммутатором 3. При использовании магнитного коммутатора шины 6 и 7 присоединяются к отводам витка намагничивания магнитного коммутатора, находящимся по разные стороны его сердечника. При использовании искрового газового разрядника шины 6 и 7 присоединяются к разным электродам разрядника - аноду и катоду. С противоположной стороны от индукционной системы внутренние и внешние электроды коаксиальных кабелей посредством шин 8 и 9 соединяются с источником зарядного напряжения 4.

Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешнего источника (на чертеже не показан) производится размагничивание сердечников 1 индукционной системы. От источника зарядного напряжения 4 осуществляется параллельный заряд коаксиальных кабелей 2 с использованием шин 8 и 9, объединяющих внутренние и внешние электроды коаксиальных кабелей с клеммами источника 4. По окончании процесса заряда включается коммутатор 3, замыкающий электрическую цепь: внутренние электроды коаксиальных кабелей - шины 5 - витки намагничивания сердечников индукционной системы - шины 6 - коммутатор 3 - шины 7 - внешние электроды коаксиальных кабелей. Происходит процесс разряда кабелей на витки намагничивания индукционной системы. Длительность разрядного процесса составляет удвоенное время пробега электромагнитной волны по кабелю 2 и равно

Число параллельно установленных коаксиальных кабелей 2 равно М, определяется необходимой величиной импеданса нагрузки R и находится из выражения
M = N²•ρ_каб/R.
В свою очередь волновое сопротивление ρ_каб зависит от диаметров внешнего D_внешн и внутреннего D_внутр электродов и величины ε:
.

Протекающий по виткам намагничивания 10 сердечников 1 ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется согласно выражению (1).

Для осуществления разряда коаксиальных кабелей в качестве коммутаторов могут быть использованы газовые искровые разрядники или магнитные коммутаторы.

Примером конкретного выполнения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя, спроектированный в НИИ ядерной физики, со следующими конструктивными параметрами. Индукционная система ускорителя содержит N= 10 ферромагнитных сердечников из пермаллоя 50 НП размерами: внешний и внутренний диаметры 360 мм и 150 мм, толщина 25 мм. Общая длина индукционной системы составляет L=400 мм. Одновитковый магнитный коммутатор, как и сердечники индукционной системы, выполнен из кольца с внешним и внутренним диаметрами 360 мм и 150 мм, шириной 25 мм, намотанного из пермаллоевой ленты 50 НП. Каждый сердечник индукционной системы и сердечник магнитного коммутатора отделены от витков намагничивания изолирующими дисками. Витки намагничивания соседних сердечников в свою очередь отделены друг от друга изолирующими дисками. Витки намагничивания выполнены из медной фольги толщиной 0,25 мм и имеют по 10 отводов с каждой стороны сердечника. Отводы объединены шинами. Шины отводов, располагающихся по одну сторону сердечников, соединяются с центральными электродами коаксиальных кабелей. Другие шины через виток намагничивания магнитного коммутатора соединяются с внешними электродами кабелей.

Коаксиальные кабели общим количеством М=100 штук могут быть изготовлены из радиочастотных кабелей РК-50-25-15 - РК-50-25-17 (D_внешн=24 мм, D_внутр= 6,7-7 мм), РК-50-33-15 - РК-50-33-17 (D_внешн=33 мм, D_внутр=9,3-9,59 мм), РК-50-44-15 - РК-50-44-17 (D_внешн=44 мм, D_внутр=12,2-12,7 мм) [Белоруссов Н. И., Гроднев И.И. Радиочастотные кабели, М., Энергия, 1973, с. 105]. На с. 84 указаны максимально допустимые напряженности электрического поля для используемой в изготовлении данных кабелей изоляции, составляющие для пульсирующего тока величину 12,5 кВ/мм. Таким образом, диапазон рабочих напряжений кабелей типа РК-50-25 достигает 106,5 кВ, кабелей типа РК-50-33 - 146,25 кВ, кабелей типа РК-50-44 - 195,6 кВ.

Внутренние электроды всех 100 кабелей распаиваются непосредственно на 100 отводов витков намагничивания или на 10 шин, их соединяющих. Отводы витков намагничивания (100 штук), расположенные с противоположной стороны сердечников и смещенные по азимуту на 18 градусов, соединяются 10 шинами и подключаются к 10 отводам витка намагничивания сердечника магнитного коммутатора. С противоположной стороны сердечника коммутатора к 10 отводам его витка намагничивания подключается 10 шин, объединяющих внешние электроды коаксиальных кабелей. При использовании искрового коммутатора шины подключаются не к отводам витка намагничивания, а к катоду и аноду разрядника, располагающегося на торце линейного индукционного ускорителя. Кабели укладываются вокруг сердечников индукционной системы по спирали Архимеда. С противоположной стороны от индукционной системы внутренние электроды объединяются 10 шинами, которые замыкаются на общее кольцо. Аналогично и внешние электроды объединяются 10 шинами, замыкающимися на второе кольцо большего диаметра. К кольцам подключаются клеммы источника зарядного напряжения. Длина коаксиальных кабелей определяется необходимой длительностью импульса вихревого электрического поля, допустим τ=50 нс, что составит l=5 м для коаксиальных кабелей с изоляцией из полистирола (ε=2,3). Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 650 мм.

Коаксиальные кабели заряжаются до U₂=100 кВ от внешнего источника питания. Разрядное напряжение кабелей U₂/2=50 кВ и выходное напряжение линейного индукционного ускорителя U₂•N/2=500 кВ. При работе на согласованную нагрузку R= 50 Ом импульсная мощность ускорителя составит (U₂•N/2)²/R=5-10⁹ Вт. Объем, занимаемый кабелями с учетом коэффициента заполнения 0,9, составит
V=M•l•π•D²/4=0,064 м³
(D= 50 мм - наружный диаметр изоляции кабеля). Весь набор кабелей вместе с индукционной системой поместится в бак диаметром 650 мм, т.е. в тот же бак, который используется для линейного индукционного ускорителя, изготавливаемого с использованием полосковых формирующих линий.

Таким образом, использование в линейном индукционном ускорителе формирующей линии в виде набора коаксиальных кабелей, уложенных по спирали Архимеда вокруг сердечников индукционной системы, при сохранении габаритов ускорителя позволяет в 2 раза увеличить темп ускорения и в 4 раза импульсную мощность. Однако возможно использование специально изготовленных кабелей с изоляцией, обладающей высокими значениями ε. В этом случае значительно сокращаются длина кабелей и их число в соответствии с формулами (3) и (5), что позволяет существенно уменьшить весогабаритные показатели линейного индукционного ускорителя.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации сильноточных электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит ферромагнитную индукционную систему в виде набора N ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. Витки намагничивания имеют по М отводов, расположенных с каждой стороны сердечников. Формирование импульса высокого напряжения осуществляется при разряде формирующей линии, выполненной в виде набора коаксиальных кабелей, через витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы. Для заряда коаксиальных кабелей имеется источник зарядного напряжения, а также коммутатор для осуществления разряда линий. Кабели имеют длину где ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции коаксиальных кабелей, с - скорость света; τ - требуемая длительность импульса напряжения на нагрузке. Общее число кабелей составляет M = N²•ρ_каб/R, где R - импеданс нагрузки; ρ_каб - волновое сопротивление одного кабеля. Кабели располагаются по спирали Архимеда вокруг индукционной системы и соединены окончаниями внутренних электродов с отводами витков намагничивания, находящимися по одну сторону сердечников. Внешние электроды соединены посредством коммутатора с отводами витков намагничивания, находящимися по другую сторону сердечников. К противоположным окончаниям объединенных внутренних и объединенных внешних электродов коаксиальных кабелей подключен источник зарядного напряжения формирующих линий. Технический результат - увеличение импульсной мощности, выделяемой на нагрузке линейного индукционного ускорителя. 1 ил.

Линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему из N сердечников с витками намагничивания, имеющих по М отводов с каждой стороны сердечников, формирующую линию, расположенную по спирали Архимеда вокруг индукционной системы, источник зарядного напряжения и коммутатор формирующей линии, отличающийся тем, что формирующая линия выполнена в виде набора коаксиальных кабелей с волновыми сопротивлениями ρ_каб с внешним и внутренним изолированными электродами длиной общим числом M = N²•ρ_каб/R, соединенных окончаниями внутренних электродов с отводами витков намагничивания, находящимися по одну сторону сердечников, и соединенных через коммутатор окончаниями внешних электродов с отводами витков намагничивания, находящимися по другую сторону сердечников, к противоположным окончаниям объединенных внутренних и объединенных внешних электродов коаксиальных кабелей подключен источник зарядного напряжения формирующих линий, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции коаксиальных кабелей, с - скорость света, τ - длительность импульса, R - импеданс нагрузки.