Система инжекции бетатрона Советский патент 1984 года по МПК H05H7/00 

1C

со

00

2, Система инжекции по п.1, о т личающаяся тем, что конденсатор выполнен в виде металлической пластины, укрепленной на изоляторе внутри корпуса импульсного трансформатора, соединенного с общей шиной.

Изобретение относится к ускорительной технике. Известна система инжекции бетатро на, включающая генератор высоковольт ных импульсов напряжения отрицательной полярности и инжектор t 1 Генератор импульсов напряжения включает источник заряда накопительной емкости, емкость (или формирующая линия), коммутатор (тиратрон или тиристор) и импульсный трансформатор со стальным сердечником. Инжектор состоит из катода, фокусирующего электрода, соеди ненных между собой электрически, и анода. Сформированный генератором инжекции импульс напряжения колоколо образной формы подается на катод инжектора. Инжектор, являясь неуправляе мым элементом системы инжекции, форми рует импульс тока инжекции, повторяющий в некоторой степени форму импульса напряжения инжекции. Недостатком описанной системы явля ется формирование импульса тока инжек ции длительностью, превышающей длител ность интервала захвата за счет относительно пологих фронтов и большие тепловые нагрузки на электроды инжектора. Известна также система инжекции бетатрона, содержащая источник питания, состоящий из зарядного устройства, накопительного конденсатора и ком мутатора, импульсный трансформатор и инжектор, включающий катод, управляющий электрод и анод, подключенный к общей шине Г 2. Система работает, следующим образом Формируемые генератором импульсы напряжения с пологими фронтами дли-. тельностью 3 отрицательной по- лярности с конца и отвода высоковольт ной обмотки подаются, соответственно на управляющий электрод и катод. Разность потенциалов между ними выбрана таким образом, чтобы инжектор на протяжении всего импульса напряжения был заперт. В требуемый момет времени с генератора управления подается на управляющий электрод импульс напряжения положительной полярности с крутыми фронтами и открывает инжектор. Благодаря крутым фронтам управляющего «шпульса напряжения с амплитудой в раз меньшей амплитуды ттмпульса напряжения ((U.- статистический коэффициент усиления управляемого инжектора) в прототипе формируется импульс тока инжекции с фронтами длительностью с С2 3j что позволяет существенно снизить тепловые нагрузки на электроды инжекторы и увеличить захваченный заряд на 50-75% по сравнению с описанной системой инжекции. К недостаткам схемы с управлением параметрами импульса тока инжекции следует отнести наличие дополнительного генератора формирования управляющих импульсов и понижение амплитуды 100% за импульса напряжения на счет того, что катод управляемого инжектора подключен не к потенциальному концу высоковольтной обмотки, а к ее отводу. Снижение амплитуды приводит к снижению на такую же величину захваченного заряда. Целью изобретения является повышение энергии инжектированных электронов и упрощение схемы формирования фронтов импульса тока. Поставленная цель достигается тем, что в систему инжекции бетатрона, содержащую источник питания, состоящий из зарядного устройства, накопительного конденсатора и коммутатора, импульсный трансформатор и инжектор, включающий катод и управляющий электрод и анод, подключенный к общей шине, введен конденсатор, одной обкладной подключенный к управляющему электроду инжектора, а другой - к об-. щей шине. Один вывод высоковольтной обмотки импульсного трансформатора подключен к катоду инжектора, а другой - к его аноду. Этот конденсатор может быть выпол иен в виде металлической пластины, укрепленной на изоляторе внутри кор пуса импульсного трансформатора, сое диненного с общей шиной. На фиг. 1 приведена система инжек ции; на фиг. 2 - диаграммы напряжений на катоде, управляющем электро де инжектора и тока инжекдии; на фиг. 3 - эквивалентная схема системы инжекции. Генератор 1 импульсов напряжения инжекции состоит из зарядного устройства, накопительной емкости, коммутатора и импульсного трансформатора 2. Управляемый инжектор включает в себя катод 3, анод 4 и управляющий электрод 5. Потенциальный конец высоковольт,ной обмотки импульсного трансформатора 2 подключен к катоду инжектора а заземленный конец - к аноду 4 и к управляющему электроду 5 через конденсатор (емкость 6). Межэлектродные емкости управляющий электрод анод и управляющий электрод-катод обозначены соответственно 7 и 8. Параллельно высоковольтной обмотке импульсного трансформатора 2 включена шунтирующая активная нагрузка 9. На фиг. 2 обозначены диaгpafIмa напряжений на катоде (кривая 10) и на управляющем электроде инжектора (кривая 11). Импульс тока инжекции (кривая 12) соответствует работе инжектора с электрически соединенными катодом и управляющим электродом (как в описанном аналоге), импульс тока (кривые 13, 14) с крутым спадом получен в результате работы описанной схемы с использованием емкости включенной между управляющим электродом и заземленным йонцом высоковольтной обмотки. На эквивалентной схеме (фиг. 3) обозначен вакуумный диод 15, образо ванный катодом 3 (катод диода 15) и управляющим электродом 5 . (анод диода 15) - внутреннее сопротивление 16диода 15. Цепь 15, 16 является цепью заряда емкостей 6 и 7. Диод 17образован управляющим электродом 5 (катод диода 17) и анодом 4 (анод диода 17) с. внутренним сопротивлением 18. Диод 19 образован управляющим электродом 5 (катод диода и катодом 3 (анод диода 19) с внутренним сопротивлеликм 20. Цепи диодов 17 и 19 являются м,епями разряда 6 и 7. Система инжекции работает следующим образом. В исходном состоянии катод 3 нагрет до номинальной температуры. Емкости 7, 8 и 6 разряжены. формировании импульса напряжения на высоковольтной обмотке 2, например, синусоидальной формы (кривая 10 фиг. 2), между катодом 3 и управляющим электродом 5 возникает разность потенциалов (потенциал катода отрицательный). В результате появивщейся разности потенциалов между катодом 3 и управляющим электродом 5 возникает термоэмиссия электронов с катода 3, которые, дости;гая управляющего электрода 5, начинают заряжать емкости 6 и 7 по цепи 15,16. В результате заряда емкостей 6 и 7 отрицательный относительно земли потенциал управляющего электрода начинает автоматически расти, повторяя с некоторой задержкой закон изменения потенциала на катоде. В момент времени t (фиг. 2), когда потенциал катода 3 перейдет максимум и кривые 10 и 11 (фиг. 2) пересекутся, заряд емкостей 6 и 7 прекратится. Начиная с момента t, емкости 6 и 7 начинают разряжаться, например, по закону, представленному на фиг. 2 (кривая 14). Эти емкости разряжаются по цепи 17, 18 управляющий электрод 5 - анод 4 за счет термоэмиссии с нагретого тепловым излучением катода 3 управляющего электрода 5, изготовленного из тантала. Второй цепью разряда емкостей 6 и 7 с момента времени t, когда потенциал катода 3 становится по абсолютной величине меньше потенциала управляющего электрода 5, будет заряд межэлектродной емкости 8. И третья цепь разряда емкостей 6 и 7 и диода 19 с сопротивлением 20 за счет термоэмиссии электронов с управляющего электрода 5 на катод 3. Начиная с момента времени t возникает отрицательное смещение на управляющем электроде 5 относительно катода 3, которое подзапнрает управляемый инжектор. В момент времени t (фиг. 2), когда разность потенциалов между управляющим электродом 5 и катодом 3 станет равной напряжению запирания инжектора, т.е. равной j Hj, инжектор полностью запирается. 5102981 На фиг. 2 видно, что длительность спада импульса тока определяется временньм интервалом и зависит от величины статического коэффициента усиления инжектора и формы импульса 5 напряжения на катоде. Чем быстрее разность потенциалов катода и управляющего электрода достигает напряжения запирания (момент времени t. фиг. 2), тем круче будет спад импуль-О са тока инжекции. Подбирая величину емкости 6 и меряя, таким образом, время разряда емкостей 6 и 7возможно формирование крутого фронта импульса тока инжекции (фиг. 2, кривая 14), длительност которого соответствует интервалу t t,. 34„ Для исключения нестабильности дли тельности спада импульса тока инжекции, которая южет возникнуть при см не ускорительной камеры на другую, величина емкости 6 выбирается из условия: емкость 6 много больше емкости управляющий электрод-анод,приблизительио равной емкости управляющий электрод-катод. Нестабильность момента открытия инжектора (момент времени tj фиг.2) которая может возникнуть в резулътате замены ускорительной камеры на другую 1-ши при изменении мощности накала катода 3j не влияет на эффективность захвата, так как фронт импульса тока инжекции формируется до временного интервала захвата электронов в ускорение. Б качестве базового объекта, с которым сравниваются показатели изоб ретения, принята система инжекции бе татрона типа МИБ-4. Предложенная система инжекции, формирующая импульсы тока с крутыми фронтом и спадом, отличается от базо вой существенным упрощением схемь ин 8 жекции и позволяет автоматически стабилизировать момент начала спада импульса тока инжекции и его длительность, которая определяется, как, было показано вьше, в основном формой импульса напряжения и величиной емкости С. Кроме того,.в предложенной системе для ускорения электронов в инжекторе используется полное напряжение инжекции, снимаемое с потенциального конца высоковольтной обмотки импульсного трансформатора, а в базовом объекте - только его часть, .так как катод в нем подключен не к концу высоковольтной обмотки, а к ее отводу. Такое решение позволяет при прочих равных условиях в предложенной системе инжекции увеличить захваченный заряд в ускорение. Экспериментальные исследования предложенной системы инжекции показали, что подключение управляющего электрода к заземленному концу высоковольтной обмотки через емкость 6 позволяет формировать фронт импульса тока.инжекции длительностью . 5-Ч О с и спад длительностью 2 При этом наблюдалась высокая стабильность моментов отпирания и запирания инжектора. Использование полного напряжения инжекции позволило на 10-15% увеличить по сравнению с базовым объектом захваченный заряд. Таким образом, предлагаемая систеа инжекции позволяет без применения ополнительных .управляющих работой нжектора схем формировать импульс ока инжекции с крутыми фронтами, что беспечивает повьшение эффективности захвата электронов в бетатронное усорение и снижение тепловых нагрузок на анод инжектора при повьппении частоты циклов ускорения бетатрона.