УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ Советский патент 1995 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники. Оно может найти применение в источниках γ -излучения, термоядерных исследованиях и в других областях техники, в которых используются электронные пучки.

Известен ускоритель электронов, состоящий из первичного емкостного накопителя энергии, формирующей линии и взрывоэмиссионного диода. В этом устройстве емкостной накопитель энергии представляет собой генератор импульсного напряжения типа Аркадьева-Маркса. Формирующая линия выполнена по типу Блюмляйна с управляемыми разрядниками. Взрывоэмиссионный диод содержит вакуумную камеру, проходной изолятор, металлический или графитовый катод и фольговый анод (фольга из титана толщиной 50 мкм).

Устройство работает следующим образом. После того, как зарядятся емкости в ступенях генератора Аркадьева-Маркса, происходит срабатывание разрядников и на выходе генератора формируется импульс напряжения, который через зарядную индуктивность заряжает двойную формирующую линию (ДФЛ) типа Блюмляйна до некоторого напряжения. Затем с требуемой задержкой относительно импульса запуска разрядников генератора импульсного напряжения типа Аркадьева-Маркса поступает импульс напряжения для запуска разрядников ДФЛ. При срабатывании разрядников на выходе ДФЛ формируется импульс ускоряющего напряжения, который подает ускоряющее напряжение на взрывоэмиссионный диод. На катоде диода формируется катодная плазма, из которой электрическим полем вытягиваются электроны, проходящие через прозрачный для них фольговый анод.

Недостаток этого устройства состоит в низкой эффективности ускорителя при относительно небольших ускоряющих напряжениях амплитудой 150-300 кВ. Это объясняется ограничением формирования взрывной катодной плазмы, вследствие экранировки электрического поля в районе первичного центра взрывной эмиссии, а также -неоднородной структурой поверхности катода.

Наиболее близким техническим решением является ускоритель, который состоит из первичного накопителя емкостного типа в сочетании с резонансным трансформатором Тесла, одиночной формирующей линии, высоковольтного управляемого разрядника и взрывоэмиссионного диода, включающего в себя проходной изолятор, металлический катод, фольговый анод из титана толщиной 50 мкм. После того, как зарядится емкость первичного накопителя энергии, срабатывает разрядник тригатронного типа и конденсаторная батарея разряжается на первичную обмотку трансформатора Тесла. Коэффициент трансформации составляет ≈120. При этом во вторичной обмотке наводится напряжение, до которого заряжается кондуктор. После того, как зарядится кондуктор, управляемый высоковольтный разрядник срабатывает (это обычно происходит на третьей полуволне), и формирующая линия разряжается на взрывоэмиссионный диод, в котором формируется катодная плазма, являющаяся эмиттером электронов.

Недостатком этого устройства является низкая эффективность ускорителя при относительно низких напряжениях на диоде 150-300 кВ, связанная с малым токоотбором электронов из-за ограничения формирования катодной плазмы.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности ускорителя. Указанная цель достигается тем, что в ускорителе электронов, содержащем зарядное устройство, формирующее линию, взрывоэмиссионный диод, включающий в себя катод, укрепленный на высоковольтном проходном изоляторе, и анод, а также разрядник, включенный между формирующей линией и взрывоэмиссионным диодом, электрод разрядника, электрически соединенный с катодом диода, выполнен прозрачным для излучения из области межэлектронного промежутка разрядника, часть проходного высоковольтного изолятора, находящаяся в контакте с этим электродом, выполнена из оптически прозрачного материала, а катод взрывоэмиссионного диода выполнен из материала, проявляющего фотоэффект под воздействием излучения разрядника. В частности, электрод разрядника, находящийся в контакте с катодом, может быть выполнен в виде полого цилиндра с внутренней поверхностью, выполненной отражающей, и с отверстиями в торцовых стенках. Между катодом и анодом взрывоэмиссионного диода может быть помещена микроканальная пластинка, которая увеличивает ток диода при малых напряжениях.

На чертеже схематически показан предлагаемый ускоритель электронов.

Он содержит емкостный накопитель 1 энергии зарядного устройства; коммутатор 2; зарядное устройство 3 (трансформатор Тесла); внутренний электрод 4 формирующей линии (кондуктор); внешний электрод 5 формирующей линии; электроды 6 и 7 высоковольтного разрядника; проходной высоковольтный изолятор 8; катод 9 взрывоэмиссионного диода с фотоэффектом (фотокатод), вакуумная камера 10, анод 11.

В предлагаемом устройстве электрод 7 выполнен полым с высоким коэффициентом отражения внутренней поверхности и имеет отверстия в торцах, при этом один его торец прижимается к проходному высоковольтному изолятору 8, который должен быть оптически прозрачным в месте контакта. На поверхность изолятора 8, обращенную в сторону анода 11, устанавливается фотокатод 9.

Устройство работает следующим образом. При разряде батареи конденсаторов емкостного накопителя 1 энергии на первичную обмотку зарядного устройства 3 во вторичной его обмотке наводится напряжение. Одновременно происходит зарядка формирующей линии, образованной внутренним электродом 4 и внешним электродом 5. Внешний электрод 5 является корпусом ускорителя. При определенной величине напряжения на кондукторе срабатывает высоковольтный разрядник и тем самым ускоряющее напряжение прикладывается к диоду, состоящему из электрода 7 проходного высоковольтного изолятора 8, фотокатода 9, вакуумной камеры 10 и анода 11. Благодаря тому, что сторона электрода 7, обращенного к проходному изолятору 8, имеет некоторый коэффициент прозрачности (имеет отверстия) излучение разряда попадает на фотокатод 9 через оптически прозрачную часть проходного изолятора 8. При этом из фотокатода выбиваются электроны, которые инициируют формирование катодной плазмы. Сам процесс формирования катодной плазмы можно объяснить на основе взрывной эмиссии. Сформированная катодная плазма является эмиттером электронов. Плазма движется в сторону анода и из нее под действием электрического поля происходит токоотбор электронов. Наличие высокой отражающей способности приводит к увеличению фотоэлектронов, что благоприятно сказывается на формировании катодной плазмы. Поместив микроканальную пластинку за катодом, можно увеличить эффективность ускорителя при снижении напряжения ниже порога взрывной эмиссии.

Проведенные эксперименты показали, что в этом случае катодная плазма достаточно эффективно формируется при относительно небольших напряжениях на диоде U ≈150-300 кВ. При этом величина электронного тока лежит в килоамперном диапазоне (I ≈1,5 кА). В тоже время при таких величинах амплитуды ускоряющего напряжения в диодах со взрывоэмиссионными катодами из-за физических особенностей, о которых указано выше, величина электронного тока существенно меньше расчетных и экспериментальных (I≈800 А), т.е. по току данное техническое решение позволяет увеличить токоотбор электронов в 2 раза. Также экспериментально было обнаружено, что время задержки появления импульса тока электронов относительно импульса напряжения составляет 5-6 нс, в то время как у графитовых катодов оно составляет 12 нс. Уменьшение времени задержки тока позволяет также повысить эффективность диода, так как позволяет перенести с катода больший заряд (большее число электронов).

Таким образом, техническое решение имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами, которые заключаются в увеличении токоотбора в ускорителях электронов, работающих при относительно низких напряжениях 150-300 кВ и уменьшении времени задержки импульса тока относительно импульса ускоряющего напряжения. Эти свойства диода позволяют повысить эффективность ускорителя электронов.

1. УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий зарядное устройство, формирующую линию, взрывоэмиссионный диод, включающий в себя катод, укрепленный на высоковольтном проходном изоляторе, и анод, а также разрядник, включенный между формирующей линией и взрывоэмиссионным диодом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ускорителя, электрод разрядника, электрически соединенный с катодом диода, выполнен прозрачным для излучения из области межэлектродного промежутка разрядника, часть проходного высоковольтного изолятора, находящаяся в контакте с этим электродом, выполнена из оптически прозрачного материала, а катод взрывоэмиссионного диода выполнен из материала, проявляющего фотоэффект под воздействием излучения разрядника. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что электрод разрядника, находящийся в контакте с катодом, выполнен в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена отражающей, а в торцовых стенках выполнены отверстия.