Ускоритель заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H05H5/02 

1 Изобретение относится к ускори тельной технике и может быть испол зовано для генерации импульсных электронных пучков большой интенсивности, энергии и длительности. Известно устройство для импульс ного питания электронной пушки Л , содержащее двойную формирующую линию с накоплением энергии в ее конденсаторах, между обеими половинами которой последовательно с ними подключен ускорительный диод (нагрузка), причем вход линии шунтирован разрядником. Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая импульсная мощность в нагрузке Это обусловлено тем, что энергия, накопленная в конденсаторах линии, вьщеляется в нагрузке за сравнительно большое время, равное времени двойного пробега волны по каждой половине линии. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ускоритель заряженных частиц, содер жащий двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковык линий между которыми подключен ускорител ный диод, источник постоянного тока подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником 2J . Недостатком известного устройств является сравнительно невысокая надежность, связанная с низкой надежностью конденсаторов двойной формирующей линии (ДФЛ). Это вызвано тем что в процессе формирования высоковольтного импульса ускоряющего напряжения конденсаторы перезаряжаютс от напряжения зарядки до удвоенного напряжения противоположной полярнос ти, что резко снижает их ресурс. Целью изобретения является повышение надежности устройства. Поставленная цель достигается те что в ускоритель заряженных частиц, содержащий двойную формирующую лини состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускоритель ный диод,источник постоянного тока подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником, дополнительно введены две одинаковые цепи. 22 состоящие из включенных последовательно датчика тока, источника постоянного тока и коммутатора, шунтированного последовательно включенными разрядником и электрически взрьшаемым проводником. Цепи подключены между высоковольтным вводом и выводом каждой из линий, ускорительньй диод включен между высоковольтным выводом первой линии и высоковольтным вводом второй линии и шунтирован третьим электрически взрываемым проводником, а дополнительные источники постоянного тока включены встречно один относительно другого . На фиг.1 приведена функциональная схема устройства,. на фиг.2 - форма импульсов на ускорительном диоде. Устройство содержит двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий 1 и 2, между которыми последовательно с ними подключен ускорительный диод 3. К входу линии 1 подключен управляемый разрядник 4, параллельно которому включены соединенные последовательно высоковольтный источник 5 постоянного напряжения, коммутатор 6 и зарядный элемент 7. Параллельно индукторам первой линии 1 подключены соединенные последовательно датчик 8 тока, источник постоянного тока 9 и контактный выключатель 10, шунтированньш соединенными последовательно разрядником 11 и электрически взрываемым проводником (ЭВП) 12. Ускорительньй диод 3 шунтирован ЭВП 13. Параллельно индукторам второй линии 2 подключены источник постоянного тока 14, контактный выключатель 15 и датчик 16 тока. Выключатель 15 шунтирован соединенными последовательно разрядником 17 и ЭВП 18. К выходу второй линии 2 подсоединен датчик 19 напряжения.К коммутатору 6 подсоединен выход блока 20 управления, к управляемому разряднику 4 - выход блока 21 управления , к выключателю 10 - импульсный быстродействующий привод, совмещенный с блоком 22 управления, к выключателю 15 - импульсный быстродействующий привод, совмещенньй с блоком 23 управления. Входы блоков 20,22 и 23 управления соединены с соответствующими выходами таймера 24, вход которого соединен с выхо3дом компаратора 25, входы которого соединены с датчиками 8,16 тока и с датчиком 19 напряжения. Вход блока

21управления соединен с выходом датчика 8 тока.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии разрядники 4,11 и 17 находятся в непроводящем состоянии, коммутатор 6 и выключатели 10 и 15 разомкнуты. Запасов энергии в элементах ДФЛ нет. По сигналам с таймера 24 срабатывают блоки 20,

22и 23 управления, которые замыкают соответственно коммутатор 6 и выключатели 10 и 15. При этом от высоковольтного источника 5 постоянного напряжения через коммутатор 6

и зарядный элемент 7 начинается зарядка конденсаторов линии 1 и через ЭВП 13 - конденсаторов линии 2 (в полярности, указанной на схеме). Одновременно с этим от источника постоянного тока 9 через замкнутый выключатель 10 и датчик 8 тока происходит зарядка током индукторов линии 1, а от источника 14 постоянного тока через замкнутьш выключатель 15 и датчик 16 тока и зарядка током индукторов линии 2 (направления протекания токов в индукторах линий показаны стрелками). При достижении током в индукторах заданного значения J(j , а напряжения на конденсато рах (jp (выбранных таким образом, чтобы выполнялось соотношение где р - волновое сопротивление линии) , соответствующие сигналы с датчиков 8,16 тока и датчика 19 напряжения поступают на компаратор 25. При достижении равенства токов в индукторах линий 1 и 2 и выполнении указанного соотношения между током и напряжением на линиях срабатьшает компаратор 25 и выдает сигнал на таймер 24, с выходов которого управляющие импульсы запускают блоки управления 20, 22 и 23. В этот момент отключается коммутатор 6 (он находится в обесточенном состоянии, поскольку к этому моменту зарядка конденсаторов линий была окончена), и разводятся контакты выключателей 10 и 15. Напряжение, возникающее на дуге отключения, образующейся между контактами выключателя 10, достаточно для пробоя разрядника 11, в результате чего осуществляется перевод

235224 .

тока из ветви с выключателем 10 в ветвь с разрядником 11 .и ЭВП 12. В результате шунтирования выключателя 10 низкоомной цепью из разрядника 5 11 и ЭВП 12 дуга в выключателе 10 гаснет, и ток индукторов линии 1 замыкается через датчик тока 8 источник 9, разрядник 11 и ЭВП 12. Аналогично осуществляется перевод тока

из выключателя 15 в ветвь с разрядником 17 и ЭВП 18. Под действием токов, протекающих через ЭВП 12 и ЭВП 18, последние взрываются и отключают индукторы линии 1 от ис5 точника 9 тока, а индукторы линии 2 от источника 14 тока.

Сигнал с датчика 8 тока, свидетельствующий о прекращении тока в цепи с источником 9 тока, подается

20 на вход блока 21 управления, который, в свою очередь, поджигает управляемый разрядник 4. Момент времени, соответствующий отключению ЭВП-12 и ЭВП 18 и поджигу разрядника 4, обоз25 начим как , При рассмотрении процессов, происходящих в линиях, воспользуемся для удобства методом суперпозиции. Рассмотрим вначале процессы, происходящие в линиях и

30 на нагрузке под действием только энергии, запасенной в конденсаторах линий (без учета энергии в индуктивностях). В момент времени ig вход первой линии 1 (точка 26) замыкается

35 разрядником 4. Образующаяся при этом падающая волна uU, -Uo проходит от точки 26 к точке 27 по линии 1, разряжая ее конденсаторы. Энергия, запасенная ранее в этих конденсато40 рах, обращается в магнитную энергию индуктивностей линии. К моменту прихода падающей волны к выходу линии 1 (точке 27), т.е. в момент времени 4; (времени задержки лиД5 нии), ЭВП 13 электрически взрьшается под действием разницы потенциалов в точках 27 и 28 линий, и падающая волна л и, встречает на своем пути несогласованное сопротивление, сос50 тоящее из сопротивления ускорительного диода 3, сопротивление которого равно двойному значению волнового сопротивления р линии (т.е. Rtj 2р), и включенного последовательно

55 с ним входного сопротивления л линии 2, Таким образом, суммарное сопротивление, которое встречает в момент эчд. падающая волна 4U в точке 27, равно Зо, т.е. в три раза больше выходного сопротивления р л нии 1. Из-за такого рассогласования падающая волна частично отражается образуя первую отраженную волну напряжения линии 1 амплитудой (j 3 Т 0. Остальная часть падающей волны проходит через сопротивление ускорительного диода и образует пер вую падающую волну линии 2 амплитудой ди, „ -- Одновременно с этим А 4 линия 2, предварительно заряженная до напряжения U со стороны входа (точка 28) оказывается нагруженной на последовательно соединенные уско рительный диод 3 и выходное сопротивление р линии 1. При этом с выхода на вход линии 1 (от точки 27 к точке 26) начинает распространяться падающая волна амплитудой u(J зд + - и со входа на выход линии 2 (от точки 27 к точке 29) - отраженная волна амплитудой дизотр - В результате, начиная с момента времени Мад. конденсаторы линии 1 начнут заряжаться с выхода к входу (от точки 27 к точке 26) на пряжением U.u,g,p+дu,„g, а конденсаторы линии 2 начнут раз2па, ряжаться напряжением - Y этом величина напряжения которая остается на конденсаторах л II ° г нии 2, составит U гв ° мента времени г эпд на ускорительном диоде 3 образуется падение напряжения и,,,„-и,(А1 и„. После достижения суммарной волной (- ) в линии 1 точки 26 в момент времени 2 1,дд она отразится от короткозамкнутого конца с обратным знаком и начнет .распространяться к выходу линии 2 (от точки 26 к точке 27), снимая заряд с конденсаторов линии 1. Отражения в линиях от точки 27 и точки 28 в момент 2t,aA не происходит, поскольку обе линии, начиная с момента -I ,дд оказываются подключенными в точках 27 и 28 последовательно на согласованную нагрузку. Аналогично в линии 2 суммарная волна (- ) распространяющаяся с момента зад от точки 28 к точке 29, к моменту 2tзад достигает разомкнутого конца линии 2 и, отразившись с тем же знаком, начнет распространяться по линии 2 от точки 29 к точке 27, снимая заряд с конденсаторов линии. К моменту времени 31 ,дд обе волны одновременно достигнут ускорительного диода (точек 27 и 28), и процессы в линиях прекратятся. Эпюра напряжения, выделившегося на ускорительном диоде под действием только энергии запасенной в конденсаторах линий, показана на фиг.2,а. Рассмотрим теперь процессы, происходящие в линиях и ускорительном диоде под действием только энергии, запасенной в индуктивностях линий (без учета энергии, запасенной в конденсаторах). В момент io как уже указывалось, замыкается разрядник 4 и электрически взрываются ЭВП 12 и 18. При этом в точке 27 под действием тока J,,. накопленного в индуктивностях линии 1, возникает перепад напряжения ((j 2 2 поскольку линия 1 оказывается нагруженной на входное сопротивление О линии 2 (ускорительный диод закорочен ЭВП 13). Этот перепад начинает распространяться по обеим линиям: в линии 1 от точки 27 к точке 26, а в линии 2 от точки 27 к точке 29. Под действием тока у запасенного в индуктивностях линии 2, в точках 27 и 28 возникает перепад напряжения bu|| распространяющийся к I концам линий 26 и 28, а в точке 29 на разомкнутом конце линии 2 возникает перепад напряжения bOj, Jop Uo распространяющийся от точки 29 к точке 27. Через время, равное одному пробегу волны по линии , уконл.енс&го ы линии 1 оказываются заряженными суммарной падающей волной до напряжения -Т- , а КОН м под 2 2 7 денсаторы линии 2 оказываются разряженными до нуля, так как напряже ние на них равно ьUno,,u,o,д+ьUiд ----2. и вся энергия линии 2 запасена к этому моменту в индук тивностях линии 2, причем ток 3 направлен при этом от точки 29 к точке 27. В момент Ь зад , как уже указьшалось, электрически взрывает ся ЭВП 13, и ускорительньй диод 3 оказывается включенным последовательно с линиями 1 и 2. В этот момент падающая волна - Ug в линии 1 отражается от короткозамкнутого конца в точке 26 и начинает распро страняться по линии 1 от точки 26 точке 27 с амплитудой 4 U разряжая конденсаторы линии 1, а от точ ки 27 к точке 28 распространяется 1 Ол отраженная волна &U4oTp -r7 обра зованная при разряде конденсаторов линии 1, заряженных до напряжения на изменившуюся при размыкании ЭВП 13 нагрузку. При этом образуется падающая волна лЦ .- на входе А 4 ЛИНИИ 2, которая распространяется от точки 28 к точке 29. Одновремен но с этим ток 0 запасенный в индуктивностях линии 2, образует так же три волны: -падающую в линии 1 величиной . ||1 UD iи,„gj + ., распространяющуюся от точки 27 к точке 28; -отраженную от линии 2 величи«ой 4U,p + - Uo распространяю щуюся от точки 28 к точке 29 - падающую в линии 2 от разомкнутого конца линии от точки 29 к точке 28 величиной Mj,j г-3 . В результате в линии 1 с момента зад, от точки 26 к точке 27 будет распространяться волна + а от точки 27 к точке 26 - суммарная во , „ш По Uo Uo на, равная ,,-,-t - -. С учетом того, что к моменту iэлл напряжение на конденсаторах линии быпо равно - (Jg результирующее напряжение на линии 1 установится к моменту 2 i 5|д Равным у t-E-u.-. линии 2 с момента a, от точки 28 . . 7 к точке 29 будет распространяться суммарная волна напряжения вели1 ,,П .Q ,1 .Uo чиной ьи;п„ « готр7+А о Т а от точки 29 к точке 28 - волна iU --U .Результирующее напряжение на линии 2 установится к момен -и... ту времени 2i ,дд равным Таким образом, напряжение на нагруэке в интервале времени i-joA 2t ,а,д ae..VU.,( момент времени t 2i, оно стано-и .и вится равным и S .и 77 Л Л О гъ С момента времени -эад Сбе линии 1 и 2 оказываются включенными в точках 27 и 28 последовательно на согласованную нагрузку. Поэтому отражения от концов 27 и 28 в момент 2 i а в линиях не возникают, а на ускорительном диоде выделяется напряжение Отраженные волны распространяются по линии лишь от точек 26 и 29. Отраженная волна в линии 1 распространяется от короткозамкнутого конца линии 26 к точке 27 с обратным знаком, снимая заряд с конденсаторов линии 1. Отраженная волна в линии 2 распространяется от точки 29 с тем же знаком, снимая также остаток заряда с конденсаторов линии 2. К моменту t,. обе отраженных волны достигают ускорительного диода и процессы в линиях заканчиваются. Эпюра напряжения, выделившегося на ускорительном диоде под действием только энергии, запасенной в индуктивностях линий, показана на фиг.2,б. Эпюра суммарного напряжения на ускорительном диоде от действия энергии, накопленной в конденсаторах и в индуктивностях линий, показана на фиг.2,в. Таким образом, в интервале времени дд - происходит суммирование напряжений на ускорительном диоде от действия обоих факторов, а в интервале 2i5a. вычитание. Поэтому результирующее напряжение, выделившееся на ускорительном диоде, равно удвоенному значению напряжения зарядки линии, т.е. иуд 2и(,. Длительность импульса на ускорительном диоде в предлагаемом ускорителе оказьшается равной i 55,j , поэтому импульсная мощи;

4t

тз ипттГ чг Т1Л(Г r iTTiuriV

в на.грузке равна

уА.

JL°

Нетрудно убедиться.

- 2р р

что вся запасенная энергия в линиях

Wj вьщеляется

в ускорительном диоде за время импульса t,-1зо1д т .е. s -,f н энерги в ускории I

и

тельном диоде, равная

zSi,

ч.

и3

ьа ) а Г энергия, накапливаемая Б линиях, равная W; -i-Wc

/|Моь|(-1

C(j

f) Учитывая, чтоЗор и

2 t

Со р -J--; получаем W,-

Эа&

1 п

и.

ч

W,,

Нетрудно убедиться, что в процессе формирования импульса конденсаторы линии 1 перезаряжаются от напряжения зарядки Ug до того же напряжения обратного знака {-Uo, в то время, как в прототипе - от напряжения iJQ ДО двойного напряжения обратного знака (-2 (У) . Конденсаторы линии 2 разряжаются от напряжения зарядки UQ до нуля, в то время как в прототипе они заряжаютс от значения напряжения зарядки (-U(j) до двойного напряжения (-2 ио)- Следовательно, напряженност электрического поля в диэлектрике конденсаторов формирующих линий в процессе формирования высоковольтного импульса в прототипе вдвое превышает этот параметр для конденсаторов предлагаемого ускорителя это более чем на порядок снижает ресурс работы конденсаторов в прототипе по сравнению с предлагаемым ускорителем. Снижение рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике конденсаторов прототипа

до того же значения, что и в предлагаемом ускорителе, повлекло бы за собой удвоение линейных размеров конденсаторов и связанное с этим возрастание объема,занимав-i мого конденсаторами, в 2-3 раза и соответствующее увеличение веса и стойкости. Снижает также ресурс работы конденсаторов известного ускорителя по сравнению с предлагаемым величина амплитуды изменения напряжения в процессе формирования импульса. Так, на конденсаторах первой линии в прототипе напряжение сменяется на величину ( 3Uj)jB то время в предлагаемом ускорителе UQ-(- UQ ZUg ;, а на конденсаторах второй линии в прототипе напряжение меняется на

величину (-Uo) - () о ; а в

предлагаемом ускорителе Up-OUg, I Поскольку в генераторе импульсов на формируюощх линиях при больших значениях энергий (0,1-1) МДж/имп

основную роль в габаритах, весе и стоимости его играют конденсаторы формирующих линий,то их ресурс и надежность в основном и определяют работоспособность таких генераторов. Если принять, что устройство вырабатывается за год примерно Ю импульсов, и учесть,что ресурс работы конденсаторов в предлагаемом ускорителе составляет 10 импульсов, а в известном - на порядок хуже, т.е. 10 импульсов, то ориентировочный экономический эффект по сравнению с известным ускорителем для энергии порядка 100 кДж/имп при условии, что стоимость 1 кДж составляет примерно 50 руб , составит 50 тыс.руб. в год.

и,

(8, И

ад

UC7

УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТЩ, содержащий двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, подключенный через коммутатор и зарядньй элемент к высоковольтному вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником, отличающийс я тем, что, с целью повьшения его надежности, в него дополнительно введены две одинаковые цепи, состоящие из включенных последовательно датчика, тока, источника постоянного тока и коммутатора, шунтированного последовательно включенными разрядником и электрически взрываемым проводником, при этом указанные цепи подключены между высоковольтным вводом и выводом каждой из линий, ускорительньш диод включен между высоковольтным выводом первой линии и высокоё вольтным вводом второй линии и (Л шунтирован третьим электрическим взрываемым проводником, а дополнительные источники постоянного тока включены встречно один относительно другого.

itaad

ЙД (28,27)

2t3ad

Jtyad

Фиг.г