УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ Советский патент 1994 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может найти применение для генерации импульсных пучков электронов, ионов большой мощности, а также для генерации импульсного рентгеновского излучения большой мощности, импульсной накачки мощности СВЧ-генераторов, коллективного ускорения ионов.

Цель изобретения - упрощение конструкций ускорителя и повышение его мощности.

На чертеже приведена схема ускорителя.

Ускоритель содержит в качестве первичного накопителя энергии генератор импульсных напряжений (ГИН) 1, двойную формирующую линию 2, служащую промежуточным емкостным накопителем, зарядную индуктивность 3, основной коммутирующий разрядник 4, предразрядник 5, который в совокупности представляют собой генератор сдвоенных разнополярных наносекундных импульсов. К генератору подключен электронный вакуумный диод 6, катододержатель 7, который подсоединен одним концом к предразряднику 5 генератора сдвоенных разнополярных импульсов, другим - к катоду 8. Анод 9 диодов выполнен прозрачным для электронов и соединен с корпусом ускорителя 10. Катододержатель 7 с корпусом ускорителя 10 образуют вакуумную линию индуктивностью L, служащую индуктивным накопителем. На корпусе ускорителя 10 между двумя металлическими шайбами 11 закреплена диэлектрическая шайба 12. Шайба 12 расположена на расстоянии l[м] от анода 9 и имеет внутренний диаметр d₂[м] и толщину S[м]. Расстояние от предразрядника 5 до шайбы 12 обозначим как l₁[м]. Диаметр катододержателя в области расположения шайбы 12 - d₁[м]. Диэлектрическая шайба 12 и катододержатель 7 образуют дополнительный диодный промежуток 13. Расположение и размеры шайбы 12 и катододержателя 7 выбраны такими, что зазор d₂-d₁ и расстояние l удовлетворяют соотношению ≅ (t₁+t_n)<l , где t₁ и t_n - длительность первого импульса напряжения генератора и паузы между импульсами соответственно, (с), V - скорость разлета плазмы (м/с).

Работа ускорителя происходит следующим образом.

После срабатывания ГИН 1 и сформирования 1-го положительного наносекундного импульса напряжения, напряжение через катододержатель 7 прикладывается к двум диодным промежуткам между анодом 9 и катодом 8 и 13. Под действием высоковольтного положительного наносекундного импульса в результате поверхностного пробоя на поверхности шайбы 12 возникает плазма. Аналогично взрывоэмиссионная плазма образуется и на катоде 8 диодного промежутка. Опытным путем установлено, что эта плазма расширяется со скоростью V= (5-8) ˙10⁶ см/с. Зазор d₂-d₁ между катододержателем 7 и катодом 8 выбирается таким, чтобы за время действия 1-го импульса напряжения и паузы между 1-м и 2-м импульсами напряжения, плазма заполняла этот зазор. Величина этого зазора определяется соотношением:
_≅ (1)
Расстояние l>V(t_n+t₁) с тем, чтобы плазма, образованная на шайбе 12 не шунтировала диод 6. Зазор в диодном промежутке должен быть, d₃>V(t_n+t₁) чтобы он не был заполнен плазмой к моменту прихода второго импульса напряжения и был работоспособен.

К моменту прихода второго импульса напряжения отрицательной полярности в первые моменты времени наблюдается закоротка диодного промежутка 13 и ток в цепи катододержатель 7 - корпус 10 быстро растет.

При достижении током I значения:
I≥ I_пр= ΠS·d, neVZ (2) где m_e, e - масса и заряд электрона;
m₁ - иона в плазме диодного промежутка 13;
Z - зарядность ионов;
n - концентрация плазмы в прикатодной области диодного промежутка 13;
S* - аксиальная длина плазменного облака в области диодного промежутка 13.

Начинается рассасывание плазмы и образование в прикатодной области диодного промежутка 13 слоя свободного от плазмы.

Исходя из условия равномерного образования плазмы при пробое диэлектрической шайбы 12 по всей ее поверхности аксиальная длина плазменного облака в диодном промежутке 13 будет равна
S*=S+2V(t_n+t₁).

С учетом того, что образованная плазма за время действия 1-го импульса напряжения и паузы между импульсами разлетается со скоростью V ≈ (5-8) x 10⁶ см/с в аксиальном направлении.

Таким образом толщина шайбы выбирается равной
S=S*-2V(t_n+t₁) (3)
При выборе толщины шайбы необходимо, чтобы ток, поставляемый генератором сдвоенных импульсов при закоротке зазора превышал значение I_пр (2).

Толщина образованного слоя растет во время, импеданс диодного промежутка 13 растет и начинает быть сравним с импедансом диода 6. Происходит частичное переключение тока генератора в диод 6.

Таким образом промежуток 13 выполняет функции плазменного эфезионного размыкателя (ПЭР).

Продолжающаяся эрозия плазмы в диодном промежутке 13 приводит к переключению еще большего тока в диод 6 и магнитной изоляции промежутка 13 переключенным током.

Для выполнения условия магнитной изоляции промежутка 13, ток раскачиваемый в цепи катододержателя от генератора сдвоенного наносекундного импульса должен быть больше значения, определяемого формулой
I>I_изол= ln 17 ,, (4) где γ - релятивистский фактор, d*₂= d₁+ σ ;
σ - толщина слоя свободного от плазмы в промежутке 13 (составляет величину порядка 1-3 мм).

Магнитная изоляция промежутка 13 приводит к очень быстрому увеличению импеданса промежутка 13, что приводит к изменению тока в цепи катододержателя 7 и к возникновению ЭДС= L , превышающей амплитуду 2-го импульса напряжения генератора, I - ток в цепи катододержателя 7. L - индуктивность катододержателя 7. Индуктивность катододержателя 7 выбирается из условия максимальной перекачки энергии запасенной в ДФЛ в индуктивность
L≃ ,, где R₉ - волновое сопротивление,
τ - длительность импульса тока сформированного ДФЛ.

Катододержатель 7 с корпусом 10 реально выполняют функции вакуумной линии. Применение ПЭР и вакуумной линии позволяет увеличить мощность ускорителя за счет сжатия импульса напряжения и тока и увеличения амплитудных значений тока и напряжения. Упрощение конструкции обеспечивается тем, что вместо плазменных источников, используемых обычно в качестве ПЭР, использована диэлектрическая шайба определенных размеров, на поверхности которой осуществляется пробой под действием импульсного напряжения, прикладываемого к вакуумному электронному аноду, т.е. нее требуется дополнительных источников питания.

Изобретение может быть использовано для генерации импульсных пучков электронов. Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение мощности ускорителя. Катододержатель 7 с корпусом 10 ускорителя образуют вакуумную линию, служащую индуктивным накопителем. На корпусе 10, между металлическими шайбами 11, закреплена диэлектрическая шайба (ДШ) 12. Последняя и катододержатель 7 образуют дополнительный диодный промежуток (ДП) 13. В результате поверхностного пробоя на поверхности ДШ 12 возникает плазма. К моменту прихода второго импульса напряжения отрицательной полярности в первые моменты времени наблюдается закоротка ДП 13. По достижении током определенного значения, начинается рассасывание плазмы и образование в ДП 13 слоя свободного от плазмы. При выборе толщины ДШ 12 необходимо, чтобы ток, поставляемый генератором сдвоенных импульсов при закоротке ДП 13, превышал значение Упр. Толщина образованного слоя растет во времени, импеданс ДП 13 также растет и начинает быть сравним с импедансом диода 6 т.е. происходит частичное переключение тока генератора в диод 6. Таким образом ДП 13 выполняет функции плазменного эфезионного размыкателя. 1 ил.

УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий вакуумноплотный корпус, в котором соосно расположены катод и анод электронного диода, при этом катод укреплен на оси корпуса с помощью катододержателя, расположенного вдоль оси корпуса и подключенного через проходной изолятор и разрядник к генератору сдвоенных разнополярных наносекундных импульсов, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции ускорителя и повышения его мощности, в него введена диэлектрическая шайба, установленная на внутренней поверхности корпуса коаксиально катододержателю, при этом размеры шайбы и место ее расположения выбраны из условия
≅ (t₁ + t_n)V < l,
где d₁ - диаметр катододержателя, м;
d₂ - диаметр отверстия в диэлектрической шайбе, м;
t₁ и t_n - длительность первого импульса и паузы между импульсами, соответственно, с;
V - скорость разлета плазмы, м/с;
l - расстояние от анода до диэлектрической шайбы, м.