Ускоритель электронов Советский патент 1992 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к сильноточным Импульсным ускорителям электронов прямого действия.

Известны ускорители электронов, содержащие источник ускоряющего напряжения, соединенный с ускорительной трубкой, в которой ускоряются электроны, поставляемые электронной пушкой. Ускорители подобного типа имеют высокий КПД, хорошую монохроматичность пучка, однако вследствие трудностей транспортировки пучка в ускорительной трубке имеют низкие значения тока пучка.

Кроме того, известен ускоритель электронов, содержащий корпус, заполненный изолирующей средой, источник зарядного напряжения, соединенный с формирующей линией, разрядник и диодную электронную пушку, в котором разрядный ток накопителя равен току пучка электронов, но индуктивность и сопротивление канала пробоя разрядника . существенно влияют на монохроматичность пучка и КПД такого ускорителя. Здесь при токе пучка порядка 30 кА КПД передачи энергии из линии в пучок составляет 45%, а длительность фронта импульса ускоряющего напряжения практически не отличается от длительности импульса тока на полувысоте.

Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия ускорителя и улучшение монохроматичности пучка.

Цель достигается тем, что в корпус, соединенный сзаземленным проводником формирующей линии, помещена диодная пушка, катод которой непосредственно , а анод через сопротивление либо индуктивность соединены с заряженным проводником формирующей линии, между анодом пу.шки и корпусом установлены разрядник и ПОЛЫЙ вакуумный изолятор, секционированный нечетным числом прозрачных для ускоренных электронов металлических фольг, которые с одной стороны соединены с делителем напряжения, а с другой - с электродами разрядника.

Для улучшения условий прохождения пучка а секционированном вакуумном изоляторе в зазор разрядника введен промежуточный электрод, соединенный со средней фольгой вакуумного изолятора.

Установка фольг,секционирующих вакуумный изолятор, вызвана необходимостью согласования его пропускной способности по току пучка с первеансом электронной пушки. При использовании в качестве изолятора вакуумного зазора его пропускная способность оказывается недостаточной, особенно при использовании холодных катодов. Пропускная способность изолятора достаточна лишь в том случае, если напряженность электрического поля в ней к концу зарядки линии равна напряженности электрического поля в зазоре катод-анод пушки в режиме ускорения, что нереально с точки зрения электрической прочности изолятора.

Установка в изолятор фольг и переключение их из режима распределения напряжения по изолятору в режим компенсационных сил объемного заряда пучка дает выигрыш как в электрической прочности изолятора, так и в его пропускной способности. Необходимость, чтобы в режиме компенсации поля объемного заряда пучка, фольги были связаны с заземленным проводником линии через достаточно малое сопротивление. Это объясняется тем, что в противном случае возможно уменьшение потенциала фольг вследствие их емкостной связи с объемным зарядом пучка, оседание частиц транспортируемых электронов и нарушение условий компенсации.

На чертеже показан ускоритель электронов, где: ЗУ - источникзарядного напряжения; ФЛ - формирующая линия.

Катод 1 электронной пушки соединен с заряженным проводником формирующей линии, анод соединен с последним через сопротивление порядка 230 Ом, которое превышает волновое сопротивление формирующей линии (р 13 Ом). Анод пушки опирается на вакуумный изолятор 3, секционированный фольгами 4, 5, 6, равномерно распределенными по длине изолятора и выполненными из прозрачного материала для

ускоренных электронов. Фольги соединены с выводами делителя напряжения Ra, установленного на наружной поверхности изолятора. На заземленном конце вакуумного

5 изолятора установлена мишень 7, представляющая собой цилиндр Фарадея, соединенный с шунтом 8, который в свою очередь соединенс устройством для регистрации тока пучка ускоренных электронов.

0 Вакуумный изолятор помещен в атмосферу сжатого до 8-12 атм азота, в котором установлены электроды 9 и 10 двух последовательно соединенных коммутаторов. Вся конструкция помещается в корпус 11, соединенный с заземленным проводником

формирующей линии. Кроме того, корпус является одним из электродов разрядника.

По достижении зарядного напряжения формирующей линией уровня, близкого к 0 максимуму, происходит пробой одного из зазоров; либо между электродами 9 и 10, либо между 10 и 11. Этовызывает удвоение напряжения на оставшемся зазоре, что в сочетании с существенной неоднородностью электрического поля на острой кромке

электрода 10 вызывает быстрый его пробой. Анод 2 оказывается заземленным, все напряжение прикладывается к зазору анод-катод электронной пушки. Ускоряемые в этом

0 зазоре электроны сквозь анод проникают в пространство вакуумного изолятора, который в этом режиме является дрейфовой трубой, и транспортируются к цилиндру Фарадея. Транспортировка пучка происходит в условиях компенсации сил объемного заряда пучка заземленными фольгами 4-6. Заземление фольги 5 происходит непосредственно через электрод 10, а фольги 4 и 6 заземляются через емкостную связь с соседними заземленными электродами.

В предлагаемой конструкции ускорителя функции коммутатора поделены между аналогичным коммутатором, установленным в цепи подачи напряжения на диодную

5 электронную пушку, и вакуумным изолятором, ответственным за пропускание тока пучка. Установка коммутатора в цепи анода, прозрачного для ускорения электронов, позволила освободить его от коммутирования полного тока пучка. Уменьшение коомутируемой разрядником мощности снижает потери в нем, уменьшает время развития пробоя. Практически коммутатору переданы функции управления, а коммутационная характеристика системы коммутатор- вакуумный изолятор определяется свойствами последнего, в частности пропускной способностью по току пучка и самоиндукцией транспортируемого в нем пучка.

Установка в вакуумный изолятор фольг и переключение их из режима распределения напряжения по изолятору в режим компенсации сил объемного заряда пучка благоприятно сказывается как в электрической прочности изолятора, так и в его пропускной способности по току пучка.

Уменьшение индуктивности пучка в изоляторе возможно при увеличении его сечения по сравнению с диаметром канала пробоя разрядника, т.е. относительное уменьшение его индуктивности. Это обстоятельство является важным для улучшения монохроматичности (прямоугольности коротких импульсов тока ускоренных электронов).

Таким образом, установка разрядника в цепи диода в сочетании с использованием секционированного фольгами вакуумного изолятора, способного выдержать зарядное напряжение и пропустить ток пучка, увеличивает КПД ускорителя и улучшает монохроматичность пучка ускоренных

0 электронов при больших токах пучка.

По конструктивной схеме был изготовлен действующий макет ускорителя электронов.. На этом макете при зарядном напряжении формирующей линии 540 кВ,

5 волновом сопротивлении линии 13 Ом получили ток ускоренных электронов порядка 13 КА с энергией 330 кэВ. Ток в разрядниках был порядка 3,1 кА, из них 1,5 кА - ток через сопротивление, соединяющее катод и анод

0 пушки; КПД передачи энергии из линии в пучок составил 77% против 45% в прототипе, а фронт тока ускоренных электронов 410 с против 20 .