Линейный индукционный ускоритель Советский патент 1979 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц, а конкретнее - к линейным индукционным ускорителям-ЛИУ. Известен ЛИУ, состоящий из безжелезных индукторов, расположенных вдоль общей оси и образующих ускоряйо щую систему. В каждом индукторе содержится кольцевой накопитель из сосредоточенных конденсаторов и четырехканальный управляемый разрядник с кольцевыми электродами, охватывающими область ускорения. Разрядные каналы распределены равномерно по окружности электродов разрядника и число их выбирается таким, чтобы .общий магнитный поток и силовые линии магнитного поля каналов имитировали с допустимой погрешностью поток и линии поля кольцевого разряда. Для синхронного инициирования в каждом коммутаторе разрядных каналов подает ся на управляющие электроды коглмутаторов импульс высокого напряжения с амплитудой в несколько десятков KB с крутым передним фронтом. Этот импуль формируется во внешнем синхронизирую щем генераторе и передается к индукторам по параллельно соединенным отрезкам коаксиальных кабелей paBHof длины, по два отрезка на один индУктор. Каждый кабель через два разводящих проводника присоединен к двум управляющим электродги. Для повышения надежности инициирования разрядных каналов Удаоенная электрическая длина каждого развддя1аёго Т1роводника должна быть больше разброса времени задержки включения каналов (1. Недостаток таких ЛИУ заключается в сложности конструкции синхронизирующего генератора в связи с боЛьШим числом соединительных кабелей между генератором и каждым индуктором, а особенно при ускорении сильноточных импульсныхпучков электронов,для проводки которых необходимо увеличение диаметра области ускорения и увеличения числа разрядных каналов в разряднике каждого индуктора. Кроме того трудно обеспечить согласование волнового сопротивления кабеля с общим волновым сопротивлением разводящих проводников и одновременно обес- печить необходимую электрическую прочность проводников и узла их соединения с кабелем. Наиболее близким техническим решением является линейный индукционный ускоритель, содержащий сос-:но расположенныё индукторы с раСпРедёлённы м накопителями энергии, генераторы им пульсов пускового напряжения, волнов лы, соединяющие генераторы с управл щими электродами коммутаторов индук торов, и источники для заряд1си емко стных накопителей и генераторов 2j В таком индукторе обеспечивается по сравнению с индуктором с кабельной разводкой лучшее согласование волновых сопротивлений разветвлений и внсокая электропрочность, Кр6мё т6го, упрощается конструкция каждого индуктора из-за меньшего чис ла вводов в него фидерных линий от внешнего генератора, особенно при ускорении сильноточных пучков электронов . Недостатками такого индукционного ус корителя являютсяг его боЛьшая осевая протяженность из-за сложной прог странственной геометрии маслонапол нен 1СГгОйоЛнозоца, больших его габаритов в каждом индукторе, большие полеречные размеры ЛИУ из-за размещения генераторов синхронизирующих импульсов вне ускоряющей системы ЛИУ И/ как следствие этого, увеличение длины волновода а, следовательно,. снижение его электрической прочности рост затухания амплитуды и завала переднего фронта передаваемого пуско вого импульса; сложность конструкции и изготовления ге зметичного волновода с пространственно профилированными поверхностями внешнего и внутреннего его проводников. Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров ускорителя и упрощение его конструкции. . Пс(&тавленная цель достигается тем что в каждом индукторе размещен свой генератор, .накопитель которого и раз водящий волновод выполнены в виде полосковйх симметричных линий с потенциальными электролами, рабположен Нымй между, заземленными дисксзвыми электрода(«и, по меньшей Мере один из которых является электродом распределенного накопителя индуктора, и соединены между собой управляемьм разрядником. - .;,,. Накопитель генератора может быть выполнен и в виде дво.йной формирующей линии,. . При этом участки разводящей полос .козой линии, р.тстоящие на равной электрической длине от коммутатора накопителя индуктора, выполнены с увеличивающимся.волновым сопротивле Нйёй в н аправлёнйи распрострайёнйя пускового ийпульса к коммутатору, а П(этенциальный электрод накопителя генератора соединен через импеданс с потенциальным электродом индуктора j подключенным к источнику напряжения зарядки. Кроме того, участок потенциального электрода разводящей линии, присоединенный через разрядник к генератору, выполнен с одним или несколькими разрядными промежутками. На фиг. 1 изображен Линейный индукционный ускоритель при использовании в каждом индукторе одиночной симметричной полосковой Линии в качестве накопителя синхг низирующего генератора; на фиг. 2 - при использовании поЛосковых линий, соединенных по схеме двойной формирующей линии, В каждом индукторе 1 ЛИУ (фиг.1) потенциальный электрод 2 емкостного накопителя индуктора выполнен, например, Ввиде диска и присоединен к внешнему источнику напряжения за: рядки, например к источнику импульсного напряжения, источник и соединения с ним не показаны. Электрод 2 образует относительно боковых дисковых з аз ек ленных электродов 3 и 4 индуктора распределенный накопитель радиальную линию. Электроды 3 и 4 соединены с внешним металлическим корпусом 5 ускорителя. Пространство между 3 и 4 заполнено жидким диэлектриком, например, конденсаторным маслом. Между 2 и 4 размещен охватывающий область ускорения б кольцевой коммутатор 7, например, газонаполненный разрядник с симметрично расположенными по окружности основного электрода разрядника восемью управляющими электродами 8 в виде цилиндрических стержней. Между 4 и боковым электродом 9, этим- электродом может служить одновременно электрод 3 левого (фиг.1) индуктора, расположены плоские потенциальные электроды 10 соответственно накопителя генератора и разводящего фидера. Электрод 10 подключен к внешнему источнику напряжения зарядки накопителя. Нежду 10 и 11 размещен симметрично относительно Краев этих электродов управляемый разрядник 12 с .изоляцией его электродов, образующих разрядный промежуток, например конденсаторным маслом. Электрод 11 соединен через резистор или катушку индуктивности с любой заземленной деталью индуктора для снятия остаточного заряда. Электрод 11 на обоих краях разветвляется симметри 1но относительно разрядника 12 на два одинаковой длины плоских электрода 13, каждый из которых, в свою очередь раздваивается ffa проводники 14, соединённые с управляющими электродами 8. Положение потен1Хиальных электродов 10 и 11 зафиксировано относительно поверхностей электродов 4 и 9 при помощи изоляторов, например из полиэтилена, а пространство между 4 и 9 сообщается с объемом индуктора и тоже заполнено маслом. От разрядника 12 до каждого вправляющего электрода 8 электрические длины участков фидера равиы между собой. Для уменьшения искажения формы подаваемого на электроды 8 импульса управляющего напряжения вол новое сопротивление симметричной полосковой линии с участком потенциального электрода 11 равно общему волновому сопротивлению двух одинаковых параллельносоединенных линий с потенциальными проводниками 13; волновое сопротивление каждой линии с потенциальным проводникрм 13 равно общему волновому сопротивлению двух параллельно соединенных линий с проводниками 14. Возможно иное размещение разрядни ка 12, в частности, он может быть вынесен к .внешнему периметру корцуса 5, как это показано штриховыми линия ми на сечении А-А. Выполнение участков разводящего фидера с увеличивающимся волновым сопротивлением по мере приближения фидера к электродам 8 прегставлено на сечении Б-Б; ширина металлических полос участков 13 и 14 потенциального электрода постепенно уменьшается по направлению к электродам 8. Вариа нт конструкции ЛИУ при наличии одного ввода высокого напряжения от внешнего источника в каждый индук тор и зарядки его накопителя и накой теля генератора от общего источника показан ,на примере левого индуктора на фиг. 1, обозначения элементов в котором принимаем аналогичными укаванным выше для правого индуктора.; В плоскости электрода 4 размещен изо лированный от него и соединенный,с электродом 10 дополнительный электрод 15, например,.в виде диска, кото рый относительно 2 имеет емкость рассеивания 16. 17 - емкость накопителя генератора. Для возможности изменения полярности потенциала на электроде 10, его емкость 17 может быть перезаряжена через индуктивнос катушки 18 при включении дополнитель ного разрядника 19. Для обострения переднего фронта пускового импульс участок потенциального электрода, отходящий от раз рядника 12, выполнен с разрядным пр межутком 20 (сечение Б-В), заполнейным, например, конденсаторным масло При этом участок электрода между 12 и 20 должен быть соединен, как и электрод 11, через резистор или катушку с заземленной деталью индукто ЛИУ с использованием в Кё1ждом индукторе двойной полосковой линии качестве накопителя генератора, показанный на фиг.2, конструктивно подобен описанному выше, поэтому од наково обозначенные на фиг. 1 и 2 элементы индукторов выполняют одина ковые функции. Отличием потенциальн го электрода накопителя в данном сл чае является то, что.он состоит из двух металлических полрс, электрически соединённых у разрядника 12 (сечение Д-Д), который при его срабатывании соединяет потенциальный электрод генератора с электродами 4 и 9, а не соединяет между 1патенцисшьныё электроды генератора и фидера. В связи с этим участок потенциального электрода фидера, который по схеме (фиг.1) подключался через 12 к выходу накопителя генератора, в данном случае имеет болыиую длину и является одновременно внутренним проводником полоскового накопителя генератора. Этот участок ;соединен через индукт1 вность или резистор о| эаз 1ленными электродаш индукторов согласно принципа действия двойной формирующей линии. Ускоритель работает следующим об-, разом .| . 1 Накопители заряжаются от внешних источников и по достижении определенной разности потенциалов между электродами накопителей инду сторов И генераторов С абатЙва дт одновременно или по заданной в Е еменной программе разрядники 12, ив каждый разводящий фидер подается импульс управляю-; щего напряжения, который,ipacnpocTpaняясь по симметричным относительно разрядника 12 участкам фидера с потенциальными э лектрОдами 1Ц и ngpxpдя затем последовательно все раэветв ления фидера, достигает одновременно . всех управляющихэлектродов 8. Так как волновое сопротивление каждого участка до его разветвления равно общему волновому сопротивлению параллельно соедиаенйых разветвляющих его линий, то, если не считать потерь энергии при прохождении импульса, его амплитуда у каждого электрода 8 будет равна, без учета отражения от какой-либо нагрузки у электрода 8, амплитуде импульса на входе фидера с потенциальным электродом 11. Импульс напряжения на электродах. 8 инициирует развитие разрядных каналов в разряднике 7 каждого индуктора, т.е. обеспечивает срабатывание индукторов ЛИУ. В идеальном разряднике 12, а котором резистивная фаза разряда изменяется скачкоМ ОТСХ5 до О, а разряд загорается по всей длине электродов промежутка/ амплитуда импульса в,фиаере определяется по формуле Р - (.) . где Uj - Напряжение зарядки накопителя генератора; (9 волновые сопротивления соответственно полоскового накопите Я генератора и разводящего фидера. Согласно (1) для повышения амплитуды импульса напряжения в разводящем фидере волновое сопротивление накопителя генератора должно быть меньше волнового сопротивления фидера. Если разводящий фидер или его участки выполнены с увеличивающимся волновым сопротивлением, как это показано на сечении Б-Б для участко с потенциальными электродами 13 и 14, то при прохождении по ним импульса управляющего напряжения его амплитуда будет расти согласно выра жению К 1/рвь, ,pg,значени волновых сопротивлений соответствен на на входе и выходе линии. При наличии емкости 16 величиной С между потенциальными электродами 2 и 10 и отсутствии утечек с электро да 10 подача напряжения U от источника на электрод 2 будет приводить к зарядке накйпйтеля генератора, емкость которого равна С2 в связи с де лением потенциала по этим емкостям; напряжение U на электроде 10 опреде ляется по формуле С - -- - 1 U,U о слс. Обычно электрическая емкость накопителя индуктора много больше емкости Cj, амплитуда пускового напряжения Uq,0,lU с учетом возможности увеличе ния амплитуды пускового импульса при передаче efo по разводящему фидеру и выполнения условия (1) просто осуществить зарядку накопителя генератора от общего источника при одном вводе высокого напряжения в каждый индуктор. В других вариантах возможна зарядка накопителя генератора за счет деления потенциала и по резистивному или индуктивному делителю, paaMemaieMdMy is индукторе. В рассмотренцых случаях импульс пускового напряжения будет той же полярности, что и полярность заряда на потенциальных электродах накопителей. Если необходимо изменить полярность Импул са на обратную, то по истечений ин- . терзала времени t после, включения разрядника 19 где L - величина индуктивности катуш ки 18, емкость С генератора будет перезаряжена. При срабатывании в это момент времени разрядника 12 будет подан в фидер импульс напряжения с полярностью, противоположной полярно ти заряда на потенциальном электроде накопителя индуктора. При создании на электроде 11 разрядного промежутка 20 происходит уко рочение длительности переднего фронта пускового .Импульса. После срабаты вания разрядника 12 импульс пусковог напряжения достигает по фидеру проме жутка 20 и, отражаясь от него как от разомкнутого конца, начинает удваиваться по.амплитуде, создавая леренапряжение промежутка 20. Перенапряжение способствует быстрому развитию 578 пробоя промежутка 20 и передаче в последующий участок фидера пускового импульса с более крутым передним фронтом. .Принцип действия Л.ИУ с использованием в саждом индукторе двойной полосковой линии в качестве накопителя генератора (фиг.2) аналогичен описанному выше за исключением того, что для получения такой же амплитуды импульса пускового напряжения, как в ЛИУ на фиг.1, накопитель генератора должен заряжаться меньшей в два раза разностью потенциалов. Кроме того, для получения импульса пускового напряжения с обратной полярностью заряда от источника накопителя генератора не требуется перезаряжать через индуктивность емкость накопителя генератора, достаточно присоединить разрядник .12 так, как показано на фиг.2. Если же необходимо иметь полярность пускового напряже-, ния одинаковую с полярностью .заряда на потенциальном электроде накопителя генератора, то разрядник 12 должен быть размещен у этого же конца накопителя, но между электродом 10 и участком электрода 11. В данном ЛИУ также, применимы, участки разводящего с переменным п6 их длине волновым сопротивлением, зарядка накопителя генератора от общего источника через импеданс внутри индуктора, применение обостряюйщх фронт пускового импульса разрядных промежутков в фидере. Таким образом, в данном линейн.ом индукционном ускорителе обеспечивается сокращение длины ускорителя в связи с выполнением разводящего Фидера в каждом индукторе в виде полос.ковой линии, протяженность которой по направлению продольной оси ускорителя меньше аналогичной протяженности коаксиального профилированного фидера в ранее известных устройствах, уменьшается занять1й ускорителем объем в поперечном направлении в связи с размещением в каждом индукторе накопителя синхронизирующего генератора и выполнением накопителя в виде ,. полосковой линии, а также в связи с ; использо)ванием одного источника для зарядки одновременно накопителя индуктора и генератора, упрощается конструкция и технология изготовления согласованного по длине и электропроч-його разводящего фидера, снижаются затухание амплитуды импульса управляющего напряжения и искажение его формы из-за сокращения длины соединительного участка между синхронизирующим генератором и разводящим фидером. Формула изобретения 1. Линейный индукционный ускориель, содержащий соосно расположенHHG индукторы с распределенными накопителями энергии, генераторы импульсов пускового напряжения, волноводы, соединяющие генераторы с управ ляющими электродами коммутаторов индукторов, и источники для зарядки емкостных накопителей индукторов и генераторов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габарит ных размеров ускорителя и упрощения его конструкции, в каждом индукторе размещен свой генератор, накопитель которого и ра,зводящий волновод выполнены в виде .полосковых симметричных линий с потенциальными электродами, расположенными между заземлен ными дисковыми электродами, по мень шей мере один из которых является электродом распределенного накопите ля индуктора, и соединены между собой управляемым разрядником. 2.Линейный индукционный ускоритель ПОП.1, отличающийс тем, что, с целью уменьшения напряжения зарядки накопителя генератора накопитель генератора выполнен, по схеме с двойной формирующей линией. 3.Линейный индукционный ускоритель попп.1и2, отличающ и и с я тем, что участки разводя5X . 7 J5 {6 S 1 SWti if -V V -//.///.// щей полосковоП линии, отстоящие на равной электрической длине от коммутатора накопителя индуктора, выполнены с увеличивающимся волновым сопротивлением в направлении распространения пускового импульса к коммутатору. 4.Линейный индукционный ускоритель по пп.1 и 2,отличающий с я те1И, что потенциальный электрод накопителя генератора соединен через импеданс, например через емкость, с потенциальным электродом индуктора, подключенным к источнику напряжения зарядки. 5.Линейный индукционный ускоритель по ПП.1 и2, отличающийся тем, что участок потенциального электрода разводящей линии, присоединенный через разрядник к генератору , выполнен с одним или несколькими разрядными промежутками. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Павловский А.И. и др. Безжелезный индукционный линейный ускоритель, А.Э., 1970, т.28, №5, с.432. 2.K.P.Prestwich IEEE Trans Se 1975, V.NS-22, 3, p. 975. 13 W ( 12

5 I6j1 9 „ W t 1 г 3

4-4.

Pin 2

A:8

Itf 8 to 20 11