ИНДУКТОР ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ Советский патент 1996 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц.

Известны линейные индукционные ускорители в виде серии последовательно соединенных индукторов на основе линий с распределенными параметрами, которые при срабатывании кольцевых коммутаторов подключаются к нагрузке, в частности, к ускоряемому электронному пучку [1]
Недостатком таких индукторов является невысокий коэффициент отбора энергии.

Наиболее близким техническим решением является индуктор линейного индукционного ускорителя, содержащий корпус, выполненный в виде коаксиального цилиндра, полый центральный проводник которого присоединен одним торцом к торцовой крышке внешнего электрода, а между вторым его торцом и второй торцовой крышкой сделан зазор, в котором расположена ускоряющая трубка, высоковольтный электрод, расположенный с зазором между электродами корпуса, и многоканальный коммутатор, расположенный между высоковольтным электродом и торцовой крышкой корпуса [2]
При этом узлы вводов и кабельные линии управления коммутатора размещены в специальных полостях, между торцовыми пластинами соседних индукторов. Ускорительный вакуумный тракт образуется ускорительной трубкой, отделяющей его полость от полости индуктора, которая может быть заполнена различными диэлектриками, в частности, высокоомной водой, прошедшей специальную технологическую обработку.

Емкость, образованная высоковольтным электродом и корпусом индуктора, который является при этом заземленным электродом, импульсно за время приблизительно 10^-6 сек заряжается через высоковольтный ввод до начального напряжения U_o от генератора импульсного напряжения. В момент максимума напряжения U_o, по кабельным линиям управления к многоканальному коммутатору подаются управляющие сигналы, коммутатор срабатывает, при этом один зазор между высоковольтным и заземленным электродами индуктора электрически замыкается накоротко, в результате на входе второго незамкнутого зазора между электродами генерируется цуг импульсов чередующейся полярности. Форма импульсов близка к прямоугольной, а длительность импульса по основанию определяется пробегом электромагнитной волны по радиальным линиям, образованным высоковольтным и заземленным электродами индуктора. Один из импульсов, обычно первый или второй, генерируемый индуктором, можно использовать для передачи энергии в нагрузку, например, электронный пучок.

Как отмечено выше, длительность импульсов ускоряющего напряжения, определяемая временем пробега электромагнитной волны по радиальным линиям индуктора , где D и d соответственно внешний и внутренний диаметры индуктора, ε диэлектрическая постоянная среды, заполняющей полость индуктора, с скорость света. Таким образом, увеличения длительности импульса ускоряющего напряжения, а следовательно, и полного количества электронов в пучке при заданном диэлектрике, заполняющем индуктор, и определенном внутреннем диаметре можно достичь лишь за счет увеличения наружного диаметра индуктора.

Эффективность ускорения пучка заряженных частиц определяется вкладом каждого индуктора в полную энергию ускорения, а также степенью сохранения количества ускоряемых частиц по мере их движения по ускорительному тракту и зависит от конструктивных особенностей индукторов. И, наконец, металлоемкость ускорителя как цилиндрического тела пропорциональна квадрату его диаметра к длине.

Описанный линейный индукционный ускоритель обладает существенными недостатками, связанными с особенностями его конструкции.

При увеличении длительности импульса ускоряющего напряжения за счет увеличения наружного диаметра индуктора (при определенном внутреннем) растет неоднородность радиальных линий. Поэтому отбор энергии из периферийных участков линии становится тем менее эффективным, чем больше наружный диаметр индуктора. Одновременно существенно возрастает металлоемкость ускорителя. Другим недостатком является размещение многоискрового коммутатора в зазоре между заземленной торцовой пластиной корпуса и высоковольтным электродом вблизи внутреннего диаметра индуктора. Поскольку электропрочность по поверхности диэлектрика, помещенного в жидкую или газообразную среду, практически всегда меньше, чем по объему этой среды, то зазор между высоковольтным электродом и торцовой пластиной корпуса определяется поверхностной электропрочностью диэлектрического корпуса коммутатора. Это ведет к дополнительному увеличению высоковольтного зазора линии, снижению энергоемкости индуктора и, как следствие, к уменьшению максимального тока и энергосодержания пуска. Такое расположение многоканального коммутатора требует специальных полостей между соседними индукторами для размещения в них кабельных линий управления с узлами ввода в коммутатор и магистралей подвода газа к коммутатору, что также ведет к уменьшению мощности, передаваемой в нагрузку. Кроме того, из-за неравномерного растекания токов по разрядным каналам при многоканальной коммутации в объеме ускорительного тракта возбуждаются несимметричные поперечные магнитные поля, рассеивающие частицы и увеличивающие потери тока в процессе ускорения.

Поскольку многоканальный коммутатор расположен в зазоре между заземленной торцовой пластиной корпуса и высоковольтным электродом вблизи внутреннего диаметра индуктора, а его кабельные линии управления с узлами вводов, а также магистрали подвода газа размещены в специальных полостях между соседними индукторами, то для обеспечения доступа к ним при монтаже коммутатора и контроле стыков газовых магистралей с коммутатором необходима расстыковка соседних индукторов, влекущая за собой разгерметизацию ускорительного тракта. Это создает значительные неудобства при техническом обслуживании ускорителя.

Еще один недостаток заключается в том, что изолятор ускорительной трубки, отделяющий вакуумируемую полость ускорительного тракта от полости индуктора, пересекает плоскость высоковольтного электрода в месте, где при зарядке емкости индуктора достигается максимальная напряженность электрического поля. Для обеспечения необходимой электропрочности наружная поверхность изолятора ускорительной трубки должна быть удалена на необходимое расстояние от внутреннего края высоковольтного электрода, что ведет к уменьшению диаметра ускорительного тракта и предельного тока пучка заряженных частиц, который может быть получен на выходе из инжектора и ускорителя в целом.

Целью настоящего изобретения является увеличение электропрочности и коэффициента отбора энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном индукторе линейного индукционного ускорителя, содержащем корпус, выполненный в виде коаксиального цилиндра, полый центральный проводник которого присоединен одним торцом к торцовой крышке внешнего электрода, а между вторым его торцом и второй торцовой крышкой сделан зазор, в котором расположена ускоряющая трубка, высоковольтный электрод, расположенный с зазором между центральным и внешним электродами корпуса, и многоканальный коммутатор, расположенный между высоковольтным электродом и внешним электродом корпуса, центральный электрод корпуса снабжен радиально расположенными пластинами в виде дисков, чередующимися с пластинами высоковольтного электрода, причем крайняя пластина центрального электрода расположена на его свободном торце.

Кроме того, многоканальный коммутатор размещен в радиальном зазоре.

В такой конструкции индуктора при увеличении длительности импульса ускоряющего напряжения отбор энергии из индуктора более эффективен, так как формирующая линия, состоящая из ряда последовательно соединенных радиальных линий с небольшим отношением наружного диаметра к внутреннему, образованных пластинами корпуса и высоковольтного электрода, более однородна, чем одна радиальная линия той же электрической длины, в которой увеличение длительности достигается увеличением наружного диаметра при том же размере пучка. Расположение многоканального коммутатора в зазоре между трубчатым проводником высоковольтного электрода и обечайкой корпуса, а не в зазоре формирующей линии, позволяет зазоры между кольцевыми пластинами высоковольтного электрода и корпуса выполнить минимально возможными, так как их величина в том случае определяется лишь электропрочностью по объему диэлектрика, заполняющего полость индуктора. Многоканальный коммутатор при таком расположении удален от пучка, и действие несимметричных магнитных полей, возникающих при неравномерности протекания токов по каналам многоканального коммутатора, значительно слабее. Расположение кабельных линий управления и их вводов в коммутатор не требует специальных полостей, и тем самым не только способствует повышению эффективности ускорения и снижению металлоемкости, но и делает ускоритель более удобным в техническом обслуживании. Наличие передающей линии, соединяющей ускорительный тракт с формирующей линией, позволяет выполнить диаметр ускорительного тракта максимальным при определенном внутреннем диаметре индуктора, так как ускорительная трубка, отделяющая вакуумируемую полость ускорительного тракта от полости индуктора, нигде не пересекает плоскости высоковольтного электрода, напряжение зарядки емкости индуктора на нее не воздействует, следовательно как радиальные, так и осевые ее размеры могут быть выполнены минимальными. Большой диаметр ускорительного тракта в свою очередь позволяет повысить эффективность ускорения пучка.

Пример конкретного выполнения предлагаемого индуктора линейного индукционного ускорителя приведен на чертеже. Индуктор линейного индукционного ускорителя содержит заземленный, разомкнутый на внутреннем диаметре корпус 1, состоящий из обечайки 2 и двух торцовых пластин 3 и 4. К пластине 4 подсоединен внутренний трубчатый проводник 5, на внешней поверхности которого расположены электрически соединенные с ним три кольцевые пластины 6, 7, 8. Высоковольтный электрод 9 состоит из трубчатого проводника 10, к внутренней поверхности которого подсоединены три кольцевые пластины 11, 12, 13. В зазоре между трубчатым проводником 10 и обечайкой 2 корпуса 1 находится многоканальный кольцевой коммутатор 14, состоящий из нескольких разрядников тригатронного типа, образованных основными электродами 15 и 16, заключенными в герметичный диэлектрический корпус 17, и управляющим электродом 18, напряжение к которому подводится через кабельную линию управления 19. Вакуумный ускорительный тракт 20 отделен от полости индуктора ускорительной трубкой 21.

Работа индуктора происходит следующим образом.

Емкость, образованная высоковольтным электродом 9 и корпусом 1 с присоединенными к нему внутренним трубчатым проводником 5 кольцевыми пластинами 6, 7, 8, образующими дополнительный заземленный электрод, заряжается до начального напряжения U_o от генератора импульсного зарядного напряжения. В момент достижения максимума напряжения по кабельным линиям управления к многоканальному кольцевому коммутатору 14 подаются управляющие сигналы. Коммутатор 14 срабатывает, и один из зазоров формирующей линии, образованной высоковольтным электродом 9 и корпусом 1 с присоединенным к нему дополнительным электродом, электрически закорачивается. При этом на втором, выходном зазоре генерируется цуг импульсов напряжения чередующейся полярности. Форма импульсов близка к прямоугольной, а длительность импульса по основанию определяется временем пробега электромагнитной волны по формирующей линии. Импульсы, генерируемые формирующей линией на выходном ее конце, а точнее в зазоре между радиальными пластинами 6 и 11, проходят по передающей линии, образованной торцовой пластиной 3 корпуса 1 и кольцевой пластиной 6, к ускорительной трубке 21, в которой создают электрическое поле, используемое для ускорения электронного пучка.

Предлагаемая конструкция позволяет по сравнению с прототипом повысить эффективность ускорения, увеличить коэффициент отбора энергии при увеличении длительности импульса ускоряющего напряжения и при этом снизить металлоемкость и затраты на эксплуатацию.

Индуктор линейного индукционного ускорителя, содержащий корпус, выполненный в виде коаксиального цилиндра, полый центральный проводник которого присоединен одним торцом к торцовой крышке внешнего электрода, а между вторым его торцом и второй торцовой крышкой сделан зазор, в котором расположена ускоряющая трубка, высоковольтный электрод, расположенный с зазором между центральным и внешним электродами корпуса, и многоканальный коммутатор, расположенный между высоковольтным электродом и внешним электродом корпуса, отличающийся тем, что, с целью повышения электрической прочности индикатора и коэффициента отбора энергии, центральный электрод корпуса снабжен радиально расположенными пластинами в виде дисков, чередующимися с пластинами высоковольтного электрода, причем крайняя пластина центрального электрода расположена на его свободном торце.

2. Индуктор по п. 1, отличающийся тем, что многоканальный коммутатор размещен в радиальном зазоре.

1. Индуктор линейного индукционного ускорителя, содержащий корпус, выполненный в виде коаксиального цилиндра, полый центральный проводник которого присоединен одним торцом к торцовой крышке внешнего электрода, а между вторым его торцом и второй торцовой крышкой сделан зазор, в котором расположена ускоряющая трубка, высоковольтный электрод, расположенный с зазором между центральным и внешним электродами корпуса, и многоканальный коммутатор, расположенный между высоковольтным электродом и внешним электродом корпуса, отличающийся тем, что, с целью повышения электрической прочности индикатора и коэффициента отбора энергии, центральный электрод корпуса снабжен радиально расположенными пластинами в виде дисков, чередующимися с пластинами высоковольтного электрода, причем крайняя пластина центрального электрода расположена на его свободном торце. 2. Индуктор по п. 1, отличающийся тем, что многоканальный коммутатор размещен в радиальном зазоре.