Импульсный ускоритель электронов

ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий источник питания, ускорительный диод, размыкатель и трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде полого цилиндрического проводника, а вторичная в виде соленоида, размещенного в полости цилиндрического проводника соосно с ним, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения габаритов устройства, в него введен разрядник, дополнительный соленоид, размещенный за трансформатором соосно с ним, размыкатель выполнен в виде разрушаемого проводника, расположенного коаксиально дополнительному соленоиду, при этом один конец дополнительного соленоида подключен к выводу вторичной обмотки непосредственно, второй к другому выводу вторичной обмотки через разрушаемый проводник, последовательная цепь из ускорительного диода и разрядника включена параллельно разрушаемому проводнику.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к импульсным ускорителям электронов.
Известен импульсный ускоритель электронов, состоящий из первичного источника питания, индуктивного накопителя, размыкающего устройства и вакуумного диода.
В качестве первичного источника энергии используются емкостные накопители, собранные по схеме Аркадьева-Маркса. Энергия первичного накопителя передается в индуктивный накопитель и в момент максимума тока запитки происходит электрический взрыв проводников, являющийся частью контура накопителя. Сформированный импульс напряжения прикладывается к вакуумному диоду.
Однако в этом устройстве существуют ограничения по плотности энергии в первичном источнике питания и по напряженности электрического поля на размыкаемом проводнике, приводящие к большим габаритам устройства и ограничивающие величину передаваемой в пучок энергии.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является импульсный ускоритель электронов, содержащий источник питания, ускорительный диод, трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде полого цилиндрического проводника, а вторичная в виде соленоида, размещенного в полости цилиндрического проводника соосно с ним, и размыкатель.
Недостатками устройства являются большие габариты, малый коэффициент связи между обмотками и, как следствие, малый КПД.
Целью изобретения является повышение КПД и уменьшение габаритов устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в импульсном ускорителе электронов, содержащем источник питания, ускорительный диод, размыкатель, трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде полого цилиндрического проводника, а вторичная в виде соленоида, размещенного в полости цилиндрического проводника соосно с ним, в него введены разрядник и дополнительный соленоид, размещенный за габаритом трансформатора соосно с ним, размыкатель выполнен в виде разрушаемого проводника, расположенного коаксиально дополнительному соленоиду, при этом один конец дополнительного соленоида подключен к выводу вторичной обмотки непосредственно, второй к другому выводу вторичной обмотки через разрушаемый проводник, а последовательная цепь из ускорительного диода и разрядника включена параллельно разрушаемому проводнику.
На фиг.1 изображено устройство питания импульсного ускорителя электронов с размыкателем, содержащим заряд ВВ; на фиг.2 то же, но с размыкателем на основе электрического взрыва медной фольги.
Импульсный ускоритель электронов, приведенный на фиг.1, содержит трансформатор с первичной обмоткой 1, выполненной в виде полого цилиндрического проводника, и вторичной в виде соленоида обмоткой 2, расположенной внутри первичной обмотки, размыкатель 3, дополнительный соленоид 4, расположенный на одной оси с вторичной обмоткой трансформатора, заряд 5 взрывчатого вещества (ВВ) с системой 6 инициирования, изолятор 7, разрядник 8, вакуумный диод 9 и источник 10 питания. Размыкатель 3 выполнен в виде напыленного на изолятор разрушаемого проводника, расположенного коаксиально дополнительному соленоиду 4, причем один конец дополнительного соленоида подключен к вторичной обмотке трансформатора непосредственно, а другой через разрушаемый проводник.
Импульсный ускоритель электронов работает следующим образом. При подаче от источника питания, например, магнитокумулятивного генератора (МКГ), импульсов тока на первичную обмотку 1 трансформатора во вторичной обмотке 2 возбуждается наведенный ток и происходит запитка индуктивного накопителя (соленоида 4). Энергия запасается в виде энергии магнитного поля протекающего по соленоиду тока. Магнитокумулятивный генератор является устройством, преобразующим энергию взрывчатого вещества в энергию магнитного поля.
К концу работы МКГ с помощью системы 6 инициирования производится подрыв заряда размыкателя 3. В момент максимума тока запитки волна детонации выходит на поверхность заряда 5 ВВ, и начинается процесс разрушения токопроводящего плазменного канала. Под действием продуктов взрыва, при прохождении ударных волн резко поднимается давление в плазменном канале, одновременно уменьшается и его сечение. Рост давления и уменьшение сечения плазменного канала приводят к увеличению омического сопротивления размыкателя на два порядка (экспериментально получено увеличение сопротивления в 80-100 раз). Пропорционально сопротивлению возрастает напряжение на размыкателе
= RI
Сформированный высоковольтный импульс через разрядник 8 прикладывается к вакуумному диоду 9. Твердотельный разрядник 8 служит для обострения переднего фронта импульса диодного тока. Нарастание напряжения на размыкателе происходит в течение 0,5-1 мкс и до тех пор, пока напряжение, приложенное к разряднику, не превысит пробивное, ток диода отсутствует. Пpи достижении пробивного напряжения, т.е. когда напряженность электрического поля в диэлектрике разрядника становится выше критической, происходит самопробой диэлектрика, и все напряжение за время порядка нескольких наносекунд прикладывается к диоду. В результате резкого увеличения напряженности электрического поля в диодном промежутке с поверхности катода начинается эмиссия электронов; в сильноточном ускорителе эта эмиссия носит взрывной характер. При подключении диода энергия магнитного поля индуктивного накопителя передается пучку электронов. Размыкатель 3 и диод 9 включены параллельно, поэтому эффективность передачи энергии из накопителя в диод определяется выражением
где W_д, W_R энергия, переданная в диод и размыкатель;
R_д, R_R сопротивление диода и размыкателя соответственно.
Устройство, приведенное на фиг.2, содержит трансформатор с первичной обмоткой 1, выполненной в виде полого цилиндрического проводника, и вторичной соленоидальной обмоткой 2, расположенной в полости первичной обмотки, размыкатель 3, дополнительный соленоид 4, расположенный последовательно на одной оси с вторичной обмоткой трансформатора, изолятор 7, разрядник 8, вакуумный диод 9 и источник 10 питания. Размыкатель 3 выполнен в виде фольги, разрушаемой под действием проходящего по ней тока, и расположен коаксиально дополнительному соленоиду 4, причем один конец дополнительного соленоида подключен к вторичной обмотке трансформатора непосредственно, а другой через разрушаемый проводник.
В случае конкретной технической реализации в качестве первичного источника 10 питания используется витковый магнитокумулятивный генератор (МКГ). Первичная обмотка 1 согласующего трансформатора выполнена в виде медного витка из токоведущей шины МКГ.
Вторичная обмотка 2 трансформатора и спираль соленоида 4 наматываются на жилы кабеля, армируются стеклотканью и пропитываются под вакуумом эпоксидным компаундом. Частью цепи накопителя является электрически взрываемый проводник 3 (размыкатель). Дополнительный соленоид 4 с разрушаемым проводником 3 помещены внутрь цилиндрического изолятора 7. Наружная поверхность изолятора, на торцевой стене которого размещен катод, является изолятором ускорительной трубки.
Импульсный ускоритель электронов с электровзрывным разрушаемым проводником работает следующим образом. При подаче источника питания, например магнитокумулятивного генератора импульсов тока, на первичную обмотку 1 согласующего трансформатора во вторичной обмотке 2 возбуждается наведенный ток и происходит запитка индуктивного накопителя (соленоида) 4, энергия запасается в виде энергии магнитного поля протекающего по соленоиду тока. Электрически взрываемый проводник размыкателя 3 выбирается так, что к моменту окончания работы МКГ в максимуме тока происходит электрический взрыв проводника. Взрывной характер нарастания сопротивления проводника связан с нелинейным изменением скорости его нагрева при протекании тока. Время взрыва проводника можно определить из выражения
I j²dt
Моменту взрыва медного проводника соответствует величина интеграла тока I 1,8 10¹⁷ A²c cm^-4. Взрыв проводника сопровождается резким увеличением его сопротивления на два порядка, при этом на разрыве генерируется импульс напряжения. Необходимо только выполнить условие отсутствия электрических пробоев по парам металла, т.е. напряженность поля на поверхности металла не должна превышать 8 кВ/см. Это условие легко выполнить, увеличивая длину проводника.
Сформированный на размыкателе 3 высоковольтный импульс через твердотельный разрядник 8 прикладывается к вакуумному диоду 9. При достижении пробивного напряжения, когда напряженность электрического поля в диэлектрике твердотельного разрядника становится выше критической, происходит самопробой диэлектрика и все напряжение прикладывается к диоду. Энергия из индуктивного накопителя 4 передается пучку электронов.
По сравнению с взрывными размыкателями электровзрывной размыкатель имеет несколько большее время работы, поэтому приходится увеличивать диодный промежуток для увеличения времени работы диода. Диод с увеличенным зазором между катодом и анодом имеет большее сопротивление, и эффективность передачи энергии из накопителя в пучок падает, кроме того, такой источник питания имеет несколько большие размеры по сравнению с взрывным, так как для обеспечения электропрочности 8 кВ/см требуются длинные металлические проводники (в экспериментах с источником на напряжение 1 МВ использовалась медная фольга длиной 1,2 м).
Предлагаемое устройство питания импульсного ускорителя электронов позволяет более чем на порядок увеличить энерговклад в пучок электронов при уменьшении объема и веса в 10³ раз по сравнению с базовым объектом.