Индуктор линейного индукционного ускорителя

1. ИНДУКТОР ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ , содеpжащий металлический тоpообpазный кожух, в полости котоpого pазмещены коммутатоp и высоковольтный электpод накопителя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и pасшиpения функциональных возможностей, он снабжен по меньшей меpе одним кольцом из pезистивного матеpиала, pазмещенным в полости металлического кожуха соосно с ним и пpимыкающим частью своей повеpхности к кожуху или к высоковольтному электpоду, пpи этом удельное электpическое сопpотивление матеpиала кольца больше удельного электpического сопpотивления матеpиалов кожуха или высоковольтного электpода.
2. Индуктоp по п. 1, отличающийся тем, что длина повеpхности пpимыкания по обpазующей тоpообpазного кожуха или по pадиусу высоковольтного электpода и толщина кольца из pезистивного матеpиала в напpавлении, пеpпендикуляpном повеpхности пpимыкания, выполнены меньше глубины скин-слоя на частоте тока заpядки накопителя и больше глубины скин-слоя на частоте ускоpяющего напpяжения.

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц, конкретно к индуктору линейного индукционного ускорителя (ЛИУ) на радиальных линиях.
Целью изобретения является повышение надежности индуктора ЛИУ и расширение его функциональных возможностей путем изменения длительности и формы импульса ускоряющего напряжения.
На фиг. 1 изображен общий вид предложенного индуктора; на фиг. 2-4 - варианты его выполнения.
В полости металлического прямоугольной формы торообразного кожуха 1, например, из нержавеющей стали, обычно заземляемого, размещены коммутатор 2, в частности, образованный из серии равномерно расположенных вокруг оси 0 0₁ кожуха 1 газонаполненных разрядников тригатронного типа, высоковольтный электрод 3, например, из нержавеющей стали. Коаксиально внутри кожуха размещена ускорительная трубка 4 из диэлектрика, например из полиэтилена. Пространство 5 между электродом 3 и стенками кожуха 1 заполнено жидким диэлектриком, в частности деионизированной водой. Электрод 3 и торцовые стенки кожуха 1 образуют распределенный накопитель электрической энергии - свернутую радиальную линию. Электрод 3 подключен проводником к зажиму 6 для зарядки линии от внешнего импульсного источника (на фигурах не показан). В полости кожуха размещено соосно с ним кольцо 7 резистивного материала, например, из полиэтилена в смеси с ацетиленовой сажей или из графитированного фторопласта, причем удельное электрическое сопротивление материала элемента составляет -1 Ом см и больше в 1,3 10⁴ раз удельного электрического сопротивления нержавеющей стали марки Х18Н10Т = 0,75 10^-4 Ом см, из которой выполнены кожух 1 и электрод 3. Кольцо 7 примыкает своей цилиндрической поверхностью большего диаметра к цилиндрической поверхности обечайки 8 кожуха. Протяженность примыкания и толщину кольца перпендикулярно поверхности примыкания целесообразно выбирать меньше, например, в 3-10 раз глубины скин-слоя на частоте длительности времени зарядки накопителя от внешнего источника, которым, как правило, чаще всего генератор высоковольтных импульсов по схеме Аркадьева-Маркса. Кроме того, указанные протяженность и толщину целесообразно выбирать больше, например, в 1,5-3 раза глубины скин-слоя на частоте импульса ускоряющего напряжения. Например, для типичных времени зарядки накопителя 3 мкс и длительности импульса ускоряющего напряжения 20 нс эквивалентные им частоты составляют соответственно 167 кГц и 25 МГц, а глубина скин-слоя -соответственно ₁= 390 и ₂= 10 мм ( определяется по формуле
= 50.3 10³ , мм , (1) где - удельное электрическое сопротивление (Ом см);
t - частота электрических колебаний (Гц). Поэтому протяженность примыкания, т. е. высота цилиндрического кольца 7, и толщина стенки этого кольца приняты равными 20 мм, т. е. в 20 раз меньше ₁= 390 мм и в 2 раза больше ₂= 10 мм. По оси 0 0₁ кожуха в его области ускорения размещена нагрузка 9 индуктора, в частности резистор, имитирующий ускоряемый пучок электронов.
Отличие индуктора на фиг. 2-4 состоит в том, что на фиг. 2 резистивное кольцо 7 примыкает частью своей поверхности к высоковольтному электроду 3 на его внешнем диаметре, на фиг. 3 в полость кожуха введены соответственно два кольца 7 и 10, одно из которых 7 примыкает к поверхности кожуха 1, а другое 10 - к поверхности электрода 3, на фиг. 4 полости кожуха размещены четыре кольца 7, 10, 11, 12, три из которых 7, 11, 12 примыкают к кожуху 1, а одно 10 - к высоковольтному электроду 3.
Работа индуктора состоит в следующем (фиг. 1,2). Заряжается от внешнего источника тока через зажим 6 радиальная линия, образованная кожухом 1 и электродом 3, причем время зарядки составляет 3 мкс и превышает, например, в 150 раз электрическую длину радиальной линии, равную, как правило, десяткам наносекунд, например 20 нс. Так как протяженность примыкания кольца 7 и его толщина перпендикулярно поверхности примыкания выбраны меньше глубины скин-слоя на частоте 167 кГц, соответствующей длительности зарядки 3 мкс, то ток зарядки не создает падения напряжения на сопротивлении резистивного кольца 7 и, проникнув через него, протекает по поверхности металлического кожуха 1 из нержавеющей стали или по поверхности электрода 3 (фиг. 2). По достижении рабочей разности потенциалов, например 500 кВ, между электродом 3 и стенками кожуха 1 пробиваются одновременно разрядники коммутатора 2, закорачивая на кожух 1 внутренний край электрода 3. В этот момент к нагрузке 9 прикладывается импульсное напряжение от разомкнутого внутреннего кольца радиальной линии, и по ней начинает распространяться по направлению от оси 0 0₁ цилиндрическая волна частичной разрядки радиальной линии. По достижении резистивного кольца 7 волна разрядки не может через объем материала элемента достигнуть металлической поверхности кожуха (фиг. 1) или электрода (фиг. 2) за время импульса и взаимодействует с кольцом как с резистором, имеющим активное сопротивление значительно больше, чем сопротивление металлических поверхностей кожуха 1 и электрода 3. При этом в зависимости от соотношений величины R этого сопротивления и волнового сопротивления Z линии, рассчитываемого по формуле
Z(t)= Z(t)= , (2) где h - толщина изоляции между электродами линии;
r(t) - текущий радиус прохождения от коммутатора бегущей электромагнитной волны;
- диэлектрическая постоянная изолирующей среды в линии, на внешнем радиусе электрода 3 волна полностью отразится обратно при R>>Z или частично при R-Z. В наиболее целесообразном случае R-Z волна после момента достижения ею кольца рассеивает часть своей электромагнитной энергии и отражается к нагрузке с существенно уменьшенной амплитудой. Поэтому прикладываемые к нагрузке амплитуды второй и последующих полуволн чередующейся полярности быстро затухают, уменьшая суммарное время воздействия импульсной разности потенциалов между электродами линии и соответственно на нагрузке. В части радиальной линии, которая на внутреннем диаметре около трубки закорачивается коммутатором 2, тоже после срабатывания коммутатора распространяется к кольцу 7 цилиндрическая волна разрядки. Достигнув его, волна отражается обратно и начинает проходить по радиусу от кольца 7 до коммутатора 2, рассеивая в активном сопротивлении элемента свою энергию и быстро затухая по амплитуде. Так как ускорение заряженных частиц производится обычно на первой полуволне генерируемого индуктором напряжения, то перечисленные факторы, а именно уменьшение амплитуд последующих полуволн и быстрое из затухание из-за рассеивания энергии в кольце 7 и уменьшение по этой же причине тока через коммутатор 2, сокращают время приложения переменной разности потенциалов между электродом 3 и кожухом 1 индуктора по сравнению с временем приложения и прототип, а соответственно, и к трубке 4 и к нагрузке 9, а также уменьшают суммарный по всем полуволнам разрядный ток и заряд, проходящие через коммутатор 2, снижая эрозию электродов, и в совокупности повышают электропрочность и ресурс работы индуктора, увеличивая его надежность.
Расширение функциональных возможностей индуктора рассмотрим на примере его работы по фиг. 3 и 4, для которых принцип действия аналогичен изложенному для индуктора по фиг. 1 и 2. Длительность первой полуволны в прототипе определяется практически временем прохождения электромагнитной волны от разомкнутого конца линии между кожухом 1 и электродом 3 до внешнего диаметра электрода 3, такая же длительность этой полуволны в индукторе по фиг. 1 и 2. Однако в случае выполнения индуктора по фиг. 3 длительность первой полуволны больше, т. к. больше длина пути от разомкнутого конца радиальной линии до резистивных колец 7 и 10. Эта длина пути и соответственно длительность первой полуволны напряжения могут быть увеличены почти до 2 раз по сравнению с таковыми в индукторах по фиг. 1 и 2. Если кольца 7 и 10 зеркально переставить в правую (по фиг. 3) часть линии с разомкнутым концом у трубки 4, то здесь длительность первой полуволны будет короче по сравнению с ее длительностью в индукторах по фиг. 1 и 2. В индукторе по фиг. 3 энергия электромагнитных волн поглощается более эффективно из-за наличия двух резистивных колец 7 и 10.
Индуктор по фиг. 4 работает аналогично индукторам по фиг. 1-3, однако при выборе протяженности примыкания к кожуху 1 и к электроду 3 и толщины колец 7, 10, 11, 12 по направлению перпендикулярно к поверхностям примыкания меньше глубины скин-слоя на частоте тока зарядки линии и выборе одновременно для кольца 12 протяженности и толщины больше в несколько раз глубины скин-слоя на частоте первой полуволны ускоряющего напряжения, а для колец 7, 10, 11 меньше этой глубины в несколько раз, волна напряжения от разомкнутого конца линии после включения коммутатора 2 по достижении последовательно колец 7, 10, 11 частично проходит через них, а частично отражается, что позволяет формировать на нагрузке импульс ускоряющего напряжения с промодулированной амплитудой на вершине, т. е. иметь серию "провалов", определяемых временами достижения полуволной последовательно колец 7, 10, 11 и частичными отражениями полуволны от этих колец и частичными прохождениями через них.
Таким образом, предложенное техническое решение индуктора ЛИУ по сравнению с прототипом позволяет согласно описанию работы индуктора увеличить его надежность и расширить функциональные возможности путем увеличения и сокращения длительности импульса ускоряющего напряжения, а также модулирования его вершины и изменения формы импульса. По расчетам надежность и соответственно ресурс включений индуктора из-за сокращения в 2 раза числа высокочастотных колебаний в нем возрастают примерно в 2 раза из-за роста электропрочности индуктора и ускорительной трубки при рабочем напряжении индуктора 500 кВ, а также из-за аналогичного увеличения ресурса штатной работы коммутатора и связи с уменьшением износа электродов и их распыления на изоляторы, т. к. износ пропорционально уменьшается с уменьшением числа высокочастотных колебаний и соответственно пропускаемого через каналы разрядов коммутатора заряда. При электрической длине линии 20 нс, т. е. двойном пробеге электромагнитной волны по радиусу линии, длительность первой полуволны ускоряющего напряжения может быть увеличена почти в 2 раза, т. е. составлять, например, 35 нс или уменьшена, например, до 5 или 10 нс; вершина полуволны напряжения может быть промодулирована, например может иметь один, два или больше "провалов", на 20-50% . (56) Авторское свидетельство СССР N 2422870, кл. Н 5 Н 9/00, 1967.
Авторское свидетельство СССР N 270913, кл. Н 05 Н 9/00, 1968.
Самосадский Н. Н. Полиэтилен. Л. : Госхимиздат, 1961, с. 128.
Белогорский В. Д. Применение антифрикционных материалов на основе углерода. М. , УНИИцветмет, 1979, с. 10-35.
Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц. Цель изобретения - повышение надежности индуктора и расширение его функциональных возможностей. Высоковольтный электрод (Э) 3 - торцовые стенки кожуха 1 образуют распределительный накопитель электрической энергии. Пространство 5 заполнено жидким диэлектриком. Устройство оснащено по меньшей мере одним кольцом (К) 7 из резистивного материала. К 7 может примыкать к кожуху 1 или к Э 3. Протяженность примыкания и толщину К 7 выбирают меньше, например, в 3 . . . 10 раз глубины скин-слоя на частоте длительности времени зарядки накопителя от внешнего источника и больше, например, в 1,5 и 3 раза глубины скин-слоя на частоте импульса ускоряющего напряжения. Поэтому ток зарядки не создает падение напряжения на сопротивлении К 7 и протекает по поверхности кожуха 1 или Э 3. Конструкция индуктора позволяет увеличивать и сокращать длительность импульса ускоряющего напряжения, модулировать вершину импульса и изменять его форму. Надежность и ресурс включений индуктора возрастают в 2 раза из-за роста электропрочности индуктора и ускорительной трубки 4. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.