Устройство для транспортировки сильноточного пучка электронов

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ, содержащее цилиндрическую металлическую вакуумную камеру, внутри которой размещена диэлектрическая труба с сетчатым электродом на внутренней ее поверхности и генератора импульсного напряжения, подключенный к сетчатому электроду и вакуумной камере, отличающееся тем, что, с целью увеличения величины тока транспортируемого пучка электронов, в него введены дополнительный цилиндрический сетчатый электрод, емкостный накопитель энергии и система напуска газа с импульсным клапаном, при этом диэлектрическая труба выполнена из пористого материала с коэффициентом пористости K_п:

где P давление остаточного газа, Па;
R радиус пучка электронов, м;
релятивистский фактор;
J_пред предельный ток пучка электронов, А;
R₀ внешний радиус дополнительного сетчатого электрода, м;
h расстояние между сетчатыми электродами, м;
E энергия, запасаемая в емкостном накопителе энергии, Дж,
и имеет внутреннюю полость, которая соединена с системой напуска газа через импульсный клапан, при этом емкостный накопитель энергии включен между сетчатыми электродами, а дополнительный сетчатый электрод расположен коаксиально основному сетчатому электроду и его длина L [м] определяется из условия:

Устройство относится к ускорительной технике и может найти применение в термоядерных исследованиях, в линиях термоядерных электропередач, промышленной технологии (обработка материалов сильноточным электронным пучком).
Целью изобретения является увеличение величины тока транспортируемого пучка электронов.
На фиг. 1 схематично показано устройство для транспортировки сильноточного пучка электронов; на фиг. 2 схема включения емкостного накопителя к электродам системы.
Устройство содержит цилиндрическую металлическую вакуумную камеру 1, внутри которой соосно расположены диэлектрическая труба 2 с сетчатым электроном 3 на ее внутренней поверхности, подключенным к генератору импульсного напряжения 4, и дополнительный сетчатый электрод 5. Между сетчатыми электродами 3 и 5 включен емкостной накопитель энергии 6. Диэлектрическая труба 2 выполнена пористой и имеет полость для напуска газа от системы напуска газа 7 через импульсный клапан 8. Импульсный клапан имеет синхронизацию с генератором импульсного напряжение 4. Труба 2 имеет пористость на той стенке, которая обращена к сетчатому электроду 3. Дополнительный сетчатый электрод 5 выполнен цилиндрическим и коаксильно расположен по отношению к элементам устройства позиции 1-3, через проходные изоляторы 9 на концах канала. При этом емкостный накопитель энергии (конденсатор) 6 включен между сетчатыми электродами 3 и 5. Необходимо отметить, что возможны и другие варианты электрических схем соединения емкостного накопителя энергии 6, подключенного одним выводом к дополнительному сетчатому электроду 5, а другим к сетчатому электроду 3. На фиг.2 приведена одна из возможных схем включения емкостного накопителя энергии 6 к электродам 3 и 5. Генератор импульсного напряжения подключается к сетчатому электроду 3 и к вакуумной камере 1. Давление остаточного газа в устройстве составляет Р 1,33 10^-3 Па.
Устройство работает следующим образом.
Перед инжекцией электронного пучка в устройство на него поступает импульс напряжения для запуска импульсного клапана 8 и из системы напуска газа 7 поступает порция газа в промежуток между сетчатыми электродами 3 и 5. Затем с некоторой задержкой по времени поступает импульс напряжения на сетчатый электрод 3 от генератора импульсного напряжения 4. По поверхности диэлектрика (внутренней поверхности диэлектрической трубы 2) формируется незавершенный разряд, представляющий собой пристеночную плазму. Эта плазма расширяется в радиальном направлении со средней скоростью V 5 10⁴ м/с и закорачивает электроды 3 и 5. При их закорачивании происходит разряд, заряженного заранее емкостного накопителя энергии (конденсатора) 6 и концентрация заряженных компонент плазмы возрастает. При этом можно рассматривать создание плотной плазмы посредством двух процессов: создание предварительной плазмы; создание плотной плазмы за счет эффективной ионизации слоя газа между электродами 3 и 5. Поскольку разряд зажигается между электродами 3 и 5 и в него вкладывается большая энергия, то в сочетании с импульсным напуском газа, удается реализовать условия формирования плазмы при поддержании давления остаточного газа в дне на оси канала Р 1,33 10^-3 Па. Такое давление позволяет устранить рассеяние электронов на остаточном газе из-за кулоновских столкновений.
Коэффициент пористости К_п диэлектрической трубы выбирается согласно выражению: K_п (1)
где Р давление остаточного газа, Па;
R радиус пучка электронов, м;
релятивистский фактор;
I_пред предельный ток пучка электронов, А;
R_o, L внешний радиус и длина дополнительного сетчатого электрода, м;
L расстояние между сетчатыми электродами, м;
Е энергия в емкостном накопителе энергии, Дж, а длина дополнительного сетчатого электрода L [м] определяется из условия:
L (2)
Как известно, концентрация электронов и ионов определяется в основном энергией Е, выделяемой в разрядном контуре при одном и том же давлении остаточного газа. Так при Р 1,33 10^-3 Па значения концентрации электронной компоненты плазмы n_ер представлены в таблице при различных значениях Е
Отсюда следует, что при увеличении Е возрастает n_ер. Однако увеличение Е накладывает ограничение на ресурс работы канала, которое определяется электрическим пробоем диэлектрической трубы 2. Электрический пробой трубы 2 ускоряется в случае эрозии материала трубы 2. Поэтому для увеличения n_ер без повышения энергетических параметров Е в данной заявке предложен дополнительный разрядный контур, основанный на формировании газового разряда между сетчатыми электродами 3 и 5. Для примера рассмотрим конкретный случай. При n_ер n_ip 10¹⁶ м^-3предельная плотность электронного тока исходя из условий самофокусировки n_ер n_тр n_в, где n_ip концентрация ионной компоненты плазмы; n_в- концентрация электронов пучка составляет j 5 10⁶ А/м². Для увеличения плотности электронного пучка на порядок необходимо также увеличить n_ер на порядок. Так, при Е 1000 Дж необходимо, чтобы n_ервозросла с 4 10¹⁶м ^-3 до 4 10¹⁷ м^-3. Если перевести значения плотностей тока в абсолютные значения токов пучка электронов, то видно, что при диаметре пучка 10^-2 м предельный ток в прототипе может составлять Х 400 А. Для увеличения тока до 4 кА необходимо, чтобы n_ервозросла на порядок. Для реализации такого решения режима разрядной плазмы при коэффициенте ионизации К_u 0,03 достаточно создать локальное давление остаточного газа в области между сетчатыми электродами 3 и 5 порядка Р 1,33 10^-2 Па. Действительно, плотность нейтралов n_о в плазме незавершенного разряда по поверхности диэлектрика должна составлять
n_o 3 10¹⁸ м^-3 (3) Тогда из формулы Лошмидта определяем давление остаточного газа
P 1,12 10^-3 Па (4) С учетом коэффициента пористости диэлектрической трубы (1) К_п формула (4) уточняется
P [Па] (5) При К_п 0,5 получаем значения Р 2,26 10^-2 Па.
Таким образом, достаточно сделать импульсный небольшой перепад давления, чтобы увеличить локальное давление остаточного газа в промежутке между электродами 3 и 5. Последнее достигается при помощи системы напуска газа и импульсного клапана. Следовательно, при увеличении плотности заряженных компонент плазмы возрастает величина тока пучка электронов, транспортируемого через канал.
Был изготовлен опытный вариант канала длиной 1 м и были проведены предварительные эксперименты по транспортировке электронного пучка со следующими параметрами:
ток пучка 100-3000 А;
энергия электронов 80-250 кэВ.
Вакуумная камера была изготовлена из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. В качестве диэлектрической трубы использовался диэлектрический фильтр, а также склеенная труба из двух труб, при этом внутренняя труба была выполнена с отверстиями согласно коэффициенту пористости К_п. Проведенные эксперименты показали, что увеличение величины тока пучка электронов, транспортируемого через предложенный канал составляет 1,5-2 раза по сравнению с прототипом. При этом ограничение тока пучка электронов было связано с возможностями установки.
Преимущество изобретения состоит в повышении эффективности устройства за счет увеличения величины тока пучка электронов, транспортируемого через канал.
Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения увеличение величины тока транспортируемого пучка электронов. В цилиндрической металлической вакуумной камере 1 соосно расположены пористая диэлектрическая труба 2 с сетчатыми электродами 3 и 5. Между электродами 3 и 5 включен емкостной накопитель энергии 6. Электрод 3 подключен к генератору импульсного напряжения 4. Вакуумная камера 1 и труба 2 образуют полость, соединенную с системой напуска газа 7. Такое выполнение устройства позволяет перед инжекцией электронного пучка осуществить подачу порции газа из системы напуска газа 7 в промежуток между сетчатыми электродами 3 и 5. При поступлении с некоторой задержкой по времени импульса напряжения на сетчатый электрод 3 по поверхности диэлектрика формируется незавершенный разряд, представляющий собой пристеночную плазму. При закорачивании плазмой электродов 3 и 5 происходит разряд заранее заряженного емкостного накопителя энергии 6, приводящий к возрастанию концентрации заряженных компонент плазмы. Увеличение локального давления газа в промежутке между электродами 3 и 5 в период напуска газа повышает плотность заряженных компонент плазмы, а значит, величину тока пучка электронов, транспортируемых через канал. 2 ил.