Ускоритель заряженных частиц

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 2 5) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ МИТЕТ СССР НИЙ И ОТНРЫТИЙПИСАНИЕ ИЗОБРВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ Е разрядником, о т л и с я тем, что, с цель его надежности, в нег но введены две одинак ающии повышениядополнител Павл ые ных последов 4430,17.05.77,ьство СССРО, 30.11,82 ированного п ключенными разрядн рически взрываемым(54)(57) УС ТИЦ, содерж щую линию, ковых линий чен ускорит ОРИТЕЛЬ ЗАРЯщий двойнуюостоящую из одом каждои из ли Вольтным водом второи линии и третьим электрическим проводником, а дополни- .точники постоянного токастречно один относительно между которльный диод,шунти взрыв мым постоянного тока, подкл через коммутатор и заря к высоковольтному вводу нии, шунтированному упр тельные и включеныдругого(прототип),ЖЕННЫХ ЧАС- формирую- двух одинаыми подклюисточник ченный ный элемент первой ли- вляемым состоящие из включ тельно датчика. ток постоянного тока и при этом указанные между высоковольтн ныи диод включен м ным выводом первой источникакоммутатора,едовательноиком и элекпроводником,цепи подключеным вводом и выий, ускорительжду высоковольтлинии и высоко522 20 1 1123Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации импульсных электронных пучков большой интенсивности, энергии и длительности.Известно устройство для импульсного питания электронной пушки 1, содержащее двойную формирующую линию с накоплением энергии в ее конденсаторах, между обеими половинами которой последовательно с ними подключен ускорительный диод (нагрузка), причем вход линии шунтирован разрядником.Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая импульсная мощность в нагрузке. Это обусловлено тем, что энергия, накопленная в конденсаторах линии, выделяется в нагрузке за сравнительно большое время, равное времени двойного пробега волны по каждой половине линии.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является 25 ускоритель заряженных частиц, содержащий двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, 30 подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником 2 .Недостатком известного устройства З 5 является сравнительно невысокая надежность, связанная с низкой надежностью конденсаторов двойной формирующей линии (ДФЛ). Это вызвано тем, что в процессе формирования высоко вольтного импульса ускоряющего напряжения конденсаторы перезаряжаются от напряжения зарядки до удвоенного напряжения противоположной полярности, что резко снижает их ресурс. 45Целью изобретения является повышение надежности устройства.Поставленная цель достигается тем, что в ускоритель заряженных частиц, содержащий двойную формирующую линию,50 состоящую из двух одинаковых линий, между которыми подключен ускорительный диод, источник постоянного тока, подключенный через коммутатор и зарядный элемент к высоковольтному 55 вводу первой линии, шунтированному управляемым разрядником, дополнительно введены две одинаковые цепи,состоящие из включенных последовательно датчика тока, источника постоянного тока и коммутатора, шун-. тированного последовательно включенными разрядником и электрически взрываемым проводником. Цепи подключены между высоковольтным вводом и выводом каждой иэ лйний, ускорительный диод включен между высоковольтным выводом первой линии и высоковольтным вводом второй линии и шунтирован третьим электрически взрываемым проводником, а дополнительные источники постоянного тока включены встречно один относительно другого.На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг2 - форма импульсов на ускорительном диоде.Устройство содержит двойную формирующую линию, состоящую из двух одинаковых линий 1 и 2, между которыми последовательно с ними подключен ускорительный диод 3. К входу линии 1 подключен управляемый разрядник 4, параллельно которому включены соединенные последовательно высоковольтный источник 5 постоянного напряжения, коммутатор 6 и зарядный элемент 7. Параллельно индукторам первой линии 1 подключены соединенные последовательно датчик 8тока, источник постоянного тока 9и контактный выключатель 10, шунтированный соединенными последовательно разрядником 11 и электрическивзрываемым проводником (ЭВП) 12.Ускорительный диод 3 шунтированЭВП 13. Параллельно индукторам второй линии 2 подключены источникпостоянного тока 14, контактный выключатель 15 и датчик 16 тока. Выключатель 15 шунтирован соединеннымипоследовательно разрядником 17 иЭВП 18, К выходу второй линии 2подсоединен датчик 19 напряжения.Ккоммутатору 6 подсоединен выход блока 20 управления, к управляемомуразряднику 4 - выход блока 21 управления, к выключателю 10 - импульсный быстродействующий привод, совмещенный с блоком 22 управления, квыключателю 15 - импульсный быстродействующий привод, совмещенный сблоком 23 управления. Входы блоков20,22 и 23 управления соединены ссоответствующими выходами таймера24, вход которого соединен с выхо з 112352210 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дом компаратора 25, входы которогосоединены с датчиками 8,16 тока ис датчиком 19 напряжения. Вход блока2 1 управления соединен с выходомдатчика 8 тока,Устройство работает следующимобразом.В исходном состоянии разрядники4,11 и 17 находятся в непроводящемсостоянии, коммутатор б и выключатели 10 и 15 разомкнуты. Запасов энергии в-элементах ДФЛ нет. По сигналамс таймера 24 срабатывают блоки 20,22 и 23 управления, которые замыкают соответственно коммутатор 6 ивыключатели 10 и 15. При этом отвысоковольтного источника 5 постоянного напряжения через коммутатор би зарядный элемент 7 начинается зарядка конденсаторов линии 1 и черезЭВП 13 - конденсаторов линии 2 (вполярности, указанной на схеме).Одновременно с этим от источникапостоянного тока 9 через замкнутыйвыключатель 10 и датчик 8 тока происходит зарядка током индукторов линии 1, а от источника 14 постоянноготока через замкнутый выключатель15 и датчик 16 тока и зарядка токоминдукторов линии 2 (направления протекания токов в индукторах линий показаны стрелками). При достижениитоком в индукторах заданного значения Зд, а напряжения на конденсаторах 0, (выбранных таким образом,чтобы выполнялось соотношение 0 О=3, огде- волновое сопротивление линии), соответствующие сигналы с датчиков 8,16 тока и датчика 19 напряжения поступают на компаратор 25.При достижении равенства токов в индукторах линий 1 и 2 и выполненииуказанного соотношения между токоми напряжением на линиях срабатываеткомпаратор 25 и выдает сигнал натаймер 24, с выходов которого управляющие импульсы запускают блокиуправления 20, 22 и 23, В этот момент отключается коммутатор 6 (он находится в обесточенном состоянии,поскольку к этому моменту зарядкаконденсаторов линий была окончена),и разводятся контакты выключателей10 и 15. Напряжение, возникающее надуге отключения, образующейся междуконтактами выключателя 10, достаточно для пробоя разрядника 11, в результате чего осуществляется перевод тока из ветви с выключателем 10 в ветвь с разрядником 11 .и ЭВП 12. В результате шунтирования выключателя 10 низкоомной цепью из разрядника 11 и ЭВП 12 дуга в выключателе 10 гаснет, и ток индукторов линии 1 замыкается через датчик тока 8 источник 9, разрядник 11 и ЭВП 12. Аналогично осуществляется перевод тока из выключателя 15 в ветвь с разрядником 17 и ЭВП 18. Под действием токов, протекающих через ЭВП 12 и ЭВП 18, последние взрываются и отклочают индукторы линии 1 от источника 9 тока, а индукторы линии 2 от источника 14 тока.Сигнал с датчика 8 тока, свидетельствующий о прекращении тока в цепи с источником 9 тока, подается на вход блока 2 1 управления, который, в свою очередь, поджигает управляемый разрядник 4. Момент времени, соответствующий отключению ЭВП 12 и ЭВП 18 и поджигу разрядника 4, обозначим как 1 О, При рассмотрении процессов, происходящих в линиях, воспользуемся для удобства методом суперпозиции. Рассмотрим вначале процессы, происходящие в линиях и на нагрузке под действием только энергии, запасенной в конденсаторах линий (без учета энергии в индуктивностях). В момент времени 1, вход первой линии 1 (точка 26) замыкается разрядником 4. Образующаяся при этом падающая волна ь Ц,: 0 проходит от точки 26 к точке 27 по линии 1, разряжая ее конденсаторы. Энергия, запасенная ранее в этих конденсаторах, обращается в магнитную энергию индуктивностей линии. К моменту прихода падающей волны к выходу линии 1 (точке 27), т.е, в момент времени 1 = 1 э (времени задержки линии), ЭВП 13 электрически взрывается под действием разницы потенциалов в точках 27 и 28 линий, и падающая волна д 0, встречает на своем пути несогласованное сопротивление, состоящее из сопротивления ускоритель- ного диода 3, сопротивление которого равно двойному значению волнового сопротивления р линии (т.е. 11=2), и включенного последовательно с ним входного сопротивления р линии 2, Таким образом, суммарное сопротивление, которое встречает в моментзцд падающая волна д 0, в25 35 точке 27, равно 3 г, т.е. в три раза больше выходного сопротивления р линии 1. Из-за такого рассогласования падающая волна частично отражается, образуя первую отраженную волну напряжения линии 1 амплитудой 03отр = -- Ц Остальная часть падающей4 оволны проходит через сопротивление1 О ускорительного диода и образует первую падающую волну линии 2 амплитудой ьЦ =- - Одновременно с этимцо1 тс 1 д флиния 2, предварительно заряженная15 до напряжения ц со стороны входаот(точка 28) оказывается нагруженной на последовательно соединенные ускорительный диод 3 и выходное сопротивление 0 линии 1. При этом с вы 20 хода на вход линии 1 (от точки 27 к точке 26) начинает распространяться падающая волна амплитудой О р д = = + - р- и со входа на выход линии42 (от точки 27 к точке 29) - отраженная волна амплитудой Ь " готоцо- В результате начиная с4.У 30 момента времениад конденсаторы линии 1 начнут заряжаться с выхода к входу (от точки 27 к точке 26) напряжением гтдцот фдцрад= 2 )ота конденсаторы линии 2 начнут разряжаться напряжениемц =Ь цд ц,г г рд 7 отр : - в , При этом величина напряжениятцо240 которая остается на конденсаторах лицо "о нии 2 составит.-Ц - - - - . С мо 9 ге о 2мента времени т,ад на ускорительном диоде 3 образуется падение напр ия В =ц -ц . - - ццоцо2827 г 8 27 2Я 0После достижения суммарной волной(- в ) в линии 1 точки 26 в момент2 50 времени 2 1 д она отразится от короткозамкнутого конца с обратным знаком и начнет распространяться к выходу линии 2 (от точки 26 к точке 27), снимая заряд с конденсато ров линии 1. Отражения в линиях от точки 27 и точки 28 в момент 21 а не происходит, поскольку обе линии,жФ начиная с момента 1оказываютсяЗад 7подключенными в точках 27 и 28 последовательно на согласованную нагрузку. Аналогично в линии 2 суммарная волна (- -д-) распространяюО2щаяся с момента т,дг,от точки 28 к точке 29, к моменту 2д достигает разомкнутого конца линии 2 и, отразившись с тем же знаком, начнет распространяться по линии 2 от точки 29 к точке 27, снимая заряд с конденсаторов линии. К моменту времени 31обе волны одновременно достигнут ускорительного диода (точек 27 и 28), и процессы в линиях прекратятся. Эпюра напряжения, выделившегося на ускорительном диоде под действием только энергиизапасенной в конденсаторах линий, показана на фиг.2,а.Рассмотрим теперь процессы, происходящие в линиях и ускорительном диоде под действием только энергии, запасенной в индуктивностях линий (без учета энергии, запасенной в конденсаторах). В момент 1 как уже указывалось, замыкается разрядник 4 и электрически взрываются ЭВП 12 и 18. При этом в точке 27 под действием тока 3 накопленного в индуктивностях лийии 1, возникает перепад напряженияРрад 2 о Р поскольку линия 1 оказывается нагруженной на входное сопротивлениелинии 2 (ускорительный диод закорочен ЭВП 13), Этот перепад начинает распространяться по обеим линиям: в линии 1 от точки 27 к точке 26, а в линии 2 от точки 27 к точке 29. Под действием токазапасенного воуиндуктивностях линии 2, в точках 27 и 28 возникает перепад напряженияР цодц :-3 в :- - распространяющийся крад 2 гконцам линий 26 и 28, а в точке 29на разомкнутом конце линии 2 возниркает перепад напряжения д цгград = о = цо, распространяющийся отточки 29 к точке 27. Через время, равное одному пробегу волны по линии 1 зад конденсаторы линии 1гоказываются заряженными суммарнойпадающей волной до напряженияцо цодц .,ц:- - - - .-Орад рад яо та конзованная при разряде конденсаторов линии 1, заряженных до напряжения на изменившуюся при размыкании ЭВП 13 нагрузку. При этом образуется падающая волна дЦ - на входегпад" 4линки 2, которая распространяется от точки 28 к точке 29Одновременно с этим ток д запасенный в индуктивностях линии 2, образует также три волны:- падающую в линии 1 величинойО 35 "тоо = + - т распространяющуюся от точки 27 к точке 28;- отраженную от линии 2 величи 3ной ь 0 = + - Оо распространяюготрщуюся от точки 28 к точке 29,- падающую в линии 2 от разом- ф кнутого конца линии от точки 29 кточке 28 величиной Юг:-Д о:-.Ц"ф 1 45 В результате в линии 1 с моментаот .точки 26 к точке 27 будет распространяться волнаО а ото точки 27 к точке 26 - суммарная вол о о 0 о на равная " еотр " ооА 4 4 2 С учетом того, что к моменту С напряжение на конденсаторах линии 1 было равно - 0 результирующее напряжение на линйи 1 установится к моменту 2 С равным Ц + 1111 ооо 2 о 2 В линии 2 с момента 1,от точки 50 денсаторы линии 2 оказываются разряженными до нуля, так как напряжеИ ние на них равно ь 0 до+ ь 0 о а 1 " пм = - - - - 1 О = 0 и вся энергия линииОо О,2 2 о2 запасена к этому моменту в индуктивностях линии 2, причем ток 3 направлен при этом от точки 29 к точке 27. В момент ,как уже указывалось, электрически взрывается ЭВП 13, и ускорительный диод 3 оказывается включенным последовательно с линиями 1 и 2. В этот момент падающая волна - 0 в линии 1 отражается от короткозамкнутого конца в точке 26 и начинает распространяться по линии 1 от точки 26 к точке 27 с амплитудой ф Оо, разряжая конденсаторы линии 1, а от точки 27 к точке 28 распространяетсяОоотраженная волна ЬЦ = - обра 1 отр 4 7 1 О 15 20 25 30 27 к точке 29 будет распространяться суммарная волна напряжения велиО, Цо" ось 1 готр 44 о 2 та от точки 29 к точке 28 - волнаА 0" : - 0 Результирующее напряжесд оние на линии 2 установится к момено, о,ту времени 2 1 равнымоТаким образом, напряжение на нагрузке в интервале времени назад -21 Амомент времени С = 2 Соно становится равным Ц Ц: -- - - = - 0о "огВ т 2 2С момента времени С 5 цд обе линии 1и 2 оказываются включенными в точках27 и 28 последовательно на согласованную нагрузку. Поэтому отраженияот концов 27 и 28 в момент 2 т, о,в линиях не возникают, а на ускорительном диоде выделяется напряжениеПгвг 7= - 1 о, Отраженные волны распространяются по линии лишь от точек26 и 29. Отраженная волна в линии 1распространяется от короткозамкнутого конца линии 26 к точке 27 собратным знаком, снимая заряд сконденсаторов линии 1. Отраженнаяволна в линии 2 распространяетсяот точки 29 с тем же знаком, снимая также остаток заряда с конденсаторов линии 2. К моменту 36 с,обе отраженных волны достигают ускорительного диода и процессы в линиях заканчиваются. Эпюра напряжения, выделившегося на ускорительном диоде под действием толькоэнергии, запасенной в индуктивностях линий, показана на фиг.2,6.Эпюра суммарного напряжения на ускорительном диоде от действия энергии, накопленной в конденсаторахи в индуктивностях линий, показанана фиг,2,в. Таким образом, в интер. вале времени- ЯС происходитсуммирование напряжений на ускорительном диоде от действия обоих Факторов, а в интервале 2 СС -ЗС зтд вычитание. Поэтому результирующее напряжение, выделившееся на ускорительном диоде, равно удвоенному значению напряжения зарядки линии, т.е. 0: 2 Ц Длительность импульса на ускорительном диоде в предлагаемом ускорителе оказывается равной С 6, поэтому импульсная мощ 1123522 10О,Чьность в нагрузке равна Рг.о 021что вся запасенная энергия в линияхЩ выделяется в ускорительном диоде за время импульса 1 = т ,т . е,=2 -). Учитывая, что 3 о:0г 2)ф о оуа = о=, получаем 4О,2 - зм ф,ОНетрудно убедиться, что в процессе Формирования импульса конденсаторы линии 1 перезаряжаются отнапряжения зарядки О до того же напряжения обратного знака (- О 1, вто время, как в прототипе - от напряжения О 0 до двойного напряжения обратного знака (-2 О ). Конденсаторы линии 2 разряжаются от напряжения зарядки 00 до нуля, в товремя как в прототипе они заряжаютсяот значения напряжения зарядки( "о) до двойного напряжения(- 2 О 1. Следовательно, напряженностьэлектрического поля в диэлектрикеконденсаторов формирующих линийв процессе формирования высоковольтного импульса в прототипе вдвоепревышает этот параметр для конденсаторов предлагаемого ускорителя -это более чем на порядок снижает ресурс работы конденсаторов в прототипе по сравнению с предлагаемым ускорителем. Снижение рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике конденсаторов прототипа до того же значения, что и в предлагаемом ускорителе, повлекло быза собой удвоение линейных размеров конденсаторов и связанное с 5 этим возрастание объема,занимае-мого конденсаторами, в 2-3 раза исоответствующее увеличение веса истоимости. Снижает также ресурс работы конденсаторов известного ускорителя по сравнению с предлагаемымвеличина амплитуды изменения напряжения в процессе Формированияимпульса. Так, на конденсаторахпервой линии в прототипе напря жение .,меняется на величину-(-2 О 1:: 5 О 0, в то время как в предлагаемом ускорителе О,-(- О,1 = 2 О а наконденсаторах второй линии в прототипе напряжение меняется на 20 величину (-О,) в (-2 О 01 о а впредлагаемом ускорителе О,-О= О 0,Поскольку в генераторе импульсовна Формирующих линиях при большихзначениях энергий (0,1-1) МДж/импосновную роль в габаритах, весеи стоимости его играют конденсаторы формирующих линий,то их ресурси надежность в основном и определяют работоспособность таких гене раторов. Если принять, что устройство вырабатывается за год примерно 10 импульсов, и учесть,что ресурс работы конденсаторов в предлагаемом ускорителе составляет 104импульсов, а в известном - на порядок хуже, т.е. 10 импульсов, тоориентировочный экономический эффект по сравнению с известным ускорителем для энергии порядка 40 100 кДж/имп при условии, что стоимость 1 кДж составляет примерно50 руб , составит 50 тыс.руб,в год.1123522 и,д Корректор Г Решетн Тираж 793 одпи 4/ ал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 едактор Л. Утехаказ 7014/1 СоставительТехред О.Ващишин И Государственного. комитета делам изобретений и открытии Москва, Ж, Раушская наб. ое СР