RU2705207C2 - Electron accelerator based on ferroelectric plasma cathode - Google Patents
Electron accelerator based on ferroelectric plasma cathode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2705207C2 RU2705207C2 RU2018110476A RU2018110476A RU2705207C2 RU 2705207 C2 RU2705207 C2 RU 2705207C2 RU 2018110476 A RU2018110476 A RU 2018110476A RU 2018110476 A RU2018110476 A RU 2018110476A RU 2705207 C2 RU2705207 C2 RU 2705207C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- pulse
- voltage
- diode
- generators
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ускорительной техники, физике плазмы, радиационной физике и может быть использовано в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела, где важным является получение пучков заряженных частиц с необходимыми энергетическими параметрами и регулируемой длительностью.The invention relates to the field of accelerator technology, plasma physics, radiation physics and can be used in atomic physics, medicine, chemistry, solid state physics, where it is important to obtain charged particle beams with the necessary energy parameters and adjustable duration.
Известно устройство (G. Rosenman and D Shur. Elektron emission from ferroelectrics // J of Appl. Phys. V. 88 N 11 2000 pp 6109-6161 1]), предназначенное для получения электронных пучков - ускоритель электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода. Ускоритель включает в себя источник высоковольтных импульсов - импульсный генератор, высоковольтный трансформатор, передающую линию, СЭП-катод и анод, образующие диодный промежуток.A device is known (G. Rosenman and D Shur. Elektron emission from ferroelectrics // J of Appl. Phys. V. 88
Недостатком такого ускорителя является то, чтоThe disadvantage of such an accelerator is that
1. Электронная эмиссия с поверхности СЭП-катода начинается с определенной задержкой после подачи импульса напряжения на диодный промежуток, а это приводит к тому, что длительность токового импульса электронного потока оказывается жестко привязанной к импульсу ускоряющего напряжения от источника высоковольтных импульсов.1. Electron emission from the surface of the BOT cathode begins with a certain delay after applying a voltage pulse to the diode gap, and this leads to the fact that the duration of the current pulse of the electron beam turns out to be rigidly attached to the accelerating voltage pulse from the source of high voltage pulses.
2. Характерно отсутствие возможности изменять в широких пределах величину ускоряющего напряжения, прикладываемого к диодному промежутку ускорителя, из-за специфики используемого импульсного генератора.2. Characteristically, it is not possible to vary widely the magnitude of the accelerating voltage applied to the diode gap of the accelerator, due to the specifics of the pulse generator used.
Наиболее близким к заявленному устройству является ускоритель электронов с использованием СЭП-катода (Г.А. Месяц УФН 2008 г. т. 178, №1 стр. 85-108). Он состоит из электрически связанных между собой зарядного конденсатора, разрядника (образующих накопитель энергии); импульсного трансформатора; накопительной глицериновой линии в виде одинарной формирующей линии (ОФЛ), обостряющего разрядника и срезающего разрядника (разрядный узел) (образующих формирователь импульса совместно); делителей напряжения; кабеля питания катода (отдельного кабеля (передающей линии), обеспечивающего передачу импульса напряжения от накопителя энергии на катод для создания на его поверхности плазмы); катода и анода, образующих диод с СЭП - катодом.Closest to the claimed device is an electron accelerator using a BOT cathode (G.A. Month of Physics – Uspekhi, 2008, vol. 178, No. 1, pp. 85-108). It consists of a charge capacitor electrically connected together, a spark gap (forming an energy storage device); pulse transformer; accumulative glycerin line in the form of a single forming line (OFL), sharpening a spark gap and a cutting spark gap (discharge node) (forming a pulse shaper together); voltage dividers; cathode power cable (a separate cable (transmission line) that provides the transmission of a voltage pulse from the energy storage to the cathode to create a plasma on its surface); cathode and anode, forming a diode with a BOT - cathode.
При срабатывании разрядника накопителя энергии конденсатор разряжается на обмотку импульсного трансформатора, при этом заряжается накопительная глицериновая линия. При срабатывании обостряющего разрядника на диоде появляется импульс напряжения. Изменяя длину зазора срезающего разрядника, можно изменять длительность импульса. Когда срабатывает разрядник накопителя энергии, в разрядную цепь катода по кабелю подается напряжение необходимое для формирования плазмы на поверхности катода которое приходит раньше, чем импульс высокого напряжения, обеспечивающий ускорение электронов.When the spark gap of the energy storage device is triggered, the capacitor is discharged to the winding of the pulse transformer, while the storage glycerin line is charged. When the sharpening spark gap is triggered, a voltage pulse appears on the diode. By changing the length of the gap of the cutting spark gap, you can change the pulse duration. When the spark gap of the energy storage device is triggered, the voltage necessary for plasma formation on the cathode surface, which comes earlier than the high-voltage pulse, providing acceleration of electrons, is supplied through the cable to the discharge circuit of the cathode.
Основными недостатками данной системы являются:The main disadvantages of this system are:
1. Отсутствие возможности изменять в широких пределах величину ускоряющего напряжения, прикладываемого к диодному промежутку ускорителя, что делает невозможным варьирование энергией электронов пучка.1. The inability to vary over a wide range the magnitude of the accelerating voltage applied to the diode gap of the accelerator, which makes it impossible to vary the energy of the electron beam.
2. Невозможность менять длительность потока электронов (длительность токового импульса электронного потока).2. The inability to change the duration of the electron stream (the duration of the current pulse of the electron stream).
Техническая проблема состоит в получении электронных пучков различной длительности в широком диапазоне энергий.The technical problem is to obtain electron beams of various durations in a wide energy range.
Технический результат заключается в обеспечении возможности варьировать энергией электронов пучка и длительностью генерации пучка (длительностью токового импульса электронного потока).The technical result consists in providing the ability to vary the energy of the electron beam and the duration of the beam (the duration of the current pulse of the electron beam).
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного ускорителя электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного катода (СЭП-катода), содержащего электрически связанные между собой накопитель энергии, формирователь импульса в виде одинарной формирующей линии (ОФЛ) и разрядного узла, диод с СЭП-катодом, отдельную передающую линию, обеспечивающую передачу импульса напряжения от накопителя энергии на катод для создания на его поверхности плазмы, в предложенном ускорителе разрядный узел представляет собой единичный неуправляемый разрядник; неуправляемый разрядник включен в электрическую цепь между ОФЛ и диодом через согласующий резистор и обеспечивает коммутацию ОФЛ на диодный промежуток диода с СЭП-катодом; накопитель энергии представлен парой импульсных генераторов напряжения, связанных между собой волоконно-оптическими линиями связи через блок синхронизации, обеспечивающий коммутацию этих генераторов с различными временами задержки, причем один из генераторов накопителя электрически связан с ОФЛ формирователя импульса через емкость, а второй генератор подключен к отдельной передающей линии; ОФЛ электрически связана с генератором постоянного напряжения через резистор.The technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known electron accelerator based on a ferroelectric plasma cathode (BOT cathode), containing an energy storage device electrically connected with each other, a pulse shaper in the form of a single forming line (OFL) and a discharge unit, a diode with a BOT cathode , a separate transmission line that provides the transfer of a voltage pulse from the energy storage to the cathode to create a plasma on its surface, in the proposed accelerator, the discharge unit is a single n controlled arrester; an uncontrolled arrester is connected to the electric circuit between the OFL and the diode through a matching resistor and provides switching of the PLL on the diode gap of the diode with the SEC cathode; the energy storage device is represented by a pair of pulsed voltage generators connected to each other by fiber-optic communication lines through a synchronization unit, which provides switching of these generators with different delay times, moreover, one of the storage generators is electrically connected to the OFL of the pulse shaper through the capacitance, and the second generator is connected to a separate transmitter lines; OFL is electrically connected to a DC voltage generator through a resistor.
Предложенная схема за счет временной разницы между поджигающим разряд на поверхности СЭП-катода и ускоряющим импульсами, а также за счет наличия двух различных источников питания схемы ускорителя электронов, позволяет менять длительность токового импульса. Токовый импульс может существовать только при одновременном воздействии обоих поджигающего и ускоряющего импульсов, что приводит к возможности варьировать длительностью потока электронов в пределах 0≤tпучка≤tускоряющий импульс при условии tускоряющий импульс≤tподжигающий импульс The proposed circuit, due to the time difference between the ignition discharge on the surface of the SEC cathode and accelerating pulses, and also due to the presence of two different power sources of the electron accelerator circuit, allows changing the duration of the current pulse. A current pulse can exist only under the simultaneous action of both ignition and acceleration pulses, which makes it possible to vary the duration of the electron flux within the range 0≤t of the beam ≤t acceleration pulse under the condition t acceleration pulse ≤t ignition pulse
То есть, технически подход реализован за счет принципиально новой системы электропитания и управления ускорителем. Для этого использованы вместо накопителя энергии в виде конденсатора е разрядником накопитель энергии, представляющий собой пару генераторов импульсного напряжения определенным образом связанных, что позволяет организовать в заявляемом ускорителе две различные схемы его питания. Одна из них осуществляет предвари тельный пробой вдоль керамической поверхности катода с целью создания на этой поверхности плазмы, которая является источником электронов. Другая предназначена для формирования электрического импульса необходимой амплитуды и длительности производящего ускорение электронов пучка.That is, technically, the approach is implemented due to a fundamentally new system of power supply and accelerator control. For this purpose, instead of the energy storage device in the form of a capacitor and an arrester, an energy storage device is used, which is a pair of pulse voltage generators connected in a certain way, which allows organizing two different power supply circuits in the inventive accelerator. One of them performs a preliminary breakdown along the ceramic surface of the cathode in order to create a plasma on this surface, which is a source of electrons. Another is designed to form an electrical impulse of the required amplitude and duration of the accelerating electron beam.
В заявляемой конструкции блок синхронизации через волоконно-оптическую линию связи (световод) соединен с первым генератором импульсного напряжения, имеющим меньшее амплитудное значение напряжения. С другого выхода блок синхронизации подключен к другому генератору с большим амплитудным напряжением. Последний через емкость подсоединен к одинарной формирующей линии (ОФЛ). К этому же концу ОФЛ посредством развязывающего резистора гальванически подсоединен генератор постоянного напряжения. Сопротивление согласующего резистора в сумме с сопротивлением диода должны равняться волновому сопротивлению ОФЛ ρ=Rc+Rd, где Rc - номинал нагрузочного сопротивления - согласующего резистора, Rd - сопротивление диода.In the claimed design, the synchronization unit through a fiber optic communication line (fiber) is connected to the first pulse voltage generator having a lower amplitude voltage value. From another output, the synchronization unit is connected to another generator with a large amplitude voltage. The latter is connected through a capacitance to a single forming line (OFL). A DC voltage generator is galvanically connected to the same end of the OFL by a decoupling resistor. The resistance of the terminating resistor in total with the resistance of the diode should be equal to the wave resistance of the OFL ρ = R c + R d , where R c is the nominal load resistance - terminating resistor, R d is the resistance of the diode.
Использование ОФЛ, согласованной с сопротивлением согласующего резистора и сопротивлением диода, позволяет формировать импульсы высокого ускоряющего напряжения на диоде.Using OFL, consistent with the resistance of the terminating resistor and the resistance of the diode, allows you to generate pulses of high accelerating voltage on the diode.
Варьируя величиной напряжения, формируемого генератором импульсного напряжения с большим амплитудным напряжением, и производя настройку неуправляемого разрядника, можно изменять величину ускоряющего напряжения, что влияет на величину ускоряющего напряжения и однозначно характеризует энергию электронов пучка.Varying the magnitude of the voltage generated by the pulse voltage generator with a large amplitude voltage, and adjusting the uncontrolled arrester, you can change the magnitude of the accelerating voltage, which affects the magnitude of the accelerating voltage and uniquely characterizes the energy of the electron beam.
Длительность импульса ОФЛ, нагруженной на согласующий резистор, равна двойному пробегу электромагнитной волны по линии. Меняя длину ОФЛ, можно менять длительность электронного потока.The pulse duration of the OFL loaded on the terminating resistor is equal to the double range of the electromagnetic wave along the line. By changing the length of the PL, it is possible to change the duration of the electron beam.
Данная система обладает возможностью регулировать длительность импульса, которая реализуется благодаря возможности изменять время задержки между импульсом напряжения, создающим плазму на поверхности катода, и импульсом ускоряющего напряжения. Это осуществляется путем изменения времени задержки между коммутациями пары импульсных генераторов напряжения с помощью блока синхронизации.This system has the ability to control the pulse duration, which is realized due to the ability to change the delay time between the voltage pulse creating a plasma on the cathode surface and the accelerating voltage pulse. This is done by changing the delay time between switching a pair of pulse voltage generators using a synchronization unit.
Все признаки в совокупности работают на заявляемый технический результат и позволяют формировать импульсы ускоряющего напряжения с обеспечением возможности регулировать энергию электронов пучка и длительность генерации пучка.All the signs together work on the claimed technical result and allow you to generate accelerating voltage pulses with the ability to adjust the electron energy of the beam and the duration of the generation of the beam.
На фиг. представлена принципиальная электрическая схема заявляемого ускорителя, гдеIn FIG. presents a circuit diagram of the inventive accelerator, where
1 - импульсный генератор с меньшим амплитудным значением напряжения;1 - pulse generator with a lower amplitude value of the voltage;
2 - отдельная передающая линия;2 - a separate transmission line;
3 - генератор постоянного напряжения;3 - DC voltage generator;
4 - импульсный генератор с большим амплитудным значением напряжения;4 - pulse generator with a large amplitude voltage value;
5 - блок синхронизации;5 - block synchronization;
6 - развязывающий резистор;6 - decoupling resistor;
7 - емкость;7 - capacity;
8 - ОФЛ;8 - OFL;
9 - неуправляемый разрядник;9 - uncontrolled arrester;
10 - СЭП-кэтод;10 - SES-cathode;
11 - согласующий резистор;11 - terminating resistor;
12 - пучок электронов.12 - electron beam.
Устройство работает следующим образомThe device operates as follows
Генератор постоянного напряжения Uг 3 через развязывающий резистор 6 заряжает ОФЛ и переводит неуправляемый разрядник в пред пробойное состояние при выполнении условия Uг<Uпр, где Uпр - пробойное напряжение неуправляемого разрядника 9. В качестве импульсных генераторов использовались импульсные генераторы напряжения [1].The DC
В исходном положении импульсные генераторы напряжения 1 и 4 находятся в заряженном состоянии. В начальный момент времени с блока синхронизации 5 по волоконно-оптической линии связи (световоду) происходит сначала коммутация импульсного генератора с меньшим амплитудным значением напряжения. Сгенерированный им высоковольтный импульс напряжения длительностью τ амплитудой U1, через передающую линию 2 подается на СЭП-катод 10, в результате по керамической поверхности катода происходит поверхностный пробой, создающий плазму, являющуюся источником электронов для ускорителя. С некоторой задержкой Δτ с блока синхронизации по оптическому каналу производится запуск импульсного генератора с большим амплитудным значением напряжения U2. Сформированный им импульс через емкость 7 подается на ОФЛ 8. Важно отметить, что импульс с этого генератора превосходит величину напряжения генератора постоянного напряжения U2>Uпр>Uг, что приводит к уверенному пробою неуправляемого разрядника 9. Далее импульс высокого напряжения U1, от ОФЛ через согласующий резистор 11 поступает на ускоряющий промежуток диода электронного ускорителя, что приводит к формированию электронного потока 12. Сопротивление согласующего резистора в сумме с сопротивлением диода должны равняться волновому сопротивлению ОФЛ ρ=Rc+Rd, где Rc - номинал нагрузочного сопротивления - согласующего резистора, Rd - сопротивление диода.In the initial position, the
Ускоритель электронов выполнен следующим образом.The electron accelerator is made as follows.
ОФЛ изготовлена из отрезка коаксиального кабеля КВИ - 100.OFL is made of a piece of coaxial cable KVI - 100.
В качестве импульсного генератора напряжения с меньшим амплитудным значением напряжения 1 использовался генератор, который обладает следующими характеристиками:As a pulse voltage generator with a lower amplitude value of
- задержка срабатывания: ±2 нс;- response delay: ± 2 ns;
- длительность импульса напряжение: 10 кВ;- pulse duration voltage: 10 kV;
- фронт формируемого импульса: до 5 нс;- front of the generated pulse: up to 5 ns;
- задержка импульса напряжения: 500 нс.- voltage pulse delay: 500 ns.
Генератор с большим амплитудным значением напряжения 4 - второй импульсный генератор напряжения, характеристики которого таковы:The generator with a large amplitude value of voltage 4 is the second pulse voltage generator, the characteristics of which are as follows:
- выходное напряжение: от 60 до 80 кВ;- output voltage: from 60 to 80 kV;
- фронт формируемого импульса: до 5 нс- front of the generated pulse: up to 5 ns
- задержка срабатывания ±2 нс.- response delay ± 2 ns.
Для улучшения стабильности срабатывания неуправляемого разрядника 9 одинарная формирующая линия 8 находится в заряженном состоянии. Заряд этой линии осуществляется источником постоянного напряжения 3-25 кВ через развязывающий резистор 6-100 кОм. Для устранения связи по постоянному току формирующей линии и второго импульсного генератора напряжения 4 использован конденсатор 7 К15-10 3300 пФ ×31,5 кВ. Резистор 6 ограничивает ток генератора 4 и устраняет его влияние на формируемый выходной импульс. По достижении напряжения, при котором происходит пробой разрядника, на ускоряющем промежутке формируется импульс напряжения отрицательной полярности. Проверка показала возможность регулирования длительности в диапазоне от 5 нс до 1 мкс и энергии электронов пучка в диапазоне от 2 кэВ до 40 кэВ.To improve the stability of operation of the
Таким образом, за счет предложенных усовершенствований схемы питания ускорителя электронов и управления ускорителем по сравнению с прототипом обеспечена возможность регулирования такими его параметрами, как энергия электронов пучка и длительность генерации пучка (длительность токового импульса электронного потока).Thus, due to the proposed improvements in the power supply circuit of the electron accelerator and accelerator control compared to the prototype, it is possible to control such parameters as the electron energy of the beam and the duration of beam generation (duration of the current pulse of the electron beam).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018110476A RU2705207C2 (en) | 2018-03-23 | 2018-03-23 | Electron accelerator based on ferroelectric plasma cathode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018110476A RU2705207C2 (en) | 2018-03-23 | 2018-03-23 | Electron accelerator based on ferroelectric plasma cathode |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2018110476A3 RU2018110476A3 (en) | 2019-09-23 |
RU2018110476A RU2018110476A (en) | 2019-09-23 |
RU2705207C2 true RU2705207C2 (en) | 2019-11-06 |
Family
ID=68083869
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018110476A RU2705207C2 (en) | 2018-03-23 | 2018-03-23 | Electron accelerator based on ferroelectric plasma cathode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2705207C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1131451A1 (en) * | 1983-07-11 | 1995-06-09 | А.И. Павловский | Pulse electron accelerator |
US6355992B1 (en) * | 1998-08-11 | 2002-03-12 | Utron Inc. | High voltage pulse generator |
US20120200238A1 (en) * | 2009-08-21 | 2012-08-09 | Thales | Microwave Device for Accelerating Electrons |
WO2015039101A1 (en) * | 2013-09-16 | 2015-03-19 | Kla-Tencor Corporation | Electron emitter device with integrated multi-pole electrode structure |
RU2646845C2 (en) * | 2016-07-12 | 2018-03-12 | Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Приборов" | Device for forming pulse of high-current electron accelerator |
-
2018
- 2018-03-23 RU RU2018110476A patent/RU2705207C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1131451A1 (en) * | 1983-07-11 | 1995-06-09 | А.И. Павловский | Pulse electron accelerator |
US6355992B1 (en) * | 1998-08-11 | 2002-03-12 | Utron Inc. | High voltage pulse generator |
US20120200238A1 (en) * | 2009-08-21 | 2012-08-09 | Thales | Microwave Device for Accelerating Electrons |
WO2015039101A1 (en) * | 2013-09-16 | 2015-03-19 | Kla-Tencor Corporation | Electron emitter device with integrated multi-pole electrode structure |
RU2646845C2 (en) * | 2016-07-12 | 2018-03-12 | Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Приборов" | Device for forming pulse of high-current electron accelerator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2018110476A3 (en) | 2019-09-23 |
RU2018110476A (en) | 2019-09-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20080036301A1 (en) | Photon Initiated Marxed Modulators | |
KR101838703B1 (en) | Highprecision synchronization of pulsed gasdischarge lasers | |
US4422013A (en) | MPD Intense beam pulser | |
EP2158796A1 (en) | Beam transport system and method for linear accelerators | |
CN108369885B (en) | Method for generating electron beam in transmission electron microscope equipment | |
JPH08132321A (en) | Discharge excitation pulse laser device | |
RU2705207C2 (en) | Electron accelerator based on ferroelectric plasma cathode | |
US4975921A (en) | Integrated prepulse circuits for efficient excitation of gas lasers | |
Mayes et al. | Sub-nanosecond jitter operation of Marx generators | |
US5444308A (en) | Nanosecond transmission line charging apparatus | |
RU2682305C1 (en) | High-voltage pulse generator | |
CN105743441A (en) | Fast high-current pulse excitation circuit with adjustable pulse width, amplitude and intra-pulse slope | |
US3510713A (en) | Method of and appparatus for producing a highly concentrated beam of electrons | |
Brussaard et al. | A 2.5-MV subnanosecond pulser with laser-triggered spark gap for the generation of high-brightness electron bunches | |
Edwards et al. | Sprite‐a high power E‐beam pumped KrF laser | |
RU2653505C1 (en) | Electron accelerator based on the ferroelectric plasma cathode | |
RU2646845C2 (en) | Device for forming pulse of high-current electron accelerator | |
Batrakov et al. | Digital Triggering Device and Generator of Starting Pulses for Ignition of Spark Gaps of REB Accelerator TEMP” | |
US4185244A (en) | High voltage nanosecond pulser using a repetitive series interrupter | |
US2487923A (en) | Electric circuits, comprinsing electric discharge devices | |
RU2113052C1 (en) | Method and device for shaping complex-waveform bremsstrahlung pulse | |
Batrakov et al. | Triggering pulse generators developed for the high-voltage dischargers of magnetic systems and for the generator of pulse voltages used by the relativistic electron beam accelerator" TEMP-B" | |
TWI651748B (en) | Low pressure wire ion plasma discharge source, and application to electron source with secondary emission | |
RU2643175C1 (en) | Method for obtaining pulses of braking radiation with complex amplitude-temporary parameters and device for its implementation | |
Lewis et al. | Some high voltage pulse techniques in use at Argonne |