RU2032283C1

RU2032283C1 - Nanosecond accelerator

Info

Publication number: RU2032283C1
Authority: RU
Inventors: Э.Г. Фурман
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: acceleration engineering. SUBSTANCE: shaping line is made in the form of set of coaxial strip lines where even-numbered lines are connected through cables embracing common ferromagnetic core 13 by left- and right-hand wound turns relative to central even-numbered line to common switch and pulsed power supply 17 is placed inside set of strip lines and connected through cable forming one turn more around ferromagnetic core than number of turns of external even-numbered line. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации мощных пучков заряженных частиц в наносекундной области. The invention relates to accelerator technology and is intended to generate powerful beams of charged particles in the nanosecond region.

Целью изобретения является повышение импульсной мощности и уменьшение весогабаритных характеристик устройства за счет снижения времени воздействия высокого напряжения на элементы конструкции ускорителя. The aim of the invention is to increase the pulse power and reduce the weight and size characteristics of the device by reducing the time of exposure to high voltage on the structural elements of the accelerator.

На фиг. 1 показана структурная схема ускорителя; на фиг.2- принципиальная электрическая схема; на фиг.3 - эпюры действующих напряжений и токов в схеме. На фиг.1-3 показаны электроды 1-8 полосковых формирующих линий, соединительные кабели-витки 9-12, ферромагнитный сердечник 13, разрядник 14, управляющий электрод 15, датчик 16 нуля тока, импульсный источник 17 питания, обостряющий разрядник 18, катодно-анодный промежуток 19 и 20, изолятор 21, накопительный конденсатор 22, тиристор 23, виток 24. На фиг.3 показаны эпюры: напряжение 25 накопительного конденсатора 22, напряжение 26 четных линий (C₂, С₄, С₆, С₈ - фиг.2), напряжение 27 нечетных линий, импульс 28 датчика нуля тока, ЭДС 29 одного витка сердечника 13, ток 30 намагничивания сердечника, напряжение 31 на обостряющем разряднике (равное напряжению между крайними электродами 1 и 8), ток 32 в катодно-анодном промежутке.In FIG. 1 shows a block diagram of an accelerator; figure 2 is a circuit diagram; figure 3 - plot of current voltages and currents in the circuit. Figure 1-3 shows the electrodes 1-8 of the strip forming lines, connecting cables-coils 9-12, a ferromagnetic core 13, a spark gap 14, a control electrode 15, a current sensor 16, a pulsed power source 17, sharpening the gap 18, the cathode anode gap 19 and 20, insulator 21, storage capacitor 22, thyristor 23, turn 24. Figure 3 shows the diagrams: voltage 25 of storage capacitor 22, voltage of 26 even lines (C ₂ , C ₄ , C ₆ , C ₈ - Fig .2), voltage 27 odd lines, pulse 28 of the zero current sensor, EMF 29 of one turn of the core 13, current 30 of the magnet core, voltage 31 on the sharpening spark gap (equal to the voltage between the extreme electrodes 1 and 8), current 32 in the cathode-anode gap.

Конструктивно ускоритель содержит полосковые формирующие линии коаксиального исполнения с электродами 1-8, которые через кабели-витки 9-11 подключены к разряднику 14. Центральная четная линия, образованная электродами 4 и 5 (фиг. 1), подключена к разряднику, не образуя витков вокруг сердечника. Внешняя четная линия (электродов 2 и 3) подключена к разряднику 14 кабелем-витком, охватывающим сердечник 13 витком с левосторонней намоткой, а внутренняя четная линия (электроды 6 и 7) подключена к разряднику кабелем-витком, образующим вокруг сердечника 13 виток с правосторонней намоткой. Центральные (потенциальные) жилы кабелей-витков подключены к аноду разрядника, а оплетка кабелей-витков - к катоду разрядника. На принципиальной схеме (фиг.2) показано одиннадцать линий, и центральной четной линией является линия с емкостью С₆. Источник питания (повышающий импульсный источник 17, цепь синхронизации разрядника датчик 16 нуля тока) и разрядник размещены в полости набора полосковых линий, т.е. внутренний электрод 8 является баком для их размещения. Первичная обмотка импульсного источника 17 питания с помощью кабеля-витка 12, образующего витки вокруг ферромагнитного сердечника 13, подключена к первичному накопителю (конденсатор 22, тиристор 23). Внешний электрод 1 и внутренний электрод 8 подключены к нагрузке (катодно-анодный промежуток 19 и 20) через обостряющий разрядник 18. При этом изолятор 21 образует корпус обостряющего разрядника и вакуумную камеру ускорителя. Внутренний электрод 8 с соседним (по потенциалу) электродом 6 соединен витком 24, уложенным вокруг ферромагнитного сердечника.Structurally, the accelerator contains strip forming lines of a coaxial design with electrodes 1-8, which are connected through a winding cable 9-11 to a spark gap 14. The central even line formed by electrodes 4 and 5 (Fig. 1) is connected to the spark gap without forming turns around core. The outer even line (electrodes 2 and 3) is connected to the spark gap 14 by a cable-coil covering the core 13 with left-hand winding, and the inner even line (electrodes 6 and 7) is connected to the spark gap by a cable-coil forming a round-neck coil around the core 13 . The central (potential) cores of the cable-coils are connected to the anode of the arrester, and the braid of the cable-coils is connected to the cathode of the arrester. The circuit diagram (figure 2) shows eleven lines, and the center even line is a line with a capacity of C ₆ . The power source (boost pulse source 17, the synchronization circuit of the spark gap current sensor 16 current) and the spark gap are placed in the cavity of a set of strip lines, i.e. the inner electrode 8 is a tank for their placement. The primary winding of the pulsed power supply 17 using a cable-coil 12, forming coils around the ferromagnetic core 13, is connected to the primary drive (capacitor 22, thyristor 23). The outer electrode 1 and the inner electrode 8 are connected to the load (cathode-anode gap 19 and 20) through the sharpening arrester 18. In this case, the insulator 21 forms the body of the sharpening arrester and the vacuum chamber of the accelerator. The inner electrode 8 with the adjacent (potential) electrode 6 is connected by a coil 24, laid around a ferromagnetic core.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 22 заряжен (фиг.2). Энергия в остальных элементах схемы отсутствует. При включении тиристора 23 конденсатор 22 по кабелю разряжается на первичную обмотку импульсного источника 17. ЭДС вторичной обмотки прикладывается к разряднику 14 и через кабели-витки заряжаются четные линии С₂, С₄, С₆, С₈, С₁₀. Нечетные линии С₁, С₃, С₅, С₇, С₉ заряжаются через оплетку одного кабеля-витка и центральную жилу соседнего кабеля-витка. Поскольку кабели-витки имеют разные числа витков и различное направление намотки (на фиг.2 это показано (-3 В), (-2 В) и (-1 В) для левосторонней намотки, О В без витка, 1 В и 2 В для правосторонней намотки) при заряде нечетных линий возникают некомпенсированные ампер-витки, которые размагничивают сердечник 13. Последняя нечетная линия С₁₁ заряжается через оплетку кабеля, имеющего два витка 2 В и виток 24, который соединяет внутренний электрод с ближайшим однопотенциальным. В момент времени t₁, когда ток заряда линий переходит нулевое значение (фиг.3), формируется импульс с датчика 16 нуля тока на запуск разрядника 14. До момента времени t₁ ЭДС четных и нечетных емкостей, кроме последней С₁₁, уравновешивают друг друга.In the initial state, the storage capacitor 22 is charged (figure 2). Energy in the remaining elements of the circuit is absent. When the thyristor 23 is turned on, the capacitor 22 is discharged through the cable to the primary winding of the pulse source 17. The EMF of the secondary winding is applied to the arrester 14 and the even lines C ₂ , C ₄ , C ₆ , C ₈ , C ₁₀ are charged through the turns. The odd lines С ₁ , С ₃ , С ₅ , С ₇ , С ₉ are charged through the braid of one cable-coil and the central core of the adjacent cable-coil. Since the cable-coils have different numbers of turns and a different direction of winding (Fig. 2 shows (-3 V), (-2 V) and (-1 V) for left-hand winding, OV without winding, 1 V and 2 V for right-handed winding) when charging odd lines, uncompensated ampere coils arise that demagnetize core 13. The last odd line C ₁₁ is charged through the braid of a cable having two 2 V turns and 24 round, which connects the internal electrode to the nearest single-potential one. At time t ₁ , when the charge current of the lines passes a zero value (Fig. 3), a pulse is generated from the current zero sensor 16 to start the spark gap 14. Until time t _{1, the} EMFs of even and odd capacitances, except for the last C ₁₁ , balance .

При пробое разрядника четные линии перезаряжаются через кабели-витки. Нечетные линии могут разряжаться только через соседние кабели-витки, число витков которых отличается на единицу (фиг.2, 1 витки кабелей 9-12 и виток 24, которые образуют ряд, отличающийся на один виток -3 В, -2 В, -1 В, 0 В, 1 В, 2 В и один проводник-виток 24). Ток разряда нечетных линий ограничивается током перемагничивания сердечника 13, величина которого определяется характеристикой петли перемагничивания материала сердечника, его геометрическими размерами. When the spark gap is broken, the even lines are recharged through the cable-coils. Odd lines can be discharged only through adjacent cable-turns, the number of turns of which differs by one (Fig. 2, 1 turns of cables 9-12 and turn 24, which form a row that differs by one turn -3 V, -2 V, -1 V, 0 V, 1 V, 2 V and one conductor-coil 24). The discharge current of the odd lines is limited by the magnetization reversal current of the core 13, the value of which is determined by the characteristic of the magnetization reversal loop of the core material, its geometric dimensions.

Четные линии перезаряжаются через кабели-витки и время перезаряда их - интервал времени t₁ - t₂ (фиг.3) определяется величиной индуктивности коаксиальных кабелей, образующих витки, и величиной одной емкости полосковой линии. При этом ферромагнитный сердечник 13 не оказывает на них практически никакого влияния. Если обеспечивается равная индуктивность кабелей-витков с различным числом витков вокруг сердечника 13 (фиг.2), то к моменту времени t₃ (фиг.3) четные емкости С₂, С₄, С₆, С₈, С₁₀ полностью перезарядятся. При этом к обостряющему разряднику в момент времени t₃ будет приложено напряжение, равное сумме напряжений всех емкостей С₁, С₂...С₁₁, т.е. будет равно (2n + 1)U_o, где U_o - напряжение заряда емкостей к моменту времени t₁, а n - любое нечетное число > 1, равное численно числу цепей перезаряда четных емкостей (для фиг.1 n = 3, для фиг.2 n = 5 и т.д.).The even lines are recharged through the cable-coils and their recharge time - the time interval t ₁ - t ₂ (Fig. 3) is determined by the inductance of the coaxial cables forming the coils and the value of one strip line capacitance. In this case, the ferromagnetic core 13 has almost no effect on them. If equal inductance of the cable-coils with a different number of turns around the core 13 (FIG. 2) is ensured, then by the time t ₃ (FIG. 3) the even capacitances C ₂ , C ₄ , C ₆ , C ₈ , C _{10 will be} completely recharged. At the same time, a voltage equal to the sum of the voltages of all capacities C ₁ , C ₂ ... C ₁₁ will be applied to the sharpening spark gap at time t ₃ , i.e. will be equal to (2n + 1) U _o , where U _o is the voltage of the charge of the capacitors at time t ₁ , and n is any odd number> 1, numerically equal to the number of charge chains of even capacities (for figure 1, n = 3, for FIG. .2 n = 5, etc.).

Если обостряющий разрядник 18 пробивается в момент времени t₂, то к катодно-анодному промежутку ускорителя подключается коаксиальная одинарная линия с электродами 1 и 8 (фиг.1), между которыми разность потенциалов стремится к величине (2n + 1)U_о и в интервале времени t₃-t₂ = τ формируется импульс тока пучка 32. Если волновое сопротивление линии, образованной крайними обкладками набора полосковых линий, равно импедансу нагрузки катодно-анодному промежутку, а пробой обостряющего разрядника происходит в момент времени t₂, отстоящий от момента времени окончания перезаряда четных линий t₃ на время пробега волны по длине линии, т.е. τ/2 , то в согласованном режиме вся энергия полосковых линий С₁-С₁₁ будет передана в нагрузку, за исключением потерь перезаряда четных линий, перемагничивания сердечника 13. В витках кабелей 9-12 останется только ток 30 перемагничивания ферромагнитного сердечника 13.If the sharpening spark gap 18 breaks through at time t ₂ , then a coaxial single line with electrodes 1 and 8 (Fig. 1) is connected to the cathode-anode gap of the accelerator, between which the potential difference tends to the value (2n + 1) U _о and in the interval time t ₃ -t ₂ = τ shaped beam current pulse 32. If the wave impedance of the line formed by the extreme electrodes striplines set equal to the load impedance of the cathode-anode gap and sharpening spark gap breakdown occurs at time t _2, the time points spaced from audio closure overcharging even lines in time t ₃ the waves run along the length of the line, i.e. τ / 2, then in the coordinated mode all the energy of the strip lines С ₁ -С ₁₁ will be transferred to the load, with the exception of losses of overcharging of even lines, magnetization reversal of the core 13. In the turns of cables 9-12 there will be only the magnetization reversal current 30 of the ferromagnetic core 13.

Таким образом, при формировании импульса тока пучка непосредственно разряжается отрезок времени коаксиальной линии, минуя цепи перезаряда четных линий, что позволяет обеспечивать максимально возможную скорость передачи энергии, а следовательно, иметь и максимальную импульсную мощность, определяемую параметрами линии, образованной крайними электродами полосковой линии. Наличие кабелей-витков с право- и левосторонней намоткой позволяет уменьшить в два раза длину кабелей-витков и тем самым уменьшить их собственную индуктивность, что приводит к сокращению времени воздействия высокого напряжения на изоляцию устройства (изолятор 21, обостряющий разрядник) интервал времени t₁-t₂, что также позволяет увеличивать импульсную мощность.Thus, during the formation of a beam current pulse, the time interval of the coaxial line is directly discharged, bypassing the even-line recharge circuit, which ensures the maximum possible energy transfer rate and, therefore, has the maximum pulse power determined by the parameters of the line formed by the extreme electrodes of the strip line. The presence of cable-coils with right- and left-hand winding can halve the length of cable-coils and thereby reduce their own inductance, which reduces the time of exposure to high voltage on the insulation of the device (insulator 21, sharpening the arrester) time interval t ₁ - t ₂ , which also allows to increase the pulse power.

В представленной на фиг.1 схеме устройства импульсный источник 17, цепи синхронизации разрядника и сам разрядник расположены внутри набора полосковых линий и имеют потенциал центральной четной полосковой линии, т.е. той линии, которая подключена кабелем, не образующим витков вокруг ферромагнитного сердечника. Относительно первичного источника питания (накопительный конденсатор 22, тиристор 23) этот потенциал при работе уравновешивается на кабеле-витке 12, который имеет на один виток больше, чем число витков кабеля внешней четной линии. Кабель 12 может быть многожильным и содержать не только цепь питания первичной обмотки импульсного источника питания, но и контрольные цепи для управления, контроля и синхронизации работы разрядника 14. In the device diagram of FIG. 1, the pulse source 17, the synchronization circuits of the spark gap and the spark gap itself are located inside a set of strip lines and have the potential of a central even strip line, i.e. the line that is connected by a cable that does not form turns around the ferromagnetic core. Relative to the primary power source (storage capacitor 22, thyristor 23), this potential is balanced during operation on cable-coil 12, which has one turn more than the number of turns of the external even line cable. Cable 12 may be multi-core and contain not only the primary circuit of the primary winding of the switching power supply, but also control circuits for controlling, monitoring and synchronizing the operation of the spark gap 14.

Claims

1. NANOSECOND ACCELERATOR containing a cathode-anode gap, sharpening a spark gap, a set of an odd number of strip lines of coaxial design, a switching power supply, cables connecting even lines of a set to a switch, and cables of any even line except the central one are made with a variable number of turns around a common ferromagnetic core, characterized in that the cables of the even strip lines of the set located on the larger and smaller diameters relative to the center line are made respectively with right- and left-hand winding of turns around the ferromagnetic core, and the number of turns equal to the serial number of the line, counting from the central one, and the power source is connected to an even line located on the smaller diameter of the set with a cable having one turn more than the number of turns of an even line cable having the largest diameter.

2. The accelerator according to claim 1, characterized in that the inner lining of the set of strip lines is connected to the inner lining of the adjacent line with a cable covering the ferromagnetic core in one turn.