RU2059345C1 - Heavy-current pulsed accelerator - Google Patents

Heavy-current pulsed accelerator Download PDF

Info

Publication number
RU2059345C1
RU2059345C1 RU93016038A RU93016038A RU2059345C1 RU 2059345 C1 RU2059345 C1 RU 2059345C1 RU 93016038 A RU93016038 A RU 93016038A RU 93016038 A RU93016038 A RU 93016038A RU 2059345 C1 RU2059345 C1 RU 2059345C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
chopper
diodes
accelerator
inductance
Prior art date
Application number
RU93016038A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93016038A (en
Inventor
Ю.А. Котов
С.К. Любутин
С.Н. Рукин
А.Л. Филатов
Original Assignee
Институт электрофизики Уральского отделения РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт электрофизики Уральского отделения РАН filed Critical Институт электрофизики Уральского отделения РАН
Priority to RU93016038A priority Critical patent/RU2059345C1/en
Publication of RU93016038A publication Critical patent/RU93016038A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2059345C1 publication Critical patent/RU2059345C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: acceleration engineering; production of heavy-current charged-particle beams of currents amounting to tens of microamperes, energy of several megaelectronvolts and pulse length of 10-100 ns. SUBSTANCE: accelerator has charging energy-storage capacitor, switch, shaping inductance coil, current chopper, and vacuum diode. Current chopper is, essentially, assembly of series-and-parallel- connected high-voltage semiconductor rectifier diodes; storage capacitor value C and shaping inductance coil value L are interrelated with lifetime of holes τр in n-base of diodes by equation 2π•(LC)1/2= (0,1-0,5)τp. EFFECT: improved power due to raising pulse repetition rate, simplified design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения сильноточных пучков заряженных частиц с токами в десятки килоампер, энергией до нескольких мегаэлектронвольт и длительностью импульса 10-100 нс. The invention relates to accelerator technology and can be used to obtain high-current beams of charged particles with currents of tens of kiloamperes, energies of up to several megaelectron-volts and a pulse duration of 10-100 ns.

Известны наносекундные сильноточные импульсные ускорители, содержащие зарядный источник, формирующую линию, выходной коммутатор и нагрузку в виде вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом [1]
Недостаток таких ускорителей состоит в малой удельной запасаемой энергии емкостной формирующей линии и в необходимости применения выходного коммутатора, рассчитанного на полное напряжение установки. Это приводит к тому, что такие ускорители громоздки и сложны в эксплуатации.Known nanosecond high-current pulse accelerators containing a charging source, forming a line, an output switch and a load in the form of a vacuum diode with an explosion-emission cathode [1]
The disadvantage of such accelerators is the low specific stored energy of the capacitive forming line and the need to use an output switch designed for the full voltage of the installation. This leads to the fact that such accelerators are bulky and difficult to operate.

Наиболее близким к предлагаемому является сильноточный импульсный ускоритель [2] содержащий зарядный генератор по схеме Аркадьева-Маркса, формирующую индуктивность, вакуумный диод и прерыватель тока, основанный на электрическом взрыве проволочек (ЭВП). При включении зарядного генератора через формирующую индуктивность и ЭВП-прерыватель протекает синусоидальный ток. Амплитуда и длительность тока и параметры ЭВП-прерывателя подобраны так, что в момент максимума тока происходит взрыв проволочек, на формирующей индуктивности и прерывателе возникает импульс напряжения, который приводит к генерированию сильноточного электронного пучка в вакуумном диоде, включенном параллельно ЭВП-прерывателю. Closest to the proposed is a high-current pulse accelerator [2] containing a charging generator according to the Arkadyev-Marx scheme, forming an inductance, a vacuum diode and a current chopper based on an electric explosion of wires (EEC). When the charging generator is turned on, a sinusoidal current flows through the forming inductance and the EEC breaker. The amplitude and duration of the current and the parameters of the EEC chopper are selected so that at the time of the maximum current the wires explode, a voltage pulse appears on the forming inductance and the chopper, which leads to the generation of a high-current electron beam in a vacuum diode connected in parallel with the EEC chopper.

Недостаток ускорителя состоит в небольшой средней мощности электронного пучка, поскольку частота следования импульсов ограничена невозможностью быстрой замены ЭВП-прерывателя, осуществляемой с помощью механических средств, а также в сложной конструкции ускорителя, связанной с наличием дополнительной механической системы для замены ЭВП-прерывателя после каждого импульса. The disadvantage of the accelerator is the small average electron beam power, since the pulse repetition rate is limited by the impossibility of quickly replacing the EEC chopper by mechanical means, as well as the complicated design of the accelerator associated with the presence of an additional mechanical system to replace the EEC chopper after each pulse.

Цель изобретения повышение средней мощности путем увеличения частоты следования импульсов и упрощение конструкции ускорителя. The purpose of the invention is to increase the average power by increasing the pulse repetition rate and simplifying the design of the accelerator.

Цель достигается тем, что в известном сильноточном импульсном ускорителе, содержащем зарядный емкостной накопитель энергии, коммутатор, формирующую индуктивность и прерыватель тока, параллельно которому подключена нагрузка в виде вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом, прерыватель тока выполнен в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, причем емкость зарядного источника С и величина формирующей индуктивности L связаны с временем жизни дырок τp в n-базе диодов соотношением
2 π (LC)1/2=(0,1-0,5) τp.The goal is achieved by the fact that in the known high-current pulse accelerator containing a charging capacitive energy storage device, a switch forming an inductance and a current chopper, in parallel with which a load is connected in the form of a vacuum diode with an explosive emission cathode, the current chopper is made in the form of an assembly of series-parallel connected high-voltage rectifier semiconductor diodes, wherein the battery source capacitance C and inductance L value forming associated with time τ p hole lifetime in n-base d odov ratio
2 π (LC) 1/2 = (0.1-0.5) τ p .

Диоды прерывателя могут быть размещены в теле изолятора вакуумного диода. The chopper diodes can be placed in the body of the insulator of the vacuum diode.

Существенным отличительным признаком заявляемого устройства является выполнение прерывателя в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, время жизни дырок τp в которых связано с параметрами L и С ускорителя. При выполнении вышеприведенного соотношения диоды прерывают ток, протекающий по ним и по формирующей индуктивности, т.е. выполняют функцию ЭВП-прерывателя тока. Отсутствие механически движущихся частей, целостность и постоянная готовность к работе полупроводниковых диодов позволяют увеличить частоту следования импульсов ускорителя до десятков и сотен герц и увеличить среднюю мощность устройства, а также существенно упростить его конструкцию.An essential distinguishing feature of the claimed device is the implementation of the chopper in the form of an assembly of series-parallel connected high-voltage rectifier semiconductor diodes, the hole lifetime τ p in which is associated with the parameters L and C of the accelerator. When the above relation is fulfilled, the diodes interrupt the current flowing through them and along the forming inductance, i.e. perform the function of an EEC current chopper. The absence of mechanically moving parts, the integrity and constant operational readiness of semiconductor diodes make it possible to increase the repetition rate of the accelerator pulses to tens and hundreds of hertz and increase the average power of the device, as well as significantly simplify its design.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предложенного устройства; на фиг.2 эпюры токов и напряжений на прерывателе и вакуумном диоде; на фиг.3 один из возможных вариантов конструктивного размещения прерывателя в ускорителе. Figure 1 shows a circuit diagram of the proposed device; figure 2 plots of currents and voltages on the chopper and the vacuum diode; figure 3 one of the possible options for the structural placement of the chopper in the accelerator.

Ускоритель содеpжит (фиг. 1) зарядный емкостной накопитель 1 энеpгии с емкостью С, в качестве которого может быть использован, например, генеатоp Аркадьева-Маркса, коммутатор 2 в виде искрового разрядника, формирующую индуктивность 3 с индуктивностью L, прерыватель 4 тока, выполненный в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов и вакуумный диод 5 с промежутком катод (К) анод (А). The accelerator contains (Fig. 1) a charging capacitive energy storage device 1 with a capacity C, for which, for example, an Arkadyev-Marx generator, a switch 2 in the form of a spark gap, forming an inductance 3 with an inductance L, a current chopper 4, made in in the form of an assembly of series-parallel connected high-voltage rectifier semiconductor diodes and a vacuum diode 5 with a gap of the cathode (K) anode (A).

Работа ускорителя осуществляется следующим образом. The accelerator is as follows.

При включении разрядника (коммутатора 2) предварительно заряженный емкостной накопитель 1 обеспечивает протекание тока накачки iнсинусоидальной формы по формирующей индуктивности 3 и прерывателю 4 (фиг.2, кривая 1). Напряжение на вакуумном диоде ускорителя Uд при этом отсутствует, поскольку последний зашунтирован диодами прерывателя, находящимися в проводящем состоянии. Поскольку длительность импульса прямого тока t1-t0 π(LC)1/2 меньше времени жизни дырок τp, диоды не успевают восстановить свои запирающие свойства, и после импульса прямого тока по ним начинает протекать нарастающий синусоидальный обратный ток. При выполнении вышеприведенного соотношения, связывающего параметры С, L и τp, диоды восстанавливают свои запирающие свойства в момент времени t2, когда обратный ток близок к своему максимальному значению. К этому моменту времени энергия из емкостного зарядного источника оказывается переведенной в формирующую индуктивность L. Последующий обрыв тока в диодах прерывателя за время t3-t2, которое в несколько раз меньше времени t2-t1, приводит к возникновению на формирующей индуктивности, прерывателе и вакуумном диоде импульса высокого напряжения (кривая 2), который генерирует в межэлектродном промежутке между катодом и анодом импульсный электронный пучок с током iэп (кривая 3).When you turn on the spark gap (switch 2), the pre-charged capacitive storage 1 ensures the flow of the pump current i n in a sinusoidal form along the forming inductance 3 and the chopper 4 (figure 2, curve 1). The voltage on the vacuum diode of the accelerator U d is absent, since the latter is shunted by the interrupter diodes in a conducting state. Since the duration of the forward current pulse t 1 -t 0 π (LC) 1/2 is less than the hole lifetime τ p , the diodes do not have time to restore their blocking properties, and after the forward current pulse, an increasing sinusoidal reverse current begins to flow through them. When the above relation, linking the parameters C, L and τ p , is fulfilled, the diodes restore their blocking properties at time t 2 when the return current is close to its maximum value. At this point in time, the energy from the capacitive charging source is transferred to the forming inductance L. The subsequent interruption of the current in the diodes of the chopper for a time t 3 -t 2 , which is several times less than the time t 2 -t 1 , leads to the appearance on the forming inductance, the chopper and a vacuum diode of a high voltage pulse (curve 2), which generates a pulsed electron beam with a current i ep in the interelectrode gap between the cathode and anode (curve 3).

На фиг.3 приведен один из возможных вариантов конструктивного размещения прерывателя в ускорителе. В корпусе 7, заполненном трансформаторным маслом или сжатым газом, расположены емкостной зарядный источник (накопитель 1), коммутатор 2 и формирующая индуктивность 3. Диоды прерывателя 4 размещены в теле изолятора 6 вакуумного диода 5. В таком варианте исполнения изолятор вакуумного диода ускорителя кроме своих традиционных функций выполняет и функцию прерывателя тока. Кроме этого такая компоновка выходного узла ускорителя, максимально приближающая прерыватель к катододержателю 8, позволяет снизить индуктивность подключения вакуумного диода к прерывателю и увеличить мощность электронного пучка на выходе ускорителя. Figure 3 shows one of the possible options for the structural placement of the chopper in the accelerator. In the housing 7, filled with transformer oil or compressed gas, there is a capacitive charging source (drive 1), a switch 2 and a forming inductance 3. The chopper diodes 4 are placed in the body of the insulator 6 of the vacuum diode 5. In this embodiment, the accelerator vacuum diode insulator, in addition to its traditional functions performs the function of a current chopper. In addition, this arrangement of the output node of the accelerator, maximally approximating the chopper to the cathode holder 8, reduces the inductance of connecting the vacuum diode to the chopper and increases the power of the electron beam at the output of the accelerator.

Материал основан на экспериментально обнаруженном эффекте резкого обрыва обратного тока в высоковольтных выпрямительных диодах. Были исследованы следующие типы высоковольтных выпрямительных столбов: КЦ105Д, КЦ108В, КЦ201Е, 2Ц202Е, СДЛ 0,4-800, СДЛ 0,4-1300, СДЛ 0,4-1600. Исследовались как одиночные столбы, так и сборки с суммарным количеством параллельно-последовательно соединенных столбов до 100 штук. Во всех типах диодов был обнаружен эффект резкого обрыва обратного тока. Этот эффект наблюдается, когда параметры L и С ускорителя связаны с временем жизни дырок τp в n-базе диодов соотношением:
2 π (LC)1/2=K τp, где K=0,1-0,5. Оптимальная величина коэффициента Копт, которой соответствует обрыв обратного тока в момент его максимального значения, подбиралась экспериментально путем изменения величин L и С для конкретного типа исследуемых диодов. Для всех типов диодов величина Копт лежала в диапазоне 0,1-0,5. При К<Копт обрыв обратного тока либо не происходит, либо происходит после максимума обратного тока. При К>Копт обрыв наблюдается до достижения обратным током своего максимального значения. В том и другом случаях снижается эффективность вывода энергии в вакуумный диод в виде короткого импульса, поскольку значительная часть энергии в момент обрыва тока остается в емкостном зарядном источнике.The material is based on the experimentally discovered effect of a sharp break in the reverse current in high-voltage rectifier diodes. The following types of high-voltage rectifier poles were investigated: KTs105D, KTs108V, KTs201E, 2Ts202E, SDL 0.4-800, SDL 0.4-1300, SDL 0.4-1600. We studied both single columns and assemblies with a total number of parallel-series-connected columns up to 100 pieces. In all types of diodes, the effect of a sharp break in the reverse current was detected. This effect is observed when the accelerator parameters L and C are related to the hole lifetime τ p in the n-base of the diodes by the ratio:
2 π (LC) 1/2 = K τ p , where K = 0.1-0.5. The optimal value of the coefficient K opt , which corresponds to a break in the reverse current at the time of its maximum value, was selected experimentally by changing the values of L and C for a particular type of diodes under study. For all types of diodes, the value of K opt was in the range of 0.1-0.5. At K <K opt, the reverse current interruption either does not occur or occurs after the maximum of the reverse current. At K> K, an optical break is observed until the reverse current reaches its maximum value. In both cases, the efficiency of energy output to the vacuum diode in the form of a short pulse is reduced, since a significant part of the energy at the time of current interruption remains in the capacitive charging source.

Время жизни дырок τp для конкретного типа диодов определяется экспериментально. При этом высокой точности предварительного определения величины τp не требуется, поскольку оптимальный коэффициент Коптподбирается экспериментально при настройке ускорителя.The hole lifetime τ p for a specific type of diode is determined experimentally. In this case, high accuracy of preliminary determination of the value of τ p is not required, since the optimal coefficient K opt is selected experimentally when tuning the accelerator.

Выбор того или иного типа диодов для получения заданных параметров импульса зависит также от максимальных значений тока и напряжения на вакуумном диоде. При этом обратное импульсное напряжение на диодах прерывателя не должно превышать их обратного рабочего напряжения, а максимальная величина импульсного тока, как показали эксперименты, может выбираться в диапазоне (103-104)Iср, где Iср справочное значение среднего рабочего тока одного диодного столба. Увеличение импульсного тока достигается параллельным подключением диодных ветвей.The choice of one or another type of diode to obtain the specified pulse parameters also depends on the maximum current and voltage on the vacuum diode. In this case, the reverse pulse voltage on the diodes of the chopper should not exceed their reverse working voltage, and the maximum value of the pulse current, as shown by experiments, can be selected in the range (10 3 -10 4 ) I cf , where I cf is the reference value of the average operating current of one diode pillar. An increase in the pulse current is achieved by parallel connection of the diode branches.

В качестве конкретного примера реализации предложенного ускорителя ниже приведены параметры сильноточного электронного ускорителя с прерывателем тока из полупроводниковых высоковольтных диодов. Ускоритель содержал зарядный емкостной источник в виде трехступенчатого генератора Аркадьева-Маркса, собранного на конденсаторах ИК-100-0,4 (100 кВ, 0,4 мкФ). При зарядном напряжении 50 кВ амплитуда импульса составляла 150 кВ при запасаемой энергии 1,5 кДж. Формирующая индуктивность представляла собой индуктивность подключения генератора к вакуумному диоду и прерывателю. Емкость зарядного источника С=0,133 мкФ. Прерыватель был собран из 30-ти параллельных ветвей по 3 последовательно включенных выпрямительных столба СДЛ 0,4-1600 в каждой. Суммарное количество диодов в прерывателе 90 шт. Ветви прерывателя располагались по цилиндрической образующей изолятора вакуумного диода. Обратное напряжение прерывателя 480 кВ. Экспериментально определенное для этих диодов время жизни дырок τp составило 10± 3 мкс. Оптимальное значение формирующей индуктивности составило L ≃ 2,4 мкГн, что соответствует величине 2 π (LC)1/2 ≃ 3,6 мкс и Копт ≃ 0,36. Время t1-t0 составило 1,8 мкс, t2-t1 ≃ 0,8-0,9 мкс и обрыв обратного тока происходил за время t3-t2 ≃ 60-80 нс. Ток по прерывателю в прямом направлении достигал 40 кА, в обратном 32 кВ. В диоде ускорителя был получен электронный пучок с энергией около 400 кэВ, током 8 кА и длительностью импульса 40 нс. Ускоритель допускал работу с частотой следования импульсов 1-2 Гц, которая была ограничена мощностью использованных источников питания.As a specific example of the implementation of the proposed accelerator, the parameters of a high-current electron accelerator with a current chopper from semiconductor high-voltage diodes are given below. The accelerator contained a charging capacitive source in the form of a three-stage Arkadyev-Marx generator assembled on IK-100-0.4 capacitors (100 kV, 0.4 μF). At a charging voltage of 50 kV, the pulse amplitude was 150 kV with a stored energy of 1.5 kJ. The forming inductance was the inductance of connecting the generator to a vacuum diode and a chopper. The capacity of the charging source is C = 0.133 μF. The breaker was assembled from 30 parallel branches of 3 series-connected rectifier posts SDL 0.4-1600 each. The total number of diodes in the chopper is 90 pcs. The chopper branches were located along the cylindrical generatrix of the vacuum diode insulator. The reverse voltage of the breaker is 480 kV. The hole lifetime τ p experimentally determined for these diodes was 10 ± 3 μs. The optimal value of the forming inductance was L ≃ 2.4 μH, which corresponds to 2 π (LC) 1/2 ≃ 3.6 μs and K opt ≃ 0.36. The time t 1 -t 0 was 1.8 μs, t 2 -t 1 ≃ 0.8-0.9 μs and the reverse current was interrupted during t 3 -t 2 ≃ 60-80 ns. The current along the breaker in the forward direction reached 40 kA, in the reverse 32 kV. An electron beam with an energy of about 400 keV, a current of 8 kA, and a pulse duration of 40 ns was obtained in the accelerator diode. The accelerator allowed operation with a pulse repetition rate of 1-2 Hz, which was limited by the power of the used power sources.

Claims (1)

1. СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий зарядный емкостный накопитель энергии, коммутатор, формирующую индуктивность и прерыватель тока, параллельно которому подключена нагрузка в виде вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом, отличающийся тем, что прерыватель тока выполнен в виде сборки из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных выпрямительных полупроводниковых диодов, причем емкость C зарядного накопителя и величина формующей индуктивности L связаны с временем жизни дырок τр в n-базе диодов соотношением
2•π•(LC)1/2=
= (0,1-0,5)•τр .
2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что диоды прерывателя размещены внутри изолятора вакуумного диода.1. HIGH-CURRENT PULSE ACCELERATOR, comprising a charging capacitive energy storage device, a switch forming an inductance and a current chopper, in parallel with which a load is connected in the form of a vacuum diode with an explosive emission cathode, characterized in that the current chopper is made in the form of an assembly of series-parallel connected high-voltage rectifier semiconductor diodes, moreover, the capacitance C of the charge storage device and the value of the forming inductance L are related to the lifetime of holes τ p in the n-base of the diodes of the ratio eat
2 • π • (LC) 1/2 =
= (0.1-0.5) • τ p .
2. The accelerator according to claim 1, characterized in that the chopper diodes are located inside the vacuum diode insulator.
RU93016038A 1993-03-29 1993-03-29 Heavy-current pulsed accelerator RU2059345C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93016038A RU2059345C1 (en) 1993-03-29 1993-03-29 Heavy-current pulsed accelerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93016038A RU2059345C1 (en) 1993-03-29 1993-03-29 Heavy-current pulsed accelerator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93016038A RU93016038A (en) 1995-07-20
RU2059345C1 true RU2059345C1 (en) 1996-04-27

Family

ID=20139346

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93016038A RU2059345C1 (en) 1993-03-29 1993-03-29 Heavy-current pulsed accelerator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2059345C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. В.П. Смирнов. Получение сильноточных пучков электронов. - ПТЭ, 1977, N 2, с.27-31. 2. Ю.А.Котов и др. ВИРА - 1,5 М - компактный генератор тормозного излучения с мощностью дозы 5 • 10 7 А/кг. - ПТЭ, 1990, N 2, с.149-153. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5835545A (en) Compact intense radiation system
EP0398330A2 (en) Discharge exciting pulse laser device
CN106357240B (en) A kind of controllable Marx generator of compact-type high-pressure
US4406952A (en) Opening switch for interrupting current using a plasma focus device
RU2059345C1 (en) Heavy-current pulsed accelerator
US7482786B2 (en) Electric discharger using semiconductor switch
US4975924A (en) Metallic vapor laser apparatus
US20050128656A1 (en) Semiconductor switch pulse discharge module
Bieniosek et al. MEDEA II two‐pulse generator development
RU201615U1 (en) Device for supplying a gas-discharge lamp
RU2126763C1 (en) Gear for deformation of structure and medium that surrounds it
CN103727840A (en) Electronic brake device and method
RU2194326C2 (en) Method for energy extraction from inductive storage and its transmission to load
SU1275795A1 (en) Ion gun
US3778636A (en) Line-type generator having an active charging circuit
SU663088A1 (en) High-voltage pulse generator
Lee et al. Design for megavolt inverse-pinch plasma switch
Akiyama et al. Compact pulsed power generator (aso-1) by an inductive energy storage system and its application to pulsed ion beams
SU699944A1 (en) Feed system of generator of pulsed stream of ionizating radiation
Clark et al. Design and operation of a self activating crowbar switch
SU849481A1 (en) Pulse modulator
SU1335777A1 (en) Device for electric ignition of gas
RU2157047C1 (en) High power high intensity current pulse oscillator
SU522673A1 (en) High-voltage pulse generator
SU425254A1 (en) DISCHARGE FOR THE COMMUTATION OF UNIPOLAR PULSES OF THE BIG CURRENT

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090330