RU2073966C1

RU2073966C1 - Charged particle accelerator

Info

Publication number: RU2073966C1
Application number: RU93033766A
Authority: RU
Inventors: В.П. Ковалев
Original assignee: Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: radiation studies, thermonuclear fusion. SUBSTANCE: accelerator has primary energy store, pulse shaping system, peaking discharger, and acceleration tube. Pulse shaping system is multisection arrangement, each section being built up of dielectric tube section with flanges at ends, inductance storage device placed on external surface of this tube section and secured with its leads on flanges, and cassette housing electrically exploding wires placed in inner space of this tube section. EFFECT: enlarged functional capabilities of charged particle accelerators. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к ускорителям прямого действия с индуктивным накопителем энергии и электрически взрывающимися проводниками (ЭВП). The invention relates to the field of accelerator technology, in particular to direct-action accelerators with inductive energy storage and electrically exploding conductors (EEC).

Ускорители с индуктивным накопителем энергии и ЭВП находят широкое применение в радиационных исследованиях, работах по термоядерному синтезу и т.п. Accelerators with inductive energy storage and EEC are widely used in radiation research, works on thermonuclear fusion, etc.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ИГУР-3 мощный генератор импульсов тормозного излечения [1] выбранный в качестве прототипа. Он включает в себя первичный источник накопления энергии ГИН, систему формирования импульсов (СФИ), состоящую из накопительной индуктивности, ЭВП, размещенных в полиэтиленовых трубах длиной до 8 метров, заполненных воздухом, обостряющим разрядник и ускорительную трубку. Все эти узлы размещены в металлическом баке, заполненном трансформаторным маслом. Генератор создает у анода мощность дозы до 10¹³ рентген в секунду.The closest in technical essence to the claimed device is IGUR-3 a powerful generator of pulses of inhibitory cure [1] selected as a prototype. It includes a primary source of GIN energy storage, a pulse generation system (SFI), consisting of storage inductance, EEC, placed in polyethylene pipes up to 8 meters long, filled with air, sharpening the spark gap and accelerator tube. All these nodes are placed in a metal tank filled with transformer oil. The generator creates a dose rate of up to 10 ¹³ x-rays per second at the anode.

Недостатком данного ускорителя являются его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные недостаточно высокими производительностью и надежностью, а также сложностью конструкции из-за наличия большого количества полиэтиленовых труб, в каждую из которых помещаются медные проволочки диаметром ≈0,1 мм и длиной ≈8 м. The disadvantage of this accelerator is its limited operational capabilities, due to insufficiently high performance and reliability, as well as design complexity due to the presence of a large number of polyethylene pipes, each of which contains copper wires with a diameter of ≈0.1 mm and a length of ≈8 m.

На длинных полиэтиленовых трубах сложно обеспечить равномерное распределение потенциала, следствием чего являются многочисленные микропробои стенок труб через определенное время после начала эксплуатации. Покрытие поверхности полупроводящим слоем не решает проблемы полностью, так как он работоспособен только на внешней поверхности. Внутренняя поверхность трубы имеет неконтролируемое поверхностное сопротивление, что наряду с неравномерностью электрических свойств материала длинных труб приводит к локальным перенапряжениям и пробоям их стенок. Достаточно сложно производить замену вышедшей из строя полиэтиленовой трубы. При необходимости увеличения радиационной мощности ускорителя вышеперечисленные трудности усугубляются из-за пропорционального увеличения длины полиэтиленовых труб. On long polyethylene pipes it is difficult to ensure an even distribution of potential, which results in numerous micro-breakdowns of the pipe walls after a certain time after the start of operation. Coating the surface with a semiconducting layer does not completely solve the problem, since it is only functional on the outer surface. The inner surface of the pipe has uncontrolled surface resistance, which, along with the uneven electrical properties of the material of long pipes, leads to local overvoltages and breakdowns of their walls. It is difficult enough to replace a failed polyethylene pipe. If it is necessary to increase the radiation power of the accelerator, the above difficulties are exacerbated due to the proportional increase in the length of polyethylene pipes.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на решение задачи по созданию ускорителя заряженных частиц с более широкими эксплуатационными возможностями. Технический же результат его выразится в обеспечении одинаковой зависимости падения потенциала по длине накопительной индуктивности и по общей длине ЭВП, что обуславливает по всей длине секционированной трубы практически нулевую разность потенциалов между ЭВП и местами стыковки отрезков труб, где закрепляется накопительная индуктивность, что исключает электрический пробой между ними. Thus, the present invention is directed to solving the problem of creating a charged particle accelerator with wider operational capabilities. The technical result is expressed in ensuring the same dependence of the potential drop along the length of the storage inductance and the total length of the EEC, which leads to almost zero potential difference between the EEC and the joints of the pipe segments where the storage inductance is fixed along the entire length of the sectioned pipe, which eliminates electrical breakdown between them.

Это достигается тем, что в ускорителе заряженных частиц, содержащем корпус, первичный накопитель энергии, обостряющий разрядник, ускорительную трубку и секционированную систему формирования импульсов, включающую в себя накопительную индуктивность, размещенную на внешней поверхности изолирующей трубки и соединенную с первичным накопителем энергии, и электрически взрывающиеся проводники, размещенные в полости трубки и соединенные через индуктивность с первичным накопителем энергии, согласно изобретению, каждая из секций системы формирования импульсов состоит из отрезка диэлектрической трубы, ограниченного с торцов расположенными на наружной поверхности металлическими фланцами, накопительной индуктивности, расположенной на наружной поверхности отрезка трубы и закрепленной своими выводами на его фланцах, и кассеты с размещенными в ней электрически взрывающимися проводниками, расположенной во внутренней полости этого отрезка трубы, при этом секции системы формирования импульсов состыкованы друг с другом торцовыми поверхностями, кроме того, в нем каждая кассета содержит выполненный из изоляционного материала стержень с металлическими фланцами, на которых расположены ролики качения, закреплены электрически взрывающиеся проводники и выполнены отверстия для прохода газов; а также в нем система формирования импульсов сцентрирована и закреплена с помощью изоляторов к коаксиальной металлической трубе, разрезанной вдоль оси симметрии на две половины, причем нижняя половина выполнена сплошной и служит корпусом ускорителя, а в верхней выполнены сквозные отверстия. This is achieved by the fact that in a charged particle accelerator comprising a housing, a primary energy storage device, a sharpening discharger, an accelerating tube and a sectioned pulse generation system including a storage inductance located on the outer surface of the insulating tube and connected to the primary energy storage device, and electrically exploding conductors located in the cavity of the tube and connected through an inductance to a primary energy storage device according to the invention, each of the sections of the mold system pulse generation consists of a segment of a dielectric pipe bounded from the ends by metal flanges located on the outer surface, an accumulative inductance located on the outer surface of the pipe segment and secured by its terminals on its flanges, and a cartridge with electrically exploding conductors located in it located in the inner cavity of this pipe section, while sections of the pulse formation system are joined to each other by end surfaces, in addition, each cassette in it win made of insulating material rod with metal flanges, on which the rolling rollers, fixed electrically exploding wires and provided with holes for the passage of gases; and also in it, the pulse formation system is centered and secured with insulators to a coaxial metal pipe cut into two halves along the axis of symmetry, the lower half being solid and serving as the accelerator body, and the through holes in the upper one.

На фиг. 1 представлен общий вид ускорителя заряженных частиц: на фиг. 2
разрез по А-А; на фиг. 3 секция системы формирования импульсов.In FIG. 1 shows a general view of a charged particle accelerator: in FIG. 2
section along AA; in FIG. 3 section of the pulse shaping system.

Ускоритель заряженных частиц (фиг. 1) содержит первичный накопитель энергии 1 (в частности ГИН), систему формирования импульсов (СФИ) 2, состоящую из отдельных механически и электрически связанных секций, каждая из которых состоит из (фиг. 3) накопительной индуктивности 12, намотанной на полиэтиленовую трубу 13 с металлическими фланцами 14 по ее торцам, и кассеты 15 с электрически взрывающимися проволочками (ЭВП) 16 и роликами качения 17. Собственно ускоритель также содержит (фиг. 1) обостряющий разрядник 3, ускорительную трубку 4 с диодом 9 и герметизирующую крышку 5. СФИ 2 (фиг. 1 и 2) поддерживается центрирующими изоляторами 6, которые с необходимым шагом крепятся на коаксиальной с СФИ металлической трубе 7, состоящей из нижней 10 и верхней 11 половины. Нижняя ее часть 10 сплошная и служит стенкой корпуса ускорителя, а верхняя часть 11 выполнена с отверстиями (на чертеже не показаны). Верхняя 11 и нижняя 10 половины трубы 7 соединяются с помощью болтов 8. The charged particle accelerator (Fig. 1) contains a primary energy storage device 1 (in particular GIN), a pulse forming system (SFI) 2, consisting of separate mechanically and electrically connected sections, each of which consists of (Fig. 3) storage inductance 12, wound on a polyethylene pipe 13 with metal flanges 14 at its ends, and cassettes 15 with electrically exploding wires (EVP) 16 and rolling rollers 17. The accelerator itself also contains (Fig. 1) a sharpening discharger 3, an accelerating tube 4 with a diode 9 and sealing 5. SFI uyuschuyu cover 2 (FIGS. 1 and 2) supported centering insulator 6, which are mounted with necessary step in SFI coaxial with metal tube 7 composed of the lower 10 and upper 11 half. Its lower part 10 is continuous and serves as the wall of the accelerator body, and the upper part 11 is made with holes (not shown in the drawing). The upper 11 and lower 10 halves of the pipe 7 are connected using bolts 8.

Ускоритель работает следующим образом. The accelerator works as follows.

После срабатывания ГИН 1 ток от него проходит через накопительную индуктивность 12 и ЭВП 16 на корпус 10. Проволочки взрываются в максимуме первого полупериода разрядного тока контура. Тогда энергия ГИН 1 передается в накопительную индуктивность 12. После взрыва ЭВП 16 на индуктивности формируется импульс напряжения амплитудой в 3-4 раза больше, чем ударное напряжение ГИН. Он пробивает двухэлектродный разрядник 3 и прикладывается к диоду 9 ускорительной трубки 4. Поток электронов эмиттируется с катода, ускоряется в зазоре диода 9 и тормозится на аноде из тяжелого металла (тантал, вольфрам и т.п.), при этом генерируется поток тормозного излучения. Пары меди и газы, образующиеся при взрыве ЭВП 16, отводятся через патрубки (на чертеже не показаны) в крышке 5 и систему фильтров (на чертеже не показано) в специальный объем или в атмосферу. После чего извлекаются отработавшие кассеты и вставляются новые. Цикл повторяется. After the GIN 1 is triggered, the current from it passes through the storage inductance 12 and the EEC 16 to the housing 10. The wires explode at the maximum of the first half-cycle of the discharge current of the circuit. Then the energy of the GIN 1 is transferred to the storage inductance 12. After the explosion of the EEC 16, a voltage pulse with an amplitude of 3-4 times more than the shock voltage of the GIN is formed at the inductance. It breaks through a two-electrode spark gap 3 and is applied to the diode 9 of the accelerator tube 4. The electron stream is emitted from the cathode, accelerated in the gap of the diode 9 and is decelerated at the anode of heavy metal (tantalum, tungsten, etc.), and a bremsstrahlung stream is generated. Copper vapors and gases generated during the explosion of EEC 16 are discharged through nozzles (not shown in the drawing) in cover 5 and a filter system (not shown in the drawing) into a special volume or into the atmosphere. After that, spent cassettes are removed and new ones inserted. The cycle repeats.

Использование настоящего изобретения позволяет расширить эксплуатационные возможности ускорителя путем:
повышения производительности за счет быстрой смены заранее заготовленных кассет. Процесс может быть механизирован и автоматизирован;
повышения надежности установки за счет равномерного распределения потенциала на длине трубы и устранения разности потенциалов между ними, что исключает электрический пробой между ними;
упрощения конструкции ускорителя за счет секционирования СФИ;
повышения выходных параметров излучения ускорителя до 20 МЭВ и выше при токах до сотен килоампер и мощностях доз до 10¹³ р/с в больших объемах;
улучшения условий труда и экологической чистоты за счет упрощения конструкции.Using the present invention allows to expand the operational capabilities of the accelerator by:
increase productivity by quickly changing pre-prepared cassettes. The process can be mechanized and automated;
increasing the reliability of the installation due to the uniform distribution of potential along the length of the pipe and eliminating the potential difference between them, which eliminates electrical breakdown between them;
simplification of the design of the accelerator due to sectioning of SFI;
increasing the output parameters of the accelerator radiation to 20 MEV and higher at currents of up to hundreds of kiloamperes and dose rates of up to 10 ¹³ r / s in large volumes;
improving working conditions and environmental cleanliness by simplifying the design.

Claims

1. The charged particle accelerator, comprising a housing, a primary energy storage device, a sharpening arrester, an accelerating tube and a sectioned pulse generation system, including a storage inductance located on the outer surface of the insulating tube and connected to the primary energy storage device, and electrically exploding conductors placed in tube cavities and connected via inductance to a primary energy storage device, characterized in that each section of the pulse forming system is in it consists of a segment of a dielectric pipe bounded at the ends by metal flanges located on the outer surface, a storage inductance located on the outer surface of the pipe segment and secured by its terminals on its flanges, and a cassette with electrically exploding conductors located in it located in the inner cavity of this pipe segment while the sections of the pulse forming system are joined to one another by the end surfaces.

2. The accelerator according to claim 1, characterized in that each cartridge contains a rod made of insulating material with metal flanges on which the rolling rollers are located, electrically exploding conductors are fixed and openings for the passage of gases are made.

3. The accelerator according to claim 1, characterized in that the pulse generation system is centered and fixed with insulators to a coaxial metal pipe cut into two halves along the axis of symmetry, the lower half being solid and serving as the accelerator body, and the upper half through holes.