RU2455799C1 - Linear induction accelerator injector - Google Patents
Linear induction accelerator injector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2455799C1 RU2455799C1 RU2010153304/07A RU2010153304A RU2455799C1 RU 2455799 C1 RU2455799 C1 RU 2455799C1 RU 2010153304/07 A RU2010153304/07 A RU 2010153304/07A RU 2010153304 A RU2010153304 A RU 2010153304A RU 2455799 C1 RU2455799 C1 RU 2455799C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- pulse
- winding
- plasma cathode
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации сильноточных релятивистских электронных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.The invention relates to accelerator technology and can be used to generate high-current relativistic electron beams of nanosecond duration with a high pulse repetition rate.
Известно устройство - линейный индукционный ускоритель, содержащий ферромагнитную индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания [Бахрушин Ю.Р., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978]. К виткам намагничивания подключены потенциальные и земляные электроды формирующей линии.A known device is a linear induction accelerator containing a ferromagnetic induction system in the form of a set of ferromagnetic cores covered by magnetization turns [Bakhrushin Yu.R., Anatsky AI Linear induction accelerators. M .: Atomizdat, 1978]. Potential and earth electrodes of the forming line are connected to the magnetization coils.
На потенциальные электроды формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии одинарная формирующая линия начинает разряжаться, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы. Этот ток вызывает переменный магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны. Напряженность электрического поля по оси индукционной системы определяется какA potential voltage pulse, usually of positive polarity, with an amplitude of 30-250 kV, depending on the installation class, is supplied to the potential electrodes of the forming line from the power source. The second electrode is grounded. After the forming line switch is turned on, the single forming line starts to discharge, forming a current along the magnetization turns of the ferromagnetic cores of the induction system. This current causes an alternating magnetic flux, creating a vortex electric field that accelerates electrons. The electric field strength along the axis of the induction system is defined as
где n - число сердечников; U(t) - напряжение, прикладываемое к виткам намагничивания (разрядное напряжение формирующей линии); L - длина индукционной системы. Если по оси индукционной системы установить высоковольтный электрод, то на нем будет суммироваться вихревая ЭДС. При этом один конец высоковольтного электрода заземлен, а второй конец соединен с катодом электронной пушки, формируя на нем высоковольтный импульс напряжения. Такую конструкцию имеют инжекторы линейных индукционных ускорителей. Если по оси индукционной системы разместить вакуумированную трубу дрейфа, то образуется ускоряющая секция линейного индукционного ускорителя, внутри которой ускоряются электроны.where n is the number of cores; U (t) is the voltage applied to the turns of magnetization (discharge voltage of the forming line); L is the length of the induction system. If a high-voltage electrode is installed along the axis of the induction system, then the eddy EMF will be summed on it. In this case, one end of the high-voltage electrode is grounded, and the second end is connected to the cathode of the electron gun, forming a high-voltage voltage pulse on it. Injectors of linear induction accelerators have such a design. If a vacuum drift tube is placed along the axis of the induction system, an accelerating section of the linear induction accelerator is formed, inside which electrons are accelerated.
В качестве коммутатора формирующих линий используются газовые искровые разрядники. Подобным коммутаторам присущи ограничения по частоте срабатывания. Кроме того, при работе разрядников наблюдается эрозия материала электродов, что заставляет уменьшать величину коммутируемой энергии, либо снижать количество импульсов между профилактическими работами по очистке изоляторов разрядников.As a switch for forming lines, gas spark gaps are used. Such switches have limitations in response frequency. In addition, during the operation of the arresters, erosion of the electrode material is observed, which makes it possible to reduce the amount of switched energy, or to reduce the number of pulses between preventive work on cleaning the insulators of the arresters.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является конструкция линейного индукционного ускорителя на магнитных элементах с плазменным катодом, используемого для генерации мощного СВЧ-излучения релятивистским магнетроном [Y.Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107]. Основным отличием от описанной выше конструкции линейного индукционного ускорителя является использование магнитного коммутатора формирующей линии. Магнитный коммутатор выполняется в виде дросселя насыщения с сердечником из ферромагнитного материала, охватываемым витком намагничивания. Подобный коммутатор способен с неограниченным ресурсом коммутировать в наносекундном диапазоне длительностей с частотой в единицы килогерц ток в сотни килоампер. Однако чтобы магнитный коммутатор имел малую индуктивность, а значит, импульс выходного напряжения - прямоугольную форму и короткую длительность, требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время не более нескольких сотен наносекунд от магнитных импульсных генераторов (МИГ). Наиболее подробно конструкция, электрическая схема, принцип работы этого ускорителя описаны в [Бутаков Л.Д., Васильев В.В., Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах. // ПТЭ, 2001, №5, с.104-110].The closest technical solution to the proposed device is the design of a linear induction accelerator on magnetic elements with a plasma cathode, used to generate high-power microwave radiation by a relativistic magnetron [Y. Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107]. The main difference from the construction of a linear induction accelerator described above is the use of a magnetic switch of the forming line. The magnetic switch is made in the form of a saturation inductor with a core of ferromagnetic material, covered by a magnetization coil. Such a switch is capable of switching with an unlimited resource in the nanosecond range of durations with a frequency of units of kilohertz current of hundreds of kiloamperes. However, in order for the magnetic switch to have a small inductance, and therefore the output voltage pulse is rectangular in shape and short duration, it is required to charge the forming line in no more than several hundred nanoseconds from magnetic pulse generators (MIG). The most detailed design, electrical circuit, principle of operation of this accelerator are described in [Butakov LD, Vasiliev VV, Vintisenko II, Furman E.G. Linear induction accelerators on magnetic elements. // PTE, 2001, No. 5, pp. 104-110].
Этот и подобные ему линейные индукционные ускорители содержат индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к окончаниям которых подключен магнитный импульсный генератор. По оси индукционной системы размещается высоковольтный электрод, на котором суммируется вихревая ЭДС. Один конец высоковольтного электрода заземлен, второй конец связан с катодом электронной плазменной пушки. Конденсаторы последнего звена сжатия МИГ, как правило, изготавливаются по технологии одинарной формирующей линии. Формирующая линия линейного индукционного ускорителя может быть выполнена в виде одной пары или нескольких пар электродов, образуя чередующийся набор потенциальных и земляных электродов, разделенных слоями изоляции. Формирующая линия для уменьшения весогабаритных показателей ускорителя может быть намотана по спирали Архимеда вокруг сердечников индукционной системы [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с 111-119]. В случае применения нескольких пар электродов витки намагничивания сердечников индукционной системы имеют с каждой стороны сердечника несколько отводов. Число отводов с каждой стороны сердечника совпадает с числом потенциальных электродов и с числом земляных электродов. Потенциальные и земляные электроды формирующей линии попарно электрически связаны, образуя параллельное соединение, и подключены к магнитному импульсному генератору.This and similar linear induction accelerators contain an induction system in the form of a set of ferromagnetic cores covered by magnetization coils, to the ends of which a magnetic pulse generator is connected. A high-voltage electrode is placed along the axis of the induction system, on which the vortex EMF is summed. One end of the high-voltage electrode is grounded, the other end is connected to the cathode of the electron plasma gun. The capacitors of the last MIG compression unit are, as a rule, manufactured using the technology of a single forming line. The forming line of a linear induction accelerator can be made in the form of one pair or several pairs of electrodes, forming an alternating set of potential and ground electrodes separated by insulation layers. The forming line to reduce the weight and size indicators of the accelerator can be wound in a spiral of Archimedes around the cores of the induction system [Vintisenko II, Furman E.G. Linear induction accelerators. Izv. Universities. Physics, 1998, No. 4, Appendix, 111-119]. If several pairs of electrodes are used, the magnetization coils of the cores of the induction system have several taps on each side of the core. The number of taps on each side of the core matches the number of potential electrodes and the number of ground electrodes. Potential and ground electrodes of the forming line are pairwise electrically connected, forming a parallel connection, and connected to a magnetic pulse generator.
Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность LC-контуров (звеньев сжатия) с увеличивающейся собственной частотой [Меерович А.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. // М.: Сов. радио, 1968, 476 с.]. Звено сжатия содержит конденсатор с сосредоточенными параметрами и дроссель насыщения с сердечником из ферромагнитного материала. Обычно емкости конденсаторов звеньев сжатия C1, C2, …CN равны между собой. Каждый последующий дроссель насыщения Li по сравнению с предыдущим Li-1 имеет меньшее число витков обмотки, то есть меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. При передаче энергии от одного звена сжатия МИГ к другому происходит компрессия энергии: увеличивается передаваемая мощность за счет сокращения времени заряд-разрядных процессов (увеличивается ток в звеньях сжатия при практически не изменяющемся напряжении). Выбирая необходимое количество звеньев сжатия, возможно сократить время передачи энергии в несколько десятков и даже сотен раз и зарядить формирующую линию за время в сотни наносекунд. Обычно в линейных индукционных ускорителях применяются магнитные импульсные генераторы с числом звеньев сжатия 4-6.A magnetic pulse generator is a sequence of LC circuits (compression links) with increasing natural frequency [Meerovich A.A., Vatin I.M., Zaitsev E.F., Kandykin V.M. Magnetic pulse generators. // M .: Sov. Radio, 1968, 476 pp.]. The compression link contains a condenser with lumped parameters and a saturation inductor with a core made of ferromagnetic material. Typically, the capacitors of the compression units C 1 , C 2 , ... C N are equal to each other. Each subsequent saturation inductor L i in comparison with the previous L i-1 has a smaller number of turns of the winding, that is, a smaller inductance of the winding in the saturated state of the core. When energy is transferred from one MIG compression link to another, energy compression occurs: the transmitted power increases due to a reduction in the time of charge-discharge processes (the current in the compression links increases with a practically unchanged voltage). Choosing the necessary number of compression links, it is possible to reduce the time of energy transfer by several tens or even hundreds of times and charge the forming line in a time of hundreds of nanoseconds. Typically, in linear induction accelerators, magnetic pulse generators with a number of compression units of 4-6 are used.
Для функционирования линейного индукционного ускорителя на магнитных элементах необходимо перед подачей зарядного импульса МИГ перевести сердечники индукционной системы и сердечники магнитного импульсного генератора в состояние обратного насыщения. Для этого используется дополнительный источник тока.For a linear induction accelerator to operate on magnetic elements, it is necessary to transfer the cores of the induction system and the cores of the magnetic pulse generator to the state of back saturation before applying the MIG charging pulse. For this, an additional current source is used.
С целью увеличения скорости нарастания, импульса тока, полной энергии электронного пучка по сравнению с взрывоэмиссионными катодами в приборе-прототипе применяется плазменный катод. Идея применения такого катода заключается в предварительном (до подачи высоковольтного импульса ускорителя) формировании однородного плазменного слоя. Такой способ создания плотной плазмы с независимым от ускоряющего поля возбуждением был предложен в конце 60-х годов [Месяц Г.А., Бугаев С.П. и др. Импульсный источник больших электронных токов малой длительности. // Изв. Вузов. Физика, 1968, №1], который заключался в создании незавершенного разряда на поверхности диэлектрика в вакууме. Основным элементом эмиттера электронов являлся диск из диэлектрика, например титаната бария. С одной стороны к диску прижата металлическая игла (вспомогательный электрод), а на другую нанесен контактный металлический слой (металлический электрод). Разряд возникает при подаче импульсного напряжения Up между иглой и контактным слоем, превышающего некое пороговое значение. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости диэлектрика напряжение разряда составляет несколько сот вольт. В работе [Месяц Г.А., Бугаев С.П. и др. Эмиссия из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме. // Доклады АН СССР, 1971, т.196, №2] показано, что при отрицательном потенциале на острие разряд возникает при испарении диэлектрика под действием бомбардировки электронами, эмитированными острием за счет автоэлектронной эмиссии. Плазма разряда создается в парах разрушенного поверхностного слоя диэлектрика. После зажигания разряда плазма распространяется по поверхности диэлектрика со скоростью ν=AUp, где A=21 м/(Вс) при отрицательной полярности иглы относительно контактного слоя. Одновременно с движением плазмы по диэлектрику происходит ее распространение в промежуток перпендикулярно поверхности диэлектрика со скоростью 2·106 см/с. Расширяющаяся плазма является эффективным эмиттером электронов, которые извлекаются и ускоряются с помощью положительного относительно иглы электрода (анода), при этом начало эмиссии с точностью до 10-9 с совпадает с возникновением плазмы у острия. Извлеченный из плазмы ток возрастает с увеличением напряжения Up, что объясняется увеличением поверхности плазмы, эмитирующей электроны.In order to increase the slew rate, current pulse, and the total energy of the electron beam in comparison with the explosive emission cathodes, a plasma cathode is used in the prototype device. The idea of using such a cathode is to preliminarily (before applying a high-voltage pulse of the accelerator) form a homogeneous plasma layer. This method of creating a dense plasma with excitation independent of the accelerating field was proposed at the end of the 60s [Mesyats GA, Bugaev SP etc. Pulse source of large electronic currents of short duration. // Izv. Universities. Physics, 1968, No. 1], which consisted of creating an incomplete discharge on the surface of a dielectric in vacuum. The main element of the electron emitter was a disk made of a dielectric, for example, barium titanate. A metal needle (auxiliary electrode) is pressed to the disk on one side, and a contact metal layer (metal electrode) is applied to the other. The discharge occurs when a pulse voltage Up is applied between the needle and the contact layer, which exceeds a certain threshold value. Due to the high dielectric constant of the dielectric, the discharge voltage is several hundred volts. In the work [Mesyats G.A., Bugaev S.P. et al. Emission from a plasma of an incomplete discharge through a dielectric in vacuum. // Reports of the Academy of Sciences of the USSR, 1971, vol. 166, No. 2] it is shown that at a negative potential on the tip, a discharge occurs when the dielectric evaporates under the action of bombardment by electrons emitted by the tip due to field emission. The discharge plasma is created in the vapor of the destroyed surface layer of the dielectric. After ignition of the discharge, the plasma propagates over the surface of the dielectric at a speed of ν = AU p , where A = 21 m / (Vs) with a negative polarity of the needle relative to the contact layer. Simultaneously with the motion of the plasma along the dielectric, it propagates into the gap perpendicular to the surface of the dielectric at a speed of 2 · 10 6 cm / s. Expanding plasma is an effective emitter of electrons that are extracted and accelerated using a positive electrode (anode) relative to the needle, and the onset of emission coincides with the occurrence of a plasma near the tip with an accuracy of 10 -9 s. The current extracted from the plasma increases with increasing voltage U p , which is explained by an increase in the surface of the plasma emitting electrons.
Использование вместо одной прижатой к поверхности диэлектрика иглы мелкоструктурной сетки позволяет одновременно создать большое число эмитирующих центров за счет разрядов по поверхности диэлектрика в точках касания его сеткой, что позволяет увеличить общую площадь плазмы. В работе [Бугаев С.П., Ельчанинов А.С. Сильноточный импульсный ускоритель электронов. // ПТЭ, 1970, №6] описан ускоритель электронов с катодом диаметром 40 мм, покрытым сеткой. При ускоряющем напряжении 500 кВ и длительности импульса 25 нс ускоритель обеспечивал ток 10 кА.The use of a fine-structure grid needle instead of a single needle pressed to the surface of the dielectric allows one to simultaneously create a large number of emitting centers due to discharges on the surface of the dielectric at the points of tangency with its grid, which allows increasing the total plasma area. In the work [Bugaev S.P., Elchaninov A.S. High-current pulsed electron accelerator. // PTE, 1970, No. 6], an electron accelerator with a cathode with a diameter of 40 mm covered by a grid is described. At an accelerating voltage of 500 kV and a pulse duration of 25 ns, the accelerator provided a current of 10 kA.
В приборе-прототипе [Y.Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107] предложена и экспериментально исследована конструкция плазменного катода цилиндрической геометрии, используемого в линейном индукционном ускорителе на магнитных элементах для питания релятивистского магнетрона. Плазменный катод сделан из диэлектрической (материал с диэлектрической постоянной ~80) трубы с внешним диаметром 16 мм; толщина трубы и длина равны 2 мм и 60 мм, соответственно. Внутренний металлический электрод катода соединен с высоковольтным электродом линейного индукционного ускорителя и сделан из меди. Контакт между этим электродом и внутренней поверхностью диэлектрической трубы осуществляется с использованием серебряной краски. На поверхность диэлектрика приклеиваются медные полосы шириной ~1 мм с интервалом между ними ~1.5 мм (вспомогательные электроды). Питающий импульс с амплитудой ~3 кВ с отрицательной или положительной полярностью, и продолжительностью 150 нс на полувысоте создается внешним импульсным генератором. Один конец питающего кабеля от импульсного генератора соединяется с внутренним металлическим электродом плазменного катода, другой конец - с медными полосами. При поступлении импульса начинается поверхностный разряд, образование плазмы и ее расширение в катод-анодный промежуток релятивистского магнетрона.In the prototype device [Y. Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107] proposed and experimentally investigated the design of a plasma cathode of cylindrical geometry used in a linear magnetic induction accelerator to power a relativistic magnetron. The plasma cathode is made of a dielectric (material with a dielectric constant of ~ 80) pipe with an external diameter of 16 mm; pipe thickness and length are 2 mm and 60 mm, respectively. The inner metal electrode of the cathode is connected to a high-voltage electrode of a linear induction accelerator and is made of copper. The contact between this electrode and the inner surface of the dielectric tube is made using silver paint. Copper strips ~ 1 mm wide with an interval between them ~ 1.5 mm (auxiliary electrodes) are glued to the dielectric surface. A supply pulse with an amplitude of ~ 3 kV with negative or positive polarity and a duration of 150 ns at half maximum is generated by an external pulse generator. One end of the power cable from the pulse generator is connected to the internal metal electrode of the plasma cathode, the other end is connected to copper strips. When a pulse arrives, a surface discharge begins, plasma formation and its expansion into the cathode-anode gap of the relativistic magnetron.
Надо отметить, что возможны и другие конструкции плазменных катодов (например, плоской геометрии), для работы которых необходима подача дополнительных импульсов питания от внешних источников на электроды.It should be noted that other designs of plasma cathodes are also possible (for example, flat geometry), the operation of which requires the supply of additional power pulses from external sources to the electrodes.
Поскольку один конец высоковольтного электрода ЛИУ заземлен и соединен с земляным фланцем индукционной системы, это позволяет пропустить кабель от внешнего генератора для питания плазменного катода внутри полого высоковольтного электрода инжектора линейного индукционного ускорителя. При любом другом способе подключения кабеля к электродам плазменного катода на кабеле будет индуцироваться высоковольтный импульс напряжения, что требует применения дополнительной высоковольтной индуктивной развязки. Кроме того, такое подключение будет сопровождаться потерями энергии. Подача импульса на внутренний электрод плазменного катода за 1000±200 нс до высоковольтного импульса ЛИУ приводит к образованию однородной плазмы на поверхности диэлектрика. Формирование высоковольтного импульса линейным индукционным ускорителем и создание электрического поля высокой напряженности между внешней поверхностью плазменного слоя и заземленным анодом приводит к формированию однородного сильноточного электронного пучка. Эксперименты показывают, что при использовании плазменного катода по сравнению с традиционным взрывоэмиссионным катодом наблюдается увеличение выходной мощности релятивистского магнетрона от 150 МВт до 170 МВт и увеличение длительности импульса СВЧ-излучения от 70 нс до 100 нс.Since one end of the LIU high-voltage electrode is grounded and connected to the earthing flange of the induction system, this allows the cable from the external generator to feed the plasma cathode inside the hollow high-voltage electrode of the linear induction accelerator injector. With any other method of connecting the cable to the plasma cathode electrodes, a high voltage voltage pulse will be induced on the cable, which requires the use of an additional high voltage inductive isolation. In addition, such a connection will be accompanied by energy losses. The supply of a pulse to the internal electrode of the plasma cathode 1000 ± 200 ns before the high-voltage pulse of the LIE leads to the formation of a uniform plasma on the surface of the dielectric. The formation of a high-voltage pulse by a linear induction accelerator and the creation of a high-voltage electric field between the outer surface of the plasma layer and the grounded anode leads to the formation of a uniform high-current electron beam. Experiments show that when using a plasma cathode, in comparison with a traditional explosive emission cathode, an increase in the output power of the relativistic magnetron from 150 MW to 170 MW and an increase in the pulse duration of microwave radiation from 70 ns to 100 ns are observed.
Важным является то, что на питающем кабеле не наводится высокий потенциал при срабатывании линейного индукционного ускорителя, поскольку кабель не образует замкнутый виток, охватывающий индукционную систему. Схема питания плазменного катода, кроме импульсного генератора, имеет в своем составе блок регулируемых задержек для синхронизации импульсов питания катода и высоковольтного импульса ЛИУ. В процессе работы возможно нарушение синхронизации указанных импульсов вследствие изменяющейся от импульса к импульсу длительности заряд-разрядных процессов в магнитном импульсном генераторе ЛИУ. Различная длительность вызывается разным начальным состоянием сердечников дросселей насыщения МИГ из-за процессов обратного перемагничивания вследствие остаточной энергии в элементах МИГ.It is important that high potential is not induced on the supply cable when the linear induction accelerator is triggered, since the cable does not form a closed loop covering the induction system. The power supply circuit of the plasma cathode, in addition to the pulse generator, incorporates a block of adjustable delays for synchronizing the cathode power pulses and the LIU high-voltage pulse. During operation, the synchronization of these pulses may be disturbed due to the duration of the charge-discharge processes in the magnetic pulse generator LIU varying from pulse to pulse. Different durations are caused by different initial states of the cores of MIG saturating chokes due to reverse magnetization reversal processes due to residual energy in the MIG elements.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка инжектора линейного индукционного ускорителя с улучшенными характеристиками формируемого электронного пучка.The objective of the invention is to develop an injector of a linear induction accelerator with improved characteristics of the generated electron beam.
Техническим результатом является упрощение известной конструкции за счет исключения из схемы внешних приборов, осуществление жесткой синхронизации импульсов для образования плазмы на поверхности плазменного катода и высоковольтным импульсом.The technical result is to simplify the known design by eliminating external devices from the circuit, performing tight pulse synchronization for the formation of plasma on the surface of the plasma cathode and a high voltage pulse.
Для решения указанной задачи предлагается инжектор линейного индукционного ускорителя, содержащий, как и прототип, плазменный катод, включающий металлический и вспомогательный электроды, разделенные слоем диэлектрика, индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников с расположенным на оси трубчатым высоковольтным электродом, один конец которого заземлен на корпус ускорителя, а второй связан с металлическим электродом плазменного катода, сердечники охвачены витками намагничивания, к окончаниям которых подключен магнитный импульсный генератор, состоящий из набора звеньев сжатия, образуемых конденсаторами и дросселями насыщения, в отличие от прототипа один из дросселей насыщения магнитного импульсного генератора охвачен дополнительной обмоткой с одним или несколькими витками, выводы обмотки пропущены внутри высоковольтного электрода и соединены с электродами плазменного катода.To solve this problem, a linear induction accelerator injector is proposed, containing, like the prototype, a plasma cathode, including a metal and auxiliary electrodes separated by a dielectric layer, an induction system in the form of a set of ferromagnetic cores with a tubular high-voltage electrode located on the axis, one end of which is grounded to the housing accelerator, and the second is connected to the metal electrode of the plasma cathode, the cores are covered by magnetization coils, to the ends of which a magnet is connected In contrast to the prototype, one of the saturation chokes of a magnetic pulsed generator is covered by an additional winding with one or several turns, the winding leads are passed inside the high-voltage electrode and connected to the plasma cathode electrodes.
В цепь дополнительной обмотки дросселя насыщения магнитного импульсного генератора может быть включен резистор, для регулирования амплитуды импульса напряжения, подаваемого на электроды плазменного катода.A resistor can be included in the circuit of the additional winding of the saturation inductor of the magnetic pulse generator to control the amplitude of the voltage pulse supplied to the plasma cathode electrodes.
В предлагаемом устройстве-инжекторе линейного индукционного ускорителя возможно исключить из схемы питания плазменного катода внешние приборы - импульсный генератор, блок задержек, т.е. существенно упростить схему питания катода. Одновременно повышается точность синхронизации между импульсом питания катода и высоковольтным импульсом ЛИУ, поскольку импульс питания формируется одним из элементов ускорителя. Это достигается применением дополнительной обмотки с одним или несколькими витками, размещенной вокруг одного из дросселей насыщения магнитного импульсного генератора, выводы которой проходят внутри высоковольтного электрода инжектора ЛИУ и соединяются с электродами плазменного катода.In the proposed injector device of the linear induction accelerator, it is possible to exclude external devices from the plasma cathode power supply circuit — a pulse generator, a delay unit, i.e. significantly simplify the cathode power circuit. At the same time, the accuracy of synchronization between the cathode power pulse and the LIU high-voltage pulse increases, since the power pulse is formed by one of the accelerator elements. This is achieved by using an additional winding with one or several turns, placed around one of the saturation chokes of the magnetic pulse generator, the terminals of which pass inside the high-voltage electrode of the LIU injector and are connected to the electrodes of the plasma cathode.
Принципиальная электрическая схема устройства изображена на фиг.1 для плазменной пушки цилиндрической геометрии и на фиг.2 для плазменной пушки плоской геометрии, где обозначено: 1 - индукционная система в виде набора ферромагнитных сердечников, 2 - витки намагничивания сердечников индукционной системы, 3 - высоковольтный электрод индукционной системы, 4 - дополнительная обмотка i-го дросселя насыщения магнитного импульсного генератора, C1-…CN - конденсаторы магнитного импульсного генератора, L1-…LN - дроссели насыщения магнитного импульсного генератора, 5 - металлический электрод, 6 - диэлектрик, 7 - вспомогательный электрод плазменного катода. Вспомогательный электрод 7 может выполняться в виде отдельного острия, мелкоструктурной сетки, либо, как в приборе-прототипе, в виде чередующихся медных полос, 8 - резистор.Schematic diagram of the device shown in figure 1 for a plasma gun of cylindrical geometry and figure 2 for a plasma gun of flat geometry, where it is indicated: 1 - induction system in the form of a set of ferromagnetic cores, 2 - magnetization coils of the cores of the induction system, 3 - high-voltage electrode induction system, 4 - additional winding of the i-th saturation inductor of a magnetic pulse generator, C 1 - ... C N - capacitors of a magnetic pulse generator, L 1 - ... L N - saturation chokes of a magnetic pulse og generator, 5 - a metal electrode, 6 - a dielectric, 7 - an auxiliary electrode of the plasma cathode. The
Предлагаемое устройство-инжектор линейного индукционного ускорителя содержит ферромагнитную индукционную систему 1 из последовательно установленных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания 2. К одному набору отводов витков намагничивания подключены земляные электроды одинарной формирующей линии CN. С противоположной стороны сердечников к другому набору отводов витков намагничивания через обмотку дросселя насыщения последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора LN подключены потенциальные электроды одинарной формирующей линии. Магнитный импульсный генератор состоит из последовательных звеньев сжатия C1-L1, C2-L2…Ci-Li, …CN-LN, где Ci - конденсатор емкостью Ci, Li - дроссель насыщения с ферромагнитным сердечником индуктивностью Li. Один из дросселей насыщения Li имеет дополнительную обмотку 4 с одним или несколькими витками. Выводы обмотки 4 проходят внутри полого цилиндрического высоковольтного электрода 3, размещенного по оси индукционной системы 1. С противоположной от заземленной стороны высоковольтного электрода 3 выводы дополнительной обмотки 4 соединены с электродами плазменного катода: металлического электрода 5 и вспомогательного электрода 7. Между электродами 5 и 7 расположен диэлектрик 6.The proposed device is an injector of a linear induction accelerator contains a
Устройство работает следующим образом. Первоначально от внешних источников (на фиг.1 и фиг.2 не показаны) производится размагничивание ферромагнитных сердечников дросселей насыщения L1-LN магнитного импульсного генератора, ферромагнитных сердечников индукционной системы 1. От внешнего импульсного источника (на фиг.1 и фиг.2 не показан) осуществляется заряд конденсатора C1 первого звена сжатия магнитного импульсного генератора. При заряде C1 на выводах дросселя насыщения L1 появляется разность потенциалов UC1, вызывающая протекание тока намагничивания и перемагничивание сердечника дросселя насыщения L1. Величина потокосцепления дросселя насыщения L1 составляет ψ1=W1S1ΔB, где W1 - число витков обмотки, S1 - сечение стали дросселя, ΔB - размах индукции (например, ΔB=2,5 T для пермаллоя 50 НП) и выбирается таким образом, чтобы сердечник дросселя насытился в момент окончания заряда C1. При насыщении сердечника его магнитная проницаемость уменьшается от µ=105 до µ→1, и дроссель насыщения превращается в обычную воздушную индуктивность. Индуктивность дросселя составляетThe device operates as follows. Initially, external sources (not shown in FIG. 1 and FIG. 2) demagnetize the ferromagnetic cores of saturation chokes L 1 -L N of the magnetic pulse generator, ferromagnetic cores of the
где lc - линейный размер сердечника индуктора, Dн.с, Dв.с - наружный и внутренний диаметры обмотки индуктора, W1 - число витков обмотки. При насыщении сердечника дросселя начинается разряд C1 и заряд C2 через индуктивность витков дросселя насыщения L1 в интервале времениwhere l c is the linear size of the core of the inductor, D n.s. , D century.s. is the outer and inner diameters of the inductor winding, W 1 is the number of turns of the winding. When the core of the inductor is saturated, discharge C 1 and charge C 2 through the inductance of the turns of the saturation inductor L 1 in the time interval begin
Этот интервал времени ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L2. При заряде конденсатора C2 к виткам дросселя насыщения L2 начинает прикладываться разность потенциаловThis time interval is limited by the magnitude of the flux linkage of the saturation inductor L 2 . When the capacitor C 2 is charged, a potential difference begins to be applied to the turns of the saturation inductor L 2
где 
где UC2 - амплитуда зарядного напряжения конденсатора C2.where U C2 is the amplitude of the charging voltage of the capacitor C 2 .
Это напряжение вызывает перемагничивание дросселя насыщения L2 и переход его в состояние с µ→1 за интервал времени 
При насыщении дросселя L2 начинается разряд конденсатора C2 и заряд конденсатора C3 через индуктивность обмотки дросселя насыщения L2. Интервал времени этого процесса ограничен величиной потокосцепления дросселя насыщения L3, т.е.At saturation inductor L 2 starts discharge of the capacitor C 2 and C 3 of the capacitor charge through the saturable reactor winding inductance L 2. The time interval of this process is limited by the magnitude of the flux linkage of the saturation inductor L 3 , i.e.
где 
Аналогично приведенным выше формуламSimilar to the above formulas
где WN - число витков обмотки дросселя насыщения LN, SN - сечение стали сердечника, CN-1, CN - емкости конденсаторов магнитного импульсного генератора. Обычно WN=1 для того, чтобы обеспечить минимальную индуктивность обмотки дросселя насыщения последнего звена сжатия магнитного коммутатора в насыщенном состоянии, поскольку 
Поскольку выбирают Ψi-1≈(3-4)Ψ1, то в каждом следующем звене сжатия по сравнению с предыдущим в 3-4 раза увеличивается ток, протекающий через обмотку дросселя насыщения, в 3-4 раза сокращается длительность импульса тока, т.е. в 3-4 раза сокращается время разряда конденсатора по сравнению с длительностью его заряда. Используя дополнительную обмотку 4 для того или иного дросселя насыщения, можно выбрать подходящую длительность импульса для питания плазменного катода и интервал времени между импульсом питания и высоковольтным импульсом, формируемым индукционной системой 1. Выбирая число витков или используя дополнительное сопротивление в цепи обмотки, можно регулировать амплитуду напряжения для питания катода. Число витков дополнительной обмотки 4 больше одного следует применять, если необходимо увеличить амплитуду импульса напряжения, а применять сопротивление при использовании одновитковой дополнительной обмотки, если необходимо понизить напряжение питания плазменного катода.Since Ψ i-1 ≈ (3-4) Ψ 1 is chosen, the current flowing through the winding of the saturation inductor increases by 3-4 times in each subsequent compression link compared to the previous one, the duration of the current pulse is reduced by 3-4 times, t .e. the discharge time of the capacitor is reduced by a factor of 3-4 compared with the duration of its charge. Using an additional winding 4 for a saturation inductor, you can choose a suitable pulse duration for powering the plasma cathode and the time interval between the power pulse and the high-voltage pulse generated by the
Примером конкретного выполнения является инжекторный модуль линейного индукционного ускорителя на магнитных элементах, изготовленный в ГОУ ВПО «НИ ТПУ» со следующими конструктивными параметрами C1=C2=C3=0,3·10-6 Ф. Дроссели насыщения L1, L2 имеют одинаковые сердечники, изготовленные из 6 колец с внешним и внутренним диаметром 250 и 110 мм, соответственно, шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,2 мм. Дроссель L1 имеет 14 витков, L2 - 4 витка. Одновитковый дроссель насыщения L3 имеет сердечник из 3-х колец внешним и внутренним диаметрами 500 мм и 220 мм, соответственно, шириной 25 мм, намотанные из пермаллоевой ленты толщиной 0,2 мм.An example of a specific implementation is the injection module of a linear induction accelerator on magnetic elements manufactured in GOU VPO "NI TPU" with the following design parameters C 1 = C 2 = C 3 = 0.3 · 10 -6 F. Saturation chokes L 1 , L 2 have the same cores made of 6 rings with an outer and inner diameter of 250 and 110 mm, respectively, 25 mm wide, wound from permalloy tape 50 NP 0.2 mm thick. The throttle L 1 has 14 turns, L 2 - 4 turns. The single-turn saturable choke L 3 has a core of 3 rings with outer and inner diameters of 500 mm and 220 mm, respectively, 25 mm wide, wound from permalloy tape 0.2 mm thick.
Одновитковый дроссель насыщения последнего звена сжатия МИГ L3, как и сердечники индукционной системы 1, выполнен из колец с внешним и внутренним диаметрами 360 мм и 150 мм, соответственно, шириной 25 мм, намотанных из пермаллоевой ленты 50 НП толщиной 0,1 мм.The single-turn saturation choke of the last compression unit MIG L 3 , like the cores of the
Конденсаторы C1-C3 с сосредоточенными параметрами типа К75-74 0,1 мкФ по 3 параллельно. Формирующая линия состоит из двух электродов длиной 4 метра, шириной 0,4 метра с изоляцией из синтофлекса общей толщиной 1,2 мм. Емкость формирующей линии 0,3·10-6 Ф. Формирующая линия намотана вокруг сердечников индукционной системы по спирали Архимеда.Capacitors C 1 -C 3 with lumped type parameters K75-74 0.1 μF in 3 in parallel. The forming line consists of two electrodes 4 meters long, 0.4 meters wide with syntoflex insulation with a total thickness of 1.2 mm. The capacity of the forming line is 0.3 · 10 -6 F. The forming line is wound around the cores of the induction system in a spiral of Archimedes.
Все элементы линейного индукционного ускорителя размещены в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с внутренним диаметром 670 мм.All elements of a linear induction accelerator are placed in a cylindrical stainless steel case with an inner diameter of 670 mm.
Конденсатор C1 заряжается до 50 кВ от внешнего импульсного источника питания за интервал времени 12 мкс. Разряд C1 и заряд C2 происходит за 3 мкс, разряд C2 и заряд C3 - за 1 мкс, разряд C3 на витки намагничивания индукционной системы через обмотку дросселя насыщения последнего звена сжатия МИГ L3~0,22 мкс.Capacitor C 1 is charged up to 50 kV from an external switching power supply for a time interval of 12 μs. The discharge C 1 and the charge C 2 occur in 3 μs, the discharge C 2 and the charge C 3 - in 1 μs, the discharge C 3 to the magnetization coils of the induction system through the winding of the saturation inductor of the last compression unit MIG L 3 ~ 0.22 μs.
Используя дополнительную одновитковую обмотку 4 в дросселе насыщения L1, можно сформировать на вспомогательном электроде 7 плазменного катода импульс напряжения полусинусоидальной формы амплитудой 50 кВ/14=3,57 кВ, длительностью 3 мкс, задержка от момента окончания импульса до подачи высоковольтного импульса от индукционной системы 1 составит: 1 мкс + 0,22 мкс=1,22 мкс. Используя дополнительную одновитковую обмотку 4 в дросселе насыщения L2 можно сформировать на вспомогательном электроде 7 плазменного катода импульс напряжения полусинусоидальной формы амплитудой 50 кВ/4=12,5 кВ, длительностью 1 мкс, задержка от момента окончания импульса до подачи высоковольтного импульса от индукционной системы 1 составит 0,22 мкс. Увеличивая количество витков дополнительной обмотки 4 дросселей насыщения, можно увеличивать амплитуду напряжения на вспомогательном электроде 7 плазменного катода. Для уменьшения напряжения следует применять резистор 8 в цепи дополнительной обмотки 4. При этом импульс, поступающий на вспомогательный электрод 7 плазменного катода от дополнительной обмотки 4, и высоковольтный импульс напряжения индукционной системы 1 жестко синхронизированы. Схема питания плазменного катода не требует использования дополнительных элементов, таких как блок задержек и внешний генератор импульсов.Using an additional single-turn winding 4 in the saturation inductor L 1 , it is possible to form a half-sinusoidal voltage pulse with an amplitude of 50 kV / 14 = 3.57 kV, a duration of 3 μs, a delay from the end of the pulse to the supply of a high-voltage pulse from the induction system on the
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010153304/07A RU2455799C1 (en) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | Linear induction accelerator injector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010153304/07A RU2455799C1 (en) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | Linear induction accelerator injector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2455799C1 true RU2455799C1 (en) | 2012-07-10 |
Family
ID=46848748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010153304/07A RU2455799C1 (en) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | Linear induction accelerator injector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2455799C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2522993C1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Linear induction accelerator with two heteropolar pulses |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6456011B1 (en) * | 2001-02-23 | 2002-09-24 | Front Range Fakel, Inc. | Magnetic field for small closed-drift ion source |
| CN1509131A (en) * | 2002-12-14 | 2004-06-30 | 三星电子株式会社 | Magnetic inductive accelerator |
| RU2265973C1 (en) * | 2004-04-12 | 2005-12-10 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" | Linear inductive accelerator |
| RU2340081C1 (en) * | 2007-04-25 | 2008-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Научно-исследовательский институт высоких напряжений | Submerged electrical-discharge generator |
-
2010
- 2010-12-24 RU RU2010153304/07A patent/RU2455799C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6456011B1 (en) * | 2001-02-23 | 2002-09-24 | Front Range Fakel, Inc. | Magnetic field for small closed-drift ion source |
| CN1509131A (en) * | 2002-12-14 | 2004-06-30 | 三星电子株式会社 | Magnetic inductive accelerator |
| US6903521B2 (en) * | 2002-12-14 | 2005-06-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electromagnetic induced accelerator |
| RU2265973C1 (en) * | 2004-04-12 | 2005-12-10 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" | Linear inductive accelerator |
| RU2340081C1 (en) * | 2007-04-25 | 2008-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Научно-исследовательский институт высоких напряжений | Submerged electrical-discharge generator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Y.Hadas et al. S band relativistic magnetron operation with an active plasma cathode. J. of Appl. Phys. 2009, 105, 083107. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2522993C1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Linear induction accelerator with two heteropolar pulses |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Remnev et al. | A high-current pulsed accelerator with a matching transformer | |
| WO2008154569A1 (en) | Beam transport system and method for linear accelerators | |
| Abramyan | Transformer type accelerators for intense electron beams | |
| RU2455799C1 (en) | Linear induction accelerator injector | |
| CN113285627B (en) | Pulse power supply system and neutron generator | |
| Rukin et al. | Generation of multi-gigawatt picosecond pulses by magnetic compression lines | |
| Rukin | Solid-state repetitive generators of short GW-range pulses: a review | |
| Birx et al. | Technology of magnetically driven accelerators | |
| RU2459395C1 (en) | Linear induction accelerator | |
| Vintizenko | Linear induction accelerators for high-power microwave devices | |
| Zhang et al. | Nanosecond-range multiple-pulse synchronization controlled by magnetic switches based on a communal magnetic core | |
| Brussaard et al. | A 2.5-MV subnanosecond pulser with laser-triggered spark gap for the generation of high-brightness electron bunches | |
| RU2303338C1 (en) | Generator of high voltage linearly fading impulses of microsecond duration | |
| RU179236U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| RU2239255C2 (en) | Super-reltron | |
| Choyal et al. | Development of a 300-kV Marx generator and its application to drive a relativistic electron beam | |
| RU2242851C1 (en) | Induction-type linear accelerator for various processes | |
| RU41951U1 (en) | PULSE ELECTRON ACCELERATOR | |
| RU2305379C1 (en) | Generator of high voltage linearly increasing impulses of microsecond duration | |
| Kohno et al. | High-current pulsed power generator ASO-X using inductive voltage adder and inductive energy storage system | |
| Isaev et al. | Generator of high-voltage pulse for high-current accelerator of deuteron with laser starts | |
| Ueda et al. | Inductively driven gas‐breakdown plasma source for intense ion beam production | |
| RU184106U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| RU2583039C2 (en) | Linear induction accelerator | |
| Demidov | Applications of Helical Magneto-Cumulative Generators in Physical Experiments |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131225 |