RU2666353C1 - Sub-nanosecond electrons accelerator - Google Patents

Sub-nanosecond electrons accelerator Download PDF

Info

Publication number
RU2666353C1
RU2666353C1 RU2017122856A RU2017122856A RU2666353C1 RU 2666353 C1 RU2666353 C1 RU 2666353C1 RU 2017122856 A RU2017122856 A RU 2017122856A RU 2017122856 A RU2017122856 A RU 2017122856A RU 2666353 C1 RU2666353 C1 RU 2666353C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
line
resistance
gap
sharpening
forming
Prior art date
Application number
RU2017122856A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Леонидович Юрьев
Татьяна Васильевна Лойко
Света Львовна Эльяш
Дмитрий Павлович Николаев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2017122856A priority Critical patent/RU2666353C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2666353C1 publication Critical patent/RU2666353C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H15/00Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the sub-nanosecond duration electron beams generation equipment. Generator contains the generating and transmitting coaxial lines, sharpening and cutting discharge gaps, the generating line is connected to the nanosecond high-voltage pulses source, at that, between the forming and transmitting lines the second generating line is further introduced with the second sharpening discharge gap formation. Second generating line consists of two sections, of which the first, high-resistance section, is located on the first generating line side, and the second, the low-resistance section, is the short accumulation line located on the transmitting line side. Both sharpening discharge gaps are formed by gaps between the lines, the short accumulation line inner and outer conductors surfaces in the zone of the minimum gap between the conductors are made equidistant, transmitting line is made long, with the wave resistance increase towards the accelerating tube, wherein the accelerating tube comprises metal housing and current lead, forming line with the wave resistance equal to the transmitting line output section wave resistance. Current lead is fixed to the housing by means of ceramic hollow conical insulator, at that, the gap resistance between the accelerating tube anode and cathode, is at least in two times exceeds the transmitting line output section wave resistance.EFFECT: technical result is increase in the voltage pulse amplitude at the gap between the accelerating tube anode and cathode.4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике формирования электронных пучков субнаносекундной длительности и может быть использовано при создании субнаносекундных ускорителей электронов мегавольтного диапазона. Данные ускорители широко применяются для определения временного разрешения наносекундных детекторов импульсов электронного и тормозного излучения, а также скоростных измерительных канатов, получения ультракоротких световых вспышек и т.д.The invention relates to techniques for the formation of electron beams of subnanosecond duration and can be used to create subnanosecond electron accelerators of the megavolt range. These accelerators are widely used to determine the temporal resolution of nanosecond detectors of pulses of electronic and bremsstrahlung, as well as high-speed measuring ropes, to obtain ultrashort light flashes, etc.

Известны субнаносекундные ускорители электронов (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. - С. 93-105), содержащие источник наносекундных высоковольтных импульсов и маслонаполненный формирователь, в котором при помощи разрядников-обострителей происходит обострение фронта и укорочение импульсов до долей наносекунды. Эти импульсы далее поступают на ускорительную трубку, где происходит генерация электронных пучков субнаносекундной длительности.Subnanosecond electron accelerators are known (Zheltov K.A. Picosecond high-current electron accelerators. - Moscow: Energoatomizdat, 1991. - P. 93-105), containing a source of nanosecond high-voltage pulses and an oil-filled shaper, in which the front and shortening pulses to fractions of a nanosecond. These pulses then go to the accelerator tube, where subnanosecond electron beams are generated.

Недостатками данных ускорителей является то, что пробои межэлектродного промежутка обостряющих разрядников происходят в среде трансформаторного масла. При этом требуется периодическая прокачка масла через формирователь и необходимо выдерживать большое время (несколько минут) выдержки между импульсами: ускорители требуют стационарной установки, в противном случае нарушаются регулировки и настройки генератора.The disadvantages of these accelerators is that breakdowns of the interelectrode gap of the sharpening arresters occur in the environment of transformer oil. In this case, periodic pumping of oil through the shaper is required and it is necessary to withstand a long time (several minutes) of exposure between pulses: accelerators require stationary installation, otherwise the adjustments and settings of the generator are violated.

Наиболее близким к заявляемому является субнаносекундный ускоритель электронов (Месяц Г.А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, №3. С. 225-246), содержащий источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку. Формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные зазоры, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов.Closest to the claimed one is a subnanosecond electron accelerator (Mesyats GA, Yalandin MI High-power picosecond electronics // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2005. T. 175, No. 3. P. 225-246) containing a source of nanosecond high-voltage pulses, gas-filled shaper of subnanosecond voltage pulses and accelerator tube. The shaper contains forming and transmitting coaxial lines, sharpening and cutting off the discharge gaps, the forming line is connected to a source of nanosecond high-voltage pulses.

Использование сжатого газа в качестве рабочей среды коммутирующих обостряющих и срезающих разрядных зазоров позволяет значительно сократить время выдержки между импульсами и обеспечить частотный режим работы данных ускорителей, которые к тому же могут быть выполнены переносными и работают в любом положении.The use of compressed gas as the working medium of commuting sharpening and shearing discharge gaps can significantly reduce the exposure time between pulses and provide a frequency mode of operation of these accelerators, which can also be portable and work in any position.

Недостатками этих ускорителей является сравнительно низкая энергия электронов в пучке (не выше 300 кэВ), что связано с обязательным согласованием сопротивлений передающей линии и ускорительной трубки, а также со спецификой пробоя газовых зазоров, у которых возрастание электропрочности при снижении длительности прикладываемого импульса напряжения происходит значительно в меньшей степени, чем в трансформаторном масле. При этом на ускорительную трубку подаются импульсы напряжения с амплитудой, соответственно, не более 300 кВ.The disadvantages of these accelerators are the relatively low energy of the electrons in the beam (not higher than 300 keV), which is associated with the mandatory coordination of the resistances of the transmission line and the accelerator tube, as well as with the specifics of breakdown of gas gaps, in which the increase in electric strength with a decrease in the duration of the applied voltage pulse occurs significantly in less than in transformer oil. In this case, voltage pulses with an amplitude, respectively, of not more than 300 kV, are supplied to the accelerating tube.

При создании данного изобретения решалась задача создания частотного субнаносекундного ускорителя электронов с энергией электронов выше 0.8 МэВ.When creating this invention, the problem was solved of creating a frequency subnanosecond electron accelerator with electron energies above 0.8 MeV.

Техническим результатом является увеличение амплитуды импульса напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки.The technical result is to increase the amplitude of the voltage pulse in the gap between the anode and cathode of the accelerating tube.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным субнаносекундным ускорителем электронов, содержащим источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку, формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные зазоры, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов, новым является то, что между формирующей и передающей линиями дополнительно введена вторая формирующая линия с образованием второго обостряющего разрядного зазора, причем вторая формирующая линия состоит из двух участков, из которых первый, высокоомный участок, расположен со стороны первой формирующей линии, а второй, низкоомный. представляет собой короткую накопительную линию, расположенную со стороны передающей линии, оба обостряющих разрядных зазора образованы разрывами между линиями, поверхности внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии в зоне минимального зазора между проводниками выполнены эквидистантными, передающая линия выполнена длинной, с возрастанием волнового сопротивления в сторону ускорительной трубки, причем ускорительная трубка содержит металлический корпус и токоввод, которые образуют линию с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению выходного участка передающей линии, а токоввод закреплен на корпусе посредством керамического полого конического изолятора, при том сопротивление зазора между анодом и катодом ускорительной трубки, по меньшей мере, в два раза превышает волновое сопротивление выходного участка передающей линии.The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known subnanosecond electron accelerator containing a source of nanosecond high-voltage pulses, a gas-filled shaper of subnanosecond voltage pulses and an accelerator tube, the shaper contains forming and transmitting coaxial lines, sharpening and cutting off the discharge gaps to the nanosecond, of high-voltage pulses, new is that between the generating and transmission lines tionary introduced second shaping line to form a second sharpening discharge gap, wherein the second shaping line consists of two portions, of which the first, high-resistance portion is positioned on the first side of the forming line, and the second low resistance. represents a short storage line located on the side of the transmission line, both sharpening discharge gaps are formed by gaps between the lines, the surfaces of the internal and external conductors of the short storage line in the zone of the minimum gap between the conductors are made equidistant, the transmission line is long, with increasing wave resistance towards the accelerating tube, and the accelerating tube contains a metal casing and current lead, which form a line with a wave resistance equal to the wave resistance of the output section of the transmission line, and the current lead is fixed to the housing by means of a ceramic hollow conical insulator, while the resistance of the gap between the anode and cathode of the accelerating tube is at least twice the wave resistance of the output section of the transmission line.

Кроме этого, первый участок второй формирующей линии имеет волновое сопротивление, в 3-10 раз большее волнового сопротивления второго участка этой же линии.In addition, the first section of the second forming line has a wave impedance 3-10 times greater than the wave impedance of the second section of the same line.

Длины эквидистантных поверхностей внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии не превышают 0.03 м.The lengths of the equidistant surfaces of the inner and outer conductors of the short storage line do not exceed 0.03 m.

Длина L передающей линии отвечает условию L≥c⋅Т/4. где с - скорость света в вакууме, Т - минимальное значение временного интервала между генерацией первого и повторных электронных импульсов ускорителя.The length L of the transmission line meets the condition L≥c⋅Т / 4. where c is the speed of light in vacuum, T is the minimum value of the time interval between the generation of the first and repeated electron pulses of the accelerator.

Второй, низкоомный участок второй формирующей линии (короткая накопительная линия) назван коротким из-за его малой протяженности (не более 0.03 м) и обеспечивает формирование субнаносекундного импульса напряжения при разрядке на передающую линию. Длительность разрядки равна времени τ двойного пробега импульса по эквидистантному участку короткой линии. В газонаполненной линии τ=2×l/с, где l - длина эквидистантного участка короткой линии, с - скорость света в вакууме. При величине l=0.03 м, τ=0.2 нс.The second, low-resistance section of the second forming line (short storage line) is called short because of its small length (not more than 0.03 m) and ensures the formation of a subnanosecond voltage pulse when discharged to the transmission line. The discharge duration is equal to the time τ of the double pulse path along the equidistant section of the short line. In a gas-filled line, τ = 2 × l / s, where l is the length of the equidistant section of the short line, and s is the speed of light in vacuum. When l = 0.03 m, τ = 0.2 ns.

Передающая линия названа длинной, поскольку ее длина L во много раз больше длины l короткой накопительной линии. Условие L≥c⋅T/4 учитывает то, что повторные электронные импульсы появляются после четырехкратного пробега субнаносекундных импульсов напряжения между срезающим разрядным зазором и катодом ускорительной трубки. При этом минимальное значение временного интервала Т между генерацией первого и повторных электронных импульсов ускорителя определяется временем, в течение которою происходит затухание переходной характерце гики (отклика) исследуемого объекта.The transmission line is called long, because its length L is many times greater than the length l of the short storage line. The condition L≥c⋅T / 4 takes into account the fact that repeated electron pulses appear after a four-fold run of subnanosecond voltage pulses between the cutting discharge gap and the cathode of the accelerating tube. In this case, the minimum value of the time interval T between the generation of the first and repeated electron pulses of the accelerator is determined by the time during which the transient response of the object under study attenuates.

В заявляемом ускорителе зарядка короткой накопительной линии производится от первой формирующей линии через первый высокоомный участок второй формирующей линии после пробоя первого обостряющего зазора. Благодаря малой длине и небольшой емкости короткой линии, время ее зарядки не превышает 1 нс (в ускорителе по прототипу время зарядки формирующей линии составляет 10 нс). Это позволяет повысить напряжение пробоя второго обостряющего зазора и тем самым увеличить амплитуду напряжения субнаносекундного импульса, сходящего в передающую линию.In the inventive accelerator, charging a short storage line is produced from the first forming line through the first high-resistance section of the second forming line after the breakdown of the first sharpening gap. Due to the short length and small capacity of the short line, its charging time does not exceed 1 ns (in the prototype accelerator, the charging time of the forming line is 10 ns). This allows you to increase the breakdown voltage of the second sharpening gap and thereby increase the voltage amplitude of the subnanosecond pulse coming into the transmission line.

Прохождение импульса по передающей линии с возрастающим в сторону ускорительной трубки волновым сопротивлением сопровождается трансформацией субнаносекундного импульса напряжения с увеличением его амплитуды, что приводит к увеличению амплитуды напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки.The passage of a pulse along a transmission line with wave impedance increasing towards the accelerator tube is accompanied by a transformation of the subnanosecond voltage pulse with an increase in its amplitude, which leads to an increase in the voltage amplitude at the gap between the anode and cathode of the accelerator tube.

Превышение сопротивления зазора между анодом и катодом относительно сопротивления выходного участка передающей линии, по меньшей мере, в два раза также приводит к увеличению амплитуды напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки.Exceeding the resistance of the gap between the anode and cathode relative to the resistance of the output section of the transmission line by at least two times also leads to an increase in the voltage amplitude at the gap between the anode and cathode of the accelerating tube.

Срезающий разрядный зазор служит для уменьшения длительности среза субнаносекундного импульса напряжения путем замыкания зазора при его пробое на вершине или фронте импульса. Повышение амплитуды субнаносекундного импульса напряжения, сходящего в передающую линию, создает необходимость увеличения длины срезающего разрядного зазора, что в ускорителе по прототипу приведет к уширению импульса вследствие возрастания индуктивности канала искрового пробоя. В заявляемом ускорителе наличие высокоомного участка второй формирующей линии позволяет осуществить развязку низкоомного участка от первой формирующей линии и обеспечить эффективный быстрый срез субнаносекундного импульса даже при повышенной индуктивности канала искрового пробоя.The shear discharge gap serves to reduce the cut-off duration of the subnanosecond voltage pulse by closing the gap when it is broken at the top or front of the pulse. Increasing the amplitude of the subnanosecond voltage pulse coming into the transmission line creates the need to increase the length of the cutting discharge gap, which in the prototype accelerator will lead to pulse broadening due to an increase in the inductance of the spark breakdown channel. In the inventive accelerator, the presence of a high-resistance section of the second forming line allows decoupling of the low-resistance section from the first forming line and provides an effective fast cut of the subnanosecond pulse even with an increased inductance of the spark breakdown channel.

Увеличение амплитуды напряжения зарядки короткой накопительной линии влечет за собой необходимость увеличения минимального зазора между проводниками линии для обеспечения достаточной электропрочности. Выполнение поверхностей внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии в зоне минимального зазора между проводниками эквидистантными позволяет выполнить короткую линию с равной электрической прочностью в указанной зоне и при повышенном напряжении зарядки исключить пробои между проводниками линии.An increase in the amplitude of the charging voltage of the short storage line entails the need to increase the minimum gap between the conductors of the line to ensure sufficient electrical strength. The implementation of the surfaces of the inner and outer conductors of the short storage line in the zone of minimum clearance between the conductors is equidistant allows you to make a short line with equal electrical strength in the specified area and with an increased charging voltage to eliminate breakdowns between the conductors of the line.

Применение в ускорительной трубке керамического полото конического изолятора дает возможность располагать трубку непосредственно в атмосфере сжатого газа. Полый конический изолятор имеет высокую механическую прочность, но при этом толщина стенки во много раз меньше радиального размера изолятора в любом сечении, что обеспечивает прохождение субнаносекундного импульса напряжения через изолятор практически без искажений.The use of a ceramic conical insulator in the accelerator tube makes it possible to place the tube directly in the atmosphere of compressed gas. A hollow conical insulator has high mechanical strength, but the wall thickness is many times smaller than the radial size of the insulator in any section, which ensures the passage of a subnanosecond voltage pulse through the insulator with virtually no distortion.

Наличие в трубке металлического корпуса и токоввода, которые образуют линию с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению выходного участка передающей линии, обеспечивает пробег высоковольтного субнаносекундного импульса вплоть до затора между анодом и катодом без искажений благодаря отсутствию неоднородностей, которые приводят к уширению импульса и снижению его амплитуды,The presence in the tube of a metal casing and current lead, which form a line with a wave impedance equal to the wave resistance of the output section of the transmission line, ensures that the high-voltage subnanosecond pulse travels up to the jam between the anode and cathode without distortion due to the absence of inhomogeneities that lead to pulse broadening and a decrease in its amplitude ,

Таким образом, в данном изобретении все указанные признаки направлены па увеличение амплитуды импульса напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки и поэтому реализуется указанный технический результат.Thus, in the present invention, all of these features are directed at increasing the amplitude of the voltage pulse in the gap between the anode and cathode of the accelerating tube, and therefore the indicated technical result is realized.

На фиг. 1. фиг. 2. фиг. 3 показаны конструкция высоковольтного блока заявляемого субнаносекундного ускорителя, выходной участок передающей линии с присоединенной к нему ускорительной трубкой и фрагмент формирователя субнаносекундных импульсов напряжения с формирующими и передающей линиями, а также обостряющими и срезающими зазорами, где обозначены следующие элементы:In FIG. 1. FIG. 2. FIG. 3 shows the design of the high-voltage block of the inventive subnanosecond accelerator, the output section of the transmission line with an accelerator tube attached to it, and a fragment of the shaper of the subnanosecond voltage pulses with forming and transmitting lines, as well as sharpening and cutting gaps, where the following elements are indicated:

1 - источник наносекундных высоковольтных импульсов;1 - source of nanosecond high voltage pulses;

2 - герметичный корпус;2 - sealed housing;

3 - первая формирующая линия;3 - the first forming line;

4 - вторая формирующая линия;4 - the second forming line;

5, 6, 7 - секции передающей ступенчатой линии;5, 6, 7 - sections of the transmission stepped line;

8 - ускорительная трубка;8 - accelerating tube;

9 - первый обостряющий зазор;9 - the first sharpening gap;

10 - второй обостряющий зазор;10 - second sharpening gap;

11 - выдвижной электрод;11 - retractable electrode;

12 - срезающий зазор;12 - cutting clearance;

13, 14 - изоляторы;13, 14 - insulators;

15 - катушка индуктивности;15 - inductor;

16 - бескаркасная катушка индуктивности;16 - frameless inductor;

17 - опорные изоляторы передающей линии;17 - reference insulators of the transmission line;

18 - высокоомный участок второй формирующей линии;18 - high-resistance section of the second forming line;

19 - низкоомный участок второй формирующей линии (короткая накопительная линия);19 - low-resistance section of the second forming line (short storage line);

20 - цанга;20 - collet;

21 - токоввод;21 - current lead;

22 - зазор между катодом и анодом;22 - the gap between the cathode and the anode;

23 - катод;23 - cathode;

24 - анод;24 - anode;

25 - корпус ускорительной трубки;25 - accelerator tube body;

26 - керамический изолятор;26 - ceramic insulator;

А - эквидистантные поверхности проводников короткой накопительной линии.A - equidistant surface of the conductors of the short storage line.

На фиг. 4 показана осциллограмма тока электронов за окном ускорительной трубки.In FIG. Figure 4 shows the waveform of the electron current outside the window of the accelerating tube.

Заявляемый субнаносекундный ускоритель включает в себя источник 1 наносекундных высоковольтных импульсов и формирователь субнаносекундных импульсов, который содержит герметичный корпус 2. первую формирующую линию 3. вторую формирующую линию 4. передающую ступенчатую линию, разделенную на секции 5. 6 и 7, а также ускорительную трубку 8. Между линиями 3 и 4 расположен первый обостряющий зазор 9, между линией 4 и секцией 5 передающей ступенчатой линии - второй обостряющий зазор 10. Промежуток между боковой поверхностью секции 5 и выдвижным электродом 11 является срезающим зазором 12. Линия 4 закреплена на изоляторах 13 и 14. Изолятор 14 одновременно является каркасом катушки индуктивности 15, которая служит для подавления предимпульса при зарядке паразитной емкости электродов, образующих обостряющий зазор 9. Линия 3 электрически соединена с выходом источника 1 через бескаркасную катушку индуктивности 16. Секции 5. 6 и 7 передающей ступенчатой линии закреплены в корпусе формирователя на опорных изоляторах 17.The inventive subnanosecond accelerator includes a source of 1 nanosecond high-voltage pulses and a shaper of subnanosecond pulses, which contains a sealed housing 2. the first forming line 3. the second forming line 4. transmitting a stepped line divided into sections 5. 6 and 7, as well as an accelerator tube 8 Between lines 3 and 4, there is a first sharpening gap 9, between line 4 and section 5 of the transmission step line a second sharpening gap 10. The gap between the side surface of section 5 and the retractable electrode ohm 11 is a shear gap 12. Line 4 is mounted on insulators 13 and 14. The insulator 14 is simultaneously the frame of the inductor 15, which serves to suppress the pre-pulse when charging the stray capacitance of the electrodes forming the sharpening gap 9. Line 3 is electrically connected to the output of source 1 through frameless inductor 16. Sections 5. 6 and 7 of the transmitting stepped line are fixed in the shaper housing on the supporting insulators 17.

Принцип работы заявляемого ускорителя заключается в следующем. После срабатывания источника 1 наносекундных высоковольтных импульсов, через катушку индуктивности 16 за время 5-10 не происходит зарядка первой формирующей линии 3. После этого пробивается первый обостряющий зазор 9 и подключает линию 3 ко второй формирующей линии 4 через ее высокоомный участок 18. За время, меньшее 1 нс, происходит зарядка короткой накопительной линии 19 (низкоомного участка второй формирующей линии). После ее зарядки пробивается второй обостряющий зазор 10 и подключает короткую накопительную линию 19 к секции 5 передающей линии. При этом происходит быстрый разряд короткой линии 19 на секцию 5 передающей линии, в результате чего в передающей линии формируется импульс напряжения субнаносекундной длительности. На вершине этого импульса пробивается срезающий зазор 12 и происходит укорачивание среза субнаносекундного импульса с дополнительным уменьшением длительности импульса. Далее этот импульс распространяется вдоль секций 5, 6 и 7 передающей ступенчатой линии, причем на каждом переходе одной ступени в последующую, с более высоким волновым сопротивлением, происходит трансформация импульса с возрастанием амплитуды напряжения После прохода по передающей линии субнаносекундный импульс через цангу 20 поступает на токоввод 21 ускорительной трубки 8. При этом на зазоре 22 ускорительной трубки происходит сложение напряжений поступающего и отраженного импульсов, что при сравнительно высоком сопротивлении зазора 22 приводит к дополнительном) увеличению импульса напряжения на зазоре и повышению максимальной энергии электронов в выходном пучке. Амплитуда напряжения на зазоре между анодом и катодом ускорительной трубки в конечном счете достигает значения, близкою к амплитуде напряжения зарядки первой формирующей линии 3, в то время как амплитуда субнаносекундного импульса, сходящего в секцию 5 передающей линии, примерно вдвое меньше.The principle of operation of the inventive accelerator is as follows. After the source 1 of the nanosecond high-voltage pulses is triggered, the first forming line 3 does not charge through the inductor 16 for a time of 5-10. After that, the first sharpening gap 9 breaks through and connects the line 3 to the second forming line 4 through its high-resistance section 18. During the time, less than 1 ns, the short storage line 19 (low-impedance portion of the second forming line) is charged. After charging, a second sharpening gap 10 breaks through and connects the short storage line 19 to the transmission line section 5. In this case, a quick discharge of the short line 19 to the transmission line section 5 occurs, as a result of which a voltage pulse of subnanosecond duration is generated in the transmission line. At the top of this pulse, a cutting gap 12 breaks through and a shortening of the cut of the subnanosecond pulse occurs with an additional decrease in the pulse duration. Further, this pulse propagates along sections 5, 6 and 7 of the transmission step line, and at each transition of one step to the next, with a higher wave impedance, the pulse transforms with increasing voltage amplitude. After passing through the transmission line, a subnanosecond pulse passes through collet 20 to the current lead 21 of the accelerator tube 8. In this case, at the gap 22 of the accelerator tube, the voltages of the incoming and reflected pulses are added, which with a relatively high resistance of the gap 22 leads to further) increase the voltage pulse across the gap and increase the maximum electron energy in the output beam. The voltage amplitude in the gap between the anode and cathode of the accelerating tube ultimately reaches a value close to the amplitude of the charging voltage of the first forming line 3, while the amplitude of the subnanosecond pulse coming into section 5 of the transmission line is approximately half that.

Заявляемый субнаносекундный ускоритель электронов был изготовлен и испытан при следующих параметрах некоторых узлов:The inventive subnanosecond electron accelerator was manufactured and tested with the following parameters of some nodes:

- напряжение источника наносекундных высоковольтных импульсов - 900 кВ;- voltage source of nanosecond high-voltage pulses - 900 kV;

- волновое сопротивление высокоомного участка второй формирующей линии линии - 90 Ом;- wave impedance of the high-resistance section of the second line forming line - 90 Ohms;

- длина образующих эквидистантных поверхностей короткой накопительной линии - не более 0.015 м;- the length of the generators of the equidistant surfaces of the short storage line is not more than 0.015 m;

- волновое сопротивление короткой накопительной линии - 18 Ом;- wave impedance of the short storage line - 18 Ohms;

- длина передающей линии - 0.97 м;- length of the transmission line - 0.97 m;

- волновое сопротивление выходного участка передающей линии - 60 Ом;- wave resistance of the output section of the transmission line - 60 Ohms;

- волновое сопротивление корпуса и токоввода ускорительной трубки - 60 Ом;- wave impedance of the casing and current input of the accelerating tube - 60 Ohms;

- сопротивление зазора между анодом и катодом ускорительной трубки - более 200 Ом.- the resistance of the gap between the anode and cathode of the accelerating tube is more than 200 Ohms.

Ускоритель обеспечивает генерацию электронных пучков с частотой 30 импульсов в минуту при величине максимальной энергии электронов в пучке не менее 800 кэВ и амплитуде тока около 2 кА. На фиг. 4 приведена типичная осциллограмма тока электронов за окном ускорительной трубки. Развертка по горизонтали - 0.5 не/деление, длительность субнаносекундного импульса на полувысоте амплитуды составляет 0.23 нс. Временной интервал Т между генерацией первого и повторных электронных импульсов ускорителя равен Т=13 нс.The accelerator provides the generation of electron beams with a frequency of 30 pulses per minute with a maximum electron energy in the beam of at least 800 keV and a current amplitude of about 2 kA. In FIG. Figure 4 shows a typical waveform of the electron current outside the window of the accelerating tube. The horizontal scan is 0.5 n / division, the duration of the subnanosecond pulse at half maximum amplitude is 0.23 ns. The time interval T between the generation of the first and repeated electron pulses of the accelerator is T = 13 ns.

Claims (4)

1. Субнаносекундный ускоритель электронов, содержащий источник наносекундных высоковольтных импульсов, газонаполненный формирователь субнаносекундных импульсов напряжения и ускорительную трубку, формирователь содержит формирующую и передающую коаксиальные линии, обостряющий и срезающий разрядные зазоры, формирующая линия подключена к источнику наносекундных высоковольтных импульсов, отличающийся тем, что между формирующей и передающей линиями дополнительно введена вторая формирующая линия с образованием второго обостряющего разрядного зазора, причем вторая формирующая линия состоит из двух участков, из которых первый, высокоомный участок, расположен со стороны первой формирующей линии, а второй, низкоомный, представляет собой короткую накопительную линию, расположенную со стороны передающей линии, оба обостряющих разрядных зазора образованы разрывами между линиями, поверхности внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии в зоне минимального зазора между проводниками выполнены эквидистантными, передающая линия выполнена длинной, с возрастанием волнового сопротивления в сторону ускорительной трубки, причем ускорительная трубка содержит металлический корпус и токоввод, которые образуют линию с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению выходного участка передающей линии, а токоввод закреплен на корпусе посредством керамического полого конического изолятора, при этом сопротивление зазора между анодом и катодом ускорительной трубки, по меньшей мере, в два раза превышает волновое сопротивление выходного участка передающей линии.1. A subnanosecond electron accelerator containing a source of nanosecond high-voltage pulses, a gas-filled shaper of subnanosecond voltage pulses and an accelerator tube, a shaper contains a coaxial line forming and transmitting, sharpening and cutting off the discharge gaps, the forming line is connected to a nanosecond high-voltage pulse source, which differs between and the transmission lines additionally introduced a second forming line with the formation of the second sharpening p a gap, and the second forming line consists of two sections, of which the first, high-resistance section, is located on the side of the first forming line, and the second, low-resistance, is a short accumulation line located on the side of the transmission line, both sharpening discharge gaps are formed by gaps between lines, the surface of the inner and outer conductors of the short storage line in the zone of the minimum gap between the conductors are made equidistant, the transmission line is made long, with growing wave resistance towards the accelerating tube, the accelerating tube containing a metal casing and a current lead, which form a line with a wave resistance equal to the wave resistance of the output section of the transmission line, and the current lead is fixed to the body by means of a ceramic hollow conical insulator, while the gap resistance between the anode and the cathode of the accelerating tube is at least twice the wave resistance of the output section of the transmission line. 2. Субнаносекундный ускоритель электронов по п. 1, отличающийся тем, что первый участок второй формирующей линии имеет волновое сопротивление, в 3-10 раз большее волнового сопротивления второго участка второй формирующей линии.2. The subnanosecond electron accelerator according to claim 1, characterized in that the first section of the second forming line has a wave resistance 3-10 times greater than the wave resistance of the second section of the second forming line. 3. Субнаносекундный ускоритель электронов по п. 1, отличающийся тем, что длины эквидистантных поверхностей внутреннего и наружного проводников короткой накопительной линии не превышают 0.03 м.3. The subnanosecond electron accelerator according to claim 1, characterized in that the lengths of the equidistant surfaces of the inner and outer conductors of the short storage line do not exceed 0.03 m. 4. Субнаносекундный ускоритель электронов по п. 1, отличающийся тем, что длина L передающей линии отвечает условию L≥с⋅Т/4, где с - скорость света в вакууме, T - минимальное значение временного интервала между генерацией первого и повторных электронных импульсов электронных импульсов ускорителя.4. The subnanosecond electron accelerator according to claim 1, characterized in that the length L of the transmission line meets the condition L≥с⋅Т / 4, where c is the speed of light in vacuum, T is the minimum value of the time interval between the generation of the first and repeated electron pulses of electronic accelerator pulses.
RU2017122856A 2017-06-28 2017-06-28 Sub-nanosecond electrons accelerator RU2666353C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017122856A RU2666353C1 (en) 2017-06-28 2017-06-28 Sub-nanosecond electrons accelerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017122856A RU2666353C1 (en) 2017-06-28 2017-06-28 Sub-nanosecond electrons accelerator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2666353C1 true RU2666353C1 (en) 2018-09-07

Family

ID=63459774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017122856A RU2666353C1 (en) 2017-06-28 2017-06-28 Sub-nanosecond electrons accelerator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2666353C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2711213C1 (en) * 2019-05-13 2020-01-15 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Subnanosecond electron accelerator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2382488C1 (en) * 2008-12-11 2010-02-20 Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра" Device for generating subnanosecond pulses
DE102013207020A1 (en) * 2013-04-18 2014-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Apparatus and method for generating high voltage pulses
EP3130077A1 (en) * 2014-04-08 2017-02-15 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives System and method for generating high pulsed power, comprising a single power supply
CN106803751A (en) * 2017-02-22 2017-06-06 西安交通大学 A kind of nanosecond steep-sided pulse small generator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2382488C1 (en) * 2008-12-11 2010-02-20 Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Эра" Device for generating subnanosecond pulses
DE102013207020A1 (en) * 2013-04-18 2014-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Apparatus and method for generating high voltage pulses
EP3130077A1 (en) * 2014-04-08 2017-02-15 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives System and method for generating high pulsed power, comprising a single power supply
CN106803751A (en) * 2017-02-22 2017-06-06 西安交通大学 A kind of nanosecond steep-sided pulse small generator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2711213C1 (en) * 2019-05-13 2020-01-15 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Subnanosecond electron accelerator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yalandin et al. Compact high-power subnanosecond repetitive-pulse generators
Shao et al. Repetitive nanosecond-pulse discharge in a highly nonuniform electric field in atmospheric air: X-ray emission and runaway electron generation
Tarasenko et al. On formation of subnanosecond electron beams in air under atmospheric pressure
Beloplotov et al. Formation of ball streamers at a subnanosecond breakdown of gases at a high pressure in a nonuniform electric field
Shao et al. Abnormal polarity effect in nanosecond-pulse breakdown of SF6 and nitrogen
RU2666353C1 (en) Sub-nanosecond electrons accelerator
Tarasenko et al. Two-component structure of the current pulse of a ranaway electron beam generated during electric breakdown of elevated-pressure nitrogen
RU2646845C2 (en) Device for forming pulse of high-current electron accelerator
Alekseev et al. Generation of runaway electrons in atmospheric pressure air under 30–200 kV voltage pulses of rise time 1.5 ns
Efremov A low-impedance high-voltage bipolar pulse former
RU2711213C1 (en) Subnanosecond electron accelerator
Krompholz et al. Gas breakdown in the subnanosecond regime with voltages below 15 kV
Brussaard et al. A 2.5-MV subnanosecond pulser with laser-triggered spark gap for the generation of high-brightness electron bunches
Kozlov et al. Formation of the voltage pulses up to 400 kilovolts with front pulse less than 10 nanoseconds
Bokhan et al. Switching Properties of Eptron—the Nanosecond Sharpener Based on the Combination of Open and Capillary Discharges
Korolev et al. Subnanosecond processes in the stage of breakdown formation in gas at a high pressure
Shpak et al. Subnanosecond front, high-voltage generator based on a combined pulsed forming line
Gerasimov Multichannel spark gaps with control bar electrodes: Their development and application (a review)
Zherlitsyn et al. Analysis of parameters of an electron beam from a plasma-filled diode
Darmaev et al. Fundamental limitations on the use of field-emission structures as cathodes of high-power vacuum microwave pulse devices
Lyubutin et al. Generation of high-voltage subnanosecond pulses with a peak power of 700 MW and repetition frequency of up to 3.5 kHz
Yuriev et al. A high-current subnanosecond electron accelerator with a gas-filled former
Attmann et al. Experiments for reducing the jitter of an over-voltage triggered spark gap
RU2699231C1 (en) Subnanosecond electron accelerator
McPhee Design and testing of a 500-kV trigatron with subnanosecond jitter