RU2736419C1

RU2736419C1 - Impulse peaker of electron accelerator

Info

Publication number: RU2736419C1
Application number: RU2019142758A
Authority: RU
Inventors: Андрей Алексеевич Федоров; Александр Павлович Метелёв
Original assignee: Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Приборов"
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2020-11-17
Also published as: EA039278B1; EA202000295A1

Abstract

FIELD: electricity.SUBSTANCE: device is designed to increase braking radiation pulse power. Device operates in megavoltage range of voltages, increased power of braking radiation pulse is provided by aggravation in vacuum diode (VD) of accelerator of accelerating voltage pulse due to increase of its amplitude and reduction of its duration. Set goal is achieved by dividing function of plasma current circuit breaker (PCB) and VD by placing plasma guns PCB, power supply of which is carried out due to pre-pulse energy, in additional intermediate electrode, which design is not related to geometry of acceleration gap VD.EFFECT: technical result is the possibility of varying plasma parameters and optimizing the operation of the PCB in the erosion mechanism of loss of plasma conductivity.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике ускорителей заряженных частиц, в частности к формированию импульсов ускоряющего напряжения и может быть использовано для генерирования мощных импульсов тормозного и электронного излучения.The invention relates to the technique of charged particle accelerators, in particular to the formation of pulses of an accelerating voltage and can be used to generate powerful pulses of bremsstrahlung and electron radiation.

Известна установка для генерации импульса тормозного излучения на базе генератора МИГ с плазменным прерывателем тока, в которой реализован двухкаскадный режим обострения импульса. (Кабламбаев Б.А., Ратахин Н.А., Шляхтун С.В. Генерация жесткого тормозного излучения на установке МИГ с плазменным прерывателем тока. Изв. вузов. Физика - 1999 - №12. С. 26). Энергия бегущей волны генератора МИГ аккумулировалась в индуктивном накопителе энергии, при этом в фазе накопления энергии ток замыкался плазмой, создаваемой плазменными пушками, запитываемыми от отдельного источника питания. Количество плазмы и момент прерывания тока регулировались величиной протекающего в пушках тока, задаваемого внешним источником питания, включение которого синхронизировано с работой первичного генератора.There is a known installation for generating a bremsstrahlung pulse based on a MIG generator with a plasma current interrupter, in which a two-stage pulse sharpening mode is implemented. (Kablambaev BA, Ratakhin NA, Shlyakhtun SV Generation of hard bremsstrahlung at the MIG facility with a plasma current interrupter. Izvestiya vuzov. Physics - 1999 - No. 12. P. 26). The energy of the traveling wave of the MIG generator was accumulated in an inductive energy storage, while in the phase of energy storage, the current was closed by plasma generated by plasma guns powered from a separate power source. The amount of plasma and the instant of current interruption were regulated by the value of the current flowing in the guns, set by an external power source, the switching on of which was synchronized with the operation of the primary generator.

Недостатком такого технического решения является то, что требуется дополнительный источник питания плазменных пушек и схема синхронизации, регулирующая время между моментом инжекции плазмы и формированием основного импульса.The disadvantage of this technical solution is that an additional power supply for the plasma guns and a synchronization circuit are required that regulates the time between the moment of plasma injection and the formation of the main pulse.

Известно устройство катод-анодного узла ускорителя ИГУР-3, в котором применен режим формирования электронного пучка, основанный на использовании плазмы, образованной в результате пробоя по поверхности диэлектрической вставки в катоде, возникающего под воздействием предимпульса основного импульса напряжения. (Кормилицин А.И. Мощный многофункциональный импульсный ускоритель электронов ИГУР-3: диссертация к.т.н. ВНИИТФ, 2005).Known device for the cathode-anode unit of the accelerator IGUR-3, in which the mode of formation of an electron beam is applied, based on the use of plasma formed as a result of breakdown along the surface of the dielectric insert in the cathode, arising under the influence of the prepulse of the main voltage pulse. (Kormilitsin A.I. Powerful multifunctional pulsed electron accelerator IGUR-3: dissertation of Ph.D. VNIITF, 2005).

К недостаткам этого технического решения, выбранного в качестве прототипа относится наличие ограничений по повышению мощности электрического импульса (обострению импульса) путем увеличения амплитуды напряжения и сокращения длительности импульса, так как источник плазмы (плазменная пушка) и катод конструктивно совмещены, при этом геометрия катода оптимизирована на фокусировку пучка, что приводит к существенным ограничениям на величину переключаемого в электронный режим тока. ППТ в устройстве, выбранном в качестве прототипа, переключает ток в электронный режим в начальной фазе нарастания тока, следовательно, обострения импульса за счет увеличения амплитуды ускоряющего напряжения и уменьшения его длительности не происходит.The disadvantages of this technical solution, chosen as a prototype, include the presence of restrictions on increasing the power of the electric pulse (sharpening the pulse) by increasing the voltage amplitude and reducing the pulse duration, since the plasma source (plasma gun) and the cathode are structurally combined, while the cathode geometry is optimized for focusing of the beam, which leads to significant restrictions on the value of the current switched to the electronic regime. The PPT in the device selected as a prototype switches the current to the electronic mode in the initial phase of the current rise, therefore, the pulse sharpening due to an increase in the amplitude of the accelerating voltage and a decrease in its duration does not occur.

Изобретение направлено на решение задачи повышения мощности импульса тормозного излучения путем обострения импульса ускоряющего напряжения за счет увеличения его амплитуды и сокращения длительности.The invention is aimed at solving the problem of increasing the power of the bremsstrahlung pulse by sharpening the accelerating voltage pulse by increasing its amplitude and reducing the duration.

Технический результат достигается разделением функции ППТ и вакуумного диода путем размещения плазменных пушек ППТ в дополнительном промежуточном электроде, конструкция которого не связана с геометрией ускоряющего промежутка, при этом электропитание плазменных пушек осуществляется за счет энергии предимпульса напряжения ускорителя, а регулирование количества плазмы для настройки на величину тока срабатывания ППТ осуществляется изменением числа установленных в дополнительном электроде пушек.The technical result is achieved by dividing the function of the ACP and the vacuum diode by placing the ACP plasma guns in an additional intermediate electrode, the design of which is not related to the geometry of the accelerating gap, while the power supply of the plasma guns is carried out due to the energy of the accelerator voltage prepulse, and the regulation of the amount of plasma to adjust to the current value the PPT is triggered by changing the number of guns installed in the additional electrode.

Обостритель импульса, схема которого представлена на рис. 1, устанавливается в вакуумную передающую линию (ВПЛ) ускорителя, образованную внешним электродом 1 и внутренним электродом 2. Конструкция обострителя включает в себя промежуточный электрод 4, находящийся под плавающим потенциалом и установленные в нем по окружности плазменные пушки 5. Плазменная пушка состоит из двух электродов, разделенных диэлектрической вставкой, причем один из электродов гальванически соединен с внутренним электродом ВПЛ. Геометрия ускоряющего промежутка катод 3 - мишень 6 подбирается исходя из требований к электронному пучку. Потенциал, возникающий на промежуточном электроде вовремя предимпульса напряжения и определяющий напряжение на электродах плазменных пушек, зависит от соотношения электрических емкостей С1 и С2.The pulse sharpener, the diagram of which is shown in Fig. 1, is installed in the vacuum transmission line (VPL) of the accelerator formed by the outer electrode 1 and the inner electrode 2. The design of the sharpener includes an intermediate electrode 4, which is under a floating potential and plasma guns 5 installed in it around the circumference. The plasma gun consists of two electrodes separated by a dielectric insert, and one of the electrodes is galvanically connected to the internal electrode of the IDL. The geometry of the accelerating gap cathode 3 - target 6 is selected based on the requirements for the electron beam. The potential arising at the intermediate electrode during the voltage prepulse and determining the voltage at the electrodes of the plasma guns depends on the ratio of the electrical capacities C1 and C2.

Обостритель импульса работает следующим образом. В результате последовательного срабатывания первичного накопителя энергии, например, генератора импульсных напряжений и системы формирования импульсов (СФИ), состоящей, например, из индуктивности, электровзрывного прерывателя тока и коммутирующего разрядника импульс ускоряющего напряжения по ВПЛ подается на вакуумный диод, образованный катодом и мишенью. Характерной особенностью фазы передачи энергии из первичного накопителя в СФИ является появление предимпульса напряжения в ВПЛ и вакуумном диоде. Соответственно, на промежуточном электроде, электрически изолированном диэлектрическими вставками плазменных пушек от внутреннего электрода ВПЛ наводится напряжение. Величина этого напряжения и одновременно напряжения на плазменных пушках после деления по конструктивным электрическим емкостям будет равна Uп = Uпр С2/С1+С2, где Uпр - напряжение предимпульса на внутреннем электроде ВПЛ. В ускорителях мегавольтного уровня Uпр ~ 400-800 кВ, что позволяет получить Uп ~ 100 кВ и выше. Напряжение Uп вызывает электрический пробой по поверхности диэлектрических вставок плазменных пушек, образование плазмы и замыкание этой плазмой вакуумного зазора между промежуточным электродом и внешним электродом ВПЛ. После срабатывания СФИ рабочий импульс напряжения вызывает рост тока в плазменной перемычке. При достижении критического тока (тока обрыва) сопротивление плазмы возрастает, вызывая рост напряжения в вакуумном диоде и переключение тока в вакуумный диод, формирование и ускорение электронного пучка. Длительность фазы ускорения и, соответственно, длительность импульса тормозного излучения определяется временем переключения тока в вакуумный диод и электрической прочностью ППТ (моментом, когда произойдет вторичное замыкание ППТ).The impulse sharpener works as follows. As a result of the sequential actuation of the primary energy storage device, for example, a pulse voltage generator and a pulse shaping system (SFI), consisting, for example, of an inductance, an electric explosive current interrupter and a switching spark gap, an accelerating voltage pulse along the IDL is fed to a vacuum diode formed by the cathode and the target. A characteristic feature of the phase of energy transfer from the primary storage device to the SFI is the appearance of a voltage pre-pulse in the IDL and the vacuum diode. Accordingly, voltage is induced on the intermediate electrode electrically insulated by dielectric inserts of the plasma guns from the internal electrode of the IDL. The value of this voltage and, simultaneously, the voltage across the plasma guns after dividing by design electrical capacitances will be equal to Uп = Uпр С2 / С1 + С2, where Uпр is the prepulse voltage at the internal electrode of the IDP. In megavolt-level accelerators Upr ~ 400-800 kV, which makes it possible to obtain Uп ~ 100 kV and higher. The voltage Uп causes an electrical breakdown along the surface of the dielectric inserts of the plasma guns, the formation of plasma and the closure of this plasma of the vacuum gap between the intermediate electrode and the external electrode of the IDL. After the SFI is triggered, the working voltage pulse causes an increase in the current in the plasma jumper. When the critical current (cutoff current) is reached, the plasma resistance increases, causing an increase in the voltage in the vacuum diode and switching the current into the vacuum diode, forming and accelerating the electron beam. The duration of the acceleration phase and, accordingly, the duration of the bremsstrahlung pulse is determined by the time of switching the current into the vacuum diode and the electrical strength of the ACB (the moment when the secondary closure of the DCB occurs).

Для эффективной работы обострителя импульса в мегавольтном диапазоне напряжений как наиболее эффективном для генерации тормозного излучения необходимо выполнение ряда условий. Работа ППТ в мегавольтном диапазоне или с наиболее высокими значениями сопротивления после обрыва тока наилучшим образом реализуется при «эрозионном» механизме потери проводимости плазмы (Долгачев Г.И. Физика плазменных прерывателей тока и их возможные применения: диссертация д. ф-м. н. Москва, 2005). Экспериментально установлено, что эрозионный режим работы ППТ возможен при выполнении ограничения на плотность переносимого заряда на «пушку». Эта проблема решается путем установки в промежуточном электроде нескольких плазменных пушек с тем, чтобы, не выходя из эрозионного режима работы ППТ мог пропустить максимальный разрядный ток. Варьирование параметров плазмы и оптимизация срабатывания ППТ осуществляется путем изменения количества установленных в промежуточном электроде пушек. В прототипе эта функция ограничена, так как источником плазмы является одна плазменная пушка, настроенная на эрозионный режим работы, которая при этом совмещена с катодом.For the effective operation of the pulse sharpener in the megavolt voltage range, as the most effective for the generation of bremsstrahlung, a number of conditions must be met. The operation of the PPT in the megavolt range or with the highest resistance values after the current cutoff is best implemented with the "erosion" mechanism of plasma conductivity loss (Dolgachev G.I.Physics of plasma current interrupters and their possible applications: dissertation of Doctor of Physics and Mathematics, Moscow , 2005). It has been experimentally established that the erosional mode of operation of the SCT is possible when the restriction on the density of the transferred charge to the "gun" is fulfilled. This problem is solved by installing several plasma guns in the intermediate electrode so that, without leaving the erosional mode of operation, the SCC can pass the maximum discharge current. Varying the plasma parameters and optimizing the operation of the SCT is carried out by changing the number of guns installed in the intermediate electrode. In the prototype, this function is limited, since the plasma source is one plasma gun tuned to the erosion mode of operation, which is combined with the cathode.

Claims

An electron accelerator pulse sharpener, consisting of the electrodes of the vacuum transmission line, an intermediate electrode and a plasma current interrupter installed in it, in which the plasma in the plasma guns is formed as a result of an electric discharge over the dielectric surface under the influence of a prepulse of the working voltage pulse, the value of which is determined by the ratio of the electric capacitances between the intermediate electrode and the electrodes of the vacuum transmission line, characterized in that the intermediate electrode with the plasma guns installed in it and the vacuum diode are structurally separated and the regulation of the plasma parameters to adjust the moment of switching the current into the vacuum diode in order to sharpen the pulse is carried out by changing the number of plasma guns installed in the intermediate electrode ...