RU41951U1

RU41951U1 - PULSE ELECTRON ACCELERATOR

Info

Publication number: RU41951U1
Application number: RU2004117953/22U
Authority: RU
Inventors: Д.В. Гончаров; Г.Е. Ремнев; А.И. Пушкарев; Э.Г. Фурман
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2004-11-10

Abstract

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц. Газонаполненный генератор импульсного напряжения 1 Двойная формирующая линия 2 с деионизированной водой в качестве диэлектрика. Двойная формирующая линия коммутируется газовым разрядником 3. В масляном объеме 4 помещен согласующий трансформатор. Вокруг сердечников уложено 12 одиночных витков 6. Сердечники и витки крепятся с помощью диэлектрической втулки и боковых пластин, расположенных на катододержателе 7. К анод-катодному промежутку диода (9 - катод, 10 - анодная фольга) дополнительно к виткам 6 автотрансформатора подключен виток, образованный катододержателем 7 и корпусом ускорителя 8. Для насыщения материала ферромагнитного сердечника трансформатора до стадии формирования основного импульса напряжения введен узел принудительного размагничивания. Он состоит из конденсатора 11, тиристора 12, индуктивности размагничивания 13, развязывающей индуктивности 14, шунтирующего сопротивления 15, защитного диода 16 и дросселя насыщения 17.The invention relates to accelerator technology and is intended to produce powerful beams of charged particles. Gas-filled pulse voltage generator 1 Double forming line 2 with deionized water as a dielectric. The double forming line is switched by a gas spark gap 3. A matching transformer is placed in the oil volume 4. Around the cores, 12 single turns are laid 6. Cores and turns are attached using a dielectric sleeve and side plates located on the cathode holder 7. To the anode-cathode gap of the diode (9 - cathode, 10 - anode foil), a coil formed in addition to turns 6 of the autotransformer is formed a cathode holder 7 and an accelerator housing 8. To saturate the material of the ferromagnetic core of the transformer to the stage of formation of the main voltage pulse, a forced demagnetization unit is introduced. It consists of a capacitor 11, a thyristor 12, a demagnetization inductance 13, an isolation inductance 14, a shunt resistance 15, a protective diode 16, and a saturation inductor 17.

Description

Полезная модель относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц.The utility model relates to accelerator technology and is intended to produce powerful beams of charged particles.

Известны устройства генерации мощных импульсных электронных пучков [Месяц Г.А., Бугаев С.П.«Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов», Н, 1974, стр.5], состоящие из вакуумного диода с катодом, газонаполненной камеры для исследования и фокусировки пучка, накопительного устройства (им обычно является двойная формирующая полосковая или коаксиальная линия), коммутатора, а также источника высокого напряжения, в качестве которого используют генераторы Аркадьева-Маркса или импульсные трансформаторы. Кроме того, для вывода пучка из диода в камеру имеется окно, которое одновременно играет роль анода в диоде.Known devices for generating powerful pulsed electron beams [Mesyats GA, Bugaev SP “Powerful nanosecond pulsed sources of accelerated electrons”, N, 1974, p.5], consisting of a vacuum diode with a cathode, a gas-filled chamber for research and focusing beam, storage device (it is usually a double forming strip or coaxial line), a switch, as well as a high voltage source, which is used as Arkadyev-Marx generators or pulse transformers. In addition, to output the beam from the diode to the camera, there is a window that simultaneously plays the role of the anode in the diode.

Недостатком данного устройства является рассогласование низкоомной двойной формирующей линии (ДФЛ) с высокоомным вакуумным диодом. Наибольшей же передаче энергии из формирующей линии в диод соответствует условие, когда сопротивление диода равно волновому сопротивлению формирующей линии.The disadvantage of this device is the mismatch of the low resistance double forming line (DFL) with a high resistance vacuum diode. The greatest transfer of energy from the forming line to the diode corresponds to the condition when the resistance of the diode is equal to the wave resistance of the forming line.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранный нами за прототип наносекундный сильноточный электронный ускоритель с индукторной секцией (Быстрицкий В.М., Иванов И.Б., Петров А.В., Толмачева В.Г., Фурман Э.Г. // ПТЭ, 1987, №5, с.122-125), выполняющей функции согласующего трансформатора. Для повышения эффективности передачи энергии, запасаемой в формирующей линии сильноточного ускорителя, в энергию электронного пучка использована индукторная секция (согласующий трансформатор), установленная между двойной формирующей линией и сильноточным электронным диодом. Трансформатор включен по схеме повышающего автотрансформатора с Closest to the proposed device is the nanosecond high-current electronic accelerator chosen by us for the prototype with an inductor section (Bystritsky V.M., Ivanov I.B., Petrov A.V., Tolmacheva V.G., Furman E.G. // PTE , 1987, No. 5, p.122-125), performing the functions of a matching transformer. To increase the efficiency of transferring energy stored in the forming line of a high-current accelerator to the electron beam energy, an inductor section (matching transformer) is used, installed between the double forming line and a high-current electronic diode. The transformer is switched on according to the scheme of an increasing autotransformer with

коэффициентом трансформации 1:2. Согласующий трансформатор обеспечивает согласование низкого импеданса формирующей линии с высоким импедансом диода.transformation ratio 1: 2. A matching transformer matches the low impedance of the forming line with the high impedance of the diode.

Недостатком данного устройства является формирование паразитного предимпульса, достигающего 30% амплитуды основного импульса напряжения. Предимпульс снижает долговечность работы анодной фольги и ресурс работы ускорителя. За время паузы между предимпульсом и основным импульсом напряжения (300-500 нс.) взрывоэмиссионная плазма заполняет анод-катодный промежуток и при формировании основного импульса напряжения на диоде приводит к контрагированию электронного пучка в анод-катодном промежутке и дуговой стадии разряда формирующей линии. При этом происходит сильная эрозия материала тонкой анодной фольги, что приводит к ее разрушению и выходу из строя электронного ускорителя. Кроме того, наличие предимпульса снижает эффективность передачи энергии формирующей линии в энергию электронного пучка в течение генерации основного импульса напряжения.The disadvantage of this device is the formation of a spurious pre-pulse, reaching 30% of the amplitude of the main voltage pulse. The pre-pulse reduces the durability of the anode foil and the service life of the accelerator. During the pause between the pre-pulse and the main voltage pulse (300-500 ns.), The explosive emission plasma fills the anode-cathode gap and, when the main voltage pulse is formed on the diode, leads to contraction of the electron beam in the anode-cathode gap and the arc stage of the discharge of the forming line. In this case, severe erosion of the material of the thin anode foil occurs, which leads to its destruction and failure of the electron accelerator. In addition, the presence of a pre-pulse reduces the efficiency of transferring the energy of the forming line to the energy of the electron beam during the generation of the main voltage pulse.

Основным техническим результатом предложенного нами решения является увеличение ресурса работы ускорителя и повышение эффективности передачи энергии формирующей линии в энергию электронного пучка в течение генерации основного импульса напряжения. Экспериментально нами получено увеличение ресурса работы ускорителя с 10-15 импульсов до (1-2)·10⁴ импульсов без разрушения анодной фольги. Увеличение эффективности передачи энергии формирующей линии в энергию электронного пучка в течение генерации основного импульса напряжения составило 8%.The main technical result of our proposed solution is to increase the accelerator service life and increase the efficiency of energy transfer of the forming line to the electron beam energy during the generation of the main voltage pulse. We experimentally obtained an increase in the life of the accelerator from 10-15 pulses to (1-2) · 10 ⁴ pulses without destroying the anode foil. An increase in the efficiency of energy transfer of the forming line to the energy of the electron beam during the generation of the main voltage pulse was 8%.

Основной технический результат достигается тем, что в импульсный электронный ускоритель, включающий генератор импульсного напряжения, двойную формирующую линию, электронный диод и согласующий трансформатор, установленный между двойной формирующей линией и электронным диодом, согласно предложенному нами решению, введен узел The main technical result is achieved by the fact that in the pulsed electron accelerator, including a pulse voltage generator, a double forming line, an electronic diode and a matching transformer installed between the double forming line and the electronic diode, according to the solution we proposed, a node is introduced

принудительного размагничивания сердечника согласующего трансформатора, который размагничивает в начале процесса формирования импульса напряжения и обеспечивает величину тока размагничивания в пределах 150-200 А.forced demagnetization of the core of the matching transformer, which demagnetizes at the beginning of the process of generating a voltage pulse and provides a demagnetization current in the range of 150-200 A.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

На фиг.1 показана функциональная схема ускорителя. Газонаполненный генератор импульсного напряжения (ГИН) 1, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, содержит семь ступеней конденсаторов К75-74 (40 кВ, 47 нФ) по два в каждой ступени. Собственная индуктивность ГИН~1.5 мкГн. Двойная формирующая линия 2 с деионизированной водой в качестве диэлектрика имеет емкость плеч C₁=С₂=6.5 нФ. Суммарная емкость двойной формирующей линии равна выходной емкости ГИН. Двойная формирующая линия коммутируется газовым разрядником 3 (зазор 11 мм, давление до 8 атм. технического азота). В масляном объеме 4 помещен согласующий трансформатор, который содержит четыре сердечника 5 (К360×150×25 из пермаллоевой ленты 50НП×0.01). Вокруг сердечников уложено 12 одиночных витков 6, которые равномерно (по азимуту) распаяны к электроду ДФЛ. Сердечники и витки крепятся с помощью диэлектрической втулки и боковых пластин, расположенных на катододержателе 7. К анод-катодному промежутку диода (9 - катод, 10 - анодная фольга) дополнительно к виткам 6 автотрансформатора подключен виток, образованный катододержателем 7 и корпусом ускорителя 8. Таким образом, диод оказывается включенным по автотрансформаторной схеме с повышением напряжения в 2 раза относительно выходного напряжения ДФЛ.Figure 1 shows the functional diagram of the accelerator. A gas-filled pulse voltage generator (GIN) 1, assembled according to the Arkadyev-Marx scheme, contains seven stages of capacitors K75-74 (40 kV, 47 nF), two in each stage. GIN intrinsic inductance ~ 1.5 μH. The double forming line 2 with deionized water as the dielectric has a shoulder capacitance C ₁ = C ₂ = 6.5 nF. The total capacity of the double forming line is equal to the output capacity of the GIN. The double forming line is switched by a gas spark gap 3 (gap 11 mm, pressure up to 8 atm. Technical nitrogen). A matching transformer is placed in the oil volume 4, which contains four cores 5 (K360 × 150 × 25 from permalloy tape 50NP × 0.01). Around the cores, 12 single turns of 6 are laid, which are uniformly (in azimuth) soldered to the DFL electrode. The cores and coils are attached using a dielectric sleeve and side plates located on the cathode holder 7. To the anode-cathode gap of the diode (9 - cathode, 10 - anode foil), in addition to the coils 6 of the autotransformer, a coil is formed, formed by the cathode holder 7 and the accelerator body 8. Thus Thus, the diode turns on by an autotransformer circuit with a voltage increase of 2 times relative to the output voltage of the DFL.

Для насыщения материала ферромагнитного сердечника трансформатора до стадии формирования основного импульса напряжения введен узел принудительного размагничивания. Он состоит из конденсатора 11, тиристора 12, индуктивности размагничивания 13, развязывающей индуктивности 14, шунтирующего сопротивления 15, защитного диода 16 и дросселя насыщения 17.For saturation of the material of the ferromagnetic core of the transformer to the stage of formation of the main voltage pulse, a forced demagnetization unit is introduced. It consists of a capacitor 11, a thyristor 12, a demagnetization inductance 13, an isolation inductance 14, a shunt resistance 15, a protective diode 16, and a saturation inductor 17.

Ускоритель работает следующим образом: начальное магнитное состояние сердечника согласующего трансформатора задается током, протекающим по цепи индуктивностей 13 и 14, катододержателя 7 и витков 6 при разряде конденсатора 11. Конденсатор 11 предварительно заряжается от внешнего источника до напряжения, обеспечивающего протекание тока размагничивания величиной 150 - 200 А. После зарядки конденсатора на управляющий вывод 18 тиристора 12 узла размагничивания подается импульс запуска с блока управления ускорителем. Тиристор открывается и начинается процесс разрядки конденсатора. В момент перехода тока из цепи тиристора 12 в цепь диода 16 (см. фиг.1), дроссель насыщения 17 формирует импульс на запуск генератора импульсного напряжения, после срабатывания которого начинается формирование основного импульса напряжения.The accelerator works as follows: the initial magnetic state of the core of the matching transformer is set by the current flowing through the circuit of inductors 13 and 14, the cathode holder 7 and turns 6 when the capacitor 11 is discharged. The capacitor 11 is pre-charged from an external source to a voltage providing a demagnetization current of 150 - 200 A. After charging the capacitor to the control terminal 18 of the thyristor 12 of the demagnetization unit, a start pulse is sent from the accelerator control unit. The thyristor opens and the capacitor discharge process begins. At the time of the transition of the current from the circuit of the thyristor 12 to the circuit of the diode 16 (see figure 1), the saturation inductor 17 generates a pulse to start the pulse voltage generator, after which the formation of the main voltage pulse begins.

Использование принудительного размагничивания сердечника согласующего трансформатора в начале процесса формирования импульса напряжения позволило значительно снизить амплитуду предимпульса. Выполненные исследования показали, что при увеличении тока размагничивания от 0 до 150 ампер амплитуда предимпульса снизилась с 160 кВ до 10-15 кВ при амплитуде основного импульса напряжения 550 кВ. При увеличении тока размагничивания более 150-200 ампер амплитуда предимпульса не меняется. Экспериментально нами получено увеличение ресурса работы ускорителя с 10-15 импульсов до (1-2)·10⁴ импульсов без разрушения анодной фольги. Кроме того, экспериментально получено увеличение эффективности передачи энергии формирующей линии в энергию электронного пучка в течение генерации основного импульса напряжения с 90% (без принудительного размагничивания) до 98%.The use of forced demagnetization of the core of the matching transformer at the beginning of the process of forming a voltage pulse allowed to significantly reduce the amplitude of the pre-pulse. The performed studies showed that with an increase in the demagnetization current from 0 to 150 amperes, the amplitude of the pre-pulse decreased from 160 kV to 10-15 kV with an amplitude of the main voltage pulse of 550 kV. With an increase in the demagnetization current of more than 150-200 amperes, the amplitude of the pre-pulse does not change. We experimentally obtained an increase in the life of the accelerator from 10-15 pulses to (1-2) · 10 ⁴ pulses without destroying the anode foil. In addition, an experimentally obtained increase in the efficiency of energy transfer of the forming line to the energy of the electron beam during the generation of the main voltage pulse from 90% (without forced demagnetization) to 98%.

Claims

A pulse electronic accelerator including a pulse voltage generator, a double forming line, an electronic diode and a matching transformer installed between the double forming line and an electronic diode, characterized in that a forced demagnetization unit of the matching transformer core is introduced, which demagnetizes at the beginning of the voltage pulse generation process and provides the value of the demagnetization current in the range of 150-200 A.