RU86374U1

RU86374U1 - PULSE ION ACCELERATOR

Info

Publication number: RU86374U1
Application number: RU2009115916/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Пушкарев; Владислав Александрович Тарбоков; Роман Владимирович Сазонов
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Импульсный ионный ускоритель, содержащий генератор импульсного напряжения и установленные в корпусе основной и предварительный газовые разрядники, двойную формирующую линию, средний электрод которой соединен с генератором импульсного напряжения и через основной газовый разрядник с корпусом ускорителя, а также вакуумный полосковый диод, потенциальный электрод которого соединен через предварительный газовый разрядник с внутренним электродом двойной формирующей линии, отличающийся тем, что рабочая поверхность потенциального электрода вакуумного полоскового диода выполнена из материала с высокой эмиссионной способностью.A pulsed ion accelerator comprising a pulse voltage generator and main and preliminary gas arresters installed in the housing, a double forming line, the middle electrode of which is connected to the pulse voltage generator and through the main gas spark gap with the accelerator housing, and a vacuum strip diode, the potential electrode of which is connected through preliminary gas spark gap with an internal electrode of the double forming line, characterized in that the working surface of the potential electron yes vacuum stripe diode is formed of a material having high emissivity.

Description

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

Известны устройства генерации мощных импульсных ионных пучков (МИП) [Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.], состоящие из вакуумного диода, накопительного устройства (им обычно является двойная формирующая коаксиальная линия), коммутатора, а также источника высокого напряжения, в качестве которого используют генератор Аркадьева-Маркса или импульсный трансформатор. МИП формируется путем прямого ускорения ионов из плазмы, образованной на поверхности анода при импульсном пробое по поверхности диэлектрических вставок или при инжекции плазмы в прианодную область от внешнего плазменного источника. Недостатком данного устройства является ограниченный ресурс работы. Кроме того, в таких источниках можно получать пучки с ограниченным типом ионов, определяемым диэлектриком. Диоды с инжекцией плазмы от внешнего плазменного источника, хотя принципиально позволяют получать ионные пучки различного состава, но сложны в реализации, поскольку на аноде диода требуется создать достаточно однородный слой плазмы плотностью более 10¹⁵ см^-3 с возможностью изменять состав плазмы. Дополнительные источники напряжения, системы синхронизации и ввода плазмы в зазор усложняют конструкцию ускорителя, снижают надежность.Known devices for generating high-power pulsed ion beams (MIP) [Bystritsky VM, Didenko AN Powerful ion beams. M .: Energoatomizdat, 1984. 152 pp.], Consisting of a vacuum diode, a storage device (it is usually a double forming coaxial line), a switch, and also a high voltage source, which is used as an Arkadyev-Marx generator or a pulse transformer. MIP is formed by direct acceleration of ions from a plasma formed on the surface of the anode during pulse breakdown on the surface of dielectric inserts or when plasma is injected into the anode region from an external plasma source. The disadvantage of this device is the limited resource. In addition, in such sources it is possible to obtain beams with a limited type of ion determined by the dielectric. Diodes with plasma injection from an external plasma source, although it is possible in principle to obtain ion beams of various compositions, are difficult to implement, since it is required to create a fairly uniform plasma layer with a density of more than 10 ¹⁵ cm ^-3 on the diode’s anode with the ability to change the plasma composition. Additional voltage sources, synchronization systems and plasma entry into the gap complicate the design of the accelerator, reduce reliability.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является, выбранный нами за прототип, наносекундный сильноточный ионный ускоритель ТЕМП [Ремнев Г.Е., Исаков И.Ф., Опекунов М.С., Матвиенко В.М. Источники мощных ионных пучков для практического применения // Известия вузов. Физика. 1998. №4 (приложение), с.92-110]. Ускоритель ТЕМП содержит генератор импульсного напряжения, корпус, двойную формирующую линию (ДФЛ), основной и предварительный газовые разрядники, вакуумный полосковый диод, состоящий из потенциального и заземленного электродов. Потенциальный графитовый электрод диода соединен через предварительный газовый разрядник с внутренним электродом ДФЛ. Потенциальный электрод диода соединен также зарядной индуктивностью с корпусом ускорителя. Средний электрод ДФЛ соединен с корпусом ускорителя через основной газовый разрядник и с генератором импульсного напряжения. Для создания плотной плазмы необходимого состава на поверхности потенциального электрода диода используется явление взрывной электронной эмиссии.Closest to the proposed device is, we have chosen for the prototype, nanosecond high-current ion accelerator TEMP [Remnev G.E., Isakov I.F., Guardian M.S., Matvienko V.M. Sources of powerful ion beams for practical use // News of universities. Physics. 1998. No. 4 (appendix), pp. 92-110]. The TEMP accelerator contains a pulse voltage generator, a housing, a double forming line (DFL), the main and preliminary gas arresters, and a vacuum strip diode consisting of potential and grounded electrodes. The potential graphite electrode of the diode is connected through a preliminary gas spark gap to the internal DFL electrode. The potential electrode of the diode is also connected by a charging inductance to the accelerator case. The middle DFL electrode is connected to the accelerator body through the main gas spark gap and to the pulse voltage generator. To create a dense plasma of the required composition on the surface of the potential electrode of the diode, the phenomenon of explosive electron emission is used.

Ускоритель работает следующим образом. Генератор импульсного напряжения ГИН заряжает емкость, образованную средним электродом ДФЛ и корпусом ускорителя. Емкость внутреннего электрода ДФЛ относительно среднего электрода много больше емкости внутреннего электрода ДФЛ относительно корпуса, поэтому потенциал внутреннего электрода приблизительно равен потенциалу среднего электрода. При достижении на предварительном газовом разряднике пробивного напряжения он срабатывает и происходит зарядка емкости между внутренним и средним электродами ДФЛ. Зарядка происходит через предварительный газовый разрядник и зарядную индуктивность. При этом на диоде формируется импульс отрицательного напряжения. В течение первого импульса на поверхности графитового потенциального электрода диода образуется взрывоэмиссионная плазма. Пробивное напряжение основного разрядника выше, чем у предварительного разрядника, и его пробой происходит через паузу, контролируемую давлением газа в основном разряднике. В течение паузы происходит дополнительная зарядка емкостей среднего электрода относительно корпуса и внутреннего электрода ДФЛ. После срабатывания основного газового разрядника генерируется второй импульс напряжения положительной полярности. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы формируется пучок ионов, который ускоряется в диодном зазоре.The accelerator works as follows. The GIN pulse voltage generator charges the capacitance formed by the middle DFL electrode and the accelerator body. The capacity of the inner DFL electrode relative to the middle electrode is much larger than the capacity of the inner DFL electrode relative to the housing, therefore, the potential of the inner electrode is approximately equal to the potential of the middle electrode. When the breakdown voltage is reached at the preliminary gas spark gap, it is triggered and the capacitance is charged between the inner and middle DFL electrodes. Charging occurs through a preliminary gas discharger and charging inductance. In this case, a negative voltage pulse is formed on the diode. During the first pulse, an explosive emission plasma is formed on the surface of the graphite potential electrode of the diode. The breakdown voltage of the main arrester is higher than that of the preliminary arrester, and its breakdown occurs through a pause controlled by the gas pressure in the main arrester. During a pause, an additional charge of the capacities of the middle electrode relative to the housing and the internal electrode of the DFL occurs. After operation of the main gas spark gap, a second voltage pulse of positive polarity is generated. During the second pulse, an ion beam is formed from the explosive emission plasma, which is accelerated in the diode gap.

Недостатком устройства - прототипа является низкая эффективность передачи энергии из ДФЛ в диод из-за потери энергии в зарядной индуктивности. В течение генерации ионного пучка часть энергии, накопленной в ДФЛ, потребляется зарядной индуктивностью. Потери энергии достигают 30-40%.The disadvantage of the prototype device is the low efficiency of energy transfer from the DFL to the diode due to the loss of energy in the charging inductance. During the generation of the ion beam, part of the energy stored in the DFL is consumed by the charge inductance. Energy losses reach 30-40%.

Основной технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности передачи энергии ДФЛ в диод в течение генерации основного импульса напряжения. Экспериментально нами получено увеличение эффективности передачи энергии ДФЛ в диод в течение генерации основного импульса напряжения с 60% до 90%.The main technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of energy transfer of the DFL to the diode during the generation of the main voltage pulse. We experimentally obtained an increase in the efficiency of the transfer of the DFL energy to the diode during the generation of the main voltage pulse from 60% to 90%.

Основной технический результат достигается тем, что в импульсном ионном ускорителе, содержащем генератор импульсного напряжения и установленные в корпусе основной и предварительный газовые разрядники, ДФЛ, средний электрод которой соединен с генератором импульсного напряжения и через основной газовый разрядник с корпусом ускорителя, вакуумный полосковый диод, потенциальный электрод которого соединен через предварительный газовый разрядник с внутренним электродом ДФЛ, согласно предложенному решению, рабочая поверхность потенциального электрода вакуумного полоскового диода выполнена из материала с высокой эмиссионной способностью.The main technical result is achieved by the fact that in a pulsed ion accelerator containing a pulse voltage generator and installed in the housing the main and preliminary gas arresters, DFL, the middle electrode of which is connected to the pulse voltage generator and through the main gas spark gap with the accelerator case, a vacuum strip diode, potential the electrode of which is connected through a preliminary gas spark gap with the internal electrode of the DFL, according to the proposed solution, the working surface is potential The electrode of the vacuum strip diode is made of a material with high emissivity.

В течение первого импульса время формирования сплошного эмиссионного слоя на поверхности потенциального электрода, выполненного из материала с высокой эмиссионной способностью, не превышает 10-15 нс. Зарядка емкости внутреннего электрода ДФЛ относительно среднего электрода в течение первого импульса и в течение паузы между первым и вторым импульсом происходит через диод.During the first pulse, the time of formation of a continuous emission layer on the surface of a potential electrode made of a material with high emission ability does not exceed 10-15 ns. The charge of the capacitance of the inner DFL electrode relative to the middle electrode during the first pulse and during the pause between the first and second pulse occurs through the diode.

На фиг.1 представлена функциональная схема примера выполнения импульсного ионного ускорителя. На фиг.2 показано изменение площади эмитирующей поверхности потенциального электрода на первом импульсе при выполнении его из разных материалов.Figure 1 presents a functional diagram of an example implementation of a pulsed ion accelerator. Figure 2 shows the change in the area of the emitting surface of the potential electrode at the first pulse when it is made of different materials.

Генератор импульсного напряжения 1, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, содержит семь ступеней конденсаторов ИК100-0.25 (100 кВ, 0.25 мкФ). Собственная индуктивность ГИН ~5 мкГн. Двойная формирующая линия 2 с деионизированной водой в качестве диэлектрика имеет емкость среднего электрода 3 относительно корпуса и внутреннего электрода ДФЛ по 11 нФ. Суммарная емкость ДФЛ 2 равна выходной емкости ГИН. Средний электрод 3 двойной формирующей линии 2 коммутируется на корпус основным газовым разрядником 4 (зазор 11 мм, давление до 8 атм. технического азота). Внутренний электрод 5 двойной формирующей линии 2 соединен с потенциальным электродом 6 вакуумного полоскового диода через предварительный газовый разрядник 7. Рабочая поверхность потенциального электрода 6 диода покрыта материалом с высокой эмиссионной способностью, например углеродной тканью. Заземленный электрод 8 диода соединен с корпусом ускорителя только с одной стороны.The pulse voltage generator 1, assembled according to the Arkadyev-Marx scheme, contains seven stages of capacitors IK100-0.25 (100 kV, 0.25 μF). GIN intrinsic inductance ~ 5 μH. The double forming line 2 with deionized water as a dielectric has a capacitance of the middle electrode 3 relative to the housing and the inner DFL electrode of 11 nF each. The total capacity of DFL 2 is equal to the output capacity of the GIN. The middle electrode 3 of the double forming line 2 is switched to the housing by the main gas spark gap 4 (gap 11 mm, pressure up to 8 atm. Technical nitrogen). The inner electrode 5 of the double forming line 2 is connected to the potential electrode 6 of the vacuum strip diode through a preliminary gas spark gap 7. The working surface of the potential electrode 6 of the diode is coated with a high emissivity material, such as carbon cloth. The grounded electrode 8 of the diode is connected to the accelerator case only on one side.

Ускоритель работает следующим образом. Генератор импульсного напряжения 1 заряжает емкость между средним электродом 3 ДФЛ 2 и корпусом. Емкость внутреннего электрода 5 ДФЛ 2 относительно среднего электрода 3 много больше емкости между средним электродом ДФЛ 3 и корпусом, поэтому потенциал внутреннего электрода 5 приблизительно равен потенциалу среднего электрода 3. Внутренняя формирующая линия ДФЛ 2 практически не заряжается. При достижении на предварительном газовом разряднике 7 пробивного напряжения он срабатывает и происходит зарядка емкости между внутренним 5 и средним 3 электродами ДФЛ 2. Зарядка происходит через предварительный газовый разрядник 7 и диод. При этом на диоде формируется импульс отрицательного напряжения. В течение первого импульса на поверхности потенциального электрода 6 диода, выполненного из материала с высокой эмиссионной способностью, образуется взрывоэмиссионная плазма. Пробивное напряжение основного разрядника 4 выше, чем у предварительного газового разрядника 7, и его пробой происходит через паузу, контролируемую давлением газа в основном газовом разряднике 4. В течение паузы происходит дополнительная зарядка емкостей среднего электрода 3 относительно корпуса и внутреннего электрода 5 ДФЛ 2. После срабатывания основного газового разрядника 4 генерируется второй импульс напряжения положительной полярности. В течение второго импульса из взрывоэмиссионной плазмы формируется пучок ионов, который ускоряется в диодном зазоре.The accelerator works as follows. The pulse voltage generator 1 charges the capacitance between the middle electrode 3 DFL 2 and the housing. The capacity of the inner electrode 5 of DFL 2 relative to the middle electrode 3 is much larger than the capacity between the middle electrode of DFL 3 and the casing, so the potential of the inner electrode 5 is approximately equal to the potential of the middle electrode 3. The inner forming line of DFL 2 is practically not charged. When the breakdown voltage is reached at the preliminary gas spark gap 7, it is activated and the capacitance is charged between the inner 5 and middle 3 electrodes of the DFL 2. Charging takes place through the preliminary gas spark gap 7 and the diode. In this case, a negative voltage pulse is formed on the diode. During the first pulse, an explosive emission plasma is formed on the surface of the potential electrode 6 of the diode made of a material with high emission ability. The breakdown voltage of the main spark gap 4 is higher than that of the preliminary gas spark gap 7, and its breakdown occurs after a pause controlled by the gas pressure in the main gas spark gap 4. During the pause, the capacities of the middle electrode 3 are additionally charged relative to the housing and the inner electrode 5 of DFL 2. After the operation of the main gas spark gap 4, a second voltage pulse of positive polarity is generated. During the second pulse, an ion beam is formed from the explosive emission plasma, which is accelerated in the diode gap.

На фиг.2 показано изменение площади эмитирующей поверхности S потенциального электрода 6 в течение первого импульса для электрода площадью 28 см², выполненного из углеродной ткани 9 и графита 10. Экспериментально получено, что использование углеродной ткани, имеющей много микронеровностей на поверхности в местах переплетения нитей, значительно ускоряет процесс формирования взрывоэмиссионной плазмы. После приложения напряжения к потенциальному электроду (момент времени t=0) в случае использования углеродной ткани уже через 15 нс плазма заполняет всю рабочую поверхность потенциального электрода. Для графитового потенциального электрода (по прототипу) время формирования сплошной плазменной поверхности превышает 80 нс. Плотность электронного тока с плазменной поверхности потенциального электрода в 10³-10⁵ раз выше тока полевой эмиссии из графита, что обеспечивает зарядку емкости между средним 3 и внутренним 5 электродами ДФЛ 2 через диод и отпадает необходимость в зарядной индуктивности. При зарядке конденсаторов ГИНа до напряжения 40 кВ полная энергия, накопленная в двойной формирующей линии, составляла 1300±100 Дж. Энергия, поступающая из ДФЛ в диод в случае использования зарядной индуктивности, составляла 760-800 Дж. В случае использования потенциального электрода диода, покрытого углеродной тканью, при полной энергии, накопленной в ДФЛ, равной 1300±100 Дж, энергия, поступающая из ДФЛ в диод, составляла 1100-1210 Дж.Figure 2 shows the change in the area of the emitting surface S of the potential electrode 6 during the first pulse for an electrode of 28 cm ² made of carbon fabric 9 and graphite 10. It was experimentally obtained that the use of a carbon fabric having many microroughnesses on the surface at the weave significantly accelerates the process of formation of explosive emission plasma. After applying voltage to the potential electrode (time t = 0), in the case of using carbon fabric, after 15 ns, the plasma fills the entire working surface of the potential electrode. For a graphite potential electrode (according to the prototype), the formation time of a continuous plasma surface exceeds 80 ns. The density of the electron current from the plasma surface of the potential electrode is 10 ³ -10 ⁵ times higher than the field emission current from graphite, which ensures charging of the capacitance between the middle 3 and inner 5 electrodes of the DPL 2 through the diode and there is no need for a charging inductance. When charging GIN capacitors to a voltage of 40 kV, the total energy accumulated in the double forming line was 1300 ± 100 J. The energy supplied from the DFL to the diode in the case of using a charging inductance was 760-800 J. In the case of using a potential diode electrode coated with carbon fabric, with the total energy stored in the DFL equal to 1300 ± 100 J, the energy supplied from the DFL to the diode was 1100-1210 J.

Claims

A pulsed ion accelerator comprising a pulse voltage generator and main and preliminary gas arresters installed in the housing, a double forming line, the middle electrode of which is connected to the pulse voltage generator and through the main gas spark gap with the accelerator housing, and a vacuum strip diode, the potential electrode of which is connected through preliminary gas spark gap with an internal electrode of the double forming line, characterized in that the working surface of the potential electron yes vacuum stripe diode is formed of a material having high emissivity.