Способ тренировки ускорителя
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в технике электроионизационных лазеров (ЭИЛ). Цель изобретения - повышение эффективности тренировки ускорителя - достигается тем, что в процессе тренировки пробоями ускоритель подвергают вибрациям, в результате чего исключаются вакуумные пробои, связанные с наличием электромеханических неустойчивостей. В случае использования ускорителя в ЭИЛ целесообразно осуществлять вибрации с частотой работы лазера. Имеется экспериментальное подтверждение положительного эффекта изобретения. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в технике газовых электроионизационных лазеров. Важнейшее место среди проблем на пути совершенствования технологии лазерных систем занимают вопросы повышения надежности. Получившие в настоящее время широкое распространение, импульсно-периодические электроионизационные газовые лазеры включают в себя ускорители электронов высоких энергий (сотни кэВ) с большим поперечным сечением пучка. С устойчивостью работы ускорителей во многом повышаются надежностные характеристики лазеров. Основной причиной отказов ускорителей электронов является электрический пробой вакуумного ускоряющего промежутка. Накоплена масса экспериментальных данных и различных теоретических подходов к проблемам вакуумной изоляции, однако на практике сложно обеспечить высокую надежность. При наличии многочисленных деталей с развитой поверхностью и необходимости частой разгерметизации вакуумного объема для замены катодов и разделительной фольги невозможно избавиться от микрочастиц технологической пыли на рабочих поверхностях электродов, которые могут служить причиной пробоев. Требование непрерывной откачки в условиях мощного газовыделения приводит к появлению на поверхности электродов пленок органического происхождения, что также отражается на электропрочности устройств. Цель изобретения - повышение эффективности тренировки ускорителя. Цель достигается тем, что по способу тренировки пробоями ускорителя электронов ЭИЛ-ускоритель в процессе тренировки подвергают вибрациям. С целью обеспечения надежной работы лазера в импульсно-периодическом режиме вибрации создают с частотой повторения импульсов возбуждения разряда в лазере. На чертеже приведено устройство, реализующее заявляемый способ. Устройство включает в себя проточную разрядную камеру 1 лазера с электродами 2 и 3, подключенными к источнику 4 питания разряда, вакуумную камеру 5 ускорителя, соединенную с устройством 6 вакуумной откачки, включающую фольговый узел 7, управляющую сетку 8, катодный узел 9, источник 10 ускоряющего напряжения, через резистор 11 и ключ 12 соединенный с управляющей сеткой, измеритель 13 высокого напряжения, блок управления ускорителем, электромеханический вибратор 15 с блоком 16 питания. Тренировку ускорителя согласно заявляемому способу производят следующим образом. Ключ 12 переводят в разомкнутое состояние. Включают источник 10 ускоряющего напряжения, начинают медленный подъем напряжения, которое контролируют с помощью измерителя 13 напряжения. При этом в электронном усилителе между высоковольтным электродом (сеткой 8) и заземленным фольговым узлом 7 и камерой 5 происходят тренировочные пробои, о которых можно судить, например, с помощью осциллографа и измерителя 13. По мере исчезновения пробоев высокое напряжение постепенно увеличивают. Величина энергии, выделяющейся при пробоях, определяется величиной электростатической энергии, запасенной в емкости Сn, включающей в себя суммарную емкость собственно ускорителя, измерителя и блока 14 управления. При тренировочных пробоях постепенно ликвидируются слабые места, исчезают шероховатости, выступы на поверхности электродов. Одновременно с воздействием тренировочного напряжения на электроды постоянно или периодически на каждой ступени подъема напряжения включают блок 16 питания, чем приводят в действие электромеханический вибратор, который совершает периодические удары по корпусу ускорителя. Происходящие при этом вибрации электродов стимулируют отрыв электрическим полем слабодержавшихся на поверхности частичек технологической пыли, капель металла (И.Н.Сливков. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 123; Л. А. Ашкинази. Вакуум для науки и техники. М.: Наука, 1988, с.81,85) или пленки с поверхности электрода. Тренировку заканчивают на той стадии, когда при напряжении выше рабочего и вибрации корпуса пробои прекращаются. Уменьшают напряжение источника питания до рабочего уровня, переводят ключ 12 в замкнутое состояние. По окончании тренировки, т.е. при таком состоянии электродов, когда при напряжении выше рабочего и вибрации корпуса пробои прекращаются, ускоритель переводят в рабочий режим путем снижения напряжения источника 10 питания до рабочего уровня и замыканием ключа 12. Рабочий режим лазера осуществляют следующим образом. Подают на сетку 8 ускорителя от блока 14 управления отрицательное относительно катода 9 запирающее напряжение и напряжение накала катода. Подают в разрядную камеру 1 лазерный газ, включают источник 4 питания, формируют в блоке 14 управления положительный импульс управления на сетку 8 относительно катода. При этом термоэлектроны катода через сетку поступают в ускоряющее электрическое поле между сеткой и фольговым узлом 7. Импульсный пучок ускоренных электронов сквозь отверстия фольгового узла, фольгу и отверстия в электроде 2 поступает в рабочий газ лазера, производит его ионизацию. Во время действия пучка электронов между электродами 2 и 3 происходит импульсный несамостоятельный разряд. Этим достигают возбуждение активной среды лазера и с помощью резонатора получают лазерное излучение. Ударные волны от разряда, акустические колебания, возникающие в газовом потоке при импульсно-периодической работе лазера, приводят к механическим вибрациям узлов лазера и, в частности, электродов ускорителя. Эти вибрации могли бы стимулировать отрыв от поверхности электродов слабодержащихся микрочастиц, находящихся под действием сил электростатического поля, что приводило бы к пробою в ускорителе и срыву работы лазера. Однако такие электромеханические неустойчивости были ликвидированы при тренировке ускорителя путем создания аналогичных вибраций корпуса (и электродов). В результате надежности работы лазера существенно увеличилась. Вибрации коpпуса можно достигнуть, например, с помощью электромеханических вибраторов (одного или нескольких) с частотой ударов, например, 50 или 100 Гц (частоты повторения, используемые в ЭИЛ), при этом в механической системе ускорителя возбуждаются те колебания, которые имеют место при работе лазера. Однако возможно более эффективной может оказаться тренировка с использованием ультразвука или вибрации с частотой повторения на частотах механических резонансов узлов конструкции. Ультразвуковой излучатель целесообразно установить на фланце вводного изолятора. Ультразвуковые волны вдоль цилиндрического стакана, на котором укреплен катодно-сеточный узел, эффективно достигают поверхности электродов. Ультразвуковой излучатель может быть запитан непосредственно от блока 14 управления, который в режиме тренировки пробоями в способе-прототипе не используют. Таким образом, проведение тренировки пробоями ускорителя электронов в ЭИЛ с использованием вибраций корпуса ускорителя (и электродов) позволяет устранить электромеханические неустойчивости на поверхностях электродов ускорителя, что позволяет существенно уменьшить вероятность электрического пробоя в ускорителе при работе лазера и, следовательно, увеличить надежность лазера. Показана возможность реализации заявляемого способа в электроионизационном импульсно-периодическом СО2-лазере, в состав которого входят узлы, изображенные на чертеже. Ускоритель формирует импульсный (30 мкс) пучок электронов с энергией 180 кэВ сечением 100х1000 с частотой повторения до 200 Гц и амплитудой тока за фольгой до 10 А. Длительность серий в рабочем режиме лазера - в пределах десятков секунд. Откачка ускорителя производилась парамасляным насосом. При подготовке к работе лазера проводили тренировку ускорителя пробоями с использованием токоограничивающего резистора (П) 12 мОм, емкость Сn, включающая собственную емкость электродов ускорителя, схем питания и управления заземленных конструкций, составляла 1000 пФ. При тренировке напряжение поднимали ступенчато в течение десятков минут до 200-210 кВ. Время подъема зависело от степени тренированности ускорителя (после разгерметизации или после перерыва в работе). О наличии пробоев при тренировке можно было судить с помощью RC-делителя напряжения, подключенного к входу осциллографа. Одновременно нижнее плечо делителя было подключено к цифровому измерительному прибору постоянного напряжения (Ф201), что позволяло по падению напряжения на резисторе 11 (путем сравнения показаний делителя и выходного напряжения источника 10) судить о величине среднего тока утечки в ускорителе, т.е. о степени его оттренированости. Для оттренированного ускорителя падение напряжения на резисторе 11 составляло 10-15 кВ (при давлении в ускорителе 2
10-5 мм рт.ст. рабочее давление). По окончании тренировки напряжение источника 10 снижали до рабочего (180 кВ), переводили ключ 12 в замкнутое состояние (при этом сетка 8 соединялась непосредственно с выходной емкостью источника питания 0,4 мкФ) и проверяли ускоритель в рабочем режиме, т.е. в режиме формирования серий импульсов электронного пучка частотой 50-200 Гц. Если при этом происходил пробой в ускорителе, тренировку повторяли. Ускоритель считали готовым к работе лазера, если пробоев не наблюдалось. При работе лазера через разрядную камеру продували смесь рабочих газов, при этом на электроды 2 и 3 подавали импульсы напряжения (40-50 кВ) от источника 4 синхронно с импульсами электронного пучка. После первой тренировки рабочие серии лазера, как правило, прерывались из-за пробоев в ускорителе. В дальнейшем после многократных пусков лазера и последующих тренировок ускорителя пробои постепенно прекращались. На основе электромагнитного пускателя ПМЕ 211 было собрано устройство, с помощью которого создавали вибрации корпуса ускорителя. Катушка пускателя была жестко соединена с корпусом ускорителя, на нее подавали пульсирующий ток от блока 16 питания. При этом вибрации сердечника передавались камере 5 ускорителя. Ускоритель тренировали пробоями. По окончании пробоев (на напряжении 180-200 кВ), что соответствует оттренированному состоянию по способу-прототипу, включали вибратор. При этом была замечена целая серия пробоев, продолжающихся несколько секунд, падение напряжения на резисторе 11 увеличивалось примерно на 10 кВ. Это подтвердило факт, что после тренировки по способу-прототипу в вакуумном изоляционном промежутке остаются электромеханические неустойчивости, которые приводят к пробоям при работе лазера. Одновременно показана возможность эффективного уничтожения этих неустойчивостей путем создания вибраций корпуса ускорителя в режиме тренировки. Таким образом, предлагаемый способ тренировки ускорителя выгодно отличается от известного. Проведение тренировки пробоями в присутствии вибраций электродных узлов позволяет эффективно избавиться от механических неустойчивостей вакуумного изоляционного промежутка на стадии тренировки, т.е. без нарушений микрочастицами поверхности электродов, устранить которые можно лишь последующей тренировкой. Надежность работы лазера после тренировки ускорителя по заявляемому способу значительно увеличивается. Проведение тренировки по заявляемому способу будет более эффективным после переборки и разгерметизации, так как ускорит уничтожение микрочастиц на поверхности электродов. Кроме того, проведение такой кратковременной тренировки будет очень полезным перед каждым пуском лазера, так как это позволит устранить возможные неустойчивости, связанные с появлением микрочастиц на поверхностях электродов непосредственно в рабочем режиме. Данный способ тренировки может найти применение и при тренировке любых других высоковольтных электровакуумных приборов, где возможно появление электромеханических неустойчивостей, связанных с технологической пылью, появлением пленок на поверхности электродов, капель металла на поверхности электродов в условиях длительного воздействия высокого напряжения и т.д.
Формула изобретения
СПОСОБ ТРЕНИРОВКИ УСКОРИТЕЛЯ в электроионизационном лазере, согласно которому подают напряжение на электроды ускорителя, контролируют наличие пробоев, после прекращения пробоев увеличивают напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке, повторяют операции до достижения напряженности поля, соответствующей напряжению выше рабочего, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности тренировки, ускоритель перед очередным подъемом напряженности поля подвергают механическим вибрациям с частотой повторения импульсов возбуждения разряда в лазере.РИСУНКИ
Рисунок 1MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000
Извещение опубликовано: 10.11.2000
