Способ получения сильноточных диплоидных пучков электронов

Изобретение относится к способам получения сильноточных диплоидных пучков электронов и высокоинтенсивного тормозного излучения в импульсных ускорителях. Способ включает передачу части энергии от генератора импульсного напряжения в промежуточный накопитель и подвод этой части энергии через обостряющий разрядник, проходной высоковольтный изолятор, коаксиальную вакуумную линию к вакуумному диоду. На некотором расстоянии от начала коаксиальной вакуумной линии создают геометрическую неоднородность посредством поворота этой линии на определенный угол, а также увеличения радиуса внутреннего электрода линии на участке поворота. Волновое сопротивление участка линии на повороте меньше, чем до и после него. Изобретение направлено на упрощение способа получения сильноточных диплоидных пучков электронов с различными амплитудно-временными характеристиками на ускорителях прямого действия посредством разделения энергии электромагнитного импульса в коаксиальной вакуумной линии и одновременным формированием пучков электронов с выводом их по различным осям.

 

Изобретение относится к ускорительной технике больших мощностей, а точнее, к способам получения сильноточных диплоидных пучков электронов и высокоинтенсивного тормозного излучения в импульсных ускорителях прямого действия.

Известен способ получения двухимпульсных пучков электронов, состоящий в том, что используется синхронизированный запуск спаренных ускорителей прямого действия, расположенных в общем контейнере (Лаврентьев Б.Н., Мунасыпов Р.Н., Перешитое В.В. Реконструкция установки ЭМИР-М с целью создания двухимпульсного режима работы. // 7-я Межотраслевая конференция по радиационной стойкости: Сборник докладов, г.Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2006). Каждый ускоритель электронов содержит генератор импульсного напряжения, промежуточный накопитель энергии, электровзрывной прерыватель, обостряющий разрядник, проходной коаксиальный изолятор, коаксиальную вакуумную линию (КВЛ), вакуумный диод (ВД).

Общим для спаренных ускорителей является корпус и система синхронизации запуска. Недостатком способа является сложность его технического решения и низкая экономическая эффективность.

Размещение двух автономно работающих ускорителей в общем контейнере обуславливает возникновение между их узлами паразитных емкостных связей. При работе ускорителей с регулируемой задержкой запуска эти связи могут приводить к нежелательным последствиям:

- несанкционированному запуску генератора импульсного напряжения второго ускорителя, находящегося в «ждущем» режиме;

- изменению состояния электровзрывного прерывателя второго ускорителя и его характеристик;

- появлению на диоде второго ускорителя высокого напряжения, достаточного для возникновения взрывной эмиссии электронов, формирования пучка электронов и шунтирования ускоряющего промежутка плотной анодной и катодной плазмой.

Наиболее близким известным способом является получение двухимпульсных сильноточных пучков ускоренных электронов с помощью ускорителя прямого действия (Ведерников А.И., Касьянов Н.Ю., Кононенко В.Ю., Кормилицын А.И., Покровский А.С. Формирование импульса тормозного излучения «сложной» формы на ускорителе ИГУР-3. // 7-я Межотраслевая конференция по радиационной стойкости: Сборник докладов, г.Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2006). Для получения двухимпульсных пучков электронов ускоритель прямого действия снабжается вторым генератором импульсного напряжения, при этом промежуточный накопитель энергии и второй генератор импульсного напряжения подключаются на ускорительную трубку (общую нагрузку). В состав ускорительной трубки входят проходной высоковольтный изолятор, КВЛ и ВД, объединенные в корпусе с вакуумируемым объемом. При этом основной генератор импульсного напряжения ускорителя соединяется с ускорительной трубкой через промежуточный накопитель энергии и обостряющий разрядник, а второй генератор импульсного напряжения - через коммутирующий разрядник. В результате подобного подключения основного генератора импульсного напряжения к нагрузке на диоде формируется «короткий» импульс высокого напряжения и соответствующий пучок ускоренных электронов. Появление высокого потенциала на коммутирующем разряднике приводит к его пробою и разрядке второго генератора импульсного напряжения на эту же нагрузку с получением «длинного» импульса высокого напряжения и пучка электронов, соответственно. Амплитудно-временные характеристики пучков электронов определяются характеристиками генераторов импульсного напряжения, промежуточных накопителей энергии, разрядников и ускорительной трубки.

Таким образом, двухимпульсные пучки электронов в определенной последовательности формируются на одном и том же диоде.

Недостатком способа является взаимная зависимость и ограниченность амплитудно-временных характеристик пучков, обусловленная емкостными связями всех накопителей энергии сильноточного импульсного ускорителя. Существующая сложность реализации способа обусловлена наличием второго генератора импульсного напряжения, коммутирующего разрядника, при этом подобная схема реализации способа требует и создания соответствующей системы синхронизации каналов, поскольку коммутирующие разрядники характеризуются существенным временным разбросом при срабатывании. Основной недостаток способа заключается в том, что получаемые сильноточные двухимпульсные пучки электронов в принципе ограничены по временным характеристикам снизу, т.е. длительность формируемых импульсов и их переднего фронта определяется габаритами высоковольтных сильноточных устройств системы формирования импульса и присущих им внутренним индуктивно-емкостным связям и не может быть короче 2·10^-8 с.

К недостаткам способа относится получение двухимпульсных пучков на одном диоде и их вывод по одной оси не одновременно, а в определенной последовательности друг за другом с получением их энергии на различных генераторах импульсного напряжения.

Целью изобретения является упрощение способа получения сильноточных диплоидных пучков электронов с различными амплитудно-временными характеристиками на ускорителях прямого действия посредством разделения энергии электромагнитного импульса в коаксиальной вакуумной линии и одновременным формированием пучков электронов, с выводом их по различным осям.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения двухимпульсных пучков электронов, включающем передачу части энергии от генератора импульсного напряжения в промежуточный накопитель и подвод этой части энергии через обостряющий разрядник, проходной высоковольтный изолятор, коаксиальную вакуумную линию к вакуумному диоду, на некотором расстоянии от начала коаксиальной вакуумной линии создана геометрическая неоднородность посредством поворота этой линии на угол ≥π/4 с радиусом поворота ≤λ/2π, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона линии, а также увеличение радиуса внутреннего электрода линии на участке поворота так, что волновое сопротивление участка линии на повороте меньше, чем до и после него, что обеспечивает направленный сброс тока электронов непосредственно за границей неоднородности в первой половине электромагнитного импульса, с образованием второго высокоимпедансного вакуумного диода между внутренним и внешним электродом коаксиальной вакуумной линии.

Существенное отличие способа заключается в том, что энергия диплоидных пучков электронов формируется в одном и том же генераторе импульсного напряжения, промежуточном накопителе энергии, обостряющем разряднике, транспортируется в одном электромагнитном импульсе в одном канале ускорителя, но разделяется в КВЛ посредством созданных и совмещенных на одном участке КВЛ неоднородностей и поступает на различные вакуумные диоды, т.е. нет необходимости в использовании второго генератора импульсного напряжения и коммутирующего разрядника. При этом внутренний электрод КВЛ непосредственно за участком поворота выполняет функции второго катода, а совместно с участком создаваемых неоднородностей и разветвителя энергии электромагнитного импульса, эффективность которого определяется параметрами создаваемых неоднородностей в КВЛ. Сочетание этого катода и участка внешнего электрода КВЛ как анода при приложенном между ними напряжении образуют вакуумный диод.

Наложение подобных неоднородностей на одном участке КВЛ, их природа, свойства и образующиеся связи позволяют объединить и обусловленные ими токи утечки, при этом проявляются новые свойства, выражающиеся в движении и ускорении электронов, составляющих эти токи в направлении, противоположном повороту КВЛ. Это свойство проявляется посредством формирующейся на повороте аксиально-несимметричной топографии воздействия собственных электромагнитных полей в КВЛ на токи утечки на участке неоднородностей и непосредственно за ним, обеспечивающей превалирующее направление для токов утечки с формированием вакуумного диода.

Способ обеспечивает получение первого пучка электронов в основном диоде ускорителя с длительностью, определяемой системой формирования импульса ускорителя, а второго пучка электронов во втором, высокоимпедансном диоде с длительностью, определяемой временем установления режима магнитной самоизоляции на этом участке КВЛ. Длительность второго импульса зависит от крутизны переднего фронта электромагнитного импульса и параметров неоднородностей участка КВЛ. Характерной особенностью получаемого импульса тока во втором диоде является меньшая его длительность, как и его переднего фронта, по отношению к идентичным параметрам импульса тока в основном диоде, обусловленная естественным процессом формирования тока утечек в межэлектродном промежутке линии до установления замагниченности электронов в собственном магнитном поле электромагнитного импульса. При высокой моноэнергетичности электронов во втором пучке, определяемой напряжением на ускоряющем промежутке второго диода в рассматриваемый период времени, длительность формируемого импульса тормозного излучения и его переднего фронта будет не больше подобных составляющих токового импульса этого пучка электронов. Способ осуществляется следующим образом.

Электроны, создающие токи утечки в КВЛ, исходят из прикатодной плазмы, формирующейся при распространении электромагнитной волны с плотностью мощности более 10¹⁰ Вт/см² и напряженности электрического поля на катоде от 2·10⁵ В/см, в результате взрывной эмиссии электронов с отрицательного (внутреннего) электрода линии. Прикатодная плазма формируется при напряженности электрического поля до 2 МВ/см в течение нескольких наносекунд с концентрацией 10¹⁵-10¹⁶ см^-3 с температурой несколько электронвольт и расширяется диффузно со скоростью >2·10⁶ см/с, поскольку давление магнитного поля на поверхности плазмы превышает газокинетическое. В результате из прикатодной плазмы в межэлектродный зазор выходят электроны и частично заполняют его. В поле электромагнитной волны движение электронов инфинитно, поэтому они достигают положительного электрода, приводят к утечке и возрастанию тока в линии, что обуславливает ее энергетические потери. Поскольку источником напряжения является генератор с некоторым конечным сопротивлением (промежуточный индуктивный накопитель), то увеличение тока в линии вызывает уменьшение напряжения и возрастание напряженности магнитного поля, что способствует замагничиванию электронов.

Токи утечки, формирующиеся на переднем фронте электромагнитного импульса (ТЕМ-волны), распространяющегося по КВЛ в сторону первого вакуумного диода, под действием электродинамических сил смещаются в этом же направлении и имеют характерные закономерности в погонном относительном распределении (Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. // Под ред. Л.И.Рудакова, М.: Энергоатомиздат, 1990). В целом, по мере нарастания напряженности магнитного поля Н_φ, создаваемой током КВЛ и токами утечки в межэлектродном пространстве линии создается равновесная конфигурация, в которой воздействие напряженности магнитного поля Н_φ на электроны будет превалировать над воздействием напряженности электрического поля E_r, (Н_φ>E_r). Происходит замагничивание как электронов катодной плазмы, так и выходящих из нее. В этих условиях электроны катодной плазмы формируются и транспортируются в слое вокруг катода, удаленном на некоторое расстояние от него, что определяет равновесные условия и принцип передачи энергии в КВЛ. При данном потенциале U на линии существует некоторый минимальный ток I_min(U), который и обеспечивает режим магнитной самоизоляции в ней.

Создаваемые геометрические неоднородности в КВЛ (поворот КВЛ, наращивание радиуса внутреннего электрода на повороте) изменяют характер погонного распределения тока утечки. Формируемый участок поворота КВЛ с наращенным радиусом внутреннего электрода на нем проявляется в неоднородностях, которые на эквивалентной схеме могут быть замещены результирующей емкостью, включенной в линию параллельно. Эти неоднородности являются дополнительными источниками тока утечки в период установления магнитной самоизоляции в линии, каждый с величиной и плотностью в порядки раз более высокой, чем на однородном участке КВЛ. Выходящий из плазменного слоя поток электронов, создающий токи утечки, движется в межэлектродном промежутке КВЛ с приложенным потенциалом, т.е. проходит путь от плазменного слоя вокруг внутреннего электрода до внутренней оболочки внешнего электрода линии в ускоряющем поле. На повороте КВЛ, с внутренней его стороны, при выполнении условий (угол поворота ≥π/4, радиус поворота ≤λ/2π) создается результирующее магнитное поле с положительным градиентом напряженности в сторону поворота, т.е. формируется аксиально-несимметричное воздействие собственного магнитного поля на ток утечки, обеспечивающее на внутренней стороне сравнительно раннее установление режима магнитной изоляции по отношению к противоположной стороне участка КВЛ. Это создает преимущественное направление тока утечки электронов в направлении максимального преобладания действия напряженности электрического поля, т.е. противоположном направлению положительного градиента напряженности магнитного поля. Наращивание радиуса внутреннего электрода на повороте приводит к уменьшению волнового сопротивления этого участка линии и увеличению его предельного тока I_min1. Поскольку за участком коаксиала линии с меньшим волновым сопротивлением (большим I_min1) следует участок с большим волновым сопротивлением (меньшим I_min2), то разность этих минимальных токов сбрасывается в начале участка КВЛ с большим волновым сопротивлением (Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. // Под ред. Л.И.Рудакова, М.: Энергоатомиздат, 1990). Суммарный ток утечки, формирующийся неоднородностями КВЛ в этом направлении, и напряжение на этом участке определяют величину энерговыделения от пучка электронов на участке анода (внутренняя сторона внешнего электрода линии), непосредственно следующем за участком с неоднородностями. При величине этой энергии, достаточной для образования анодной плазмы соответствующей плотности, может происходить и закоротка линии.

Таким образом, условия образования закоротки на данном участке линии определяют предельные значения тока и энергии в формирующемся вакуумном диоде, ограничивающем реализацию способа. Выбором расположения участка неоднородностей на КВЛ можно изменять ускоряющее напряжение на втором вакуумном диоде в диапазоне от напряжения на входе в КВЛ до ускоряющего напряжения на первом ВД.

Режим работы второго вакуумного диода, формирующегося в условиях совмещения на одном участке КВЛ подобных неоднородностей, определяется как параметрами этих неоднородностей, так и амплитудно-временными характеристиками электромагнитного импульса в линии. Длительность импульса тока во втором вакуумном диоде ограничена временем установления режима магнитной самоизоляции на неоднородном участке линии, зависящей от ее параметров и амплитудно-временных характеристик электромагнитного импульса, поступающего с обостряющего разрядника ускорителя.

Таким образом, изменение параметров участка КВЛ сильноточного ускорителя прямого действия посредством образования на нем вышеозначенных совмещенных неоднородностей позволяет создать способ получения сильноточных диплоидных пучков электронов, отличающийся принципом его реализации, заключающимся в создании условий разделения на части энергии одного электромагнитного импульса в КВЛ.

Предложенный способ получения сильноточных диплоидных пучков электронов реализован на сильноточном ускорителе прямого действия УИН-10, имеющем КВЛ длиной 6 м с поворотом на середине на угол π/2 (V.A.Bryxin, A.M.Chlenov, A.A.Fedorov and e.a. UIN-10, High-Power Direct Acting Pulse Electron Accelerator for Radiation Investigations. // 15-th International conference on high-power particle beams. St.Petersburg, Russia, July 18-23, 2004). Основной пучок электронов, получаемый на первом диоде, имеет длительность на полувысоте >8·10^-8 с, максимальный ток 6·10⁴A, при максимальной энергии электронов ≤4 МэВ и длительности переднего фронта импульса тока ≥2·10^-8 с. Пучок электронов, полученный на формирующемся втором диоде, имеет длительность на полувысоте ≤3·10^-8 с, максимальный ток 2·10⁴ A, при энергии электронов>4МэВ и длительности переднего фронта импульса тока ≤3·10^-9 с. Формирование обоих пучков электронов происходит одновременно с выводом этих пучков на различных участках КВЛ по взаимно перпендикулярным осям.

Способ получения сильноточных диплоидных пучков электронов на основе ускорителя прямого действия, включающий передачу части энергии от генератора импульсного напряжения в промежуточный накопитель и подвод этой части энергии через обостряющий разрядник, проходной высоковольтный изолятор, коаксиальную вакуумную линию к вакуумному диоду, отличающийся тем, что на некотором расстоянии от начала коаксиальной вакуумной линии создана геометрическая неоднородность посредством поворота этой линии на угол ≥π/4 с радиусом поворота ≤λ/2π, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона линии, а также увеличения радиуса внутреннего электрода линии на участке поворота так, что волновое сопротивление участка линии на повороте меньше чем до и после него, что обеспечивает направленный сброс тока электронов непосредственно за границей неоднородности в первой половине электромагнитного импульса, с образованием второго высокоимпедансного вакуумного диода между центральным и внешним электродом коаксиальной вакуумной линии.