Ускоритель электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного катода
Владельцы патента RU 2653505:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к ускорителю электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода. В предложенном ускорителе накопитель энергии совместно с формирователем импульса выполнен в виде формирующей линии, состоящей из n+1, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, трансформатор включен между формирующей линией и диодом и состоит из n, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, между формирующей линией и трансформатором включен управляющий разрядник, отдельный кабель с волновым сопротивлением ρ соединяет формирующую линию с катодом. Технический результат заключается в обеспечении компактности устройства при простоте исполнения в сочетании с возможностью без существенных изменений конструкции варьировать энергией электронов пучка и длительностью генерации пучка (длительностью токового импульса электронного потока). 1 ил.
Изобретение относится к области ускорительной техники, физике плазмы, радиационной физике, и может быть использовано в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела, где важным является получение пучков заряженных частиц с необходимыми энергетическими параметрами и регулируемой длительностью.
Известно устройство (G. Rosenman and D Shur. Elektron emission from ferroefectrics // J of Appl. Phys. V. 88, №11, 2000, pp. 6109-6161, 1]), предназначенное для получения электронных пучков с использованием СЭП-катода (сегнетоэлектрического плазменного катода). Ускоритель включает в себя источник высоковольтных импульсов - импульсный генератор высоковольтный трансформатор, передающую линию, СЭП-катод и анод.
Недостатком такого ускорителя является то, что:
1. Электронная эмиссия с поверхности СЭП-катода начинается с определенной задержкой после подачи напряжения, а это приводит к тому, что длительность токового импульса электронного потока оказывается меньше длительности приложенного напряжения.
2. Наличие большого числа функциональных составляющих, в особенности, источника высоковольтных импульсов, высоковольтного импульсного трансформатора делает установку сложной и громоздкой.
3. Длительность импульсов электронного потока невозможно регулировать.
Наиболее близким к заявленному устройству является ускоритель электронов с использованием СЭП-катода (Г.А. Месяц УФН 2008 г. т. 178, №1 стр. 85-108). Он состоит из зарядного конденсатора (накопитель энергии), разрядника, импульсного трансформатора, накопительной глицериновой линии, обостряющего разрядника и срезающего разрядника (образующих формирователь импульса), делителей напряжения, кабеля питания катода (отдельного кабеля для создания плазмы на поверхности катода), катода и анода (образующих диод с СЭП-катодом).
При срабатывании разрядника конденсатор разряжается на обмотку импульсного трансформатора, при этом заряжается накопительная линия. При срабатывании обостряющего разрядника на диоде появляется импульс напряжения. Изменяя длину зазора срезающего разрядника, можно изменять длительность импульса. Когда срабатывает разрядник, в разрядную цепь катода по кабелю подается напряжение, которое приходит раньше, чем импульс высокого напряжения, необходимый для формирования плазмы на поверхности катода, как источника электронов.
Основными недостатками данной системы являются:
1. Наличие зарядного конденсатора, разряжающегося в цепь с большой индуктивностью, привносимой импульсным трансформатором, что приводит к возникновению длительных фронтов нарастания и спада импульса тока. Поэтому для формирования импульсов с резкими фронтами приходится использовать обостряющий и срезающий разрядники. Использование трех разрядников требует их жесткой синхронизации. Сложность настройки и синхронизации разрядников значительно усложняет конструкцию ускорителя в целом.
2. В состав ускорителя входит импульсный трансформатор, являющийся сложным инженерным устройством.
3. Для изменения длительности импульсов необходимо изменять зазоры в срезающем разряднике. Для этого надо производить его разборку и настройку, поскольку изменение зазоров срезающего разрядника должно приводить к изменению напряжения в накопительной линии и в основном разряднике. Все это серьезно усложняет конструкцию ускорителя, а также требует значительных усилий в настройке всей системы синхронизации.
Техническая проблема состоит в создании малогабаритного ускорителя, позволяющего изменять длительность и энергию пучка электронов в широких пределах.
Технический результат заключается в обеспечении компактности устройства при простоте исполнения в сочетании с возможностью без существенных изменения конструкции варьировать энергией электронов пучка и длительностью генерации пучка (длительностью токового импульса электронного потока).
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного ускорителя электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода, содержащего электрически связанные между собой накопитель энергии, разрядник, импульсный трансформатор, формирователь импульса, диод с СЭП-катодом, отдельный кабель для создания плазмы на поверхности катода, в предложенном ускорителе накопитель энергии совместно с формирователем импульса выполнены в виде формирующей линии, состоящей из n+1, где n-натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, трансформатор включен между формирующей линией и диодом и состоит из n, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, между формирующей линией и трансформатором включен управляющий разрядник, отдельный кабель с волновым сопротивлением ρ соединяет формирующую линию с катодом.
Физическая основа подхода состоит в переходе при конструировании ускорителя электронов на линии с распределенными параметрами.
Это организовано за счет того, что осуществлена замена имеющей место в прототипе конструкции ускорителя электронов, состоящей из зарядного конденсатора, импульсного трансформатора, накопительной глицериновой линии, обостряющего разрядника, срезающего разрядника, делителей напряжения, СЭП-катода и анода, образующих диод, кабеля питания катода, на заявляемую конструкцию ускорителя электронов. В заявляемой конструкции от источника напряжения заряжается формирующая линия, состоящая из n+1 (n - натуральное число) отрезков однородных линий, каждая из которых имеет волновое сопротивление ρ и электрическую длину l0, зарядка производится до напряжения U0. Формирующая линия через управляющий разрядник подсоединена к трансформатору. Трансформатор состоит из n отрезков линий одинаковой длины и одинакового волнового сопротивления ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, далее в ускорителе присутствует отдельный кабель, предназначенный для питания катода, с волновым сопротивлением ρ, отдельный кабель с волновым сопротивлением ρ соединяет формирующую линию с катодом.
Таким образом, выполнение накопителя энергии совместно с формирователем импульса в виде формирующей линии, состоящей из n+1, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, дает возможность отказаться от имеющего место в прототипе зарядного конденсатора, накопительной глицериновой линии, делителей напряжения и формирователя импульсов в виде обостряющего и срезающего разрядников, что позволяет в малогабаритном и упрощенном виде уйти от необходимости сложной настройки, синхронизации и разборки разрядников, усложняющих конструкцию и эксплуатацию ускорителя в целом, и обеспечить регулирование параметрами - варьировать энергией электронов пучка и длительностью генерации пучка (длительностью токового импульса электронного потока). При этом важным является то, что волновые сопротивления выбраны из условия согласования линий. Наличие и подключение управляющего разрядника между формирующей линией и трансформатором позволяет управлять процессом коммутации формирующей линии на трансформатор.
Выполнение трансформатора при этом в виде n отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, где n - натуральное число, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, с подключением его между формирующей линией и диодом, позволяет отказаться от имеющего место в прототипе импульсного трансформатора, являющегося сложным и громоздким устройством, что упрощает заявляемую конструкцию и уменьшает ее габариты.
По сравнению с кабелем питания катода в прототипе в заявляемом ускорителе электронов для того, чтобы импульс, необходимый для формирования плазмы на поверхности катода, как источника электронов, приходил раньше, чем высоковольтный импульс, производящий ускорение электронов, этот импульс подается по отдельному кабелю с волновым сопротивлением ρ изменяемой длины, которая в свою очередь меньше электрической длины отрезков линий, составляющих трансформатор.
Все признаки в совокупности работают на заявляемый технический результат и позволяют значительно упростить конструкцию ускорителя, его габариты, а также регулировать энергию электронов и длительность генерации пучка.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема ускорителя на основе диода с СЭП-катодом, где
1 - внешний статический источник питания;
2 - зарядный резистор;
3 - формирующая линия (накопитель энергии с формирователем импульса);
4 - управляющий разрядник;
5 - трансформатор на отрезках однородных передающих линий;
6 - СЭП-катод;
7 - анод (6 и 7 образуют диод на основе СЭП-катода);
8 - отдельный кабель, служащий для формирования плазмы на поверхности катода.
Устройство работает следующим образом (см. чертеж).
От источника напряжения (внешний статический источник питания 1 плюс зарядный резистор 2) формирующая линия 3, состоящая из n+1 однородных линий, каждая из которых имеет волновое сопротивление ρ, электрическую длину l0, заряжается до напряжения U0. В определенный момент времени управляющим разрядником 4 производится коммутация формирующей линии на трансформатор 5, выполненный на отрезках однородных передающих линий, представляющий собой n отрезков одинаковой длины и одинакового волнового сопротивления ρ, и отдельный кабель 8 волнового сопротивления ρ, служащий для формирования плазмы на поверхности СЭП-катода 6, соединяющий формирующую линию с катодом.
Если формирующая линия заряжается до напряжения U0, то на вход трансформатора приходит импульс напряжения величиной и длительностью 
.
Высоковольтный импульс получается с использованием трансформатора на отрезках однородных линий. Трансформатор состоит из n отрезков линий, одинаковой длины, и одинакового волнового сопротивления ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно.
Импульс напряжения, поданный на вход трансформатора, через время 
(где l - длина отрезков линий трансформатора, v - скорость распространения волны), достигает выхода трансформатора. Если сопротивление диода RD=nρ, то амплитуда напряжения, прикладываемого к диоду, увеличивается в n раз и достигает величины 
.
Ускоритель электронов выполнен следующим образом. Формирующая линия выполнена из пяти равных отрезков коаксиального кабеля КВИ-100 с волновым сопротивлением 60 Ом. Трансформатор изготовлен из четырех отрезков одинаковых кабеля КВИ-100, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно. Для коммутации формирующей линии с трансформатором использован управляющий разрядник РУ-78. Формирующая линия заряжается от стандартного внешнего источника питания Spellman CZE 1000R. Трансформатор нагружается на диод ускорителя.
Таким образом, ускоритель становится компактней при конструктивном упрощении по сравнению с прототипом и обеспечен возможностью регулирования такими параметрами, как энергия и длительность токового импульса электронного потока, за счет использования формирующей линии и трансформатора и, кроме того, отдельного кабеля, передающего импульс, необходимый для формирования плазмы на поверхности катода, как источника электронов.
Ускоритель электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода, содержащий электрически связанные между собой накопитель энергии, разрядник, импульсный трансформатор, формирователь импульса, диод с СЭП-катодом, отдельный кабель для создания плазмы на поверхности катода, отличающийся тем, что накопитель энергии совместно с формирователем импульса выполнены в виде формирующей линии, состоящей из n+1, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, трансформатор включен между формирующей линией и диодом и состоит из n, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, между формирующей линией и трансформатором включен управляющий разрядник, отдельный кабель с волновым сопротивлением ρ соединяет формирующую линию с катодом.
