Импульсный ионный ускоритель
Импульсный ионный ускоритель предназначен для получения мощных пучков заряженных частиц. Ускоритель содержит генератор импульсного напряжения (1) и установленные в корпусе основной и предварительный газовые разрядники (4, 7), двойную формирующую линию (2), средний электрод (3) которой соединен с генератором импульсного напряжения (1) и через основной газовый разрядник (4) с корпусом ускорителя, а также вакуумный полосковый диод, потенциальный электрод (6) которого соединен через предварительный газовый разрядник (7) с внутренним электродом (5) двойной формирующей линии (2), причем рабочая поверхность потенциального электрода (6) вакуумного полоскового диода выполнена из материала с высокой эмиссионной способностью. Технический результат заключается в повышении эффективности передачи энергии двойной формирующей линии в диод в течение генерации основного импульса напряжения. 1 ил.
Полезная модель относится к ускорительной технике и предназначена для получения мощных пучков заряженных частиц.
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.
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.
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.
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%.
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
