книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

распределения плазмы и полей в стадии проводимости существен­ ным образом определяют свойства ПЭР в фазе отключения. Для ПЭР с микросекундной накачкой все процессы весьма усложняются вследствие дополнительного осевого дрейфа плазмы и также не на­ ходят объяснения в рамках этой модели.

Теоретическому анализу процессов в ПЭР посвящено большое количество работ, где рассматриваются эффекты в приэлектродном слое [49, 51], дрейф в скрещенных электрическом и магнитном по­ лях и аномальные столкновительные процессы [50, 52]. Однако вопрос о механизме работы ПЭР сегодня остается открытым.

1.2.4.Применение импульсных трансформаторов

всильноточных ускорителях

Для получения мегавольтных импульсов напряжения наряду с генераторами Маркса в СЭУ могут применяться импульсные транс­ форматоры. Они используются как для зарядки формирующих ли­ ний ускорителя [52, 53], так и для питания передающих линий [54], подводящих энергию непосредственно к вакуумному диоду. Преимущества трансформаторной схемы зарядки накопителя в срав­ нении с ГИН — ее простота и надежность. Действительно, в ней нет большого количества разрядников, характерного для генерато­ ров Маркса.

Для генерации электронных пучков с высокой частотой следо­ вания чаще всего используют трансформатор Тесла — систему из двух индуктивно связанных резонансных контуров, работающих в режиме свободных колебаний. К числу недостатков трансформатора Тесла следует отнести трудности в получении импульсов напряже­ ния с амплитудой в несколько мегавольт.

Существенно большими возможностями в этом аспекте обладает линейный импульсный трансформатор (ЛИТ) [55], который состо­ ит из большого количества одновитковых трансформаторов с общей вторичной обмоткой. В качестве последней используется металличе­ ский стержень, на который надеты тороидальные индукторы с пер­ вичными обмотками. Таким образом, вторичные контуры одновит­ ковых трансформаторов оказываются соединенными последователь­ но, что приводит к суммированию напряжений, индуцируемых пер­ вичными обмотками на металлическом стержне. Это позволяет из­ бежать традиционных трудностей, связанных с многовитковыми вто­ ричными обмотками в высоковольтных импульсных трансфор­ маторах.

Линейный импульсный трансформатор. Использование ЛИТ для зарядки формирующих линий существенно снижает объем высоко­

Рис. 1.7. Электрическая схема

линейного трансформатора*

(а) и эквивалентны© схемы

замещения (б, в).

сеяния первичного и вторичного контуров; Си — емкость нагрузки.

> Ьг, где Ьт= Li + Ь2 — индуктивность генератора. Пренебрегая L и потерями в элементах схемы, можно для расчетов пользоваться схемой рис. 1.7, б. Для обеспечения необходимого времени т заряд­ ки формирующей линии индуктивность ЛИТ должна удовлетворять условию

Ьг ^ 2т2/ (тс2Сш) .

Если ввести WH— энергию, передаваемую в нагрузку, то можно это же записать

L r ^ U f r / ( n W H).

Используя это выражение, а также определяя индуктивность вто­ ричного контура как коаксиала, можно получить основное геомет­ рическое соотношение [55]

l/d < CUJLTP E J (лроИ^н),

где I — длина трансформатора, d — диаметр стержня, Е с — макси­ мальная напряженность электрического поля на поверхности стерж­ ня. Длина индуктора /и = ке1!п, где ке — 0,9 учитывает зазоры меж­ ду стержнями. Число индукторов n = UB/ ( Uir|), где ц ^ 0,8 — КПД зарядки. Сечение индуктора S = UT/2AB, где ДВ — рабочий пере­ пад магнитной индукции.

Трансформатор Тесла. В электрической схеме трансформатора Тесла (рис. 1.8) в качестве емкости С2 обычно используется емкость

формирующей линии ускорителя. При ударном возбуждении систе­ мы двух индуктивно связанных контуров после замыкания ключа К возникают колебания сначала в контуре С\Ь\, а затем в контуре C2L2, индуктивно связанном с первым. При этом амплитуда напря­ жения на С2 может многократно превышать напряжение на С\. Ус­

ловия генерирования высокого напряжения определяются соотноше­ нием частот связанных контуров:

(oi = 1/VLiCi и юг = I/VL2C2.

и схема замещения, приведенная к первичному конту-

Р У ' ( б ) .

Анализ переходного процесса в этих контурах без учета потерь при­ водит к следующим выражениям для вторичного контура:

где (0i,2 = coo/Vl + к, к = MJ~lL\Li, M — коэффициент взаимной индукции между контурами. Колебания имеют форму биений, причем Uc2 (t) может достигать своего максимального значения U\C\/C2 на

первом полупериоде биений при некоторых фиксированных к, кото­ рые определяются условием

(о)2 + COI) / ( GL>2 — со 1) = (У1 + к + VI — к )/(П + к — Vi — к) = N,

где N — целое нечетное число. Отсюда оптимальное значение

зарядного напряжения на формирующей линии. Это увеличивает электрическую прочность диэлектрика формирующей линии, облег­ чает работу первичной накопительной емкости и настройку обо­ стряющего коммутатора.

Для N = 1 целесообразно выбирать системы с коэффициентом связи, близким к единице. При этом

/C= M V № ~ 1 - ( W 2 A 0 ,

где Ь8 Эф— эффективная индуктивность рассеяния, равная сумме

индуктивностей рассеяния в первичном и вторичном контурах; Lц— индуктивность намагничивания.

Эффективность передачи энергии ц из первичного контура во вторичный зависит от отношения Ь8 Эф/Ь^ и расстройки контуров а =

= LxCxJ {U С2):

Ь8 и Lu реализуются при наличии в трансформаторе замкнутого сер­ дечника. Однако в сильноточных ускорителях с UBUX^ 1 МВ ис­ пользование таких сердечников невозможно. Поэтому в них приме­ няют безжелезные трансформаторы Тесла с малыми коэффициента­ ми связи к = 0,6; 0,385 и резонансную зарядку при N — 3, 5 [35, 56]. Однако высокий КПД можно получить и на первой полу­ волне зарядного напряжения, если использовать разомкнутый фер­ ромагнитный сердечник.

Удачным конструктивным решением, позволившим сделать ус­ коритель более компактным, оказалось пространственное совмеще­

фективность зарядки формирующей линии, и ослабляется влияние краевых эффектов на электрическую прочность трансформатора. Центральный и наружный электроды формирующей линии состав­ ляют одновременно магнитопровод трансформатора, разомкнутый на торцах. Большую опасность для трансформатора представляют им­ пульсы напряжения, отраженные от нагрузки. Спиральная обмотка является для них замедляющей линией, вследствие чего увеличива­ ется межвитковое напряжение, а это может привести к пробою.

1.2.5. Тенденции развития техники сильноточных ускорителей

Таким образом, в зависимости от необходимых выходных пара­ метров подходы к созданию современных сильноточных ускорителей различны. В частности, для генерации сильноточных электронных пучков микросекундной длительности целесообразно использование прямой передачи энергии из накопителя в вакуумный диод. Для по­ лучения наносекундных электронных и ионных пучков с импульсной мощностью 1— 100 ТВт необходима многократная компрессия им­ пульса с помощью быстродействующих коммутаторов и емкостных или индуктивных накопителей. Ускорители с линейным импульсным трансформатором перспективны при ускоряющих напряжениях бо­ лее 10 МВ, а трансформаторы Тесла целесообразно применять в

•сильноточных ускорителях с высокой частотой следования импуль­ сов при относительно низких (до 1—2 МВ) ускоряющих напря­ жениях.

Идеология и технология сильноточных ускорителей сегодня про­ должают интенсивно развиваться, и среди главных направлений этого развития можно отметить следующие:

1.Поиск наиболее экономичных схем сильноточных ускорите­ лей с мегаджоульным энергозапасом и тераваттной выходной мощ­ ностью с использованием, в частности, вакуумных индуктивных накопителей на магнитно-изолированных линиях с плазменными эрозионными размыкателями.

2.Создание ускорителей с выходным напряжением в десятки мегавольт и рабочими токами в сотни килоампер с применением линейных трансформаторов и изолирующих индуктивных элементов

ссердечниками из аморфизированного железа (метгласа).

3.Существенное улучшение синхронизации элементов в много­ модульных сильноточных ускорителях посредством применения управляемых газовых коммутаторов с лазерным поджигом.

1.3. УСКОРИТЕЛИ С ПРЯМОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГЕНЕРАТОРА В ВАКУУМНЫЙ ДИОД

Характерным примером ускорителя с прямой передачей энер­ гии из высоковольтного генератора в вакуумный диод является ус­

щий разрядник, подключенный параллельно нагрузке. Ускоритель (рис. 1.10) состоит из ГИН 1, передающего высоковольтного трак­ та 2 и ускорительной трубки с магнитной системой формирования и транспортировки электронного пучка.

Генератор Маркса обеспечивает следующие параметры: емкость в ударе 0,27 мкФ* индуктивность 1,5 мгГн, выходное напряжение 1,0—2,8 МВ, запасаемая энергия 1 МДж и объемная плотность энергии 9,2 кДж/м3. Он состоит из 23 идентичных модулей, вклю­ ченных параллельно и помещенных в металлический бак, имеющий

рядниками Pi — Р33 с емкостной связью» через конденсатор Со и с активной связью через резистор R по сред­ нему электроду. Для расширения диапазона рабочих напряжений и улучшения временной стабильности срабатывания разрядник Рг первой ступени имеет три искровых зазора, облучаемых искрой раз­ рядника Рсв за 30 нс до подачи управляющего импульса. Для раз­ вязки цепей используются резисторы Ru R2 и Дз. В каждую ступень

вводится демпфирующий резистор R — 2 Ом, ограничивающий ток в* ГИН после срабатывания СР.

Особенностью конструкции является расположение всех ком­ мутирующих разрядников в общем корпусе. Модуль покаскадно за­ крыт кольцевыми экранами, соединенными со средними электродами разрядников. Блок разрядников представляет собой цилиндрическую полиэтиленовую камеру с расположенными внутри нее шаровымж электродами. Перед каждой зарядкой модуля блок разрядников за­ полняется осушенным воздухом с точкой росы 40 °С. После комму­ тации воздух вместе с продуктами эрозии электродов удаляется и&~ камеры подключением ее к вакуумному объему посредством электро­ магнитного клапана. Электрическая прочность разрядных проме­ жутков регулировалась изменением давления воздуха.

Рис. 1.12. Разброс рабочих характеристик в 23 модулях ГИН (а) и гистограмма задержек срабатывания модулей при U3 — 85 кВ и р = 0,2 МПа (б).

I — область границ самосрабатывания, II — область границ устой­

чивого управления, III — рабочая зона ГИН.

Каждый модуль имеет емкость в ударе 0,012 мкФ, выходное напряжение 1,0—2,8 МВ и запасает энергию 6,0— 47,5 кДж. Он устойчиво управляется при зарядных напряжениях до половины напряжения самопробоя (рис. 1.12, а). Задержку срабатывания мо­ дуля в пределах рабочей зоны можно изменять от 300 до 500 нс при среднеквадратичном разбросе < 1 0 нс (рис. 1.12, б). Изменением давления в блоке разрядников от 0,1 до 0,25 МПа выходное напря­ жение регулировалось от 1,0 до 2,8 МВ.

Срезающий разрядник служит для получения на нагрузке им­ пульса напряжения заданной длительности, имеет конструкцию тригатронного типа с электродами из нержавеющей стали и поме­ щен в бочкообразный полиэтиленовый корпус внутренним диамет­ ром 55 см и толщиной стенки 13 см. Рабочая среда — смесь элегаза (15 %) и азота (85 %) под давлением 0,5— 1,1 МПа.

Ускорительная трубка содержит секционированный изолятор 4 ннутренним диаметром 1,1 м и длиной 2 м, вакуумную камеру 6 диаметром 1,2 м и длиной 0,6 м, а также катододержатель 5 диамет­ ром 0,3 м и длиной 2,5 м. Изолятор набран из 23 полиэтиленовых колец толщиной 8 см, скошенных под углом 45° и разделенных дюралюминиевыми экранами. Принудительное распределение напря­ жения по изолятору обеспечено резистивным делителем с общим сопротивлением 0,85 кОм.

Магнитная фокусирующая система представляет собой многовитковый секционированный соленоид с катушками коррекции, со­ единенными последовательно. Она питается от батареи системы пи­ тания (СП), содержащей 340 параллельно включенных конденсато­ ров ИС5-200. При напряжении 5 кВ запасаемая энергия достигает 0,8 МДж. Для разряда батареи на соленоид используется тиристор­ ный коммутатор из 12 параллельных ветвей. Поле на оси соленоида нарастает до 31,5 кГс за 16 мс при зарядном напряжении на ба­ тарее 4,55 кВ при неоднородности ± 3 %.

пульсов на основе LC-генератора вследствие меньшего по сравнению* со схемой Маркса количества разрядников. Время работы разрядни­ ков в LC-генераторе, равное времени переполюсовки конденсаторов,, оказывается достаточно большим (40 мкс), поэтому синхронизация 10—20 модулей удовлетворительна даже при разбросе срабатыва­ ния разрядников ~ 5 мкс, что обеспечивается достаточно легко.

Высоковольтный генератор, схема которого приведена на рис. 1.13, монтируется на высоковольтном вводе 6. К этому вводу подключены 18 однотипных секций 5, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, коммутатора, и дросселя. Вначале полярности заряженных конденсаторов противо­ положны. После срабатывания стартового коммутатора полярность, напряжения на конденсаторе, включаемом им на индуктивный эле­

мент, изменится на обратную за время т= лУЬС. Этот же процесс происходит во всех 18 секциях. Напряжение на каждой секции —100 кВ. Секции расположены по две в девяти этажах, поэтому предельное выходное напряжение —1,8 МВ. Верхние секции, потен­ циал на которых максимален, закрыты высоковольтным экранирую­ щим электродом — сегментом тора с наружным диаметром 3 м.

чтобы рабочие напряженности были меньше пробивных напряжен-

Рис. 1.14. Вакуумный ввод.

1 — экранирующий электрод; 2 — изолятор; 3 — градиентный электрод; 4 — пленочная?

изоляция, пропитанная электролитом; 5 — пояс Роговского; 6 — конусный электрод; 7 — витки магнитной системы. Штриховой линией показаны силовые линии магнитного* поля, скорректированные с помощью специальной катушки.

ностей воздуха при нормальных условиях. Наибольшие напряжен­ ности на высоковольтных элементах не превышают 29 кВ/см, что» проверялось численными расчетами на ЭВМ [38].

Передача напряжения от генератора к коммутатору осуществля­ лась высоковольтным вводом 6. Это коаксиальная конструкция, где* изоляцией служит элегаз под давлением 0,5 МПа (рабочая напря­ женность ~ 2 5 0 кВ/см). Наружный цилиндр разделен на части, меж­ ду которыми подключены секции LC-генератора. Перенапряжения на вводе в момент быстрых (10 нс) изменений потенциала удается избежать, распределяя напряжение по емкостным связям с метал­ лическим кожухом. Резистивный делитель 9 обеспечивает распреде­ ление напряжения при медленных его изменениях порядка несколь­ ких микросекунд.

Выходной коммутатор S представляет собой тригатрон, которыйг запускается импульсом напряжения отрицательной полярности с амплитудой 100 кВ от генератора, помещенного в экранирующий электрод 2. Нижний электрод коммутатора является одновременно' и электродом горизонтального вакуумного ввода 10. Этот электрод; поддерживается изолирующей стойкой, в которой размещена первая ступень делителя напряжения 9. Делитель состоит из 22 электроли­ тических промежутков в горизонтальном вакуумном вводе и сопро­ тивлений в изолирующей стойке. Разброс срабатывания выходногокоммутатора составляет 0,15 мкс при изменении напряжения от самопробоя до 0,7С/с, а общая индуктивность генератора 8 мкГн.

Напряжение от коммутатора к диоду подается через проходной

распределения электрического поля по поверхности изолятора в вакууме потенциал задается принудительно с помощью электролита и градиентных электродов. Его максимальная напряженность (110 кВ/см при напряжении 1 МВ) локализована на поверхности экранирующего электрода, обращенной к ускорительной трубке.

Вакуумные диоды плоской геометрии, применяемые для полу- , ' ~чения электронных пучков с необходимыми параметрами, имели сплошной катод [33]. Форма его подбиралась так, чтобы напряжен­ ность электрического поля по всей его поверхности оставалась поч­ ти постоянной (130— 140 кВ/см при рабочем напряжении, достигав­ шем 900 кВ). Ток в диоде 50 кА, его плотность 200 А/см2, а полная энергия, выделившаяся в диоде за импульс длительностью 5 мкс, (135 ± 7) кДж. Ток утечки составлял 30 % от тока генератора [38].

На вакуумный ввод и диодную камеру диаметром 70 см нало­ жено магнитное поле, имеющее максимальную напряженность в об­ ласти ускоряющего зазора. Расположение и число витков магнитной системы подобрано так, что силовые линии магнитного поля, прохо­ дящие вблизи поверхностей, с которых возможна эмиссия, пронизы­ вают вакуумную камеру и замыкаются на ее торце.

1.4.УСКОРИТЕЛИ

СПРОМЕЖУТОЧНЫМ ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ

1.4.1.Ускорители с индуктивным формирующим элементом

иЭВП прерывателем тока

В ускорителях этого типа три элемента являются основными: чшедленный» первичный накопитель (обычно генератор Маркса), «быстрый» накопитель для вторичной компрессии импульса и ваку­ умный диод. Роль «быстрого» накопителя может играть индуктив­ ный элемент контура с прерывателем тока на взрывающихся про­ водниках либо вакуумная коаксиальная линия с магнитной изоля­ цией и плазменным эрозионным размыкателем в качестве прерыва­ теля тока. Отличительной чертой этих СЭУ является наличие ин­ дуктивного формирующего элемента.

Разработать ускоритель с ЭВП прерывателем тока можно при наличии методик расчета, основанных на математическом описании электрического взрыва проводников и процессов, происходящих во время взрыва в электрическом контуре. Поскольку такие зависимо­ сти сложны и многофакторны, используются два подхода: магнито­ гидродинамический метод расчета схем с ЭВП [60] и расчеты с по­ мощью теории подобия [61]. В первом случае аналитическими и численными методами находят пространственные распределения плотности тока, напряженностей электрического и магнитного по­ лей, плотности, температуры, давления и массовой скорости веще­ ства в каждый момент времени, а также временные зависимости токов и напряжений в каждом элементе электрической цепи. Во вто­ ром — устанавливается вид зависимости искомых величин от пара­ метров подобия, схема оптимизируется по выбранному параметру