книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

Рис. 1.15. Принципиальная электри­ ческая схема ускорителя ИГУР-1.

Ко и С — сопротивления и емкости ГИН; К3 — зарядное сопротивление; Р2— Р12—

и ее основные характеристики рассчитываются с помощью инженер­ ной методики.

Характерными ускорителями с индуктивным формирующим эле­

В генераторе коротких импульсов тормозного излучения ИГУР-Е

ГИН, а разрядники Р и Рср предохраняют ГИН и ускорительную* трубку от перенапряжения. Вся установка выполнена в открытом варианте, высоковольтной изоляцией является воздух. Ускоритель­ ная трубка состоит из стального контейнера и двух фарфоровых, изоляторов с максимальным внутренним диаметром 43 см и высотой 350 см, а также стального штока, который заканчивается катодом. После запуска разрядника Pi в первой ступени ГИН срабатывает т ток течет через прерыватель из параллельно включенных медных проводников. При их электрическом взрыве напряжение через раз­ рядники Роб прикладывается к ускорительной трубке. В оптималь­

(рис. 1.16). После разряда емкостного накопителя на индуктивный, элемент L\ и взрыва проводников Пр1 в первом каскаде разрядник Pi подключает второй каскад, состоящий из индуктивного элемента? Z/2 и проводников Пр2. Ускорительная трубка с помощью разрядни­ ка Р2 подключается параллельно второму ЭВП во время его взрыва*. Такая двухкаскадная схема позволяет дополнительно обострить, импульс напряжения.

Рис. 1.16. Электрическая схема? ускорителя ИГУР-П.

С — ударная емкость ГИН; Li и Ь2 — индуктивности первичного и вторич­ ного контуров; Pi и Р2 — разрядни­ ки первичного и вторичного конту­ ров; Р3 — срезающий разрядник; Пр1 и Пр2 — прерыватели тока; УТ —

ускорительная трубка.

Рис. 1.17. Схема ускорителя «Пучок».

1 — изоляционный контейнер; 2 — проходной изолятор; 3 — индуктивный элемент; 4 — ЭВП-прерыватель; 5 — обостряющий разрядник; 6 — вакуумный изолятор; 7 — катододержатель; 3 — катушки коррекции; 9 — катод; .10 — соленоид; и — труба дрейфа; 12 — коллектор.

Ускорители серии «Пучок» [62, 63] с довольно широким диапа­ зоном параметров (табл. 1.2 [39] ) имеют почти одинаковую компо­ новку и различаются изоляционной средой в формирующем элемен­ те (газ под давлением либо трансформаторное масло). В них пер­ вичным накопителем является ГИН с выходным напряжением до 500 кВ. Он состоит из нескольких параллельных модулей на кон­ денсаторах ИК 100-0,4 с трехэлектродными воздушными разрядни­ ками. Кроме первичного емкостного накопителя, в состав ускорите­ ля (рис. 1.17) входят индуктивный формирующий элемент с пре­ рывателем тока, обостряющий разрядник и диод с секционирован­ ным изолятором. Эти элементы размещены в общем корпусе, который заполнен азотом под давлением 1 МПа. Прерыватель вы­ полнен в виде параллельных медных проводников, натянутых зиг­ загообразно на изоляционные опоры. Частота срабатывания уско­ рителя — один раз в две минуты.

Этот СЭУ может работать не только в режиме усиления мощно­ сти, но и в режиме коррекции импульса [64]. Такая необходимость

.возникает, когда требуется сформировать импульсы длительностью

Рис. 1.19. Осциллограммы тока в ВКЛ (2), тока в диоде в обычном масшта­ бе (2) и с увеличением в 20 раз (3), напряжения на диоде в обычном мас­ штабе (4) и с увеличением в 40 раз (5).

а б

содержит две водяные линии: формирующую (39 нс, 3 Ом) и пере­ дающую (49 нс, 3 Ом), а также коммутатор, работающий в сжатом газе. Две среды — вода, вакуум — разделяются дисковым изо­ лятором.

Плазма инжектируется в ВКЛ тремя плазменными пушками через отверстия во внешней трубе. Общая индуктивность накопите­ ля 176 нГн, максимальный ток через линию 175 кА. Вакуумный диод плоской геометрии имел трубчатый катод диаметром 6 см и плоский анод. Полученные осциллограммы тока в ВКЛ, а также на­ пряжения и тока в диоде приведены на рис. 1.19.

Ускорители с индуктивным формирователем на базе ВКЛ с микросекундным вводом энергии использовались в экспериментах по генерированию электронных пучков [65, 66, 69]. Можно найти примеры применения таких ускорителей для возбуждения мощных газовых лазеров и генерации микроволнового излучения [70, 71].

В ускорителе с индуктивным формирователем, принципиальная схе­ ма которого показана на рис. 1.20 [66], первичным накопителем является генератор Маркса с ударной емкостью 0,4 мкФ и индук­ тивностью 0,82 мкГн. Максимальное напряжение холостого хода генератора 1,2 МВ й энергозапас 288 кДж. ГИН разряжался на от­ резок ВКЛ длиной 340—400 см, закороченный плазмой ПЭР. Сум­ марная индуктивность этого отрезка ВКЛ и вакуумного изолятора составляла 1,3 мкГн, диаметр внешнего анодного электрода — 21 см. Плазма ПЭР инжектировалась в полость ВКЛ при помощи 8 коак­ сиальных пушек, каждая из которых запитывалась от конденсатора емкостью 3 мкФ, заряженного до 20 кВ. Разрядный ток в пушках изменялся с периодом 20 мкс. Время задержки включения генера­ тора Маркса относительно момента запуска пушек регулировалось от 0 до 20 мкс.

Диод образован торцом центрального электрода ВКЛ диаметром 3 см и плоским танталовым коллектором, установленным в 60 см от плоскости инжекции плазмы. Напряжение на диоде определя­ лось с помощью емкостного делителя с учетом индуктивной состав^

нарастает до максимума за 350 нс (рис. 1.21), при этом максималь­ ная мощность пучка составляет 10 ГВт, а рентгеновское излучение из диода не регистрируется. Если плазма инжектируется за 5,6 мкс до запуска генератора Маркса, ввод энергии осуществляется в те­ чение 1,1 мкс. К этому моменту 1\ достигает 280 кА, в индуктив­ ный накопитель вводится 85 % первоначально запасенной энергии. При срабатывании ПЭР напряжение на входном изоляторе резко увеличивалось до 1,7 МВ, ограничиваясь электрической прочностью последнего. После пробоев изолятор восстанавливал свою первона­ чальную прочность. Ток в диоде нарастал за 30 нс до 130 кА, мощ­ ность в диоде превышала 0,1 ТВт. При этом регистрировался всплеск рентгеновского излучения, доза которого за импульс на рас­ стоянии 150 мм за коллектором составляла 100 и 1000 Р при зазо­ рах 10 и 72 мм соответственно.

1.5. СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ НА ЛИНИЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Ускорители этого типа базируются на концепции многокаскад­ ного сжатия импульса посредством использования наносекундных сильноточных коммутаторов и «быстрых» емкостных накопителей, каковыми являются линии с распределенными параметрами. Такие ускорители сегодня наиболее распространены. Они, как следует из табл. 1.2, имеют наибольшие параметры и поэтому полнее всего освещены в обзорной [6, 29] и монографической [30, 31] литера­ туре. Однако недавно появились новые тенденции, которые иллю­ стрируются конструкциями ускорителей PBFA-II (сооружен в 1985 г.) и «Сатурн» (запущен в 1987 г.). На их примере можно объяснить работу сильноточных ускорителей двух разновидностей.

В Национальной лаборатории Сандиа (США) с 1987 г. функ­ ционирует сильноточный ускоритель «Сатурн» с параметрами 2 МВ, 12,5 MA и 40 нс [28], используемый как источник высокоинтенсив­ ного импульсного рентгеновского излучения для испытаний объек­ тов большой площади. Установка создана на базе СЭУ PBFA-1 в результате его переконструирования и существенных переделок. Ускоритель «Сатурн», эскиз общего вида которого приведен на рис. 1.22, имеет три кольцевые цилиндрические секции, различаю­ щиеся применяемой электрической изоляцией: трансформаторное масло, вода и вакуум. В наружной секции размещены все генера­ торы Маркса, в следующей секции, заполненной водой,— промежу­ точные накопители, а также формирующая и передающая линии с коммутирующими их элементами и, наконец, во внутренней сек­ ции — вакуумный изолятор, вакуумные передающие линии и диод. Такая компоновка ускорителя естественна при необходимости про­ странственной концентрации энергии в малом объеме.

Ускоритель состоит из 36 идентичных модулей, включающих генератор Маркса, емкостный водяной промежуточный накопитель энергии, электрически управляемый газовый коммутатор, водяную формирующую и передающую линии с жидкостной коммутацией. Модули соединены с вакуумным элементом, состоящим из секциони­ рованного изолятора и трех магнитоизолированных передающих вакуумных линий. Последние подводят энергию к вакуумному дио­ ду, образованному тремя концентрическими кольцевыми катодами и плоским анодом.

Накопление энергии и сжатие импульса осуществляется в 36 генераторах Маркса, каждый из которых имеет 32 конденсатора емкостью 1,35 мкФ. В каждом генераторе накапливается по 150 кДж. При зарядном напряжении 85 кВ генерируется импульс амплитудой 2,7 МВ. Разброс времени срабатывания всех ГИН не

и 1,83 ТВт).

25-Кратная компрессия импульса после генератора Маркса осу­ ществляется в двух каскадах сжатия. Первый каскад — промежу­ точный накопитель, состоящий из коаксиального водяного конден­ сатора и газового коммутатора, второй — водяная линия с жидкост­ ным разрядником. Результирующий импульс имеет длительность 35 нс и переносит в одной линии энергию порядка 45 кДж. Газовый коммутатор, работающий в среде SFe под давлением, состоит из двух секций: электрически управляемого поджигающего промежут­ ка, напряжение на котором составляет треть полного напряжения, и набора последовательных промежутков, работающих в режиме самопробоя после его запуска. Разрядник функционирует в диапа­ зоне от 1,5 до 3,8 МВ. Среднеквадратичный разброс времени за­ паздывания пробоя 5^1,5 нс.

Система формирования импульса состоит из двух полосковых трехэлектродных линий с волновым сопротивлением 2 Ом, которые

Рис. 1.23. Вид сбоку на единичный модуль ускорителя «Сатурн».

1 — генератор Маркса; 2 — промежуточный накопитель; з — газовый коммутатор; 4 — водяная формирующая линия; 5 — передающая линия; 6 — подвод энергии к вакуум­ ной области; 7 — вакуумная магнитоизолированная линия; 8 — кольцевые диоды и таблица, характеризующая динамику компрессии импульса. Цифры помещены под со­ ответствующими элементами.

Рис. 1.24. Диод ускорителя «Сатурн».

одновременно разряжаются на одинарную передающую линию сопротивлением 2 Ом через разрядники в воде, работающие на самопробое.

Проблема передачи энергии без отра­ жений к нагрузке из 36 независимо ра­ ботающих полосковых линий в ускорителе «Сатурн» решена с помощью трансфор­ маторных секций из неоднородных полос­ ковых линий, позволяющих изменять вол­ новое сопротивление, и специальных стер­ жневых линий, подводящих энергию от этих секций к вакуумному изолятору. Импульсы от передающих линий разво­ дятся на три горизонтальных «псевдо­ диска», составленных из металлических цилиндров, прикрепленных к наружной

части изолятора. Мощности, подводимые к верхнему, среднему и нижнему дискам, соотносятся как 1 : 2 : 3 . От этих дисков энергия транспортируется к диоду внутри вакуумного изолятора высотой 240 см с помощью вакуумных магнитоизолированных передающих линий, имеющих форму конусов (см. рис. 1.23), с импедансами 6, 3 и 2 Ом соответственно. Эта система вакуумных линий позволяет передать в диод импульс с энергией 750 Дж и мощностью 25 ТВт.

Вакуумный диод ускорителя (рис. 1.24) состоит из трех кон­ центрических диодов с кольцевыми катодами. Каждый из диодов электрически изолирован от остальных и генерирует трубчатый электронный пучок. Линейная плотность тока (~ 9 0 кА/см) одина­ кова для всех колец. Токи во внутреннем, среднем и внешнем коль­ цах составляют 1/6, 1/3 и 1/2 общего тока ускорителя соответствен­ но. Танталовый анод толщиной 0,2 мм позволяет генерировать не­ обходимое тормозное излучение, графитовый поглотитель останав­ ливает прошедшие сквозь тантал электроны, а экран из кевлара предохраняет от осколков. При номинальном токе 12,5 MA полу­

и предназначен для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу с инерциальным удержанием. Его нагрузкой является ди­ од, генерирующий мощные ионные пучки. По своей конструкции он близок к ускорителю «Сатурн», но имеет ряд отличительных черт:

—импульс напряжения амплитудой 12 МВ генерируется с помощью водяных линий, что позволило создать относительно ком­ пактную установку с высокой энергией;

—разброс времени срабатывания всех генераторов Маркса не

превышает 40 нс, без чего невозможно было бы создание ускорителя

сэнергозапасом 13 МДж;

—многоканальные газовые коммутаторы с лазерным поджи­ гом гарантируют надежную зарядку водяных формирующих линий

сочень высокой точностью синхронизации;

—водяные разрядники обеспечивают при мегавольтных на­ пряжениях малый разброс времени срабатывания и приемлемые

потери энергии;

— в ускорителе предполагается использование промежуточного индуктивного накопителя, чтобы с помощью плазменного прерыва­ теля получить напряжение 25 МВ при мощности до 100— 125 ТВт.

Ускоритель (рис. 1.25) имеет три зоны, различающиеся типом диэлектрика: трансформаторное масло, вода и вакуум. В первой зо­ не размещены генераторы Маркса и системы их запуска, во вто­ рой — газовые коммутаторы с лазерным поджигом, промежуточные емкостные накопители, формирующие линии первой и второй сту­ пеней, водяные разрядники, коаксиально-полосковые переходы и передающие полосковые линии. В третьей, вакуумной, зоне, огра­ ниченной изолятором диаметром 3,7 м и высотой 4,8 м, находятся индуктивный накопитель, умножитель напряжения, плазменный прерыватель тока и ионный диод.

Накопление энергии и сжатие импульса осуществляется 36 от­ дельными генераторами Маркса, работающими параллельно. При зарядном напряжении 95 кВ в каждом из них накапливается 360 кДж, а во всей системе — 13 МДж. Амплитуда импульса на­ пряжения на выходе генератора 5,6 МВ. Время зарядки генератора Маркса — 100 с, время разряда — 1 мкс, следовательно, коэффи­ циент сжатия импульса составляет 108, т. е. генератор Маркса яв­ ляется наиболее эффективным инструментом сжатия импульса в ускорителе. Для последующего сжатия импульса в каждом модуле заряжается накопитель, который разряжается через газовый ком­ мутатор с лазерным поджигом (рис. 1.26).

Секционирование диэлектрического корпуса разрядника и при­ нудительное распределение напряжения на нем с помощью воды снаружи и градиентных колец позволили создать коммутатор отно­ сительно малой длины (68 см) и низкой индуктивности (150 нГн). Разрядник рассчитан на пропускание пикового тока 0,3 MA. Триг­ герная секция имеет два электрода, между которыми возникает разряд при поджиге с помощью луча, подводимого по световоду от KrF лазера. Основная секция разрядника содержит 15 последова­ тельных газовых промежутков с кольцевыми электродами, проби­ вающихся после запуска триггерной секции. При напряжении на коммутаторе порядка 70 % от напряжения самопробоя общий раз­ брос в срабатывании 36 параллельных коммутаторов ускорителя — 22 нс.