книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

Рис. 1.26 Газовый коммута­

тор с лазерным поджигом;.

роды основной секции.

Формирующие и передающие линии ускорители PBFA-1I ском­ бинированы так, чтобы обеспечить сжатие импульса и умножение напряжения. Единичный модуль ускорителя (рис. 1.27, а) содер­ жит промежуточный накопитель 2 , газовый коммутатор 3, три по­ следовательные линии 4 — 6 с разрядниками 7—9 для сжатия им­

пульса и увеличения напряжения, коаксиально-полосковый пере­ ход 1 0 , инвертор полярности 1 1 и две полосковые линии 1 2 , подво­

дящие энергию к вакуумной секции 13. Формирующие линии ком­ мутируются многоканальными водяными разрядниками на самопробое. Функция коаксиально-полоскового перехода и инвертора напряжения (рис. 1.27, б) — изменение полярности одной из па­ раллельных полосковых линий и последующее последовательное их включение. В этом случае выходное напряжение может удваи­ ваться. Такое многоступенчатое умножение позволяет получить

t

Рис. 1.27. Схемы еди­ ничного модуля уско­ рителя PBFA-iH (а)

и инвертора (б).

1 — генератор Маркса;

2 — промежуточный на­ копитель; з — газовый

11 — инвертор напряже­

напряжение 10— 12 МВ при использовании воды в качестве диэлек­ трика. Каждый из модулей поставляет в нагрузку энергию до 90 кДж. На нагрузке с импедансом 2,2 Ом амплитуда напряжения достигает 12 МВ.

Вакуумная секция ускорителя содержит секционированный изолятор, вакуумные передающие магнитоизолированные линии, плазменный эрозионный размыкатель и ионный диод. Общая ин­ дуктивность складывается из индуктивностей водяной части пере­ дающих линий, изолятора, магнитоизолированных линий и размы­ кателя. В нагрузку может быть передана лишь энергия, накоплен­ ная в вакуумных линиях. Этот индуктор накачивается падающей волной напряжения с амплитудой в 12 МВ и длительностью на полувысоте 56 нс. Ток в индукторе с индуктивностью 100 нГн на­ растает до 6,4 MA. При этом запасенная энергия составляет 2,1 МДж. Для переключения этой энергии в ионный диод требуется плазменный прерыватель, сопротивление которого должно возрасти до 50 Ом за 10 нс. При полном энергозапасе генератора PBFA-11

13МДж в катод-анодном промежутке выделится 2 МДж энергии.

1.6.СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ С ИМПУЛЬСНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ

1.6.1.Ускорители

слинейным импульсным трансформатором

Иллюстрацией использования ЛИТ для зарядки накопительно­ го элемента могут служить установки СНОП-2 и СНОП-3, создан­ ные в Институте сильноточной электроники СО АН СССР [72, 73]. Импульсный генератор СНОП-3 (рис. 1.28) [73], предназначенный для исследования динамики сжатия многопроволочных лайнеров, развивает мощность 1 ТВт и обеспечивает в индуктивной нагрузке 30 нГн ток 2,2 MA при скорости его нарастания 4 •1013 А/с. Гене­ ратор состоит из первичного накопителя энергии (конденсаторной батареи), линейного импульсного трансформатора, промежуточного емкостного накопителя, формирующей и передающей линий. Ком­ мутация между этими элементами осуществляется управляемыми и неуправляемыми водяными разрядниками. Стремление к мини­ мальной длительности зарядки иизкоомных линий с водяной изоля­ цией заставляет использовать трансформаторы с минимальной ин­ дуктивностью рассеяния.

Именно таким трансформатором является ЛИТ. Он состоит из 24 трансформаторов с одновитковыми вторичными обмотками. В со­ став первичного контура каждого трансформатора входят два разно­ полярно заряженных конденсатора ИК-50-3, шесть передающих параллельно включенных кабелей КВИМ и два газовых коммутато­ ра. Каждый трансформатор имеет свой кольцевой магнитопровод — трубу диаметром 75 мм и длиной 5,6 м с наружной глицеринопленочной изоляцией толщиной 24 мм. Внутри магнитопроводов ЛИТ проходит металлический стержень, который вместе с корпу­ сом трансформатора образует вторичный виток ЛИТ. Один конец

стержня закреплен в проходном изоляторе и соединен с внутрен­ ним электродом формирующей линии. Таким образом, вторичные контуры трансформаторов соединены последовательно и напряже­ ния, индуцируемые первичными обмотками на этом стержне, сум­ мируются. Корпус ЛИТ набран из отдельных секций, заполненных глицерином. Внутри каждой секции размещено по два индуктора. Индуктор состоит из двух сердечников, изготовленных из тонкой электротехнической стали. Для их размагничивания применялась специальная схема, содержащая развязывающую индуктивность, конденсатор и разрядник.

В установке СНОП-3 ЛИТ используется для зарядки промежу­ точного емкостного накопителя сопротивлением 1,3 Ом и электри­ ческой длиной 75 нс. Напряжение нарастает до максимума 2 МВ за 1,3 мкс. Накопитель 6 (см. рис. 1.28), коммутатор 9 и форми­ рующая линия 10 образуют ^С-контур со временем нарастания напряжения в последней до максимума 300 нс. Энергия из накопи­ теля в формирующую линию передается резонансно: два пробега электромагнитной волны от коммутатора до конца накопителя и

через неуправляемый многоштыревой коммутатор 11. В конце пере­ дающей линии находится блок нагрузки 15.

Ускоритель «Гермес-3», построенный в Национальной лабора­ тории Сандиа (США) в 1989 г., имеет ускоряющее напряжение 20 МВ, ток пучка 800 кА, длительность импульса 40 нс и предназ­ начен для проведения испытаний в условиях больших доз радиации. Он способен обеспечить мощность дозы 5 •1012 Р/с в цилиндри­ ческом объеме с площадью основания 500 см2 и высотой 15 см.

Главным отличием ускорителя является использование ваку­ умной коаксиальной линии с магнитной самоизоляцией для сумми­ рования напряжений от 20 индукторных секций. Линия с магнит­ ной изоляцией образована катододержателем и внутренними ци­ линдрическими поверхностями секций, охватывающих этот катододержатель. Электромагнитный импульс подается в линию через кольцевые щели во внутренней поверхности индукторных секций. Последние содержат передающие линии и магнитные сердечники, обеспечивающие высоковольтную изоляцию за счет индуктивности. При такой конструкции установки с ускоряющим напряжением 20 МВ возникают трудности, во-первых, с обеспечением изоляции накопительных секций на это напряжение и, во-вторых, с уменьше­ нием токов утечки, возникающих из-за эмиссии электронов с катододержателя при столь высоких напряжениях.

Первая задача решается применением магнитных сердечников из метгласа, обеспечивающих индуктивную развязку секций от пол­ ного напряжения. Вторая трудность преодолевается тем, что катододержатель является одновременно элементом вакуумной линии с магнитной изоляцией, работающей в самосогласованном режиме и обеспечивающей транспортировку «электронного слоя», образован-

пого электронами утечки, в диод. Это позволило создать ускоритель с малыми потерями.

Ускоритель «Гермес-3» (рис. 1.29) содержит 10 генераторов Маркса, 20 промежуточных накопителей энергии, 20 газовых ком­ мутаторов с лазерным поджигом, 80 формирующих и передающих водяных линий и 20 индуктивно изолированных накопительных кольцевых секций, которые переключают энергию в систему сум­ мирования напряжения — магнитоизолированную вакуумную коак­ сиальную линию, доставляющую энергию в электронный диод — конвертор излучения.

Система накопления энергии состоит из первичного и проме­ жуточного накопителей. Первичный накопитель включает 10 гене­ раторов Маркса с энергией 156 кДж и выходным напряжением 2,4 МВ каждый. Эти генераторы располагаются по 5 штук в двух баках с обеих сторон ускорителя. Промежуточный накопитель — 20 цилиндрических водяных конденсаторов емкостью 19 нФ. При оптимальных условиях каждый конденсатор заряжается до 2,2 МВ за 950 нс.

Газовые коммутаторы переключают энергию из промежуточ­ ного накопителя в формирующие линии, когда напряжение дости­ гает амплитудного значения. 20 разрядников, заполненных элега­ зом, ответственны также за всю синхронизацию ускорителя. Ком­ мутаторы помещены в трансформаторное масло и по конструкции подобны коммутаторам, применяемым в установке PBFA-IÎ [75]. Они также имеют две секции: управляемую посредством лазерного поджига и неуправляемую, где напряжение распределяется по 10 зазорам и напряженность поля в несколько раз ниже, чем в уп­ равляемой. Среднеквадратичный разброс срабатывания разрядников при лазерном поджиге не превышает 2 нс. Разрядник обеспечивает надежную работу до 2,5 МВ. Для запуска разрядников использу­ ется импульсный KrF лазер (X ^ 248 нм) с длительностью импуль­ са 20 нс и энергией 900 мДж. Оптическая система из 20 волокон­ ных трактов, подводящих излучение к коммутаторам, позволяет с помощью зеркал регулировать время задержки импульса в преде­ лах ± 5 нс.

Система формирования импульсов состоит из 80 модулей-фор­ мирователей. В них формируются импульсы, которые складываются в параллельно-последовательной комбинации, чтобы получить вы­ ходной импульс, питающий электронный диод. Модуль-формирова­ тель (рис. 1.30) [76] представляет собой коаксиальную водяную линию с волновым сопротивлением 5 Ом. Каждый модуль имеет секцию формирования импульса, секцию обострения импульса и вы­ ходную передающую линию, а также разрядник формирующей ли­ нии, обостряющий и срезающий разрядники, работающие на самопробое в воде. Срезающий разрядник используется для уменьше­ ния длительности импульса, а его электрод — также для подавле­ ния предымпульса. Напряжение на выходе формирующего моду­ ля 1,3 МВ, ток — 260 кА.

Индукторные секции [77] выполняют две функции: сложения и передачи импульсов от четырех модулей-формирователей и обес-

Рис. 1.31. Индукторная секция ускорите­ ля «Гермес-3».

пряжения, чтобы выходные импуль­ сы таких секций, не изолированных на полное напряжение от «земли», могли суммироваться в вакуумной передающей линии без пробоя. Каж­ дая секция представляет собой по­ лый тороид с наружным диаметром 3 м, внутренним диаметром 0,762 м и высотой 0,6 м. Она заполнена трансформаторным маслом и весит 9 т. В индукторной секции (рис. 1.31)

тальные передающие линии. По ним электромагнитный импульс . транс­ портируется от водяных линии и передается через радиальные

Рис. 1.32. Схема суммирования напряжений в магнитно-изолированной линии.

1 — индукторные секции; 2 — выход энергии; 3 —'сердечники из метгласа; 4 — линия с магнитной изоляцией; 5 — катододержатель; 6 — область суммирования напряжений; 7 — согласующая секция; 8 — диод; 9 — катод; 10 — электронный пучок; 11 — анод.

держатель, разделяется на две области. Первая — секция суммиро­ вания напряжения длиной 12,8 м — обеспечивает последовательное сложение импульсов от индукторных секций. Вторая — согласую­ щая секция — служит для транспортировки энергии к диоду и соз­ дания необходимой временной развязки, делающей работу сумми­ рующей секции менее зависимой от условий импеданса в электрон­ ном диоде.

Область суммирования напряжения образована внутренними полостями двадцати прилегающих друг к другу индукторных сек­ ций. Подбор оптимальной геометрии катододержателя в этой обла­ сти имеет важное значение как для согласованной передачи энер­ гии, так и для возникновения утечек вследствие эмиссии электронов с него. Геометрия катододержателя, показанная на рис. 1.31, пред­ почтительна с нескольких точек зрения. Его радиус должен быть постоянным в пределах одной индукторной секции. Это обеспе­ чивает постоянный импеданс, который ступенчато нарастает к кон­ цу линии и, следовательно, лучшее согласование с выходом ин­ дукторной секции. Такая конструкция предпочтительна и меха­ нически, учитывая длину катододержателя (12,8 м) и необходи­ мость его прецизионной установки по оси системы.

Поскольку из-за высокой напряженности поля на катододержателе неизбежно возникает электронный слой, большое значение имеет самосогласованный режим работы вакуумной линии. Ее кон­ струкция позволяет уравнять потоки энергии от каждой из 20 ин­ дукторных секций и обеспечить режим самоограничения магнито­ изолированной линии, т. е. работу при минимальном токе. Напря­ жение на линии, радиус катода, релятивистский фактор и импедансы в каждом участке ступенчатой линии можно рассчитать по модели Гридона [78].

1.6.2. Импульсно-периодические электронные ускорители на основе трансформатора Тесла

При создании ускорителей с высокой частотой повторения импульсов возникает две проблемы. Первая связана с малым вре­ менем рассеяния электрической энергии. Действительно, в рассмот­ ренных выше СЭУ [57] в пучок переходит 60— 70 % электрической энергии, запасаемой в накопителе. При большой частоте повторе­ ния импульсов (50— 100 с-1) мощность потерь весьма велика и не­ обходимо принимать меры для ее рассеяния. Вторая проблема — для получения необходимого ресурса ускорителя в частотном ре­ жиме приходится существенно снижать рабочие напряженности поля в твердых и жидких диэлектриках по сравнению с режимом однократных импульсов. Решение указанных проблем требует су­ щественных усилий и^ приводит к удорожанию частотных уско­ рителей.

В Институте сильноточной электроники СО АН СССР разра­ ботана серия частотных ускорителей «Синус» с широким диапазо­ ном параметров (табл. 1.3) [79]. Для иллюстрации рассмотрим

ка не более 1 %. Ресурс работы ускорителя 108 импульсов, сред­ няя мощность электронного пучка 4 кВт.

Т а б л и ц а 1.3

Рис. 1.34. Осциллограммы коммути­

руемого тока (/ = 50 Гц) и вид

разрядного промежутка при различ­

ных скоростях движения газа в

коммутаторе.

а — ъ = о; б — г>= г>опт.

Отличительной особенностью ускорителя (рис. 1.33) является совмещение трасформатора Тесла с формирующей коаксиальной линией. Трансформатор 1 имеет разомкнутый ферромагнитный сер­ дечник и используется для зарядки формирующей линии (ФЛ) 2.. Одновитковая первичная обмотка трансформатора Тесла размещена на внутренней поверхности внешнего проводника ФЛ. Вторичная обмотка располагается на диэлектрическом полом конусе и соеди­ нена с внутренним проводником ФЛ. Коэффициент трансформации 2 •103. Высоковольтный импульс формируется при разряде ФЛ на вход передающей линии 5 с переменным волновым сопротивлением для согласования с вакуумным диодом. Линии коммутируются га­ зовым разрядником 3 тригатронного типа с продувкой рабочим га­ зом — азотом. Электронный пучок формируется в коаксиальном ва­ куумном диоде 6, помещенном в магнитное поле индукцией 3 Тл,. создаваемое сверхпроводящим соленоидом 7. Коаксиальная форми­ рующая линия с трансформаторным маслом в качестве диэлектрика имеет волновое сопротивление 20 Ом. Рабочая напряженность поля в трансформаторном масле снижена до 120 кВ/см для обеспечения необходимого ресурса работы ускорителя при большой частоте сле­ дования импульсов. Электрическая длина линии —10 нс, макси­ мальное зарядное напряжение —700 кВ. Зависимость КПД заряд­ ки ФЛ с помощью трансформатора Тесла от различных факторов

трансформатора, К — коэффициент связи между контурами, р — коэффициент, зависящий от геометрии линии и параметра К .. В этом ускорителе т3 — 50 мкс, что позволило осуществить его пи­ тание от промышленной сети без промежуточного преобразования напряжения.

Площадь сечения разомкнутого магнитопровода S определяет­ ся запасаемой в ФЛ энергией W n и свойствами ферромагнитного

где В н — индукция насыщения ферромагнетика.

Тригатронный запуск высоковольтного коммутатора — двухэле­ ктродного газового разрядника высокого давления с зазором 25 мм — специальным импульсом напряжения с амплитудой 100 кВ и временем нарастания —5 мкс обеспечивает необходимую стабиль­ ность амплитуды формируемых импульсов. Давление газа в раз-

дряднике ~ 2 МПа. Стабильность работы газового коммутатора оп­ ределяется рядом причин. Во-первых, время запаздывания t3 между зюментом, когда электрическое поле в разрядном промежутке до­ стигает пробивного значения, и моментом пробоя разрядника, как известно, имеет статистический характер и влияет на стабильность формируемых импульсов вследствие зависимости зарядного напря­ жения ФЛ от времени. Вторым фактором нестабильности являются флуктуации пробивной напряженности газового промежутка. Оба фактора определяются стабильностью термодинамических характе­ ристик газа. Кроме того, возможны флуктуации сопротивления иск­ рового канала, обусловленные изменением его длины и диаметра. С ростом частоты импульсов усиливается влияние состояния газа.

Наличие активных потерь приводит к появлению в промежутке области с пониженной электрической прочностью, положение ко­ торой относительно электродов изменяется вследствие конвективно­

электрическую прочность, выносится из промежутка за время меж­ ду импульсами. Можно найти оптимальную скорость движения га­ за, при которой на величину t3 оказывают стабилизирующее влия­

ри энергии в разряднике составляют ~ 2 0 %, а длительность фронта импульса 1— 2 нс. Оптимальная скорость продувки газа уменьшает нестабильность амплитуды формируемых импульсов до 1— 2 % (без продувки > 1 0 % ), а тригатронный запуск — до 0,5— 1 %. Он также обеспечивает временную привязку срабатывания к запускающему импульсу с точностью 100 нс при частоте повторения 100 с-1. Для согласования импедансов в ускорителе используется передающая

~ 120 Ом — выходное сопротивление, равное импедансу диода, L — ее длина. Согласование вакуумного диода и ФЛ было таким, что энергетические потери не превышали 15 %.

В коаксиальном вакуумном диоде с магнитной изоляцией като­ дом служил тонкостенный цилиндр. Амплитуда флуктуаций тока диода в импульсно-периодическом режиме определяется числом эмиссионных центров на катоде и зависит от материала катода и от магнитного поля. При оптимальном магнитном поле и катоде из графита она не превышает 1— 2 %. Ресурс работы катода 5 •107 импульсов.

На основе этого ускорителя был реализован черенковский ге­ нератор микроволнового излучения, который в диапазоне длин волн 3 см обеспечил импульсную мощность 450 МВт при частоте повто­ рения 100 с-1 и средней СВЧ-мощностй 400 Вт.