НАНОСЕКУНДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для формирования пучков электронов.

Создание мощных наносекундных генераторов высоковольтных импульсов на полупроводниковых прерывателях тока с частотой следования импульсов до кГц и ресурсом до 10¹⁰-10¹¹ импульсов [1, 2] обусловило необходимость разработки перспективных для технологий ускорителей электронов с генераторами [3, 4].

Однако существенным недостатком известных ускорителей является недостаточный кпд передачи энергии в пучок и высокая доля низкоэнергетичных электронов в формируемом пучке при использовании металлодиэлектрических (МДМ) катодов [5].

Наиболее близким аналогом является техническое решение, описанное в [6]. Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для формирования наносекундного пучка электронов. Металлокерамический катод был испытан на частотном наносекундном ускорителе электронов УРТ-0,5. Известный наносекундный ускоритель электронов содержит генератор высоковольтных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумный диод, в котором используется металлокерамический катод.

Целью изобретения является увеличение кпд передачи энергии в пучок и уменьшение доли низкоэнергетичных электронов в формируемом пучке.

Поставленная цель достигается тем, что в наносекундном ускорителе электронов, содержащем генератор высоковольтных импульсов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумный диод, в котором используется металлокерамический катод (МК катод), состав металлокерамического катода выбирается так, чтобы временное запаздывание t_з начала тока в вакуумном диоде относительно напряжения и время обрыва тока полупроводникового прерывателя t_oб соответствовали условию t_з ~ 0,7 t_об.

МК катод представляет собой пластину из оксидной нанокерамики, в которой относительно равномерно по объему распределены металлические частицы, часть которых выходит на поверхность. МК катод размещается на металлическом котододержателе (фиг.1). За счет существенной разницы в температурных коэффициентах линейного расширения у керамики и металла при остывании такой системы после синтеза вокруг металлических частиц образуются микрополости, которые служат поставщиками газа при поверхностном образовании плазмы на МК катоде.

При работе МК катодов имеется временное запаздывание t₃ начала тока в диоде относительно напряжения, причем значением t₃ можно управлять, изменяя состав МК катода [7]. Выбор же момента подключения нагрузки на этапе быстрого роста импеданса прерывателя тока любого типа позволяет улучшить условия работы прерывателя и увеличить выходную мощность [8].

На фиг.1 представлена схема наносекундного ускорителя электронов, где 1 - вакуумный изолятор, 2 - катододержатель, 3 - МК пластина.

Ускоритель работает следующим образом (см. фиг.1).

Генератором высоковольтных импульсов формируется импульс высокого напряжения и одновременно прикладывается к вакуумному диоду. На поверхности МК катода появляется электрическое поле.

Эмиттирующая плазма возникает вследствие развития газового разряда в микропорах между диэлектриком и металлом. Плазма, образующаяся в микропорах, выходящих на поверхность МК пластинки 3, обеспечивает необходимую эмиссию электронов и электрический контакт с металлическим основанием. Благодаря задержке между приложением импульса напряжения и появлением тока в вакуумном диоде полупроводниковый прерыватель в момент быстрого роста импеданса нагружается на нагрузку с высоким сопротивлением, что позволяет увеличить кпд передачи энергии в пучок и уменьшить долю низкоэнергетичных электронов в формируемом пучке.

Предложенное решение было экспериментально проверено. Использовался наносекундный ускоритель УРТ-0,5 [4]: ускоряющее напряжение U=500 кВ, длительность импульса на полувысоте t_u ~ 50 нс, длительность фронта импульса t_ф ~ 0,1-0,9= 46 нс, частота срабатывания f=200 Гц. Конструкция катодного узла аналогична [6] . Параметры исследованных типов МК катодов приведены в табл. 1. Катод 1885 состоит из керамики Аl₂О₃ с диаметром металлических частиц 9 мкм, количество этих частиц в 1 см² составляет 1900 шт/см². Катод 1889 состоит из керамики Аl₂О₃ с диаметром металлических частиц 9 мкм, количество частиц в 1 см² составляет 40000 шт/см². Катод 11-1 состоит из керамики Аl₂О₃ с диаметром металлических частиц 26 мкм, количество частиц в 1 см² 4700 шт/см². Катод 1891 состоит из керамики TiO₂ с диаметром металлических частиц 9 мкм, количество частиц в 1 см² составляет 4020 шт/см².

Так как время обрыва тока полупроводникового прерывателя тока лежит в пределах t_об ~ 30 нс (для диодов СДЛ), то увеличение t₃ приводит вначале к росту выходной мощности, а затем к ее уменьшению (табл. 2). Максимальный кпд передачи энергии в пучок электронов был при МК катоде 1891 (табл. 2). Существует практически линейная зависимость кпд передачи энергии от t_з. Однако для МК пластины 1891 увеличение кпд достигается за счет увеличения доли низкоэнергетичных электронов, формируемых на заднем фронте напряжения, так как максимум мощности отстает от максимума напряжения (фиг.2). Поэтому оптимальное значение времени задержки составляет t_з ~ 0,7 t_об.

Таким образом, использование МК катода позволяет получать высокие выходные мощности ускорителя при более высоком ускоряющем напряжении, чем при использовании МДМ катода [5].

Литература
1. Yu.A. Kotov, G.A. Mesyats, S.N. Rukin et al., Digest of Technical Papers 9th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, 1993, vol. I, pp. 134-139.

2. Yu.A. Kotov, G.A. Mesyats, S.R. Korzhenevskii et al., Proc. 10th IEEE Pulsed Power Conf, 1995, Santa Fe, New Mexico, USA, pp. 1231-1234.

3. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, ПТЭ, 4, 1997, с.84-86.

4. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, М.Е.Балезин, ПТЭ, 2000, 2, с.112-115.

5. Ф.Я.Загулов, В.В.Кладухин, Д.Л.Кузнецов и др., ПТЭ, 2000, 5, с.71-76.

6. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, М.Е.Балезин "Металлокерамический катод", Патент РФ 2158982.

7. Yu. A. Kotov, S. Yu. Sokovnin, M.E. Balezin, "Proc. of 12th Symp. on High Current Electronics", September 25-29, 2000,Tomsk, pp. 38-42.

8. Ю.А.Котов, А.В.Лучинский, "В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем" Под ред. Е.П.Велихова. M.: Энергоатомиздат, 1986, с.189-210.