1 9
7 8 3 4
Рис. 1. Диодный узел импульсного электронного ускорителя. 1 - катод, 2 - анод, 3 - обмотка согласующего автотрансформатора, 4 - сердечник автотрансформатора, 5 - цилиндр Фарадея, 6 - двойная формирующая линия ускорителя, 7 - пояс Роговского, 8 -емкостный делитель, 9 - каркас индуктивности раз-
магничивания.
ным из графита или углеродной ткани. В качестве анода использована плоская решетка с прорезями шириной 6 мм и прозрачностью 70%. Полный ток выведенного электронного пучка измеряли цилиндром Фарадея. Расстояние между анодной решеткой и коллектором цилиндра составляло 5 мм. В данной серии экспериментов использована анодная фольга (А1, 130 мкм). На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения, приложенного к диоду, и тока выведенного электронного пучка, измеренного цилиндром Фарадея.
Ток перезарядки емкости диодного узла рассчитывали по соотношению
1С = Сйи/Ж,
(1)
амплитуду предымпульса и снизить его влияние на работу диода без применения обостряющего разрядника. При предварительном размагничивании сердечника согласующего трансформатора форма импульса напряжения, формируемого на-носекундным генератором (двойная формирующая линия и трансформатор), близка к оптимальной, компенсирующей уменьшение импеданса диода за счет разлета взрывоэмиссионной плазмы [8]. Это позволяет согласовать диод с генератором во время формирования электронного пучка.
Для измерения тока, протекающего в нагрузке наносекундного генератора, использован пояс Роговского с обратным витком. Напряжение измеряли емкостным делителем, расположенным в мас-лонаполненной камере. Полный ток электронного пучка измеряли цилиндром Фарадея, который вместе с диодной камерой откачивали до давления <0.05 Па. Калибровка диагностического оборудования показала, что оно корректно отражает работу ускорителя в режиме короткого замыкания (и = 50-60 кВ), при работе на резистивную нагрузку до 60 Ом (и = 150-200 кВ) и при работе на планарный диод (и = 350-500 кВ). Погрешность временной привязки электрических сигналов не превышала 0.5 нс. Частотные характеристики диагностического оборудования, а также точность измерения напряжения, тока диода и тока электронного пучка позволяют определить изменение тока и заряда в диодном узле с погрешностью не более 10%.
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ТОКА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПРИ ВЫВОДЕ ИЗ ДИОДНОЙ КАМЕРЫ
Исследования проведены для планарной конфигурации диода с катодом 045 мм, выполнен-
где С - емкость диодного узла, равная 50 пФ.
На рис. 3 а показано изменение потерь в диодном узле ускорителя при генерации электронного пучка. Полные потери (кривая 1) рассчитывали по соотношению
К[%] = 100(Iпр - 1е - 1С)/1пР,
(2)
где 1пР - полный ток, измеряемый поясом Роговского; 1е - ток выведенного электронного пучка.
Для определения потерь электронного пучка в опорной решетке были выполнены измерения, аналогичные представленным на рис. 2, но без разделительной фольги между решеткой и цилиндром Фарадея. Потери в опорной решетке электронного пучка, рассчитанные по соотношению (2), приведены на рис. 3а (кривая 2). Коэффициент потерь электронного тока при этом оказался выше оптической непрозрачности анодной решетки (30%), что может быть связано с вкладом других источников потерь. Выполненные измерения показали, что потери электронного пучка при генерации и на пути от эмиссионной поверхности катода до выходного окна диодной камеры не превышают 10%.
Полученные данные позволяют определить потери электронного пучка в анодной фольге как разность между полными потерями тока пучка и потерями в анодной решетке (кривая 3 на рис. 3а). Для диода с графитовым катодом характерно большое время задержки формирования эмиссионной плазмы и электронного пучка относительно фронта напряжения [3] (см. рис. 2). Во время образования взрывоэмиссионной плазмы на поверхности графитового катода импеданс диода превышает 200-300 Ом. Наносекундный генератор при этом работает в режиме холостого хода, и выходное напряжение резко возрастает, что характерно для генератора с согласующим трансформатором на выходе [1]. При выводе электронного пучка через разделительную фольгу это приводит к снижению потерь за счет уменьшения доли низкоэнергетичных электронов.
6
2
5
и, кВ I, кА
Рис. 2. Осциллограммы напряжения (1), полного тока, потребляемого диодным узлом (2), тока выведенного электронного пучка (3) и тока зарядки емкости диодного узла (4). Катод диаметром 45 мм выполнен из графита, зазор 10 мм. Осциллограммы усреднены по десяти импульсам, следующим с частотой 0.5 импульс/с.
Использование катода из углеродной ткани позволяет уменьшить задержку как плазмообра-зования, так и начала генерации электронного пучка, но приводит к увеличению потерь электронов пучка в анодной фольге. На рис. 36 показаны потери тока в диоде с катодом из углеродной ткани при генерации электронного пучка. Сравнение потерь энергии в экспериментах с разными катодами приведено в таблице.
Выполненные измерения баланса тока в пла-нарном диоде с взрывоэмиссионным катодом показали, что при формировании электронного тока и выводе его из вакуумного объема диодной камеры основной источник потерь - поддерживающая решетка выходного окна. Использование
графитового катода позволяет снизить потери электронного пучка в выходной фольге по сравнению с катодом из углеродной ткани.
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ТОКА В ДИОДНОЙ КАМЕРЕ
Экспериментальные данные, представленные на рис. 3, включают в себя потери тока при его формировании и на пути от эмиссионной поверхности катода до выходного окна. Выполненные измерения показали, что эти потери не превышают 10%, что сравнимо с точностью измерений. Для более точной их оценки были выполнены исследования с использованием в качестве анода
Материал катода Полная энергия, Дж Энергия электронного пучка, Дж Потери на решетке, Дж Потери в фольге, Дж
без фольги с фольгой
Графит 255-264 151-165 124 104-113 18-36
(100%) (57-64%) (47-49%) (36-43%) (6-11%)
Углеродная 229-248 154 112-118 75-94 17-61
ткань (100%) (62-67%) (45-51%) (33-38%) (12-13%)
и, кВ К, %
Рис. 3. Изменение потерь К тока электронного пучка при выводе из диода при генерации электронного пучка для катодов 045 мм: а - из графита, зазор 10 мм; б - из углеродной ткани, зазор 13 мм. 1- полные потери, 2 - потери в решетке, 3 - потери в фольге, 4 - напряжение.
плоского коллектора цилиндра Фарадея 092 мм. На рис. 4 приведены осциллограммы напряжения, приложенного к диоду, и тока электронного пучка, измеренного цилиндром Фарадея.
При анализе баланса токов в диодном узле ускорителя для расчета емкостного тока необходимо выполнить дифференцирование сигнала с делителя напряжения (см. соотношение (1)). Однако
кА
и, кВ 0
--100
- -200
--300
-400
г, нс
Рис. 4. Осциллограммы полного тока диода (1), тока электронного пучка (2) и напряжения, приложенного к планар-ному диоду (3). Катод диаметром 45 мм из графита, зазор 10.5 мм. Осциллограммы усреднены по десяти импульсам, следующим с частотой 0.5 импульс/с.
и, кВ
0
-100
-200 I-
-300 I-
-400
Q, мкКл
10
10
г, нс
Рис. 5. Баланс заряда в диодном узле при генерации электронного пучка: 1 - заряд, поступающий от наносекундного генератора; 2 - заряд, переносимый электронным пучком; 3 - заряд в емкости диодного узла; 4 - потери заряда; 5 -напряжение на выходе генератора. Катод 045 мм из графита, зазор 10.5 мм.
Рис. 6. Изменение потерь заряда при генерации электронного пучка для разных зазоров анод-катод: 1 - 10.5 мм, 2 -
12 мм, 3 - 15 мм. Зависимость 4 - напряжение. Катод 045 мм из графита. Потери нормированы на полный заряд, подведенный к диоду от генератора к концу импульса.
при дифференцировании экспериментальных осциллограмм возникает большой разброс, что снижает точность измерений и усложняет интерпретацию данных. Для исключения дифференцирования был выполнен расчет изменения заряда в диодном узле ускорителя при генерации электронного пучка.
Увеличение заряда, подводимого к диодному узлу от наносекундного генератора, и заряда, переносимого электронным пучком, рассчитывали интегрированием полного тока, потребляемого диодным узлом, и тока выведенного электронного пучка соответственно. Заряд в емкости диодного узла равен произведению емкости на напряжение. На рис. 5 показаны изменения заряда, поступающего от генератора, заряда в емкости диодного узла и заряда, переносимого электронным пучком, при генерации электронного пучка. Здесь же кривой 4 показаны потери заряда в диодном узле, определенные как разность между зарядом, поступающим от генератора, и зарядами выведенного электронного пучка и емкости диодного узла.
Для определения источника потерь заряда были выполнены измерения баланса заряда при разных значениях зазора анод-катод. На рис. 6 показаны потери заряда при генерации электронного пучка для разных зазоров. В режиме согласования импеданса диода с выходным сопротивлением наносекундного генератора (зазор 10-12 мм)
потери заряда не превышают 12%. Аналогичные зависимости потерь заряда при генерации электронного пучка получены для катодов, выполненных из углеродной ткани, меди, а также для многоострийного медного и вольфрамового катодов. В течение времени формирования электронного пучка потери заряда линейно возрастают, поэтому они могут быть связаны с расхождением пучка.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛНЫХ ПОТЕРЬ ЗАРЯДА
Для определения источника потерь в диодном узле ускорителя были выполнены измерения потерь заряда к концу импульса напряжения (полные потери) для разных зазоров анод-катод. На рис. 7 показана зависимость полных потерь заряда в диодном узле от величины зазора анод-катод для диодов с катодами из разных материалов. Видно, что потери заряда появляются при величине зазора анод-катод >9 мм. Возрастание потерь заряда с увеличением зазора свидетельствует об их связи с расхождением пучка электронов. Дополнительные потери заряда в диодном узле ускорителя, за исключением потерь из-за расхождения пучка, незначительны.
Исследования распределения плотности энергии в поперечном сечении с помощью дозиметрической пленки [9] показали, что средняя плот-
d, мм
Рис. 7. Зависимость п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.