ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 39-44
ЭЛЕКТРОНИКА ^^^^^^^^^^^^^^ И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.318.132+621.373.9
КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ С ФЕРРИТОВЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ ДЛЯ ОБОСТРЕНИЯ ФРОНТОВ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ
НАНОСЕКУНДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
© 2009 г. Ю. Г. Матвеев, Д. А. Шведов
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 17.02.2009 г. После доработки 29.04.2009 г.
Быстрые отклоняющие устройства (далее кикеры), питаемые высоковольтными тиратронными генераторами, используются для впуска—выпуска заряженных частиц в е+е--коллайдерах и источниках синхротронного излучения. Тиратронные генераторы могут обеспечить время нарастания импульсов на пластинах кикеров не менее 30—40 нс. Увеличение времени развития разряда в тиратронах особенно заметно при коммутации токов более 5 кА. Предлагается способ получения высоковольтных наносекундных импульсов, в котором используется укорочение исходных фронтов импульсов тиратрона с помощью коаксиальных линий, заполненных ферритовыми кольцами. Такой метод получения крутых перепадов может быть полезен там, где необходимо осуществлять выпуск из бустерного синхротрона в основной экспериментальный накопитель.
РЛС5: 52.80.-s, 52.35.Tc
1. ВВЕДЕНИЕ
В электрон-позитронных коллайдерах и специализированных источниках синхротронного излучения существует система впуска—выпуска заряженных частиц. Основными ее элементами являются быстрые кикеры, при пролете которых пучок частиц получает импульсный удар, после чего "садится" на равновесную орбиту ускорителя с минимальными остаточными колебаниями. В большинстве случаев пластины кикеров питаются импульсами, имеющими наносекундную длительность и амплитуду несколько десятков киловольт.
В ускорителях с длиной орбиты более 30 м длительности фронтов и срезов могут быть более 100 нс, поэтому в генераторах в качестве высоко-
вольтных коммутаторов могут использоваться водородные тиратроны с накаливаемым ("горячим") катодом. Время развития разряда в них лежит в пределах 30—100 нс в зависимости от типа тиратрона и нагрузки. Но там, где длина орбиты ускорителя менее 25 м, нередко бывает необходимо иметь более крутые фронты (~2—3) нс и малые длительности (до 10 нс), например при мно-госгустковых режимах накопителей заряженных частиц.
В ИЯФ СО РАН такие фронты обычно получают с помощью генераторов на искровых газонаполненных разрядниках [1]. Основным недостатком таких генераторов является сложность эксплуатации разрядников: постоянный контроль над работой газовой системы, зависимость от качества рабочего газа в разрядниках, при длитель-
12 3
5 4
Рис. 1. Участок коаксиальной ферритовой линии. 1 — наружный электрод (труба из нержавеющей стали), 2 — изоляция (полиэтилен), 3 — ферритовые кольца 1000НН, 4 — изоляция (полиэтилен), 5 — внутренний электрод.
Рис. 2. Зависимость длительности фронта импульса с выхода ферритовой линии от амплитуды магнитного поля Нфл
ных перерывах в работе требуется кратковременная повторная тренировка электродов для уменьшения джиттера (временной нестабильности от импульса к импульсу) до допустимого значения. Также в последние годы успешно стала развивать-
ся другая ветвь семейства высоковольтных коммутаторов — псевдоискровые разрядники или тиратроны с холодным катодом. Эти приборы также могут успешно применяться для получения фронтов ~10 нс, но при этом рабочие токи не должны превышать 1—2 кА. Однако запуск псевдоискровых коммутаторов для получения рекордно коротких фронтов — нетривиальная задача и требует применения для этого отдельной электроники. Поэтому в некоторых задачах впуска-выпуска помимо названных коммутаторов может быть использован другой метод обострения фронтов импульсов на кикерах — применение электромагнитных ударных волн в феррите [2, 3].
2. РАЗРАБОТКА ЖЕСТКИХ КОАКСИАЛЬНЫХ ЛИНИЙ, ЗАПОЛНЕННЫХ ФЕРРИТОВЫМИ КОЛЬЦАМИ
Описанные в [2—6] конструкции ферритовых линий малопригодны для высоковольтных нано-секундных генераторов, предназначенных для сложных ускорительно-накопительных комплексов заряженных частиц. Для этого необходимы надежная жесткая конструкция и малая длина ферритовых линий. Из опыта работы с генераторами и обзора литературы стало очевидным, что
Контроль
Двойная формирующая линия на сосредоточенных параметрах
Л1: ¿0 = 25 Ом, Тз = 50 нс
-Х- - -X
т
Импульс поджига
Контроль ип импульса поджига
Л3: 25 Ом, Тз = 50 нс
-ЛГ- - -X
Контроль тока тиратрона
I
Л2: г0 = 25 Ом, Тз = 50 нс
--иг^
т Т---Т "Г
Л4: г0 = 25 Ом, Тз = 50 нс
Т Т---Т "Г
ТЛ,
н—1 ¿о = 50 Ом1-н и—I X Т. = 40 нс IX
ФЛ, ТЛ3
I I I ю—с
Г-н и_Т^~=500^ 50 XX Т, = 60 нс X
ТЛ2
ФЛ2
I I Гю—С
Тз = 60 нс .
ТЛ4
13-1^ = 50 Ом^ н^ 1-Н В-Гг0 = 500^^ 50
X Т, = 40 нс XX XX Т, = 60 нс X
К
ит = 600 В
н
К
н
Рис. 3. Принципиальная схема генератора с обострением на ферритовых линиях. ФЛ,, ФЛ2 — ферритовые линии; ТЛ,— ТЛ4 — транспортные линии; К,, К4 — измерительные шунты; К2 — зарядное сопротивление; С,, С2 и К7 — измерительные делители напряжения; Кн — оконечные согласующие нагрузки.
необходимы ферритовые кольца с размерами не менее 20 х 12 х 6 мм, иначе при рабочих напряжениях, близких к 25 кВ, неизбежно возникают недопустимо высокие напряженности электрического поля. Действительно, по оценкам поля в коаксиале со сплошной однородной средой при рабочем напряжении 25 кВ напряженность поля на внутреннем электроде Е « 80 кВ/см. Учитывая неизбежную шероховатость электродов и неоднородность изоляции, реальная напряженность еще больше и близка к пробивной напряженности ферритов (Епр « 100 кВ/см). Поэтому работа ферритов с данными типоразмерами в атмосфере воздуха без дополнительной изоляции невозможна. Действительно, при подаче импульсов с амплитудой >5 кВ происходит пробой по поверхности ферритов.
Далее, по оценке минимального волнового сопротивления линии Рфл с размерами ферритов 20 х 12 х 6 мм получается, что при сплошном заполнении межэлектродного пространства ферритом (с > 7), когда достигается режим магнитного насыщения (ц = 1), Рфл « 11 Ом. Поэтому в нашей конструкции в ходе экспериментов проблема электрической и механической прочности была решена путем использования дополнительной полиэтиленовой изоляции — трубок из термоуса-живающегося полиэтилена с с = 2.3 вокруг ферритов, а также с помощью подачи элегаза (8Б6) в межэлектродное пространство под давлением до 0.3—0.5 МПа. При этом волновое сопротивление линии в режиме насыщения становится близким к 50 Ом, что позволяет передавать импульсы с крутыми фронтами и срезами по радиочастотным кабелям типа РК с волновым сопротивлением 50 Ом.
На рис. 1 изображен участок коаксиальной ферритовой линии. На внутренний проводник ферритовой линии надета полиэтиленовая трубка с термоусадкой, на которую надеты 130 феррито-вых кольца М20 х 12 х 6 1000НН на длине 800 мм. С наружной стороны на ферриты надета полиэтиленовая трубка толщиной до 0.1 мм. Все это помещено в трубу из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметизировано. Для увеличения надежности работы трубка заполняется элегазом под давлением 0.5 МПа.
Длина области линии, заполненной ферритом, 800 мм. Такая длина линии достаточна для получения укорочения фронта с 40 нс до 2—3 нс, что было подтверждено экспериментально. На длинах >1 м уже наблюдаются потери амплитуды выходного импульса, которые быстро растут по мере увеличения длины ферритовой линии. Так на ферритовой линии длиной 1.7 м потери напряжения составляют 40% от изар, а при увеличении длины в 2 раза и более потери достигают 60—70% от изар. На рис. 2 дана экспериментальная зависимость длительности фронта tф импульса с выхода ферритовой линии от амплитуды магнит-
Рис. 4. Осциллограммы импульса напряжения на нагрузке 50 Ом с выхода ферритовой линии длиной 800 мм.
ного поля в линии Нфл. Видно, что обострение до 2—3 нс достигается уже при напряженностях магнитного поля Нфл = 8 кА/м («100 Э). В процессе разработки опытного образца ферритовой линии стало очевидно, что следует избегать механической обработки ферритов и проводить только полировку электродов линии.
3. ТИРАТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ДВОЙНОЙ ФОРМИРУЮЩЕЙ ЛИНИИ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, С ПОСЛЕДУЮЩИМ ОБОСТРЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ФЕРРИТОВОЙ ЛИНИИ
Такой генератор успешно работает в ИЯФ СО РАН на комплексе ВЭПП-2000 с 2001 года вместо генератора на трехэлектродном разряднике с последовательным управлением типа описанного в [7]. На рис. 3 приведена принципиальная схема этого генератора. Двойная формирующая линия (д.ф.л.) с сосредоточенными параметрами, рабо-
0 20 40 60 80 100 г, нс
Рис. 5. Результат моделирования процесса сложения импульсов биполярного генератора.
тающая по схеме В1иш1ет, имеет две секции, каждая из которых образована параллельным включением двух линий задержки с волновым сопротивлением 25 Ом, состоящих из восьми ячеек емкостью 235 пФ и индуктивностью 148 нГн. Таким образом, результирующее волновое сопротивление каждой секции д.ф.л. получается равным 12.5 Ом, а выходное сопротивление генератора равно 25 Ом. Длительность выходного импульса, определяемая двойным временем пробега по секции, равно 100 нс.
Запуск тиратрона производится на вершине зарядного напряжения источника питания. Резистор Я1 в цепи первичной обмотки трансформатора вносит большое затухание в колебательный контур, уменьшая амплитуду напряжения во втором и третьем полупериодах до 20% от напряжения в первом полупериоде во избежание повторных срабатываний тиратрона. Резистор Я2 обеспечивает развязку формирующей линии при ее разряде от зарядной цепи. Накал тиратрона питается стабилизированным источником постоянного напряжения, что обеспечивает минимальный временной разброс выходных импульсов.
Импульсный источник питания через повышающий высоковольтный трансформатор Тр1 заряжает двойную формирующую линию до рабочего напряжения <25 кВ. В момент прихода запускающего импульса формирующая линия разряжается на нагрузку через транспортные ли-
нии и две параллельно включенные коаксиальные ферритовые линии. На ферритовых линиях фронт импульса укорачивается до 2—5 нс и далее посту
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.