Лекция 3. Часть 1

Лекция 3. Электронные ускорители для пучковоплазменных технологий. Часть 2
1. Электронные ускорители для накачки XeCl-лазера
2. Импульсные электронные ускорители GESA
3. Наносекундный импульсный генератор NS-PG
4. Импульсный электронный ускоритель ДУЭТ
1
Получение сильноточных электронных пучков на
ускорителе Модуль (ИСЭ, Томск)
Источником питания ускорителя Модуль является генератор Маркса с
вакуумной изоляцией.
Генератор Маркса состоит из 8 ступеней с экранами, разделенными
полиэтиленовыми кольцами.
Каждая ступень состоит из трех конденсаторов емкостью 0.18 мкФ.
Максимальное зарядное напряжение 100 кВ.
Внешний вид колонны и ступени генератора Маркса с вакуумной изоляцией.
2
Осциллограммы напряжения и тока диода с
катодом на основе углеграфитового войлока и
рассчитанные из них зависимости мощности и
энергии пучка, первеанса диода от времени.
Зарядное напряжение генератора Маркса 100 кВ,
межэлектродный зазор d — 60 мм,
площадь эмитирующей поверхности катода
19 х 81 см2
3
Распределение энергии электронного пучка на выходе из фольги в направлении поперек
выводного окна, зарегистрированное калориметрами (а). Распределение, полученное с
помощью тепловизора (б), U3= 100 кВ, d = 60 мм.
Достоинством ускорителя является простота установки катода. Благодаря
использованию вакуумной изоляции взрывоэмиссионный катод устанавливается
непосредственно на последней ступени генератора Маркса, проходной
вакуумный изолятор в конструкции ускорителя отсутствует, что обеспечивает
дополнительное снижение индуктивности разрядной цепи.
4
Электронный ускоритель для накачки XeCl-лазера с
активным объемом 600 л
Технология получения электронных
пучков с использованием генераторов
Маркса с вакуумной изоляцией использована
при создании мощного электронного
ускорителя для возбуждения газового
объема 600 л.
Внутренний диаметр кюветы 620 мм,
длина активной части 2 м, полный объем
кюветы 923 л.
Электронный ускоритель XeCl-лазера с активным объемом 600 л.
5
Электронный ускоритель собран на базе 12 вакуумно-изолированных 8-и
ступенчатых генераторов Маркса. Конструкция генераторов аналогична генератору
ускорителя Модуль. Каждый генератор снабжен катодом.
Генераторы размещались в 6 откачиваемых баках попарно, образуя 6 ускорителей
с токами и длиной пучка вдвое большими, чем на установке Модуль. Ускорители
размещались вокруг кюветы по радиусам, установка в плане имела форму звезды.
Сечение ускорителя в плане (а), схема расположения модулей (б), сечение диода (в)
6
Параметры ускорителя для накачки XeCl-лазера с активным объемом 600 л.
Uзар, кВ
85
90
95
Wген, кДж
187
210
234
Wдuoдa, кДж
137
160
175
Wпучка, кДж
85
95
102
Wгаз, кДж
54
65
71
Wдиода/ Wген
73%
76%
75%
Wпучка/ Wдиода
62%
59%
58%
7
Получение электронных пучков для накачки XeClлазера с активным объемом 200 л
Источниками высокого напряжения являются 2 параллельно включенных линейных
трансформатора с вакуумной изоляцией вторичного витка.
Каждый трансформатор состоит из 10 LTD ступеней, заряжаемых до 80-85 кВ.
Емкость первичного накопителя ступени 1.36 мкФ.
В каждой ступени конденсаторы присоединяются к внешним терминалам двумя
многозазорными промежутками многоканальных разрядников. Напряжение к диоду
подается с помощью вакуумных линий, одновременно являющихся вторичным витком
трансформаторов.
8
Electron accelerator for pumping of the Xe2 lamp
A.V. Kharlov, B.M. Kovalchuk, S.N. Volkov, A.A. Zherlitsyn, A.N.
Bastrikov, V.B. Zorin, V.N. Kiselev, G.V. Smorudov, and N.V. Tsoy
Institute of High Current Electronics, Tomsk
9
Structure of the accelerator
Objective: injection of the electron beam into cylindrical gas cavity
(diameter of 400 mm, length of 1600 mm, pressure up to 3 bar).
voltage – 550÷600 kV
• diode current–276÷230 kA
•current rise time – 160 ns
• maximum power of the
electron beam – 130 GW
•pulse width on half
maximum – 160 ns
•electron beam energy at power
level not less than half of
•maximum value – 20 kJ
•mean specific power of energy
input into gas cavity ~ 330
kW/cm3.
• diode
General view: 1- Charging bus; 2- transformer stage; 3-vacuum
chamber; 4- triggering bus; 5- vacuum pump; 6- support;
7- capacitors of the premagnetization block; 8- triggering bus,
10
Block scheme of the accelerator
11
Capacitor Block
1 – epoxy body, 2 – capacitors,
3 – switch body, 4, 6 – end electrodes,
5 – ball electrodes, 7 – triggering cable,
8 – conductive cord, 9 – divider resistors,
10 – screws for the balls mounting.
Block weight ~ 16 kg
Size 445x325x85 mm3
12
Capacitor Block parameters
30 nH
80 nF
0.05
Block tests
Load
U0, kV
I, kA
Tf, ns
FWHM
UL, kV
WL, J
Delay/
Jitter, ns
1.13 
80
36
118
176
41
192
70/8
11 nH
90
42
114
166
48
249
55/4
100
48
110
160
55
322
50/  4
13
Transformer stage
Transformer stage: 1 – transition insulator
for HV input; 2 – inductor cores; 3 – transition
insulator for HV transfer from block to block;
4 – capacitor blocks;5 – triggering cable channel;
6 –delta wood plate; 7 – polyamid bolts; 8 –
current bus; 9 – basement.
Cross section of the accelerator 1-vacuum
chamber, 2- cathode, 3-charging bus,
4-inductor, 5- fixing element, 6 – central
conductor, 7- support, 8 - insulator, 9 –
anode rib structure; 10 – gas volume.
14
Anode-cathode block
Anode-cathode block: 1 – vacuum chamber
2 – cathode; 3 – anode rib structure; 4 – gas
cavity; 5 – anode; 6 – pumping sleeve;
7 – horizontal alignment rails; 8 – side flange
AK gap 55 mm
Cathode 1 – frame;
2 – cylindrical base;
3 – emitter
S=100x1180x6
~7000 cm2
15
Электронный диод со снятой боковой крышкой.
Основными элементами диода являются:
1 - вакуумная камера 1 с боковыми фланцами 2, коллектор 3, катоды 4 с
катододержателями 5, катодные пластины 6, служащие для подвода тока к
катодам, подвижные 7 и неподвижные 8, 9 магнитоизолирующие пластины
обратного тока, кювета 10, ложементы 11 для установки кюветы
16
Катоды магнито-экранированного диода.
17
Параметры ускорителя для накачки XeCl-лазера с активным объемом 200 л.
Зарядное напряжение, кВ
80
85
Эффективн.
%
Напряжение на диоде U, кВ
500
550
Полный ток диода I, кА
280
320
100%
Ток электронного пучка в диоде Id, кА
214
250
78%
Ток пучка за решеткой, кА, не менее
148
176
Ток пучка Ib за фольгой в кювете, кА
115
136
Максимальная мощность в диоде Р, ГВт
140
176
Энергия, запасаемая в генераторе W0, кДж
87
98
Энергия, передаваемая в диод, W, кДж
75
86
Энергия пучка в диодах, кДж,
51
61
62%
Энергия пучка за решеткой, кДж,
35
45
46%
Энергия пучка за фольгой, кДж
26
32
33%
54.4%
100%
18
Conclusion
1) Electron accelerator on base of the air LTD stages operates reliably in laser
experiments (e-beam excitation of xenon to produce Xe*fluorescence at 172
nm).
2) Large area electron diode ~ 7000 cm2 has been developed.
3) The vacuum diode forms six 100 cm long x 12 cm wide e-beams which are
injected through the 40 μm Ti foil into the Xe converter.
4) Maximum electron diode power is ~ 135 GW. Efficiency of the energy transfer to
the diode is ~ 60%, to the gas cavity ~50%.
5) Implementation of new technology enabled us to obtain rate of the diode power
rise ~ 1 GW/ns
19