RU2040126C1

RU2040126C1 - Pulse accelerator

Info

Publication number: RU2040126C1
Authority: RU
Inventors: С.В. Завражин; Ю.П. Усов; Э.Г. Фурман
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 1991-03-21
Filing date: 1991-03-21
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: generation of electron beams. SUBSTANCE: enhanced pulse power is achieved owing to use of ferromagnetic filling of ends of closed single strip lines laid along multistart Archimedean spiral and to connection of load through radial matching line. EFFECT: enhanced pulse power thanks to reduction of negative effects of currents inherent to known circuits of spiral generators. 4 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации пучков заряженных частиц килоамперного диапазона в наносекундной области. The invention relates to accelerator technology and is intended to generate beams of charged particles of the kiloampere range in the nanosecond region.

В ускорительной технике широко применяются ускорители прямого действия. В качестве накопителей энергии в них используются формирующие линии, заряжаемые до высокого напряжения. (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М. Сов.радио, 1974, с. 255). In accelerator technology, direct-acting accelerators are widely used. As energy stores, they use forming lines that are charged to a high voltage. (Mesyats G.A. Generation of powerful nanosecond pulses. M. Sov.radio, 1974, p. 255).

Однако такие ускорители требуют высоковольтных источников питания, и время действия высокого напряжения на изоляцию значительно из-за ограниченной мощности первичных источников питания, что снижает надежность ускорителя. However, such accelerators require high-voltage power supplies, and the high voltage insulation time is significant due to the limited power of the primary power sources, which reduces the reliability of the accelerator.

В сильноточной электронике известны методы умножения и трансформации напряжений, которые используются в ускорителях прямого действия (Кремнев В.В. Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987, с. 57-64). Варианты схем с полосковыми линиями позволяют многократно умножать напряжение первичного источника питания. Эффективным источником, повышающим напряжение на нагрузке, является генератор Фитча (Fitch R.А. Howell V.Т.S. Novel principle of transient nigh voltage generation. Proce IЕЕЕ Еlectronics Power Sciece and General. 1964, vol. III,N 4, р. 849-855), в котором одинарная полосковая формирующая линия свернута в спираль и образует двойную полосковую линию. Разрядник включен на середине длины и коммутирует одно плечо линии. В обоих направлениях от разрядника распространяются волны снятия напряжения, и между внутренним и внешним выводами одной обкладки появляется напряжение, которое на холостом ходу может достичь напряжения, 2nU_o, где n число оборотов; U_o напряжение между обкладками. Генератор формирует на нагрузке линейно нарастающее напряжение в течение времени пробега волны вдоль линии и обратно. Для получения крутого фронта необходимо применение обостряющего разрядника.In high-current electronics, methods of multiplication and transformation of voltages that are used in direct-action accelerators are known (Kremnev V.V. Mesyats GA Methods of multiplication and transformation of pulses in high-current electronics. Novosibirsk: Nauka, 1987, pp. 57-64). Variants of schemes with strip lines allow you to multiply the voltage of the primary power source. An effective source that increases the voltage at the load is the Fitch generator (Fitch R.A. Howell V.T. Novel principle of transient nigh voltage generation. Proce IEEE Electronics Power Sciece and General. 1964, vol. III, No. 4, p . 849-855), in which a single strip forming line is twisted into a spiral and forms a double strip line. The arrester is switched on in the middle of the length and commutes one shoulder of the line. In both directions, voltage waves propagate from the arrester, and a voltage appears between the internal and external terminals of one cladding, which can idle voltage, 2nU _o , where n is the number of revolutions; U _{o the} voltage between the plates. The generator generates a linearly increasing voltage on the load during the travel time of the wave along the line and back. To obtain a steep front, the use of a sharpening spark gap is necessary.

Известна модификация генератора, взятая за прототип, в котором для уменьшения длительности формируемого фронта генератор выполнен из нескольких одинарных полосковых линий, свернутых в многозаходную спираль Архимеда, и содержит разрядники, согласующие индуктивности, обостряющий разрядник, катод-анодный промежуток (авт.св. СССР N 1769690, кл. Н 05 Н 5/00, 1990), в котором длительность формируемого фронта сокращена в m раз по сравнению с генератором Фитча, где m число одинарных формирующих линий, а генерируемое напряжение на холостом ходу может достигать значения 2mnU_o.A known modification of the generator, taken as a prototype, in which to reduce the duration of the formed front, the generator is made of several single strip lines folded into a multi-lead Archimedes spiral, and contains arresters matching inductances, sharpening the spark gap, cathode-anode gap (Aut. St. USSR N 1769690, class N 05 N 5/00, 1990), in which the duration of the formed front is reduced by m times compared to the Fitch generator, where m is the number of single forming lines, and the generated idle voltage can reach five values 2mnU _o.

Основным недостатком спиральных генераторов, в том числе и прототипа, является то, что при формировании фронта импульса возникает круговой ток, который снижает выходное напряжение генератора, так как часть энергии, запасаемая в емкостях полосковых формирующих линий, переходит в энергию магнитного поля, вызванного этим током, а также то, что при отражении волн от концов одинарных линий как на внутреннем, так и на внешнем диаметрах намотки линий также возникает перевод энергии электрического поля полосковых линий в энергию магнитного поля тока, вызванного проникновением волны из перезаряжающейся линии в не коммутируемое плечо. The main disadvantage of spiral generators, including the prototype, is that when the pulse front is formed, a circular current arises, which reduces the output voltage of the generator, since part of the energy stored in the capacities of the strip forming lines passes into the magnetic field energy caused by this current , as well as the fact that when waves are reflected from the ends of single lines both on the internal and external diameters of the winding lines, the energy of the electric field of the strip lines also transforms into the energy of the magnetic field current caused by the penetration of a wave from a rechargeable line into a non-switched arm.

Целью изобретения является повышение импульсной мощности за счет снижения перекачки энергии электрического поля полосковых линий в энергию магнитного поля, вызванного "паразитными" токами, не участвующими в формировании импульса напряжения. The aim of the invention is to increase the pulse power by reducing the transfer of energy of the electric field of the strip lines into the energy of the magnetic field caused by "spurious" currents that are not involved in the formation of the voltage pulse.

Цель достигается тем, что как и в прототипе ускоритель содержит катод-анодный промежуток, обостряющий разрядник формирующие полосковые линии, уложенные по многозаходной спирали Архимеда, разрядник, источник питания, но в отличие от известной схемы однопотенциальные обкладки формирующих линий замкнуты и охватывают участки с ферромагнитным наполнением, а общие выводы обкладок через радиальную согласующую линию подключены к катод-анодному промежутку и обостряющему разряднику. The goal is achieved in that, as in the prototype, the accelerator contains a cathode-anode gap, sharpening the spark gap, forming strip lines laid along the Archimedes multi-helix, a spark gap, a power source, but unlike the known scheme, the single-potential linings of the forming lines are closed and cover areas with ferromagnetic filling , and the general conclusions of the plates through the radial matching line are connected to the cathode-anode gap and the sharpening spark gap.

В технике широко применяются полосковые формирующие линии как генераторы, имеющие малое волновое сопротивление (см. например, Фурман Э.Г. Низкоимпедансные формирующие линии линейных индукционных ускорителей. ПТЭ, N 5, 1987, с. 26-31), а также многоканальные искровые разрядники для их коммутации (см. например, Васильев В.В. Фурман Э.Г. Многоканальные искровые разрядники для коммутации низкоимпедансных полосковых формирующих линий. ПТЭ, N 1, 1988, с. 111-116). Указанные элементы используются для повышения напряжения с помощью индукционных систем, но как элементная база может быть использована и используется для спиральных генераторов. Strip forming lines are widely used in technology as generators having low wave impedance (see, for example, EG Furman. Low-impedance forming lines of linear induction accelerators. PTE, N 5, 1987, pp. 26-31), as well as multi-channel spark gaps for their switching (see, for example, Vasiliev VV Furman EG Multichannel spark gap for switching low-impedance strip forming lines. PTE, N 1, 1988, pp. 111-116). These elements are used to increase voltage using induction systems, but as an element base can be used and is used for spiral generators.

Существенность отличия предлагаемого ускорителя от известных заключается в том, что за счет ферромагнитного наполнения концов полосковых формирующих линий значительно снижаются токи, которые присутствуют в известных конструкциях спиральных генераторов и не требуют применения дополнительных тоководов (индуктивностей для их снижения), что затрудняет согласование генератора и нагрузки, а также в том, что предлагаемая конструкция позволяет обеспечить коаксиально-cим- метричную конструкцию подключения нагрузки, и тем самым исключить потери энергии при передаче ее в нагрузку как за счет уменьшения накопления ее в магнитных полях, так и за счет лучшего согласования импедансов генератора и нагрузки, что и позволяет повышать импульсную мощность ускорителя по сравнению с известными конструкциями спиральных генераторов. The essential difference between the proposed accelerator and the known ones is that due to the ferromagnetic filling of the ends of the strip forming lines, the currents that are present in the known designs of spiral generators are significantly reduced and do not require the use of additional current leads (inductors to reduce them), which makes it difficult to match the generator and load, and also in the fact that the proposed design makes it possible to provide a coaxially symmetric design for connecting the load, and thereby eliminate Med energy during its transfer to the load both by reducing its accumulation in magnetic fields, and by better matching the impedance of the generator and the load, which allows to increase the accelerator pulse power compared to known oscillators helical structures.

На фиг. 1 показана функциональная схема ускорителя в разрезе; на фиг.2 сечение намотки полосковых формирующих линий; на фиг.3 схематично показано сечение ускорителя и направления действующих токов и магнитных потоков; на фиг. 4 эпюры действующих напряжений и токов в ускорителе, где 1,2,3,4 обкладки полосковых формирующих линий, 5 ферромагнитное наполнение на концах обкладок линий (сердечник) 6 изолятор, 7 разрядники, 8 сердечники, охватывающие выводы к разрядникам, 9 -пусковое устройство разрядников, 10, 11 кабели питания и синхронизации, 12 сердечник, 13 датчик нуля тока, 14 импульсный трансформатор, 15 емкостный накопитель, 16 тиристор, 17 обостряющий разрядник, 18 катод-анодный промежуток, 19 зарядные индуктивности, 20 ток на концах замкнутых обкладок, 21 магнитный поток тока, 21, 22 круговой ток линий, 23 магнитный поток тока 22, 24 эпюра напряжения емкостного накопителя 15, 25 эпюра напряжения заряда обкладок формирующих линий, она же на разряднике 7, 26 эпюра напряжения на обостряющем разряднике 17, 27 импульс, генерируемый в катод-анодном промежутке, 28 потокосцепление сердечников 5, действующее от ЭДС концов линий. In FIG. 1 shows a functional diagram of the accelerator in section; figure 2 is a cross section of the winding strip forming lines; figure 3 schematically shows a cross section of the accelerator and the direction of the currents and magnetic fluxes; in FIG. 4 plots of current voltages and currents in the accelerator, where 1,2,3,4 are strips of strip forming lines, 5 ferromagnetic filling at the ends of line strips (core) 6 insulator, 7 arresters, 8 cores covering the leads to the arresters, 9-starting device dischargers, 10, 11 power and synchronization cables, 12 core, 13 zero current sensor, 14 pulse transformer, 15 capacitive storage, 16 thyristor, 17 sharpening discharger, 18 cathode-anode gap, 19 charging inductances, 20 current at the ends of closed plates, 21 magnetic current flux, 21, 2 2 circular line current, 23 magnetic current flux 22, 24 diagram of the voltage of the capacitive storage device 15, 25 diagram of the charge voltage of the plates of the forming lines, it is also on the spark gap 7, 26 of the voltage diagram on the sharpening spark gap 17, 27 the pulse generated in the cathode-anode gap, 28 flux linkage of the cores 5, acting from the EMF of the ends of the lines.

Импульсный ускоритель содержит две одинарные полосковые линии с обкладками 1, 2, 3, 4, которые свернуты по двухзаходной спирали Архимеда. Обкладками 2, 4 на внутреннем и внешнем диаметрах замкнуты и между ними расположены сердечники 5. В принципе, число одинарных линий может быть любое целое число m 1, 2, 3, 4. уложенных по m-заходной спирали, причем на внешнем и внутреннем диаметрах они образуют замкнутые поверхности. С одного конца к ним подключен обостряющий разрядник с катод-анодным промежутком, а изолятор 6 вакуумного объема выполняет функцию диэлектрика радиальной согласующей линии. На середине каждой пары обкладок включены разрядники 7, выводы которых охвачены ферромагнитными сердечниками 8. Пусковые электроды разрядников через пусковое устройство 9 соединены между собой. Аноды разрядников через индуктивности 19, а катоды непосредственно с помощью общего кабеля 10 подключены к импульсному трансформатору 14. Кабель 11, соединяющий пусковое устройство 9 и датчик 13 нуля тока, стоящий в цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора, совместно с кабелем 10 охватывает ферромагнитный сердечник 12. Первичная обмотка импульсного трансформатора подключена к накопительному конденсатору 15 и тиристору 16. The pulse accelerator contains two single strip lines with lining 1, 2, 3, 4, which are folded in a two-way Archimedes spiral. The plates 2, 4 on the inner and outer diameters are closed and the cores 5 are located between them. In principle, the number of single lines can be any integer m 1, 2, 3, 4. laid along the m-lead spiral, and on the outer and inner diameters they form closed surfaces. At one end, a sharpening spark gap with a cathode-anode gap is connected to them, and the insulator 6 of the vacuum volume acts as a dielectric of the radial matching line. In the middle of each pair of plates, dischargers 7 are included, the terminals of which are covered by ferromagnetic cores 8. The starting electrodes of the dischargers are interconnected via a starting device 9. The anodes of the arresters through inductors 19, and the cathodes are directly connected to the pulse transformer 14. Using a common cable 10, the cable 11 connecting the starting device 9 and the zero current sensor 13 in the secondary circuit of the pulse transformer together with the cable 10 covers the ferromagnetic core 12. The primary winding of a pulse transformer is connected to a storage capacitor 15 and a thyristor 16.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 15 заряжен. Энергия в остальных элементах схемы отсутствует. С включением тиристора 16 через импульсный трансформатор 14 заряжаются емкости одинарных полосковых линий. При этом между точками а, б, фиг.1 и 2, напряжение равно нулю, поскольку напряжения линий уравновешивают друг друга. В момент времени t₁, фиг.4, когда ток во вторичной обмотке переходит нулевое значение, датчиком 13 нуля тока формируется импульс, который запускает пусковое устройство 9 и срабатывают разрядники 7. От места коммутации (середина полосковых линий 1, 2 и 3, 4) распространяется волна снятия напряжения, при этом между точками а, б возникает напряжение, которое c каждым пробегом волны за оборот увеличивается на величину m˙ U_o за время τ /n, фиг.4, где m число одинарных линий; U_o напряжение заряда линий; τ время пробега волны от места коммутации до конца линий; n число оборотов линий. Через время τ волна достигает конца линии и отражается от конца линии, ЭДС линии меняет знак на противоположный и через время 2τ от начала коммутации достигает вновь место коммутации. При этом напряжение между точками а, б может достигнуть значения 2nmU_o. В идеальном случае импульс имеет ступенчатую форму, в реальных случаях имеют линейно нарастающее напряжение. Если обостряющий разрядник настроен на пробой при напряжении, близком к 2nmU_o, то при его пробое в нагрузке, катод-анодный промежуток, формируется импульс амплитудой nmU_o (cогласованный режим), длительностью τ₁, определяемой не длиной обкладок, а их шириной l, фиг.1, которая в принципе может быть значительно меньше длины. Длительность фронта 2τ определяется числом оборотов линии, и для увеличения напряжения нужно увеличивать число линий m, сокращая число оборотов, а следовательно, и длительность фронта.In the initial state, the storage capacitor 15 is charged. Energy in the remaining elements of the circuit is absent. With the inclusion of the thyristor 16 through a pulse transformer 14 are charged capacitance of single strip lines. In this case, between points a, b, FIGS. 1 and 2, the voltage is zero, since the voltage of the lines balance each other. At time t ₁ , Fig. 4, when the current in the secondary winding passes a zero value, a pulse is generated by the current zero sensor 13, which starts the starting device 9 and the arresters 7 are triggered. From the switching point (middle of strip lines 1, 2 and 3, 4 ) a stress-relieving wave propagates, and a voltage arises between points a, b, which increases with each wavelength per revolution by m величину U _o during τ / n, Fig. 4, where m is the number of single lines; U _o the charge voltage of the lines; τ travel time of the wave from the switching point to the end of the lines; n is the number of revolutions of the lines. After time τ, the wave reaches the end of the line and is reflected from the end of the line, the EMF of the line reverses its sign, and after 2τ from the start of switching it reaches the switching point again. In this case, the voltage between points a, b can reach 2nmU _o . In the ideal case, the pulse has a stepped shape, in real cases they have a linearly increasing voltage. If the sharpening spark gap is tuned for breakdown at a voltage close to 2nmU _o , then when it is breakdown in the load, the cathode-anode gap, a pulse is formed with amplitude nmU _o (consistent mode), of duration τ ₁ , determined not by the length of the plates, but by their width l, figure 1, which in principle can be significantly less than the length. The duration of the front 2τ is determined by the number of revolutions of the line, and to increase the voltage it is necessary to increase the number of lines m, reducing the number of revolutions, and therefore the duration of the front.

По достижении волной концов линии в момент времени t₂ к виткам, образованным замкнутыми обкладками линий 4, 2, фиг.2, и имеющих ферромагнитное наполнение 5, прикладывается напряжение ≈2U_o. Сердечники 5 начинают перемагничиваться током 20. Величина этого тока ограничивается на уровне тока перемагничивания материала сердечников, который может быть значительно ≈ в μ раз меньше тока разряда линий, образованных обкладками 1,2 и 3,4. Если сердечник отсутствует, то волна линии 1,2 и 3,4 проникает в линии 1,4 и 2,3 (некоммутируемые линии), ограничиваясь только индуктивностью в соединении. В прототипе для этого введены дополнительные индуктивности, которые затем ограничивают ток в нагрузке при формировании импульса.When the wave reaches the ends of the line at time t ₂ , a voltage of ≈2U _{o is} applied to the coils formed by the closed plates of lines 4, 2, FIG. 2, and having a ferromagnetic filling 5. The cores 5 begin to be magnetized by the current 20. The magnitude of this current is limited at the level of the magnetization reversal current of the core material, which can be significantly ≈ μ times less than the discharge current of the lines formed by the plates 1,2 and 3,4. If the core is absent, then the wave line 1,2 and 3,4 penetrates the lines 1,4 and 2,3 (non-switched lines), limited only by the inductance in the connection. In the prototype, additional inductances are introduced for this, which then limit the current in the load during pulse formation.

При срабатывании разрядников 7, момент времени t₁, сразу же начинает формироваться круговой ток 22, вызванный тем, что ЭДС разряжающихся и перезаряжающихся линий не уравновешиваются, для примера показаны элементарные участки этого тока между точками а,с и b,d. Величина этого тока ограничивается индуктивностью витков, образованных обкладками и включенными между ними емкостями, а в рассматриваемом случае и сердечниками 5, которые замыкают магнитный поток, вызванный этим током, что наглядно показано на фиг.3, направление и путь магнитного потока 23, вызванного током 22. При этом сердечники 5 на внешнем и внутреннем диаметрах намотки линий образуют сердечник с воздушными зазорами по краям намотки. При использовании магни- тодиэлектриков, ферритов, выдерживающих электрическое поле между точками а, б, фиг.3, торцы сердечников могут быть замкнуты дополнительными магнитопроводами.When the arresters 7 are activated, the instant of time t ₁ , a circular current 22 immediately begins to form, caused by the fact that the EMF of the discharged and recharging lines are not balanced, for example, the elementary sections of this current between points a, c and b, d are shown. The magnitude of this current is limited by the inductance of the turns formed by the plates and the containers connected between them, and in the case under consideration, by cores 5, which close the magnetic flux caused by this current, which is clearly shown in Fig. 3, the direction and path of the magnetic flux 23 caused by the current 22 In this case, the cores 5 on the outer and inner diameters of the winding lines form a core with air gaps along the edges of the winding. When using magnetodielectrics, ferrites that withstand an electric field between points a, b, figure 3, the ends of the cores can be closed by additional magnetic circuits.

Магнитные потоки 21, 23, вызываемые токами 20 на замкнутых концах линии и круговым током 22 относительно магнитопроводов сердечников 5, складываются. При этом потокосцепление дросселя, образованного сердечником 5 и витком замкнутых линий 4, 2, равно
Ψ= W˙S˙ΔB≈2U_o(τ-τ₁/2), где S сечение сердечника 5; W число витков 1; Δ B размах индукции. Потокосцепление сердечника относительно ЭДС, вызываемой круговым током 22, распределяется равномерно на все сердечники внутреннего и внешнего диаметров намотки. Круговой ток 22 ограничивается величиной индуктивности витка, определяемого диаметром намотки одинарных полосковых формирующих линий, а в рассматриваемом случае и наличием ферромагнитных сердечников, которые увеличивают индуктивность во много раз, а именно соотношением длины сердечников 5 и величиной воздушного зазора между ними.Magnetic fluxes 21, 23, caused by currents 20 at the closed ends of the line and circular current 22 relative to the magnetic cores of the cores 5, are added. In this case, the flux linkage of the inductor formed by the core 5 and a turn of closed lines 4, 2 is
Ψ = W˙S˙ΔB≈2U _o (τ-τ _1/2 ), where S is the core cross section 5; W number of turns 1; Δ B is the magnitude of the induction. The flux linkage of the core relative to the EMF caused by the circular current 22 is distributed evenly to all the cores of the inner and outer diameters of the winding. Circular current 22 is limited by the magnitude of the inductance of the coil, determined by the diameter of the winding of the single strip forming lines, and in the case under consideration, by the presence of ferromagnetic cores that increase the inductance many times, namely, the ratio of the length of the cores 5 and the size of the air gap between them.

Между точками а и б, фиг.1 и 3, в момент срабатывания обостряющего разрядника уложенные по многозаходной спирали линии представляют обычную коаксиальную линию длиной l, заряженную до напряжения, близкого к 2nmU_o. Формирование импульса в катод-анодном промежутке определяется согласованием импедансов коаксиальной линии и нагрузки. С этой целью коаксиальная линия должна переходить в радиальную с таким же волновым сопротивлением, как и коаксиальная. Функцию диэлектрика у радиальной линии выполняет изолятор.Between points a and b, FIGS. 1 and 3, at the instant of operation of the sharpening arrester, the lines laid along a multiple-helix spiral represent an ordinary coaxial line of length l, charged to a voltage close to 2nmU _o . The pulse formation in the cathode-anode gap is determined by matching the impedances of the coaxial line and the load. To this end, the coaxial line should turn into a radial line with the same wave impedance as the coaxial line. The function of the dielectric at the radial line is performed by the insulator.

В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим ускоритель на энергию электронов 750 кэВ, ток 100 кА с длительностью формируемого импульса τ₁ 7˙10^-9 c. Тогда волновое сопротивление линии должно быть ≈7,5 Ом. Этому условию удовлетворяет коаксиальная линия с диаметрами внутренней и внешней намотки набора полосковых линий 400 и 500 мм при относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика ε= 4. Ширина электродов
l

0,525 м
Принимаем зарядное напряжение U_o65 кВ, число одинарных полосковых линий m 4, тогда число оборотов каждой линии n 3, так как необходимо выполнение условия m˙n˙U_o 750 кВ. Длина электродов одинарных полосковых линий при среднем диаметре ≈ 450 мм, трех оборотах
l₁ π˙D˙n≈4 м.As an example of a specific design, we consider an accelerator for electron energy of 750 keV, a current of 100 kA with a pulse duration of τ ₁ 7˙10 ^-9 s. Then the wave impedance of the line should be ≈7.5 Ohms. This condition is satisfied by the coaxial line with the diameters of the internal and external windings of a set of strip lines of 400 and 500 mm with a relative dielectric constant of the dielectric ε = 4. The width of the electrodes
l

0.525 m
We take the charging voltage U _o 65 kV, the number of single strip lines m 4, then the number of revolutions of each line n 3, since it is necessary to fulfill the condition m˙n˙U _o 750 kV. The length of the electrodes of single strip lines with an average diameter of ≈ 450 mm, three revolutions
l ₁ π˙D˙n≈4 m.

Время пробега волны τ от середины линии до конца
τ₂=

13,3·10^-9c отсюда время формирования фронта импульса ≈2 τ= 26,6 нс. Сечение сердечника 5, ограничивающего перетекания энергии из коммутируемой части линии в некоммутируемую, составит
S˙2U_o(τ₂-τ₁/2)/ΔB=
2˙65˙10³(13,3-7/2)10^-9/1˙10^-4= 13 cм².The wave travel time τ from the middle of the line to the end
τ ₂ =

13.3 · 10 ^-9 s from here the time of formation of the pulse front is ≈2 τ = 26.6 ns. The cross section of the core 5, limiting the flow of energy from the switched part of the line to non-switched, will be
S˙2U _o (τ ₂ -τ _1/2 ) / ΔB =
2˙65˙10 ³ (13.3-7 / 2) 10 ^-9 / 1˙10 ^-4 = 13 cm ² .

Если ферромагнитное наполнение выполнить из стали в виде полос стали и диэлектрика, то размах индукций ΔВ можно взять Bm равной максимальной индукции насыщения материала сердечника ≈1,5 Т, при ферритовом наполнении ΔВ ≈0,3-0,4 Т. С учетом того, что по сердечникам дополнительно протекает магнитный поток кругового тока, суммарное сечение сердечников должно быть
S=m˙n˙U_o(2τ-τ₁/2)/ΔB= 750˙10³˙22,8˙10^-9/1˙10^-4=
160 cм², а на один сердечник приходится ≈40 см².If the ferromagnetic filling is made of steel in the form of strips of steel and a dielectric, then the amplitude of induction ΔВ can be taken to be Bm equal to the maximum saturation induction of the core material ≈1.5 T, for ferrite filling ΔВ ≈0.3-0.4 T. Considering that an additional magnetic current of circular current flows through the cores, the total cross section of the cores should be
S = m˙n˙U _o (2τ-τ _1/2 ) / ΔB = 750˙10 ³ ˙22.8˙10 ^-9 / 1˙10 ^-4 =
160 cm ² , and one core accounts for ≈40 cm ² .

Конструктивно сердечники 5 имеют толщину ≈2 см, ширину ≈20-30 см в зависимости то типа материала и длину, несколько большую ширины электродов l, т. е. 600 мм. Относительно друг друга в пространстве их надо располагать строго радиально относительно оси симметрии ускорителя с целью получения минимального воздушного зазора между ними, который равен ≈50 мм. Согласующая радиальная линия образована корпусом ускорителя и диэлектриком 6, выполняется достаточно просто и представляет собой конус с уклоном 1:2. Расчет остальных сердечников импульсного модулятора аналогичен методике, изложенной в прототипе. Structurally, the cores 5 have a thickness of ≈2 cm, a width of ≈20-30 cm, depending on the type of material and the length slightly larger than the width of the electrodes l, i.e. 600 mm. Relatively to each other in space, they must be located strictly radially relative to the axis of symmetry of the accelerator in order to obtain a minimum air gap between them, which is ≈50 mm. The matching radial line is formed by the accelerator body and dielectric 6, is quite simple and is a cone with a slope of 1: 2. The calculation of the remaining cores of the pulse modulator is similar to the technique described in the prototype.

Обостряющий разрядник 17 должен быть многоканальным, для 100 кА и принятой длительности импульса ≈7˙10^-9 с число искровых каналов должно быть ≈12, для быстронарастающего напряжения на обостряющем разряднике не требуется дополнительных устройств деления тока. Для обеспечения согласующего импеданса радиальной линии ≈7 Ом каналы должны быть расположены на диаметре ≈280 мм, давление газа (элегаз) ≈10 атм, расстояние между электродами ≈25-30 мм. Катод должен быть диаметром не менее 120 мм, и дальнейшее повышение плотности возможно только за счет сжатия пучка в магнитном поле.The sharpening spark gap 17 must be multi-channel, for 100 kA and the adopted pulse duration ≈7˙10 ^-9 s the number of spark channels should be ≈12, for the rapidly growing voltage on the sharpening spark gap no additional current division devices are required. To ensure matching impedance of the radial line ≈7 Ohm, the channels should be located at a diameter of ≈280 mm, gas pressure (SF6) ≈10 atm, the distance between the electrodes ≈25-30 mm. The cathode must be at least 120 mm in diameter, and a further increase in density is possible only by compressing the beam in a magnetic field.

Как следует из принципа работы, в предложенном ускорителе по сравнению с прототипом за сет использования ферромагнитного наполнения концов замкнутых одинарных полосковых линий снижено отрицательное влияние кругового тока, действующего во всех известных спиральных генераторах, и уменьшено проникновение волны из коммутируемых линий в некоммутируемые. Это позволяет уменьшить "паразитные" тока в ускорителе, исключить дополнительные развязывающие индуктивности в цепи подключения нагрузки и за счет лучшего согласования волнового сопротивления линии и импеданса нагрузки путем использования радиальной линии повысить импульсную мощность ускорителя по сравнению с прототипом и известными конструкциями спиральных генераторов. As follows from the principle of operation, in the proposed accelerator, in comparison with the prototype, for the set of using ferromagnetic filling of the ends of closed single strip lines, the negative influence of the circular current acting in all known spiral generators is reduced, and the penetration of waves from switched lines into non-switched ones is reduced. This allows you to reduce the "parasitic" currents in the accelerator, to eliminate additional decoupling inductances in the load connection circuit and, due to better matching of the wave impedance of the line and the load impedance by using a radial line, to increase the pulse power of the accelerator in comparison with the prototype and known designs of spiral generators.

Claims

PULSE ACCELERATOR, containing a cathode, anode, sharpening a spark gap, forming strip lines made in the form of a multi-start spiral, surge arresters, a power source, characterized in that, in order to increase the pulse power, the ends of the single-potential plates of the forming strip lines are closed and cover areas with ferromagnetic filling introduced on the inner and outer diameters of the line, and the common conclusions of the plates through an additionally inserted radial matching line are connected to the sharpening spark gap.