Устройство для транспортировки сильноточного пучка электронов
Патент 1461364
Авторы
Классы МПК
Устройство для транспортировки сильноточного пучка электронов
Реферат
Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения увеличение величины тока транспортируемого пучка электронов. В цилиндрической металлической вакуумной камере 1 соосно расположены пористая диэлектрическая труба 2 с сетчатыми электродами 3 и 5. Между электродами 3 и 5 включен емкостной накопитель энергии 6. Электрод 3 подключен к генератору импульсного напряжения 4. Вакуумная камера 1 и труба 2 образуют полость, соединенную с системой напуска газа 7. Такое выполнение устройства позволяет перед инжекцией электронного пучка осуществить подачу порции газа из системы напуска газа 7 в промежуток между сетчатыми электродами 3 и 5. При поступлении с некоторой задержкой по времени импульса напряжения на сетчатый электрод 3 по поверхности диэлектрика формируется незавершенный разряд, представляющий собой пристеночную плазму. При закорачивании плазмой электродов 3 и 5 происходит разряд заранее заряженного емкостного накопителя энергии 6, приводящий к возрастанию концентрации заряженных компонент плазмы. Увеличение локального давления газа в промежутке между электродами 3 и 5 в период напуска газа повышает плотность заряженных компонент плазмы, а значит, величину тока пучка электронов, транспортируемых через канал. 2 ил.
Устройство относится к ускорительной технике и может найти применение в термоядерных исследованиях, в линиях термоядерных электропередач, промышленной технологии (обработка материалов сильноточным электронным пучком). Целью изобретения является увеличение величины тока транспортируемого пучка электронов. На фиг. 1 схематично показано устройство для транспортировки сильноточного пучка электронов; на фиг. 2 схема включения емкостного накопителя к электродам системы. Устройство содержит цилиндрическую металлическую вакуумную камеру 1, внутри которой соосно расположены диэлектрическая труба 2 с сетчатым электроном 3 на ее внутренней поверхности, подключенным к генератору импульсного напряжения 4, и дополнительный сетчатый электрод 5. Между сетчатыми электродами 3 и 5 включен емкостной накопитель энергии 6. Диэлектрическая труба 2 выполнена пористой и имеет полость для напуска газа от системы напуска газа 7 через импульсный клапан 8. Импульсный клапан имеет синхронизацию с генератором импульсного напряжение 4. Труба 2 имеет пористость на той стенке, которая обращена к сетчатому электроду 3. Дополнительный сетчатый электрод 5 выполнен цилиндрическим и коаксильно расположен по отношению к элементам устройства позиции 1-3, через проходные изоляторы 9 на концах канала. При этом емкостный накопитель энергии (конденсатор) 6 включен между сетчатыми электродами 3 и 5. Необходимо отметить, что возможны и другие варианты электрических схем соединения емкостного накопителя энергии 6, подключенного одним выводом к дополнительному сетчатому электроду 5, а другим к сетчатому электроду 3. На фиг.2 приведена одна из возможных схем включения емкостного накопителя энергии 6 к электродам 3 и 5. Генератор импульсного напряжения подключается к сетчатому электроду 3 и к вакуумной камере 1. Давление остаточного газа в устройстве составляет Р 1,33 10-3 Па. Устройство работает следующим образом. Перед инжекцией электронного пучка в устройство на него поступает импульс напряжения для запуска импульсного клапана 8 и из системы напуска газа 7 поступает порция газа в промежуток между сетчатыми электродами 3 и 5. Затем с некоторой задержкой по времени поступает импульс напряжения на сетчатый электрод 3 от генератора импульсного напряжения 4. По поверхности диэлектрика (внутренней поверхности диэлектрической трубы 2) формируется незавершенный разряд, представляющий собой пристеночную плазму. Эта плазма расширяется в радиальном направлении со средней скоростью V 5 104 м/с и закорачивает электроды 3 и 5. При их закорачивании происходит разряд, заряженного заранее емкостного накопителя энергии (конденсатора) 6 и концентрация заряженных компонент плазмы возрастает. При этом можно рассматривать создание плотной плазмы посредством двух процессов: создание предварительной плазмы; создание плотной плазмы за счет эффективной ионизации слоя газа между электродами 3 и 5. Поскольку разряд зажигается между электродами 3 и 5 и в него вкладывается большая энергия, то в сочетании с импульсным напуском газа, удается реализовать условия формирования плазмы при поддержании давления остаточного газа в дне на оси канала Р 1,33 10-3 Па. Такое давление позволяет устранить рассеяние электронов на остаточном газе из-за кулоновских столкновений. Коэффициент пористости Кп диэлектрической трубы выбирается согласно выражению: Kп (1) где Р давление остаточного газа, Па; R радиус пучка электронов, м; релятивистский фактор; Iпред предельный ток пучка электронов, А; Ro, L внешний радиус и длина дополнительного сетчатого электрода, м; L расстояние между сетчатыми электродами, м; Е энергия в емкостном накопителе энергии, Дж, а длина дополнительного сетчатого электрода L [м] определяется из условия: L (2) Как известно, концентрация электронов и ионов определяется в основном энергией Е, выделяемой в разрядном контуре при одном и том же давлении остаточного газа. Так при Р1,33 10-3 Па значения концентрации электронной компоненты плазмы nер представлены в таблице при различных значениях Е Отсюда следует, что при увеличении Е возрастает nер. Однако увеличение Е накладывает ограничение на ресурс работы канала, которое определяется электрическим пробоем диэлектрической трубы 2. Электрический пробой трубы 2 ускоряется в случае эрозии материала трубы 2. Поэтому для увеличения nер без повышения энергетических параметров Е в данной заявке предложен дополнительный разрядный контур, основанный на формировании газового разряда между сетчатыми электродами 3 и 5. Для примера рассмотрим конкретный случай. При nер nip 1016 м-3предельная плотность электронного тока исходя из условий самофокусировки nер nтр nв, где nip концентрация ионной компоненты плазмы; nв- концентрация электронов пучка составляет j 5 106 А/м2. Для увеличения плотности электронного пучка на порядок необходимо также увеличить nер на порядок. Так, при Е 1000 Дж необходимо, чтобы nервозросла с 4 1016м -3 до 4 1017 м-3. Если перевести значения плотностей тока в абсолютные значения токов пучка электронов, то видно, что при диаметре пучка 10-2 м предельный ток в прототипе может составлять Х 400 А. Для увеличения тока до 4 кА необходимо, чтобы nервозросла на порядок. Для реализации такого решения режима разрядной плазмы при коэффициенте ионизации Кu 0,03 достаточно создать локальное давление остаточного газа в области между сетчатыми электродами 3 и 5 порядка Р 1,33 10-2 Па. Действительно, плотность нейтралов nо в плазме незавершенного разряда по поверхности диэлектрика должна составлять no 31018 м-3 (3) Тогда из формулы Лошмидта определяем давление остаточного газа P 1,1210-3 Па (4) С учетом коэффициента пористости диэлектрической трубы (1) Кп формула (4) уточняется P [Па] (5) При Кп 0,5 получаем значения Р 2,26 10-2 Па. Таким образом, достаточно сделать импульсный небольшой перепад давления, чтобы увеличить локальное давление остаточного газа в промежутке между электродами 3 и 5. Последнее достигается при помощи системы напуска газа и импульсного клапана. Следовательно, при увеличении плотности заряженных компонент плазмы возрастает величина тока пучка электронов, транспортируемого через канал. Был изготовлен опытный вариант канала длиной 1 м и были проведены предварительные эксперименты по транспортировке электронного пучка со следующими параметрами: ток пучка 100-3000 А; энергия электронов 80-250 кэВ. Вакуумная камера была изготовлена из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. В качестве диэлектрической трубы использовался диэлектрический фильтр, а также склеенная труба из двух труб, при этом внутренняя труба была выполнена с отверстиями согласно коэффициенту пористости Кп. Проведенные эксперименты показали, что увеличение величины тока пучка электронов, транспортируемого через предложенный канал составляет 1,5-2 раза по сравнению с прототипом. При этом ограничение тока пучка электронов было связано с возможностями установки. Преимущество изобретения состоит в повышении эффективности устройства за счет увеличения величины тока пучка электронов, транспортируемого через канал.
Формула изобретения
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ, содержащее цилиндрическую металлическую вакуумную камеру, внутри которой размещена диэлектрическая труба с сетчатым электродом на внутренней ее поверхности и генератора импульсного напряжения, подключенный к сетчатому электроду и вакуумной камере, отличающееся тем, что, с целью увеличения величины тока транспортируемого пучка электронов, в него введены дополнительный цилиндрический сетчатый электрод, емкостный накопитель энергии и система напуска газа с импульсным клапаном, при этом диэлектрическая труба выполнена из пористого материала с коэффициентом пористости Kп: где P давление остаточного газа, Па; R радиус пучка электронов, м; релятивистский фактор; Jпред предельный ток пучка электронов, А; R0 внешний радиус дополнительного сетчатого электрода, м; h расстояние между сетчатыми электродами, м; E энергия, запасаемая в емкостном накопителе энергии, Дж, и имеет внутреннюю полость, которая соединена с системой напуска газа через импульсный клапан, при этом емкостный накопитель энергии включен между сетчатыми электродами, а дополнительный сетчатый электрод расположен коаксиально основному сетчатому электроду и его длина L [м] определяется из условия:РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3