RU2123244C1

RU2123244C1 - Linear inductance accelerator

Info

Publication number: RU2123244C1
Application number: RU96112951A
Authority: RU
Inventors: В.С. Босамыкин; А.И. Герасимов; В.С. Гордеев; В.П. Грицына; А.В. Гришин
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 1998-12-10

Abstract

FIELD: heavy-power inductance accelerators. SUBSTANCE: device has circuit of inductance coils which are connected to synchronization system generators and form acceleration system, and acceleration path and ion beam transport which are located along common axis. Electrodes from all inductance coils are inserted in path. One end of path comprises main ion emitter which is connected to extreme inductance coil at input of acceleration system. N-1 additional ring emitters are located in path in series along path, where n which is not less than 2 is number of generated current pulses in each operation cycle of accelerator. Each group of inductance coils between two adjacent emitters as well between last additional emitter and end of acceleration system is connected to corresponding generator of synchronization system. Synchronization system has n generators, between which n-1 controlled delay gates are introduced. EFFECT: possibility to generate at least two synchronous ion beam current pulses along common axis in single operation cycle of accelerator. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц, а конкретно к мощным линейным индукционным ускорителям (ЛИУ), и может быть использовано для получения ускоренных пучков частиц, например электронов, с импульсным током в несколько десятков килоампер и более и энергией в несколько десятков мегаэлектронвольт. The invention relates to techniques for accelerating charged particles, and specifically to powerful linear induction accelerators (LIU), and can be used to produce accelerated beams of particles, for example electrons, with a pulse current of several tens of kiloamperes and more and an energy of several tens of megaelectron-volts.

Известен ЛИУ импульсного пучка электронов, содержащий серию подключенных к генераторам системы синхронизации последовательно соединенных индукторов на радиальных линиях и образующих ускоряющую систему. Индукторы размещены вдоль общей оси вакуумного ускорительного тракта из последовательно соединенных ускорительных трубок, причем в тракт введены электроды с каждого индуктора, а с одного из торцов тракта расположен эмиттер (катод) для формирования трубчатого пучка электронов /1/. При подаче с генераторов системы синхронизации высоковольтных импульсов срабатывает в каждом индукторе кольцевой коммутатор и индукторы создают в тракте импульсное электрическое поле, которым ускоряются электроны. Начиная от торца тракта, где расположен эмиттер, каждый последующий индуктор срабатывает относительно срабатывания предыдущего индуктора с задержкой по времени на 1,5 - 3 нс для согласования моментов создания электрического поля с временем пролета электронов по длине тракта. Такой ЛИУ позволяет получать в цикле его включения одиночный импульс тока 50 кА длительностью ≈ 20 нс ускоренных до энергии 13,5 МэВ электронов. Known LIU pulsed electron beam containing a series of connected to the generators of the synchronization system of series-connected inductors on radial lines and forming an accelerating system. Inductors are placed along the common axis of the vacuum accelerator path from series-connected accelerator tubes, and electrodes from each inductor are introduced into the path, and an emitter (cathode) is located at one of the ends of the path to form a tubular electron beam / 1 /. When a high-voltage pulse synchronization system is supplied from the generators, a ring switch is triggered in each inductor and the inductors create a pulsed electric field in the tract, which accelerates the electrons. Starting from the end of the path where the emitter is located, each subsequent inductor is triggered relative to the operation of the previous inductor with a time delay of 1.5 - 3 ns to match the moments of the creation of the electric field with the electron transit time along the path. This LIU allows one to receive a single current pulse of 50 kA in the cycle of its inclusion with a duration of ≈ 20 ns of electrons accelerated to an energy of 13.5 MeV.

Недостатком этого ЛИУ является небольшая мощность импульса тока ускоренных электронов из-за относительно низкой амплитуды тока пучка электронов и невысокой энергии ускорения. The disadvantage of this LIU is the small current pulse power of accelerated electrons due to the relatively low amplitude of the electron beam current and low acceleration energy.

В качестве прототипа выбран более мощный ЛИУ, создающий пучок электронов с энергией 40 МэВ и током 100 кА в импульсе длительностью ≈ 20 нс в одном цикле срабатывания ЛИУ /2/. Этот ЛИУ содержит 144 индуктора с накопителями и формирователями импульсов ускоряющего напряжения на радиальных линиях с водяной изоляцией, заражаемых импульсно до 500 кВ и коммутируемых кольцевыми управляемыми разрядниками. Индукторы размещены вдоль общей оси вакуумного тракта ускорения и проводки пучка частиц, последовательно соединены между собой и образуют ускоряющую систему. Вакуумный тракт образован последовательным соединением между собой ускорительных трубок из полиэтиленовых колец, причем между стыками колец в тракт введены электроды с каждого индуктора. В тракте с одного из его торцов в начале ускоряющей системы расположен эмиттер (катод) электродов с возможностью изменения его диаметра от 100 до 300 мм. Эмиттер соединен с крайним индуктором начала ускоряющей системы. Кольцевые разрядники индукторов подключены к системе синхронизации, содержащей генераторы высоковольтных импульсов. При подаче с генераторов импульсов управляющего напряжения на кольцевые разрядники индукторы создают в вакуумном тракте импульсное электрическое поле, которым инициируется с эмиттера трубчатый пучок электронов. Для согласования моментов создания электрического поля индукторами с временем пролета электронов по длине тракта каждый последующий индуктор срабатывает относительно срабатывания предыдущего индуктора с задержкой по времени согласно заданной временной программе. С противоположной размещению эмиттера стороны ускоряющей системы расположена в тракте мишень, в которой кинетическая энергия электронов пучка преобразуется в мощное импульсное тормозное излучение. As a prototype, a more powerful LIU was selected, which creates an electron beam with an energy of 40 MeV and a current of 100 kA in a pulse with a duration of ≈ 20 ns in one LIU / 2 / operation cycle. This LIU contains 144 inductors with accumulators and pulse shapers of accelerating voltage on radial water-insulated lines, pulse-infected up to 500 kV and commutated by ring-controlled surge arresters. Inductors are placed along the common axis of the vacuum acceleration path and the particle beam wiring, are connected in series with each other and form an accelerating system. The vacuum path is formed by a series of interconnecting accelerating tubes made of polyethylene rings, and between the joints of the rings, electrodes from each inductor are introduced into the path. In the path from one of its ends at the beginning of the accelerating system there is an emitter (cathode) of electrodes with the possibility of changing its diameter from 100 to 300 mm. The emitter is connected to the extreme inductor of the beginning of the accelerating system. Ring dischargers of inductors are connected to a synchronization system containing high-voltage pulse generators. When applying control voltage pulses from the generators to ring dischargers, the inductors create a pulsed electric field in the vacuum path, which initiates a tubular electron beam from the emitter. To coordinate the moments of the creation of the electric field by the inductors with the time of flight of electrons along the path length, each subsequent inductor is triggered relative to the operation of the previous inductor with a time delay according to a given time program. On the opposite side of the emitter, the accelerating system has a target in the path, in which the kinetic energy of the beam electrons is converted into powerful pulsed bremsstrahlung.

Недостатком прототипа является получение в каждом цикле срабатывания ЛИУ только одного мощного импульса тока заряженных частиц. The disadvantage of the prototype is to receive in each cycle of operation LIU only one powerful pulse of current of charged particles.

Техническим результатом является генерирование в одном цикле включения ЛИУ двух и более взаимно синхронизированных во времени импульсов тока ускоренных заряженных частиц одного вида, транспортируемых до потребителя (мишени) вдоль общей для пучков оси. Дополнительно данное техническое решение позволяет заданно изменять энергию ускорения частиц в каждом импульсе тока. В настоящее время для ряда физических исследований и прикладных применений требуется получать последовательность из двух и более мощных импульсов тока соосных пучков частиц, ускоренных до энергии от нескольких МэВ до десятков МэВ с амплитудами токов в несколько десятков кА и более с заданными временными интервалами между импульсами, например изменяемыми от 50 нс до 5 мкс. The technical result is the generation of two or more mutually synchronized in time current pulses of accelerated charged particles of the same type, transported to the consumer (target) along an axis common to the beams, in a single LIU switching cycle. In addition, this technical solution allows you to presetly change the acceleration energy of particles in each current pulse. Currently, for a number of physical studies and applied applications, it is required to obtain a sequence of two or more powerful current pulses of coaxial particle beams accelerated to energies from several MeV to tens of MeV with current amplitudes of several tens of kA or more with predetermined time intervals between pulses, for example variable from 50 ns to 5 μs.

Технический результат достигается тем, что в ЛИУ, содержащем серию подключенных к генераторам системы синхронизации индукторов, образующих ускоряющую систему и последовательно размещенных вдоль общей оси вакуумного тракта проводки пучка заряженных частиц, причем в тракт введены электроды с каждого индуктора, а с одного из торцов тракта расположен в тракте основной эмиттер заряженных частиц и соединен с крайним индуктором начала ускоряющей системы, в указанном тракте установлены последовательно по длине тракта дополнительные кольцевые эмиттеры, причем количество дополнительных эмиттеров равно n-1, где n ≥ 2 - число генерируемых импульсов тока ускоренных заряженных частиц в одном цикле срабатывания ЛИУ, при этом диаметр отверстия по оси тракта каждого последующего дополнительного эмиттера, начиная от основного эмиттера, больше максимального диаметра эмиттирующей поверхности предыдущего эмиттера и каждый последующий дополнительный эмиттер присоединен к введенному в тракт электроду соответствующего индуктора, причем каждая группа индукторов между каждыми двумя смежными эмиттерами, а также между последним дополнительным эмиттером и концом ускоряющей системы, подключена к соответствующему генератору системы синхронизации, для чего система синхронизации выполнена из n генераторов и между генераторами включены n-1 блоков регулируемых временных задержек. The technical result is achieved by the fact that in the LIU containing a series of inductors connected to the generators of the synchronization system, forming an accelerating system and sequentially placed along the common axis of the vacuum path of the charged particle beam, moreover, electrodes from each inductor are introduced into the path, and located at one of the ends in the path, the main emitter of charged particles and connected to the extreme inductor of the beginning of the accelerating system, additional rings are installed sequentially along the path along the path length emitters, and the number of additional emitters is n-1, where n ≥ 2 is the number of generated pulses of current of accelerated charged particles in one LIU operation cycle, while the diameter of the hole along the path axis of each subsequent additional emitter, starting from the main emitter, is greater than the maximum diameter the emitting surface of the previous emitter and each subsequent additional emitter is connected to the electrode of the corresponding inductor introduced into the path, and each group of inductors between each two The main emitters, as well as between the last additional emitter and the end of the accelerating system, are connected to the corresponding generator of the synchronization system, for which the synchronization system is made up of n generators and n-1 blocks of adjustable time delays are included between the generators.

Технический результат достигается следующим образом. Группа индукторов, расположенная между началом ускоряющей системы и первым дополнительным эмиттером, срабатывает после подачи на нее пускового импульса с генератора системы синхронизации и ускоряет пучок заряженных частиц с основного эмиттера, расположенного в тракте с его торца. Так как в первом дополнительном эмиттере диаметр отверстия больше диаметра эмиттирующей частицы поверхности основного эмиттера, то указанный пучок проходит через отверстие в первом дополнительном эмиттере и далее транспортируется до конца ускоряющей системы без набора энергии частицами, где и попадает в приемник частиц, создавая в нем первый импульс тока. Затем через заданный интервал времени запускается через первый блок регулируемой задержки второй генератор системы синхронизации, который включает вторую группу индукторов, расположенную между смежными первым и вторым дополнительными эмиттерами. Эта группа индукторов ускоряет трубчатый пучок частиц (того же вида, что и частицы с основного эмиттера) с первого кольцевого дополнительного эмиттера. Так как во втором дополнительном эмиттере диаметр отверстия по оси тракта больше диаметра кольцевой поверхности, эмиттирующей частицы с первого дополнительного эмиттера, то этот пучок проходит сквозь отверстие во втором дополнительном эмиттере и далее транспортируется до конца ускоряющей системы, где и попадает в приемник частиц, создавая в нем второй импульс тока в одном цикле срабатывания ЛИУ. Аналогично создаются и последующие импульсы тока в зависимости от числа дополнительных эмиттеров. Кольцевые дополнительные эмиттеры позволяют формировать симметричные трубчатые пучки заряженных частиц с равными толщиной стенок пучка и плотностью заряженных частиц по длине окружности пучка, что способствует ускорению и проводке токов с большой амплитудой и меньшему развитию неустойчивостей в сильноточных пучках. Блоки регулируемых временных задержек обеспечивают включение групп индукторов с заданными временными интервалами между ними и соответственно с определенными интервалами между импульсами токов заряженных частиц. Максимальная энергия ускорения частиц в данном импульсе определяется количеством индукторов в соответствующей группе и энергией, сообщаемой частице единичным индуктором. Переставляя дополнительные эмиттеры по длине ускоряющей системы, т.е. располагая между смежными эмиттерами разное количество индукторов, можно изменять максимальные энергии ускорения частиц в каждом импульсе тока. Так как ускорители типа ЛИУ имеют большую импульсную мощность, то это позволяет получать пучки частиц в одном цикле включения ускорителя с амплитудами токов в десятки кА и сотни кА. Энергия ускорения частиц в ЛИУ не имеет предельных ограничений и определяется только стоимостью и габаритами установки. Поэтому энергия ускорения частиц в нескольких последовательных импульсах тока может достигать десятков МэВ. The technical result is achieved as follows. The group of inductors located between the beginning of the accelerating system and the first additional emitter is triggered after a trigger pulse is supplied to it from the generator of the synchronization system and accelerates the beam of charged particles from the main emitter located in the path from its end. Since the diameter of the hole in the first additional emitter is larger than the diameter of the emitting particle on the surface of the main emitter, this beam passes through the hole in the first additional emitter and is then transported to the end of the accelerating system without particles gaining energy, where it enters the particle receiver, creating the first pulse in it current. Then, after a predetermined time interval, a second synchronization system generator, which includes a second group of inductors located between adjacent first and second additional emitters, is launched through the first adjustable delay unit. This group of inductors accelerates a tubular particle beam (of the same type as the particles from the main emitter) from the first ring additional emitter. Since in the second additional emitter the diameter of the hole along the path axis is larger than the diameter of the annular surface emitting particles from the first additional emitter, this beam passes through the hole in the second additional emitter and is then transported to the end of the accelerating system, where it enters the particle receiver, creating a second current pulse in one LIU operation cycle. Subsequent current pulses are created similarly depending on the number of additional emitters. Ring additional emitters allow the formation of symmetrical tubular beams of charged particles with equal beam wall thickness and density of charged particles along the beam circumference, which contributes to the acceleration and conduction of currents with large amplitudes and less development of instabilities in high-current beams. Blocks of adjustable time delays provide the inclusion of groups of inductors with specified time intervals between them and, accordingly, with certain intervals between the pulses of the currents of charged particles. The maximum acceleration energy of particles in a given pulse is determined by the number of inductors in the corresponding group and the energy communicated to the particle by a single inductor. Rearranging additional emitters along the length of the accelerating system, i.e. having a different number of inductors between adjacent emitters, it is possible to change the maximum particle acceleration energies in each current pulse. Since accelerators of the LIU type have a large pulsed power, this allows one to obtain particle beams in one turn-on cycle of the accelerator with current amplitudes of tens of kA and hundreds of kA. The particle acceleration energy in LIU has no limit restrictions and is determined only by the cost and dimensions of the installation. Therefore, the particle acceleration energy in several successive current pulses can reach tens of MeV.

На чертеже приведен вариант технического решения ЛИУ, где 1 - индукторы (для упрощения изображены только четыре индуктора в первой группе и три индуктора во второй группе); 2 - вакуумный тракт; 3 - ускорительная трубка; 4 - электроды индуктора в тракте; 5 - основной эмиттер, установленный в тракте с его торца в начале ускоряющей системы; 6 - приемник пучка; 7 - дополнительный кольцевой эмиттер (для упрощения показан один эмиттер); 8 и 9 - генераторы системы синхронизации; 10 - блок регулируемой временной задержки; 11 - блок запуска; 12 - дисковый высоковольтный электрод; 13 - управляемые разрядники; 14 - деионизированная вода; 15 - траектория пучка частиц с основного эмиттера; 16 - траектория пучка частиц с дополнительного эмиттера. The drawing shows a variant of the technical solution of LIU, where 1 are inductors (for simplicity, only four inductors in the first group and three inductors in the second group are shown); 2 - a vacuum path; 3 - accelerating tube; 4 - inductor electrodes in the path; 5 - the main emitter installed in the path from its end at the beginning of the accelerating system; 6 - beam receiver; 7 - an additional ring emitter (for simplicity, one emitter is shown); 8 and 9 - synchronization system generators; 10 - block adjustable time delay; 11 - start block; 12 - disk high-voltage electrode; 13 - controlled arresters; 14 - deionized water; 15 - trajectory of a particle beam from the main emitter; 16 - trajectory of a particle beam from an additional emitter.

Индукторы 1, каждый из которых имеет тороидальный металлический корпус, разомкнутый во внутренней полости, размещены последовательно, соединены между собой и образуют ускоряющую систему. По оси этой системы создан вакуумный тракт 2 ускорения и проводки пучка заряженных частиц, для чего последовательно соединены между собой ускорительные трубки 3, например из полиэтиленовых колец. Между торцами трубок введены с каждого индуктора в указанный тракт электроды 4, соединенные со стенками тороидального корпуса со стороны внутренней полости. В тракте создается посредством вакуумных насосов разрежение с давлением остаточного газа ≈ 10^-3 Па. С одного торца тракта в нем размещен основной эмиттер 5, например в виде отрезка тонкостенной металлической трубы, являющейся взрывоэмиссионным катодом трубчатого пучка электронов. Этот катод соединен с электродом индуктора начала ускоряющей системы. На другом торце тракта в конце ускоряющей системы установлен приемник 6 пучков заряженных частиц, например в виде диска из вольфрама, являющегося тормозной мишенью. В тракте размещен дополнительный кольцевой эмиттер 7, например тоже в виде отрезка тонкостенной металлической трубы, позволяющей формировать с нее трубчатый цилиндрический тонкостенный пучок электронов, т. е. в данном ЛИУ создается n = 2 импульса тока ускоренных частиц (электронов), поэтому число дополнительных эмиттеров равно n - 1 = 1. Эмиттер 7 присоединен в тракте к электроду соответствующего индуктора, отделяя первую группу индукторов между смежными эмиттерами 5 и 7 и вторую группу индукторов между эмиттером 7 и концом ускоряющей системы, где на торце тракта установлена мишень 6. Диаметр отверстия эмиттера 7 по оси тракта больше максимального диаметра эмиттирующей электроны поверхности предыдущего (основного) эмиттера, т.е. больше внешнего диаметра трубы 5, так как наибольшая плотность эмиссии электронов обеспечивается с кольцевой поверхности торцового среза стенки трубы 5. Фактически внешний диаметр пучка с эмиттера 5 несколько больше внешнего диаметра трубы 5, например из-за эмиссии части электронов с внешней цилиндрической поверхности трубы у ее торца и из-за радиального расширения диаметра пучка по причине кулоновского расталкивания электронов. Поэтому внутренний диаметр трубы 7 должен быть больше, например на 30 мм внешнего диаметра трубы 5 при типичном ее диаметре в ЛИУ 100 - 200 мм. Первая указанная выше группа индукторов подключена к своему генератору 8 системы синхронизации, а вторая группа индукторов - тоже к своему аналогичному генератору 9, т.е. число генераторов в системе синхронизации равно числу генерируемых импульсов тока n = 2. В качестве таковых генераторов могут служить многоканальные генераторы системы синхронизации прототипа /2, 3/, в каждом из которых низкоимпедансная формирующая линия с водяной изоляцией разряжается через многоискровой кольцевой газонаполненный разрядник на большое число отрезков кабелей, создавая в них импульсы управляющего напряжения с амплитудой ≈ 50 кВ и длительностью фонта ≈ 5 нс, которые и передаются в индукторы для их срабатывания. Между генераторами 8 и 9 включен блок 10 регулируемой временной задержки запуска генератора 9 после запуска генератора 8, например на время 50 нс - 5 мкс. Этот блок задержки может быть выполнен в виде бухт радиочастотных кабелей разной электрической длины, так как один метр такого кабеля электромагнитный импульс проходит за 5 нс. Для запуска срабатывания генератора 8 и потому срабатывания всего ускорителя служит блок запуска 11, который автоматически или по команде оператора подает на генератор 8 стартовый импульс управляющего напряжения. Индукторы 1 выполнены, например с радиальными линиями по аналогии с индукторами в прототипе /2/. В индукторе размещается дисковый высоковольтный электрод 12, подключенный к внешнему источнику импульсного напряжения (не показан). У края этого электрода вокруг ускорительной трубки 3 установлены равномерно по окружности серия газонаполненных управляемых разрядников, например шестнадцать тригатронов 13 на рабочее напряжение 500 кВ, управляющий электрод каждого из которых подключен к соответствующему генератору системы синхронизации. В качестве изоляции 14 в линиях используется деионизированная вода с толщиной слоя, например, 50 мм. При внешнем диаметре индукторов ≈ 2000 мм линии формируют между электродами 4 каждого индуктора ускоряющее напряжение длительностью ≈ 25 нс или ≈ 50 нс в зависимости от ускорения в течение первого или второго генерируемых импульсов напряжения. Для предотвращения радиального расширения пучков электронов с траекторий 15 и 16, эмиттируемых соответственно с основного и первого дополнительного эмиттеров, создается в тракте посредством соленоидов продольное магнитное поле напряженностью ≈ 0,5 Тл, как это выполнено в прототипе /2, 4/.Inductors 1, each of which has a toroidal metal casing, open in the inner cavity, are placed in series, interconnected and form an accelerating system. A vacuum path 2 for accelerating and conducting a beam of charged particles was created along the axis of this system, for which accelerator tubes 3, for example, of polyethylene rings, are connected in series. Between the ends of the tubes, electrodes 4 are connected from each inductor to the indicated path, connected to the walls of the toroidal casing from the side of the internal cavity. In the tract, vacuum is created by means of vacuum pumps with a residual gas pressure of ≈ 10 ^-3 Pa. From one end of the path there is placed the main emitter 5, for example, in the form of a segment of a thin-walled metal pipe, which is the explosion-emission cathode of a tubular electron beam. This cathode is connected to the electrode of the inductor of the beginning of the accelerating system. At the other end of the tract at the end of the accelerating system, a receiver 6 of charged particle beams is mounted, for example, in the form of a tungsten disk, which is a brake target. An additional annular emitter 7 is placed in the path, for example, also in the form of a segment of a thin-walled metal pipe, which allows one to form a tubular cylindrical thin-walled electron beam from it, i.e., n = 2 current pulses of accelerated particles (electrons) are created in this LIU, therefore the number of additional emitters is n - 1 = 1. The emitter 7 is connected in the path to the electrode of the corresponding inductor, separating the first group of inductors between adjacent emitters 5 and 7 and the second group of inductors between emitter 7 and the end of the accelerating system, g de at the end of the path is a target 6. The diameter of the hole of the emitter 7 along the axis of the path is larger than the maximum diameter of the surface of the previous (main) emitter emitting electrons, i.e. more than the outer diameter of the pipe 5, since the highest electron emission density is provided from the annular surface of the end cut of the pipe wall 5. In fact, the external diameter of the beam from the emitter 5 is slightly larger than the external diameter of the pipe 5, for example, due to the emission of a part of the electrons from the outer cylindrical surface of the pipe end and due to the radial expansion of the beam diameter due to Coulomb repulsion of electrons. Therefore, the inner diameter of the pipe 7 should be larger, for example by 30 mm, the outer diameter of the pipe 5 with a typical diameter of LIU 100 - 200 mm. The first group of inductors mentioned above is connected to its generator 8 of the synchronization system, and the second group of inductors is also connected to its own similar generator 9, i.e. the number of generators in the synchronization system is equal to the number of current pulses generated n = 2. As such generators, multi-channel generators of the prototype synchronization system / 2, 3 / can serve, in each of which a low-impedance forming line with water insulation is discharged through a multi-spark ring gas-filled spark gap to a large number lengths of cables, creating in them pulses of control voltage with an amplitude of ≈ 50 kV and a font duration of ≈ 5 ns, which are transmitted to the inductors for their operation. Between the generators 8 and 9, a block 10 of an adjustable time delay for starting the generator 9 after the start of the generator 8 is turned on, for example, for a time of 50 ns - 5 μs. This delay unit can be made in the form of bays of radio frequency cables of different electrical lengths, since one meter of such a cable passes an electromagnetic pulse in 5 ns. To start the operation of the generator 8 and therefore the operation of the entire accelerator, the start-up block 11 is used, which automatically or at the command of the operator supplies the start pulse of the control voltage to the generator 8. Inductors 1 are made, for example, with radial lines by analogy with the inductors in the prototype / 2 /. The inductor houses a high-voltage disk electrode 12 connected to an external source of pulse voltage (not shown). At the edge of this electrode around the accelerating tube 3, a series of gas-filled controllable arresters, for example, sixteen trigatrons 13 for an operating voltage of 500 kV, each of which is connected to the corresponding generator of the synchronization system, are installed uniformly around the circumference. As insulation 14, deionized water with a layer thickness of, for example, 50 mm is used in the lines. With an external diameter of the inductors ≈ 2000 mm, lines form between the electrodes 4 of each inductor an accelerating voltage of ≈ 25 ns or ≈ 50 ns in duration, depending on the acceleration during the first or second generated voltage pulses. To prevent radial expansion of electron beams from trajectories 15 and 16, emitted from the main and first additional emitters, respectively, a longitudinal magnetic field with a strength of ≈ 0.5 T is created in the path using solenoids, as is done in the prototype / 2, 4 /.

Работает ЛИУ следующим образом. Создается в вакуумном тракте импульсное (длительностью несколько мс и более) продольное магнитное поле. По достижении максимальной напряженности поля, например 0,5 Тл, заряжаются импульсно, например за 1 мкс, от внешних источников, в частности от генераторов умножения напряжения по схеме Аркадьева-Маркса, до разности потенциалов 500 кВ отрицательной полярности радиальные линии всех индукторов первой группы, т. е. расположенных между основным эмиттером 5 и дополнительным эмиттером 7, а затем - с определенной задержкой, например равной 1 мкс, - радиальные линии индукторов второй группы, т.е. находящихся между эмиттером 7 и концом ускоряющей системы. Выключается блок запуска 11, запускает первый генератор 8 системы синхронизации, который создает импульсное управляющее напряжение, подаваемое по кабелям на управляющие электроды разрядников 13 индукторов первой группы. Пробиваются одновременно все разрядники каждого индуктора и между электродами 4 в тракте возникает импульсное ускоряющее напряжение и соответственно электрическое поле на время, равное удвоенному времени пробега электромагнитной волны в радиальной линии по ее радиусу, например длительностью ≈ 25 нс, как в прототипе /2/. При этом на эмиттере 5 полярность потенциала будет отрицательной и потому на эмиттере возникнут взрывоэмиссионные процессы, которые сформируют трубчатый пучок электронов, ускоряемый в тракте электрическим полем. Для согласования моментов создания каждым индуктором этого поля с временем пролета пучка электронов по тракту каждый последующий индуктор срабатывает с задержкой относительно срабатывания предыдущего индуктора, например на 2 нс, что достигается задержкой подачи управляющего напряжения на разрядники каждого последующего индуктора за счет соответствующего удлинения отрезков кабелей от генератора 8. Пучок электронов, пройдя по траектории 15 осевую протяженность первой группы из четырех индукторов и набрав соответствующую энергию, достигает дополнительного эмиттера 7, проходит через осевое отверстие в нем и далее транспортируется через осевую протяженность второй группы индукторов до приемника мишени 6 пучка без набора добавочной кинетической энергии. В мишени 6 энергия преобразуется в тормозное излучение первого импульса тока. Через заданное время после срабатывания генератора 8 подается пусковой сигнал через блок 10 регулируемой временной задержки на генератор 9, который инициирует поочередное с задержкой во времени срабатывание индукторов во второй группе, находящейся слева от эмиттера 7, причем первым включается индуктор, к электроду которого в тракте присоединен этот эмиттер. Эмиттер формирует симметричный трубчатый с равномерными толщиной стенки и плотностью тока по окружности пучок электронов, ускоряемых по траектории 16 второй группой индукторов аналогично ускорению пучка первой группой индукторов. Диаметр этого пучка больше диаметра пучка с эмиттера 5, а кинетическая энергия электронов соответствует суммарной разности потенциалов между электродами трех индукторов этой группы. Пучок электронов, попав на мишень 6, создаст на ней второй импульс тока и соответственно второй импульс тормозного излучения, отстоящий от первого импульса излучения, например на время 1 мкс. LIU works as follows. A pulsed (duration of several ms or more) longitudinal magnetic field is created in the vacuum path. Upon reaching the maximum field strength, for example 0.5 T, they are charged impulsely, for example in 1 μs, from external sources, in particular from Arkadyev-Marx voltage multiplication generators, to the potential difference 500 kV of negative polarity, the radial lines of all inductors of the first group, i.e., located between the main emitter 5 and the additional emitter 7, and then with a certain delay, for example equal to 1 μs, are the radial lines of the inductors of the second group, i.e. located between the emitter 7 and the end of the accelerating system. The startup unit 11 is turned off, it starts the first generator 8 of the synchronization system, which creates a pulsed control voltage supplied via cables to the control electrodes of the arresters 13 of the inductors of the first group. At the same time, all the arresters of each inductor are pierced and between the electrodes 4 in the path there is a pulse accelerating voltage and, accordingly, an electric field for a time equal to twice the travel time of an electromagnetic wave in a radial line along its radius, for example, with a duration of ≈ 25 ns, as in the prototype / 2 /. Moreover, the potential polarity will be negative on emitter 5 and therefore explosive emission processes will occur on the emitter, which will form a tubular electron beam accelerated in the path by an electric field. To match the moments when each inductor creates this field with the time of flight of the electron beam along the path, each subsequent inductor operates with a delay relative to the operation of the previous inductor, for example, by 2 ns, which is achieved by delaying the supply of control voltage to the arresters of each subsequent inductor due to the corresponding extension of the cable lengths from the generator 8. A beam of electrons, following along trajectory 15 the axial length of the first group of four inductors and gaining the corresponding energy, reach Gaeta additional emitter 7, passes through the axial hole therein, and further transported through the axial extent of the second group of inductors to the target receiver without dialing the beam 6 additional kinetic energy. In target 6, the energy is converted into bremsstrahlung of the first current pulse. After a predetermined time after the operation of the generator 8, a start signal is supplied through the block 10 of an adjustable time delay to the generator 9, which initiates the inductors alternately with a time delay in the second group located to the left of the emitter 7, the first to turn on the inductor, to the electrode of which is connected in the path this emitter. The emitter forms a symmetrical tubular with a uniform wall thickness and a current density around the circumference of a beam of electrons accelerated along the trajectory 16 by the second group of inductors similarly to the acceleration of the beam by the first group of inductors. The diameter of this beam is larger than the diameter of the beam from emitter 5, and the kinetic energy of the electrons corresponds to the total potential difference between the electrodes of the three inductors of this group. A beam of electrons, having hit the target 6, will create on it a second current pulse and, accordingly, a second bremsstrahlung pulse, separated from the first radiation pulse, for example, by a time of 1 μs.

Устанавливая эмиттер 7 в разные места между индукторами по длине ускоряющей системы, можно заданно изменять энергию ускорения электронов первого и второго пучков и соответственно изменять интенсивность (дозу) тормозного излучения в каждом импульсе. By installing the emitter 7 in different places between the inductors along the length of the accelerating system, it is possible to preset the acceleration energy of the electrons of the first and second beams and, accordingly, change the intensity (dose) of the bremsstrahlung in each pulse.

Изменяя момент запуска генератора 9 относительно момента срабатывания генератора 8, можно заданно регулировать временной интервал между импульсами токов ускоренных электронов на мишени. By changing the start time of the generator 9 relative to the moment of operation of the generator 8, it is possible to preset the time interval between the pulses of the currents of accelerated electrons on the target.

Для получения n = 3 импульсов тока ускоренных частиц размещают в вакуумном тракте последовательно n - 1 = 2 дополнительных кольцевых эмиттера, аналогичных эмиттеру 7, с диаметрами отверстий больше внешних диаметров эмиттирующих поверхностей предыдущих эмиттеров и выполняют систему синхронизации из n = 3 генераторов, между которыми вводят n - 1 = 2 блока регулируемых временных задержек. To obtain n = 3 current pulses of accelerated particles, n - 1 = 2 additional ring emitters, similar to emitter 7, are sequentially placed in the vacuum path with hole diameters larger than the external diameters of the emitting surfaces of the previous emitters and a synchronization system is made of n = 3 generators, between which n - 1 = 2 blocks of adjustable time delays.

По такому же принципу изменяется ЛИУ при надобности получения большего количества импульсов тока ускоренных частиц в одном цикле срабатывания ЛИУ. According to the same principle, LIU changes if it is necessary to obtain a larger number of current pulses of accelerated particles in one LIU operation cycle.

Предложенное техническое решение ЛИУ испытано с положительным результатом при соответствующем изменении ускоряющей системы и системы синхронизации прототипа - линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 /2/. Первоначально был испытан двухимпульсный режим работы ЛИУ. Установленный в вакуумном тракте в начале ускоряющей системы основной эмиттер был выполнен в виде тонкостенной (толщина 0,5 мм) короткой трубы из стали 10X18Н10T с внешним диаметром 150 мм и представлял собой взрывоэмиссионный катод - источник трубчатого пучка электронов. Первый дополнительный кольцевой эмиттер был выполнен из того же материала в виде короткой трубы с внутренним диаметром 220 мм и предназначался для формирования второго пучка электронов. Общее число индукторов в ускоряющей системе - 144. Дополнительный эмиттер присоединялся в вакуумном тракте к электроду 72-го, 90-го или 126-го индукторов (отсчет идет по направлению движения электронов). Генераторы системы синхронизации /3/ были разделены на две группы и между группами был введен блок регулируемой временной кабельной задержки. Радиальные линии индукторов первой группы, т. е. находящихся между основным катодом в начале ускоряющей системы и дополнительным катодом, заряжались одновременно за ≈ 0,8 мкс до 450 кВ, а радиальные линии индукторов второй группы, т.е. размещенных между дополнительным катодом и концом ускоряющей системы, заряжались также, но позже по времени на необходимую длительность интервала между импульсами тока ускоренных частиц на выходе ускорителя, которая в данном случае устанавливалась от 50 нс до 10 мкс. После полной подготовки индукторов и всех обеспечивающих функционирование систем ЛИУ производилось включение (посредством первой группы генераторов системы синхронизации) первой группы индукторов с задержкой срабатывания каждого последующего индуктора относительно предыдущего на время пролета осевой длины индуктора электронами, т.е. на ≈ 2 нс. Для того, чтобы пучок электронов радиально не расширялся при пролете его по тракту, в тракте создавалось импульсное (≈ 1 мс) продольное магнитное поле напряженностью ≈ 0,5 Тл. Пучок электронов с краевого катода имел внешний диаметр около 170 мм и потому, будучи ускоренным первой группой индукторов до энергии 20, 25 и 35 МэВ в зависимости от указанного выше количества индукторов в этой группе, проходил без потерь через отверстие ⌀ 220 мм в дополнительном катоде и далее транспортировался до конца ускорителя без набора энергии. На выходе ускорителя находилась мишень из композиционного полупроводящего материала с порошком вольфрама, в который энергия этих электронов трансформировалась в мощное тормозное излучение. Через определенный интервал времени, соответствующий заданному интервалу времени между импульсами тока пучков заряженных частиц на выходе ускорителя, запускалась сигналом с блока регулируемой временной задержки вторая группа генераторов системы синхронизации, которая включала индукторы второй группы ускорителя аналогично описанной выше первой группы индукторов. Электрическим полем возбуждался с дополнительного катода второй трубчатый пучок электронов, которые, будучи ускоренными до энергии 20, 15 или 5 МэВ (в зависимости от номера индуктора, к которому присоединен дополнительный катод), попадали на мишень, создавая в ней второй последовательный импульс тормозного излучения. Амплитуды токов электронов обоих пучков составляли 85 - 100 кА, а длительности импульсов тормозного излучения - около 20 нс (на полувысоте). Ускоритель стабильно работал, обеспечивая в одном цикле его включения получение двух соосных последовательных импульсов тока ускоренных электронов с указанными параметрами, причем интервал времени между импульсами заданно регулировался в диапазоне 50 нс - 10 мкс. The proposed technical solution of LIU was tested with a positive result with a corresponding change in the accelerating system and synchronization system of the prototype — the linear induction accelerator LIU-30/2 /. The dual-pulse LIU operation mode was initially tested. The main emitter installed in the vacuum path at the beginning of the accelerating system was made in the form of a thin-walled (thickness 0.5 mm) short pipe made of 10X18H10T steel with an external diameter of 150 mm and was an explosion-emission cathode - a source of a tubular electron beam. The first additional ring emitter was made of the same material in the form of a short tube with an inner diameter of 220 mm and was intended to form a second electron beam. The total number of inductors in the accelerating system is 144. An additional emitter was connected in the vacuum path to the electrode of the 72nd, 90th, or 126th inductors (counting goes in the direction of electron motion). The synchronization system generators / 3 / were divided into two groups and an adjustable time delay cable block was introduced between the groups. The radial lines of the inductors of the first group, i.e., located between the main cathode at the beginning of the accelerating system and the additional cathode, were simultaneously charged for ≈ 0.8 μs to 450 kV, and the radial lines of the inductors of the second group, i.e. placed between the additional cathode and the end of the accelerating system, they were also charged, but later in time, for the necessary duration of the interval between the current pulses of the accelerated particles at the accelerator output, which in this case was set from 50 ns to 10 μs. After complete preparation of the inductors and all the LIU functioning systems, the first group of inductors was switched on (through the first group of synchronization system generators) with the delay of operation of each subsequent inductor relative to the electron’s axial length of the inductor’s axial length, i.e. at ≈ 2 ns. In order to prevent the electron beam from expanding radially when it passes through the path, a pulsed (≈ 1 ms) longitudinal magnetic field with a strength of ≈ 0.5 T is created in the path. The electron beam from the edge cathode had an external diameter of about 170 mm and therefore, being accelerated by the first group of inductors to energies of 20, 25, and 35 MeV, depending on the number of inductors in this group mentioned above, it passed through the отверстие 220 mm hole in the additional cathode without loss and further transported to the end of the accelerator without gaining energy. At the exit of the accelerator there was a target from a composite semiconducting material with tungsten powder, into which the energy of these electrons was transformed into powerful bremsstrahlung. After a certain time interval corresponding to a given time interval between the current pulses of charged particle beams at the accelerator output, a second group of synchronization system generators, which included inductors of the second accelerator group similarly to the first group of inductors described above, was triggered by a signal from an adjustable time delay unit. A second tubular electron beam was excited from the additional cathode by an electric field, which, being accelerated to an energy of 20, 15, or 5 MeV (depending on the number of the inductor to which the additional cathode is connected), hit the target, creating a second consecutive bremsstrahlung pulse in it. The amplitudes of the electron currents of both beams were 85 - 100 kA, and the duration of the bremsstrahlung pulses was about 20 ns (at half maximum). The accelerator worked stably, providing in one cycle of its inclusion receiving two coaxial consecutive pulses of current of accelerated electrons with the indicated parameters, and the time interval between pulses was preset to be controlled in the range of 50 ns - 10 μs.

Также успешно испытан ЛИУ с двумя дополнительными кольцевыми эмиттерами в виде тонкостенных трубчатых взрывоэмиссионных катодов, обеспечив получение на выходе ускоряющей системы трех последовательных импульсов тока ускоренных пучков электронов с заданно устанавливаемыми между ними временными интервалами и энергиями ускорения. A LIU with two additional ring emitters in the form of thin-walled tube-shaped explosive emission cathodes was also successfully tested, ensuring that three consecutive current pulses of accelerated electron beams were received at the output of the accelerating system with time intervals and acceleration energies set between them.

Источники информации, принятые во внимание
1. А.И. Павловский, В.С. Босамыкин, В.А Савченко и др. Мощный электронный ускоритель ЛИУ-10// ДАН СССР, 1980, т.250, N5, С.1118-1122.Sources of information taken into account
1. A.I. Pavlovsky, V.S. Bosamykin, V.A. Savchenko, et al. Powerful electronic accelerator LIU-10 // DAN SSSR, 1980, vol. 250, N5, P.1118-1122.

2. А.И. Павловский, В.С Босамыкин. А.И. Герасимов и др. Линейный ускоритель на радиальных линиях ЛИУ-30// Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. М.: ЦНИИУЭИ, 1994, выпуск 3-4, С.3-9 (прототип). 2. A.I. Pavlovsky, V.S.Bosamykin. A.I. Gerasimov et al. Linear accelerator on radial lines LIU-30 // Issues of Atomic Science and Technology (VANT). Series: physics of radiation effects on electronic equipment. M .: TsNIIUEI, 1994, issue 3-4, C.3-9 (prototype).

3. A. I. Pavlovskii, V.A. Tananakin, A.V. Grishin et al. LIA-30 Sinchronization System //9^th IEEE Jnternat. Pulsed Power Conf., Albuguergue, NM, June 21-23, 1993; Springfield. VA, NTIS, 1993, V.2, P.913-915.3. AI Pavlovskii, VA Tananakin, AV Grishin et al. LIA-30 Synchronization System // 9 ^th IEEE Jnternat. Pulsed Power Conf., Albuguergue, NM, June 21-23, 1993; Springfield VA, NTIS, 1993, V.2, P.913-915.

4. A.I. Pavlovskii, V.S. Bossamykin, A.I. Gerasimov et al. 6 - MJ Capacitor Bank for Magnetic Field Production in LIA-30// 9^th IEEE Jnternat. Pulsed Power Conf. , Albuguergue, NM, June 21-23, 1993; Springfield. VA. NTIS, 1993, V.2, P.916-917.4. AI Pavlovskii, VS Bossamykin, AI Gerasimov et al. 6 - MJ Capacitor Bank for Magnetic Field Production in LIA-30 // 9 ^th IEEE Jnternat. Pulsed Power Conf. Albuguergue, NM, June 21-23, 1993; Springfield VA. NTIS, 1993, V.2, P.916-917.

Claims

Линейный индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий серию подключенных к генераторам системы синхронизации индукторов, образующих ускоряющую систему и размещенных вдоль общей оси вакуумного тракта ускорения и проводки пучка частиц, в который выведены электроды с каждого индуктора, а также расположенный в указанном тракте с одного из его торцов основной эмиттер заряженных частиц, который соединен с крайним индуктором начала ускоряющей системы, отличающийся тем, что в вакуумном тракте ускорения и проводки пучка частиц установлены последовательно по длине тракта дополнительные кольцевые эмиттеры, причем количество дополнительных эмиттеров равно n - 1, где n ≥ 2 - число генерируемых импульсов тока ускоренных частиц в одном цикле срабатывания линейного индукционного ускорителя, а диаметр отверстия по оси тракта каждого последующего дополнительного эмиттера, начиная от основного эмиттера, больше максимального диаметра эмиттирующей поверхности предыдущего эмиттера и каждый дополнительный эмиттер присоединен к введенному в тракт электроду соответствующего индуктора, при этом каждая группа индукторов между каждыми двумя смежными эмиттерами, а также между последним дополнительным эмиттером и концом ускоряющей системы, подключена к соответствующему генератору системы синхронизации, для чего она выполнена из n генераторов и между ними включены n - 1 блоков регулируемых временных задержек. A linear induction accelerator of charged particles, containing a series of inductors connected to the generators of the synchronization system, forming an accelerating system and placed along the common axis of the vacuum acceleration path and conducting a particle beam into which the electrodes are removed from each inductor, as well as located in one of the ends of the path the main emitter of charged particles, which is connected to the extreme inductor of the beginning of the accelerating system, characterized in that in the vacuum path of acceleration and wiring of the particle beam is installed additional ring emitters are sequentially arranged along the path length, and the number of additional emitters is n - 1, where n ≥ 2 is the number of generated current pulses of accelerated particles in one cycle of operation of the linear induction accelerator, and the hole diameter along the path axis of each subsequent additional emitter, starting from the main emitter is larger than the maximum diameter of the emitting surface of the previous emitter and each additional emitter is connected to the electrode introduced into the path of the corresponding an inductor, while each group of inductors between each two adjacent emitters, as well as between the last additional emitter and the end of the accelerating system, is connected to the corresponding generator of the synchronization system, for which it is made of n generators and n - 1 blocks of adjustable time delays are included between them.