Исследование, разработка и применение малогабаритных сильноточных генераторов нано- и субнаносекундного диапазонов длительности

• Автор: Шунайлов, Сергей Афанасьевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 139 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение. Общая характеристика работы
Глава 1. Компактные высоковольтные наносекундные генераторы
1.1. Генерирование наносекундных высоковольтных импульсов
1.1.1. Классификация высоковольтных наносекундных генераторов
1.1.2. Генераторы с трансформаторной зарядкой емкостного накопителя
1.1.3. Компактные генераторы с формирующей линией
1.2. Автономный аппарат РАДАН-ЭКСПЕРТ
1.3. Наносекундный генератор РАДАН-Н110 с частотой повторения до I кГц
1.4. Генератор на основе двойной формирующей линии РАДАН
1.5. Выводы
Глава 2. Субнаносекундные высоковольтные генераторы
2.1. Способы формирования мощных субнаносекундных импульсов
2.2. Схемотехнический метод субнаносекундного обострения фронта импульса
2.3. Субнаносекундный преобразователь с обостряющим и срезающим разрядниками
2.4. Высоковольтный управляемый разрядник с субнаносекундной точностью запуска
2.5. Выводы
Глава 3. Сильноточные электронные ускорители
3.1. Технологические электронные ускорители
3.2. Ускорители с ленточными электронными пучками
3.3. Формирование и транспортировка субнаносекундного электронного пучка
3.4. Выводы
Приложение. Технология изготовления некоторых элементов малогабаритных
импульсных генераторов
Заключение
Литература
Введение. Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации
Развитие мощных импульсных генераторов и ускорителей в последние 3-4 десятилетия оказало существенное влияние на прогресс во многих областях науки и техники. Открытие явления взрывной электронной эмиссии [1] в свое время позволило очертить перспективы применения сильноточных электронных ускорителей с холодными катодами для исследований по управляемому термоядерному синтезу [2], генерированию мощных электромагнитных импульсов в различных диапазонах спектра. Эти задачи стимулировали разработки импульсных генераторов с энергозапасом более 10б Дж, инжекторов электронных пучков с пиковыми мощностями 109-1012 Вт и рентгеновских приборов на их основе [3]. Создание генераторов, способных моделировать электромагнитное излучение ядерных взрывов, привело к появлению установок с напряжением на нагрузке, превышающим 15 МВ [4]. К настоящему времени количество подобных уникальных экспериментальных комплексов значительно сократилось из-за высоких эксплуатационных расходов и изменений политической обстановки, определивших сокращение национальных оборонных программ в наиболее развитых странах.
Мощные импульсные рентгеновские источники, разрабатывавшиеся для изучения быстропротекающих процессов взрыва и детонации, задач баллистики и динамики работы различных оружейных систем [5,6,7,8], были первым примером широкого практического применения сильноточных устройств с выходным напряжением в сотни киловольт и более. Несмотря на “оборонный” уклон в применении уникальных импульсных устройств, с начала 70-х в ряде отечественных и зарубежных организаций велись работы по созданию наиболее компактных образцов мощных рентгеновских приборов промышленного назначения [9,10,11]. Это стало возможным по мере детального изучения процессов вакуумного и газового пробоев [12,13], исследования свойств высоковольтной изоляции [14], отработки схемотехники эффективных зарядных устройств импульсных генераторов [15]. Важным этапом стали разработки серийных отпаянных вакуумных трубок [16], газовых разрядников высокого давления [17], энергоемких накопительных конденсаторов [18]. Так появились полевые рентгеновские дефектоскопы типа МИРА и их аналоги [19], отличавшиеся небольшими габаритами и потребляемой мощностью. Уже с помощью этих приборов, оборудованных отпаянными трубками с выводом электронного пучка в атмосферу, многочисленными

исследователями было выполнено большое количество работ в области радиационной физики, химии, биологии и медицины [10]. Другой перспективной областью использования малогабаритных высоковольтных генераторов с наносекундной длительностью импульса стала релятивистская высокочастотная электроника [20], имевшая целью получение интенсивных потоков когерентного излучения в диапазоне СВЧ. Отчасти из-за специфических требований мощных СВЧ - генераторов к форме, длительности и стабильности ускоряющих импульсов напряжения в начале 80-х годов были разработаны первые наносекундные импульсные генераторы РАДАН [21] Заимствованная у созданных ранее в ИСЭ СО РАН более мощных стационарных наносекундных генераторов СИНУС [22] схема компоновки высоковольтного накопителя, интегрированного с обмотками импульсного трансформатора, оказалась удачной в плане снижения массы прибора, обеспечения низкого уровня помех и высокой эффективности зарядного устройства. Генераторы РАДАН имели модификации в виде портативных рентгеновских дефектоскопов с герметичным корпусом [23]. В режиме электронных ускорителей они стали основой компактных СВЧ - генераторов миллиметрового диапазона с мегаваттным уровнем пиковой мощности [24], однако со временем встретили ряд ограничений в исследовательской практике из-за отсутствия регулировки напряжения высоковольтных газовых разрядников [17], проблем с синхронизацией “пучок-процесс” [25] и невысоким ресурсом серийной элементной базы при повышенных частотах повторения импульсов.
Несмотря на то, что все указанные выше малогабаритные сильноточные генераторы (МИРА, РАДАН) отличались небольшой энергоемкостью высоковольтного емкостного накопителя энергии - в диапазоне 1-10 Дж, удельные характеристики генерируемых импульсов и электронных пучков были сравнимы с аналогичными параметрами более энергоемких и высоковольтных импульсных систем. Эти особенности компактных сильноточных приборов явно проявились в экспериментальных работах по освоению субнаносекундного диапазона длительностей импульсов [26] Изучение процессов вакуумного и газового пробоев в диапазоне длительностей 0.1-1 не потребовало миниатюризации приборов [27,28] и предъявило повышенные требования к точности настройки, плавной регулировке, воспроизводимости результатов и стабильности параметров.
Таким образом, на рубеже 80-90 годов сложилась ситуация, когда проекты сверхмощных импульсных систем и связанные с ними экспериментальные работы в
рис. 15 Рентгеновский снимок “неизвестного” содержимого ручного багажа. Расстояние до объекта съемки 0.7 м. Экспозиция 3 с.
РАДАН-ЭКСПЕРТ
Анализатор
спектра
рис. 16 Состав портативного комплекса для электронно-люминесцентного анализа и идентификации минералов на основе аппарата РАДАН-ЭКСПЕРТ (Проект).