FORMOWANIE KRÓTKICH IMPULSÓW W AKCELERATORZE LINIOWYM ELEKTRONÓW. Zygmunt Dźwigalski, Zbigniew Zimek Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa

Transkrypt

1 FORMOWANIE KRÓTKICH IMPULSÓW W AKCELERATORZE LINIOWYM ELEKTRONÓW Zygmunt Dźwigalski, Zbigniew Zimek Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa Abstract SHORT PULSE SHAPING IN LINEAR ELECTRON ACCELERATOR This paper presents the short pulse shaping system in linear electron accelerator for pulse radiolysis experiments. Computer simulation of the gun modulators was applied. Results of the simulation was compared with experiments results. The relation between cut-off voltage and anode voltage of the gun was investigated as well. 1. WPROWADZENIE PL Akcelerator LAE10 zaprojektowany i uruchomiony w Zakładzie Chemii i Techniki Radiacyjnej Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) umożliwia przyspieszanie elektronów w impulsach o czasie trwania 10 ns [1]. Akcelerator został wyposażony w światłowodowy system sterowania i synchronizacji [2]. Trój elektrodowa wyrzutnia o oryginalnej własnej konstrukcji jest wykorzystywana do formowania krótkich impulsów elektronów [3, 4]. W trakcie uruchamiania akceleratora przeprowadzono badania wpływu parametrów mechanicznych i elektrycznych wyrzutni elektronowej na właściwości nanosekundowych impulsów elektronów przyśpieszanych w akceleratorze LAE10 [5, 6]. Zgodnie z założeniami, akcelerator LAE10 jest źródłem impulsów przyśpieszonych elektronów stosowanych w badaniach prowadzonych przy wykorzystaniu eksperymentalnego stanowiska nanosekundowej radiolizy impulsowej [7]. Cele tej pracy są następujące: przedstawienie wyników badań dotyczących wyeliminowania wpływu niepożądanego piedestału impulsu elektronów akceleratora [5]; opis modulatorów wyrzutni i symulacji komputerowych oraz przedstawienie wyników pomiarów przeprowadzonych w fazie badań, optymalizacji i eksploatacji; przedstawienie zmodernizowanego systemu synchronizacji akceleratora w aspekcie sterowania pracą modulatorów wyrzutni. 2. OPIS BADANYCH UKŁADÓW I SYMULACJI KOMPUTEROWYCH Rysunek l przedstawia wyrzutnię połączoną z sekcją przyspieszającą elektrony, z modulatorami wyrzutni oraz pozostałymi urządzeniami syste- 557

2 mu formowania krótkich impulsów, którego schemat blokowy przedstawia rys. 2. Rys. 1. Wyrzutnia elektronów na stanowisku docelowym. Modulator siatkowy (modulator elektrody sterującej) decyduje o kształcie czasowym (czasie trwania i amplitudzie) nanosekundowego impulsu elektronów wyrzutni i akceleratora. Układ ujemnego przedpięcia siatki ma zasadniczy wpływ na piedestał impulsu elektronów. Modulator anodowy - generujący impuls o czasie trwania około 200 ns - decyduje głównie o energii elektronów opuszczających wyrzutnię (wytwarza pomiędzy anodą i katodą chwilową różnicę potencjałów o amplitudzie U a > 52 kv). Punktem ODWÓD C.RZF.rNTKA /1 ELEKTRODA STERUJĄCA. (SIATKA) ^^^ ANODA a-*- ^) Alt)l>A?\ HF I'.IKMNK FKZEDPlł^UJ:; SIATKI («+-3)kV H> MODl'L,VfOR ANO1X)WV m ky ' 21X1 IK MOnriATOR SIATKOWY 4kV/ini» t KŁAD SYNCHRONT7,AC.n Rys. 2. Schemat blokowy systemu formowania krótkich impulsów. odniesienia ( masą") w układzie jest anoda, natomiast katoda znajduje się na wysokim potencjale wysokiego napięcia podawanego z modulatora anodowego. W związku z tym, pomiary parametrów modulatora siatkowego i układu przedpięcia siatki są podczas pracy modulatora anodowego bardzo trudne. W szczególności, w omawianym układzie nie jest możliwy 558

3 pomiar kształtu czasowego impulsu modulatora siatkowego i dokładne określenie jego położenia na osi czasu względem impulsu modulatora anodowego. Jednak okazało się, że położenie to (ale nie kształt impulsu) można eksperymentalnie określić z wystarczającą dokładnością dokonując pomiarów przy pomocy układu pomiarowego [6], którego ważnym podzespołem jest impulsowy wysokonapięciowy dzielnik napięcia o przekładni l: Wykonanie modulatorów poprzedzone zostało symulacjami komputerowymi przy pomocy pakietu programów MicroSim Evalution Software DesignLab Release 8". Pakiet ten zawiera narzędzia umożliwiające zbudowanie schematu, wykonanie odpowiedniej symulacji (w naszym przypadku analogowej), optymalizację i wizualizację całego procesu projektowego. Pakiet pozwala narysować schemat projektu, określić rodzaj i wartości elementów, sparametryzować elementy dla optymalizacji oraz określić rodzaj analiz. Uproszczony schemat zastępczy układu formowania krótkich (nanosekundowych) impulsów w obszarze wyrzutni elektronowej, stosowany w obliczeniach, pokazano na rys. 3. \IIM>UI,A1OR ANODOM ( Xii kv ' 2011 ns ) U VRZU'IMA MODULATOR SIATKOWY ( 4 kv ' 10 ns l Rys. 3. Uproszczony schemat zastępczy układu formowania krótkich (nanosekundowych) impulsów w obszarze wyrzutni elektronowej. Wyrzutnię reprezentuje układ pojemności międzyelektrodowych (C5; C6 i C7) oraz rezystor Rl l, określający w przybliżeniu obciążenie rzeczywiste jakie przedstawia sobą wyrzutnia dla modulatora anodowego. Baterie VI i V3 reprezentują zasilacze modulatorów, a bateria V2 reprezentuje zasilacz układu ujemnego przedpięcia siatki. Przełącznik Ul reprezentuje tyratron typu TGI 1000/25 modulatora anodowego, a przełączniki U2 i U3 reprezentują ultraszybki wysokonapięciowy przełącznik tranzystorowy typu HTS UF modulatora siatkowego. Rezystor R5 reprezentuje ww. impulsowy dzielnik napięcia, a jednocześnie jest jednym z dwóch elementów reprezentujących obciążenie rzeczywiste modulatora anodowego. Kondensator C4 reprezentuje szkodliwą pojemność do ziemi" jaką mają transformator żarzenia katody i modulator siatkowy. Wysokonapięciowa 559

4 dioda Dl typu CDŁ jest wprawdzie podzespołem pomocniczym modulatora, ale spełnia ważną rolę (ogranicza amplitudę dodatniej niepożądanej części impulsu anodowego). Rola pozostałych elementów układu, głównie RLC, łatwo może być rozpoznana, a ich wartości podane są bezpośrednio na schemacie. Za pomocą znacznika umieszczonego na schemacie (kółko połączone z strzałką wskazującą węzeł siatki") zaznaczono punkt podglądu charakterystyki U S A=f(t) tzn. napięcia pomiędzy siatką i anodą w funkcji czasu. Takich znaczników można umieścić więcej na schemacie, a następnie - po wykonaniu obliczeń - obserwować charakterystyki jak na wielokanałowym oscyloskopie. Zmodernizowano fragmentu układu synchronizacji akceleratora, który odpowiedzialny jest za właściwą współpracę modulatorów wyrzutni. Niezbędnym podzespołem okazał się nowy układ opóźnienia D7, którego zadaniem jest znacznie dokładniejsze, niż dotychczas (co 50 ns), przesuwanie - na osi czasu - impulsu modulatora siatkowego względem impulsu modulatora anodowego. 3. WYNIKI Na rys. 4 przedstawiono zależność pomiędzy napięciem odcięcia Uso a napięciem anodowym UA dla dwóch wartości prądu piedestału wiązki elektronów akceleratora Ib p. Zmieniając ujemny potencjał elektrody sterującej (siatki) względem katody, czyli przesuwając poziom, z którego startuje 10 ns impuls modulatora siatkowego, można otrzymywać impulsy akceleratora o różnym piedestale. Przykładowo, jeśli chcemy otrzymać I bp < 0,002 A - dla U A =52 kv - to U s powinno być mniejsze od -1,26 kv. C C o* A =!/ NAPftfClE ANODOWE - L A ( kv ) A 4( » (1.0 hp hp= (MMI12 A Rys. 4. Zależność pomiędzy napięciem odcięcia a napięciem anodowym wyrzutni. Na rys. 5 pokazano obliczone kształty impulsów napięć występujących pomiędzy siatką i anodą oraz katodą i anodą, natomiast rys. 6 ilustruje rzeczywisty zmierzony impuls pomiędzy katodą i anodą, występujący 560

5 Rys. 5. Obliczone kształty impulsów napięć pomiędzy elektrodami wyrzutni elektronów: a) impuls pomiędzy anodą i katodą, oraz pomiędzy katodą i siatką; b) impuls pomiędzy anodą i siatką, oraz pomiędzy katodą i siatką. w przypadku pracy obydwóch modulatorów wyrzutni. Kształty impulsów (obliczonych i zmierzonego) są podobne do siebie. Czasy trwania (ok. 200 ns) są niemalże identyczne, a amplitudy zbliżone. Najbardziej interesujące jest jednak to, że można określić położenie na osi czasu impulsu siatkowego 50 ns Rys. 6. Zmierzony impuls napięcia pomiędzy anodą i katodą wyrzutni. (10 ns) względem impulsu anodowego (200 ns), bez konieczności pomiaru impulsu siatkowego. Zafalowanie" wierzchołka impulsu anodowego świadczy o tym, że impuls siatkowy został wygenerowany w momencie występowania maksymalnej wartości napięcia pomiędzy katodą i anodą. Fakt ten ma duże praktyczne znaczenie podczas optymalizacji i eksploatacji akceleratora. Na rys. 7 przedstawiono schemat układu opóźniającego D 7 i oscylogramy impulsów w charakterystycznych punktach układu. Układ ten daje nam możliwość precyzyjnego (co ok. l ns) przesuwania impulsu siatkowego (10 ns) względem impulsu anodowego wyrzutni, dzięki zastosowaniu potencjometru cyfrowego z nastawnikiem dziesiętnym (R4 na rys. 7) typu 3683 firmy Bourns. 561

6 9 + 5 V H Y Vi, Rx,Cx, Z *TR2 -TR2 Q2 02 ) K 74HC4538N CQYT 42KI' Vss Hv,(\, 'i. ttrl -TRI 01 Ol V 5S Rys. 7. Schemat układu opóźniającego oraz oscylogramy impulsów w charakterystycznych punktach układu. 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przedstawionych wyników stwierdzamy, że akcelerator LAE10 jest wyposażony w dobry system formowania krótkich impulsów. System ten został sprawdzony podczas eksperymentów w dziedzinie nanosekundowej radiolizy. Przewidywana komputerowa automatyzacja całego akceleratora, łącznie z ww. systemem, pozwoli uzyskać nie tylko większą stałość parametrów akceleratora, ale i bezpośrednią zmianę - ze stanowiska radiolizy - wybranych parametrów systemu formowania krótkich impulsów. LITERATURA [1]. Zimek Z., Dźwigalski Z.: Liniowy akcelerator elektronów LAE 10 - budowa i przeznaczenie. Postępy Techniki Jądrowej, 42, 2, 9-17 (1999). [2]. Bielik M., Dźwigalski Z.: Fiber-Optic Control System for an Electron Guń. 2nd National Symposium PLASMA'95 Research and applications of plasmas", Warszawa, Vol. 1, s [3]. Dźwigalski Z., Zimek Z.: The electron gun of LAE 10 linear electron accelerator. Electron Technology, 30, 4, (1997). [4]. Dąbek J., Dźwigalski Z.: Projektowanie wyrzutni do liniowego akceleratora elektronów. I Kongres Polskiego Towarzystwa Próżniowego, 562

7 Kraków, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 1998, s [5]. Dźwigalski Z., Zimek Z.: Wybrane wyniki badań liniowego akceleratora LAE 10. V Krajowa Konferencja Techniki Próżni, Borki k/tomaszowa Mazowieckiego, Zeszyty Naukowe Politechniki Warszawskiej seria Elektronika, 123, (1999). [6]. Dźwigalski Z., Zimek Z.: Wpływ parametrów wyrzutni elektronowej na własności nanosekundowego liniowego akceleratora elektronów. VII Konferencja Naukowa Technologia Elektronowa ELTE 2000", Polanica Zdrój, , s [7]. Mirkowski J., Wiśniewski P., Bobrowski K.: A nanosecond pulse radiolysis system dedicated to the LAE 10 accelerator in the INCT. W: INCT Annual Report Warszawa 2001, s