РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО УСКОРИТЕЛЯ С УЧЁТОМ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ В ДИОДЕ

Введение 4
Глава 1. Сильноточные импульсные ускорители электронов 11
1.1. Генераторы высоковольтных импульсов ускорителей электронов 12
1.2. Электронный диод импульсного ускорителя электронов 19
1.3. Запаздывание тока электронной эмиссии в вакуумном диоде ускорителя 24
1.4. Применение ускорителей электронов для обработки водных растворов 25
Выводы 28
Глава 2. Устройство и диагностическое оборудование импульсного ускорителя
электронов «АСТРА» 30
2.1. Принципиальная схема импульсного ускорителя электронов 31
2.2. Диагностическое оборудование импульсного ускорителя электронов 32
2.2.1. Средства измерения импульсного напряжения 33
2.2.2. Средства измерения импульсных токов 34
2.2.3. Средства дополнительной диагностики параметров электронного пучка 35
2.3. Конструктивное исполнение высоковольтного генератора ускорителя 36
2.3.1. Ёмкостный накопитель энергии 37
2.3.2. Высоковольтный коммутатор 38
2.3.3. Импульсный трансформатор 39
2.3.4. Высоковольтный изолятор 40
2.4. Исследование параметров выходной цепи генератора высоковольтных импульсов 42
2.4.1. Исследование параметров выходной цепи генератора в режиме короткого
замыкания 42
2.4.2. Испытание генератора с резистивной нагрузкой 45
2.4.3. Параметры схемы замещения выходной цепи генератора 49
2.5. Моделирование выходной цепи генератора высоковольтных импульсов 51
2.5.1. Вычислительная модель выходной цепи генератора 51
2.5.2. Моделирование работы генератора в режиме короткого замыкания 53
2.5.3. Моделирование работы генератора на высокоомную нагрузку 53
Выводы 55
Глава 3. Вакуумный электронный диод ускорителя «АСТРА» 56
3.1. Схема проведения экспериментальных исследований ВАХ вакуумного
электронного диода с плоскими катодами 59
3.2. Исследование ВАХ вакуумного электронного диода с плоскими катодами
3.3. Определение энергии, выделяемой в вакуумном электронном диоде с плоскими
катодами 62
3.4. Вычислительная модель вакуумного электронного диода ускорителя «АСТРА» 65
3.4.1. Закономерности изменения импеданса вакуумного электронного диода 66
3.4.2. Вычислительная модель диода с учётом запаздывания электронной эмиссии 69
3.4.3. Оценка погрешностей, вносимых вычислительной моделью диода 70
3.5. Моделирование работы ускорителя «АСТРА» с учётом запаздывания электронной
эмиссии в вакуумном электронном диоде 72
3.5.1. Эффективность передачи энергии, накопленной генератором, в вакуумный
электронный диод 73
3.5.2. Зависимость амплитуды импульса напряжения от времени запаздывания тока в
нагрузке генератора 75
3.5.3. Зависимость мощности, развиваемой в диоде, от времени запаздывания тока 76
Выводы 77
Глава 4. Частотный импульсный ускоритель электронов на основе диода с учётом запаздывания электронной эмиссии 79
4.1. Генерация электронного пучка в частотном режиме 79
4.2. Инжекция электронного пучка в атмосферу в частотном режиме 80
4.2.1. Выпускное окно без поддерживающей решётки 82
4.2.2. Выпуск электронного пучка в частотном режиме при охлаждении выпускного
окна водовоздушным потоком 84
4.2.3. Выпуск электронного пучка в частотном режиме при охлаждении выпускного
окна потоком газа 85
4.3. Частотный ускоритель электронов для радиационных технологий 86
4.3.1. Компоновочная схема ускорителя 86
4.3.2. Стабильность функционирования вспомогательных систем при частотной работе
ускорителя 89
4.4. Практическое применение ускорителя с выводом пучка электронов в атмосферу в частотном режиме 91
Выводы 94
Заключение 95
Список сокращений и условных обозначений 97
Список литературы 98
Приложение А

Купить

Ускорители электронов прямого действия в настоящее время широко используются в качестве источников ионизирующего излучения в промышленности, медицине, для решения экологических задач [1, 2, 3, 4]. Этому способствуют высокие показатели эффективности и безопасности технологических процессов с применением таких ускорителей [2, 5, 6]. Уровень развития ускорителей непрерывного действия с энергией электронов порядка нескольких МэВ и высокой, сотни кВт мощностью достиг промышленного применения [6, 7, 8, 9 ]. Размеры элементов изоляции, а значит и габаритные размеры корпусов ускорителей прямого действия, главным образом зависят от класса напряжения, применяемого для ускорения электронов, что сказывается на стоимости изготовления ускорителя, удобстве его размещения и эксплуатации. Указанные факторы ограничивают использование упомянутых выше ускорителей непрерывного действия с высокой мощностью пучка для решения локальных задач, требующих компактных, мобильных источников электронных пучков меньшей мощности.
Применение импульсного способа формирования ускоряющего напряжения в ускорителях прямого действия позволяет увеличить пробивное напряжение изолирующих промежутков [10, 11], что делает возможным уменьшение размеров изоляторов по сравнению с ускорителями непрерывного действия аналогичного класса напряжения. Увеличение электрической прочности изолирующих промежутков проявляется уже при импульсах субмикросекундной длительности. Импульсная мощность ускорителей может при этом составлять сотни ГВт, что практически недостижимо для ускорителей непрерывного действия. Для увеличения средней мощности импульсных ускорителей электронов увеличивают частоту повторения импульсов тока пучка. Уменьшение размеров и веса импульсного ускорителя приводит к уменьшению его стоимости, к повышению удобства размещения и эксплуатации.
Актуальность работы
Формирование импульсов мощности субмикросекундной длительности для различных значений величины энергии, запасаемой в первичном накопителе, является достаточно сложной задачей, не имеющей однозначного решения [12, 13]. Так, например, применение ёмкостного и индуктивного типов накопителей энергии, подразумевает использование разных (замыкающих и размыкающих соответственно) коммутаторов, формирующих фронт импульса мощности [11,12]. Распространены схемы построения ускорителей, основанные на применении формирующих линий, импеданс которых определяет параметры генерируемых импульсов мощности [12, 14].
Обзор существующих импульсных ускорителей электронов, их принципиальных схем и конструктивного исполнения, которые представлены в современной научной и технической литературе [31-75], показал, что зачастую, применение сложных схем формирования импульсов напряжения зачастую удорожает конструкцию, снижает надёжность и накладывает ограничения на возможные области практического применения оборудования. При этом основными проблемами при построении импульсных схем генерации электронных пучков, являются вопросы, связанные с коммутационными и эксплуатационными параметрами применяемых коммутаторов, электрической прочностью изолирующих промежутков, а так же вопросы генерации импульсного электронного пучка и его инжекции из вакуумной области генерации в области применения с атмосферным или повышенным давлением среды. В ряде случаев практического использования ускорителей, например при радиационно-химическом обеззараживании [78-80], становится целесообразным применение более простых, надёжных и дешёвых для реализации схем ускорителей с хорошими эксплуатационными характеристиками, при ухудшении энергетического спектра электронов пучка. Уширение энергетического спектра электронного пучка повышает требования к эксплуатационным характеристикам узла инжекции пучка в атмосферу, особенно для режимов с высокой частотой повторения импульсов для ускорителей с энергией электронов сотни кэВ. Таким образом, актуальными являются вопросы как усовершенствования "простых" схем формирования импульсов ускоряющего напряжения, так и вопросы генерации электронного пучка и инжекции его из диодной системы в атмосферу.
Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию характеристик ускорителя электронов со схемой формирования импульсов ускоряющего напряжения [15* , 16*, 17*], основанной на разряде ёмкостного накопителя энергии через импульсный
трансформатор, с вакуумным электронным диодом, использующим плоский композиционный катод на основе медной матрицы [18*]. Для диода с таким катодом было обнаружено существенное запаздывание протекания тока электронной эмиссии после приложения импульса ускоряющего напряжения [19*]. При этом были достигнуты значения ускоряющего напряжения, превышающие значения, полученные для катодов с меньшим временем запаздывания тока электронной эмиссии [20*], что привело к уменьшению потерь электронного пучка в разделительной фольге выпускного окна ускорителя [21*, 22*] и, как следствие, к улучшению условий эксплуатации ускорителя с высокой частотой повторения импульсов тока пучка. Экспериментально показано, что ускоритель с плоским композиционным катодом на основе медной матрицы способен генерировать и инжектировать импульсный электронный пучок в атмосферу с частотой до 50 имп./с [23*-26*]. Полученный режим генерации импульсного электронного пучка нашёл практическое применение для обеззараживания водных растворов в водовоздушном потоке [27*-30*].
Исходя из значительного влияния времени запаздывания тока электронной эмиссии на параметры импульса ускоряющего напряжения, была сформулирована цель исследования.
Цель настоящей работы - определить основные закономерности влияния запаздывания тока электронной эмиссии в вакуумном диоде на параметры импульса напряжения в схеме ёмкостный накопитель, импульсный трансформатор, электронный диод, и, с учётом выявленных закономерностей, разработать импульсный ускоритель электронов с выпуском пучка в реакционную камеру атмосферного давления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить закономерности формирования импульсов мощности в вакуумном электронном диоде при разряде ёмкостного накопителя через импульсный трансформатор с минимальным запаздыванием протекания эмиссионного тока после приложения импульса напряжения;
2. Исследовать временные и вольтамперные характеристики вакуумного электронного диода с плоскими катодами, обеспечивающими различное время запаздывания протекания тока электронной эмиссии в схеме ускорителя, основанной на разряде ёмкостного накопителя на электронный диод через импульсный трансформатор;
3. Разработать расчётную модель схемы формирования импульсов ускоряющего напряжения, которая учитывает запаздывание протекания тока в вакуумном электронном диоде и влияние элементов конструкции ускорителя, основанного на разряде ёмкостного накопителя через импульсный трансформатор на электронный диод. Провести сопоставление расчётной формы и амплитуды импульса ускоряющего напряжения с данными, полученными экспериментальным путём;
4. С помощью расчётной модели определить основные закономерности влияния запаздывания тока электронной эмиссии в вакуумном диоде на выходные параметры ускорителя по схеме ёмкостный накопитель, импульсный трансформатор, электронный диод;
5. С учётом выявленных закономерностей разработать импульсный ускоритель электронов с учётом запаздывания электронной эмиссии в диоде и экспериментально определить режимы частотной генерации и инжекции электронного пучка в атмосферу;
6. Провести испытания по использованию разработанного импульсного ускорителя для обеззараживания водных растворов в водовоздушном потоке.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. С помощью расчётной модели схемы замещения импульсного ускорителя электронов субмикросекундной длительности с энергозапасом 50 Дж на основе импульсного трансформатора установлено и экспериментально подтверждено, что амплитуда импульса мощности, развиваемой в диоде, и коэффициент использования запасённой в первичном ёмкостном накопителе энергии зависят от времени запаздывания тока электронной эмиссии и максимальных значений достигают при времени запаздывания 125 нс.
2. Установлено, что при увеличении времени запаздывания тока электронной эмиссии свыше 125 нс диапазон изменения амплитуды импульса напряжения в зависимости от импеданса нагрузки в диапазоне 200-500 Ом, который соответствует апериодической форме разряда основного ёмкостного накопителя энергии ускорителя (50 Дж), составляет 5%, а при запаздывании более 145 нс менее 1%.
3. Экспериментально установлено, что запаздывание тока электронной эмиссии 50-130 нс может быть получено в вакуумном диоде импульсного ускорителя электронов с энергозапасом 50 Дж при использовании плоского композиционного катода на основе медной матрицы с включением частиц BaTiO3размером 50-120 мкм в пропорции 1:1, при скорости нарастания напряжения в диапазоне 3,7-4,2х1012 В/с и напряжённости электрического поля в зазоре 10-20 МВ/м.
Практическая значимость работы определяется применением результатов для разработки импульсного электронного ускорителя с инжекцией пучка в атмосферу, предназначенного для работы в составе установки очистки сточных вод.
Положения, выносимые на защиту
1. Расчётная модель схемы замещения позволяет определять величину энергии, выделенной в диоде импульсного электронного ускорителя на основе ёмкостного накопителя и импульсного трансформатора, с погрешностью менее 5%.
2. При времени запаздывания тока электронной эмиссии 125 нс и скорости нарастания напряжения на диоде 4х1012 В/с в ускорителе электронов на основе импульсного трансформатора достигается максимальная амплитуда импульса развиваемой в диоде мощности, а так же максимальный коэффициент использования энергии запасённой в первичном ёмкостном накопителе энергозапасом 50 Дж.
3. Диапазон изменения амплитуды ускоряющего напряжения, развиваемого на диоде электронного ускорителя на основе импульсного трансформатора, соответствующий значениям импеданса диода для апериодической формы разряда основного ёмкостного накопителя энергии, уменьшается при увеличении времени запаздывания тока в диоде.
4. Использование плоского композиционного катода на основе медной матрицы с включением частиц BaTiO3размерами 50-120 мкм в пропорции 1:1, обеспечивает изменение времени запаздывания тока электронной эмиссии 50-130 нс относительно приложенного напряжения при изменении напряжённости электрического поля в зазоре в диапазоне 10-20 МВ/м.
5. Плоский композиционный катод на основе медной матрицы, обеспечивает непрерывный режим работы ускорителя с энергозапасом в первичном ёмкостном накопителе 50 Дж и инжекцией электронного пучка в атмосферу при частоте повторения импульсов тока пучка 50 имп./с.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Выводы, приведённые в работе, были сформулированы на основании анализа данных, полученных в результате комплексных экспериментальных исследований, включающих в себя: анализ осциллограмм токов и напряжений вакуумного электронного диода и высоковольтного ёмкостного накопителя ускорителя; измерения энергии, переданной электронным пучком за импульс с помощью калориметра полного поглощения; оценку распределения плотности энергии электронного пучка по тепловому отпечатку на поверхности мишени из пенополистирола и по автографу пучка на дозиметрической плёнке ПОР; оценку тепловых режимов работы конструктивных элементов ускорителя из термограммы поверхностей ускорителя, полученной с помощью тепловизора. Калибровка применяемого диагностического оборудования показала, что параметры функционирования ускорителя могут быть измерены с точностью не хуже 10 %. Результаты, полученные с применением программных пакетов для моделирования электрических процессов, подтверждаются результатами, полученными эмпирическим путём.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре Института физики высоких технологий НИ ТПУ, г. Томск, на профильных международных конференциях: 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, IPMHVC 2012, USA, San Diego; 4th Euro-Asian Pulsed Power Conference and 19th International Conference on High-Power Particle Beams, Karlsruhe, Germany, 2012; 8-ой международной конференции Ядерная и радиационная физика, Алма-Ата, Казахстан, 2011; 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск, 2012; 41st IEEE International Conference on Plasma Science and 20th International Conference on High-Power Particle Beams, Washington, May 25-29, 2014, а также на конференциях студентов и молодых учёных.
Публикации
По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 20 работ, из которых 14 статей в реферируемых журналах из перечня ВАК, в том числе 12 статей в соавторстве, 1 патент РФ.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является итогом разработки, создания, исследования характеристик, оптимизации параметров и практического применения частотного импульсного электронного ускорителя. Концепция и общий план выполненных исследований определялись в результате обсуждения задач исследования, научных результатов с научным руководителем и коллективом соавторов работ, выполненных по теме диссертации. Автором самостоятельно определены задачи исследования по теме диссертации, проведены и обработаны эксперименты, показавшие значительное время запаздывания тока электронной эмиссии в вакуумном диоде с плоским композиционным катодом на основе медной матрицы, по сравнению с плоскими катодами из других материалов. Автором самостоятельно разработана и проверена расчётная модель схемы формирования импульсов ускоряющего напряжения, которая учитывает запаздывание протекания тока в вакуумном электронном диоде и влияние элементов конструкции ускорителя. Подготовлены, проведены и проанализированы экспериментальные исследования генерации импульсов электронного пучка с инжекцией в атмосферу с частотой следования импульсов до 50 имп./с. При непосредственном участии автора: была разработана и изготовлена схема импульсного питания, конструкция высоковольтного блока ускорителя; разработан и изготовлен вакуумный электронный диод с инжекцией пучка в атмосферу, реакционная камера ускорителя; были проведены экспериментальные исследования по обработке импульсным электронным пучком водовоздушного потока для обеззараживания водных растворов.
Автором самостоятельно сформулированы защищаемые научные положения, сделаны выводы по работе.
Структура и объем диссертации
Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы из 135 наименований и 1 приложение. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включая 72 рисунка и 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель работы, поставлены задачи и аргументирована научная новизна результатов исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту положения.
В первой главе приведён анализ результатов литературного обзора по теме диссертации.
Во второй главе приведено описание принципа действия, конструктивного исполнения и состав диагностического оборудования импульсного электронного ускорителя «АСТРА», послужившего экспериментальным стендом для исследования характеристик катодов и прототипом создания ускорителя с диодом на основе запаздывания тока электронной эмиссии. Приведены результаты разработки и проверки расчётной модели схемы формирования импульсов ускоряющего напряжения.
Третья глава посвящена исследованию характеристик вакуумного электронного диода с плоскими катодами, для которых обнаружено разное запаздывание протекания тока электронной эмиссии от момента приложения импульса ускоряющего напряжения. Исследовано влияние характеристик диода на формирование импульса ускоряющего напряжения в схеме ёмкостный накопитель, импульсный трансформатор, электронный диод.
В четвертой главе приводятся результаты исследования генерации и инжекции пучка электронов в атмосферу с частотой повторения импульсов до 50 имп./с ускорителем с диодом на основе запаздывания протекания электронного эмиссионного тока. Глава содержит результаты исследований практического использования электронного пучка с частотой повторения 40 имп./с для обработки водных растворов в водовоздушном потоке с целью обеззараживания.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе
Купить