|
Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-1
Ю.А. Котов, С.Ю. Соковнин, М.Е. Балезин
Аннотация
Для применения в радиационных технологиях создан частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-1 по схеме: тиратрон -импульсный трансформатор - полупроводниковый прерыватель тока. Ускоряющее напряжение до 1 МВ, длительность импульса на полувысоте 50 нс, работает с частотой вплоть до 10 Гц. Примененный металлодиэлектрический катод позволяет получать пучок электронов диаметром до 160 мм при максимальной плотности тока в импульсе до 2 А/см2. При работе ускорителя в режиме генератора тормозного излучения на расстоянии 17 см создается мощность дозы ___ Гр/с.
Введение
Коммерческие применения ускорительной техники, в отличие от науки и военного дела, выводят на первое место чисто потребительские качества ускорителей, а именно, дешевизну, простоту изготовления и обслуживания, надежность и долговечность. Как уже отмечалось выше, из большого числа имеющихся типов наносекундных ускорителей электронов (НУЭ) указанным требованиям наиболее отвечают ускорители, основанные на использовании полупроводникового прерывателя тока (ППТ) [1-6].
Подобные ускорители создаются сегодня двумя путями:
· с использованием схем предварительной магнитной компрессии энергии (Рис. 1а);
· по схеме тиратрон- импульсный трансформатор- ППТ (Рис. 1б).
К недостаткам первой схемы можно отнести:
· Относительную сложность схемы, содержащей несколько взаимосвязанных контуров магнитного сжатия энергии, что затрудняет настройку и ремонт ускорителей;
· Сложность реализации режима однократных импульсов;
· Сложность достижение точной (наносекундной) синхронизации срабатывания ускорителя из-за использования для коммутации низковольтных мощных тиристоров с большим временным разбросом;
· Сложность выборочного регулирования мощности.
Первый недостаток не существенен для единичных лабораторных образцов, но значительно усложнит промышленное производство ускорителей.
Второй недостаток может проявиться лишь в ограниченном круге применений, и связан с тем, что при включении ускорителя в течение нескольких импульсов происходит самонастройка магнитных элементов контуров. Это связано с тем, что обычно не используется принудительное подмагничивание, которое достаточно трудоемко в реализации на высоком напряжении.
Третий недостаток может сказаться лишь изредка, и связан с тем, что хотя разброс времени включения отдельного тиристора очень мал, эта величина сильно меняется от тиристора к тиристору и зависит от многих факторов (температуры, степени стабилизации коммутируемого напряжения, управляющего импульса и т.п.), стабилизация которых резко усложняет конструкцию. Кроме того, свое влияние в разброс внесут контура сжатия энергии, стабилизация которых по времени срабатывания возможна, но также усложняет конструкцию.
Последний из отмеченных недостатков связан с тем, что схема магнитной компрессии энергии последовательно сжимает одинаковую порцию энергии во всех контурах (без учета потерь). Это приводит к тому, что создается сбалансированная конструкция (что по большому счету хорошо!), недостатком которой является невозможность выборочного снижения мощности предварительных контуров. Такая потребность особенно реальна именно для ускорителей, так как достижение заданных параметров (особенно ускоряющего напряжения) в последнем контуре (где непосредственно формируется НЭП) требует определенного уровня энергии в импульсе, в том числе и для зарядки паразитных параметров контура.
В результате может возникнуть избыточная (исходя из условий конкретного применения) средняя мощность предварительных контуров, которую принципиально нельзя уменьшить и реальна ситуация работы схемы с существенным недогрузом, что экономически не рационально.
Рис. 1. Схемы построения ускорителей по SOS-технологии
Вторая схема не имеет указанных недостатков, но содержит тиратрон, который имеет существенно более низкий ресурс, чем остальные элементы схемы. Однако это относительно недорогой прибор, выпускаемый промышленность в больших количествах, и его применение, на наш взгляд, оправдано.
Ускоритель УРТ-0,2 [3] позволил проверить работоспособность выбранной схемы и отработать компоновку ускорителей, которая была усовершенствована в ускорителе УРТ-0,5 [4]. Параметры ускорителей приведены в Таблице 1.
Таблица. Параметры ускорителей серии УРТ
|
Установка |
U, кВ |
Энергия в импульсе, Дж |
Tи, нс |
Частота следования импульсов, Гц |
|
УРТ-0,2 |
200 |
1,75 |
35 |
250 |
|
УРТ-0,5 |
500 |
6,25 |
50 |
200 |
|
УРТ-1 |
800 |
25 |
50 |
10 |
Отметим, что созданные ускорители электронов сочетают в себе компактность, простоту конструкции и эксплуатации. Примененная схема формирования импульса высокого напряжения на тиратроне позволяет изменять среднюю мощность ускорителя в широких пределах, посредством замены ИВН и частоты запуска тиратрона. Однако, выполненные исследования по применению наносекундных ускорителей [7] показали необходимость увеличения энергии электронов, при сохранении средней мощности ускорителя.
Целью настоящей работы было развитие указанной схемы в область больших напряжений. Имеющиеся в настоящее время данные по ППТ не позволяют однозначно выполнить расчет и конструирование ускорителя на заданные параметры.
Описание конструкции ускорителя
Принципиальная схема ускорителя УРТ-1 (Рис. 2) отличается тем, что в качестве формирующей индуктивности контура используется не только собственная индуктивность контура обратной накачки ППТ (как в [3,4 ]), но и дополнительный соленоид, индуктивность которого (L=4,5 мкГ) была оптимизирована экспериментально (Рис. 3). Необходимость дополнительного соленоида вызвана тем, чтобы уменьшить воздействие формируемых ППТ наносекундных импульсов на изоляцию импульсного трансформатор.
Рис. 2. Схема ускорителя УРТ-1.
Рис. 3. Напряжение вакуумном диоде при различных значениях индуктивности L/
Импульсный трансформатор (ИТ) намотан на сердечнике из трех колец К650*470*25 мм3 из пермалоя 50НП толщиной 20 мкм. Между кольцами выполнен 3 мм зазор для охлаждения. Коэффициент трансформации равен 10, индуктивность рассеяния составляет около 1 мкГ. Обмотки выполнены из медной ленты толщиной 0,5 мм, вторичная из ленты шириной 30 мм, а первичная из ленты шириной 50 мм. Первичная обмотка перекрывает примерно треть вторичной, которая намотана на
каркас из оргстекла. Изоляционные промежутки сердечник-обмотка и между обмотками составляют 25 мм.
Для эффективного перемагничевания сердечника импульсного трансформатора используется схема рекуперации, состоящая из диода V1 (СДЛК 0,4/125) и катушки индуктивности (Lр=20 мкГ, Рис.2). Применение схемы рекуперации позволяет существенно увеличить стабильность работы ускорителя, особенно в режиме однократных импульсов.
Емкость конденсатора первого контура составляет С0 =84,1 нФ, конструктивно он состоит из 15 параллельных секций по два включенных последовательно конденсатора К15-10-40кВ-0,01мкФ. Емкость конденсатора второго контура составляет С1 =650 пФ, конструктивно он состоит из 4 параллельных секций по 28 включенных последовательно конденсатора КВИ-3-12кВ-6800пФ. Использование в первом контуре конденсаторов типа К15-10 позволило существенно сократить габариты, однако ввело ограничение по возможной частоте работы ускорителя. Данный компромисс на наш взгляд оправдан тем, что уже при 50 Гц средняя мощность ускорителя становиться вполне достаточной для многих приложений.
Для коммутации использовался тиратрон Л1 с холодным катодом ТП2-10к/50 [8], работающий в режиме с заземленным катодом.
ППТ конструктивно состоит из 4 параллельных ветвей по семь диодов СДЛК 0,4/125, включенных последовательно. Схема формирования высоковольтного импульса и вакуумный диод погружены в трансформаторное масло и размещаются в 
Рис.4. Осциллограммы тока пучка (I) и напряжения на вакуумном диоде (U)
при расстоянии анод-катод d=90 мм.
Рис.5. Распределение поглощенной дозы в Al для ускорителей УРТ-0,5 и УРТ-1.
металлическом корпусе квадратного сечения (сторона 900 мм) длиной 1300 мм с водяной рубашкой сверху для охлаждения.
Источник высокого напряжения (ИВН) преобразует напряжение сети 220В в регулируемое постоянное напряжение до 50 кВ. Управление ускорителем осуществляется дистанционно от блока управления (БУ).
Вакуумный диод ускорителя работает при давлении около 10-4 торр, которое создается диффузионным вакуумным насосом Н-100. Вакуумный изолятор выполнен с экранировкой поверхности диэлектрика [9].
В вакуумном диоде ускорителя применялись МДМ [10] и МК катоды [11]. Для вывода пучка вакуумный диод имеет выпускное окно диаметром 170 мм. Окно имеет
алюминиевую решетку с прозрачностью 85 %, состоящую из прорезей и ребер шириной 10 и 2 мм, соответственно. На решетку укладывается выходная алюминиевая фольга толщиной 15 мкм в два слоя. В решетке имеется канал для водяного охлаждения. В режиме генератора тормозного излучения для конверсии электронов в тормозное излучение использовалась фольга из тантала толщиной 300 мкм, которая устанавливалась перед выходной фольгой.
Напряжение на формирующей емкости С1 и напряжение на вакуумном диоде и измерялись с использованием омического и емкостного делителей напряжения, соответственно (Рис.7). Ток в последнем контуре и ток пучка электронов на выходе из вакуумного диода измерялись с помощью низкоиндуктивного шунта (из нержа-веющей фольги) и трансформатора тока в анодном фланце, соответственно. Электрические импульсы регистрировались на цифровом осциллографе Tektronix TDS 360.
Для измерения мощности поглощенной дозы тормозного излучения, в режиме генератора тормозного излучения (мишень из тантала толщиной 0,3 мм), применялся полупроводниковый детектор СКД1-02 с блоком разделительных конденсаторов СБР-21, который устанавливался на расстоянии 170 мм.
Рис.6. Распределение плотности тока J на аноде ускорителя УРТ-1
(по оси симметрии анода и в 10 мм от оси анода).
Рис.7. Осциллограммы тока шунта (I) и напряжения с ОДН (U)
при напряжении на С0=45 кВ.
Методика эксперимента и результаты
На ускорителе достигнуты следующие параметры: ускоряющее напряжение до 800 кВ; длительность импульса тока на полувысоте tимп =50 нс; частота непрерывной работы до f=10 Гц (определяется мощностью имеющегося источника питания).
Характерные осциллограммы тока пучка (I) и напряжения на вакуумном диоде (U) при расстоянии анод-катод d=90 мм приведены на Рис.4.
Для проверки электрических измерений использовалась дозиметрическая методика [3], при этом было получено распределение поглощенной дозы в Al. На Рис. 5 приведены данные для ускорителей УРТ-0,5 и УРТ-1. Дозиметрическая методика показывает несколько большее значение энергии электронов (0,9-1 МэВ), чем электрические измерения. Возможно, это связано с достаточно большой индуктивностью вакуумного диода (общая длина катододержателя ~ 70 см).
Измерения поглощенной дозы электронного пучка на выходе ускорителя проводились с помощью дозиметрических пленок типа ЦДП -2-Ф2 [12]. Детекторы устанавливались вплотную к выходной фольге. Размер детектора позволял получить полный отпечаток пучка.
Измерение проводилось по 20 импульсам (использовался МДМ-катод), подаваемым с частотой f=1 Гц. Результаты обработки показаний детекторов на микрофотометре позволили получить распределение плотности тока J на аноде ускорителя УРТ-1 (по оси симметрии анода и в 10 мм от оси анода, Рис.6), которое имеет существенную неоднородность в центре пучка электронов.
Заключение
Таким образом, созданный наносекундный ускоритель электронов подтвердил работоспособность выбранной схемы в области высоких напряжений. Этот ускоритель может быть использован в радиационных технологиях в слоях толщиной до 2 г/см2, таких как радиационная стерилизация, радиационная обработка жидкостей в тонких слоях.
Литература
1. Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Rukin S.N. et al// Digest of 9-th IEEE Pulsed Power Conf., 1993, Albuquerque, New Mexico, USA, v.1, p.p. 134-139.
2. С.Н. Рукин//Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока /ПТЭ, 1999, № 4, с.5-36.
3. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин //Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,2 / ПТЭ, № 4, 1997, с.84-86;
4. Ю.А. Котов, С.Ю. Соковнин, М.Е.Балезин// Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,5/ ПТЭ, 2000, №1, с. 112-115;
5. Yu.A. Kotov, G.A. Mesyats, S.R.Korzhenevski et al// Compact repetitive electron beam and X-radiation generator / Proc. Of 10-th IEEE Pulsed Power Conf., 1995, Santa Fe, New Mexico, USA, July 10-13, v.2, pp. 1231-1234.
6. Ф.Я. Загулов, В.В. Кладухин, Д.Л. Кузецов и др. //Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателям тока / ПТЭ, 2000, № 5, с. 71-76.
7. Yu.A. Kotov, S.Yu. Sokovnin// Overview of the Application of Nanosecond Electron Beams for Radiochemical Sterilization/ IEEE Transactions on Plasma Science, Special Issue, v. 28, 2000, N 1, pp.133-136.
8. Бочков В.Д., Королев Ю.Д., Франк К. и др.// Псевдоискровые разрядники для схем питания импульсных лазеров / Известия высших учебных заведений, сер. Физика, 2000, № 5, с. 97-105.
1.8. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Семин Б.П., Шпак В.Г.//ПТЭ.1981. № 4. с.15.
9. Котов Ю.А., Филатов А.Л., Родионов Н.Е. и др. // ПТЭ. 1986. № 2. с. 138.
10. С.П. Бугаев, В.А. Илюшкин, Е.А. Литвинов, В.Г. Шпак // ЖТФ, т.XLIII, (1973), в.10, с. 2138-2142.
11. Ю.А. Котов, Е.А. Литвинов, С.Ю. Соковнин, М.Е. Балезин, В.Р. Хрустов // // ДАН, т.370, 2000, №3, с.332-335.
12. Генералова В.В., Гурский М.Н. Дозиметрия в радиационной технологии/ М.: Из-во стандартов, 1981
|
