Исследование генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом

• Автор: Кайканов, Марат Исламбекович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Обзор литературы

1.1. Импульсные электронные ускорители с взрывоэмиссионными катодами

1.2. Принцип работы диодов с взрывоэмиссионными катодами

1.3. Первеанс диода с взрывоэмиссионным катодом

1.3.1. Математическое описание первеанса диода с взрывоэмиссионным катодом

1.3.1.1. Соотношение Чайлда-Ленгмюра

1.3.1.2. Модель Ленгмюра-Блоджетт

1.4. Влияние распределения напряженности электрического поля в диоде на работу взрывоэмиссионных катодов

1.5. Изменение эмиссионной способности катода с увеличением числа срабатываний

1.6. Применение импульсных электронных пучков
1.6.1. Обработка водного раствора фенола потоком ускоренных электронов
Выводы к главе
2. Экспериментальная установка и диагностическое оборудование
2.1. Импульсный электронный ускоритель электронов АСТРА-М
2.2. Диагностическое оборудование диодного узла ускорителя АСТРА-М
2.2.1. Емкостной делитель напряжения
2.2.2. Пояс Роговского
2.2.3. Работа генератора импульсов на активную нагрузку
2.3. Определение параметров импульсного электронного пучка
2.3.1. Регистрация тока импульсного электронного пучка
2.3.2. Определение первеанса
2.3.3. Модифицированный дозиметр Фрикке
2.3.4. Определение профиля выведенного электронного пучка
2.4. Определение растворенных веществ в воде
Выводы к главе
3. Исследование генерации импульсного электронного пучка
3.1. Влияние эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода на плотность энергии выведенного электронного пучка
3.1.1. Генерация электронного пучка игольчатым катодом
3.1.2. Исследование ВАХ медного лезвийного катода
3.2. Исследование работы катода лезвийной конструкции с ростом

количества включений
3.2.1. Исследование работы медного лезвийного катода
3.2.2. Диод с лезвийным МД-катодом
3.3. Поведение первеанса диода высокоимпедансного ускорителя
3.3.1. Постановка задачи
3.3.2. Аналитическая модель первеанса диода с учетом краевого эффекта
3.3.3. Проверка полученной модели: исследование поведения первеанса диода
с лезвийным катодом из свинца
Выводы к главе
4. Исследование влияния краевого эффекта на плотность энергии
выведенного электронного пучка
4.1. Расчет распределения напряженности электрического поля в
ускоряющем промежутке
4.2. Исследование работы диода при снижении влияния краевого эффекта
4.3. Влияние распределения электрического поля в диоде на эффективность
вывода электронного пучка
4.4. Моделирование поглощения импульсного электронного пучка в воде
4.5. Применение электронного пучка наносекундной длительности
4.5.1. Исследование влияния повышенной импульсной мощности поглощенной
дозы на деструкцию фенола в воде
4.5.2. Повышение эффективности деструкции фенола в воде за счет
трансформации первичных продуктов радиолиза воды
4.5.3. Обработка промышленно-бытовой воды импульсным электронным пучком
Выводы к главе
Заключение
Список литературы

Введение
Импульсные электронные пучки находят широкое применение во многих областях науки и техники: возбуждение эксимерных лазеров, ионизация молекул газа и жидкостей для инициации химических процессов, обработка поверхности твердосплавных изделий, технологии электронно-стимулированного обеззараживания и стерилизации, сшивка полимеров п т.д. При этом актуальным является применение потока ускоренных электронов для обработки промышленно-бытовых сточных вод, поскольку технологии предотвращения и ликвидации загрязнения окружающей среды входят в перечень критических технологий Российской Федерации. Основным параметром, определяющим эффективность использования технологии обработки растворов на базе импульсных электронных ускорителей, является величина плотности энергии выведенного электронного пучка. Диссертационная работа посвящена исследованию генерации импульсного электронного пучка в дноде с высоким импедансом и определению факторов, влияющих на эффективность вывода импульсного электронного пучка из диодной камеры ускорителя. В качестве практического использования полученных результатов повышения плотности энергии выведенного импульсного
электронного пучка показана возможность его применения для деструкции фенола, растворенного в воде.
Наибольшее распространение в схемах импульсных ускорителей с субмикро- и микросекудной длительностью напряжения получили диоды с «холодным» взрывоэмиссионным катодом. Величина тока диода с взрывоэмиссионным катодом, работающего в режиме ограничения объемным зарядом, пропорциональна величине
ускоряющего напряжения в степени 3/2 и определяется первеансом диода:_/(£) = P(t) ■ L/(t)3/2,
где j(t)- плотность электронного тока, U(t)- напряжение, приложенное к ускоряющему промежутку, P(t) - первеанс диода. Аналитическая зависимость, с высокой точностью описывающая поведение тока электронного диода с взрывоэмиссионным катодом от ускоряющего напряжения, зависит от параметров диодной системы. Геометрия диода
высокоимпедансных ускорителей отлична от геометрии модели Чайлда-Ленгмюра, используемой при решении уравнения Пуассона и нахождении аналитической зависимости эмитируемого тока от ускоряющего напряжения для диодов наиболее распространенных типов импульсных ускорителей. Для совпадения экспериментальных значений псрвеанса диода с теоретическим расчетом по модели Чайлда-Ленгмюра обычно вводятся поправочный коэффициент - форм-фактор. При этом значение форм-факторов - величина непостоянная и зависит от отношения катод-анодного зазора к радиусу катода (для симметричных круглых катодов). Т.е. для каждого конкретного значения ускоряющего промежутка d^A: необходимо

Таблица 7. Константы скорости химических реакций продуктов радиолиза водного раствора
фенола при облучении непрерывным электронным пучком
Химическая реакция k, M'V Литература
СйН5ОН+ОН—»CAT +IIYD CO X 0 с [63,64,65]
СбН5ОН+ОН*^[СйН5(ОН)2]' 1.4xl010 [63,64,65]
C6II5OH+ eat]_—►products 3.0x10' [63,64,
CAT +ОН'—»products (trihydroxy benzene) 1.1x10ій [64]
HYD+OH"—»products (trihydroxybenzene) 2.1 x 101U [64]
[C6H5 (OH)2V +02-»СбН4(011)2 +I-IO2 Г
Trihydroxybenzene -ЮН'—»by-products l.OxlO10 Г64]
СбН5ОН+Н"—>СбН5(ОН)Н" 1.7x10у [63,64,65]
Таким образом, происходит снижение концентрации фенола в воде при малом его исходном содержании в растворе за счет взаимодействия с продуктами радиолиза воды. Продуктами радиолиза водного раствора фенола, помимо ССЬ и ГЬО, согласно [65-68], являются пирокатехин (0=1.42), гидрохинон (0=0.94), окисление которых достигается при повышении поглощенной дозы излучения.
При этом следует отметить, что радиационно-химический выход окисления фенола в воде зависит как от исходного содержания фенола, так и от условий облучения. В частности, существуют различные способы интенсификации окисления за счет применения дополнительного воздействия на воду: повышение температуры облучаемого образца [68], добавление фотокатализатора в виде нанопорошка в раствор фенола [69,70], введение в водный раствор дополнительного химического соединения, трансформирующего первичные продукты радиолиза в воды [71]. В табл. 8. приведены результаты полученных значений РХВ окисления фенола в воде различными авторами. Как видно из таблицы, наиболее существенное влияние на РХВ имеет исходная концентрация, поскольку процесс радиолитического окисления фенола в водных растворах характеризуется кинетикой псевдо-первого порядка.
Таблица 8. Значения РХВ окисления фенола в водных растворах __________________________________________________________________(литературные данные)
Исходное содержание фенола Вид и параметры излучения Условия обработки Значение РХВ (мкМоль/Дж) Лит. ист-к
1 мг/л Электронный пучок, 1,5 МэВ, ток 60 мА Electron Beam Research Facility, Miami-Dade Cetral В проточном режиме при комнатной температуре и атмосферном давлении в 0,012-0,050 (рН=5) 0.013-0.040 (рН=9) [71-74]
10 мг/л 0,040-0,170 (р1Т=5) 0.042-0.130 (рН=9)