Разработка и исследование импульсного ускорителя с учётом запаздывания электронной эмиссии в диоде

• Автор: Егоров, Иван Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Сильноточные импульсные ускорители электронов
1.1. Генераторы высоковольтных импульсов ускорителей электронов
1.2. Электронный диод импульсного ускорителя электронов
1.3. Запаздывание тока электронной эмиссии в вакуумном диоде ускорителя
1.4. Применение ускорителей электронов для обработки водных растворов
Выводы
Глава 2. Устройство и диагностическое оборудование импульсного ускорителя электронов «АСТРА»
2.1. Принципиальная схема импульсного ускорителя электронов
2.2. Диагностическое оборудование импульсного ускорителя электронов
2.2.1. Средства измерения импульсного напряжения
2.2.2. Средства измерения имігульсньїх токов
2.2.3. Средства дополнительной диагностики параметров электронного пучка
2.3. Конструктивное исполнение высоковольтного генератора ускорителя
2.3.1 Емкостный накопитель энергии
2.3.2. Высоковольтный коммутатор
2.3.3. Импульсный трансформатор
2.3.4. Высоковольтный изолятор
2.4. Исследование параметров выходной цепи генератора высоковольтных импульсов
2.4.1. Исследование параметров выходной цепи генератора в режиме короткого замыкания
2.4.2. Испытание генератора с резистивной нагрузкой
2 4.3. Параметры схемы замещения выходной цепи генератора
2.5. Моделирование выходной цени генератора высоковольтных импульсов
2.5.1. Вычислительная модель выходной цепи генератора
2.5.2. Моделирование работы генератора в режиме короткого замыкания
2 5 .3 Моделирование работы генератора на высокоомную нагрузку
Выводы
Глава 3. Вакуумный электронный диод ускорителя «АСТРА»
3.1. Схема проведения экспериментальных исследований ВАХ вакуумного
электронного диода с плоскими катодами
3.2. Исследование ВАХ вакуумного электронного диода с плоскими катодами

3.3. Определение энергии, выделяемой в вакуумном электронном диоде с плоскими катодами
3.4. Вычислительная модель вакуумного электронного диода ускорителя «АСТРА»
3.4.1. Закономерности изменения импеданса вакуумного электронного диода
3 4.2. Вычислительная модель диода с учётом запаздывания электронной эмиссии
3.4.3. Оценка погрешностей, вносимых вычислительной моделью диода
3.5. Моделирование работы ускорителя «АСТРА» с учётом запаздывания электронной эмиссии в вакуумном электронном диоде
3 5.1. Эффективность передачи энергии, накопленной генератором, в вакуумный электронный диод
3.5.2. Зависимость амплитуды импульса напряжения от времени запаздывания тока в нагрузке генератора
3 5.3. Зависимость мощности, развиваемой в диоде, от времени запаздывания тока
Выводы
Глава 4. Частотный импульсный ускоритель электронов на основе диода с учётом запаздывания электронной эмиссии
4.1 Генерация электронного пучка в частотном режиме
4.2. Инжекция электронного пучка в атмосферу в частотном режиме
4.2.1. Выпускное окно без поддерживающей решётки
4.2.2. Выпуск электронного пучка в частотном режиме при охлаждении выпускного окна водовоздушным потоком
4.2.3. Выпуск электронного пучка в частотном режиме при охлаждении выпускного окна потоком газа
4.3. Частотный ускоритель электронов для радиационных технологий
4 3.1. Компоновочная схема ускорителя
4.3.2. Стабильность функционирования вспомогательных систем при частотной работе ускорителя
4.4. Практическое применение ускорителя с выводом пучка электронов в атмосферу в частотном режиме
Выводы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А

Введение
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 использоватге разных (замыкаюпцгх 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

Коллектор
к осц.
шунт низкоиндуктивный 7<ш=0,05 Ом
Рисунок 20. Внешний вид (а) и схематичное устройство (б) цилиндра Фарадея с дифференциальной откачкой
Низкоиндуктивный шунт ЦФ использовался для организации работы импульсного генератора в режиме близком к режиму короткого замыкания, а так же в цепи активной нагрузки диода для получения сигнала тока, проходящего через неё. Значение сопротивления шунта Кш=0,05 Ом получено с помощью измерителя иммитанса £7-21 [93].
Пояс Роговского
Регистрацию выходного тока генератора, полного тока диода, производили посредством применения трансформатора тока - пояса Роговского (ПР) с обратным витком. Наличие обратного витка позволяет снизить влияние внешних магнитных полей. Параметры пояса Роговского выбирались для регистрации субмикросекундных токов в соответствии с рекомендациями, приведёнными в [97]. Постоянная времени ПР т„р~5 мкс, что обеспечивает работу пояса в режиме трансформации тока. Найденная чувствительность пояса Роговского 160 А/В. Калибровка ПР производилась при сравнении показаний тока, протекающего по низкоиндуктивному шунту при режиме работы генератора близком к короткому замыканию.
2.2.3. Средства дополнительной диагностики параметров электронного пучка
Для получения достаточной информации об условиях генерации и инжекции импульсного электронного пучка в атмосферу, кроме регистрации электрических сигналов применялись дополнительные средства диагностики параметров импульсного электронного пучка.
Калориметр полного поглощения
Использовался для оценки энергии, переносимой электронным пучком за анод вакуумного электронного диода. Калориметр имеет конструкцию, подробно описанную в [98]. Коллектор калориметра выполнен тем же диаметром, что и коллектор ЦФ и представляет собой медный диск известной массы. К коллектору калориметра с помощью сплава Вуда [99] припаян датчик температуры, показания которого передаются на выносной блок индикации Толщина