The pulse electron beam accelerator.pdf Введение Целью работы является разработка и изготовление простого и надёжного ускорителя электронов, предназначенного для получения и вывода в атмосферу пучка ускоренных электронов для исследования радиационной стойкости микроэлектронных изделий с массовой толщиной не более 0.5 г/см2. Технические требования к ускорителю: энергия электронов ≥ 1МэВ, число электронов с энергией ≤ 1 МэВ после выводного окна ускорителя не больше 20 %, плотность тока электронов на расстоянии 10 мм от выводного окна ускорителя варьируется в диапазоне 10-200 А/cм2 с возможностью плавного изменения, площадь облучаемого пятна 2 см2 с неоднородностью не более 20 %, длительность импульса электронов на полувысоте 50 нс с отклонением не более 15 нс, на полувысоте 100 нс - не более 15 нс, 200 нс - не более 20 нс, производительность ускорителя 50 однократных импульсов в смену, электромагнитные наводки в сигнальных кабелях не более 0.5 В, эксплуатация установки персоналом без опыта в области разработки ускорителей, управление ускорителем от персонального компьютера. С учётом вышеприведённых требований и особенностей ускоритель может быть реализован по схеме: высоковольтный импульсный источник напряжения (генератор импульсного напряжения Аркадьева - Маркса или высоковольтный импульсный трансформатор) заряжает формирующий элемент, который после срабатывания коммутатора разряжается на вакуумный диод со взрывной электронной эмиссией. Из условия простоты устройства и эксплуатации в качестве высоковольтного импульсного источника выбран высоковольтный импульсный трансформатор с одновитковой первичной и многовитковой вторичной обмоткой, для обеспечения максимальной требуемой длительности импульса в качестве формирующего элемента выбрана необычная для установок с такими параметрами спиральная формирующая линия. Применение обычной формирующей линии из сплошных коаксиальных проводников кажется неоправданным из-за существенного увеличения (на 3-4.5 м) продольных размеров линии. Изменение длительности импульса обычно обеспечивается набором формирующих линий разной длины, применением для заполнения формирующих линий диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью (например, в [1]) или срезающего разрядника [2]. Использование срезающего разрядника приводит к передаче только части запасённой в первичном накопителе энергии в нагрузку. Неиспользованная в нагрузке энергия рассеивается в высоковольтном импульсном источнике напряжения и формирующем элементе и может вызывать уменьшение их ресурса, однако применение срезающего разрядника обеспечивает быстрый спад импульса напряжения (и следовательно, уменьшение доли электронов с энергией меньше 1 МэВ) и позволяет эксплуатировать ускоритель без дополнительных работ по сливу и заливу диэлектрических жидкостей и разборки-сборки формирующего элемента для изменения длительности импульсов. Для уменьшения электромагнитных наводок все элементы ускорителя с импульсными напряжениями и токами выполняются внутри замкнутых заземлённых металлических корпусов или экранов. Ниже представлены конструкция и результаты испытаний ускорителя электронных пучков ИРВ с вышеприведёнными параметрами. Устройство и принцип работы ускорителя В состав ускорителя ИРВ входят следующие основные элементы: высоковольтный блок ускорителя (первичный накопитель энергии, импульсный трансформатор, спиральная формирующая линия, формирующий разрядник, кабельный инвертор с линиями задержки, узел нагрузки), система управления и контроля, система газообеспечения и вакуумная система. Габаритные размеры ускорителя 3.2351.2722.008 м. Общий вид высоковольтного блока ускорителя ИРВ приведён на рис. 1. Рис. 1. Общий вид высоковольтного блока ускорителя ИРВ: 1 - первичный накопитель энергии; 2 - импульсный трансформатор; 3 - cердечник трансформатора; 4 - высоковольтные вводы; 5 - вторичная обмотка трансформатора; 6 - полиэтиленовый каркас; 7 - спиральный проводник; 8 - корпус формирующей линии; 9, 10, 11 - электроды формирующего разрядника; 12 - кабельный инвертор; 13 - высоковольтный делитель напряжения; 14 - линия задержки; 15 - узел нагрузки Первичный накопитель энергии 1 представляет собой металлический контейнер с габаритными размерами 380475550 мм, в который помещены два конденсатора ИЭПМ-100-0,4 УХЛ4 (зарядное напряжение конденсатора до 100 кВ, номинальная ёмкость 0.4 мкФ, рабочий ток до 100 кА, индуктивность (50±20) нГн) и коммутирующий разрядник тригатронного типа. Контейнер заполнен трансформаторным маслом. Импульсный трансформатор 2 - это металлический контейнер диаметром 930 мм и длиной 626 мм, в котором размещены замкнутый тороидальный сердечник 3 сечением 100 см2 «по железу» из стальной электротехнической ленты марки 3425 толщиной 50 мкм и вторичная обмотка трансформатора. Первичная обмотка имеет один виток, который образован шестью высоковольтными вводами 4 и контейнером трансформатора. Две параллельно соединённых вторичных обмотки 5 из двадцати витков каждая изготовлены из дюралюминиевых полос толщиной 8 мм и смонтированы на тороидальном полиэтиленовом каркасе 6, обмотки занимают три четверти окружности тора. Полосы профилированы по длине для обеспечения одинаковых зазоров между соседними витками. Два конца вторичных обмоток болтовым соединением прикреплены к контейнеру трансформатора («заземлены»), место соединения двух других концов обмоток пружинным контактом-сильфоном соединено со спиральной формирующей линией. Конденсаторы первичного накопителя соединены с первичным витком трансформатора шестью кабелями КВИМ длиной 1 м каждый. Для стабилизации параметров формируемых импульсов используется перемагничивание сердечника. Спиральная формирующая линия образована дюралюминиевым внутренним проводником 7, изготовленным в виде цилиндрической спирали (толщина провода спирали 10 мм) с наружным диаметром 163 мм и цилиндрическим нержавеющим корпусом 8 с внутренним диаметром 422 мм. Длина спирали формирующей линии составляет 562 мм, шаг спирали 36 мм, расстояние между соседними витками спирали 12 мм. Линия заполнена смесью этилового спирта и глицерина (для уменьшения вязкости глицерина) в соотношении 1:1.54 по объёму соответственно. Эффективная диэлектрическая проницаемость этой смеси эфф определяется по модели Оделевского [3] по формуле , , где с и г - диэлектрические проницаемости спирта и глицерина; yс и yг - объёмные доли спирта и глицерина в смеси (yс + yг = 1). При средней диэлектрической проницаемости спирта с = 25.35 и средней диэлектрической проницаемости глицерина г = 43.85 в диапазоне температур 18-25 °С эффективная диэлектрическая проницаемость этой смеси составит эфф = 35.8. Волновое сопротивление и электрическая длина формирующей линии оцениваются по формулам из [4] и составляют 86 Ом и 101 нс соответственно. Объем формирующей линии отделен от импульсного трансформатора и от формирующего разрядника изоляторами из капролона. Формирующий разрядник представляет собой два разрядника с одним общим электродом в одном корпусе диаметром 430 мм и длиной 344 мм. Неуправляемый обостряющий разрядник, образованный электродами 9 и 10 с промежутком между ними 15 мм, формирует передний фронт ускоряющего импульса меньше 10 нс. Управляемый срезающий разрядник, образованный электродами 10 и 11 с промежутком между ними 37.2 мм, формирует задний фронт импульса. В электрод 11 встроен пусковой электрод. Все электроды разрядников выполнены из стали 12X18H10T. Разрядник заполняется последовательно элегазом до давления 5 ати и затем азотом до давления 16 ати. Изолятором из капролона формирующий разрядник отделен от узла нагрузки, с которым гальванически соединен с помощью пружинного контакта-сильфона. Ось узла нагрузки ориентирована перпендикулярно оси формирующего разрядника. Кабельный инвертор 12 - это цилиндрическая катушка из четырёх витков со средним диаметром 314 мм, намотанная с шагом 39.5 мм кабелем КВИ-120. Инвертор собран в негерметичном стальном контейнере с габаритными размерами 420580250 мм, размещён на подставке узла нагрузки и предназначен для изменения полярности высоковольтного импульса напряжения с отрицательной на положительную для запуска срезающего разрядника. Импульс напряжения с высоковольтного емкостного делителя 13 с максимальной амплитудой, равной одной десятой от напряжения на ускорительной трубке, по отрезку кабеля КВИ-120 поступает на кабельный инвертор, с инвертора импульс напряжения противоположной полярности по линии задержки 14 поступает на пусковой электрод срезающего разрядника. Линии задержки предназначены для временной задержки высоковольтного импульса управления срезающим разрядником и представляют собой набор отрезков кабеля КВИ-120 определенной длины с высоковольтными разъемами на концах. Длины кабеля подбираются таким образом, чтобы с учетом времени пробега по ним электрического импульса и времени срабатывания разрядника обеспечивались требуемые длительности формируемого на нагрузке импульса ускоряющего напряжения в диапазоне 50-200 нс. Узел нагрузки 15 смонтирован в корпусе диаметром 750 мм и длиной 900 мм. Корпус узла нагрузки заполнен трансформаторным маслом. В узле нагрузки размещены ускорительная трубка, устройство перемещения катода для изменения плотности тока в диоде (приводной вал устройства перемещения катода выведен в атмосферу), катушка соленоида, формирующая магнитное поле для удержания электронного пучка при его транспортировке, высоковольтный делитель напряжения для получения импульса управления срезающим разрядником, измерительный делитель напряжения и датчики тока. Узел нагрузки ИРВ схематично изображен на рис. 2. Ускорительная трубка состоит из вакуумного изолятора, собранного из изоляторных колец 1 и градиентных колец 2, стянутых шпильками из капролона между дюралюминиевыми опорными фланцами, катододержателя 3 с катодом 4, сетчатого анода 5, тракта транспортировки пучка (соленоида) 6 и выводного окна 7. Величина диодного промежутка анод - катод в зависимости от нужной плотности тока регулируется вращением приводного вала устройства перемещения катода. Система управления ускорителем и вспомогательными технологическими системами находится в одном помещении с ускорителем и конструктивно размещена в отдельном напольном шкафу, имеющем габариты 6008002000 мм. В этом шкафу размещаются коммутационные устройства сетевого питания, главный контроллер системы управления, элементы системы безопасности персонала, источник высокого напряжения для зарядки первичных накопителей до 80 кВ, генератор перемагничивания импульсного трансформатора, генератор запуска, генератор импульса тока для создания магнитного поля, распределительная панель системы газообеспечения. Шкаф управления оптоволоконным кабелем связан с удалённым компьютером оператора, управляющего установкой. Программа управления создана в среде графического программирования LabView и позволяет осуществлять управление установкой и контроль необходимых параметров в реальном времени. Рис. 2. Узел нагрузки ИРВ: 1 - изоляторные кольца; 2 - градиентные кольца; 3 - катододержатель; 4 - катод; 5 - анод; 6 - соленоид; 7 - выводное окно; ДН - измерительный делитель напряжения; Iполный, Iанода, Iцил. Фар - датчики тока Система газообеспечения состоит из: баллонов с азотом и элегазом; редукторов высокого давления; предохранительных клапанов; панели осушки газа, в состав которой входят блоки осушки и газовые фильтры; распределительной панели, в состав которой входят электромагнитные клапаны, газовый редуктор, дроссели, датчики давления и манометры; трубопроводов. Она предназначена для заполнения осушенным газом формирующего разрядника, разрядника первичного накопителя энергии и привода (пневмоцилиндра) устройства, замыкающего конденсаторы первичного накопителя энергии на «землю» при отключении электропитания ускорителя. Вакуумная система состоит из форвакуумного спирального насоса и высоковакуумного турбомолекулярного насоса без принудительного охлаждения, вакуумного электромагнитного клапана и датчика вакуума. Основные элементы вакуумной системы выбраны из расчёта откачки объёма вакуумной камеры от атмосферного давления до давления не более (1-3)10-4 Торр за время не более 40-60 мин (при нормальных условиях). Безопасность обслуживающего персонала обеспечивается контроллером системы управления, при этом реализуется быстрая реакция логической схемы на состояние линии «Блокировка» или сигналы «Внутренняя авария» от элементов системы. При этом высоковольтные источники питания генератора отключатся от питающей сети, и высоковольтные конденсаторы разряжаются вследствие опускания заземляющих устройств, замыкающих высоковольтные цепи установки на «землю». На рис. 3 приведена электрическая схема высоковольтного блока ускорителя, поясняющая принцип его работы. После зарядки до рабочего напряжения 70-75 кВ конденсаторов первичного накопителя энергии и зарядки емкостных накопителей генератора магнитного поля и генератора перемагничивания сердечника трансформатора с управляющего компьютера осуществляется запуск установки, при этом срабатывает генератор, создающий магнитное поле в соленоиде. Через ~ 150 мкс от момента срабатывания генератора магнитного поля происходит срабатывание генератора перемагничивания сердечника, в момент максимума тока в цепи перемагничивания (через ~ 100- 110 мкс от момента срабатывания генератора перемагничивания) происходит срабатывание генератора запуска, который формирует импульс напряжения, подаваемый на управляющий электрод коммутирующего разрядника первичного накопителя энергии. После срабатывания коммутирующего разрядника конденсаторы первичного накопителя энергии начинают разряжаться на первичную обмотку импульсного трансформатора, на вторичной обмотке импульсного трансформатора генерируется импульс высокого напряжения отрицательной полярности, который прикладывается к внутреннему электроду спиральной формирующей линии. После зарядки спиральной формирующей линии за время ~ 600-700 нс до напряжения больше одного мегавольта срабатывает неуправляемый обостряющий разрядник и линия начинает разряжаться на нагрузку - ускорительную трубку в несогласованном, близком к холостому ходу режиме. Работа установки в режиме холостого хода приводит к отражению энергии от нагрузки, однако позволяет вдвое уменьшить зарядное напряжение (соответственно и требования к изоляции) спиральной формирующей линии. Через заранее определенный длиной кабеля задержки промежуток времени срабатывает срезающий разрядник, формируя на диоде квазипрямоугольный импульс ускоряющего напряжения. Пучок электронов, ускорившись в промежутке анод - катод, транспортируется в магнитном поле соленоида ~ 0.6 Тл и через титановую фольгу выводного окна толщиной 50 мкм выводится в атмосферу. Рис. 3. Электрическая схема высоковольтного блока ускорителя: C - емкость конденсаторов первичного накопителя энергии; R - разрядное сопротивление; F1 - коммутирующий разрядник; F2 - обостряющий разрядник; F3 - срезающий разрядник; Т - импульсный трансформатор; W - формирующая линия; VL - выходной узел (ускорительная трубка); QK - заземляющее устройство; Uз - зарядное напряжение Ток в первичном витке трансформатора измеряется поясом Роговского, напряжение на первичном витке импульсного трансформатора - резистивным делителем напряжения. Напряжение на вторичной обмотке и соответственно зарядное напряжение спиральной формирующей линии измеряется двухступенчатым емкостно-резистивным делителем напряжения, напряжение на ускорительной трубке (фактически ускоряющее напряжение) - двухступенчатым емкостно-резистив¬ным делителем напряжения, полный ток в ускорительной трубке - поясом Роговского, ток на анод ¬- поясом Роговского, ток электронного пучка после выводного окна в атмосфере - цилиндром Фарадея. О неоднородности пучка можно судить по автографу электронного пучка на винипрозе. Результаты испытаний Рис. 4. Осциллограммы в режиме 200 нс: кр. 1 - напряжение на диоде; кр. 2 - величина тока, регистрируемого цилиндром Фарадея. Промежуток катод - анод равен 50 мм В ходе пусконаладочных работ ускоритель ИРВ испытан более чем в ста пусках при ускоряющем напряжении около 1 МВ без пробоев в элементах ускорителя. Импульсы ускоряющего напряжения на электронном диоде с длительностью на полувысоте 200 и 50 нс и тока, регистрируемого цилиндром Фарадея в атмосфере в десяти миллиметрах от выводного окна, приведены на рис. 4 и 5. По засвеченному электронами автографу пучка на винипрозе можно выделить визуально на поперечном сечении пучка 2 см2 по крайней мере три зоны с разной плотностью тока: высокой по оси пучка на диаметре ~ 3 мм, умеренной на диаметре от 3 до ~ 8 мм и низкой на диаметре от 8 до 17 мм. Уровень электромагнитных наводок на разомкнутом конце 75-омного кабеля длиной 1.5 м, размещенном внутри дюралюминиевой «облучательной» камеры, закрепленной на выходном фланце ускорителя, при срабатывании ускорителя не превышает 0.2 В. Рис. 5. Осциллограммы в режиме 50 нс: кр. 1 - напряжение на диоде; кр. 2 - величина тока, регистрируемого цилиндром Фарадея. Промежуток катод - анод равен 72 мм В экспериментах без магнитного поля наблюдается «рассыпание» большей части электронов пучка на элементы ускорительной трубки помимо выводного окна. Проблема «рассыпания» электронного пучка частично решена выбором приведённой на рис. 2 геометрии вакуумной части ускорительной трубки и применением соленоида с магнитным полем. «Влетающие» под углом к направлению магнитного поля электроны движутся по ларморовским окружностям и одновременно дрейфуют вдоль соленоида к выводному окну. Радиус кривизны кругового движения электронов R вычисляется по формуле , где Г - релятивистский фактор; m - масса покоя электрона; - перпендикулярная к линиям магнитного поля составляющая скорости электрона; е - заряд электрона; В - магнитная индукция; с - скорость света; Е - кинетическая энергия электрона в МэВ. Оптимальная величина магнитного поля составляет ~ 0.6 Тл. Для электронов с кинетической энергией 1 МэВ, влетающих в магнитное поле соленоида перпендикулярно к линиям магнитного поля, радиус Лармора при индукции магнитного поля 0.6 Тл составляет ~ 8 мм. При отклонении величины магнитного поля от оптимальной в ту или иную сторону выведенный в атмосферу ток электронов уменьшается при прочих равных условиях. Запущенный в результате пусконаладочных работ ускоритель ИРВ имеет параметры, представленные в таблице. Параметр Значение Энергия электронов ~ 1 МэВ Средняя регулируемая плотность тока электронов (10 мм от выводного окна) 10-200 А/см2 Площадь облучаемого пятна ≥ 2 см2 Регулируемая длительность импульса ускоряющего напряжения на полувысоте в пределах 50-200 нс Отклонения от длительности импульса заведомо меньше приведённых в технических требованиях к параметрам ускорителя даны в начале статьи. Для электронов с энергией 1 МэВ в соответствии с рекомендациями и формулами в [5] максимальный пробег в кремнии составляет 0.487 г/см2 или 0.21 см (максимальный пробег электронов - это минимальная толщина слоя вещества, при которой ни один из электронов, падающих нормально на слой, из него не вылетает; можно принять равным увеличенному на 30 % экстраполированному пробегу, это даёт верхнюю оценку максимального пробега). Поскольку для электронов с энергией 1 МэВ радиационные потери энергии в кремнии до полной остановки электрона малы (меньше 1 %), средняя (по толщине пластинки кремния) мощность поглощённой дозы электронов с энергией 1 МэВ в кремнии толщиной, равной величине максимального пробега, для плотности токов в диапазоне 10-200 А/см2 составляет (0.2-4)1011 Гр/с. В процессе разработки и изготовления ускорителя использованы следующие нестандартные решения: впервые применён достаточно компактный и простой в ремонте импульсный трансформатор с тороидальным замкнутым сердечником, одновитковой первичной и многовитковой вторичной обмоткой для зарядки формирующей линии до напряжения больше 1МВ за 600-700 нс; плотность тока в диапазоне 10-200 А/см2 мобильно регулируется перемещением катододержателя из атмосферы; применена спиральная формирующая линия, заряжаемая до напряжения больше 1 МВ для формирования прямоугольных импульсов ускоряющего напряжения с амплитудой порядка 1 МВ и длительностью больше 50-70 нс; для установки с напряжением больше одного мегавольта применены совмещённые в одном корпусе два разрядника для формирования фронта и спада импульса напряжения на нагрузке; впервые применена простая схема формирования высоковольтного импульса для запуска разрядника с напряжением больше 1 МВ, состоящая из высоковольтного делителя на нагрузке и кабельного инвертора напряжения, для мобильного изменения длительности импульса ускоряющего напряжения в диапазоне 50-200 нс; малый объем источника магнитного поля (8 шт. конденсаторов К75-40 100 мкФ, 2 кВ, коммутируемых тиристором IRKT-500-14), применяемого для запитывания соленоида, создающего магнитное поле для транспортировки электронного пучка. Заключение В результате выполнения работы разработан, изготовлен и испытан ускоритель электронных пучков с широким диапазоном регулирования плотностей токов и длительностей импульсов для исследования радиационной стойкости радиоэлектронных изделий. Принципиально выполнены изложенные во введении основные технические требования к параметрам ускорителя. Вопросы токопрохождения в диоде в отсутствие и при наличии магнитного поля в разных режимах эксплуатации ускорителя, возможность реализации неоднородности электронного пучка в 20 % на площади 2 см2 и измерение величины неоднородности остаются предметом дальнейших исследо- ваний.

Скачать электронную версию публикации