The capacitive storage charging voltage influence on the output parameters of accelerator based on a pulsed transformer.pdf Введение Общемировая тенденция развития и внедрения радиационных технологий в сферы промышленности, медицины и народного хозяйства делает актуальной разработку источников ионизирующего излучения в широком диапазоне параметров [1-7]. Обязательным условием использования ускорителя как инструмента является знание его выходных характеристик в зависимости от настраиваемого режима работы. В настоящей работе изучаются характеристики субмикросекундного ускорителя электронов [8], построенного по схеме емкостный накопитель энергии - коммутатор - импульсный трансформатор - вакуумный электронный диод [9]. К основным характеристикам, как правило, относят амплитуду ускоряющего напряжения и тока диода, как следствие - кинетическую энергию частиц и мощность пучка. При импульсных схемах генерации различают также импульсную мощность, длительность импульсов ускоряющего напряжения и тока пучка, спектр кинетических энергий частиц. Известный набор перечисленных выше характеристик позволяет оценить для объекта облучения поглощенную дозу, величина которой определяет достижение целевого эффекта обработки. Гибкость настройки характеристик ускорителя обеспечивает удобство его использования для решения разноплановых задач, например, при поисковых исследованиях или последовательной обработке объектов со значительно различающейся плотностью и фазовым составом (газы, жидкости, поверхности твердых тел). Возможности настройки определяются применяемой схемой формирования ускоряющего напряжения, геометрическими параметрами ускоряющего промежутка, типом и материалом катода. В схеме исследуемого ускорителя электронов на основе импульсного трансформатора наиболее оперативное изменение доступно со стороны первичного электропитания, а именно регулировка напряжения заряда емкости первичного накопителя. Данная настройка доступна программно и может производиться индивидуально для каждого последовательного импульса в пачке. Цель исследования - изучение работы схемы ускорителя и изменение его выходных характеристик при регулировании напряжения заряда емкости первичного накопителя энергии. Экспериментальный стенд и методика проведения исследования Регулируемая величина - значение напряжения на емкости С1 (рис. 1) источника питания на упрощенной принципиальной схеме ускорителя. Рис. 1 содержит расположение штатного диагностического оборудования ускорителя, по показаниям которого определяется текущий режим работы схемы. Указанное диагностическое оборудование типично для всей серии ускорителей по схеме емкостный накопитель - коммутатор - импульсный трансформатор - вакуумный электронный диод [9]. Таким образом, приведенная схема испытаний может быть использована для любого ускорителя, построенного по схожей схеме. Рис. 1. Принципиальная схема ускорителя на основе емкостного накопителя и импульсного трансформатора с указанием размещения диагностического оборудования [9] Регулирование значения напряжения производится программным способом в процессе заряда емкости с непрерывным отслеживанием напряжения на ней. Стабилизатор тока емкостного накопителя (DCS) выполнен на полупроводниковой основе [10] и имеет программный интерфейс для удаленного управления и синхронизации. На каждой ступени компрессии энергии по уровню напряжения оценивалось значение энергии, накопленной в емкостях С1 и С2. Энергия в диоде ускорителя определялась из осциллограмм напряжения и тока диода путем расчета кривой мощности и последующего ее интегрирования. Результаты 16 измерений усреднялись. Энергия, перенесенная пучком в атмосферу через титановое окно толщиной 60 мкм [11], определялась по показаниям калориметра не менее чем в трех опытах. Спектр кинетических энергий восстанавливали методом отсечных фольг [12], оценивая количество электронов из заряда, перенесенного пучком, рассчитанного по показаниям цилиндра Фарадея. Все измерения проводились при одинаковой настройке вакуумного электронного диода. Полученные данные, сведенные в диаграммы с общими координатными полями, представляют собой настроечные кривые и могут быть использованы для оперативной настройки параметров ускорителя. Полученных данных также будет достаточно для построения баланса энергий в ключевых узлах ускорителя в разных режимах его работы (рис. 1). Результаты и их обсуждение Рис. 2, а иллюстрирует процесс заряда и коммутации высоковольтного накопителя С2 (рис. 1) для значений зарядного напряжения С1 1800-2400 В с шагом 200 В. Из осциллограмм следует, что длительность импульсного заряда высоковольтной емкости С2 в испытанных режимах одинакова Рис. 2. Сигналы датчиков напряжения емкости высоковольтного накопителя С2 (а) и датчиков напряжения и тока электронного диода ускорителя (б) при напряжении заряда емкости С1 1800-2400 В и составляет порядка 27 мкс, что обеспечено системой управления высоковольтным коммутатором [13]. Следует также отметить пропорциональность прироста напряжения заряда высоковольтного накопителя при увеличении зарядного напряжения (2400 В/1800 В = 40 кВ/30 кВ), что обеспечивается тщательным согласованием заряжаемой емкости высоковольтного накопителя С2 с приведенной емкостью первичного источника электропитания С1. Рис. 2, б содержит сигналы датчиков напряжения и тока вакуумного диода ускорителя при обозначенных значениях зарядного напряжения. Амплитуды сигналов растут при увеличении зарядного напряжения, но не пропорционально. Напряжения изменяются в меньшей степени, токи диода - в большей, что определяется условиями согласования импеданса генератора с резконелинейным импедансом вакуумного электронного диода с взрывоэмиссионным катодом [14, 15]. Длительности импульсов и положение максимумов сигналов меняются в пределах единиц наносекунд, что свидетельствует о сохранении режима работы ускорителя. Амплитудные значения сигналов и результаты расчета энергий в ключевых узлах схемы ускорителя (см. рис. 1) сведены в таблицу. Баланс энергии в ключевых узлах схемы ускорителя Характеристики Зарядное напряжение, В 1800 2000 2200 2400 Напряжение коммутации высоковольтного накопителя энергии, кВ 30.0 33 37 40 Амплитуда напряжения на диоде, кВ 276 293 307 324 Амплитуда тока в диоде, А 370 500 660 784 Амплитуда мощности в диоде, МВт 99.7 148.4 194.2 239.5 Энергия в: источнике питания 51 64 77 92 высоковольтном накопителе энергии 38 47 57 69 вакуумном электронном диоде 11.4 16.6 22.7 28.1 атмосфере 3.7 5.6 7.5 9.4 Данные таблицы использовали для построения настроечной диаграммы выпускных параметров ускорителя (рис. 3, а) и диаграммы эффективности его узлов (рис. 3, б). Рис. 3. Настроечная диаграмма выпускных параметров (а) и диаграмма эффективности узлов ускорителя (б) Настроечная диаграмма (рис. 3, а) позволяет воспроизводить известные режимы работы ускорителя при неизменных параметрах ускоряющего промежутка. Анализ диаграммы показывает, что при увеличении зарядного напряжения напряжение на диоде ускорителя увеличивается медленнее (меньший угол наклона касательной к оси), а скорость роста тока выше (больший угол). Авторы объясняют эти зависимости изменением условий согласования импедансов генератора и диода. Импеданс вакуумного электронного диода резко нелинеен [14] и зависит, в случае отсутствия ограничений со стороны эмиссионной способности катода, от действующего значения напряжения на ускоряющем промежутке (обратно степени 3/2). Анализ диаграммы эффективности показывает, что эффективность первой ступени компрессии (десятки микросекунд) энергии составляет ≈ 75%. Сокращение длительности импульса практически на два порядка производится с эффективностью ≈ 40%. Основные потери при этом сосредоточены в канале разряда высоковольтного коммутатора (псевдоискровой разрядник) и импульсном трансформаторе со сравнительно большой индуктивностью рассеивания вследствие особенностей самонесущей конструкции витков обмотки с чисто масляной изоляцией [9]. Этим также объясняется относительное повышение эффективности при увеличении количества передаваемой энергии, в частности снижение удельной доли статических (постоянных) потерь в трансформаторе. Эффективность выпуска электронного пучка в атмосферу порядка 35% зависит от кинетический энергии электронов в пучке и материала мембраны выпускного окна, который в проведенных экспериментах был изготовлен из титановой фольги 60 мкм. Выбор материала и толщины определялся компромиссом требуемых механических свойств, устойчивости к радиационным и химическим воздействиям при минимальной массовой толщине мембраны выпускного окна. Изменения амплитуды напряжения ускоряющего промежутка и непропорционального роста тока неизбежно должны сказаться на пропорциях содержания частиц разных кинетических энергий в пучке (спектре). Результаты исследований спектра пучка методом отсечных фольг при разных значениях зарядного напряжения приведены на рис. 4. Рис. 4. Нормированные спектры кинетических энергий электронов в пучке при разных значениях напряжения заряда первичного накопителя энергии Сравнительный анализ спектров подтверждает увеличение энергии частиц при росте амплитуды импульса ускоряющего напряжения на диоде в режимах с большим зарядным напряжением. При этом для всех опытов значимой остается доля электронов с энергиями 72-130 кэВ, что объясняется генерацией электронов пучка на продолжительном спадающем фронте напряжения (рис. 2, б). Увеличение максимальной кинетической энергии частиц (рис. 4) дает возможность облучения объектов на большую массовую толщину при большем зарядном напряжении. Данная возможность позволяет настраивать параметры пучка ускорителя для облучения объектов большей толщины или с большей плотностью. Так как данная настройка производится программно и обеспечивается аппаратно, то изменение зарядного напряжения возможно для каждого такта работы ускорителя, в том числе с частотой повторения до 80 имп./с, ограниченной мощностью источника и стабильностью работы высоковольтного коммутатора. Материалы исследования могут использоваться при практической эксплуатации ускорителей на основе емкостного накопителя и импульсного трансформатора для настройки режимов работы с известными параметрами, а также в качестве основы для построения настроечных диаграмм иных импульсных ускорителей, выходные характеристики которых зависят от напряжения заряда первичного накопителя энергии. Заключение Установлена прямая зависимость амплитуды импульсов напряжения и тока диода, тока и энергии пучка, выведенного в атмосферу, от изменения напряжения заряда первичного емкостного накопителя энергии ускорителя на основе импульсного трансформатора. Изменение напряжения заряда практически не влияет на эффективность передачи энергии в узлах схемы ускорителя и не меняет режим его работы. Увеличение напряжения заряда приводит к увеличению максимальной кинетической энергии электронов и, как следствие, к изменению профиля энергетического спектра частиц пучка в целом.

Скачать электронную версию публикации