Введение к работе
Актуальность темы. Радиационные технологии прочно закрепились в структуре промышленного производства, подтвердили свою эффективность, а в ряде случаев и уникальность. Дальнейшее их развитие определяется, в первую очередь, параметрами электронных ускорителей - основных источников излучения для этих процессов. Существующие к моменту начала работы ускорители электронов, предназначеные для промышленного применения, имели мощность не более 100 кВт. Уже в то время для крупнотоннажного производст-существовала потребность в более мощных ускорителях.
6 середине' 80-х годов активно развернулись исследования по применению ускорителей электронов в экологических целях: обработка сточных вод и очистка отходящих газов тепловых станций от окислов серы и азота. Для создания очистных комплексов необходима мощность электронного пучка порядка единиц и десятков мегаватт. Очевидно, что для подобных систем необходимы модули с единичной мощностью сотни и более киловатт. '
Создание непрерывных электронных пучков с энергией ~ 1 НэВ и .амперным током - будучи интересной и увлекательной научно-технической задачей - имеет самостоятельное техническое значение. В частности, такие пучки могут найти применение для целей электронного охлаждения, в мощных СВЧ генераторах, системах передачи и рекуперации электроэнергии и т. д.
Разработка мощных ускорителей невозможна без проведения широкого круга исследований, поэтому участие в конструировании, запуске и отладке новых ускорителей является хорошей школой для формирования как высококвалифицированных инженеров, так и научных сотрудников.
Состояние вопроса. Разработка ускорителей электронов непрерывного действия на основе высоковольтного выпрямителя была на-
чата в БИЯФ СО РАН по инициативе академика Г. И. Будкера в 1971 г. Они должны были удовлетворить потребность народного хозяйства в мощных и надежных машинах, простых в эксплуатации и способных работать в условиях промышленного производства. к настоящему времени эти ускорители (ускорители ЭЛВ первого поколения), разработанные в БИЯФ и выпускаемые совместно с ЗВИ перекрывают диапазон по энергии от 0.2 до 2. 5 НэВ, а по мощности от 20 до 100 кВт. Вывод пучка в атмосферу на них осуществляется как через фольгу, так и через систему диафрагм, что расширяет диапазон применения. Работы по совершенствованию и увеличению параметров электронных ускорителей в БИЯФ не прекращались и их результатом является создание новых типов ускорителей : ускорителя мощностью 200 кВт с выводом пучка в атмосферу через фольгу и ускорителя мощностью 500 кВт с выводом концентрированного пучка через систему диафрагм. По своим параметрам, конструктивным особенностям они относятся к следующему - второму - поколению ускорителей на основе высоковольтного выпрямителя.
Диссертационная работа является обобщением исследований, связанных с разработкой, созданием и увеличением параметров электронных ускорителей для промышленного применения.
Цель работы заключалась в проведении широкого круга исследований, необходимых для создания всех компонентов мощных ускорителей следующего поколения : источника ускоряющего напряжения, ускорительной трубки, устройств для вывода пучка в атмосферу; разработке и отладке конструкции этих узлов; экспериментальной проверке конструктивных решений, получении мощности электронного пучка, как минимум, 200 кВт при выпуске пучка через фольгу и 500 кВт при выпуске через систему диафрагм.
Научная новизна. Основным научным результатом является создание нового класса электронных ускорителей непрерывного действия с мощностью выведенного пучка сотни киловатт. В ходе работы предложены и аналитически исследованы различные варианты .компоновки источника ускоряющего напряжения; исследовано влияние ускоряемого тока на электрическую прочность трубки; впервые в мире осуществлена рекуперация непрерывного электронного пучка с энергией 1 НэВ и током 1 А , исследован процесс его рекуперации; предложена и реализована конструкция ускорительной трубки с
большой апертурой, обеспечивающая длительную и надежную работу ускорителя практически без пробоев; разработано устройство и осуществлен вывод через него в атмосферу непрерывного адиабатически сжатого интенсивного электронного пучка нощностыо 500 кВт. Практическая ценность работы заключается в создании ускорителей ЭЛВ-3, установленных в опытно-промышленных установках электронно-лучевой очистки газов ( тепловая станция Кавенчин г. Варшава, оловокомбинат г. Новосибирск ); ускорителей ЭЛВ-6, установленных в технологических линиях производства исскуствен-ных кож и резино-технических изделий (г. Киров, г. Уфа). Ускорителя с двухфазным питанием мощностью до 200 кВт, предназначенного для опытно-промышленной установки очистки отходящих газов Славянской ГРЭС {ДонбасЭНЕРГО), ускорителя нощностыо до 500 кВт и устройства для вывода в атносферу адиабатически сжатого пучка, предназначенных для тех же целей. Полученный опыт, результаты экспериментальных исследований, методики расчетов и технические решения могут быть использованы не только для создания мощных ускорителей, но и другого электрофизического оборудования, в котором применяется высокое напряжение, большие мощности или интенсивные электронные пучки.
Основные результаты, выносимые на защиту.
-
Методика расчета параметров источника питания высоковольтного ускорителя в различных вариантах его компоновки.
-
Способы уменьшения пульсаций выходного напряжения в источнике ускоряющего напряжения путем применения двухфазного питания и приемы подавления влияния этих пульсаций источника на динамику пучка в ускорительной трубке.
-
Способы защиты эленентов от перенапряжений в бесконденсаторных схемах высоковольтного выпрямителя.
-
Конструктивные решения источников питания ускорителя с двухфазным питанием мощностью до 200 кВт и ускорителя с выносной ускорительной трубкой мощностью до 300 кВт.
-
Результаты экспериментов по исследованию влияния ускоряемого электронного тока на электрическую прочность ускорительных трубок различных конструкций. В ток числе, утверждение о необходимости 2+3 кратного превышения пробивного напряжения отдельного промежутка по отношению к рабочему.
6. Качественная модель формирования пробоя в ускорительной трубке при работе с пучком.
,7. Конструкция ускорительной трубки с большой апертурой, обеспечивающая длительную и надежную работу практически без пробоев при градиентах до 10 кВ/см.
-
Конструкция установки для рекуперации энергии электронного пучка.с током 1 А и энергией 1 ИэВ.
-
Реализация проводки пучка в ней с поворотом его на 180 и результаты экспериментов по рекуперации.
-
Вакуумные требования, предъявляемые к ускорительной трубке с амперным током.
-
Исследование динамики пучка в нарастающем магнитном поле и методика оценки требований к полю и юстировке системы для вывода в атмосферу адиабатически сжатого интенсивного электронного пучка.
-
Способ определения величины и месторасположения источников возмущений движения пучка, а также приемы их компенсации.
-
Конструкция устройства к результаты экспериментов по выводу в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка .
Апробация работы х публикации. Результаты работы докладывались на 5, 6, 7 Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград 1985,88,92г.), на 10 Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна 1986), на Международных конференциях по ускорителям частиц высоких энергий (Новосибирск 1986,Рим 1990 .Берлин 1989), на Международных конференциях по радиационным технологиям ( Лейпциг 1989, Нидерланды 1990), на Индийско-Советском семинаре по применению электронных ускорителей ( BARC, Bombey, 1988 ), опубликованы в статьях и препринтах. Всего по теме диссертации опубликовано 55 работ. Основные из них приведены в списке работ в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, , заключения и списка литературы. .