Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Ускоритель ИЛУ-10
-
Этапы создания и общее описание ускорителя 11
-
Конструкция и параметры ускоряющего резонатора 20
-
Конструкция и особенности работы автогенератора 26
-
Организация выпуска электронного пучка для различных технологических процессов 32
Глава 2. Инжекция электронов и динамика пучка в резонаторе
2.1 Инжекция электронов и динамика пучка в ускоряющем
резонаторе 40
2.2 Инжекция с дополнительной подачей напряжения первой гармоники
ускоряющего поля к промежутку сетка-катод 47
Глава 3. Система питания и управления
-
Импульсный анодный модулятор для ускорителя ИЛУ-10 53
-
Система управления ускорителем 58
Глава 4. Настройка и достигнутые параметры ускорителя
4.1 Настройка ВЧ системы автогенераторы - ускоряющий
резонатор 67
4.2 Достигнутые результаты 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
ЛИТЕРАТУРА 79
Введение к работе
Научные исследования в области радиационной физики, химии и биологии явились основой для развития многих промышленных технологий. В настоящее время применение радиационных технологий активно расширяется в производстве многих развитых и развивающихся странах, таких как: США, Япония, Южная Корея, Китай и других [1,2,3,4].
Многие реализуемые радиационные процессы протекают при значительных мощностях поглощенной дозы. Для того чтобы, тот или иной радиационный процесс стал привлекательным для промышленного использования необходима его экономическая эффективность, для этого требуется увеличение производительности, что повышает рентабельность того или иного производства. Все это делает необходимым создание новых промышленных ускорителей электронов с улучшенными параметрами, а именно увеличенной энергией и мощностью электронного пучка, при сохранении простоты эксплуатации и управления.
Промышленные ускорители электронов можно разделить на следующие категории по энергии выпущенных электронов и способу их ускорения.
Ускорители с низкой энергией электронов характеризуются, как правило, большой мощностью в пучке. Это ускорители прямого действия, которые представляют собой источник высокого напряжения того или иного типа и ускорительную трубку, в которой и происходит ускорение электронов. В таблице №1 представлены основные модели этих ускорителей и их производители на мировом рынке [4,5,6,7].
Ускорители диапазона средних энергий прямого действия представлены в таблице №2 [4,5,7,41].
Таблица №1
Ускорители электронов низкой энергии, используемые в промышленности.
Таблица №2
Промышленные ускорители электронов средних энергий
Другой категорией, достаточно широко используемой в промышленности, являются высокочастотные ускорители. Таблица 3 содержит обзор по высокочастотным ускорителям электронов [4,5,6,7]. Их объединяет способ ускорения электронов, а именно, ускорение электронного пучка высокочастотным электрическим полем. Это, как правило, машины с более высокой энергией, хотя среди них есть модели, которые могли бы войти в предыдущие две таблицы, если руководствоваться только принципом деления по энергии выпущенного пучка.
Таблица №3
Высокочастотные ускорители электронов.
В представленном обзоре отсутствуют маломощные и индукционные ускорители электронов, которые используются в медицине, для неразрушающего контроля, а так же в других подобных процессах.
Обзор ускорителей дает возможность в полной мере показать, какое место займет новая модель ускорителя разработанная в ИЯФ СО РАН на мировом рынке.
Целью настоящей работы является разработка и создание новой модели промышленного высокочастотного ускорителя электронов ИЛУ-10. Разработка велась на элементной базе серии импульсных линейных ускорителей, которые, начиная с 1970 года успешно разрабатываются и изготавливаются в Институте ядерной физики СО РАН. Ускорители этой серии предназначены для широкого применения в различных технологических процессах. Они рассчитаны на длительную непрерывную работу в промышленных условиях [9,10,11].
Новая модель ускорителя ИЛУ-10 с параметрами 3.5-5 МэВ и мощностью в пучке до 50 кВт попадает в эксклюзивное положение, по своим параметрам не имеет аналога на Российском рынке. Широкий энергетический диапазон, простота перестройки энергии во всем указанном диапазоне (что в основном, недоступно, остальным моделям, представленным в таблице №3), большая мощность в пучке, а также сравнительно невысокие затраты на производство делают эту модель предпочтительней для различного спектра радиационных технологий и конкурентоспособной на мировом рынке ускорителей. В отличие от высоковольтных ускорителей, имеющих непрерывный ток пучка, импульсный характер пучка позволяет легко адаптировать ИЛУ к технологическим процессам, требующим создания зоны облучения сложной конфигурации, поскольку в момент переключения пучка с одного эксплуатационного канала на другой не требуется дополнительных мер защиты канала, как в случае непрерывных пучков.
В таблице 4 приведены основные параметры производимых Институтом ускорителей серии ИЛУ, перекрывающие диапазон энергий от 0,6 до 5 МэВ с максимальной мощностью пучка до 50 кВт [22,44].
Таблица №4
Ускорители серии ИЛУ
Научная новизна работы заключается в том, что исследованы возможности увеличения мощности и энергии электронного пучка в однозазорных высокочастотных ускорителях на стоячей волне, предложена методика расчета используемого варианта инжекции проверенная экспериментами, разработана методика настройки ВЧ системы два автогенератора - ускоряющий резонатор и создана действующая модель промышленного ускорителя ИЛУ-10 на энергию 5 МэВ, мощностью 50 кВт. Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы: проведены расчеты и оптимизация параметров ускоряющего резонатора, позволившие получить ускоряющее напряжение до 6 MB и уменьшить ВЧ потери ; проделаны измерения характеристик нескольких изготовленных резонаторов позволившие отработать технологию обработки рабочей поверхности резонаторов; предложена методика расчета и проведено численное моделирование системы инжекции и расчет динамики пучка в ускоряющем резонаторе, обосновывающее введения дополнительной подачи напряжения первой гармоники ускоряющего поля к промежутку сетка-катод; проведены измерения характеристик электронного пучка, согласующиеся с проведенными расчетами; разработана методика настройки ВЧ системы два автогенератора -ускоряющий резонатор и сняты экспериментальные зависимости для настройки ВЧ системы автогенераторы - резонатор; проведены сборка, настройка и испытания ускорителя, в результате которых были получены рекордные параметры для серии ИЛУ, а именно, энергия частиц до 5 МэВ и средняя мощность в пучке 50 кВт;
Общим итогом диссертационной работы является создание конкурентоспособной на мировом рынке промышленного ускорителя электронов ИЛУ-10. Осуществлена контрактная поставка двух ускорителей в США, и заключены два контракта с другими фирмами на поставку двух ускорителей в течении 2003 года.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на IX Всероссийском совещании по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, Россия, 1998; на конференции по радиационным процессам в Обнинске, 1999 г; на XVII Совещании по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000;
6th Int. Conf. on Electron Beam Treatment, Varna, Bulgaria, June 2000;
International Symposium on Radiation Technology in Emerging Industrial Applications to be held in Beijing, China, November 2000; на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 2001 г; на X международном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, Санкт-Петербург, 2001; на международной конференции ЕРАС2002, Париж, Франция; Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе диссертации подробно описываются этапы создания ускорителя ИЛУ-10. Прототипом для нового ускорителя послужила предыдущая модель ускорителя ИЛУ-6 (2.5 МэВ, 20 кВт). Для ускорения электронов в ней используется разрезной тороидальный резонатор, который возбуждается одним автогенератором. Затем ускоряющий зазор в резонаторе был увеличен и появилась промежуточная модель ускорителя ИЛУ-lOold (4 МэВ, 20 кВт). В последствии необходимость в разрезной конструкции резонатора отпала, что позволило улучшить характеристики ускоряющего резонатора. Используя еще один автогенератор, возникла новая модель ускорителя ИЛУ-10.
Далее в главе дается общее описание ускорителя. Подробно описывается конструкция ускоряющего резонатора, приводятся расчетные и измеренные параметры нескольких резонаторов. Рассматривается конструкция и особенности работы автогенераторов. Приводятся описание конструкций устройств выпуска пучка, которые наиболее часто используются заказчиками.
Во второй главе подробно рассмотрена система инжекции электронов, предлагается методика расчета инжектора и динамики пучка в ускоряющем резонаторе. Дается электрическая схема инжектора, представлены вольт - амперные характеристики электронной пушки при различных напряжениях на ускоряющем зазоре. Приводятся результаты расчетов, обосновывающие введение дополнительной подачи ВЧ напряжения к промежутку сетка катод. Описана схема ВЧ пушки. В заключение представлены расчетные и экспериментальные энергетические спектры для простой инжекции и инжекции с ВЧ пушки.
В третьей главе описывается работа систем питания и управления ускорителем. Для питания генераторов используется импульсный анодный модулятор. Подробно рассмотрены некоторые режимы его работы. Описывается работа системы управления ускорителем, которая создана на базе системы управления ускорителем ИЛУ-6.
В четвертой главе приводятся методика и экспериментальные данные по настройке ВЧ - системы автогенераторы - ускоряющий резонатор. Представлены амплитудно-частотные характеристики системы. Описывается метод настройки анодных контуров автогенераторов. Так же описывается возможность тонкой подстройки без вскрытия вакуумного объема ускорителя. Приводятся результаты работы ускорителя и параметры достигнутые после произведенной настройки. Дана экспериментальная зависимость теплового ухода частоты резонатора от времени и основные осциллограммы работы ускорителя. Приводятся данные по измерению энергии электронов по пробегу в алюминии.
В заключении перечислены основные этапы работы и рассматриваются перспективы развития, а так же высказываются благодарности коллективу за участие в разработке нового ускорителя.
