Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Схемы ППТ, основные характеристики и экспериментальные установки 13
1.1. Принцип действия генератора на основе ППТ 13
1.2. Теория работы ППТ 17
1.3. Типы ППТ и их характеристики 23
1.4. Экспериментальные установки 28
1.5. Краткое резюме 34
Глава 2. Физика ППТ, основные закономерности 35
2.1. Предельная плотность заряда, переносимого через ППТ .35
2.2. Схема параллельно- последовательного соединения ППТ 38
2.3. Коаксиальные ППТ (типа рис. 1.4в) 44
2.4. Динамика плазмы в ППТ, потери энергии в фазе проводимости 45
2.5. Влияние протяженности катода на эффективность ППТ 58
2.6. Обсуждение результатов измерения скорости токового фронта 60
2.7. Коаксиальные ППТ с внешним продольным магнитным полем 63
2.8. Влияние внешнего азимутального поля на динамику ППТ 72
2.9. ППТ с двусторонней запиткой - дисковый пинч 77
2.10. Радиальная динамика свечения плазмы коаксиального ППТ . 79
2.11. Ионные потоки в ППТ типа «плазмонаполненный диод» . 83
2.12. Проникновение тока в плазму ППТ с плоскими электродами . 89 2.14. Выводы 91
Глава 3. Частотные генераторы на основе ППТ 93
3.1. Оценка возможной частоты работы ППТ 97
3.2. Частотно-импульсные генераторы на основе ППТ 99
3.3. Частотный ГИН установки РС-20 101
3.4. Конвертер энергии электронов в рентгеновское излучение .105
3.5. Влияние высоких импульсных мощностей на элементы ППТ 109
3.6. Схемы частотных ППТ и их особенности 112
3.7. Ресурс частотного генератора на примере РС-20 121
3.8. Частотный ускоритель с выводом пучка в атмосферу 123
3.9. Выводы 128
Глава 4. Применения генераторов на основе ППТ 130
4.1. Радиационно-биологические технологии 130
4.2. Стерилизация стационарным и импульсным излучением .131
4.3. Разрушение горных пород мощным импульсным пучком .136
4.4. Другие возможные применения ППТ 142
4.5. Выводы 145
Глава 5. Плазменный прерыватель для программы «Байкал» .146
5.1. Выбор модели и схемы ППТ 146
5.2. Чем определяется величина развиваемого на ППТ напряжения? .147
5.3. Способы увеличения напряжения UnnT и их эффективность 150
5.4. Экспериментальное определение зависимости Unni(Uiniі) 159
5.5. Модернизированная установка РС-20М 163
5.6. Основные диагностики 167
5.7. Экспериментальные результаты 172
5.8. Возможность увеличения параметров ППТ «Байкал» 179
5.9. Эксперименты по синхронизации двух модулей ППТ 184
5.10 Выводы 190
Глава 6. Экспериментальное обоснование модуля ППТ установки МОЛ 191
6.1. Установка МОЛ - формирование импульса тока на входе ППТ .191
6.2. Модуль ППТ для установки МОЛ 193
6.3. Разделительный разрядник (РР) 200
6.4. Включение ППТ в цепь накопителя плазменными пушками 208
6.5. Влияние разделительного разрядника на передачу тока в нагрузку 211
6.7. Распределение энерговыделения по длине ППТ 213
6.8. Работа ППТ в условиях предымпульса 217
6.9. Выводы 221
Заключение 222
Литература
- Типы ППТ и их характеристики
- Влияние протяженности катода на эффективность ППТ
- Конвертер энергии электронов в рентгеновское излучение
- Стерилизация стационарным и импульсным излучением
Введение к работе
Явление прерывания тока в плазме впервые наблюдалось в конце 60-х годов прошлого века [1, 2]. В 70-х оно нашло практическое применение для подавления предымпульса, возникающего при зарядке водяной линии мощных наносекундных генераторов [3], а затем и для обострения мощности [4] таких генераторов. В 1985 г. Б.М.Ковальчук и Г.А.Месяц предложили и экспериментально продемонстрировали возможность использования плазменного прерывателя тока (ППТ) для обострения мощности микросекундного генератора напряжения [5]. Это предложение привлекло внимание большого круга научных коллективов и, фактически, выделило ППТ в самостоятельное направление физики и техники формирования мощных электромагнитных импульсов. Быстрое развитие этого нового направления объясняется, в первую очередь, практическими потребностями. Дело в том, что выдвинутые на рубеже 60 - 70-х годов прошлого столетия предложения по созданию инерциального управляемого термоядерного синтеза (УТС) [6,7] стимулировали быстрое развитие мощных наносекундных генераторов на основе водяных накопительных линий. К 1985 году уже были построены наиболее крупные (и остающиеся таковыми по настоящее время) генераторы PBFA-II [8] в США и «Ангара-5» [9] в России. Высокая стоимость и громоздкость водяных линий сдерживали дальнейшее увеличение энергетики и мощности генераторов на их основе. В то же время для решения ряда актуальных задач, таких как нагрев плазмы в лайнерах с получением мощных потоков мягкого рентгеновского излучения и реализацией инерциального термоядерного синтеза, генерация сверхсильных магнитных полей и изучение их воздействия на свойства вещества, экспериментальная проверка уравнений состояния веществ при сверхвысоких плотностях энергии и др., требовались новые сверхмощные импульсные источники энергии с током на уровне 50 МА и выходной мощностью порядка 1015 Вт [10]. Потребность в таких
генераторах привела к поиску альтернативных путей повышения их мощности. Работа [5], фактически, указала такой путь, предложив замену дорогостоящих и громоздких водяных линий на индуктивные накопители с плазменным прерывателем в качестве коммутатора тока.
Генератор на основе плазменного прерывателя представляет собой замкнутый через ППТ электрический LC-контур. ППТ - это отрезок вакуумной коаксиальной линии, межэлектродный зазор которой замыкается плазмой. Одним концом линия соединена с емкостным накопителем энергии -генератором импульсов напряжения (ГИН), другим - с нагрузкой. При включении ГИН нарастающий во времени ток в линии замыкается через плазменную перемычку, и электрическая энергия контура CU2/2 преобразуется в магнитную LI /2. Затем (при выполнении ряда условий) импеданс плазменной перемычки резко увеличивается, происходит обрыв тока, возникает напряжение Unm^-Ldl/dt. При этом запасенная энергия магнитного поля реализуется в виде потоков ускоренных частиц в ППТ и шунтирующей его нагрузке. Основной элемент ППТ - токонесущая плазменная перемычка, является чрезвычайно сложным и интересным физическим объектом, ее динамика определяется только начальными условиями и протекающим током, и все управление процессами в ней сводится, фактически, к надлежащему выбору начальных условий.
За период с 1985 г. был пройден огромный путь от первого демонстрационного эксперимента [5] по обострению мощности микросекундного ГИН до ППТ, способных коммутировать мегаамперные токи с высокой плотностью и получать напряжения на нагрузке до 3-5 MB с энергетикой более 106 Дж и пиковой мощностью более 1012Вт [10, 11]. За это время были также разработаны генераторы на основе ППТ для промышленных технологий, способные работать в режиме повторяющихся импульсов [12]. Столь значительный прогресс был достигнут благодаря усилиям многих научных коллективов в различных странах мира: США -
Naval Research Laboratory, Sandia National Laboratory, Maxwell Laboratory, Physics International, Франция - Ecole Polytechnique, Centre d'Etudes de Gramat, Россия - Институт Сильноточной Электроники, Курчатовский Институт, Израиль - Weizmann Institute of Science и др. В настоящее время активно обсуждается возможность создания сверхмощных генераторов на основе ППТ с током на уровне 50 МА и выходным напряжением до 107 В [13,14], включая схемы с применением только индуктивных накопителей энергии [15] -Российская программа «Байкал». Кроме того, генераторы на основе ППТ благодаря своей простоте могли бы найти применение и в ряде других областей науки и техники. Поэтому изучение плазменных прерывателей тока, определение возможных областей их применения является актуальной задачей.
Целями диссертационной работы являлись;
1. Изучение физики ППТ, основных закономерностей его работы,
определение наиболее эффективного режима, поиск путей увеличения
напряжения на выходе ППТ.
Создание частотных генераторов на основе ППТ для радиационных технологий. Изучение особенностей, обусловленных частотным режимом работы.
Экспериментальное обоснование возможности применения ППТ в качестве выходного каскада обострения мощности в сверхмощном генераторе «Байкал» [15] на основе индуктивных накопителей энергии:
определение предельно достижимых напряжений на ППТ;
синхронизация модулей ППТ в многомодульных системах;
решение проблемы повторной закоротки ППТ плазмой и передачи энергии в нагрузку с малым начальным импедансом;
решение проблемы предымпульса, обусловленной особенностями схемы «Байкал».
Автор выносит на защиту:
Результаты экспериментального изучения влияния концентрации плазмы и плотности переносимого через ППТ заряда на эффективность обрыва тока и применение этих результатов в параллельно -последовательных схемах обострения мощности.
Способ повышения получаемого на ППТ напряжения за счет подавления электронной компоненты тока при использовании внешнего магнитного поля или отражательной системы с осциллирующими электронами.
Результаты экспериментального изучения ионных потоков в ППТ.
Результаты изучения влияния внешнего магнитного поля на динамику плазмы ППТ.
Разработку высокоэффективных схем ППТ, на основе которых сооружен ряд частотных генераторов, в том числе рентгеновский стерилизатор РС-20.
Результаты практического применения ППТ в экспериментах по стерилизации тормозным рентгеновским излучением.
Результаты экспериментов по обоснованию применения ППТ в качестве выходного каскада обострения мощности в сверхмощном генераторе «Байкал» на основе индуктивных накопителей энергии.
8. Проект 6-ти модульного ППТ для установки «МОЛ» и
экспериментальное обоснование схемы модуля ППТ.
Научная новизна:
1. Впервые показано, что существует предельная плотность заряда, которая может быть пропущена через плазму ППТ до обрыва тока. Впервые предложена и экспериментально продемонстрирована возможность
синхронизации параллельных ППТ, основанная на факте существования предельной плотности заряда.
Впервые для увеличения развиваемого на ППТ напряжения предложено подавлять электронную компоненту тока в зазоре ППТ. С этой целью применялось внешнее магнитное поле, создаваемое дополнительным источником. Применение внешнего поля приводит к снижению аксиального расширения плазмы ППТ на два порядка величины и полному (до нуля) обрыву тока. Определены условия, которым должно удовлетворять внешнее магнитное поле.
Впервые показано, что ППТ во внешнем магнитном поле является эффективным ионным диодом. Разными методами, включая метод парабол Томпсона с временным разрешением ~80нс, показано, что ионный ток начинается задолго до обрыва тока, ионная компонента переносит до 50% тока, энергия ионов соответствует напряжению на ППТ.
Впервые продемонстрирована возможность работы ППТ в частотном режиме, создан частотный рентгеновский генератор РС-20 для радиационных экспериментов - фактически создано новое направление физики мощных генераторов квазинепрерывного действия.
В экспериментах по стерилизации импульсным рентгеновским излучением с высокой пиковой мощностью дозы обнаружен эффект снижения летальной дозы в 2.5-5 раз по сравнению со стационарными источниками.
Впервые показано, что в эрозионном режиме развиваемое на ППТ напряжение Unm определяется плотностью энергии w, затрачиваемой на ускорение ионов, т.е. на эрозию плазмы: Unnr^ w4/7 или, что то же, Unnr^otUi ин4/7- Эта зависимость проверена экспериментально и справедлива для большинства существующих установок.
Впервые осуществлена эффективная (-25%) передача энергии в емкостную нагрузку - аналог лайнера за счет применении внешнего
магнитного поля и разделительного разрядника между ППТ и нагрузкой. Эти меры позволяют получить «глубокую» эрозию плазмы и предотвратить повторное замыкание ППТ, отсекающее энергию индуктивного накопителя от нагрузки.
8. Предложен метод программированного заполнения зазора ППТ плазмой - дополнительная инжекция плазмы по мере ее эрозии, позволяющий увеличить пропускаемый через ППТ заряд и решить основную проблему применения ППТ в программе «Байкал» - проблему предымпульса.
Научная и практическая ценность.
Изучение ППТ в суммарном магнитном поле протекающего через него тока и внешнем (аксиальном или азимутальном) поле стороннего источника позволило понять физические процессы, определяющие динамику плазмы ППТ.
Результаты работы, практически, дают все необходимые зависимости и константы для методики расчета ППТ в диапазоне напряжений до 5 MB и токов до 0.5 МА.
Положения и выводы представляемой диссертационной работы используются в исследованиях плазменных прерывателей, направленных на создание мощных генераторов в Naval Research Laboratory, Sandia National Laboratory (США), Ecole Polytechnique, Centre d'Etudes de Gramat (Франция), Институте Сильноточной Электроники (Томск), ТРИНИТИ (Троицк), НИИ Приборов (г. Лыткарино). В рамках проекта «Байкал» разработан 6-ти модульный ППТ установки МОЛ. Представленные в работе частотные ППТ используются в генераторах тормозного рентгеновского излучения для радиационно - биологических экспериментов в РНЦ «КИ» (Москва) и Северовосточном Институте ядерных технологий, Сиянь (КНР). Новые схемы и устройства, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, нашли
применение в этих экспериментах и частотных генераторах.
Диссертация состоит из шести глав и заключения.
В первой главе представлены принцип действия ППТ, основные свойства и параметры ППТ, представлены типы изучавшихся ППТ, экспериментальные установки, их параметры и особенности, решаемые на них задачи.
Во второй главе приведены эксперименты по выявлению основных закономерностей работы ППТ, включая изучение влияния геометрии его электродов, внешнего магнитного поля и плотности переносимого заряда, динамики собственного магнитного поля тока, динамики плазмы и электрон-ионных потоков, влияния на них внешнего магнитного поля.
В третьей главе рассмотрена возможность работы ППТ в режиме повторяющихся импульсов, определен возможный диапазон частоты следования импульсов. Представлены физико-технические решения, обеспечивающие частотный режим работы генератора на основе ППТ, рассмотрены виды промышленных технологий, где такие генераторы наиболее приемлемы.
В четвертой главе приведены эксперименты по практическому применению генераторов на основе ППТ: представлены результаты исследований по стерилизации объектов тормозным рентгеновским излучением, по разрушению горных пород электронными пучками и др.
В пятой главе рассмотрены проблемы построения сильноточных генераторов на основе ППТ. Приведены аналитические и экспериментальные оценки напряжений на ППТ, рассмотрена многомодульная схема ППТ, приведены эксперименты по синхронизации параллельных модулей.
В шестой главе приведен проект 6-модульного ППТ установки МОЛ, представлены эксперименты по физическому обоснованию применимости ППТ с учетом особенностей установки МОЛ, в том числе эксперименты по
предотвращению повторного замыкания ППТ и программируемому заполнению зазора ППТ плазмой для пропускания предымпульса.
В заключении приведены основные выводы по диссертационной работе.
В конце диссертации приведен список цитируемых работ.
Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ ОПФ ИЯС РНЦ КИ в 1986-2004гг. по программе «Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы». При этом часть работ поддерживалась Российскими и иностранными организациями и фондами. Так, работы по частотным генераторам поддерживались Компанией «ЧЕТЕК» (90-93 гг) и Северо-восточным Институтом ядерных технологий (КНР) (94-95 гг), по изучению динамики плазмы ППТ - Росийским Фондом Фундаментальных Исследований (гранты 94-02-03059-а, 94-02-04431-а, 00-15-96599) и Международными Научными Фондами (гранты N8X000), INTAS (грант 97-0021), по изучению влияния стороннего магнитного поля на динамику плазмы - CRDF (грант RP1-2113).
Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в [12, 16, 26, 28, 31, 33, 35, 36, 41-48, 50, 53, 58, 62, 64-66, 69, 76-78, 85, 91, 94, 99, 106, 119, 120, 122, 126, 127, 130, 132, 138, 146, 163, 171, 178, 180] и докладывались на: Всесоюзных Конференциях по Физике плазмы и УТС (Звенигород, 90, 91, 93, 97, 01, 02, 03, 04, 05 гг); Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 90, 94; International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 1991; EEE Int. Conf. on Plasma Science, ICOPS'91, ICOPS'96; VI Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 93; 17th Symp. on Plasma Physics and Technology, Prague, 1995; International POS Workshop, Gramat, France, April 1997; IEEE Pulsed Power Conference (95, 97, 01 гг.); Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (86, 88, 90, 92, 00 гг.); Intern. Conference on High-Power Particle Beams (90, 92, 96, 98,00, 02, 04 гг.).
Типы ППТ и их характеристики
Существование предельной плотности заряда (qi = (2-5) мКл/см и q2= (1-3) мКл/см) ранее неоднократно отмечалось автором данной работы в экспериментах [25-26]. Определяющим условием, позволяющим связать процесс распространения волны тока в плазме с процессом "элетротехнического" размыкания тока, является существование холловского электрического поля [27]: после того, как поле в виде "КМС"- волны проникает через плазму и замагничивает ее электроны, наступает фаза холловской эрозии — радиальное электрическое холловское поле Е = [veB]/c ускоряет ионы к катоду. Этот процесс ускорения ионов в квазинейтральной плазме с замагниченными электронами принимает форму волны разрежения, распространяющейся от катода к аноду. Оценка получаемого на ППТ напряжения приобретает простой вид в случае, когда индуктивность нагрузки равна величине накопительной индуктивности. В этом случае сопротивление ППТ составляет: R = (1/27іес2)(ІПпт/пг2)(2Ьсорі/с)2. (1.10)
При этом электронная составляющая тока хотя и шунтирует зазор ППТ, тем не менее является необходимым условием холловской эрозии плазмы - ускорения и ухода из объема ионов и, как следствие, увеличения сопротивления размыкателя. Следует отметить, что "классическая" эрозия и холловская в эксперименте, практически, не различимы.
В ряде случаев существенный вклад в сопротивление плазмы в режиме проводимости может давать аномальное сопротивление [28]. Резистивные эффекты существенны при условии: a тс2/е(4яТп)"2. (1.11)
В этих условиях величина аномального сопротивления сравнима с ЭМГ-сопротивлением, описываемым выражением (1.7) и также может достигать величины 1 Ом. Но главный эффект аномального сопротивления заключается в том, что оно может повлиять на скеилинг, который следует из ЭМГ рассмотрения размыкателя.
По мере дальнейшего понижения концентрации размыкатель переходит в вакуумный режим: na2«mc2/e2. (1.12)
В этой области размыкание может быть описано эрозионной моделью [17, 22]. Переход из ЭМГ - режима в вакуумный режим может происходить, например, через бунемановскую неустойчивость с образованием двойных слоев [29]. Процесс эрозии означает ускорение в межэлектродном электрическом поле ионов на катод ППТ с поверхности плазмы, ограничивающей двойной слой со стороны анода. Классическая эрозионная модель [17, 22] предполагает существование четырех последовательных фаз: проводимости, эрозии, усиленной эрозии и магнитной изоляции. В фазе проводимости электронная и ионная составляющие тока связаны биполярным соотношением: IA=(M/zm),/2 (1.13).
Если пренебречь напряжением на ППТ, максимальные величины ионной компоненты и полного тока Івр определяются этим соотношением и дрейфовой скоростью ионов va: I, (27ir)n,zevd, (1.14) IBP Іе (M/zm)1/2(27ir)n,zevd. (1.15) Изменение знака неравенства в (1.14, 1.15) означает переход во вторую фазу -фазу эрозии, когда в результате невозобновляемого ухода ионов образуется и растет вакуумный зазор D. Скорость роста зазора: dD/dt = I/(27ir)n1e-vd. (1.16) Ионный и электронный токи, пересекающие зазор D, связаны между собой выражением (1.13). В свою очередь электронный ток - это ограниченный пространственным зарядом ток для биполярного потока: 1е = 2.7 10-5гШппт3/2/О2 = 1ВР , (1.17) где ищи - напряжение на зазоре, D/r « 1. Как только ширина зазора превысит ларморовский радиус электрона, что соответствует критическому току: 1ВР 1С=13,6(КАХУ2-1),ЯГД), (1.18) происходит переход в фазу усиленной эрозии, когда происходит быстрый рост сопротивления ППТ и переброс тока в нагрузку. Фаза магнитной изоляции осуществляется в случае малоиндуктивной нагрузки, ток в которой превышает критическую величину (1.18). В [22] приведено модифицированное условие начала эрозийного процесса - переключения тока в нагрузку, определяемое из (1.16)-(1.18): 1МВР=1.02 10-2Г(П),/2 (1.19). Это условие может выполняться раньше, чем биполярный ток достигнет своего предельного значения (1.15).
Эрозионный механизм прерывания тока может быть усилен с помощью применения внешнего магнитного поля [16, 26], которое, в принципе, позволяет исключить электронные токи через ППТ и максимально использовать подводимую к ППТ энергию на ускорение ионов, т.е. на эрозию плазмы.
В [22] приведены скейлинги токов для эрозионной (биполярной и модифицированной биполярной) модели, а также ЭМГ и МГД режимов. Коэффициенты в приводимых формулах соответствуют углеродной плазме (С ) и скорости ионов V,=3.6 см/мкс и имеют не указанную размерность:
Если дополнить выражения (1.20)-(1.23) ограничениями на величину концентрации плазмы (1.12) и (1.6), то будет видно, что вакуумный и ЭМГ-режимы имеют принципиальное ограничение на величину тока и плотность переносимого заряда.
Оригинальный механизм работы ППТ предложен в [30]. Он основан на взрывном выбросе плазмы на холодные электроды, при условии, когда ее аномальное сопротивление растет с уменьшением концентрации при типичных для ППТ параметрах: wpi0a/c = (4rcn0Ze/M)1/2a/c l, eHa mc2 (или 1 17 (2яг/а)кА) (1.24), где а - размер плазменной перемычки (вдоль оси или по радиусу), индекс «0» -ОТНОСИТСЯ к начальному состоянию помеченных величин. При этом, благодаря эффекту Холла, плазма выбрасывается преимущественно в сторону катода, что соответствует наблюдаемому в экспериментах ионному току на катод.
Хотя приведенный краткий обзор дает всего лишь общее представление о возможных механизмах работы ППТ, он позволяет нам проводить более подробное сравнение различных схем плазменных прерывателей, определять режимы их работы и возможные результаты, определять место, занимаемое конкретным прерывателем шкале концентраций рисунка 1.3.
Влияние протяженности катода на эффективность ППТ
Проникновение нелинейной волны магнитного поля и тока в плазменную перемычку ППТ является известным эффектом, описанным в теории [18, 20] и наблюдавшимся экспериментально в ряде работ [72-75]. Впервые эффект наблюдался в [72] в т.н. «наносекундных» прерывателях с длительностью фазы проводимости -100 не при токе до 0.8 МА. Скорость проникновения тока составляла (2-3)х108 см/с. В экспериментах на генераторе «Дубль» с микросекундным временем проводимости (0.9 мке, 300 кА), исследовалось проникновение тока в плазменную перемычку [73]. Было обнаружено, что скорость проникновения тока в прикатодной области составляет 2x10 см/с, а в последние 50 не перед обрывом тока происходит резкое ускорения токового канала до 108 см/с. В экспериментах [74] на установке с временем проводимости 1 мке и амплитудой тока 500 кА с помощью петель, расположенных в анод - катодном зазоре, получено распределение тока в различные моменты времени и, соответственно, скорость проникновения тока (2 - 3)х10 см/с. В работе [75] (плоский ППТ, 160 кА, 0.4 мке) для оценки скорости проникновения магнитного поля использовался эффект Зеемана - уширение линии гелиевого иона Неї. Позиция, где поле В =
0.2 Т имеет аксиальную скорость 5x10 см/с, В = 0.6 Т - 3.3x10 см/с. Все эти измерения показывали существенность нелинейных процессов, определяющих высокую скорость проникновения магнитного поля, которая принимает значения от 2x10 до более чем 10 см/с.
Поскольку в наших экспериментах использовались, как правило, «короткие» ППТ, в которых плазменные пушки располагались в плоскости кольца на наружном электроде, представляло интерес сравнить динамику распространения тока «протяженного» и «короткого» ППТ. Исследовались высокоимпедансные, относительно слаботочные (100-200 кА), прерыватели с микросекундным временем проводимости, позволяющие получать высокие величины обострения импульса. Экспериментальное изучение проникновения тока по оси «протяженного» ППТ проводилось на установке «Тайна» [48] (№4 в таблице 1.1). Схема установки представлена на рис. 2.7. Эксперименты [26] проводились на одном модуле ППТ с длиной плазменной перемычки -60 см.
В соответствии с определенной в разделе 2.1 величиной плотности заряда qi = (5-10) мКл/пушку каждый модуль ППТ содержал (40-60) плазменных пушек. Чтобы избежать большого количества подводящих кабелей, вакуумных вводов и других трудностей, связанных с большим количеством пушек, на установке «Тайна» применялись многоискровые источники плазмы [76, 77]. Такие источники (рис.2.8) позволяют поджигать до 40 последовательно включенных искровых зазоров, каждый из которых выполняет роль отдельной плазменной пушки.
Источники такого типа отличаются большим ресурсом и минимальной величиной поверхности диэлектрика, облучаемой потоками ускоренных частиц из зазора ППТ. При включении источника питания (рис.2.8) вдоль поверхности диэлектрической оболочки происходит пробой между электродами, и через обратный токопровод электрическая цепь источника замыкается. В предложенном плазменном источнике исключается поверхностный пробой с электродов на обратный токопровод, так как разделяющий их диэлектрик выполнен в виде замкнутой оболочки, что позволяет использовать высокое напряжение и, следовательно, большое количество искровых зазоров между электродами. Такой источник может быть выполнен в виде кольца, которое размещается на наружном электроде ППТ. При этом плазменный поток ускоряется к оси кольца, т.е. к центральному электроду ППТ.
Для снижения рабочего напряжения многозазорного источника плазмы было предложено [77, 78] зашунтировать искровые зазоры сопротивлениями (рис.2.9) Ri, R.2 Rn, величины которых составляют убывающую геометрическую прогрессию: Rn=Rian-1, (2.8) причем R„ p (р - волновое сопротивление контура) При включении источника питания 1 его напряжение U распределяется на искровых промежутках пропорционально величинам шунтирующих резисторов и на первом зазоре составляет: которое должно превышать пробивное напряжение промежутка Unp. При его Используя в качестве источника питания конденсатор Ж - 100 - 0,4 с управляющим разрядником и кабельную подводку длиной 2м, получим р = 2 Ом. При а = 0,5 и Rj = 20 кОм получим, Rio = 200 Ом, Uj = 0,5Uo Unp = 3 кВ, откуда Uo= 6 кВ. При наличии цепочки резисторов устойчивый пробой всех промежутков начинается при Uo 7 кВ. Без резисторов необходимо увеличение напряжения Uo 24 кВ. Таким образом, рассмотренная схема позволила в широком диапазоне менять напряжение на плазменном источнике, плотность создаваемой плазмы и ее направленную скорость.
В экспериментах по изучению скорости проникновения тока в протяженную плазменную перемычку (рис. 2.10) использовалось шесть источников рассмотренного выше типа (рис. 2.8). Стержни с пушками располагались равномерно по окружности на 6-ти образующих цилиндра по 10 искровых зазоров на длине 60 см. С противоположной от пушек стороны располагались 3 цилиндра Фарадея для регистрации электронных токов на анод. С учетом расходимости пламенного потока из пушек длина плазменной перемычки на катоде составляла около 75 см. На рис.2.11 видно, что по мере нарастания тока захватывается всё большая область ППТ, и перед переключением тока в нагрузку он переносится через плазменные каналы ближайшего к нагрузке конца ППТ. Скорость проникновения тока в плазменную перемычку Vn, определенная по времени появления сигналов на цилиндрах Фарадея, постоянна и составляет Vn = 8.10 см/с. Скорость установления магнитной самоизоляции по длине плазменной перемычки Уи, определенная по времени исчезновения сигналов на соответствующих цилиндрах Фарадея, составляет Vm= 10 см/с и Уиг= 3.10 см/с, соответственно, на первой и второй половине длины плазменной перемычки. Электронный ток на дальний от генератора зонд прекращается практически одновременно с появлением напряжения на ППТ и перебросом тока в нагрузку при длительности этих процессов 50 не. Из этого следует, что эффективная длина плазменной перемычки может увеличиться не более чем на 10 см, т.е. на -10%. Собственное магнитное поле в момент переключения тока в нагрузку составляет: на катоде ППТ - Н ()к= -12 кЭ, на аноде - НфА= 2.2кЭ.
Схема эксперимента с протяженным ППТ: LH = 0.2 мкГн, (LHAP+ LBAK) = 2.9 мкГн, Цд - напряжение нагрузки измерялось делителем, подключенным непосредственно к ППТ. Расстояние между центрами цилиндров Фарадея Ia, 1ь, 1с, регистрирующими электронные токи на анод ППТ, составляли 30 см. Длина токоприемной площади цилиндра Фарадея - 1см, ширина - 5см.
Конвертер энергии электронов в рентгеновское излучение
Эффективная работа ППТ возможна при условии замагниченности электронов [26]. Обычно это условие выполняется за счет собственного магнитного поля, что требует соответствующей величины тока, т.е. выполнения условия (1.18): 1о 1с= 13,6(кА)(уМ),/2г,/0= 13,6(кА)угкЮ.
В этих условиях для получения напряжения на уровне 1 MB ток через ППТ 10 должен быть не менее 100 кА. С дальнейшим ростом напряжения для обеспечения замагниченности электронов, практически, пропорционально напряжению должен расти и ток. Таким образом, в обычных ППТ ток и напряжение связаны соотношением (1.18), и их нельзя изменять произвольным образом. Учитывая, что характерная длительность импульса ту = 10 с, в реально возможном диапазоне мощностей Р = (105-106) Вт, при изменении напряжения в освоенном диапазоне величин U=(l-3)xl06B и соответствующих им величинах токов I = (1-3)хЮ5А условие (3.1) дает характерную частоту импульсов f 10 Гц. Это означает, что с ростом напряжения среднюю мощность можно увеличивать только при одновременном увеличении тока. Увеличение средней мощности за счет частоты возможно только при фиксированных величинах тока и напряжения, удовлетворяющих условию замагниченности электронов в зазоре ППТ. Так при U = 106В, I = 105Аиту = 10"7 с для получения средней мощности Р = 106 Вт частота составит 100Гц. В реальных применениях, как указывалось выше, большие мощности электронных пучков требуются в сочетании с большой энергией электронов, т.е. при мощности 106 Вт необходимо использовать максимальное напряжение, например, З MB, и тогда частота составит 10 Гц. Таким образом, характерная частота работы ППТ, которая может быть реально востребована, существенно ниже предельно возможной для ППТ частоты.
Можно существенно понизить величину тока и обойти условие (1.18), если принять меры по подавлению электронных утечек, т.е. применить магнитную изоляцию ППТ внешним полем. В этом случае минимальная величина тока определяется условием магнитной самоизоляции линии ГИН -ППТ и необходимыми энергетическими затратами на эрозию плазмы в ППТ. Так, опыт работы на установках ПН-4М и Ан-2С (см. раздел 2.7) показывает, что при токах 10 = 40 и 10 = 60 кА, напряжении Uo = 0.4 и Uo = 1 MB можно получить напряжение UnnT = 1-8 MB и Unm = 4 MB, соответственно. Т.е. можно существенно увеличивать среднюю мощность генератора на основе ППТ за счет повышения частоты при ограниченной величине тока. Так, при частоте следования импульсов -50 Гц - принципиально вполне достижимой частоте - можно получить среднюю мощность на уровне 106 Вт при напряжении 3 MB, токе -75 кА и длительности импульса -100 не. Однако здесь приходится экспериментально определять и решать те самые физико-технические задачи, которые в начале раздела мы предположили принципиально решенными.
Впервые в мире в РНЦ «Курчатовский институт» разработано и создано несколько частотных ускорителей на основе ППТ. Их основные параметры приведены в Таблице 3.3. Первым генератором на основе ППТ, работающем в режиме повторяющихся импульсов, был "частотный макет", созданный на базе одного модуля установки "Тайна" [54]. При создании макета были разработаны: модуль ГИН (16 каскадов по одному конденсатору ИК-100-0.4 в каскаде), разрядники, отражательная схема ППТ (типа рис.1.4д), плазменные пушки с защитой диэлектрика и др. Выходные параметры модуля ГИН: бООкВ, 50кА, 1мкс, 1Гц. Макет успешно прошел ресурсные испытания (-106). Все разработанные при создании макета схемные решения впоследствии использовались на установке РС-20 и будут представлены при его описании.
Генератор РС-20 («Рентгеновский стерилизатор с мощностью в пучке 20 кВт») был создан по заказу Международной акционерной компании "ЧЕТЕК" в 1990-1991 гг. для проведения радиационно-биологических экспериментов и отработки технологии частотных ППТ [40, 106]. С этой же целью по заказу Северо-Западного Института, г. Сиань (КНР), в 1993-1994 гг. была создана установка [34], аналогичная РС-20. В обоих генераторах электронный пучок тормозился в тяжелой мишени, создавая импульсное тормозное рентгеновское излучение (РИ). Кроме того, с целью дальнейшего совершенствования технологии частотных ППТ и проведения радиационно-биологических экспериментов с использованием электронного пучка при пиковых мощностях дозы до 10й Гр/с в 1997 г. был создан ускоритель электронов с выпуском пучка в атмосферу [60]. На основе полученного опыта в 1997 г. был разработан проект генератора тормозного рентгеновского излучения РС-200 с мощностью в пучке 200 кВт для дезинсекции древесины тормозным рентгеновским излучением (РИ) с энергией электронов 5-6 МэВ и к.п.д. в пучке (50-70)% [59, 109,119].
Существующие ускорители в значительной степени являются испытательными стендами не только для частотных ППТ, но и остальных элементов: таких как ГИН, изолятор и т.д. Это определило требования к выбору компоновки и конструкции: максимальная простота, доступность всех элементов схемы, возможность их замены, максимальный ресурс, минимальная стоимость. Именно по этим причинам был выбран вариант воздушной изоляции ГИН. Особенности основных элементов ускорителей рассмотрим на примере РС-20 [40, 55,120, 121].
Стерилизация стационарным и импульсным излучением
Сравнительные эксперименты [12, 136] проводились на у-установке СобО «Исследователь» (НИИПТиД) и РС-20 (РНЦ КИ) в условиях практически одинаковой средней мощности дозы при эффективной жесткости квантов 600кэВ. Согласно правилам радиационной стерилизации [133], испытания проводились на специально выбранных тест-культурах, отражающих различную стойкость к радиационному воздействию. Для выполнения испытаний было отобрано и аттестовано 8 культур микроорганизмов и спор, наиболее полно представляющих реакцию микроорганизмов на радиационное воздействие и пригодных для проведения исследований. На обеих установках дозиметрические измерения проводились с помощью термолюминисцентных и ферросульфатных дозиметров. Раствор соли FeS04 в разбавленной серной кислоте H2SO4 - наиболее распространенная для дозиметрии химическая система. Используется свойство ионов двухвалентного железа Fe окисляться до трехвалентного Fe3+. Появление трехвалентного железа приводит к изменению оптической плотности раствора, которая и служит мерой дозы. Для интегрального набора дозы был разработан специальный дозиметр на основе кристалла NaJ. Световая вспышка под действием импульса РИ регистрировалась ФЭУ, электрический сигнал с которого подавался на интегрирующий конденсатор типа К73-26 (10 шт, 1200мкФ). Собственные утечки и измерительная цепь обеспечивали RC=10 суток. Заряд конденсатора, соответствующий дозе 30 кГр набирался за 2 дня при трехсменной работе. Дозиметры калибровались на установке РС-20. Эталоном служил заполненный водой сосуд Дюара объемом 2л. Объемпрактически, полностью поглощал поток у-квантов с энергией 0.6 МэВ. Нагрев воды на 1С соответствовал поглощенной дозе 4кГр. Температура измерялась градусником с точностью 0.1С. Теплопроводность сосуда X оценивалось по остыванию в нем горячей воды - при начальной температуре воды Т0= 98 С за время t=12 часов она остывала до конечной температуры Ткон=88С при температуре окружающего воздуха Твозд = 18С, т.е. потери тепла AQ составляли: AQ = тС(То-Ткон) = М[(То+ТКОн)/2]- Твозд} (4.1), где т, С - масса и теплоемкость воды. Оценка теплопроводности показывает, что в процессе нагрева воды поглощенным РИ ее остывание за счет теплопроводности не превышало 1%. Сосуд Дюара и калибруемые датчики располагались в одной плоскости за экраном (аллюминий, 2 мм) на расстоянии 20 см от выпускной фольги (нержавещая сталь, 0.8 мм). Пространство между экраном и выпускной фольгой обдувалось вентилятором, так что температура фольги, практически, не превышала температуру окружающего воздуха.
Для сравнительной оценки эффективности стерилизации на РС-20 и кобальтовом источнике в первых экспериментах были использованы тест-образцы из полимерных материалов. Инфицированные и подсушенные в термостате до полного исчезновения влаги тест - изделия запаивались в полиэтиленовые пакеты и в таком виде подвергались радиационной обработке.
Объемная плотность испытываемых образцов составляла 0,2 г/см при толщине 10-35 см. Поле доз в используемом для стерилизации объеме представлено на рис.4.1. При частоте импульсов 1Гц пиковая мощность дозы превышает среднюю мощность в 10 раз и составляет (1.2 - 2.4) МГрей/с. Изменение дозы по длине коробки составляет -50%. Для получения равномерного распределения дозы в образцах, коробка поворачивалась на 180. При двухстроннем облучении неравномерность облучения не превышает 17%. После обработки изделия в асептических условиях засевали в жидкие питательные среды, и посевы термостатировали при 37 С. Предварительный учет результатов проводили через 48-72 часа, окончательный - через 14 суток. Степень стерилизации обычно измеряется отношением количества оставшихся микроорганизмов к их первоначальному количеству. Стерилизация считается полной, если это отношение не превышает 10"6, т.е. 0.0001%. Результаты эксперимента приведены в Таблице 4.2. В таблице знак «+» означает, что после воздействия указанной в столбце дозы, культура оказалась жизнеспособной, знак «-» означает полную гибель культуры. Приведенные результаты показывают, что эффективность стерилизации на установке РС-20 выше в 2.5-5 раз, чем на установке СобО "Исследователь" [12, 136]. В последующих экспериментах в качестве тест - образцов использовались металлические, пластмассовые, деревянные материалы, упаковки одноразовых шприцев. Результаты экспериментов были стабильны. Таким образом, использование высокой импульсной мощности дозы (более 1МГр/с) приводит к повышению эффективности стерилизации в 2.5 - 5 раз (в зависимости от вида микроорганизмов). Следует отметить, что это важно не только с точки зрения эффективности и производительности технологий - это открывает возможность стерилизации ряда медицинских материалов и препаратов с низкой радиационной стойкостью, т.е. существенно расширяет возможности радиационной стерилизации и, следовательно, перечисленных в таблице 4.1 радиационных технологий.
