Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по применению высоковольтных генераторов наносекундных импульсов в технических приложениях 12
1.1. Методы разрушения твердых тел с помощью электрических разрядов 12
1.2. Краткое описание импульсных рентгеновских трубок 15
1.3. Наносекундные высоковольтные частотные генераторы рентгеновского излучения 25
Глава 2. Способ разрушения твердых тел микронных размеров и установка для селективного раскрытия тонких включений из твердых материалов 34
2.1. Электрическая схема и конструкция генератора высокого напряжения «Пирит» 35
2.2. Испытания эффективности дробления частиц с размерами менее 100 мкм 38
2.3. Создание разрядной ячейки и оптимизация генератора для повышения эффективности обработки твердых материалов 40
2.4. Создание опытной установки «Пирит-2» для селективного раскрытия тонких включений из твердых материалов 46
Выводы 52
Глава 3. Рентгеновские импульсные трубки с взрывоэмиссионным металлокерамическим катодом 53
3.1. Разработка отпаянной импульсной рентгеновской трубки с взрывоэмиссионным металлокерамическим катодом 53
3.2. Способ повышения средней мощности и ресурса работы рентгеновской импульсной трубки типаРИА1-120 60
3.3. Определение дозовых характеристик и ресурса работы взрывоэмиссионной трубки РИА1-120-3 74
Выводы 78
Глава 4. Наносекундные высоковольтные генераторы для дефектоскопии 79
4.1. Дефектоскоп РУП-300-Ш 19
4.2. Моноблочный переносной дефектоскоп «Пират» 89
Выводы 94
Глава 5. Высокочастотные наносекундные высоковольтные генераторы для медицинской диагностики 96
5.1. Особенности применения высокочастотных наносекундных генераторов в медицинской диагностике 97
5.2. Импульсный рентгеновский диагностический палатный аппарат АРДП-01 101
5.3. Импульсный рентгеновский диагностический палатный аппарат Ясень-01 109
Выводы 122
Заключение 123
Литература 127
- Краткое описание импульсных рентгеновских трубок
- Испытания эффективности дробления частиц с размерами менее 100 мкм
- Способ повышения средней мощности и ресурса работы рентгеновской импульсной трубки типаРИА1-120
- Моноблочный переносной дефектоскоп «Пират»
Введение к работе
Наносекундные высоковольтные генераторы с частотой следования импульсов до 10 кГц (высокочастотные генераторы) и полностью твердотельной системой коммутации -относительно новый класс мощной импульсной техники, получившей бурное развитие, начиная с последнего десятилетия XX века, связанное с открытием эффекта наносекундного обрыва тока высокой плотности в полупроводниковых диодах и последующей разработке мощных полупроводниковых прерывателей тока (ППТ) [1-5].
Все высоковольтные генераторы импульсов длительностью менее 10"6с имеют общую идеологию построения: относительно медленное накопление энергии в промежуточном накопителе и последующая быстрая передача энергии в нагрузку с помощью коммутатора.
Первоначально, благодаря успехам в создании высоковольтных конденсаторов и газовых разрядников, подавляющее большинство высоковольтных импульсных генераторов создавались по схеме с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ), в котором энергия запасается в виде энергии электрического поля, а в качестве коммутатора-замыкателя используется разрядник. Генераторы, созданные по подобной схеме, позволяют формировать мощные импульсы с длительностью единицы наносекунд и менее [6-8], что является неоспоримым достоинством подобных генераторов, но существуют и недостатки. Во-первых, необходимость создания ЕИЭ на полное выходное напряжение, что предъявляет высокие требования к электрической прочности генератора. Во-вторых, газовый разрядник обладает относительно низкими ресурсом работы и частотой следования импульсов [7], что ограничивает применение генераторов с ЕНЭ и разрядниками для работы в условиях поточного производства.
Другой тип генераторов запасает в промежуточном накопителе энергию в виде энергии магнитного поля. Это т.н. генераторы с индуктивным накопителем энергии (ИНЭ)
[1, 2, 9-14]. В отличие от ЕНЭ, индуктивные накопители позволяют получать более высокие плотности запасаемой энергии, ограниченные не электрической прочностью диэлектрика, а механической прочностью накопителя. Кроме того, амплитуда выходных импульсов высокого напряжения генератора, зависящая от скорости обрыва тока прерывателем и индуктивности накопителя энергии, при сопротивлении нагрузки в несколько раз большем, чем волновое сопротивление оконечного каскада, значительно превышает напряжение питания ИНЭ. Эти особенности генераторов с промежуточным ИНЭ позволяют уменьшить габариты генератора наносекундных импульсов. Но использование в качестве прерывателя тока электрически взрываемых проводников или плазменных размыкателей, также ограничивали область применения генераторов с промежуточным ИНЭ из-за недостаточного ресурса работы прерывателей и низкой частоты следования импульсов.
Открытие наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках [1-5] позволило создать ППТ, превосходящий по стабильности выходных параметров, частоте следования импульсов, как плазменные прерыватели тока, так и прерыватель тока на основе электрически взрываемых проводников и обладающий практически неограниченным ресурсом работы, а также создать высоковольтные импульсные генераторы с полностью твердотельной системой коммутации [9-12]. Данные генераторы обладают высокими потребительскими свойствами, что открывает широкую дорогу к их внедрению и использованию в различных областях деятельности человека.
Одна из традиционных сфер применения высоковольтной импульсной техники -генераторы рентгеновского излучения. Востребованность в этой области мощных легких источников питания рентгеновских трубок обусловлена необходимостью оперативного проведения интроскопии в нестационарных условиях. Серийно выпускаемые на сегодняшний день малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты (ИРА) характеризуются довольно низкой частотой следования импульсов - на уровне десятков
герц и средней мощностью на уровне сотен ватт, что определяется конструктивными особенностями источника питания и рентгеновской трубки. Эти обстоятельства определяют значительные времена получения снимков при решении дефектоскопических задач и делают проблематичным применение ИРА для проведения медицинских диагностических исследований.
Другой перспективной областью использования высокочастотных наносекундных высоковольтных генераторов импульсов является разрушение твердых тел с размерами частиц менее 100 мкм. На сегодняшний день накопились миллионы тонн подобного материала в отвалах горно-обогатительных комбинатов (ГОК). В этих частицах высока концентрация полезных ископаемых, но их дальнейшее извлечение традиционными методами либо экономически нецелесообразно, либо просто невозможно из-за проблем переработки. В то же время известно, что электрический пробой жидкости создает ударные волны способные разделять рудные конгломераты. Также известно, что минимальный размер тела, которое возможно разрушить ударной волной, создающей усилия сжатия, растяжения и сдвига, определяется произведением времени нарастания давления и скорости звука в твердом теле. Следовательно, для разрушения твердых частиц микронных размеров необходимо создать ударные волны, возбуждаемые при электрическом разряде в жидкости с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности, для чего оптимально подходят высоковольтные наносекундные генераторы импульсов.
Таким образом, разработка мощных компактных высокочастотных наносекундных высоковольтных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации для промышленного и медицинского использования является актуальной задачей. Для реализации достоинств подобных генераторов в интроскопии необходимо создание импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, способной выдержать тепловые нагрузки при средней мощности 1-2 кВт в электронном пучке за время экспозиции и
обладающей малым размером фокусного пятна. Кроме того, отсутствие к началу работы данных о применении высоковольтных генераторов с импульсами наносекунднои длительности для наносекундного пробоя жидкости, содержащей микрочастицы твердых тел (пульпы), требует проведения исследований в этих направлениях.
Цель работы
Разработка мощных компактных высокочастотных наносекундных высоковольтных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации для промышленного и медицинского использования.
Исследование воздействия ударных волн, возбуждаемых при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекунднои длительности, на твердые материалы с размерами частичек от единиц до сотен микрометров.
Создание острофокусной импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки с увеличенной средней мощностью, рассеиваемой на аноде, и стабильной генерацией рентгеновского излучения при скорости нарастания импульса напряжения менее 1-Ю13 В/с.
Научная новизна
Предложен и реализован эффективный способ разрушения частиц твердого материала размером менее 100 мкм с помощью ударных волн, возбуждаемых при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекунднои длительности.
Показано, что снижение удельной импульсной мощности электронного пучка, бомбардирующего вольфрамовый анод рентгеновской трубки, ведет к увеличению
допустимой средней мощности, рассеиваемой на аноде, при сохранении размера эффективного фокусного пятна.
Разработан металлокерамический катод острофокусной импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, позволяющий получить стабильную эмиссию электронов из нескольких центров одновременно при скорости нарастания импульса напряжения менее 1-10 В/с.
Установлено, что применение в медицине высокочастотных импульсных рентгенодиагностических аппаратов, формирующих импульсы длительностью менее 100 не, при условии использования фотографических приемников излучения с рентгенолюминесцентными усиливающими экранами, снижает поглощенную дозу в несколько раз, по сравнению с рентгенодиагностическими аппаратами постоянного тока.
Практическая ценность работы
Создана высоковольтная импульсная установка «Пирит-2» с амплитудой импульсов высокого напряжения - 150 кВ на нагрузке 95 Ом, длительностью импульса 5 не и частотой следования импульсов до 1 кГц, позволяющая разрушать в пульпе частицы твердого материала с размерами от единиц до сотен микрометров.
Разработаны и внедрены на промышленных предприятиях компактные импульсные рентгеновские дефектоскопы РУП-300-Ш и «ПИРАТ» с полностью твердотельной системой коммутации напряжением 325 кВ и 210 кВ, весом 25 кг и 9 кг и удельной мощностью 36 Вт/кг и 20 Вт/кг, соответственно, что в 2 - 3 раза выше, чем у лучших аналогов.
Разработана и выпущена серия медицинских импульсных высокочастотных наносекундных рентгеновских диагностических палатных аппаратов «Ясень-01»
выходной мощностью 1,5 кВт с полностью твердотельной системой коммутации и весом 45 кг, что в 1,5-2 раза легче лучших зарубежных аналогов.
Разработаны и серийно выпускаются взрывоэмиссионные наносекундные импульсные рентгеновские трубки РИА1-120 для дефектоскопии и медицинской диагностики с максимально допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде до 1500 Вт.
Разработан способ разделения на блоки генератора высоковольтных импульсов, состоящего из тиристорного преобразователя и магнитного генератора (2-3 звена сжатия) с ППТ в оконечном каскаде, с выделением в отдельный блок последнего звена магнитного генератора, при длительности импульса передачи энергии от предыдущих звеньев на уровне сотен наносекунд. Это позволяет конструировать излучатель рентгеновского аппарата, состоящий из последнего звена сжатия магнитного генератора, ППТ и рентгеновской трубки, в виде моноблока.
Положения, выносимые на защиту:
Ударные волны, возбуждаемые при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности, эффективно разрушают частицы твердого материала размером менее 100 мкм.
Металлокерамический взрывоэмиссионныи катод в импульсных наносекундных рентгеновских трубках в отличии от металлического катода позволяет получать стабильную взрывную эмиссию электронов из нескольких центров одновременно при скорости нарастания импульса напряжения менее 1-10 В/с.
Наносекундные импульсные электронные пучки, при удельной импульсной мощности не более 2 МВт/мм , не вызывают эрозии анода, изготовленного из вольфрама, что позволяет получить среднюю мощность, рассеиваемую на аноде, на
уровне 1,5 кВт, при диаметре эффективного фокусного пятна 1,5-2 мм и ресурсе работы трубки более 106 импульсов. 4. Применение импульсных наносекундных высокочастотных рентгеновских аппаратов, формирующих импульсы длительностью менее 100 не, для медицинской диагностики, при использовании фотографических приемников излучения с рентгенолюминесцентными усиливающими экранами, снижает поглощенную дозу в 9 - 30 раз, по сравнению с аппаратами постоянного тока.
Личный вклад
Вклад автора в представленную работу состоит в расчете, проектировании конструкции и изготовлении импульсных наносекундных генераторов, разработке конструкции острофокусной наносекундной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки. Участие в создании компактных дефектоскопов и медицинских рентгеновских аппаратов, создании установки для разрушения материала, с размерами частичек материала от единиц до сотен микрометров, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов.
Основное содержание работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 70 наименований. Работа содержит 135 страниц печатного текста, 66 рисунков и 13 таблиц.
В первой главе дан обзор работ по применению высоковольтных генераторов наносекундных импульсов в областях, которые связаны с темой диссертации. Обсуждаются вопросы использования импульсных генераторов для разрушения твердых тел, определяются основные требования к выходным характеристикам генераторов для эффективного измельчения частиц размером менее 100 мкм. Дается краткое описание
наносекундных импульсных рентгеновских трубок, рассматриваются проблемы расширения области применения импульсных рентгеновских аппаратов. Приводится обзор литературных данных по частотным наносекундным импульсным генераторам рентгеновского излучения. Во второй главе описывается способ и установка для селективного раскрытия тонких включений твердых материалов. Приводятся результаты экспериментов по исследованию эффективности дробления частиц с размерами менее 100 мкм. Описывается конструкция разрядной ячейки, электрическая схема генератора высоковольтных импульсов и принцип его работы. В третьей главе рассматриваются тепловые процессы на аноде импульсной рентгеновской трубки. Описываются конструкции катодного и анодного узлов, позволяющие получать стабильную эмиссию электронов из нескольких центров одновременно, расположенных по окружности катода,
1 Ч
при скорости нарастания импульса напряжения на уровне 10 В/с. Показывается, что снижение удельной импульсной мощности электронного пучка, бомбардирующего вольфрамовый анод импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, снижает эрозию анода и увеличивает скорость охлаждения поверхности анода, позволяя повысить максимальную тепловую нагрузку ИРТ путем увеличения частоты следования импульсов, при сохранении размеров эффективного фокусного пятна. Приводится конструкция отпаянной наносекундной импульсной рентгеновской трубки на напряжение 120 кВ и максимально допустимой кратковременной мощностью 1600 Вт. Четвертая глава посвящена разработке компактных наносекундных высоковольтных импульсных частотных аппаратов для дефектоскопии. Описываются электрические схемы, принцип работы генераторов. Приводятся выходные характеристики и конструктивные особенности рентгеновских аппаратов. В пятой главе описывается разработка палатных рентгенодиагностических аппаратов. Рассматриваются особенности конструкции медицинских рентгеновских аппаратов. Приводятся результаты экспериментов по величине дозовой нагрузке на пациента при использовании для рентгенодиагностики
аппаратов постоянного тока и импульсных наносекундных аппаратов. В заключении приводятся основные результаты, полученные в работе и список литературы.
Краткое описание импульсных рентгеновских трубок
В настоящее время рентгеновские аппараты (РА) широко применяются в различных областях человеческой деятельности, таких как дефектоскопия, исследование процессов в оптически непрозрачных средах и, конечно же, медицине.
Существующие аппараты в зависимости от того, используется для генерации рентгеновского излучения трубка с термоэмиссионным катодом, или трубка с холодным взрывоэмиссионным катодом, подразделяются на два больших класса: рентгеновские аппараты постоянного тока (РАПТ) и импульсные рентгеновские аппараты (ИРА), и каждый из этих классов занимает свою, вполне определённую нишу. ИРА благодаря своей компактности и лёгкости остаются вне конкуренции там, где нет возможности переместить объект исследования к аппарату. В области медицины - это медицина катастроф, палатные аппараты, аппараты «скорой помощи». В области дефектоскопии -это труднодоступные места крупногабаритных конструкций, трубопроводы, мосто- и судостроение, а в последнее время и досмотровая техника. Кроме того, благодаря высокой мгновенной мощности, ИРА незаменимы при исследовании быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных средах. Но как видно из таблиц 1.1, 1.2, серийно выпускаемые ИРА, выигрывая у РАПТ по массе, проигрывают им в средней выходной мощности, которая определяется максимально допустимой тепловой нагрузкой анода рентгеновской трубки.
И если в дефектоскопии меньшая выходная мощность лишь увеличивает время экспозиции, то в области медицины неспособность анода выдерживать высокие тепловые нагрузки для достижения средней мощности 1-2 кВт в электронном пучке на время экспозиции ведет к невозможности сделать диагностику биологического объекта за короткое время, что приводит к ухудшению качества рентгенограммы. Таким образом, именно РТ является основным узлом любого генератора рентгеновского излучения, определяющая технические характеристики и область применения аппарата.
Судя по ранним публикациям [22, 23], первые мощные рентгеновские импульсы были получены с использованием двухэлектродных трубок конструкция, которых представлена на рис. 1.1. Анод трубки изготовлен в виде стержня небольшого диаметра с торцом конической формы. Катод изготовлен в виде цилиндра, соосно расположенного с анодом и удаленного от него на некоторое расстояние по оси [22]. Торец цилиндрического катода для снижения напряжения возникновения эмиссии электронов имеет толщину стенки несколько микрон. Расстояние до анода и диаметр цилиндра определяются из параметров импульсов высокого напряжения.
Недостатки такого устройства следующие: значительное превышение профильного рентгеновского фокуса над осевым; малый угол расходимости излучения; высокий уровень рабочего напряжения. Указанные недостатки приводят к снижению резкости рентгеновских снимков от центра к периферии, уменьшению размеров рентгеновских снимков, уменьшению контраста изображения объектов с низкой рентгеновской плотностью, что делает данные конструкции РТ неприемлемыми для медицинской диагностики.
Для генерации рентгеновского излучения при напряжениях на аноде меньше 500 кВ были разработаны трубки более сложной, трехэлектродной конструкции, с дополнительным поджигающим электродом [23].
Электродный узел импульсной трехэлектродной рентгеновской трубки Известна импульсная трехэлектродная рентгеновская трубка, состоящая из анода в виде стержня, заточенного под конус, катода в виде металлической шайбы и поджигающего электрода, расположенного в непосредственной близости от катода [23].
Устройство работает следующим образом. Между анодом и катодом прикладывается высокое постоянное напряжение величиной в сотни киловольт. При прикладывании импульса высокого напряжения к поджигающему электроду происходит электрический пробой между катодом и поджигающим электродом. В результате пробоя образуется плазма, которая служит источником электронов. Электроны ускоряются в промежутке между катодом и анодом и тормозятся материалом анода, в результате торможения генерируется рентгеновское излучение. Длительность излучения определяется временем перекрытия диода плазмой и составляет обычно величину менее 100 не. Впервые трубка такой конструкции была предложена Мюленпфордтом [24] и Шаафсом [25], с регулировкой ширины поджигающей щели микрометрическим винтом в пределах 0,1-0,2 мм. Известны отпаянные трубки данного типа, содержащие до четырех электродов [23, 26], обеспечивающие лучшую повторяемость импульсов.
Недостатком данного устройства является использование поджигающего электрода, для работы которого требуется применение высоковольтного поджигающего генератора, что усложняет конструкцию рентгеновского аппарата. Кроме того, использование высокого постоянного напряжения требует применения больших изоляционных промежутков, на порядок превышающих изоляционные промежутки для наносекундных импульсов. В результате возрастают габариты и масса аппаратуры, усложняется ее обслуживание. Эти недостатки привели к тому, что многоэлектродные импульсные рентгеновские трубки (ИРТ) не получили широкого распространения.
Испытания эффективности дробления частиц с размерами менее 100 мкм
Для проведения работы собрана экспериментальная установка на базе выше описанного импульсного генератора «Пирит», с импульсом выходного напряжения амплитудой 185 кВ, отрицательной полярности, длительностью 30 не и энергией в разряде около 3 Дж. Частота следования импульсов выбрана 50 Гц. Высокое напряжение из корпуса ГВИ через проходной изолятор подводится к электроду разрядного промежутка, как схематично изображено на рис. 2.2.
В лоток шириной 30 мм и длиной 500 мм равномерно, по всей длине лотка, насыпалось 100 г пиритного концентрата и заливалось 500 г воды. В воду погружался высоковольтный электрод ГВИ, который перемещался со скоростью примерно 100 мм/с, для обработки пиритного концентрата по всей длине лотка. Заземленный электрод, изготовленный из проволоки диаметром 0,8 мм, уложен на дне лотка. После двух минут обработки производилось перемешивание концентрата и обработка повторялась. Из-за высокой проводимости пиритного концентрата, амплитуда импульсов высокого напряжения значительно снизилась. Если высоковольтный электрод касался пирита, то амплитуда импульсов не превышала 85 кВ.
Обработанный пирит передавался на анализы в ИГД УрО РАН. Флотация свободного золота дала положительный результат. В случае полного погружения высоковольтного электрода в пирит самородные частицы были освобождены на 50%, в случае нахождения электрода над пиритом, в воде, частицы были освобождены на 100%.
Меньшая эффективность высвобождения частиц при погруженном в пирит электроде, вероятнее всего, связана с тем, что из-за высокой электропроводности значительно вырастали предпробойные токи, снижалось напряжение, что затрудняло образование ударных волн, и практически исключался ЭГ метод воздействия на пирит.
Результаты этих экспериментов полностью подтверждают прогноз: с помощью высоковольтных импульсов напряжения наносекундной длительности возможно проводить расщепление сверхтонких минералов микронного диапазона размеров. Однако оценка энергозатрат показала высокий расход энергии, требуемой на извлечение 1 грамма продукта: около 250 кВтч/г.
Анализ имеющихся литературных данных (работы Воробьева А.А., Усова А.Ф., Вершинина Ю.Н., Куреца В.И. и др.) [48, 51, 52] показал, что снижения энергозатрат возможно добиться путем перехода на импульсы напряжения положительной полярности и снижения энергии в импульсе.
Наибольшую трудность при конструировании установки представила разрядная ячейка. Зона, перекрываемая стримерами при развитии разряда, имеет весьма ограниченный объем. Ударные волны, распространяющиеся вокруг канала разряда затухают на расстоянии нескольких миллиметров от оси канала до величин, при которых воздействие на обрабатываемый материал будет недостаточно для его разрушения. Следовательно, для повышения эффективности метода необходимо создать электроизоляционную разрядную ячейку, позволяющую обрабатывать поток пульпы, состоящей из материала, находящегося в жидкости, и ограничивающую область обработки пульпы зоной, в которой воздействие на обрабатываемый материал превьппает предел прочности. Из-за быстрого затухания волн сжатия и растяжения объем данной области будет невелик ( 1 см ), а значит и разрядную ячейку необходимо делать соответствующего размера.
Для решения этих проблем к настоящему времени разработана ячейка, ресурс которой определяется только эрозией электродов и абразивной стойкостью используемых материалов. На пути потока пульпы устанавливают разрядную ячейку с цилиндрическим отверстием для прохождения пульпы, рис. 2.4. Ячейка 1 выполнена из электроизоляционного материала. Высоковольтный электрод 2 представляет собой острие и расположен так, что кончик острия находится на оси цилиндра. Второй электрод 3, заземленный, изготовлен в виде тонкого металлического цилиндра с внешним диаметром, равным диаметру цилиндрического отверстия ячейки. Расстояние между электродами h выбирают из условия стабильного пробоя пульпы. При уровне напряжений 50-250 кВ и длительности импульсов менее 50 не величина h лежит в диапазоне 3-6 мм. Диаметр отверстия в ячейке D был найден во время испытаний из условия наибольшей эффективности с точки зрения уменьшения энергетических затрат. С достаточной для практических целей точностью получено, D h.
При выборе режима обработки пульпы необходимо учитывать, что пробой пульпы сопровождается выделением пузырьков газа, которые необходимо удалить потоком пульпы из зоны разряда до прихода следующего импульса, иначе разряд происходит по газовым пузырькам, образовавшимся от предыдущего пробоя.
Кроме того, наиболее эффективно энергия тратится на раскрытие частиц пирита при их массовом соотношении с водой 1:1. При дальнейшем увеличении концентрации пирита, из-за его большой электропроводности, вероятность пробоя пульпы резко снижается. Вместе с тем, из-за быстрого расслоения пульпы на воду и пирит (плотность воды р = 1 г/см , пирита р = 4,2 г/см ), установка устройств регулировки скорости потока пульпы, а так же наличие участков с изменением сечения трубопровода или горизонтальных участков, приводили к осаждению на стенки пирита и закупорке трубопровода. Это обстоятельство потребовало только вертикального положения тракта подачи пульпы с постоянным сечением по всей длине и необходимости смешивать пирит с водой непосредственно во время обработки. Таким образом, расход пульпы Vn определяется сечением тракта подачи и не регулируется во время обработки пульпы.
В созданной разрядной ячейке межэлектродное расстояние регулировалось от 3 до 6 мм, а диаметр был выбран 4 мм. Скорость потока пульпы установилась на уровне 140 см/с при массовом соотношении пирита с водой 1:1. Реализация условия 100% обработки пульпы при таких условиях возможна только при использовании генератора с частотой следования импульсов не менее 450 Гц. При такой частоте следования импульсов обеспечивается как стабильное прохождение потока, так и высокая производительность метода.
Использование в качестве первичного накопителя ГВИ «Пирит» комбинированных конденсаторов с металлизированными обкладками К75-40, обладающих tg а = 0,008, ограничивает частоту следования импульсов ГВИ до 300 Гц при временах включения более 30 с, хотя и позволяет сделать первичный накопитель достаточно миниатюрным/ Для создания ГВИ, способного работать с частотой следования более 1 кГц продолжительное время, необходимо применить конденсаторы с tg о в несколько раз меньшим, чем tg а конденсаторов К75-40. Наиболее подходящими характеристиками среди конденсаторов, выпускаемых отечественной промышленностью, обладают пленочные полипропиленовые конденсаторы с фольговыми обкладками К78-2 с tg о = 0,001, не требующие снижения максимального напряжения заряда при работе с частотой следования импульсов до 5 кГц.
Способ повышения средней мощности и ресурса работы рентгеновской импульсной трубки типаРИА1-120
Первым импульсным рентгеновским аппаратом, укомплектованным отпаянной импульсной рентгеновской трубкой РИА1-120, был ИРА «Контроль». Последнее звено генератора одновременно являлось индуктивным накопителем энергии с полупроводниковым прерывателем тока. ГВИ формировал на выходе импульсы высокого напряжения амплитудой 120 кВ на нагрузке 1 кОм, длительностью на полувысоте 25 не и максимальной частотой следования импульсов 1000 Гц. Электрическая схема генератора «Контроль». VD1 - VD6-КД203Г; VS1 — ТЧШОО-11; SOS - полупроводниковый прерыватель тока; С1 - К50-17-350-1500мкФ (2 штуки); С2-К75-24-630-1,ОмкФ (15 штук); СЗ К15-10-40кВ-10нФ; С4 - К15-10-40кВ-ЮнФ; С5 - КВИ-3-3300пФ-10кВ (6 штук); L1 - 10 мГн (медный провод ПЭВ-2); L2-5 мГн (медный провод ПЭВ-2); ТІ, MSI, Т2 —магнитные ключи; РИА1-120 —рентгеновская трубка
Работа трубки РИА1-120 в составе ИРА «Контроль» показала, что при работе ИРА пробой трубки происходит при напряжении 103 кВ и скорости нарастания импульса 1-10 В/с. Длительность импульса рентгеновского излучения - 10-15 не, амплитуда тока - 430 А. Осциллограмма высокого напряжения приложенного к трубке и тока трубки показаны нарис. 3.8.
При временах экспозиции не более 3 секунд, типичных для медицинской радиографии, ресурс трубки составил более миллиона импульсов при средней выходной мощности 250 Вт. Повышение выходной мощности до 700 Вт приводило к разрушению анода за 0,3 секунды (рис. 3.9). И "і мі/ uha s. ooV "м U. ftw fli2!/ lJVtw
Таким образом, для того, чтобы создать ИРА конкурентоспособным с палатными РАПТ, работающими с выходной мощностью 0,8-1,5 кВт [59], требовалось решить задачу по повышению максимальной тепловой нагрузки ИРТ в кратковременном режиме работы ИРА. Решение задачи возможно двумя путями: во-первых, увеличением теплоемкости системы, т.е. увеличением массы части анода, подвергающейся электронной бомбардировке; во-вторых, увеличением теплопроводности анодного узла для ускорения отвода тепла из зоны нагрева. Основные геометрические размеры электродной части ИРТ определяются требованиями приложений, для которых создается трубка и характеристиками питающего устройства высокого напряжения. В случае медицины максимальное напряжение рентгено диагностических аппаратов с пленочной регистрацией определяется коэффициентами ослабления биологических тканей, характеристиками рентгеновских пленок, усиливающих экранов и не должно превышать 130 кВ, иначе рентгеновские снимки будут неконтрастными. Второе требование медицинской рентгенодиагностики -необходимость видеть на снимке тонкую структуру костей. Следовательно, разрешающая способность системы должна быть не ниже 4 пар линий на миллиметр, что, с учетом типичных расстояний от аппарата до объекта и от объекта до приемника излучения, ограничивает размер эффективного рентгеновского фокуса величиной не более 2 мм [60]. Применительно к ИРТ РИА1-120, работающей с наносекундным ГВИ, эти требования означают, что диаметр анода в плоскости катода не должен превышать 1,5 мм, а зазор между анодом и катодом не должен быть более 3 мм.
Для определения оптимальной конструкции ИРТ, с точки зрения повышения допустимой тепловой нагрузки анода и сохранения малых размеров эффективного фокусного пятна, были проведены эксперименты с трубками, обладающими различными анодными узлами. Для этого были изготовлены отпаянные трубки, аналогичные по конструкции ИРТ РИА 1-120. Катодные узлы во всех трубках были одинаковыми, но аноды имели разные угол раствора конуса и высоту выступа над плоскостью катода, что изменяло геометрию вершины анода, подвергаемой электронной бомбардировке.
Измерение диаметров фокусного пятна для разных трубок позволило определить размеры области анода, подвергаемой бомбардировке электронным пучком. По диаметру пятна, равному диаметру основания облучаемой конической части анода, а также углу раствора конуса анода и удельному весу материала анода (pw = 19,35 гр/см ), вычислялись объем и масса данной области анода табл. 3.1. Высота выступа анода над плоскостью катода,мм Угол раствора конуса анода, градусов Следовательно, основной вклад в отвод тепла дает процесс теплопередачи от разогретой вершины анодного стержня за счет теплопроводности материала анода к его основанию. Анод закреплен в массивном высоковольтном фланце, который имеет большую площадь соприкосновения с трансформаторным маслом ГВИ, поэтому при рассмотрении .процессов теплопроводности возможно считать температуру основания анодного стержня равной температуре окружающей среды. Оценка максимальной мощности теплопередачи вольфрамового стержня Q диаметром 3 мм, длиной 25 мм, при условии нагрева одного торца до температуры плавления вольфрама
Для проверки расчетов мощности теплопередачи были проведены эксперименты, в которых определялась средняя мощность, рассеиваемая на аноде, при которой регистрируется остаточное свечение вершины анода после окончания экспозиции, при условии времени охлаждения анода до температуры прекращения свечения не более 0,06 с, путем регистрации происходящих процессов на ПЗС-камеру, соединенную с персональным компьютером. По длительности одного телевизионного полукадра (20 мс) оценивались временные характеристики тепловых процессов, а по яркости свечения -температура анода. Импульсы высокого напряжения формировались ГВИ аппарата «Контроль».
Моноблочный переносной дефектоскоп «Пират»
Дефектоскоп РУП-300-Ш очень компактный мощный рентгеновский аппарат, но все же, обладает суммарной массой источника питания и излучающего устройства в 34 кг. Кроме того, для питания аппарата требуется трехфазная сеть переменного тока напряжением 380 вольт. Это накладывает определенное ограничение на мобильность аппарата. Поэтому, после создания дефектоскопа РУП-300-Ш, были проведены работы по созданию мощного переносного дефектоскопа массой менее 15 кг, с питанием от однофазной сети переменного тока 220 В. Результатом этих работ, стало создание в 2004 году дефектоскопа «ПИРАТ» (Поисковый Импульсный Рентгеновский АппараТ) с выходным напряжением 210 кВ. Аппарат выполнен в виде моноблока, имеет массу 9 кг и размеры 240x216x156 мм. Корпус моноблока разделен на две части. В меньшей, воздушной части корпуса расположена плата генератора импульсов запуска и выпрямитель напряжения с электролитическими конденсаторами фильтра.
Принципиальной отличительной особенностью «ПИРАТ» от ранее созданных рентгеновских аппаратов является использование всего двух звеньев сжатия магнитного генератора. Первоначально энергия равная 1,55 Дж запасается в конденсаторе С2 (8,6 мкФ). Далее, при поступлении импульса запуска на управляющий электрод тиристора VS1 от встроенного в аппарат генератора импульсов запуска, энергия за 2,36 мкс через трансформатор ТІ переходит в первый высоковольтный конденсатор СЗ (0,83 нФ). К окончанию заряда СЗ происходит насыщение сердечника трансформатора ТІ, и конденсатор СЗ за 0,4 мкс передает энергию в конденсатор С4 (0,25 нФ) через трансформатор Т2 до 72 кВ. Таким образом, в конденсаторе последнего звена сжатия накапливается энергия равная 0,65 Дж. Амплитуда импульса тока заряда С4 равняется 50
Индуктивность контура Т2С4 при нахождении с Т2 в состоянии насыщения составляет 12,6 мкГн. В результате разряда С4 происходит процесс обратной накачки прерывателя SOS током 175 А и длительностью 80 не, что приводит к обрыву тока в контуре Т2С4 в момент максимума разрядного тока и формированию на нагрузке высоковольтного импульса амплитудой 240 кВ. Осциллограмма напряжения и тока трубки РИА2-400 при подключении к дефектоскопу «ПИРАТ». Амплитуда напряжения -210 кВ, амплитуда тока - 60 А, развертка 50 нс/дел В ходе экспериментов по изучению радиационного выхода дефектоскопа определено, что эффективная энергия фотонов равняется 140 кэВ, а доза за импульс на расстоянии 0,5 метра от фокусного пятна трубки составляет 0,03 мР. При регистрации на рентгеновскую пленку максимальная толщина просвечиваемой стали равна 30 мм. Частота следования импульсов 80 Гц. Для запуска аппарата на вход генератора импульсов запуска подать импульс напряжения амплитудой от 6 до 12 вольт от внешнего источника питания, например, элемента питания типа «крона». Длительность экспозиции определяется длительностью приложенного импульса напряжения, но не более 10 минут. Дефектоскоп также может работать с цифровой системой визуализации, описанной ранее при рассмотрении дефектоскопа РУП-300-Ш, для чего генератор запуска снабжен входом синхронизации с системой визуализации. Максимальная частота следования импульсов в этом случае повышена до 280 Гц, но длительность экспозиции снижена до 30 секунд.
1. Разработана отпаянная наносекундная импульсная рентгеновская трубка РИА2-400 для дефектоскопии на напряжение 210-350 кВ, с размером рентгеновского фокуса 2,3 мм.
2. Создан переносной рентгеновский дефектоскоп РУП-300-Ш на напряжение 325 кВ для использования в нестационарных условиях, с просвечивающей способностью до 40 мм стали и общей массой оборудования 35 кг. Дефектоскоп работает как в режиме пленочной, так и цифровой регистрации.
3. Создан малогабаритный наносекундный рентгеновский дефектоскоп «ПИРАТ» моноблочного исполнения, весом 9 кг с просвечивающей способностью до 30 мм стали. Амплитуда выходных импульсов напряжения - 210 кВ, эффективная энергия квантов - 140 кэВ, частота следования импульсов 80 — 280 Гц, питание от однофазной сети переменного тока напряжением 220В. 4. Создана система цифровой регистрации рентгеновского излучения от ГВИ наносекунднои длительности на основе рентгенолюминесцентного усиливающего экрана и ПЗС-камеры.
