Створення генераторів потужних імпульсів наносекундного діапазону

Реферат

Об'єкт дослідження — індуктивний нагромаджувач.

Мета — аналіз принципу роботи електронного прискорювача з індуктивним нагромаджувачем (ІН) та плазмовим комутатором.

Наведено огляд літератури по створенню та застосуванню індуктивних нагромаджувачів. Розраховані параметри індуктивного нагромаджувача: індуктивність, ємність, хвильовий опір. Розроблена методика розрахунку параметрів індуктивного накопичувача.

Описані процеси розмикання струму та генерації електронного пучка.

Розроблена методика проведення експерименту для дослідження параметрів електронного прискорювача: енергії електронного пучка; залежність множення напруги від часу затримки; рентгенівського випромінювання.

Осцилограми струму пучка та струму генератора імпульсів струму реєструвалися за допомогою поясів Роговського через анологово-цифровий перетворювач. Рентгенівське випромінювання реєструвалося за допомогою дозиметрів ДК — 0,2.

За результатами експериментальних досліджень написана стаття, опублікована у «Віснику НТУ „ХПИ“».

Вступ

Створення генераторів потужних імпульсів наносекундного діапазону отримало свій розвиток у зв’язку з вивченням дії могутнього г-випромінювання на електронні прилади, а також у зв’язку з програмами по здійсненню інерціального термоядерного синтезу. Такі генератори дозволяють одержувати електронні пучки з енергією на рівні десятки — сотні кеВ до декількох МеВ, та потужністю декілька мегават.

Останніми роками в США та Європі широкий промисловий розвиток отримали радіаційна обробка медичних матеріалів та виробів, полімерних матеріалів, обробка м’ясопродуктів. Склався ринок електронно-пучкових та рентгенівських випромінювачів і послуг. Можна навести ряд прикладів як державних лабораторій (Sandia National Laboratories, США), так і приватних компаній (Titan Beta, Radiation Dynamics — США, IBA — Бельгія), що займаються виробництвом прискорювальних систем для промисловості, а також поставляючих радіаційно-випромінювальні послуги з використанням прискорювачів.

У даний час в науковому співтоваристві обговорюється ряд проектів, вимагаючих розробки більш потужних прискорювачів:

1) дезинсекція деревини електронним пучком та гальмівним рентгенівським випромінюванням — необхідний прискорювачі з енергією 2,5 — 5 МеВ, потужністю 0,2 — 1 МВт;

2) деструкція гальмівним рентгенівським випромінюванням отруйливих речовин без розкриття оболонки — 2 — 3 МеВ, 0,2 — 0,5 МВт;

3) обробка електронними пучками питної води та стоків великих індустріальних міст — економічно доцільна при енергії електронів до 10 МеВ та потужності до 10 МВт;

4) руйнування атмосферного фреону для захисту озонового шара Землі - 5 — 10 МеВ, 1 — 10 МВт.

Нові методи прискорення, що розробляються у ННЦ ХФТІ, дозволяють істотно знизити масо-габаритні параметри прискорювачів, що дозволить знизити вартість їх виготовлення та, відповідно, виведе виробництво прискорювачів на промисловий рівень.

В Україні на даний момент вже склався ринок електронно-пучкових та рентгенівських випромінювачів і послуг. Генератори потужних імпульсів наносекундного діапазону використовуються в областях медицини, біології, хімії. Зокрема, за допомогою таких прискорювачів в Україні вже стерилізують хірургічні інструменти, руйнують клітки мікроорганізмів, створюють трекові мембрани.

Дослідження та розробка електронних прискорювачів є перспективним напрямом як для промисловості, так і для наукових досліджень в області термоядерного синтезу.

1. Електронний прискорювач

1.1 Загальні положення

Прискорювачі заряджених частинок (ПЗЧ) — пристрої для отримання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення проводиться за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію частинок, володіючих електричним зарядом. Магнітне поле може лише змінити напрям руху заряджених частинок, не міняючи величини їх швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом частинок (формою траєкторії). Звичайно прискорююче електричне поле створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливе прискорення за допомогою полів, створюваних іншими зарядженими частинками; такий метод прискорення називається колективним. Прискорювачі заряджених частинок слід відрізняти від плазмових прискорювачів, в яких відбувається прискорення в середньому електрично нейтральних потоків заряджених частинок (плазми).

Прискорювачі заряджених частинок — один з основних інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами як пучків первинних прискорених заряджених частинок, так і пучків повторних частинок (мезонів, нейтронів, фотонів та ін.), утворених при взаємодії первинних прискорених частинок з речовиною. Пучки частинок великих енергій використовуються для вивчення природи та властивостей елементарних частинок, в ядерній фізиці, у фізиці твердого тіла. Все більше застосування вони знаходять і при дослідженнях в інших областях: в хімії, біофізиці, геофізиці. Розширяється значення ПЗЧ різних діапазонів енергій в металургії - для виявлення дефектів деталей та конструкцій (дефектоскопія), в деревооздоблювальній промисловості - для швидкої високоякісної обробки виробів, в харчовій промисловості - для стерилізації продуктів, в медицині - для променевої терапії, для «безкровної хірургії» та у ряді інших галузей.

За типом прискорюваних частинок розрізняють електронні прискорювачі, протонні прискорювачі та прискорювачі іонів.

За характером траєкторій частинок розрізняють лінійні прискорювачі (точніше, прямолінійні прискорювачі), в яких траєкторії частинок близькі до прямої лінії, та циклічні прискорювачі, в яких траєкторії частинок близькі до кола (або спіралі).

За характером прискорюючого поля ПЗЧ ділять на резонансні прискорювачі, в яких прискорення проводиться змінним високочастотним (ВЧ) електромагнітним полем і для успішного прискорення частинки повинні рухатися в резонанс із зміною поля, та нерезонансні прискорювачі, в яких напрям поля за час прискорення не змінюється. Останні у свою чергу діляться на індукційні прискорювачі, в яких електричне прискорююче поле створюється за рахунок зміни магнітного поля (ерс індукції), та високовольтні прискорювачі, в яких прискорююче поле обумовлено безпосередньо прикладеною різницею потенціалів.

1.2 Загальні типи сучасних прискорювачів

Синхрофазотрон (протонний синхротрон) — циклічний резонансний прискорювач протонів з магнітним полем, що змінюється в часі, і частотою прискорюючого електричного поля, що змінюється. При цьому магнітна індукція та частота прискорюючого поля змінюються у строгій відповідності один з одним, так щоб радіус рівноважної орбіти залишався постійним. Постійність радіусу рівноважної орбіти дозволяє зробити магніт синхрофазотрона у вигляді порівняно вузького кільця, що сильно здешевлює установку. Зі всіх сучасних ПЗЧ синхрофазотрони дозволяють отримувати найвищі енергії частинок. До 1972 найбільшим прискорювачем в світі був Серпуховській синхрофазотрон (СРСР), прискорюючий протони до енергії 76 ГеВ. Оскільки граничне значення магнітного поля обмежено технічними можливостями, то збільшення енергії неминуче зв’язано із збільшенням радіусу установки. Для максимальних досягнутих енергій радіус прискорювачів складає декілька кілометрів. Саме розмір установки, отже і її вартість, обмежує граничну досяжну енергію в прискорювачі. Найменша енергія, для отримання якої застосовують синхрофазотрони, складає приблизно 1 ГеВ, для отримання протонів меншої енергії доцільно застосовувати фазотрони.

Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон з варіацією частоти) — інший основний тип резонансних циклічних прискорювачів, працюючих на принципі автофазировки. У фазотроні магнітне поле постійне в часі, а частота прискорюючого електричного поля змінюється. Фазотрон застосовується для прискорення важких частинок (протонів, б-частинок). Найбільші сучасні фазотрони дають протони з кінетичною енергією до 1000 МеВ. У фазотроні частинки рухаються по спіральних траєкторіях від центру, де розташовано іонне джерело (газовий розряд), до периферії вакуумної камери. Енергію вони придбавають за рахунок багатократного проходження прискорюючого зазора. Прискорені частинки або використовуються усередині камери, або виводяться назовні за допомогою відхилюючих систем. Зміна частоти прискорюючого поля здійснюється за допомогою варіатора — конденсатора змінної ємності, включеного в резонансний контур. Внаслідок того, що орбіта частинки у фазотроні має форму спіралі, магніт фазотрона не кільцевий, а суцільний, так що магнітна система вельми громіздка. Саме тому при енергіях вище 1 ГеВ віддають перевагу синхрофазотрону, хоча в ньому інтенсивність прискореного пучка, що досягається, істотно нижче.

Описані резонансні прискорювачі працюють в імпульсному режимі: певна група захоплених в синхротронний режим частинок підвищує свою енергію під час належної зміни частоти прискорюючого поля та (або) індукції магнітного поля. Після досягнення максимальної енергії ця група частинок або використовується усередині камери, або виводиться з прискорювача; параметри прискорювача повертаються до початкових значень, і починається новий цикл прискорення. Тривалість імпульсу прискорення в синхротронах і фазотронах порядку сотих часток секунд, в синхрофазотронах — декілька секунд.

Циклотрон — циклічний резонансний прискорювач протонів (або іонів), в якому як магнітне поле, так і частота прискорюючого електричного поля постійні. На відміну від раніше описаних прискорювачів, циклотрон — прискорювач безперервної дії. Конструктивно він вельми схожий з фазотроном. Частинки з іонного джерела безперервно поступають у вакуумну камеру і прискорюються електродами, рухаючись по спіралі. Циклотрон внаслідок роботи в безперервному режимі володіє перевагою по інтенсивності. Магнітне поле в циклотроні дуже слабо спадає за радіусом (сильний спад поля ще більше посилив би відхилення від точного резонансу). Тому фокусування магнітним полем у вертикальному напрямі дуже слабе, особливо у центрі магніта. Проте в центральній області швидкості частинок ще малі і істотний вплив надає фокусування електричним полем.

Дотримання точного резонансу між частинкою та прискорюючим полем постійної частоти можна забезпечити і в циклотроні, якщо магнітне поле зростатиме за радіусом. У прискорювачах з однорідним фокусуванням це неприпустимо через нестійкість руху у вертикальному напрямі. Якщо ж використовувати знакозмінне фокусування, то можна реалізувати стійке прискорення до значно більших енергій, ніж в звичайних циклотронах. Такого типу установки (секторні, або ізохронні, циклотрони), володіючи перевагою великої інтенсивності, властивим циклотронам, здатні давати інтенсивні пучки протонів при енергіях до 1000 МеВ.

Лінійний індукційний прискорювач — це прискорювач, в якому для прискорення використовується едс індукції, що виникає при зміні кільцеподібного магнітного поля. Уздовж осі прискорювача встановлюються феромагнітні кільця, які охоплюються струмовими обмотками. При різкій зміні струму в обмотках відбувається швидка зміна магнітного поля, яке згідно закону електромагнітної індукції створює на осі прискорювача електричне поле Е. Заряджена частинка, що пролітає за час існування цього поля уздовж осі, набуває енергію eEl, де l — пройдена відстань. Щоб прискорююче поле було достатньо велике, потрібно швидко змінювати магнітне поле, тому час існування прискорюючого поля та тривалість імпульсу прискорення невеликі (порядка 10^-9 — 10^-6 с). Переваги лінійних індукційних прискорювачів — великі значення струму прискорених частинок (сотні і тисячі ампер), велика однорідність пучка (малий розкид по енергії та малі швидкості поперечного руху) та великий кпд, тобто коефіцієнт перетворення затрачуваної в прискорюючій системі енергії в енергію пучка. Існуючі лінійні індукційні прискорювачі дають електронні пучки з енергією декілька МеВ. Вони застосовуються переважно як джерела інтенсивних пучків релятивістських електронів в установках для колективного прискорення частинок та для досліджень по термоядерному синтезу, проте по своїх можливостях вони допускають значно більш широке застосування.

Лінійні резонансні прискорювачі - найпоширеніший тип лінійних прискорювачів, особливо на великі енергії. Лінійні резонансні прискорювачі електронів дають енергії від десятків МеВ до ~ 20 ГеВ, протонів — до 800 МеВ. Істотна відмінність між протонним та електронним лінійними прискорювачами обумовлена головним чином тим, що протони прискорюються до нерелятивістських або слаборелятивістських швидкостей, тоді як електрони — до ультрарелятивістських швидкостей.

Таблиця 1.1 — Порівняльна характеристика лінійних прискорювачів

Перевага лінійних прискорювачів над циклічними — відсутність громіздкої магнітної системи, простота введення та виведення частинок, велика щільність струму. Проте складність та громіздкість таких прискорювачів істотно знижує можливість їх застосування.

1.3 Електронний прискорювач з індуктивним нагромаджувачем

Новим методом прискорення заряджених частинок є використовування в прискорювачах індуктивного нагромаджувача енергії. Такий лінійний прискорювач перекачує запасену в конденсаторах енергію в енергію магнітного поля. Індуктивний нагромаджувач сполучений з діодом-навантаженням, накопичена енергія передається в діод, на якому внаслідок вибухової емісії і відбувається прискорення електронів. Замикання ланцюга між ємнісним нагромаджувачем та індуктивним здійснюється за допомогою розмикача струму.

Принцип дії такого прискорювача полягає в наступному: в конденсаторній батареї запасається енергія, потім замикається ланцюг між індуктивним та ємнісним нагромаджувачами і починається передача енергії в індуктивний нагромаджувач, після чого за допомогою розмикача відбувається різкий обрив струму, на діоді виникає перенапруження і відбувається генерація електронного пучка. Множення напруги напряму пов’язано з індуктивністю нагромаджувача та швидкістю розмикання струму.

Прискорювач такого типу створений в ННЦ ХФТІ. Він є вакуумною циліндровою камерою з коаксіальним порожнистим катодом та сіткою анодом. Катод є індуктивним нагромаджувачем, у якості розмикача використовується плазмоерозійний розмикач струму.

Такий прискорювач має невеликі габарити, великий питомий енергозапас, велику продуктивність. Дешевизна такого генератора потужних імпульсів наносекундного діапазону і малі габарити робить його вельми вигідним у використанні для різних областей промисловості.

Основні області освоєного промислового застосування електронних прискорювачів разом з дозовими та енергетичними параметрами наведені в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 — Промислові технології, що використовують прискорювальну техніку

Слід зазначити, що цей прискорювач є одним з перспективних напрямів досліджень ННЦ ХФТІ, аналогів такого устаткування в Європі немає.

2. Індуктивний нагромаджувач

2.1 Загальні відомості

Генератори імпульсних струмів на основі індуктивних нагромаджувачів є індуктивними нагромаджувачами енергії (ІНЕ) з розмикачами струму. Накопичення енергії відбувається під час зарядки індуктивності від джерела постійного струму.

Під час зарядки до моменту t₁ комутатор К₁ замкнутий, від джерела живлення ИП тече наростаючий струм. Напруга на індуктивності не перевищує напруги джерела живлення. Досягши необхідного струму (накопичення енергії), зарядний ланцюг розмикається комутатором К₁, а комутатором К₂ під'єднується навантаження. Нагромаджувач розряджається на навантаження. При активному постійному навантаженні струм на ньому падає по експоненті з постійною часу, визначуваній значеннями L та R_Н. Напруга на навантаженні, що дорівнювала напрузі на індуктивності L, у момент комутації стрибком зростає. При цьому потужність, що розвивається в навантаженні, збільшується в порівнянні з потужністю джерела живлення.

Щільність енергії магнітного поля, що запасається в індуктивних нагромаджувачах, на 2 порядки вище, ніж щільність енергії електричного поля, що запасається в конденсаторах або довгих лініях. Ця обставина є вирішальною при створенні накопичувачів з великими енергіями. При енергіях вище 10⁶ Дж індуктивні нагромаджувачі стають економічно більш вигідними, ніж ємнісні (наприклад, для термоядерних установок). Розроблені у даний час індуктивні нагромаджувачі мають енергію порядка 10⁷ Дж та використовуються як джерела імпульсних струмів для живлення потужних прискорювачів, імпульсній зарядці конденсаторів та формуючих ліній.

У таблиці 2.1 наведено порівняльні характеристики нагромаджувачів за питомими параметрами.

Таблиця 2.1 — Порівняльна характеристика нагромаджувачів

Як видно з таблиці 2.1, створення ємнісних нагромаджувачів з великими енергіями дійсно економічно невигідно.

На відміну від ємнісного нагромаджувача, індуктивний в зарядженому стані споживає від джерела енергію, компенсуючу втрати на активному опорі індуктивного нагромаджувача при протіканні струму. Тому нагромаджувач з граничними енергіями може бути реалізований тільки з надпровідною катушкою.

У якості ІНЕ використовуються соленоїди, виконані у вигляді звичайних катушок, маслонаповнених катушок, кріосоленоїдів, коаксіальних ліній (кабелів, труб).

2.2 Розрахунок параметрів індуктивного нагромаджувача

Для розрахунку різних параметрів ІНЕ можна використовувати формули та дані для розрахунку різних параметрів коаксіальних кабелів.

В установці ДИН-2КМ, створеній в ННЦ ХФТІ, у якості ІНЕ використовується порожниста мідна трубка діаметром d = 3 см та довжиною l = 80 см.

індуктивність такого ІНЕ визначається за формулою [3]:

(2.1)

де D, d — діаметри зовнішнього та внутрішнього провідників, м;

м_г — відносна магнітна проникність провідників;

с — питомий опір провідника, Ом•мм²/м;

f — частота синусоїдального сигналу, Гц.

Для мідного провідника м_г = 1, с = 1,75•10^-2 Ом•мм²/м.

Зовнішній діаметр склав D = 20 см (діаметр вакуумної камери).

Із зростанням частоти другий доданок зменшується, і для коротких імпульсів (~ 10^-8 с) їм нехтують. Установка ДИН-2КМ працює в наносекундному діапазоні, тому вираз для індуктивності матиме вигляд:

. (2.2)

Підставивши у (2.2) значення D, d та l, маємо:

L = 3,035•10^-7 Гн? 300 нГн.

Ємність нагромаджувача визначається за формулою:

(2.3)

де е_г — відносна діелектрична проникність ізоляції всередині коаксіальної лінії, для вакууму е_г = 1.

Таким чином, ємність нагромаджувача дорівнює:

С = 0,029•10^-9 Ф? 30 пФ.

Хвильовий опір розраховується за наступною формулою:

(2.4)

Тоді, хвильовий опір:

с = 60•1,897 = 113,82 Ом.

Накачування ІНЕ походить від генератора Маркса, запасена енергія якого визначається як. Генератор імпульсів струму (ГІС) був заряджений до напруги 25 кВ, ємність конденсатора складала 3 мкФ. Таким чином, запасена енергія складає:

Дж. (2.5)

Проте ККД передачі енергії з ємнісного нагромаджувача у індуктивний з < 1, цьому є дві причини. Перша — активні втрати енергії у розмикачі струму та розрядниках ГІС: у режимі провідності їх опір не рівний нулю і струм в індуктивності росте не як I = I₀ sin щt, а повільніше. Друга причина полягає у тому, що, як показують експерименти [3], на наростаючій частині імпульсу струму його обрив відбувається більш різко, тому зазвичай I_обр = (0,7 — 0,85) I₀ та відповідно з = 0,5 — 0,7.

Створення звичайного нагромаджувача, джерела живлення та комутатора К₂ не представляє технічних труднощів. Проте створення комутатора К₁, відключаючого зарядний струм, є складною задачею.

3. Розмикачі струму

3.1 Загальні відомості

Однією з головних проблем при створенні потужних генераторів імпульсів наносекундного діапазону є вибір розмикача струму, здатного розімкнути контур за десятки-одиниці наносекунд.

Вибір розмикачів струму, відповідаючих даній вимозі, швидкість наростання опору яких забезпечує тривалість імпульсу на рівні 100 нс, не дуже великий: розмикачі, засновані на електрично висаджуваних провідниках; напівпровідникові розмикачі; плазмові розмикачі.

Електрично висаджувані провідники дозволяють одержувати електронні пучки зі струмом до 100 кА та енергією до 5 МеВ. Проте найбільшим недоліком цих розмикачів є необхідність їх заміни після кожного імпульсу та низька електрична міцність (близько 10 кВ/см). Це призводить до великої індуктивності електричного ланцюга між розмикачем та діодом, що обмежує передаваємий в діод струм.

В основі роботи напівпровідникового розмикача лежить ефект різкого відновлення зворотного опору, причому діод, через який пропущений достатньо потужний імпульс струму в прямому напрямі, відновлює свої «замикаючі» властивості не відразу, а може в перебігу деякого часу пропускати струм у зворотному напрямі. Напівпровідникові розмикачі дозволяють одержувати електронні пучки із струмом близько 100 А та енергією електронів 500 кеВ. Ці розмикачі зручні для роботи в частотному режимі, але є недоліки — обмеження по комутованій потужності.

Останні 20 років інтенсивно розвивається новий підхід в генерації потужних імпульсів наносекундного діапазону на основі плазмових розмикачів струму (ПРС). Їх використання дає можливість збільшити вихідну потужність імпульсу стандартних наносекундних прискорювачів [6], усунути шкідливий вплив зарядного предімпульсу на роботу діоду.

У загальних рисах послідовність роботи ПРС полягає в наступному. Поблизу навантаження імпульсного генератора створюється плазмова перемичка між земляним та потенційним електродами. Струм генератора протікає спочатку по цій перемичці, при цьому відбувається часткова (або повна) передача енергії з ємнісного нагромаджувача у індуктивний. За певних умов провідність плазмової перемички різко зменшується, генерується вихрова эрс та накопичений в індуктивності енергопотік перемикається в навантаження.

Одним з найбільших достоїнств плазмових розмикачів струму — їх можливість роботи в частотному режимі.

В експериментах з генераторами потужних наносекундних імпульсів була продемонстрована здатність ПРС виводити енергію з індуктивного нагромаджувача за час? 10 нс, витримувати напругу в декілька мегавольт та працювати при струмах в декілька мегаампер.

3.2 Принцип роботи плазмового розмикача струму При спрацьовуванні плазмових гармат міжелектродний зазор ПРС заповнюється плазмою, після чого включається генератор імпульсів струму (ГІС), і його електрична енергія перетворюється в енергію магнітного струму (U₀ та I₀ — амплітудні значення напруги та струму в контурі) і реалізується режим провідності. Тривалість режиму провідності ф_П = ~ Т/4 складає близько 1 мкс і може змінюватися у вузькому діапазоні (Т — період контура).

Режим провідності закінчується, коли струм, протікаючий через розмикач, сягає значення струму обриву, близького до амплітудного значення. Після цього опір ПРС різко зростає - здійснюється режим обриву струму, генерації напруги та прискорення заряджених частинок.

Дослідження сильноточних розрядів у плазмі щільністю n_i = 10¹³ см^-3 показало, що при амплітуді струму вищій за деяке критичне значення також спостерігається розвиток аномально великого опору, а основна різниця потенціалів була локалізована на вузькій ділянці плазмового стовпа з найменшою щільністю та викликала генерацію високоенергетичних електронних та іонних потоків. Це явище зв’язувалося із створенням та еволюцією подвійного електричного шара, що утворюється у випадку, якщо зовнішнє джерело живлення здатне забезпечити в ланцюзі струм, більший граничного струму плазми. Таким чином, сам розмикач струму є одночасно електронним та іонним діодом. Проте в більшості випадків одержувані в ньому потоки заряджених частинок не задовільняють вимогам генерації електронних або іонних пучків, тому паралельно ПРС включають діод-навантаження.

У момент обриву струму виникає стрибок напруги на ПРС:

(3.1)

де R — загальний опір ПРС та паралельно включених елементів (діоду, вакуумної лінії та ізолятора);

с — хвильовий опір контура.

Слід зазначити, що при переході до мікросекундних часів нагромадження енергії в індуктивності вже при середній щільності струму у розмикачі 10³ А/см² та струму 10⁵ А істотним стає знос плазми під дією сили. При вказаних параметрах до кінця стадії введення плазма в прикатодній області набуває швидкість (1 — 5)•10⁷ см/с.

Процес протікання струму в плазмі може описуватися в рамках різних моделей. Так магнітно-гідродинамічна модель (МГД) розглядає рух плазмової перемички як цілого під дією власного магнітного поля. Ця модель добре пояснює в сильноточних (1МА та більше) ПРС перерозподіл плазми, що призводить до утворення області зі зниженою її концентрацією.

В наближенні електронної магнітної гідродинаміки (ЕМГ) з урахуванням ефекту Холу в квазінейтральній плазмі ПРС електрони замагнічені, магнітне поле та струм вноситься в плазму, іони прискорюються та покидають плазму в холловскому полі або у вакуумному зазорі. ЕМГ описує ефекти, які спостерігалися експериментально, такі як конвективне внесення магнітного поля в плазму та існування деякого граничного заряду, що протік через ПРТ до моменту розмикання. Для ряду експериментів достатньо обмежитися розглядом ЕМГ-стадії, щоб пояснити зростання опору розмикача. Проте без урахування ефекту Холу за допомогою ЕМГ-підходу можна визначити лише нижню межу опору плазми, і виникає скрута при описі різкого «розмикання» та зростання опору ПРС до 10 — 30 Ом.

Коли говорять про ерозійний підхід, то мається на увазі, що плазмова перемичка перетворюється на іонний діод з магнітною ізоляцією власним (або зовнішнім) полем. Під ерозією розуміється вихід іонів з плазми, внаслідок чого утворюється і зростає вакуумний зазор, в якому концентрація іонів багато менше початкової. Модель пояснює зростання опору ПРС до десятків Ом, а також велику частку іонної складової струму. При обриві струму разом з ним зменшується і магнітне поле. Це призводить до того, що струм обривається не до кінця: в слабому магнітному полі електрони перетинають вакуумний зазор ПРС і його опір зменшується.

Більш детально принцип роботи описаний в роботах [10,11].

3.3 Аналіз плазмонаповненого діоду

Дослідження плазмонаповненого діоду показали можливість підвищення напруги на діоді та потужності електронного пучка під час переходу плазми з низькоомного стану у високоомний при мікросекундних часах введення енергії в індуктивний нагромаджувач.

В роботі розглядалися особливості роботи ПРС та електронного діоду. Експерименти проводилися на електронному прискорювачі, первинний ємнісний нагромаджувач — генератор Маркса, індуктивний нагромаджувач — вакуумна коаксіальна лінія.

В експериментах реєструвалися: напруга на вхідному ізоляторі U_C за допомогою ємнісного дільника; повний струм І₁ та струм в навантаженні І₂ — поясами Роговського; сумарна доза рентгенівського випромінювання (РВ) за імпульс — датчиками ТДП-2.

Протягом часу t_В відбувається накачування індуктивного нагромаджувача через ПРС, струм І₁ відповідає розрядному струму в контурі, струм І₂ дорівнює нулю. У момент t_В опір ПРС різко зростає, на осцилограмі І₁ виникає крутий злам, починає протікати струм І₂. Ємнісний дільник показує викид напруги на вхідному ізоляторі.

При інжекції плазми за 5,6 мкс до моменту запуску генератора Маркса здійснюється введення енергії в ІН протягом ~ 1,1 мкс. До цього моменту струм І₁ сягає 280 кА, в ІН вводиться ~ 85% від спочатку запасеної енергії.

При спрацьовуванні ПРС спостерігається різке збільшення напруги U_С, що призводить до пробою вхідного ізолятора.

Напруга на ПРС у цей момент, розрахована за даними ємнісного дільника із співвідношення індуктивностей L_Г та L₁, сягає 1,7 МВ, що у 2,3 рази перевищує напругу холостого ходу генератора Маркса U₀ = 720 кВ. Струм в діоді I₂ зростає за ~ 30 нс до ~ 132 кА, потужність у діоді перевищує 10¹¹ Вт, реєструється сплеск РВ. При d_А-К = 10 та 72 мм доза РВ за імпульс складає ~ 100 Р та? 1000 Р відповідно.

Аналіз наведених експериментальних даних свідчить про те, що плазмовий розмикач струму є найбільш відповідним розмикачем для електронного прискорювача.

4. Експериментальна частина

4.1 Опис установки

Для даної дипломної роботи використовувався електронний прискорювач ДИН-2КМ, розташований в ННЦ ХФТІ. Структурна схема прискорювача наведена на рис. 4.1. На рисунку цифрами позначені: 1 — фланець з оргскла; 2 — порожнистий катод; 3 — плазмові гармати розмикача; 4 — вакуумна камера прискорювача; 5 — високовольтний ізолятор; 6 — комутатор генератора імпульсів струму (ГІС); 7 — ємнісний нагромаджувач ГІС (ИК 50−3); 8 — випрямляч ГІС; 9, 11 — джерела високої напруги (НОМ-15, УРС-70); 10 — блок керування прискорювачем; 12 — випрямляч для системи живлення плазмових гармат; 13 — система живлення плазмових гармат; 14 — вакуумний діод; 15 — лампа вакуумметра; 16 — дифузійний насос М-250; 17 — форвакуумний насос АВЗ-20Д.

Рисунок 4.1 — Структурна схема ДИН-2КМ Установка представляє собою вакуумний коаксіальний прискорювач з плазмовим розмикачем струму (рис. 4.1). Циліндрична вакуумна камера 4 виконана з неіржавіючої сталі, усередині якої розташований порожнистий катод 2. На відстані 8 мм від катода знаходиться сітка-анод (сітка з неіржавіючої сталі з прозорістю 80%). Катод з анодом утворюють вакуумний діод 14.

По зовнішньому радіусу вакуумної камери, в середній її частині, розташований блок плазмових гармат 3. Він включає шість 4-х електродних плазмових гармат планарного типу, розміщених по циліндровій створюючій з діаметром близько 20 см та довжиною 15 см, створюючих плазму за допомогою одночасного розряду та інжекції по радіусу в середину циліндра. Розряд проходив по поверхні діелектрика — оргскла. Розташований у вакуумному об'ємі катод 2 сполучений з ГІС через високовольтне введення з ізолятором 5. Відкачування об'єму камери до робочого тиску здійснюється за допомогою форвакуумного насосу АВЗ-20Д 17 та дифузійного насоса М-250 16. Фотографії насосів наведені на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 — Фотографії насосів: а) форвакуумний насос; б) дифузійний насос Діагностика тиску здійснювалася за допомогою вакуумметра ВИТ-1А за допомогою лампи приладу 15.

Заряд ємнісного нагромаджувача ГІС 7 проводився через випрямляч 8 та трансформатор 9. Система живлення плазмових гармат заряджалась через випрямляч 12 та трансформатор 11. Схема живлення плазмових гармат наведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 — Електрична схема включення плазмових гармат у розрядний контур: С — нагромаджувачі плазмових гармат ИК 100−0,4; L — дросель; F — керуючий розрядник При подачі запускаючого імпульсу з блоку керування прискорювачем 10 в систему живлення плазмових гармат, конденсатори, заздалегідь заряджені до однакової напруги, розряджаються кожний через свою гармату та утворюється плазмова перемичка, через яку відбувається накачування індуктивного нагромаджувача. Сумарний струм — близько 150 кА, тривалість імпульсу — 7 мкс. Щільність плазми в зазорі коаксіалу за цих умов, під час інжекції, була на рівні (3 — 4)•10¹³ см^-3. Після спрацьовування плазмових гармат спрацьовував ГІС, із затримкою, яка регулювалася блоком керування. Під час розряду ємнісного нагромаджувача ГІС відбувається накачування ІНЕ. Досягши граничного для плазми струму, перемичка розмикається (руйнується плазма), на вакуумному діоді виникає перенапруження, яке призводить до вибухової емісії з катода та генерації електронного пучка.

4.2 Проведення експерименту

4.2.1 Дослідження поля рентгенівського випромінювання

Схема досліду зображена на рисунку 4.4. У даному експерименті проводилось вимірювання дози рентгенівського випромінювання за один цикл роботи прискорювача у ключових точках. Ключовими були вибрані наступні точки: 1 — на осі індуктивного нагромаджувача з боку високовольтного вводу; 2 — на боковій стінці вакуумної камери; 3 — на осі індуктивного нагромаджувача з боку вакуумного діоду.

Рисунок 4.4 — Розташування вимірювачів відносно вакуумної камери: 1,2,3 — місця розташування вимірювачів ДК — 0,2

Таблиця 4.1 — Результати дослідження поля рентгенівського випромінювання

З результатів експерименту ми бачимо, що найбільшу дозу рентгенівського випромінювання зареєстрував вимірювач, розташований на осі індуктивного нагромаджувача з боку вакуумного діоду.

4.2.2 Вимірювання струму крізь ПРС та зворотного струму з колектору

У даному експерименті проводилось вимірювання зворотного струму з колектору за допомогою пояса Роговського.

Рисунок 4.5 — Розташування вимірювачів відносно вакуумної камери: 1,2 — пояса Роговського

Пояса Роговського розташовується навколо виводу з колектора крізь фланець з органічного скла (2 на рис. 4.5) та навколо катоду перед плазмовим комутатором (1 на рис. 4.5). В експерименті одночасно знімаються сигнали з обох поясів. Пояс, що розташовано навколо катоду вимірює струм у ланцюгу ГІС. Пояс, що розташовано навколо колектору вимірює струм пучка заряджених часток.

Вивід з колектора замкнений на заземлений корпус вакуумної камери.

На рисунках 4.6 — 4.11 наведені типові осцилограми розмикання струму крізь плазмовий ключ с різними затримками. Для кожного графіку указано також максимальна напруга U розмикання плазмового ключа.

Осцилограми отримані для різного часу затримки (t_з) між запуском плазмових гармат та запуском ГІС. На всіх осцилограмах масштаб часу по горизонталі дорівнює 2 мкс/под. Масштаб по вертикалі - 1,5 В/под., що для даного пояса Роговського відповідає 26 кА/под.

Рисунок 4.6 — Характеристика розмикання струму (при t_з = 5 мкс) Рисунок 4.7 — Характеристика розмикання струму (при t_з = 11 мкс) Рисунок 4.8 — Характеристика розмикання струму (при t_з = 13 мкс) Рисунок 4.9 — Характеристика розмикання струму (при t_з = 15 мкс) Рисунок 4.10 — Характеристика розмикання струму (при t_з = 30 мкс) Рисунок 4.11 — Характеристика розмикання струму (при t_з = 50 мкс) Якщо порівняти струм ГІС при різних значеннях часу затримки, бачимо, що існує певний інтервал, у якому розрив плазми в розмикачі відбувається при максимальному струму крізь плазмову перетинку.

На рисунку 4.12 наведені осцилограми струму розряду ГІС (рис. 4.12, поз. 1) та диференційний сигнал на колектор з пояса Роговського (рис. 4.12 поз. 2).

Рисунок 4.12 — Сигнали розряду ГІС та струму пучка Як бачимо струм пучка з’являється у момент розмикання плазмового ключа при появі скачка напруги на індуктивності.

4.2.3 Вимірювання дози та енергії гальмівного випромінювання

Схема досліду зображена на рисунку 4.13. У даному експерименті проводилось вимірювання дози гальмівного випромінювання за один цикл роботи прискорювача вимірювачами, захищеними екранами з різною поглинальною здатністю.

Рисунок 4.13 — Розташування вимірювачів ДК — 0,2 відносно вакуумної камери Таблиця 4.2 — Результати дослідження дози та енергії гальмівного випромінювання

4.2.4 Методика розрахунку параметрів електронного прискорювача

На рис. 4.14 наведена розтягнута за часом осцилограма, за якою можна визначити величину dI / dt та розрахувати величину напруги U, що з’являється на індуктивності.

Методика розрахунку наведена для сигналу із затримкою 13 мкс, рис. 4.8. Напруга на плазмових гарматах — 13 кВ. Конденсаторна батарея ГІС заряджалась до 25 кВ. Період розряду — 6 мкс. Максимальний струм ГІС та індуктивність катода визначаються за формулами:

(4.1)

(4.1)

де U₀ та С — зарядна напруга та ємність батареї;

Т — період розряду.

Для данного сигналу I_max = 78,5 кА, L = 300 нГн. Співвідношення максимального струму до струму зриву дає dI = 0,66I_max.

Рис. 4.14 — Розмикання струму із затримкою 13 мкс (масштаб часу по горизонталі 0,1 мкс/дел) Напруга на катоді кВ. Коефіцієнт множення — 9.

Енергія, що запасається у індуктивному нагромаджувачі:

(5)

де I — струм зриву, I = 78,5 кА.

Дж.

ККД передачі енергії з ємнісного нагромаджувача у індуктивний:

. (6)

Таким чином:

з = 98%.

5. Економічна частина

5.1 Фундаментальні застосування

У даній роботі пропонується дослідження характеристик електронного прискорювача з плазмоерозійним розмикачем в залежності від індуктивності нагромаджувача.

індуктивний прискорювач плазмоерозійний нагромаджувач

5.2 Розрахунок кошторису витрат на проведення науково-дослідницької дипломної роботи (НДДР)

Плановий кошторис витрат на проведення НДДР містить у собі наступні статті [14]:

1 Фонд оплати праці всіх учасників у проведенні даної НДДР, наведений у таблиці 5.1.

Таблиця 5.1 — Фонд оплати праці

2 Відрахування у фонд соціального страхування, розраховуються як

38% від фонду оплати праці:

Ф_сс =, (5.1)

Ф_сс = =1202,7 грн.

3 Витрати на матеріали, розраховуються як 15% від фонду оплати праці:

Ф_мат =, (5.2)

Ф_мат = = 474,75 грн.

4 Витрати на електроенергію обчислюються за формулою:

З_Е = W· Т_об · Кз._про· Ц_Е, (5.3)

де W — сумарна потужність використовуваного устаткування, 500 Вт;

Т_об — година завантаження устаткування, 10 год.;

Кз._про — коефіцієнт завантаження устаткування за потужністю, 0,6;

Ц_Е — тариф 1 кВт· год, 0,24 грн.

З_Е = 500· 10·0,6·0,24 = 720 грн.

5 Витрати на ЕОМ розраховуються за формулою:

З_ЕОМ = (Т₁+Т₂+Т₃)· С, (5.4)

де Т₁ — час на набір роботи, що дорівнює 55 год.;

Т₂ - час на обробку експериментальних даних, 20 год.;

Т₁ — час машинний розрахунок, 10 год.;

С — вартість однієї машинної години, дорівнює 1 грн.

З_ЕОМ = (55+20+10)· 1 = 85 грн.

6 Амортизаційні відрахування розраховуються за формулою:

А =, (5.5)

де А — норма амортизації, дорівнює 15% вартості устаткування;

С_О — вартість основних фондів, 5000 грн;

Т_О — час роботи устаткування на виконання даної операції - 11 днів.

А = = 22,54 грн.

7 Накладні витрати містять у собі витрати на загальногосподарські потреби (охорона, опалення приміщення) та приймаються у розмірі 200% від фонду заробітної плати:

З_н =; (5.6)

З_н = = 6330 грн.

Разом сума статей витрат складає собівартість НДДР.

С_НДДР = 11 969,99 грн.

Загальні витрати на НДДР:

З_НДДР = 1,2С_НДДР, (5.7)

де 1,2 — коефіцієнт, що враховує планові накоплення.

З_НИДР = 1,211 999,99 = 14 399,99 грн.

Кошторис витрат наведений у таблиці 5.2.

Таблиця 5.2 — Кошторис витрат на проведення дипломної НДР

Висновки

Наведено літературний огляд по створенню та застосуванню індуктивних нагромаджувачів. Найпоширеніша область застосування індуктивних нагромаджувачів — електронні прискорювачі для різного промислового застосування.

Розраховані параметри індуктивного нагромаджувача склали: індуктивність L = 300 нГн, ємність С = 30 пФ, хвильовий опір с = 113,82 Ом, енергія, що запасається W_L = 924,34 Дж.

Описані процеси розмикання струму та генерації електронного пучка. У якості розмикача струму був вибраний плазмовий розмикач струму.

Розроблена методика проведення експерименту для дослідження параметрів електронного прискорювача: залежність множення напруги від часу затримки; енергії електронного пучка.

Аналіз отриманих осцилограми показав, що найбільш оптимальний час затримки лежить в межах від 12 до 15 мкс, при цьому спостерігається множення напруги у 8 — 10 разів у порівнянні з напругою на ГІС.

В економічній частині розраховано кошторис витрат на проведення дослідницької роботи, сумарні витрати склали 14,4 тис. грн.

В розділі охорони праці розглянуто шкідливі та небезпечні виробничі чинники, розглянуто питання техніки безпеки. Відповідно до завдання розраховано блискавковідвод для будівлі відділу ННЦ ХФТІ. Висота подинокого стрижньового блискавковідводу склала 48,4 м.

Робота проводилася у відділі ННЦ ХФТІ.

За отриманими експериментальними даними опублікована стаття в журналі «Вісник НТУ „ХПИ“».

Перелік джерел інформації

1 http://vikipedia.ru

2 Пичугина М. Т. Мощная импульсная энергетика. — Томск: Изд-во ТПУ, 2005. — 98 С.

3 Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974, С. 166 — 173.

4 Долгачев Г. И., Закатов Л. П. Сверхмощные частотные генераторы с плазменным прерывателем тока // ПТЭ, 1999, № 2, С. 3 — 26.

5 А. В. Назаренко, П. С. Анциферов, Л. А. Дорохин, К. Н. Кошелев, Ю. В. Сидельников. Формирователь быстро нарастающих импульсов тока на основе полупроводникового размыкателя // ПТЭ, 2003, № 1, С. 60 — 63.

6 Ottinger P. — Proc. of the 7th Intern. Conf. on High Power Part Beams, 1988, P. 408 — 415.

7 Mendel C.W., Jr., Goldstein S.A. // J. Appl. Phys., 1977, vol.48, P. 1004.

8 В. М. Быстрицкий, Г. А. Месяц. Микросекундные плазменные прерыватели тока // Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1992, том 23, вып. 1.

9 Абдуллин Э. Н., Баженов Г. П., Быстрицкий В. М. и др. Получение мощных короткоимпульсных ионных пучков в системе с микросекундным индуктивным накопителем и плазмоэрозионным размыкателем // Физика плазмы, 1987, том 13, вып. 9, С. 1027−1034.

10 А. А Есаулов, П. В. Сасоров. Двумерная динамика горячей замагниченной плазмы в плазменных размыкателях. // Физика плазмы, 1997, том 23, вып. 7, С. 624 — 634.

11 Ottinger P.F., Goldstein S.A., Meger R.A. Theoretical modeling of the plasma erosion opening switch for inductive store application // J. Appl. Phys., 1984, vol. 56, P. 774.

12 Абдуллин Э. Н., Баженов Г. П., Бастриков А. Н. и др. Сильноточный плазмонаполненный диод в режиме прерывателя тока. // Физика плазмы, 1985, том 11, вып. 1, С. 109 — 110.

13 Абдуллин Э. Н., Баженов Г. П., Ким А. А. и др. Плазменный прерыватель тока при микросекундных временах ввода энергии в индуктивный накопитель. // Физика плазмы, 1986, том 12, вып. 10, С. 1260−1264.

14 Кременчутская Л. А. Методические указания к выполнению курсовых, бакалаврских работ и экономической части дипломных работ для студентов физико-технического факультета. Харьков: ХГПУ, 1998.

15 Методические указания к выполнению раздела «Охрана труда и окружающей среды в дипломных работах» / сост. Чунихина Л. Н. — Харьков: ХГПУ, 1997.