Лекция 12. Электронные ускорители для пучково- плазменных технологий. 1. Классификация электронных ускорителей 2. Наносекундные ускорители с промежуточным индуктивным накопителем энергии 3. SOS – эффект 4. Частотные наносекундные ускорители электронов серии S, SM и УРТ 5. Линейные электронные ускорители серии ЭЛВ 1

2 Primary energy source Pulse forming section Energy storage Load Low Power AccumulationHigh Power Outputs D.C. Charge s Pulsed Discharge ns Pulsed Power 1. Физические принципы генерации пучков заряженных частиц В настоящее время используется два основных подхода построения генераторов импульсных напряжений: - с емкостным накопителем энергии - с индуктивным накопителем энергии Они требуют различные виды коммутаторов: размыкатель (прерыватель) и замыкатель (разрядник). 2

1. Наносекундные ускорители с промежуточным емкостным накопителем энергии При создании систем питания наносекундных ускорителей с емкостным накопителем энергии, в качестве которого обычно выступает формирующая линия (или двойная формирующая линия), используются две основных схемы: 1. С зарядкой формирующей линии от генератора импульсных напряжений (ГИН), обычно выполненного по схеме Аркадьева–Маркса; 2. С зарядкой формирующей линии от импульсного трансформатора (Астра ? или Нашилевского) 3

4 Функциональная схема ускорителей серии ТЕМП: 1 – генератор импульсного напряжения; 2 – двойная формирующая линия; 3 - катод; 4 – анод. 4

Параметры ускорителя ТЕМП-4М: ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ; длительность ускоряющего импульса 150 нс; плотность ионного тока на мишени 50 – 250 А/см 2; частота импульсов имп./мин. Beam composition: ions of carbon (C + ) and protons 5 Ускоритель ТЕМП-4М 5

Схема ускорителя: 1, 4 – газовые разрядники; 2, 5 – делители напряжения; 3 – ДФЛ; 6 – пояс Роговского; 7 – магнито изолированный диод; 8 – вакуумная камера; 9 – мишенный узел; 10 – вакуумная система; 11- генератор импульсных напряжений; 12 – система газоподачи и водоподготовки 6

77 Скорость нарастания напряжения (4-8)×10 12 В/сек

Импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500 8

9 БЛОК-СХЕМА УСКОРИТЕЛЯ ДИОД наносекундный генератор Вакуумный пост Газовая система Водяная система В/В источник 40 кВ Пушкарев А.И., Исакова Ю.И., Сазонов Р.В., Холодная Г.Е. Генерация пучков заряженных частиц в диодах со взрыва эмиссионным катодом. -М: Физматлит, 2012 – 245 с. 9

10 Осциллограммы напряжения и полного тока электронного пучка. (графит, диаметр 45 мм, зазор анод-катод 12 мм). Скорость нарастания напряжения (3-4)×10 12 В/сек

11

Параметры импульсно-периодических ускорителей с емкостным накопителем *Значения для кратковременного режима работы Тип ускорителя Энергия электронов, кэВ Ток пучка, кА Длительность импульса, нс Частота повторения, Гц SINUS (200)*3.5 (2)30.1 (1000) SINUS (800)10(8)300.1 (200) SINUS (1500)20 (15)400.1 (100) СИНУС СИНУС б/н РИТА ,51015 РАДАН (50) РАДАН (100) RHEPP II

2. Наносекундные ускорители с промежуточным индуктивным накопителем энергии Применение промежуточного индуктивного накопителя позволяет получить существенно более высокие плотности накопления энергии за счет того, что ограничения по плотности энергии в нем связаны с механической прочностью материала соленоида, а не электрической прочностью диэлектрика, как в емкостном накопителе. Это позволяет существенно уменьшить габариты и стоимость систем формирования импульсов. Отличие промежуточного индуктивного накопителя энергии состоит в том, что импульс напряжения на нем формируется при прерывании тока в контуре. 13

Основные типы прерывателей тока: - на основе электрически взрываемых проволок; - плазменные прерыватели тока; - полупроводниковые прерыватели тока (ППТ). Существенным недостатком прерывателя на основе электрически взрываемых проволок являются достаточно большие потери энергии (до 40%) на их электрический взрыв. На этом принципе нельзя создать конструкцию частотного прерывателя. 14

Плазменные прерыватели тока Принцип действия основан на эрозии плазмы в вакууме под воздействием протекающего через нее тока, приводящей к существенному изменению ее проводимости Они могут успешно работать только при больших токах (более кА). Построение систем питания частотных ускорителей на их основе нецелесообразно по следующим причинам: -их работа возможна только при относительно больших уровнях отключаемого тока, - диапазон изменения импеданса относительно узок, а его абсолютное значение не превышает десятков Ом; - требуются сложные и дорогостоящие системы создания плазмы прерывателя с требуемой частотой и точная синхронизация включения накопителя относительно генератора плазмы. Все отмеченные причины оправдывают использование плазменных прерывателей только для создания мощных компактных систем для формирования одиночных импульсов. 15

Полупроводниковые прерыватели тока Открытие SOS (Semiconductor Opening Switch)–эффекта, т.е. эффекта наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках, позволило создать новый класс генераторов высоковольтных импульсов и систем питания НУЭ с промежуточным индуктивным накопителем энергии. Наиболее важная особенность этих генераторов – использование твердотельной коммутации с относительно небольшими потерями энергии на коммутацию, высокие стабильность параметров и частота следования формируемых импульсов, а также высокий ресурс и относительная дешевизна. 16

Что такое SOS-эффект? Принцип работы ППТ основан на создании электронно-дырочной плазмы во время прямой накачки полупроводникового диода, когда p-n-переход включен в прямом направлении и под действием возникающего электрического поля дырки из р-области дрейфуют в n-область, а электроны из n-области перемещаются в обратном направлении и постепенно заполняют р-область структуры. После прохождения тока через ноль, во время обратного направления тока, носители заряда изменяют направление своего движения и начинают возвращаться к плоскости p-n-перехода. На этой стадии концентрация неравновесных носителей соответствует высокому уровню инжекции и основная плазма движется медленнее, чем ее фронт. В результате происходит обострение фронтов профиля плазмы сначала в р-области, а затем и n-области структуры. Аналог эрозии плазмы, но в объеме полупроводника 17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33 Компактный импульсный ускоритель электронов ЭЛИС 1 – в/в источник Proto-1M 2 – electron gun 3 – high voltage cable 4 – trigger generator Electron gun – output foil 2 – high voltage cable 3 – high voltage cable connector

34 Electron beam Electron beam image on output foil Electron beam image on distance of 2 cm from output foil 1 см Waveforms of output voltage (1) and electron beam current after output foil (2) нс coordinate Intensity coordinate Intensity

35 Pulsed electron beam source ELIS electron energy – 100 keV electron beam current – 50 A cross-section diameter of exit beam cm electron beam current density ~ 10 2 A/cm 2 pulse duration – 1 ns Technical data maximum repetition rate – 100 Hz external dimensions main unit mm electron gun mm weight (without the vacuum pump) – 16 kg Resource with continuous operation is determined by the destruction of output foil and exceeds 10 5 pulses for the frequency of 10 Hz. If necessary the replacement of output foil is carried out easily during several minutes. В генераторе Proto-1M применена полностью твердотельная система коммутации высоковольтных цепей, что обеспечивает высокую стабильность выходных импульсов. Амплитуда напряжения высоковольтных импульсов на нагрузке ~100 кВ, длительность импульсов на полувысоте ~1 нс. Генератор Proto-1M рассчитан на продолжительную работу (до 8 ч) с частотой срабатывания 100 Гц. Генератор имеет блок автоматики с выносным пультом управления, позволяющим дистанционно управлять режимом работы.

Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,2 (Екатеринбург, ИЭФ) Принципиальная схема ускорителя серии УРТ: С 0 и С 1 -конденсаторы прямой и обратной накачки, ИТ – импульсный трансформатор, ППТ – полупроводниковый прерыватель тока, ТТ – измерительный трансформатор полного тока диода, ОДН1 и ОДН2 – измерительные омические делители напряжения на конденсаторе обратной накачки и вакуумном диоде, Л1 – тиратрон, БУ – блок управления, ИВН – источник высокого напряжения 36

Ускоритель работает следующим образом: 1. Источник высокого напряжения (ИВН) заряжает конденсатор первого контура С 0 =10,2 нФ. 2. Блок управления формирует импульс запуска тиратрона. Частота подачи управляющих импульсов определяет частоту работы ускорителя и его мощность на выбранном ускоряющем напряжении. 3. Конденсатор С 0 разряжается на первичную обмотку трансформатора, происходит зарядка конденсатора С 1 =257 пФ с одновременной накачкой током полупроводникового прерывателя тока (два соединенных последовательно диода СДЛ ) в прямом направлении. 4. По окончании зарядки сердечник трансформатора насыщается и происходит разряд С 1 в контуре с ППТ. 5. При достижении значения тока, близкого к максимуму, ток в контуре прерывается и формируется импульс напряжения, который прикладывается к вакуумному диоду. 37

Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,5 Принципиальная схема ускорителя УРТ-0,5: С 0 и С 1 -конденсаторы прямой и обратной накачки, ИТ – импульсный трансформатор, ППТ – полупроводниковый прерыватель тока, ТТ – измерительный трансформатор полного тока, ОДН1 и ЕДН – измерительные омический и емкостный делители напряжения на конденсаторе обратной накачки и вакуумном диоде, Л1 – тиратрон, МПУ–местный пульт управления, ИВН – источник высокого напряжения, ВД – вакуумный диод 38

Ускоритель УРТ-0,5 Осциллограммы тока пучка (I), напряжения на вакуумном диоде (U) и импульса тормозного излучения (Р) при расстоянии катод-анод d=100 мм 39

ПараметрУРТ-0,2УРТ-0,4УРТ-0,5УРТ-1 Ускоряющее напряжение, кВ Длительность импульса, нс Частота работы, Гц Сечение пучка электронов, мм 2 220*30 диам. 30 диам. 120 диам. 170 Плотности тока пучка, А/см 2 0, Габариты, мм: источника высокого напряжения формирующего элемента 450*300* *600* *300* * *300* * *500* *900*2450 Масса, кг: источника высокого напряжения формирующего элемента Потребляемая мощность, к Вт 31,548 Ресурс, не менее, импульсов 10 9 Параметры наносекундных ускорителей электронов серии УРТ 40

Beginning from 1971, the Budker Institute of Nuclear Physics Siberian Branch of Russian Academy of Science (SB RAS) started its activity in the development and manufacturing of electron accelerators of the ELV-type for their use in the industrial and research radiation-technological installations. Линейные электронные ускорители серии ЭЛВ Overall dimensions of ELV-type accelerators 41

Basic parameters of the ELV-type accelerators 42

Sampled electric circuit of ELV accelerator: 1 - cathode of electron gun; 2 - accelerating tube; 3 - electron beam; 4 - coils of the raster formation system; 5 - extraction device; 6 - titanium foil; 7 - thyrister switch; 8 - control system 43

Transportable version of the ELV-6 accelerator ELV-4 accelerator. Horizontal version. 44

ELV-12 Accelerator: Energy: MeV Beam power:400 kW Beam current:500 mA Irradiators: 3 (0~200mA) Window width: up to 2m Double extraction window Discharge protection High frequency scanning High Power Accelerator (EB TECH & BINP) 45

Construction of Commercial Plant 46

47

48 Электронно-лучевые технологии с применением ускорителей ЭЛВ Электронно-лучевым технологиям, основанным на применении ускорителей электронов, присуща высокая чистота во всех отношениях и безопасность производства. При работе в диапазоне энергии 0,4-10,0 МэВ не образуются радиоактивные элементы, что делает ускоритель безопасным в этом смысле. Ускоритель можно практически мгновенно выключить и прекратить облучение, поэтому радиационная защита требуется только для ускоряющих элементов системы на время работы, а в нерабочем состоянии ко всему оборудованию можно относиться как к обычному электротехническому оборудованию с соблюдением соответствующих норм безопасности. Лидирующее положение в сфере промышленного использования ускорителей электронов занимают технологии, связанные с полимеризацией различных мономеров, окислением, галоидированием, сульфохлорированием, радиационно-химическим крекингом углеводородов, вулканизацией и сшиванием полимеров, радиационной теломеризацией и получением привитых полимеров. Ряд технологий основан на термическом воздействии электронного пучка и связанном с ним изменением структуры материала (сварка, резка, поверхностная закалка, наплавка, вжигание). Значительный прогресс достигнут в разработке технологий использования электронных пучков при очистке отходящих газов промышленных предприятий, обработке отстоев городских отходов, обеззараживании сырья и продуктов (в том числе и обработке продуктов питания), стерилизации медицинских изделий и препаратов.