Лекция 2. Электронные ускорители 1.

Лекция 2. Электронные ускорители для пучковоплазменных технологий.
1. Классификация электронных ускорителей
2. Наносекундные ускорители с емкостным накопителем энергии
3. Наносекундные ускорители с индуктивным накопителем энергии
4. SOS – эффект
5. Частотные наносекундные ускорители электронов серии S, SM и УРТ
6. Линейные электронные ускорители серии ЭЛВ
1
1. Физические принципы генерации пучков
заряженных частиц
Low Power Accumulation
Primary
energy
source
High Power Outputs
Pulse
forming
section
Energy
storage
D.C.
Charge
Load
s
ns
Pulsed Discharge
Pulsed Power
В настоящее время используется два основных подхода построения
генераторов импульсных напряжений:
- с промежуточным емкостным накопителем энергии
- с промежуточным индуктивным накопителем энергии
Они требуют различные виды коммутаторов: размыкатель (прерыватель) и
замыкатель (разрядник).
2
2. 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
3
2.1. Ускорители с зарядкой формирующей линии от ГИН, выполненного
по схеме Аркадьева–Маркса
Функциональная схема ускорителей серии ТЕМП:
1 – генератор импульсного напряжения;
2 – двойная формирующая линия;
3 - катод;
4 – анод.
44
Ускоритель ТЕМП-4М
Параметры ускорителя ТЕМП-4М:
• ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ;
• длительность ускоряющего импульса 150 нс;
• плотность ионного тока на мишени 50 – 250 А/см2;
• частота импульсов 5 - 10 имп./мин.
• Beam composition: ions of carbon (C+) and protons
5
5
Схема ускорителя: 1, 4 – газовые разрядники; 2, 5 – делители напряжения; 3 – ДФЛ; 6 – пояс
Роговского; 7 – магнитоизолированный диод; 8 – вакуумная камера; 9 – мишенный узел; 10 –
вакуумная система; 11- генератор импульсных напряжений; 12 – система газоподачи и
водоподготовки
6
Скорость нарастания напряжения (4-8)×1012 В/сек
Выходной импеданс 5 Ом
7
Импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500
8
БЛОК-СХЕМА УСКОРИТЕЛЯ ТЭУ-500
наносекундный генератор
ДИОД
В/В
источник
40 кВ
Газовая система
Водяная система
Вакуумный
пост
Пушкарев А.И., Исакова Ю.И., Сазонов Р.В., Холодная Г.Е. Генерация пучков заряженных
частиц в диодах со взрывоэмиссионным катодом. -М: Физматлит, 2013 – 240 с.
9
9
Осциллограммы напряжения и полного тока электронного пучка.
(графит, диаметр 45 мм, зазор анод-катод 12 мм).
Скорость нарастания напряжения (3-4)×1012 В/сек
Выходной импеданс 30 Ом
10
11
12
Параметры импульсно-периодических ускорителей с емкостным
накопителем (ИСЭ, Томск)
Тип
ускорителя
Энергия электронов,
кэВ
Ток пучка,
кА
SINUS-200
350 (200)*
3.5 (2)
3
0.1 (1000)
SINUS-700
1000 (800)
10(8)
30
0.1 (200)
SINUS-7
2000 (1500)
20 (15)
40
0.1 (100)
СИНУС-5
700
6
50
100
СИНУС-6
400
8
25
100
б/н
700
5
10
100
РИТА-150
150
0,5
10
15
РАДАН-220
200
-
3
10 (50)
РАДАН-303
300
6
4-5
10 (100)
2 000
25
60
120
RHEPP II
*Значения для кратковременного режима работы
Длительность
импульса, нс
Частота
повторения, Гц
13
2.2. Наносекундные ускорители с зарядкой формирующей линии от
импульсного трансформатора
14
Псевдоискровой
разрядник
Генератор для зарядки
ДФЛ
Автотрансформатор
Электронная пушка
2.3. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСКОРИТЕЛИ СО
СТУПЕНЧАТЫМИ ФОРМИРУЮЩИМИ ЛИНИЯМИ
Russian Federal Nuclear Center – All-Russia Scientific Research Institute of Experimental Physics
ВНИИЭФ, г. Саров
In VNIIEF developed are the electric circuits of multi-cascade generators of
high-voltage pulses based on stepped lines (SL) ensuring as a result of
transition wave processes a considerable – 5-10 times – increase of voltage,
current or power.
19
STRAUS ACCELERATOR
General view of STRAUS accelerator:
1 – DSFL body; 2 – DSFL switches;
3 – Marx generator GIN-500;
4 – body of accelerating tube assembly;
5 – iron-free BIM-234 betatron.
Electric circuit (a) and scheme (b) of
STRAUS high-voltage unit.
Oscillograms of diode current. Frequency
of marks is 100MHz.
20
21
The ASTRA-M accelerator
Summary
Accelerating
voltage
Extracted beam
energy
Pulse repetition
rate
Operating
regime
450÷470 kV
10 J/pulse
up to 50 pulse/second
continuous
Controlling
-Manual;
-Programmed.
Applications
-Waste water disinfection;
-Waste water radiation cleaning;
-Water sterilization.
The ASTRA-M accelerator external view
22
The ASTRA-M accelerator
~3х380 V
C1
AC
/
DC
C2
T1
T2
VT2
driver
VT1
a
VT2
c
a
c
Figure 1. Electrical schematic of the ASTRA-M accelerator
C1- primary capacitive storage; VT1 - semiconductor switch; T1 - pulsed charging transformer; C2 high-voltage capacitive storage; VT2 - pseudo spark switch (PSS); T2 - high-voltage pulsed
transformer; c - cathode; a - anode.
Accelerating voltage (kV)
100
Electron diode full current (kA)
0,4
0
0,0
-100
-0,4
-200
-0,8
-300
-1,2
-400
-1,6
-500
0
200
400
600
-2,0
Time (ns)
Figure 2. Typical waveforms of electron
diode accelerating voltage and total current.
23
The ASTRA-M electron beam parameters
Accelerating voltage (kV)
Beam current (kA)
0
0,25
0,2
0,0
-100
-0,1
-200
-0,2
0,1
-300
-0,3
0,05
-400
-0,4
A
0,15
B
0
0
-500
-0,5
0
200
400
600
Time (ns)
Figure 3. Typical waveforms of electron diode
accelerating voltage and electron beam current.
0,25
N/N0
T, C
24
200
22
20
B
A
18
air tem perature
0
2
4
6
8
L, cm
240
Fig. 6. (above
extracted bea
Fig. 5. (to the
beam on foam
the foil 5 bea
Figure 5. Thermal imprint (top) of the
electron beam on a foam plastic target
and temperature distribution on the
target (bottom). The distance anodetarget is 1 cm. The temperature was
measured after 5 shots by Fluke Ti10
Infrared camera
0,2
0,15
0,1
0,05
0
200
240
280
320
360
400
440
480
Figure 4. Electron beam energy spectrum.
24
The ASTRA-M accelerator schematic
Base box
Power source
Pulsed charging
transformer
Capacitive storage
RS 485
Switch
High-voltage pulsed
High-voltage
part
transformer
Control
cabinet
High-voltage
insulator
Ethernet
Vacuum electron
diode
Exit window
Processing chamber
Control panel
High-vacuum pump
High-vacuum
gate valve
Vacuum circuit
Fig. 6. The schematic of the ASTRA-M accelerator
X-ray protection
25
3. 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.
26
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.
27
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
28
импульсов.
Planar plasma-filled gap driven by a simple pulsed power circuit
Время восстановления электрической прочности вакуумного промежутка равно [167]:

e  n0  S  d
,с
I
где n0 –концентрация плазмы, м-3, S-площадь диода, м2, d –А-К зазор, м, I – ток, А.
При концентрации плазмы 1013 см-3, площади диода 100 см2, А-К зазоре 10 мм и токе 20 кА
время эрозии плазмы составит 8 нс.
29
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.
30
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
31
Тип
U, kV
I, A
СДЛ-0.4-800
80
0.4
СДЛ-0.4-1300
130
0.4
СДЛ-0.4-1600
160
0.4
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
Pulsed generator SM-200
Pulsed generator SM-200 presents a compact desktop unit having case dimensions of 60 × 45 × 30 cm3. The
generator has a remote control unit, which is used for setting a pulse repetition frequency, number of pulses or
operation time of the generator. The control unit is connected to the generator via two fiber-optic cables. Pulse
repetition frequency in continuous mode is 1 kHz, and the burst mode operating frequency is 10 kHz. The
simplified electrical circuit (the control and protection circuits are hidden) of pulsed generator SM-200 are
shown in Fig. 1.
The generator is connected to the three-phase supply mains with a linear voltage of 380 V. The phases are
connected to 3-phase rectifier bridge VD1–VD6. Capacitor C1 rated at 2,5 mF is a capacitive filter, which is
charged to a voltage of 550 V. Transistor VT1 is used to prevent full discharge of capacitor C1 in an accident. In
addition, changing the time instant of transistor VT1 closing one can vary the voltage to which capacitor Ck is
charged in the process of resonance charging. Diode VD7 protects transistor VT1 against overvoltage that
could be resulted from interruption of the current in an inductive circuit.
Fig. 1. Simplified electrical circuits of pulsed generator SM-200. Top circuit: transistor charging unit (TCU).
Bottom circuit: high-voltage part (HVP) of the generator.
45
Fig. 2. Typical waveforms of the current through the SOS (a) and voltage across the load of 150 Ω (b).
Vertical scale for the current is 290 A/div, and for the voltage is 26 kV/div.
Fig. 3. Load characteristics of SM-200 generator.
46
Semiconductor sharpener
Layout of the semiconductor sharpener.
Fig. 5. Waveforms of the voltage pulses in the sharpener: a – probe 1; b – probe 2;
c – probe 3 (see Fig. 4). Vertical scale: a – 15 kV/div; b –12 kV/div; c – 11 kV/div.47
Компактный импульсный ускоритель электронов ЭЛИС
Electron gun
3
4
2
1
3
1
2
1 – output foil
2 – high voltage cable
3 – high voltage cable connector
1 – в/в источник Proto-1M
2 – electron gun
3 – high voltage cable
4 – trigger generator
48
Electron beam
Electron beam
image on output
foil
Electron beam image
on distance of 2 cm
from output foil
Waveforms of output voltage (1)
and electron beam current after
output foil (2)
1 см
2
1
Intensity
2нс
Интенсивность
Интенсивность
Intensity
координата
coordinate
координата
coordinate
50
Pulsed electron beam source ELIS. Technical data
electron energy – 100 keV
electron beam current – 50 A
cross-section diameter of exit beam - 0.7 cm
electron beam current density ~ 102 A/cm2
pulse duration – 1 ns
maximum repetition rate – 100 Hz
external dimensions
main unit - 530400220 mm
electron gun - 2690 mm
weight (without the vacuum pump) – 16 kg
Resource with continuous operation is determined by the destruction of output foil
and exceeds 105 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.
51
Частотный наносекундный ускоритель
электронов УРТ-0,2 (Екатеринбург, ИЭФ)
Принципиальная схема ускорителя серии УРТ:
С0 и С1 -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
52
Ускоритель работает следующим образом:
1. Источник высокого напряжения (ИВН) заряжает конденсатор первого контура С0 =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 С0 разряжается на первичную обмотку трансформатора, происходит зарядка
конденсатора С1 =257 пФ с одновременной накачкой током полупроводникового прерывателя тока
(два соединенных последовательно диода СДЛ-1600-0.4) в прямом направлении.
4. По окончании зарядки сердечник трансформатора насыщается и происходит разряд С1 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.
53
Частотный наносекундный ускоритель электронов
УРТ-0,5
Принципиальная схема ускорителя УРТ-0,5:
С0 и С1 -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
54
Осциллограммы тока пучка (I), напряжения
на вакуумном диоде (U) и импульса
тормозного излучения (Р) при расстоянии
катод-анод d=100 мм
Ускоритель УРТ-0,5
55
Схема вакуумного диода для двухстороннего облучения:
1 - общий катододержатель, 2 - катоды, 3- окна для вывода пучка, 4 – корпус,
левое -5 и правое -6 плечи катододержателя, облучаемый объект -7.
56
1,2
1
Распределение
поглощенной
дозы
внутри объекта для ускорителя УРТ-0,5
при одностороннем облучении и
двухстороннем.
Д0/Дx
0,8
0,6
УРТ-0,5
0,4
90/90
0,2
0
0
80
160
240
320
Х,мкм Al
Ребра
Распределение поглощенной дозы на
выходной фольге левого и правого
выходных окон
решетк
и
57
Параметры наносекундных ускорителей электронов серии УРТ
Параметр
Ускоряющее напряжение, кВ
Длительность импульса, нс
Частота работы, Гц
Сечение пучка электронов, мм2
Плотности тока пучка, А/см2
Габариты, мм:
источника высокого напряжения
формирующего элемента
Масса, кг:
источника высокого напряжения
формирующего элемента
Потребляемая мощность, кВт
Ресурс, не менее, импульсов
УРТ-0,2
УРТ-0,4
УРТ-0,5
УРТ-1
200
34
250
220*30
0,3
400
50
1
диам. 30
40
500
50
200
диам. 120
10
900
60
50
диам. 170
15
450*300*150
450*300*150
450*300*150
500*500*750
500*600*1350
 700*1250
 700*1250
900*900*2450
30
160
40
260
40
260
140
1460
3
109
1,5
109
4
109
8
109
58
Линейные электронные ускорители серии ЭЛВ
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.
Overall dimensions of ELV-type accelerators
59
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
60
Basic parameters of the ELV-type accelerators
61
ELV-4 accelerator. Horizontal version.
Transportable version of the ELV-6 accelerator
62
High Power Accelerator (EB TECH & BINP)
ELV-12 Accelerator:
Energy :
0.6 - 1.0 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
63
Construction of Commercial Plant
64
65
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 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.
66
Лидирующее положение в сфере промышленного
ускорителей электронов занимают следующие технологии:
полимеризация различных мономеров,
окисление,
галоидирование,
химический крекинг углеводородов,
сульфохлорирование,
использования
радиационно-
вулканизация и сшивание полимеров, радиационная полимеризация и
получение 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 в экологии:
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.
67
Лекция 2. Электронные ускорители для пучковоплазменных технологий.
1. Классификация электронных ускорителей
2. Наносекундные ускорители с емкостным накопителем энергии
3. Наносекундные ускорители с индуктивным накопителем энергии
4. SOS – эффект
5. Частотные наносекундные ускорители электронов серии S, SM и УРТ
6. Линейные электронные ускорители серии ЭЛВ
68