ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Утверждаю

Декан ЭФФ

___________Г.С. Евтушенко

___________2008 г.

Измерение основных параметров работы импульсного электронного ускорителя

Методические указания к лабораторным работам

Издательство Томского политехнического университета

2008

Сильноточный импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500.

Использование импульсного электронного пучка для инициирования плазмохимических процессов, накачки газовых лазеров, генерации СВЧ-излучения и в других областях требует разработки экономичного электронного ускорителя, обладающего большим ресурсом работы и высокой стабильностью рабочих параметров. Любые непроизводительные потери энергии ведут к нагреву, деструкции и преждевременному разрушению конструкционных узлов ускорителя. К ускорителям электронов, предназначенных для использования в установках и технологических линиях крупномасштабного промышленного производства, в отличие от исследовательских, предъявляют особые требования. Промышленный ускоритель должен иметь:

• достаточно большую мощность выведенного в атмосферу пучка электронов, чтобы обеспечить заданную производительность радиационно-химической установки, отвечающую уровню современного промышленного производства;

• высокую степень надежности всех узлов, чтобы обеспечить бесперебойную работу установки в соответствии с заданным графиком работы;

• компактные собственную конструкцию и радиационную биологическую защиту, позволяющие размещать установки в типовых производственных помещениях;

• высокий коэффициент преобразования электрической энергии в энергию электронного пучка (к.п.д. ускорителя);

• вспомогательное оборудование, обеспечивающее необходимую геометрию облучения объектов с заданной равномерностью распределения интенсивности электронного потока по облучаемой поверхности объектов при как можно более высоком коэффициенте использования электронного излучения и т. д.

Перечисленные выше задачи обуславливают необходимость поиска путей повышения эффективности преобразования электрической энергии в энергию электронного пучка, разработки надежных конструкционных узлов ускорителя, обладающих большим ресурсом работы и высокой стабильностью рабочих параметров.

Технологический электронный ускоритель ТЭУ-500 предназначен для проведения научно-исследовательских работ по изучению взаимодействия электронного пучка с газо-фазными, жидкими и твердыми веществами. Ускоритель состоит из генератора импульсных напряжений (ГИН), двойной формирующей линии, диодного узла, приборов диагностики электронного пучка и высокого напряжения и пульта управления.

Технические параметры ускорителя:

• Плотность тока на мишени 150 -300 А/см²

• Длительность импульса 100 нс

• Частота импульсов 0,5-5 имп/сек

• Импульсное напряжение 350-500 кВ

• Ток пучка электронов в импульсе 10 – 15 кА

• Полная энергия электронов в импульсе 250 Дж

На рисунке 1 показана принципиальная схема ускорителя. Газонаполненный генератор импульсного напряжения (ГИН) 1 собран по схеме Аркадьева-Маркса. Двойная формирующая линия (ДФЛ) 2 с деионизированной водой в качестве диэлектрика имеет емкость плеч С₁ = С₂ = 6.5 нФ. Суммарная емкость ДФЛ равна выходной емкости ГИНа. Двойная формирующая линия коммутируется газовым разрядником 3 (зазор 11 мм, давление до 8 атм. технического азота).

Отличительной особенностью конструкции разработанного импульсного электронного ускорителя является согласующий автотрансформатор. Он обеспечивает согласование низкоомной водяной двойной формирующей линии с высокоомным импедансом планарного диода. Согласующий трансформатор помещен в масляном объеме 4 и содержит четыре сердечника 5. Для насыщения ферромагнитного сердечника трансформатора до стадии формирования основного импульса напряжения введен узел принудительного размагничивания.

Рисунок 1. Принципиальная схема ускорителя ТЭУ-500.

Рисунок 2. Внешний вид ускорителя.

Он состоит из конденсатора 11, тиристора 12, индуктивности размагничивания 13, развязывающей индуктивности 14, шунтирующего сопротивления 15, защитного диода 16 и дросселя насыщения 17.

Ускоритель работает следующим образом: начальное магнитное состояние сердечника согласующего трансформатора задается током, протекающим по цепи индуктивностей 13 и 14, катододержателя 7 и витков 6 при разряде конденсатора 11. Конденсатор 11 предварительно заряжается от внешнего источника до напряжения, обеспечивающего протекание тока размагничивания величиной 150 – 200 А. После зарядки конденсатора на управляющий вывод 18 тиристора 12 узла размагничивания подается импульс запуска с блока управления ускорителем. Тиристор открывается и начинается процесс разрядки конденсатора. В момент перехода тока из цепи тиристора 12 в цепь диода 16 (см. рисунок 4), дроссель насыщения 17 формирует импульс на запуск генератора импульсного напряжения, после срабатывания которого начинается зарядка двойной формирующей линии 2 . При достижении напряжения пробоя газового разрядника 3 происходит формирование основного импульса напряжения, прикладываемого к катоду.

Для измерения тока, протекающего в нагрузке наносекундного генератора, используется пояс Роговского. Величина постоянной времени пояса Роговского (11 мкс) значительно больше длительности регистрируемого импульса тока, что обеспечивает его работу в режиме трансформатора тока без искажения формы импульса. Для измерения напряжения используется емкостной делитель, расположенный в маслонаполненной камере. Делитель расположен симметрично катододержателю и имеет емкость 22 нФ. Нагрузкой емкостного делителя является волновое сопротивление кабеля, равное 50 Ом. Постоянная времени делителя равна 1100 нс, что обеспечивает снижение напряжения из-за разряда емкости делителя за длительность импульса (100 нс по основанию) на величину не более 7%. Емкостной делитель имеет более широкую полосу пропускания, чем резистивный или смешанный делитель, что очень важно при измерении сигналов длительностью менее 100 нс. На рисунке 3 приведены осциллограммы полного тока электронного пучка и напряжения, приложенного к диоду.

Рисунок 3. Осциллограммы напряжения (1), приложенного к диоду, и полного тока электронного пучка (2).

На Рис. показан диодный узел ускорителя и расположение диагностического оборудования.

Рис. 4. Диагностическое оборудование импульсного электронного ускорителя: 1 – пояс Роговского, 2 – емкостный делитель, 3 – дифференциальный делитель напряжения, 4 – цилиндр Фарадея.

Для измерения тока, протекающего в нагрузке наносекундного генератора, был использован пояс Роговского (ПР) с обратным витком. Параметры ПР: индуктивность 165 мкГн, сопротивление нагрузки R_н = 10 Ом, собственное сопротивление провода r = 4.5 Ом, число витков 1600 при диаметре намотки 9 мм и длине намотки 1650 мм. Величина постоянной времени пояса Роговского (10 мкс) значительно больше длительности регистрируемого импульса тока (100 нс), что обеспечивает работу ПР в режиме трансформатора тока без искажения регистрируемой формы импульса тока.

Порядок работы на стенде

Перед выполнением работы в целом необходимо осуществить следующее.

• Ознакомиться с работой на стенде по данному описанию.

• Пройти вводный инструктаж по технике безопасности применительно к данной установке, включающий в себя: безопасность при работе с установками высокого напряжения, безопасность при работе с газовыми баллонами и радиационную безопасность.

• Ознакомиться с инструкцией по работе на стенде, с управлением стендом, с основными блоками установки на самом стенде.

• Совместно с преподавателем произвести демонстрационные запуски стенда, получить осциллограммы напряжения и тока. Сдать преподавателю зачет по освоению практических навыков работы на установке.

Для запуска установки необходимо произвести следующие действия.

• Выбрать элементы, с которых будет производиться подача сигналов на осциллограф, и подключить осциллограф.

• Закрыть двери в высоковольтном зале и в пультовой комнате.

• Зарядить емкости в генераторе импульсного напряжения ускорителя.

• Запустить ускоритель электронов, сделать требуемое количество импульсов.

Задание к работе

Получение экспериментальных осциллограмм тока и напряжения

На данном этапе работы необходимо, применяя навыки по работе со скоростным цифровым осциллографом, получить экспериментальные осциллограммы тока и напряжения с основных узлов стенда. Следует выполнить:

1. Закрыть двери в высоковольтном зале и в пультовой комнате.

2. Зарядить емкости в генераторе импульсного напряжения ускорителя..

3. Запустить ускоритель электронов, сделать требуемое количество импульсов.

4. Получить экспериментальные осциллограммы тока электронного пучка и напряжения с диагностического оборудования ускорителя.

5. Записать осциллограммы на USB.

6. По осциллограммам тока и напряжения рассчитать полную энергию электронного пучка, формируемого ускорителем.

7. Рассчитать импеданс диода.

Оформление отчет по работе.

Отчет должен быть выполнен на компьютере и представлен в напечатанном виде и в формате Word. Он должен содержать следующие разделы.

• Осциллограмма тока(усредненная по 3 импульсам)

• Осциллограмма тока(усредненная по 3 импульсам)

• Рассчет полной энергии электронного пучка, формируемого ускорителем.

• Импеданс диода

• Обсуждение результатов