Генератор импульсов тормозного излучения с плазменным прерывателем тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

российская академия наук

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ г, „ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

гГ. с л

Не правах рукописи

СОКОВНИН Сергей Крьевич

УДК 621.384.6

ГЕНЕРАТОР ИзЯУЛЬСОВ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПЛАЗМЕННЬЫ ПРЕРЫВАТЕЛЕМ ТОКА

(специальность 01.04.13 - электрофизика)

Автореферат диссертации на соискание учено!! степени кандидата технических неук

Томск 1993

Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН Г.Екатеринбург

Научный руководитель:

член-корресповдент РАН, доктор технических наук I). А. Котов

Официальные оппоненты:

академик РАН, дохтор технических наук Б.М.Ковальчук (ИСЭ СО РАН, г. Томск)

кандидат технических наук С.М.Чесноков (РИТЦ, г.Томск) Ведущая организация: НИИ ядерной визига при ТПУ, г.Томск

Защита состоится "_"_1994 г. в_часов на заседании специализированного совета Д.003.41.01 при Институте сильноточной электроники СО РАН (634005, г.Тоиск, пр. Академический, 4)

Отзывы на автореферат по диссертации в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по указанному адресу на иия ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках ИЭФ УрО РАН, ИСЭ СО РАН.

Автореферат разослан "_" ;_1ЭЭ4 г.

Учимый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук

Д.И. ПроскуровскиЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Будущее развития ысжцшх ишульсных генераторов, а, следовательно, н генераторов импульсов тормозного излучения (ГЙТЙ) связано с применением промежуточных индуктивных накопителей энергии с прерывателями тока. Такая схема позволяет в несколько раз уменьшить выходное напряжение первичного емкостного накопителя энергии, а, следовательно, его габариты, которые примерно пропорциональны квадрату выходного напряжения. Плазменные прернвэтели тока (ППТ) имеют налое сопротивление в стадии просо. димости, что позволяет развивать в контуре ток близкий к току короткого замыкания. Ко обычная схема включения промежуточного накопителя с ППТ имеет один существенный недостаток. При пробое вакуумного изолятора или промежутка катод-анод (Рис.1) первичный накопитель, обычно выполненный по схема генератора шгпульсыых напряжения (ГИН),.разряжается в колебательном контуре с высокой добротность» и развиваются токи, пркгюдшциэ . к разрушению конденсаторов.

Чтобы избежать аварии пригодиться существенно снизать заряд-нсг напряжение ПШ, но при зтсы укежиаотся ииодная иоп^ость и во итогом теряется вкнгрыл ирамеиешш крсыеауточкого накопителя энергии с ППТ. Поэтому важно найти способ звиутд конденсаторов ПШ, баз существенных потерь мсеноста в рабочем режиио.

Для ГИТН существенную роль играет зесткость излучения и размер фокуса. Известно, что' плазменные прерыватели создают пучок большого сечения. Поэтому вазою как измерить рэзмзры пучка и энергию электронов, так и попытаться его сфокусировать. Без реяензя ьроблекы фокусировка ставится под сомнение целесообразность применения ППТ в ГЯТИ. Задача исследования ППТ возникает из-за того, что отсутствуют инженерше ыетоддка расчета генераторов с ППТ.

Результаты измерения энергия электронов, т.е. ускорящего напряжения, и размеров пучка электронов электрнпесюйдн способам в вакуумных линиях, заполненных плазмой и пучгшя частиц, часто трудно интерпретировать. Другие существующие электрофизические способы трудоемки, а для измерений во ьремеки и дорогостоящ!. Поэтому необходимо нейти простые и дешевые методы бесконтактного измерения энергии электронов н размеров пучка электронов.

. было создание генератора импульсного тормозного

излучения с плазменным прерывателем тока« исследование возможности фокусировки пучка электронов формируемого в плазмонаполненном диоде (ПД), а также разработка бесконтактных методов измерения энерлш электронов и размеров пучка электронов. Научная_новизнз_результатов_работы^

1. Впервые реализована схема с защитным элементом для конденсаторов низкоиндуктивных ГИН в цепях с плазменными прерывателями тока, которые обеспечивает возможность надежной и длительной работы ГИН при максимально возможных для конденсаторов токах; предложены и иследованы различные возможности создания защитного элемента.

2. Впервые, при микросекундных временах ввода энергии в индуктивность, исследован эффект зависимости формы импульса напряжения на плазменном прерывателе тока и плазмонаполненном диоде от времени задержки между подачей плазмы и срабатыванием ГИН, а также геометрии электродов прерывателей.

3. Впервые при микросекундных временах ввода энергии в плазмо-наполненный диод предложен и исследован принцип фокусировки формируемого электронного пучка, заключающийся в применении полого катода и диафрагмы на аноде, ограничивающих расширение плазмы в ПД.

4. Создан и опробован в генераторах с ППТ метод бесконтактного измерения энергии электронов сильноточного пучка, по его тормозному излучению, методом фильтров в геометрии узкого пучка.

5. Создан и опробован в генераторах с ППТ метод бесконтактного измерения размеров сильноточного пучка электронов, по его тормозному излучению, с помощью двух детекторов, один из которых установлен в области, где размеры пучка влияют, а другой - не влияют на показания детектора.

ПоложешяА_выносише_на_задит5;л

1. Впервые реализована схема с защитным элементом для конденсаторов низкоиндуктивных ГИН в цепях с плазменными прерывателями, который обеспечивает возможность надежной и длительной работы ГШ при максимально возможных для конденсаторов токах; предложены и иследованы различные возможности создания защитного элемента, по результатам испытаний выбран нелинейный резистор из "вшита".

2. Впервые, при микросекундам временах ввода энерпш в индуктивность, исследован эффект зависимости формы импульса напряжения на плазменном прерывателе тока и плазмонаполненном диоде от

времени задержи меаду подачей плазмы и срабатыванием ГИН, а твк*п геометрйи электродов прерывателей.

3. Впервые при микросекундных временах ввода энергии в плазмо-наполненныЯ диод предложен и исследован принцип фокусировки формируемого электронного пучка, заключающийся в применении полого катода и диафрагмы на аноде, ограничивающих расширение плазмы в 1Щ

4. Создан и опробован в генераторах с ППТ метод бесконтактного измерения энергии электронов сильноточного пучка, по его тормозному излучению, методом фильтров в геометрии узкого пучка.

5. Создан и опробован в генераторах с ППТ метод бесконтактного • измерения размеров сильноточного пучка электронов, по его тормозному излучению, с помощью двух детекторов, один из которых установлен в области, где размеры пучка влияют, а другой - № влияют на показания детектора.

6.Создай генератор импульсного тормозного излучения ЕИРА-2П с энергией электронов до 1,5 МэВ и током пучка электронов до 40 кА при длительности 50 не, которой создает на расстоянии I и от шшени мощность доза тормозного излучения до 2 Ю7 Р/с.

Эхпериыентально полученные результата по поведению резисторов из "вилита" могут быть использован« для расчета и конструирования заг^гтного элемента, который обеспечивает возможность надежной и длительной работа ГИН при максимально возможных для конденсаторов токах.

Найденный принцип фокусировки формируемого в ПД электронного пучка, заключающийся в применении полого катода ц диафрагмы на анода, ыожет быть использован для увеличения ногрюсти дозы тормозного излучения ГИТИ на пебольвях' обьвктах или увеличения плотности тока сильноточного электронного пучка•(СЭП).

Создашь методы бесконтактного измерения энергии электронов и размеров СЭП могут использоваться для проверки существующих способов измерения, или когда они не применим.

Созданый ГИТИ ВИРА-2П, с ускоряющим напряжением до 1,5 МВ и током пучка электронов до 40 кА при длительности до 50 не, обеспе-чивапций на расстоянии I и от шгаени мощность дозы тормозного излучения до 2 Ю7 Р/с, ыояет быть использован для радиационных испытаний, для замены сущоствупОис ГИТИ с электровзрывныия прерывателями тока (например ВИРА-1.5М), по сравнению с которыми ВИРА-2П более удобен в эксплуатации и экологически чист.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на семинарах ИЭФ УрО РАН, на 8 Всесоюзной симпозиуме по сильноточной электронике в 1990 г. в г.Свердловске, 9 Симпозиуме по сильноточной электронике 1992 г. в г.Екатеринбурге, на 8-th IEEE Pulaed Power Conference, в 1991 г', в г.Сан-Диего, шт. Калифорния, США, на 9-th IEEE Puleed Power Conference, в 1993 г. в г.Альбукерке, шт. Нью-Ыехико, США.

П^бликауии.. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х статьях и 9-и тезисах докладов.

Стр£ктвда_и_обьем_£иссертацииг Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения, содержит 116 страниц текста, включает 23 рисунка и список литературы из 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обсуждается актуальность темы, формулируются задачи, научная новизна и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту, дается краткое содержание работы.

В первой__главе с использованием литературных источников

проведен анализ основных физических процессов и результатов работы ППТ при микросекундных и наносекундных временах ввода энергии. Описанно современное состояние плазменных прерывателей и на основе анализа известных работ сформулированы задачи исследования.

\ Во второй главе сформулированы требования к нелинейному защитному резистору (Рис.1,6), который должен иметь малое сопротивление и индуктивность в период нарастания тока и в течение времени передачи энергии в нагрузку; в аварийном режиме обеспечивать быстрый рост сопротивления и декремента колебаний до значений, приемлемых для используеиых конденсаторов; иметь большой ресурс или быть недорогим и удобным для замены.

Для решения задачи были рассмотрены и исследованы различные типы создания нелинейных резисторов (HP):

I).карборундовые нелинейные резисторы (типа "вилит") - разработанные для защитных разрядников высоковольных линий электроснабжения, которые применялись для формирования униполярных импульсов тока и защиты ГИН от обратной волны при несрабатывании разрядника в формирующих линиях;

2) электрически взрываемые проводники (ЭВП) из меди;

3) резистор из тугоплавкого материала (вольфрама).

На основе литературных данных были выполнены расчеты НР из вилита и медных проводников. Расчет для вольфрвмого НР выполнен А.М.Иокольским с сотрудниками. Расчеты были экспериментально проверены на модельных контурах. Результаты расчетов и экспериментов даны в Табл. I и 2.

Экспериментальные исследования показали возможность работы ГИН на предельных токах при использовании вилитовых НР, когда плотность тока в них не превышает 0,4 кА/см2. При этом потери тока в НР до первого максимума достигают 10* (РИс.2,а).

• Ресурсные испытания резисторов и конденсаторов на предельных тока (50 кА для ИК-100-0,4) показали, что после 400 импульсов, повторяемых через 5 минут, никаких изменения не произошло, в то время как без НР конденсаторы начинали выходить из строя после первого же импульса.

Вилитовые резисторы позволяют создавать из них конструктивно простые и низкоиндуктивные НР. К недостатку можно отнести необходимость обеспечения контакта резистора с металлом, без которого возникают подгары, переходящие в разрушение самого вилита.

Применение НР из ЭВП конструктивно сложнее, однако позволяет при необходимости изменять не только форму разрядного тока, но и полностью прерывать разряд (Рис.2,6). К недостатку ЭВП можно отнести однократность действия. .

Использование проволочных вольфрамовых резисторов (Табл.2,ЫН 7-8) ограничивается низким ресурсом, связанным с разрушением проволок под действием многократного разогрева. Но при замене проволок на вольфрамовую фольгу - может оказаться не хуле вилитовых, однако требует обеспечения надежного электрического контакта с фольгой при температуре около 700°С.

С учетом полученных результатов был рассчитан - и изготовлен нелинейный резистор из вилита для ГИТИ ВИРА-2П. (Табл.1, НЭ), который позволяет снимать с укороченной секции ГИНа1 (7 ступеней), при зарядном напряжении 80 кВ ток до 200 кА - сделано более 400 импульсов. При- зарядном напряжении 60 кВ ( ток в контуре 140 кА) тот яе резистор выдержал еще около 1500 срабатываний без видимых повреждений.

1 Б.М.Ковальчук и др.// ПТЭ, 1989, Н I, с.137-139.

Р.1С. I. Схемы формирования импульсов с ППТ: I - ГШ, 2 - коммутатор, 3 - проходной вакуумный изолятор, 4 - вакуумная линия, Б - плазменные пушки, 6 - нагрузка, 7 - нелинейный резистор.

Таблица I. Результаты экспериментов с НР из вилита.

{ггит-ттг-

уот.

11 КВ икй 11

о

ыкг кА

"I РГТИГ ок 1 л

кА П'Г от

Расчет Эксперимент

Ч Ч Ч Ч 3

1 72 0,41 4,5 21,9 20,1

2 ВО 0,41 4,5 24,3 22,3

3 ВО 0,41 4,5 24,3 22,3

1,ЬВ 0,26 158 Ш

1,50 0,26 133 101

1,ЬВ 0,26 150 101

1,58 0,26 183 167

О,ВО 0,36 74,0 67

9 420 0,22 1,45 163 153 10 525 0,22 1,45 190 179 .11 £95 0,22 1,45 231 217

15 тьВлаце: Т

4 ВО

5 8и

6 80 7 74

О 50

0,83 1,66 0,96 2,5 0,25 0,85 1,46 0,88 2,0 0,12 0,87 1,43 0,68 2,0 0,06

0,84 1,64 0,74 3,1 0,34

0,84 1,66 0,72 3,1 0,42

0,8 1,в1 0,59 3,6 0,67

0,76 2,38 0,65 5,6 1,38

0,60 2,4 0,43 10 0,369

0,84 1,58 0,89 2,36 0,293 0,84 1,34 0,98 2,07 0,402 0,87 1,3 I 1,78 0,462

ок

пераая аьшлйтуда тока КЗ в эксперименте, 10~и/2

и 1-, - первая и вторая амплитуда тока в рабочей реаимв, и- выходное нвпргаеиае ГШ!, 2МЬ/С)0, - волновое сопротивление контура, С- выходная выкость Ш{, Ь- индуктивность разрядного контура, г^ и

- коллячество вилитошх блоков, установленных параллельно и последовательно, соотввтстванно, 3 - плотность тока в НР.

I к*, и ке>

0/1. и/но 1.1

I кА. и кВ

г. икс

^ икс

Рис.2. Результаты экспериментов с НР: а) ток I, напряжение 1Т (кривые I и 2, соответственно); приведенное к максимальному значению сопротивление НР и/1 и поглощенная в НР из вилита энергия, приведенная к запасенной в ГИН энергии, ИЛ10 (кривые 3 и 4, соответственно) для условий N3 Табл. I;

в) ток I и напряжение и на НР из иедшх проволочек для условий N2 Табл.2.

Таблица 2. Результаты 'экспериментов с НР из проволок.

Расчет Эксперимент

N и С. Ь, I п. 1 -^--

экс- ок * ю °т\ 10 % 1т 1т I, I

поп ип 1п/р vа 1ттч1 »не тт\» ап> *ли «ш-"-*-__а__* __а __1

пер. кВ мкФ ыкГ кА шт ым Дд.ыы~А0ы ыы—

О^1 1

__2

О Ток 12 Х3

I 46 0,807 3,16 21,9 9 72 0,164 0,5 0,88 0,93 I ,63 I ,4

2 46 0,807 3,16 21,9 II 258 0,11 1,48 0,88 0,93 2 9

3 46 0,807 3,16 25,6 12 97 0,117 0,5 0,95 0,96 I ,3 I ,2

4 51 0,807 3,16 23,5 13 210 0,093 I 0,95 0.96 I .55 9 ,7

5 51 0,807 3,16 23,3 13 159 0,1 0,77 0,95 0.692 I .59 2 ,6

6 53 0,39 3,85 15,57 2 267 - - 0,89 I I ,67 2 ,29

7 60 1,50 0,36 115,713 225 - - 0,86 I I ,37 2 ,42

В таблице: С.и ^

"ГЖ {кш?0ы} " " подобия, где: а

тиаметр и 1- длина проволочек, п - число параллельных проволочек.

В третьей главе освещены вопросы рентгеновской диагностики СЫ1. Существует методика восстановления ускоряющего напряжения посредством измерения мощности дозы тормозного излучения СЭП и расчетом из известной формулы, связывающей мощность дозы тормозного излучения Р на оси на расстоянии I м от мишени оптимальной толщины (с атомный номером г) с ускоряющим напряжением и и током СЭП I:

(1) Р = 1200 и2'® I (г/74)0,5.

К недостаткам этой методики относятся: необходимость абсолютных измерений мощности дозы тормозного излучения, а также необходимость измерения■тока СЭП падающего на мишень и создание мишени оптимальной, по выходу тормозного излучения, толщины.

Выполняются измерения энергии электронов иетодои фильтров в геометрии широкого пучка, по отношению показаний двух детекторов расположенных за фильтрами различной толщины и затем расчетом по эмпирическим формулам. Эют метод имеет зависимость показаний от толщины и материала фильтров, энергии электронов, т.к. измерения проводятся в области энергии квантов, где преобладает комптон-эффект (0.2-3 МэВ), что приводит к появлению эмпирических формул для каждой геометрии и энергии. Это ставит под сомнение возможность переноса метода с одного ГИТИ на другой.

" Предлагается использовать этот метод в геометрии узкого пучка, что делает его более корректным и универсальным. В этом случае метод фильтров сводится к определению сечения ослабления тормозного излучения в материале фильтров, а следовательно эффективной энергии тормозного излучения, составляющей половину энергии электронов в диапазоне до 10 МэВ. Проведение измерений в геометрии узкого пучка позволяет но учитывать рассеянное излучение, даже при энергиях, где преобладает комптон-эффект и использовать простые уравнения вида:

(2) . Д0/Д1=ехр где Д^-доза за фи ль трои толщиной До - доза без фильтра м - сечение ослабления тормозного

излучения в материале фильтра.

Геометрия узкого пучка создается специальными коллиматорами, которые устанавливаются до и после фильтров перед детекторами, требования для коллиматоров для создания геометрии узкого пучка: К(Е,г,1) > 10; й/Х > 10, где К(Е,гЛ) - крайность ослабления коллиматором толщиной t из материала с атомным номером г квантов с энертией Е (эффективной энергией тормозного излучения) в геометрии

широкого пучка, (3 - диаметр отверстий в коллиматорах.

Эффективная энергия квантов находится разрешением уравнения (2) относительно сечения ослабления для каждого момента времени, а табличные значения сечения ослабления от энергии квантов можно для медных фильтров апроксимировать (для энергий более 0,2 МэВ) :

м=0,249 Е'2 . Таким образом ускоряющее напряжение определяется по формуле: и = 2 (0,249 Х1/(1п(Д0/Д1))°'465.

Для измерений методом фильтров на генераторе ВИРА-1,5 была сделана двухканальная ячейка со свинцовыми коллиматорами толщиной 50 мм с отверстиями диаметром 5 мм и медным фильтром толщиной 10 ыи (Рис.3). Результаты экспериментов показали хорошее соответствие между показаниями емкостного делителя и предложенным методом (Рис.4,а). Была определена погрешность метода, она составляет около 20%.

Метод был применен на генераторе ГИТ-4, для этого сделана четырехканальная ячейка со сеинцовыми коллиматорами толщиной 60 мм с отверстиями диаметром 6 мм и медными фильтрами толщиной 10,30 и 40 мм. Результаты измерений на (Рис.4,6). Наличие выброса на фронтах напряжений, определенных по методу фильтров, связано с физикой работы ПГГГ.

Существующие способы измерения геометрических размеров (или плотности тока) СЭП по тормозному излучению, состоят в наложении детекторов на заднюю сторону мишени, и выполняются интегрально за импульс (детекторы - рентгеновская пленка и термолюелшисцентные) ч во времени (детекторы - сцинтилляционный и р1л-диоды).

Заметим, что измерения во времени требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры (ЭОПа или несколько наносекундных измерительных каналов) и, кроме того, размещение детекторов на задней стороне мишени искажает поле излучения.

Часто СЭП обладает радиальной симметрией или может быть упрощенно пресгавлен в такой форме. Таким образом задача измерения радиуса СЭП может быть решена предлагаемым методом, который сводится к определению отношения показаний детекторов на оси ГИТИ (или СЭП, если их оси не совпадают). При этом один из детекторов установлен на таком расстоянии от мишени, где размеры источника тормозного излучения влияют, а другой - не влияют на показания детекторов. Дале определение радиуса СЭП ведется по известным формулам для расчета поля гамма-излучения от неточечных источников.

Рис.З. Схеиа измерительной ячейки; I - коллиматоры, 2 Цальтр, 3 - защита, 4 - р1п-даода, 5 - детектор).

8)

б)

и, Нв

Рис.4. Результаты измерений методом фильтров:

а) на генераторе ВДРА-1,5Ш напряжение с емкостного делителя (1)еХр) и напряжение найденное методом фильтров в геометрии узкого

пучка (иса1), по отношению показаний детекторов без фильтра (Р1) и

за медным фильтром толщиной 10 им (Р2);

б) на генераторе ГИТ-4: напряжение и(Р1), найденное по формуле (I) , и напряжения найденнна способом фильтров в геометрии узкого пучка, по отношению показаний детекторов без фильтра и за медным $ияьтроч тодаиной 30 мы 1МР1/РЗ) и 40 мм и(Г1/Р4).

Наиболее простым и оправданным в большинстве случаев является применение формулы для расчета поля от источника в виде диска, что накладывает на расстояния от мишени до точек установки детекторов А1 и А2 условия: А1 > ЮЬ: А2 > Юг, где г -радиус СЭП (максимально возможный, т.е. радиус мишени),а Ъ - толщина мишени. Тогда радиус СЭП находится решением выражения: Д1/Д2=(1-сов (г/А1))/(1-соб(г/А2)), которое можно решать для каждого момента времени, с помощью специальной компьютерной программы, если измерять мощность дозы тормозного излучения.

Так как формулы для расчета поля от источника в виде диска введены для равномерной поверхностной активности (т.е. плотности тска) было проведено численное моделирование влияния плотности тока на мишени. Оно показало, что при изменении плотности тока до двух порядков, в определяемый по предложенному методу эффективный радиус попадает более 80% полного тока. Таким образом предлагаемый способ может применятся для качественного измерения размеров СЗП.

в 5етБертой_главе приведены результаты исследований плазыона-полненного диода и ППТ. Исследования проводились на ГИТИ ВИРА-2П (Рис. 5), который состоит из ГШа 6 с управляемыми воздушными разрядниками 7, пускового генератора для ГИН I, нелинейного резистора 8, вакуумной линии с проходным вакуумный изолятором 9 и катодом II, генератора плазмы 2 и плазменных пушек 10, генераторов синхроимпульса 3 и 4, пульта управления 5 и датчиков: петлей для измерения тока ГИНа 12 и тока в плазменных пушках 17, емкостного делителя напряжения на входе в вакуумную линию 13, трансформаторов тока в линии 14 и тока анода 15, р1п-диода 16.

Сигналы с датчиков регистрировались осциллографами 6Л0Р-04ы и С9-8 и обрабатывались на персональной компьютере.

Плазма в ПД инжектировалась плазменными пушками, установленными на аноде под углом к оси диода (Рис. 6). Использовались до двенадцати пушек в одном блоке анодной части.

Эксперименты проводились при зарядном напряяешш ГИН 60 кВ, индуктивность и емкость контура составляли 1,7 мкГ и 0,22 ыкф, ток короткого замыкания 140 кА, вреня нарастания тока 950 не.

В первую очередь были исследованы возможности увеличения напряжения на плазыонаполненном диоде иод. Эксперименты с катодами различных форм не позволили получить ивд более 600 кВ, а доля тока, определенная по формуле (I), попадающая на мишень диаметром

36 ым не превышала 20% полного тока. Задача фокусировки тока на мишии была решена применением диафрагмы на аноде (Рис.6) и полого катода. Исследовано влияние диаметра d отверстия в диафрагме и установлено, что оптимальный, по степени фокусировки тока на мишени, d=25 им. Диафрапгы были сделаны из нержавеющей стали толстой 5 мм. При использовании диафрагмы ивд достигало 730 кВ, при этом сигнал с pin-диода вырос более чем в три раза. Так как рост мощности дозы за счет увеличения напряжения возможен не более чем в 1,5 раза, очевидно происходит фокусировка тока. Доля тока, определенная из выражения (I), попадающего на мишень при с1=25ш, составляет не менее 50% полного тока.

При исследовании ПД установлено, что изменение времени задержки ыезду срабатыванием ГИН и пушек, приводит к изменению амплитуды тока обрыва и формированию иипульсои напряжения не только различной амплитуды, но и фермы, в том числе и многократным обрывай (Рис.7), т.е. генерации пакета шшульсов. Этот эффект hosût бить использован для модуляции электронного пучка для, например, исследования во времени задач радиографии.

Плазменный прерыватель тока создавался в вакуумной линии весть» коаксиальшшн плаз метши путами с пробоем по поверхности диэлектрика. Участок вакуумной шит ыезду пуиксми и анодом, для дрейфа плазмы под действием токе, составлял 550 мм (Рис. 5).

Экспериментально иаГгденные рекиш, прл различных диаиетрах внутреннего электрод» приведены о Тгбл. 3. и на Рис.8.

Pssi'ep Сортируемого пучка электровоз измзрялася интегрально палойеш;еи детекторов (L1F) па эедшо сторону ьашенл и по относа-шов nokäja'tEiS двух детекторов ео времени. Цгя проверки места формирования пучка й корректности созданной катодики ставился заземленный стельной экран в салууаноП some (с отверстием Бд=25 и 50 ыа) за 50 мм до анода.

Как это видно из сравнения амплитуд токов на Рис.9,а и б, не ыенео полокши полного тока электроноз в вакуумный диод приходит кз области ППТ (1Ш1 отсекается экраном), а диаметр формируемого в ППТ пучка электронов определяется расстоянием от оси до среза плазиеннах пупок (в эксперименте 37,5 мы, Рис.З.а). При наличии si-рала в первой ксдолт найденный радиус пучка равен половине Вд=50 m (Рис. 9,6), что подтвзрздает правильность созданного метода изкерений радиуса СЭП. Интегрирование по найденной плотности тока

17

Рис. 5. Схема генератора ВИРА-2П.

...сл..

и кв. кА С. КР/к

?в) рптц г I Т-»^ Г»1 ||1111|ПГ1р111|б.я

"3 0.4

м

3

■50.а

> 1

10в 2С0 900 400 3,10 воо », нс

Рис. б. Анодная часть плаз-монаполненного диода: I - миаень, 2 - кабель подвода энергии, 3 -анод, 4 - пушка, 5 - полый катод, 6 - диафрагма.

Рас. 7. Эксперименты с ПД: напряжение и, тек обрыва I (значение тока увеличено в десять раз) и сигнал с р1п-диода Р.

Таблица 3. Режимы с максимальными значениями напряжения на 1ШТ.

Диаметр катода, ш

36

1. Напряжение на ППТ, кВ

2. Ток обрыва, кА

3. Ток пучка электронов, кА Ток плазменных пушек, кА

о. Время задержки, икс „

6. Мощность дозы на I и, Р/с»Ю'

940

78,7

41

15.4

6,8 0,96

12

8

1200Г 66,6 27 22,4 4,3 1,78

1500 80 41

22,4 4.4

2

Таблица 4. Плотность тока на иишени. Радиус СЭП, см О

0,5 I 1,5

2

4.

Ток СЭП на иишени, кА

Плотность тока на иишени, приведенная к максимальной на оси СЭП

Примечание

5

30,8 13,6

10,6

I 0,6 0,21 0,11 0,07 0,03 0,008 без плазм!!

I 0,8 0,72 0,46 0,32 0,16 0,11 и = 1,26 МБ

I 0,83 0,74 0,46 0,33 0,15 0,11 и = 1,37 М8 с 0Д=50 иц

I 0,85 0,7 0,39 0,24 0,11 0,06 и = 1,2 МВ с 0д=25 мм

В таблице: и- напряжение на ППТ, Б - диаметр отверстия в экране.

(Табл.4) показывает, что в кратер диаметром 14 им на аноде попадает не более 10% полного тока, что также подтверждает литературные данные о большом сечении формируемого пучка электронов.

Как и для ПД установлено, что изменение времени задержки приводит к формированию импульсов напряжения не только различной амплитуды, но и формы, в теш числе и многократным обрывам (Рис.10). Отметим, что число колебаний увеличивается при уменьшении ДВЭ и достигает пяти при ДВЭ равным 8 им. При этой колебания фиксируются р1п-диодом и они происходят именно в области ППТ, что подтверждают импедансы ППТ и вакуумного диода (Рис.П).

В заключение можно указать, что созданный генератор с ППТ работает достаточно стабильно - можно получать импульсы с разбросом по амплитуде напряжения в пределах 10%. По достигнутым параметрам тормозного излучения •(Табл.3) ВИРА-2П не уступает ВИРА-1,5 с ЭВП прерывателем тока, но более удобен в эксплуатации и экологичнее, из-за отсутствия проволок и продуктов их взрыва. Генератор может использоваться для радиационных испытаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Впервые • реализована схема с защитным элементом для конденсаторов низкоиндуктивных ГШ в цепях с ППТ, который обеспечивает возможность надежной и длительной работы 1ИН при максимально возможных для конденсаторов токах? предложены и иследованы различные возможности создания защитного элемента.

1.3

».г е.» о.о о.з

и.« гпо.ИА р

- • •У*'и

—^ТЦИВ 1 • ,р -

^^ -

А Л/Ч :

---------- „...„.ц^--- .

?00

633

с, НС

С9 120 169 гзэ нс

Рно. 8. Максимальные значо- Рис. 10. Ишшгиз времени

кия для ППТ: напряженно и, ток задержки на форму шпулься

• пучка электронов Ш, ток в ППТ напряжения ППТ (цифры

IX. и показания р1п-диода ? над графиками - задержка

(значения токов увеличена в л®- в икс).' сять раз).

а! и. не то. ил г. с / ».а Е-^-ч-^-!-• г 1 1-1•-г •т 1

Аи Э,

.• -II

/ 1

, КЗ 1»10. КА

я

-I гЛ'

г. см

-г I [ > I 3. Я

о.в -

г.а ь у / » ХГ^ \ 1

0 50 ВО 30 1Е0 13Э ИЙ

5

в го м во 'но

{., т:

Ряс. 3. Результаты азиорвпяя размеров птасз -»азхтрсчюв (и -• пБярпязшш, I - ток пупяа, г ~ радяус пучка): а} бе» ?таана в вакуумной линии» б) экран с ВД « 50 1т:.

»ас 129 ез *о

и/1» •

г

^ л

у*п *г*/...г.. гУ-ул-*'

гяо га,} яг ам

290 зрс (*рз

Рис. ц. Эксперименты с ППТ: а) - юшедаис ППТ (П/П.) и напряжение Ц; б) - импеданс диода (У/П!) и покаэякяя р1п--дяода Р.

1Т

2. Для генаратора ВИРА-2П, с энергозапасом до 35 кДж, выполнен вилитовый резистор из блоков диаметром 100 мм и высотой 60 мм, соединенных по 5 штук последовательно и по 6 параллельно, который создает в колебательном, режиме декремент равный 2, при токах до 200 кА, что обеспечивает возможность надежной работа при предельных для кон- денсаторов ИК-100-0,4 токах 50 кЛ.

3. Впервые, при микросекундных временах ввода энергии в ПГГГ и ПД, исследован эффект зависимости формы импульса напряжения на ПГГГ и ПД от времени задержки между подачей плазмы и срабатыванием ГШ, а также геометрии электродов прерывателей.

4. Впервые при микросекундных временах ввода энергии в плазмона-полненный диод предложен и исследован принцип ff-жусирвки формируемого электронного пучка, заключаюгчйся в применении полого катода и диафрагмы на аноде, ограничивающих расширение плазмы в диоде.

5. Опробован в генераторах с ППТ метод фильтров, усовершенствованный за счет использования геометрии узкого пучка, для бесконтактного измерения энергии электронов по их тормозному излучению.

6. Создан и опробован в генераторах с ППТ метод бесконтактного измерения размеров сильноточного пучка электронов, по его тормозному излучению, методом двух детекторов, один из которых установлен в области где размеры пучка влияют, а другой - не влияют на показания детектора.

7. Установлено, что не менее половины полного тока электронов в вакуумный диод приходит из области ППТ, а внешний диаметр формируемого в ППТ пучка электронов определяется расстоянием от оси до среза плазменных пушек.

8. Создан генератор импульсного торнозногс излучения ВИРА-2П с энергией электронов до 1,5 МэВ и током пучка электронов до 40 кА при длительности 50 не, который создает на расстоянии I м от мишени мощность дозы тормозного излучения до 2 Ю7 Р/с.

Основные результаты диссертации изложено в следующих публикациях:

1. С.Ю.Соковнин, А.Л.Филатов // Рентгеновская диагностика сильноточного электронного пучка_ / Тезисы 8 Зсвс. симп. по сильноточной электроники, Свердловск, 1990, Часть 3, с.26-28

2. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, А.Л.Филатов // ВИРА-1.5М -компактный генератор тормозного излучения с мощностью дозы 5*Ю7 А/кг/ ПТЭ, 1990, :2, C.I49-I53

3. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, В.А.Гюгевский// Применение нелинейных резисторов для защиты мощных генераторов импульсов/ ПТЭ, 1991, :3, с.96-99.

4. Ju.A.Kotov, S.Ju.Sokovnin, v.a.Gizhevsky// иве of non-linear reele tore to Improve characteristics of pulsed power sources with plasma opening switches/ 8-th IEEE Pulsed Power Conf., San. Diego, California, 1991, p.p.166-169

5. Ju.A.Kotov, S.Ju.Sokovnin// X-ray diagnostics of hiclh-current E-beams / 8-th IEEE Pulsed Power Conf., San. Diego, California, 1991, p.p.629-632.

6. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, В.А.Гшсевский //Исследование ППТ на генераторе ВК.РА-2П/ Тезисы 9 Симп. по сильноточ. электронике, Екатеринбург, 1992, с.252-253

7. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, В.А.Гижевский// Генератор ВИРА-2П в режиме плазмонаполнеяного сильноточ. диода / Тезисы 9 Симп. по сильноточ. электронике, Екатеринбург, 1992, с.177-178

8. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, В.А.Гияевский // Генератор импульсного тормозного излучения ВИРА-2П / Тезисы 9 Симп. по сильноточ. электронике, Екатеринбург, 1992, с.175-176

9. Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин, В.А.Гижейский//Измерение ускоряющего напряжения по тормозному излучению сильноточного электронного пучка/ Тезисы 9 Сиш. по сильнбточ. электронике, Екатеринбург, с.278-279

10. С.Ю.Соковнин // Ренгеновская диагностика параметров сильноточного электронного пучка/ ПТЭ, 1992, :4, с.125-130 электронного пучка

11. Ju.A.Kotov, S.Ju.Sokovnin// E-beams size measurement generating in PEOS / Digest of abstracts 9-th IEEE Pulsed Power Conf., 1993.- Albuquerque, New Mexico, USA, p. PIII-58.

12. Ju.A.Kotov, S.Ju.Sokovnin// PEOS experiment in generator VIRA-2P/ Digest of abstracts 9-th IEEE PulBed Power Conf., 1993.- Albuquerque, New Mexico, USA, p. PIII-59.

13 Ю.А.Котов, С.Ю.Соковнин/Генератор импульсного тормозного излучения ВИРА-2П/ ПТЭ, / (в печати)