Исследование генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом

Кайканов, Марат Исламбекович

Исследование генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Кайканов, Марат Исламбекович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом»

Автореферат диссертации на тему "Исследование генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом"

На правах рукописи

Кайканов Марат Исламбекович

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ДИОДЕ С ВЫСОКИМ ИМПЕДАНСОМ

01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

28 НОЯ 2013

Томск —2013

005541025

Работа выполнена в лаборатории №1 Института физики высоких технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национального исследовательского Томского политехнического университета» (ФГБОУ ВПО НИТПУ)

Научный руководитель: Ремнев Геннадий Ефимович

доктор технических наук, профессор

Усов Юрий Петрович

доктор технических наук,

профессор кафедры электрических сетей и электротехники ФГБОУ ВПО НИ ТПУ

Официальные оппоненты:

Бурачевский Юрий Александрович

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Федеральное государственное. бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский университет , систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР) '

Ведущая организация: Институт электрофизики Уральского отделения

Российской академии наук, г. Екатеринбург

Защита состоится "17" декабря 2013 г. в 16^ час. на заседании диссертационного совета Д 212.269.05 при ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехнического университета» по адресу: г. Томск, ул. Белинского, д. 55.

Автореферат разослан " 15 " ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

(/ А.В. Кожевник

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Импульсные электронные пучки находят широкое применение во многих областях науки и техники: возбуждение эксимерных лазеров, ионизация молекул газа и жидкостей для инициации химических процессов, обработка поверхности твердосплавных изделий, технологии электронно-стимулированного обеззараживания и стерилизации материалов, сшивка полимеров и т.д. При этом актуальным является применение потока ускоренных электронов для обработки промышленно-бытовых сточных вод, поскольку технологии предотвращения и ликвидации загрязнения окружающей среды входят в перечень критических технологий Российской Федерации. Основным параметром, определяющим эффективность использования технологии обработки водных растворов на базе импульсных электронных ускорителей, является величина плотности энергии выведенного электронного пучка. Диссертационная работа посвящена исследованию генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом с целью определения факторов, влияющих на эффективность вывода импульсного электронного пучка из диодной камеры высокоимпедансного ускорителя. В качестве практического использования полученных результатов по повышению плотности энергии выведенного импульсного электронного пучка показана возможность его применения для деструкции фенола, растворенного в воде.

Наибольшее распространение в схемах импульсных ускорителей с субмикро- и микросекудной длительностью напряжения получили диоды с «холодным» взрывоэмиссионным катодом. Величина тока диода с взрывоэмиссионным катодом, работающего в режиме ограничения объемным зарядом, пропорциональна величине ускоряющего напряжения в степени 3/2 и определяется первеансом диода: j(t) = P(t) • f/(t)3/2, где j(t)- плотность электронного тока, U(t)- напряжение, приложенное к ускоряющему промежутку, P(t) - первеанс диода. Аналитическая зависимость, с высокой точностью описывающей поведение тока электронного диода с взрывоэмиссионным катодом от ускоряющего напряжения, зависит от параметров диодной системы. Геометрия диода высокоимпедансных ускорителей отлична от геометрии модели Чайлда-Ленгмюра, используемой при решении уравнения Пуассона и нахождении аналитического выражения закона «степени 3/2» для диодов наиболее распространенных типов импульсных ускорителей. Для совпадения экспериментальных значений первеанса диода с теоретическим расчетом по модели Чайлда-Ленгмюра обычно вводятся поправочный коэффициент — форм-фактор. При этом значение форм-факторов - величина не постоянная и зависит от отношения катод-анодного зазора к радиусу катода (для симметричных круглых катодов). Т.е. для каждого конкретного значения ускоряющего промежутка dAK необходимо определять величину форм-фактора. Таким образом, актуальным является исследование работы диода с взрывоэмиссионным катодом высокоимпедансного ускорителя с целью определения аналитической

зависимости тока пучка от развиваемого ускоряющего напряжения. Исследования основных закономерностей генерации импульсного электронного пучка также необходимы для определения факторов, влияющих на эффективность вывода пучка электронов из диодной камеры через анодную фольгу в зону обработки.

Цель работы: определить основные закономерности формирования импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом и установить возможность использования импульсного электронного пучка с повышенной импульсной мощностью поглощенной дозы для деструкции водного раствора фенола. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Определить аналитическую зависимость, описывающую поведение тока импульсного электронного пучка наносекундной длительности, генерируемого высокоимпедансным диодом, от развиваемого ускоряющего напряжения.

• Определить влияние эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода высокоимпедансного диода на плотность энергии выведенного из диодной камеры импульсного электронного пучка.

• Выявить основные закономерности деструкции водного раствора фенола импульсным электронным пучком с гигаватгной импульсной мощностью.

Научная новизна работы

1. Получено аналитическое выражение, описывающее поведение первеанса импульсного электронного пучка для высокоимпедансного ускорителя.

2. Показано, что для импульсного электронного ускорителя, имеющего высокий выходной импеданс (более 100 Ом), повышение плотности энергии выведенного электронного пучка возможно за счет уменьшения эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода, в том числе, при увеличении количества запусков.

3. Получено, что снижение плазмообразования на периферии катода при генерации электронного пучка, приводит к повышению плотности энергии выведенного импульсного электронного пучка.

4.Установлено, что при генерации электронного пучка МД-катодом лезвийной конструкции при геометрии диода йАКк>\ разброс выходных параметров ускорителя, таких как ускоряющее напряжение, энергия выведенного электронного пучка импульсного электронного ускорителя, составляет менее 8% при работе на частоте 50 имп./с в течение более 105 включений.

5. Показано, что повышенная импульсная мощность поглощенной дозы электронного пучка - 10ГГр/с — не оказывает ингибирующего действия на деструкцию растворенного в воде фенола, что характерно для непрерывного электронного излучения.

Научная и практическая значимость работы

Предложенная методика определения зависимости тока электронного пучка от развиваемого на диоде ускоряющего напряжения позволяет определить аналитическую зависимость первеанса диода с высоким импедансом. Результаты исследования факторов, влияющих на плотность энергии выведенного импульсного электронного пучка, генерируемого ускорителем с высоким выходным импедансом, могут быть использованы при разработке технологических схем обработки водных растворов на базе импульсных электронных ускорителей. Использованный в исследованиях источник электронов не содержит формирующих линий и искровых коммутаторов, что позволяет существенно упростить конструкцию ускорителя и повысить надежность комплекса в целом.

Положения, выносимые на защиту

1. Аналитическая формула, описывающая поведение тока импульсного электронного пучка в зависимости от развиваемого ускоряющего напряжения при геометрии диода &АК/т>\, где dAK и 2г - величина ускоряющего промежутка и диаметр катода, соответственно.

2. Экспериментальное подтверждение повышения плотности энергии выведенного электронного пучка длительностью до 10"7 с за счет повышения кинетической энергии электронов при снижении эмиссионных свойств катода.

3. Ограничение плазмообразования на периферии катода при генерации электронного пучка в диоде высокоимпедансного ускорителя, схема которого основана на передаче энергии в диод через повышающий трансформатор, приводит к повышению плотности энергии выведенного электронного пучка, при этом полная энергия электронного пучка снижается.

4. Повышенная импульсная мощность поглощенной дозы импульсного электронного пучка до 10 ГГр/с не оказывает ингибирующего действия на электронно-стимулированную деструкцию водного раствора фенола.

Личный вклад автора состоит в постановке задач, планировании и проведении экспериментов по теме диссертации. Обсуждение методов решения поставленных задач проводилось с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах. Исследование влияния эмиссионных свойств катода на эффективность вывода электронного пучка, а также первеанса диода проведены лично автором. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы по работе.

Апробация работы. Основные результаты обсуждались и докладывались на научном семинаре в Институте физики высоких технологий НИ ТПУ, г.Томск, а также на международных и российских конференциях: 8-ая Международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (Алматы, Казахстан, 2011); 18th International Pulsed Power Conference Record (Chicago, USA, 2011); 19th International Conference on High-Power Particle Beams (Karlsruhe, Germany, 2012); 17th International Symposium on High Current Electronics (Tomsk, 2012); XIX Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2013); XXII Российская молодежная научная конференция (Екатеринбург, 2013); II Всероссийская научно-техническая конференция

молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013).

Публикации: По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 17 работ, из которых 10 статей в реферируемых журналах из перечня ВАК, в том числе 8 статей в соавторстве, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы из 95 наименований. Работа изложена на 105 страницах, содержит 73 рисунка и 14 таблиц.

Основное содержание диссертационной работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна, практическая значимость и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проводится литературный обзор работ, посвященных разработке математической модели поведения первеанса диода с взрывоэмиссионным катодом, а также описывающих результаты исследований влияния продолжительной работы взрывоэмиссионного катода на генерацию электронного пучка. Также рассмотрены конструкции катододержателя диода и цели использования в ней дополнительных элементов - экранов. На основании анализа литературы можно сделать следующие выводы: наиболее распространенный способ получения аналитического выражения поведения перевеанса реальных диодов с взрывоэмиссионным катодом основан на сравнении аналитического выражения Чайлда-Ленгмюра [1], полученного для геометрии электродов в виде двух бесконечных параллельных пластин, и экспериментальных данных. Расхождения с модельным соотношением компенсируют введением поправочных коэффициентов, зависимых от величины катод-анодного зазора dAK при постоянном диаметре катода 2г. Увеличение фд/г (необходимо для высокоимпеднасных ускорителей) приводит к необходимости учета «краевого эффекта» при генерации электронного пучка. Известное в литературе соотношение Ленгмюра-Блоджетт [2] позволяет повысить точность аналитического описания экспериментальных данных благодаря учету первеанса пучка, генерируемого с периферийной части плоского катода. Однако не учитывается разлет вызрывоэмиссионной плазмы в соотношении Ленгмюра-Блоджетт. Таким образом, в литературе не предложены методы определения аналитического выражения первеанса пучка при dAK/r>l, исключающие введение поправочных коэффициентов.

В первой главе также описаны работы, посвященные радиолизу водного раствора фенола. На основании представленных в литературе данных можно заключить, что увеличение мощности поглощенной дозы непрерывного электронного пучка приводит к снижению эффективности деструкции фенола в воде. Т.е. актуальными являются исследования воздействия импульсного электронного пучка, импульсная мощность поглощенной дозы которого значительно превышает среднюю мощность непрерывного электронного потока.

Во второй главе диссертации приводится описание импульсного электронного ускорителя АСТРА-М (рис.1), диагностического оборудования, использованного в исследованиях генерации электронного пучка.

Принцип работы ускорителя АСТРА-М основан на разряде батареи емкостных накопителей С2 (90 нФ) через автотрансформатор Т2 (1:10) непосредственно на электронный диод без промежуточных формирующих линий (рис.1). Длительность импульса напряжения порядка 450 не (по основанию), время достижения импульсом напряжения амплитудного значения 200 не.

Исследование первеанса диода проводилось по показаниям емкостного делителя напряжения и пояса Роговского (ПР), размещенных в генераторе. При сравнении данных, рассчитанных по показаниям ПР и цилиндра Фарадея (ЦФ) при полном поглощении электронного пучка коллектором, получено хорошее согласование экспериментальных данных. На рис.2 представлены значения первеанса, рассчитанные по показаниям ПР и ЦФ (напряжение измерялось емкостным делителем напряжения).

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема импульсного электронного ускорителя АСТРА-М. ИП — источник питания; ГИ - генератор импульсов; Ci - первичный емкостной накопитель (40мкФ); VTi - тиристорный коммутатор; Tj - повышающий импульсный трансформатор (1:20); Ci - высоковольтный емкостной накопитель (100 нФ); PSS-псевдоискровойразрядник (PseudoSpark Switcher); Т2 - высоковольтный импульсный трансформатор (1:10); Тз - импульсный трансформатор тока; С г - конденсатор; VTi -маломощный импульсный тиратрон с термокатодом; Tj - пик-трансформатор; Ri -варистор; ИНН - источник накальных напряжений; VD1, VD2, VD1 — диоды; ВК- вакуумная камера; ВЭК- взрывоэмиссионный катод; ВОУ-выводное окно ускорителя. Пунктирной линией ограничен блок запуска коммутатора PSS.

20(1 Ж Время, не

Рис. 2. Расчет первеанса диода по показаниями пояса Роговского (белые квадраты) и ЦФ (черные круги) при полном поглощении электронного тока коллектором ЦФ

Таким образом, имеющееся диагностическое оборудование позволяет корректно производить измерения параметров пучка.

В третьей главе диссертации представлены результаты исследования генерации импульсного электронного пучка наносекундной длительности ускорителем с высоким выходным импедансом (200- 220 Ом). При исследовании работы электронного диода с игольчатым катодом получено, что эффективность вывода электронного пучка из вакуумной камеры в атмосферу через выводное окно (титановая фольга 50 мкм) повышается при уменьшении эмиссионной способности катода. Полученный результат обусловлен увеличением импеданса диода, что приводит к росту развиваемого на электронном диоде ускоряющего напряжения, поскольку схема генератора представляет собой разряд емкости на нагрузку через повышающий трансформатор. Однако применение игольчатого катода не позволило достичь величины энергии выведенного электронного пучка более 2.7 Дж при полной энергии пучка 59 Дж, т.е. эффективность вывода электронного пучка, рассчитанная относительно энергии электронного пучка, подведенной к анода, составила 4.6%. Величина развиваемого на диоде ускоряющего напряжения при этом составила 294 кВ (300). Обеспечить снижение локальной напряженности электрического поля на поверхности катода для изменения условий образования взрывоэмиссионной плазмы предложено посредством применения лезвийной конструкции катода.

Лезвийный катод изготавливался из медной ленты толщиной 0.4 мм, длиной 290 мм и шириной 6 мм. Медь выбрана для обеспечения отвода тепла с катода. Свернутая в спираль лента крепилась к нержавеющей основе, расстояние между витками ленты 6-7 мм. Диаметр катода составил 38-40 мм. Применение лезвийной конструкции катода позволило достичь величины энергии выведенного электронного пучка 4.1 Дж, амплитуда ускоряющего напряжения при этом достигла значения 341 кВ.

Поскольку, во-первых, известно, что увеличение количества включений катода приводит к изменению его эмиссионных свойств, во-вторых, основное потенциальное применение ускорителя подразумевает использование его в частотном режиме длительное время, необходимыми являлись исследования работы электронного диода при большом количестве запусков.

В результате проведенных исследований показано, что при работе медного лезвийного катода в частотном режиме (20-30 имп./с) происходит повышение развиваемого на диоде ускоряющего напряжения в течение (10-15)-103 импульсов с 350 до 450 кВ (рис.3). Величина полной энергии электронного пучка, подводимой к аноду, вследствие рассогласования нагрузки с генератором, снижается с 60 до 45-50 Дж. Величина же энергии выведенного электронного пучка увеличивается с 4.1 до 8 Дж. Однако с дальнейшим увеличением количества запусков катода происходит увеличение разброса развиваемых выходных параметров ускорителя (рис.3). Разброс амплитудного значения ускоряющего напряжения после 2-104 запусков составил более 22% (ит=470±22% кВ) при начальном разбросе порядка 9%.

Увеличение разброса выходных параметров ускорителя обусловлено изменением морфологии эмитирующей поверхности катода, что приводит к изменению эмитирующей способности катода от импульса к импульсу [3]. Для повышения стабильности работы диода был изготовлен МД-катод из двусторонне-фольгированного стеклотекстолита. Геометрия МД-катода идентична геометрии медного катода.

В результате получено, что лезвийный МД-катод обладает большей стабильностью при работе длительное время. Рост амплитуды ускоряющего напряжения происходит в течение 10-Ю3 импульсов с 350 до 450 кВ (рис.4).

Количество импульсов Рис. 3. Изменение амплитудного значения ускоряющего напряжения с увеличением количества включений. Катод - медный лезвийный, Лак=26 мм, г=19мм, частота следования импульсов 20-30 имп./с.

Количество импульсов Рис. 4. Изменение амплитудного значения ускоряющего напряжения с увеличением количества запусков.МД-катод, частота следования импульсов 20-30 имп./с.

Среднее значение амплитудного значения ускоряющего напряжения сохраняется более 105 импульсов, при этом максимальный разброс составляет 8%.

Величина выведенной энергии электронного пучка, как и в случае с металлическим медным катодом, увеличивается с количеством запусков с 5 до 9 Дж. Таким образом, применение металлодиэлектрического катода позволяет

повысить стабильность работы диода, что объясняется отсутствием существенного влияния изменения морфологии поверхности катода на инициацию взрывной эмиссии электронов.

С целью повышения эффективности вывода электронного пучка из вакуумной камеры, были проведены исследования первеанса диода с катодом лезвийной конструкции при геометрии диода &АК/г>\.

Первеанс диода (коэффициент пропорциональности между током диода и развиваемым ускоряющим напряжением в степени 3/2) многими авторами рассчитывается по соотношению Чайлда-Ленгмюра [1], поскольку геометрия диодов часто подчиняется соотношению с1^*/г<1- С увеличением вклада краевого эффекта на генерацию электронного пучка, т.е. с ростом соотношения с^/г, происходит существенное отклонение экспериментальных значений первеанса диода от модельного соотношения Чайлда-Ленгмюра. Для того чтобы добиться совпадения экспериментальных значений первеанса с расчетными, вводятся различные поправочные коэффициенты (форм-фактор и т.п.). При этом универсальности получаемые аналитические соотношения не имеют: поправочные коэффициенты зависимы от величины Алк!т. В работе [4] предлагается использовать поправку в форме закона Ленгмюра-Блоджетт [2] для цилиндрических электродов, при этом не учитывается разлет эмитирующей плазмы.

Однако в каждом конкретном случае получаемые соотношения имеют свои особенности: не учитывается изменение геометрии электродов за счет разлета взрывоэмиссионной плазмы, эмиссионная поверхность изменяется и не контролируется в течение длительности импульса и т.д. Таким образом, в литературе не представлены модельные соотношения первеанса диода, а, следовательно, и тока электронного пучка от величины ускоряющего напряжения, для геометрии йАК/г~\ или йАК/х>\.

Для определения аналитической зависимости первеанса диода, были проведены исследования работы лезвийного катода г=19мм при начальных значениях катод-анодного зазора <1о=26, 20 и 15 мм. Основной целью являлось определение аналитической модели первеанса диода электронного ускорителя с взрывоэмиссионным катодом лезвийной конструкции в геометрии йАк/г>\ по моделям Чайлда-Ленгмюра и Ленгмюра-Блоджетт при учете разлета взрывоэмиссионной плазмы в течение генерации электронного пучка в обеих моделях:

Р= Рр1алаг+ Рк)ве (1)

где первеанс (в мкА/В ) центральной части катода подчиняется закону Чайлда-Ленгмюра (5- площадь эмитирующей поверхности катода, изменяющаяся в течение длительности ускоряющего напряжения):

Рр1апаг=2.33х8/с12 (2)

а первеанс диода для краевой эмиссии электронов подчиняется соотношению:

Реа8е= 14.66/8(2тгг/с1-а2) (3)

где РЫЕе В мкА/В3'2, а=1п(с1о/ур1)- с,-[1п(сУур0]2 + с2-[1п(сУур0]3+..(4) ур- скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы, с\=0А, с2=0.0917, <1 -эффективный катод анодный зазор с^с^^ (ранее соотношение Ленгмюра-Блоджетт использовалось без учета сокращения катод-анодного зазора и увеличения эмиссионной площади взрывоэмиссионной плазмы), г-эффективный радиус катода равный г=г0+Ур1.

При этом лезвийная конструкция ограничивает эмиссионную способность катода, что необходимо, как было указано, для сохранения сравнительно высокого импеданса диода в течение всей длительности ускоряющего напряжения. Для аналитического описания поведения тока диода были взяты в расчет первые три члена величины а (ур. 4). На основании полученных экспериментальных данных рассчитывались значения С) и с2 в соотношении 4 (величина а) из системы уравнений:

2.33хБ/с112 + 14.66/8-[2яг/а,(а(сьС2))2]=Р1 (5)

2.33хБ/ё22 + 14.66/8-[2лг/с12(а(сьс2))2]-Р2 (6)

где Рь Р2, - экспериментальные значения первеанса диода для различных начальных зазоров (101 и с102 соответственно.

В модели приняты следующие допущения:

•скорость расширения взрывоэмиссионной плазмы в нормальном и аксиальном направлении одинакова и постоянна в течение всей длительности приложенного напряжения и равна ур= 2.6±20% см/с для меди [3];

• электронный поток не является биполярным, поскольку плотность тока электронного пучка на аноде порядка 0.03 кА/см2, что не вызывает образования анодной плазмы, а вклад ионизации десорбируемого с анода газа возможен только при длительности тока гораздо большей, чем в ускорителе АСТРА-М. Оценки показывают, что время, необходимое для ионизации десорбируемого с анода газа при плотности тока 0.03 кА/см2 и возникновения биполярного потока составляет порядка 2500 не;

• профиль эмитирующей поверхности катода при расширении взрывоэмиссионной плазмы обуславливает увеличение эмиссионной поверхности со временем по закону: 8(1)=(а0+урч) (Ь0+урЧ) где ао -толщина медной ленты, Ь0- длина медной ленты.

Решением системы уравнений (5)-(6) явилась пара значений с,=0.6, с2=

0.24.

В результате получено соотношение первеанса диода:

_ 2.33-5(0 раше ~ ~ 77 +

. _11-5'го__п)

Найденное соотношение с высокой точностью описывает экспериментальные значения первеанса диода (рис.5).

На рис.5 также приведены расчетные значения первеанса диода по модели Чайлда-Ленгмюра и Ленгмюра-Блоджетг (в котором не учитывается разлет взрывоэмиссионной плазмы).

Рис. 5. Перегоне электронного диода: а-с1о = 26 мм (с!лк/г=1-37), б- с1о=20мм ((1лц/г=1.05). 2,1

— импеданс диода, 1 (черные круги)— экспериментальное значение первеанса диода; 2 (сплошная линия) - значение первеанса диода по найденному соотношению (7); 3 -значение первеанса диода по закону Чайлда-Ленгмюра (2); 4-расчетное значение первеанса диода с поправкой Ленгмюра-Блоджетт, не учитывающей расширение катодной плазмы

Изменение скорости расширения взрывоэмиссионной плазмы (был изготовлен идентичный по геометрии катод из свинца, ур=1.2±15% см/мкс) не повлияло на точность описания экспериментальных значений первеанса диода найденным соотношением (рис.6).

Рис. 6. Первеанс электронного диода со

свинцовым катодом (точки -экспериментальные данные, сплошные линии -расчет по найденному соотношению (1)): 1- йо - 26 мм; 2 -с1о = 21 мм ; 3 - с1о = 15 мм

Таким образом, получена математическая модель поведения первеанса диода с взрывоэмиссионным катодом, учитывающая влияние «краевого эффекта», что особенно важно для высокоимпедансных ускорителей, т.е. при геометрии диода 6ак >г. В отличие от ранее известных моделей, соотношение (7) с высокой точностью описывает поведение первеанса диода с

взрывоэмиссионным катодом как при изменении параметра ур (скорости разлета вызрывоэмиссионной плазмы), так и при изменении величины &ак!г-

В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования влияния ограничения плазмообразования на периферии катода (краевого эффекта) при генерации электронного пучка на плотность энергии выведенного электронного пучка наносекундной длительности.

При исследовании первеанса диода получено, что существенную роль при генерации электронного пучка играет краевой эффект. Для снижения влияния краевого эффекта был изготовлен экран для размещения в конструкции катододержателя. Результаты моделирования распределения напряженности электрического поля в ускоряющем промежутке представлены на рис.7, где показано значение напряженности поля вдоль линии у поверхности катода. В расчете приняты значения: и=350 кВ, с1м=24 мм, г=19 мм.

I 55 §

14 45 35 25 15 5

■4-4--1.....т.....!..........¡1- ■-!.....!?■

ЕЕЩЩШШ

-т ■■■!..........У7г\г- .....а_________■

о 2.5 7.5 12.5 17.5 I, мм

Рис. 7. Расчет напряженности электрического поля на поверхности катода (с1ЛК=24 мм, и=350кВ, гк=19мм, О-центр катода).

В результате изменения распределения напряженности поля у катода электронного диода удалось обеспечить снижение первеанса за счет подавления краевого эффекта. На рис. 8 представлены экспериментальные значения превеанса диода в случае отсутствия и наличия экрана в конструкции катода.

300 400 450

Время, не

Рис. 8. Первеанс диода (с!а1с=24 мм): 1- без экрана, 2- с экраном.

Снижение первеанса привело к увеличению импеданса диода, что позволило повысить величину энергии выведенного электронного пучка до 1920 Дж (амплитудное значение развиваемого на диоде ускоряющего напряжения порядка 500 кВ), в то время как без экрана величина выведенной энергии составила 6-9 Дж (напряжение, достигло значения 375 кВ). Т.е. при прочих равных параметрах (зарядное напряжение от источника питания, величина катод-анодного зазора, конструкция выводного окна ускорителя) изменение распределения напряженности электрического поля в ускоряющем промежутке обусловило 3-х кратное увеличение энергии выведенного электронного пучка. Достичь полученного результата удалось благодаря схемному исполнению генератора ускорителя, представляющему собой разряд емкостного накопителя на диод через повышающий трансформатор.

Следует отметить, что эксперименты по изменению вылета катода за экран показали, что при выдвижении экрана за плоскость катода (т.е. случай фокусировки электронного пучка) энергия выведенного электронного пучка также не превысила величину 6-9 Дж.

Таким образом, повышение эффективности вывода электронного пучка происходит не за счет фокусировки, а за счет снижения влияния краевого эффекта на генерацию импульсного электронного пучка, т.е. подавления плазообразования на периферии катода.

Одним из потенциальных применений электронного ускорителя АСТРА-М является обработка водных растворов. Поэтому для параметров ускорителя, развиваемых при различных режимах работы (до 1000 включений МД-катода, более 20000 включений МД-катода, а также при наличии экрана в конструкции катодержателя), были рассчитаны распределения поглощенной дозы одного импульса электронного пучка по глубине слоя воды. Данные моделирования представлены на рис.9.

1400. 12001000- — ! ¿п. ... ..... — .... ......

... .... .... .... .... .....

г - * .... .... ..... ....

..... .... .... ....

«,: .... Г- > ..... Ч ..... : ..... .... н......

» к -т.....

0- ..... у ......

Рис. 9. Распределение поглощенной дозы одного импульса электронного пучка по глубине слоя воды (МД-катод, г=19 мм, (1ак=26 мм): 1 - 100-е включение; 2 — после 10000 включений; 3-е экраном (100-е включение)

Глубина проникновения, мм

Как видно из полученных данных (рис.9), наибольшая поглощенная доза 1.5 кГр достигается при работе ускорителя с диодом разработанной конструкции.

В качестве исследуемого вещества для экспериментов по воздействию электронного пучка на водные растворы был выбран водный раствор фенола,

поскольку фенол является одним из токсичных загрязнений в промышленных сточных водах различных предприятий, т.е. практическая значимость данных исследований очевидна.

Проведенный литературный анализ показал, что воздействие непрерывного электронного пучка на водные растворы фенола характеризуется особенностью: повышение мощности поглощенной дозы приводит к снижению эффективности окисления фенола. Известно [5,6], что при мощности дозы излучения 1.1 кГр/ч РХВ составляет С(-С6Н5ОН)=0.\10, а при 5.0 кГр/ч снижается в несколько раз до значения С(-С6Н5ОН)=0.043. Таким образом, необходимыми являются исследования воздействия наносекундного электронного пучка с импульсной мощностью поглощенной дозы до 10 ГТр/с (выше мощности дозы непрерывного электронного пучка в 10 раз).

Исходная концентрация фенола в воде составляла 200 и 80 мг/л. Результаты импульсно-пучковой обработки воды, содержащей фенол в указанных концентрациях, показаны на рис.Юа. Также на рис.106 представлены линейные аноморфозы кинетических кривых деструкции фенола в воде при воздействии электронного пучка (зависимость 1п[С6Н5ОН] от поглощенной дозы П).

По полученным данным рассчитана дозовая константа импульсно-пучковой деструкции фенола (к):

к=(1п([С6Н5ОН])0- 1п([С6Н5ОН])п)/£>. При исходной концентрации фенола в воде 82 мг/л - £=0,21 кГр1, при исходной концентрации фенола 200 мг/л - £=0.12 кГр~ .

35 45 Поглощенная доза, кГр

> 15 25 35 45 Поглощенная доза, кГр

Рис. 10. Изменение концентрации фенола в воде в зависимости от поглощенной дозы электронного пучка (а) и линейные анаморфозы кинетических кривых окисления (б) при различных исходных концентрациях фенола в воде.

Таким образом, установлено, что повышенная импульсная мощность дозы электронного пучка не оказывает ингибирующего действия на электронно-стимулированную деструкцию фенола в воде.

Основные результаты работы

1. Предложена методика определения аналитической зависимости первеанса диода высоимпедансного ускорителя от времени, на основании которой получена аналитическая модель зависимости тока диода с взрывоэмиссионным катодом от развиваемого на диоде напряжения в геометрии диода ААк!т>\. Полученная модель может рассматриваться как универсальная, поскольку с высокой точностью описывает экспериментальные данные и не зависит от величины катод-анодного зазора, что характерно для ранее известных моделей.

2. Исследована работа импульсного электронного ускорителя при различных типах катодов: игольчатой и лезвийной конфигурации. Показано, что снижение локальной напряженности электрического поля на кромке эмитирующей поверхности обуславливает задержку плазмообразования на катоде. В результате достигается повышение импеданса диода, что необходимо для повышения развиваемого на диоде ускоряющего напряжения.

3. При снижении эмиссионной способности катода за счет уменьшения эмитирующей площади взрывоэмиссионной плазмы происходит увеличение плотности энергии выведенного электронного пучка. При этом эффективность передачи энергии, накопленной в генераторе, в энергию импульсного электронного пучка снижается. Однако увеличение развиваемого на диоде ускоряющего напряжения обуславливает повышение энергии выведенного электронного пучка.

4. При увеличении количества включений металлического катода лезвийной конструкции происходит повышение плотности энергии выведенного электронного пучка за счет снижения эмиссионной способности катода. Однако с ростом количества включений более ~12-103 включений импульсов происходит изменение эмиссионных свойств катода, что обуславливает увеличение нестабильности генерации ускоряющего напряжения диода -разброс более 22%. Повысить стабильность генерации ускоряющего напряжения позволяет разработанная конструкция МД-катода - разброс менее 8% при количестве включений более 105.

5. Снижение напряженности электрического поля на периферии катода за счет электростатической экранировки обуславливает значительный рост плотности энергии выведенного электронного пучка. При этом рост плотности энергии достигается не за счет фокусировки сформированного электронного пучка, а именно за счет снижения плазмообразования на внешней кромке катода, что обуславливает снижение первеанса диода и, следовательно, повышение развиваемого на диоде ускоряющего напряжения.

6. Проведены измерения степени окисления фенола в воде при воздействии электронного пучка с высокой импульсной мощностью дозы - до 10 ГТр/с. Показано отсутствие ингибирующее действие повышенной импульсной мощности поглощенной дозы на деструкцию фенола в воде.

Основные публикации по теме диссертации

a. Исследование первеанса диода высокоимпедансного ускорителя/ Кайканов М.И.// Известия вузов. Физика. - 2013.-Т.56 -№7/2. - С.379-383 (8386-2013) .

b. Исследование влияния эмиссионной способности катода на эффективность вывода импульсного электронного пучка/ Кайканов М.И.// Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №5; URL: http://www.science-education.ru/lll-10213

c. A high-repetition rate pulsed electron accelerator/ Egorov I., Esipov V., Remnev G., Kaikanov M., Lukonin E., and Poloskov A.//IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. - 2013. - V.20. - №4. - P. 1334-1339. (импакт-фактор 1.36)

d. Частотно-импульсный электронный ускоритель «АСТРА»/ Егоров И.С., Кайканов М.И., Луконин Е.И., Ремнев Г.Е., Степанов А.В.// Приборы и техника эксперимента. —2013. -№5. — С.81-84.

e. Исследование генерации импульсного электронного пучка в частотном режиме работы ускорителя/ Ремнев Г.Е., Егоров И.С., Кайканов М.И., Канаев Г.Г., Луконин Е.И., Нашилевский А.В., Степанов А.В.// Известия вузов. Физика. - 2011. - № 11/3. - С. 74 - 80.

f. Выходное окно сильноточного ускорителя электронов "АСТРА"/ Егоров И.С., Кайканов М.И, Ремнев Г.Е.// Известия ТПУ . - 2013. - Т. 322. - № 2. - С. 9194.

g. Исследование характеристик планарного диода с композиционным катодом/ Вагнер М.И., Егоров И.С., Кайканов М.И., Прибытков Г. А., Ремнев Г.Е., Савицкий А.П., Степанов А.В.// Известия вузов. Физика. - 2011. -Т.54. -№11/3,-С. 80-86.

h. Repetitive Source of Pulsed Electron Beams/ Egorov I.S., Remnev G.E., Kaikanov M.I., Lukonin E.I., Esipov V.S., Poloskov A.V., Kolokolov D.Yu.// Известия ВУЗов. Физика. - 2012. - T.55: - №10/3. - C.58-60

i. Патент РФ №2473436 RU, МПК C02F1/30. Способ очистки сточных вод/ Маркелов В.А., Михаленко В.А., Маслов А.С., Сярг Б.А., Попов А.В., Ремнев Г.Е., Степанов А.В., Кайканов М.И, Меринова Л.Р., Егоров И.С. Заявлено 05.08.2011. Опубл. 27.01.2013, Бюл.№22

j. Частотный импульсный электронный ускоритель для радиационных технологий/ Ремнев Г.Е., Егоров И.С., Кайканов М.И, Канаев Г.Г., Луконин Е.И., Нашилевский А.В., Степанов А.В.// В кн.: Сборник докладов 8-ой международной конференции «Ядерная и радиационная физика», 20-23 сентября 2011г., Алматы, Казахстан. - 20II. - С. 549-555.

k. Study on Improving Efficiency of Phenol Aqueous Solution Oxidation using Pulsed Electron Beam/ Kaikanov M.I., Remnev G.E., Merinova L.R.// Известия ВУЗов. Физика. -2012. - T.55. - №10/3. - C.139-141.

1. Исследование генерации импульсного сильноточного электронного пучка наносекундной длительности/ Ротарь С.В., Ермоленко Н.С., Кайканов М.И.// В кн.: Сборник докладов XIX Международной научно-практической

конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», 15-19 апреля 2013 г., Томск. - Т.1. - С.88-89 m. Exit window for the Astra repetitive high-current pulsed electron accelerator/ Egorov I., Kaikanov MM.Proceedings of 19th International Conference on HighPower Particle Beams, September 30 - October 4, 2012, Karlsruhe, Germany -P.181

n. Treatment of Industrial and Household Waste Water with the Pulse Electron Accelerator-Based Setup/ Egorov I.S., Kaikanov M.I., Kolokolov D.Yu., Merinova L.R., Remnev G.E., Sazonov R.V., Stepanov A.V., Voyno D.A., Maslov A.S., Siarg В.А.//Известия ВУЗов. Физика. -2012. -T.55.-№10/3- С.61-64 о. Effects of pulsed electron beam on chemical composition of water solution/ Merinova L.R., Shiyan L.N., Kaikanov M.I., Kolokolov D.Yu.// Proceedings of 19th International Conference on High-Power Particle Beams, September 30 - October 4, 2012, Karlsruhe, Germany - P. 181 p. Очистка и стерилизация промышленно-бытовых стоков импульсным электронным пучком наносекундной длительности/ Ремнев Г.Е., Степанов А.В., Войно Д.А., Егоров И.С., Кайканов М.И., Маслов А.С., Меринова JI.P., Попов А.В., Сярг Б.А., Шиян JI.H.// В кн.: Сборник докладов 8-ой международной конференции «Ядерная и радиационная физика», Алматы. - 2011. - С. 506-509. q. Импульсно-пучковое окисление органических загрязнений в воде/ Ротарь С.В., Ермоленко Н.С., Меринова JI.P., Кайканов М.ИЛ В кн.: Сборник докладов XIX Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2013. — Т.З. — С.158-159

Список цитируемой литературы:

1.1. Langmuir. The effect of space charge and residual gases on thermonic currents in

high vacuum.//Physical review - 1913. - V.2 - №6. - P.450-486. 2.1. Langmuir and K.Blodgett. Currents limited by space charge between coaxial cylinders//Physical review. - 1923. - V.22. - №4. - P.347-356

3. Гунин A.B., Ландль В.Ф., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов В.В. Взрывоэмиссионный катод с большим временем жизни для генераторов мощного СВЧ-излучения// Письма в ЖТФ. - 1999. - Т.25,- №25. - С.84-94

4. R.K.Parker, R.E. Anderson and C.V. Duncan. Plasma-induced field emission and the characteristics of high-current relativistic electron flow// Journal of Applied Physics. - 1974. - V.45. - P. 2463-2479

5. S. Seino, T. A. Yamamoto, K. Hashimoto, S. Okuda, N. Chitose, S. Ueta and K. Okitsu. Gamma-ray irradiation effect on aqueous phenol solutions dispersing TiOz or A1203 nanoparticles// Rev.Adv.Mater.Sci. - 2003. - № 4. - P. 70-74

6. N. Getoff. Radiation-induced degradation of water pollutants - state of art// Radiat. Phys. Chem.- 1996. - V. 47. - № 4. - P. 581-593

Подписано в печать 13.11.2013. Тираж 150 экз. Кол-во стр. 20. Заказ 47-13 Бумага офсетная. Формат А5. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбх» Лицензия Серия ПД №12-0092 от 03.05.2001 г. 634034, г.Томск, ул. Усова 7, оф. 046. Тел. (3822) 56-44-54

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кайканов, Марат Исламбекович, Томск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

На правах рукописи

04201452237

Кайканов Марат Исламбекович

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ДИОДЕ С ВЫСОКИМ ИМПЕДАНСОМ

01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Ремнев Геннадий Ефимович

Томск — 2013

Оглавление.....................................................................................................2

Введение........................................................................................................4

1. Обзор литературы.......................................................................................... 8

1.1. Импульсные электронные ускорители с взрывоэмиссионными катодами...................8

1.2. Принцип работы диодов с взрывоэмиссионными катодами.................................... 11

1.3. Первеанс диода с взрывоэмиссионным катодом...................................................13

1.3.1. Математическое описание первеанса диода с взрывоэмиссионным катодом.............14

1.3.1.1. Соотношение Чайлда-Ленгмюра................................................................. 14

1.3.1.2. Модель Ленгмюра-Блоджетт..................................................................... 20

1.4. Влияние распределения напряженности электрического поля в диоде на работу взрывоэмиссионных катодов................................................................................27

1.5. Изменение эмиссионной способности катода с увеличением числа срабатываний.......29

1.6. Применение импульсных электронных пучков....................................................33

1.6.1. Обработка водного раствора фенола потоком ускоренных электронов.................. 34

Выводы к главе 1..............................................................................................37

2. Экспериментальная установка и диагностическое оборудование............................... 38

2.1. Импульсный электронный ускоритель электронов АСТРА-М..................................38

2.2. Диагностическое оборудование диодного узла ускорителя АСТРА-М.......................40

2.2.1. Емкостной делитель напряжения....................................................................41

2.2.2. Пояс Роговского........................................................................................43

2.2.3. Работа генератора импульсов на активную нагрузку..........................................45

2.3. Определение параметров импульсного электронного пучка....................................46

2.3.1. Регистрация тока импульсного электронного пучка............................................46

2.3.2. Определение первеанса................................................................................46

2.3.3. Модифицированный дозиметр Фрикке............................................................48

2.3.4. Определение профиля выведенного электронного пучка.....................................49

2.4. Определение растворенных веществ в воде.........................................................50

Выводы к главе 2...............................................................................................50

3. Исследование генерации импульсного электронного пучка......................................51

3.1. Влияние эмиссионной способности взрывоэмиссионного катода на плотность энергии выведенного электронного пучка................................................................52

3.1.1. Генерация электронного пучка игольчатым катодом.......................................... 53

3.1.2. Исследование ВАХ медного лезвийного катода................................................ 56

3.2. Исследование работы катода лезвийной конструкции с ростом

количества включений........................................................................................59

3.2.1. Исследование работы медного лезвийного катода.................. ........................... 59

3.2.2. Диод с лезвийным МД-катодом................................................................... 66

3.3. Поведение первеанса диода высокоимпедансного ускорителя.................................69

3.3.1. Постановка задачи........................................................................................70

3.3.2. Аналитическая модель первеанса диода с учетом краевого эффекта.......................73

3.3.3. Проверка полученной модели: исследование поведения первеанса диода

с лезвийным катодом из свинца.............................................................................77

Выводы к главе 3..............................................................................................78

4. Исследование влияния краевого эффекта на плотность энергии

выведенного электронного пучка..........................................................................ВО

4.1. Расчет распределения напряженности электрического поля в

ускоряющем промежутке.....................................................................................81

4.2. Исследование работы диода при снижении влияния краевого эффекта..................... 83

4.3. Влияние распределения электрического поля в диоде на эффективность

вывода электронного пучка..................................................................................86

4.4. Моделирование поглощения импульсного электронного пучка в воде...................... 88

4.5. Применение электронного пучка наносекундной длительности...............................89

4.5.1. Исследование влияния повышенной импульсной мощности поглощенной

дозы на деструкцию фенола в воде.........................................................................90

4.5.2. Повышение эффективности деструкции фенола в воде за счет

трансформации первичных продуктов радиолиза воды............................................. 92

4.5.3. Обработка промышленно-бытовой воды импульсным электронным пучком........... 94

Выводы к главе 4..............................................................................................95

Заключение......................................................................................................96

Список литературы............................................................................................98

Введение

Импульсные электронные пучки находят широкое применение во многих областях науки и техники: возбуждение эксимерных лазеров, ионизация молекул газа и жидкостей для инициации химических процессов, обработка поверхности твердосплавных изделий, технологии электронно-стимулированного обеззараживания и стерилизации, сшивка полимеров и т.д. При этом актуальным является применение потока ускоренных электронов для обработки промышленно-бытовых сточных вод, поскольку технологии предотвращения и ликвидации загрязнения окружающей среды входят в перечень критических технологий Российской Федерации. Основным параметром, определяющим эффективность использования технологии обработки растворов на базе импульсных электронных ускорителей, является величина плотности энергии выведенного электронного пучка. Диссертационная работа посвящена исследованию генерации импульсного электронного пучка в диоде с высоким импедансом и определению факторов, влияющих на эффективность вывода импульсного электронного пучка из диодной камеры ускорителя. В качестве практического использования полученных результатов повышения плотности энергии выведенного импульсного электронного пучка показана возможность его применения для деструкции фенола, растворенного в воде.

Наибольшее распространение в схемах импульсных ускорителей с субмикро- и микросекудной длительностью напряжения получили диоды с «холодным» взрывоэмиссионным катодом. Величина тока диода с взрывоэмиссионным катодом, работающего в режиме ограничения объемным зарядом, пропорциональна величине ускоряющего напряжения в степени 3/2 и определяется первеансом диода:/(О = Р(£) • [/(С)3/2, где ДО- плотность электронного тока, 11(0- напряжение, приложенное к ускоряющему промежутку, Р(0 - первеанс диода. Аналитическая зависимость, с высокой точностью описывающая поведение тока электронного диода с взрывоэмиссионным катодом от ускоряющего напряжения, зависит от параметров диодной системы. Геометрия диода высокоимпедансных ускорителей отлична от геометрии модели Чайлда-Ленгмюра, используемой при решении уравнения Пуассона и нахождении аналитической зависимости эмитируемого тока от ускоряющего напряжения для диодов наиболее распространенных типов импульсных ускорителей. Для совпадения экспериментальных значений первеанса диода с теоретическим расчетом по модели Чайлда-Ленгмюра обычно вводятся поправочный коэффициент - форм-фактор. При этом значение форм-факторов - величина непостоянная и зависит от отношения катод-анодного зазора к радиусу катода (для симметричных круглых катодов). Т.е. для каждого конкретного значения ускоряющего промежутка с1/(а; необходимо

определять величину форм-фактора. Таким образом, актуальным является исследование работы диода с взрывоомиссионным катодом высокоимпедансного ускорителя с целыо определения аналитической зависимости тока пучка от развиваемого ускоряющего напряжения. Исследования основных закономерностей генерации импульсного электронного пучка также необходимы для определения факторов, влияющих на эффективность вывода пучка электронов из диодной камеры через анодную фольгу в зону обработки.

Выявить основные закономерности деструкции водного раствора фенола импульсным электронным пучком с гигаваттной импульсной мощностью.

Научная новизна работы

4.Установлено, что при генерации электронного пучка МД-катодом лезвийной конструкции при геометрии диода с1,}л;/г>1 разброс выходных параметров ускорителя, таких как ускоряющее напряжение, энергия выведенного электронного пучка импульсного электронного ускорителя, составляет менее 8% при работе на частоте 50 имп./с в течение более 105 включений.

5. Показано, что повышенная импульсная мощность поглощенной дозы электронного пучка - 10 ГГр/с - не оказывает ингибирующего действия на деструкцию растворенного в воде фенола, что характерно для непрерывного электронного излучения.

Научная и практическая значимость работы

Предложенная методика определения зависимости тока электронного пучка от развиваемого на диоде ускоряющего напряжения позволяет определить аналитическую зависимость первеанса диода с высоким импедансом. Результаты исследования факторов, влияющих на плотность энергии выведенного импульсного электронного пучка, генерируемого ускорителем с высоким выходным импедансом, могут быть использованы при разработке технологических схем обработки водных растворов на базе импульсных электронных ускорителей. Использованный в исследованиях источник электронов не содержит в конструкции формирующих линий и искровых коммутаторов, что позволяет существенно упростить конструкцию ускорителя и повысить надежность комплекса в целом.

Положения, выносимые на защиту

1. Аналитическая формула, описывающая поведение первеанса импульсного электронного пучка при геометрии диода <Зак/г>1, где с1лк: и 2г - величина ускоряющего промежутка и диаметр катода, соответственно.

2. Экспериментальное подтверждение повышения плотности энергии выведенного

электронного пучка длительностью до 10" с за счет повышения кинетической энергии электронов при снижении эмиссионных свойств катода.

4. Повышенная импульсная мощность поглощенной дозы импульсного электронного пучка до 10 ГГр/с не оказывает ингибирующего действия на электронно-пучковую деструкцию водного раствора фенола.

электронного пучка, а также первеанса диода проведены лично автором. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы по работе.

Апробация работы

Основные результаты обсуждались и докладывались на научном семинаре в Институте физики высоких технологий НИ ТПУ, г.Томск, а также на международных и российских конференциях: 8-ая Международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (Алматы, Казахстан, 2011); 18th International Pulsed Power Conference Record (Chicago, USA, 2011); 19th International Conference on High-Power Particle Beams (Karlsruhe, Germany, 2012); 17th International Symposium on High Current Electronics (Tomsk, 2012); XIX Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2013); XXII Российская молодежная научная конференция (Екатеринбург, 2013); II Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013).

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список используемой литературы из 95 наименований. Работа изложена на 105 страницах, содержит 73 рисунка и М таблиц.

Глава 1. Генерация импульсных электронных пучков (литературный обзор)

Импульсные электронные ускорители находят широкое применение во многих областях науки и техники: возбуждение эксимерных лазеров, ионизация молекул газа и жидкостей для инициации химических процессов, обработка поверхности изделий из твердых сплавов, технологии электронно-стимулированного обеззараживания веществ, обработка сточных вод и т.д. [1-5]. В связи с этим во многих лабораториях исследовательских институтов создаются и усовершенствуются технологические комплексы на базе импульсных наносекундных ускорителей электронов.

Чаще всего в схемах импульсных ускорителей с субмикро- и микросекудной длительностью напряжения применяются диоды с взрывоэмиссионными катодами, изготовленные из различных материалов [6-14]. Работа взрывоэмиссионного катода, как показано, в частности, в работе Г.А.Месяца с соавторами [15, 16], описывается законом «3/2»:

ДО = Р(£) ■ £/(с)3/2, где ДО- плотность электронного тока, 11(0- напряжение, приложенное к

ускоряющему промежутку, Р(0- первеанс диода, зависящий только от геометрических параметров диода.

В данной главе описаны методы математического расчета поведения первеанса диода, т.е. зависимости эмитируемого тока с катода от ускоряющего напряжения. Как отмечалось ранее, в качестве математических моделей многими авторами предлагается вводить поправочные коэффициенты в соотношение Чайлда-Ленгмюра, которое получено для случая двух бесконечных параллельных пластин, одна из которых является эмиттером. При этом изменение величины катод-анодного зазора приводит к необходимости повторного определения ранее найденных коэффициентов, т.е. отсутствует универсальность предлагаемых модельных соотношений.

Также представлены результаты по исследованию изменения эмиссионных свойств катода с увеличением количества включений. Применение данного явления позволило повысить эффективность вывода электронного пучка из диодной камеры в атмосферу.

1.1. Импульсные электронные ускорители с взрывоэмиссионными катодами

В лаборатории 1 ИФВТ ТПУ разрабатываются импульсные электронные ускорители для инициации газофазных плазмохимических реакций, очистки промышленно-бытовых сточных вод, обеззараживания растворов и т.д. Конструкция импульсного ускорителя ТЭУ-500 (ускоряющее напряжение до 500 кВ, длительность импульса 60 не, выведенная энергия в пучке до 200 Дж) детально описана в [17, 18, 19]. Высоковольтный генератор ускорителя ТЭУ-500 включается в себя генератор Аркадьева-Маркса, заряжающий двойную формирующую линию

(ДФЛ) с согласующим автотрансформатором. Взрывоэмиссионные катоды (ВЭК) диода ускорителя ТЭУ-500 имеют различные конструктивные исполнения: планарный графитовый, острийный с вольфрамовыми иг�