Исследование, разработка и создание ускорительных трубок для мощных высоковольтных ускорителей электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

*->■ С>

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

ВЕЙС Михаил Эрикович ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УСКОРИТЕЛЬНЫХ ТРУБОК ДЛЯ МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ

01.04.20 - физика пучкоп заряженных частиц н ускорительная техника

АВТОРЕ ФЕ Р АТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

НОВОСИБИРСК-П)97

Работа выполнена и ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Салимов — доктор технических наук,

Рустам Абельевнч ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН", г.Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Ауслендер — доктор технических наук

Вадим Леонидович ГНЦ РФ "Институт ядерной фпзш

им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

Оришпч — доктор фнз.-мат. наук,

Анатолий Мнтрофановнч Новосибирский государственный

университет, г. Новосибирск.

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники

СО РАН, г. Томск.

Защита диссертации состоится £ 1997 г. в

" 40 " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 п] ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новоспбирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан "

Л

Б.В. Чнрнко!

Ученый секретарь ^-Му

диссертационного совета академик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы связана с проектированием, разработкой и оизводством в ИЯФ СО РАН ускорителей электронов прямого дей-вия типа ЭЛВ для применения их в научно-исследовательских ценах и в промышленности в качестве источников ионизирующего излу-ния в различных технологических процессах, например для радиа-юнной сшивки полимеров (полиэтилен, полихлорвинил, поливинил-орид и т. д.) ; радиационного отверждения полимерных материалов; имулирования или инициирования химических реакций; очистки 1ма, очистки сточных вод, дезинсекции зерна и других. Диссертация священа исследованию, разработке и созданию ускорительных тру-к для ускорителей электронов прямого действия серии ЭЛВ, обеспе-вающих формирование, ускорение и транспортировку электронного чка с темпом ускорения 1 МэВ/м и выше в диапазоне энергий от 0.3 2.5 МэВ и с током пучка в сотни мА. Ускорительная трубка должна еспечивать длительную непрерывную работу ускорителя без пробоев куумной и газовой изоляции, что в существенной степени определяет сплуатациониые характеристики ускорителя, такие как надежность, ителыюсть непрерывной работы, ремонтно-пригодность, уровень алификации операторов и т.д. Предложенные в работе технические и

технологические решения могут также найти применение в смеши областях.

Целью работы является:

- исследование электрической прочности ускорительных трубоь большой апертурой в условиях ускорителей прямого действия ти ЭЛВ на холостом ходу и с током пучка ускоренных электронов до сот мА. Формулировка на основе этих исследований основных требован] к секционированным металло-керамическим изоляторам для изготс ления ускорительных трубок;

- разработка технологических процессов и технологического об рудования для изготовления секционированных металло-керамическ; изоляторов для ускорительных трубок с большой апертурой, разр бопса методики контроля и испытания изоляторов;

- разработка и производство ускорительных трубок с рабоч! градиентом до 1 МэВ/м для ускорителей электронов серии ЭЛВ в ди пазоне энергий от 0.3 до 2.5 МэВ и с током пучка ускоренных электр нов до 500 мА , обеспечивающих долговременную работу ускорите без вакуумных пробоев в ускорительной трубке.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведены исследования электрической прочности ускор тельных трубок с большой апертурой в условиях ускорителей прямо действия типа ЭЛВ.

2. Проведены исследования электрической прочности в вакуу отдельных зазоров металло-керамических изоляторов, изготовленш по различным технологиям.

3. Внедрены в производство технологический процесс и оборудо-1ание для склейки керамики УФ-46 с электродами тп нержавеющей :талн клеем ПВА.

4. Разработаны технологический процесс и оборудование для пай-си керамики УФ-46 с коваровыми электродами медным припоем под явлением в среде водорода.

5. Разработано, испытано и внедрено в производство семейство ,'скорительных трубок для ускорителей серии ЭЛВ .

6. Разработаны и испытаны образцы ускорительных трубок для ,'скорителей электронов нового поколения на энергию до 1 МэВ с то-сом пучка ускоренных электронов до 1 А.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили спроектировать и организовать производство семейства ускорительных трубок, обеспечивающих ускорение электронного пучка с током до :отен мА в диапазоне энергий от 0.3 до 2.5 МэВ и тем самым повысить эсновные параметры ускорителей электронов прямого действия типа ЭЛВ до уровня, соответствующего лучшим мировым образцам ускорителей данного типа, что способствовало повышению конкурентноспособности ускорителей и продаже около двадцати ускорителей ЭЛВ в Китай, Японию, Республику Корея, Германию, Польшу, а также поставке значительного количества ускорителей на внутренний рынок. Кроме того проведенные исследования позволили разработать и провести испытания ускорительных трубок для ускорителей нового поколения с мощностью в пучке ускоренных электронов в сотни киловатт.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной ра боты:

1. Получены результаты исследования электрической прочности : вакууме отдельных зазоров металло-керамических изоляторов, изго товленных по различным технологиям, а именно:

- термодиффузионная сварка керамики 22ХС с медными электро дами;

- склейка керамики 22ХС с электродами из нержавеющей стал] кремнийорганическим герметиком КЛТ-30;

- склейка керамики УФ-46 с электродами из нержавеющей сталз кремнийорганическим герметиком КЛТ-30;

-склейка керамики с электродами из нержавеющей стали эпоксид ным компаундом;

- пайка керамики УФ-46 с электродами из титана припоех ПСР-60;

- пайка керамики УФ-46с электродами из титана через алюминий;

-пайка керамики УФ-46 с электродами из титана мягкими припо

ями (индий и свинец).

- термодиффузионная сварка керамики с электродами из коварг через медную прокладку в среде водорода

2. Внедрены в производство технологический процесс и оборудо вание для склейки керамики УФ-46 с электродами из нержавеюще! стали клеем ПВА.

3. Разработаны технологический процесс и оборудование для пай ки керамики УФ-46 с коваровыми электродами медным припоем под давлением в среде водорода.

4. Разработано, испытано и внедрено в производство семействс ускорительных трубок для ускорителей серии ЭЛВ .

5. Разработаны и испытаны образцы ускорительных трубок для скорителей электронов нового поколения на энергию до 1 МэВ с то-ом пучка ускоренных электронов до 1 А.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех тав и заключения. Текст проиллюстрирован 17-ю рисунками. Список нтсратуры содержит 32 наименования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались а 5, 6, 7, 8 Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заря-:енных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1985, 1988, 1992, 995), на 13-ой Международной конференции по ускорителям частиц ысоких энергий ( Новосибирск, 1977), на Европейской конференции о ускорителям заряженных частиц - ЕРАС- 88 (Рим, 1988), на Десятом сесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 986), на Четвертой международной конференции по применению изо-эпов и радиационных процессов в промышленности (Лейпциг, 1988), а Первом Советско-Индийском семинаре по промышленному приме-еншо ускорителей электронов (Бомбей, 1988), на семинарах ускори-;льных лабораторий ИЯФ СО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирс саны основные требования, дано краткое содержание основных разд< лов диссертации.

В первой главе приведены результаты исследований электрическо прочности отдельных зазоров ускорительных трубок и ускорительны трубок с большой апертурой в целом как на холостом ход}' так и с пу1 ком ускоренных электронов. Проведенные исследования показываю': что основные причины, вызывающие вакуумные пробои по ускорг тельной трубке связаны с пробоями отдельных межэлектродных прс межутков. При этом частота пробоев отдельных межэлектродных прс межутков определяется как электрической прочностью зазора так и значительной степени токооседанием на электроды и керамику изол> тора. Пробой межэлектродного промежутка формирует импульс дву> трех кратного перенапряжения на соседних промежутках, в результат чего и развивается вакуумный пробой по трубке. По результатам и< следований сформулированы основные требования, предъявляемые секционированным металлокерамическим изоляторам для ускорител ных трубок.

Во второй главе приведена методика испытаний и результаты и< следования электрической прочности отдельных зазоров металлокерг мических изоляторов, изготовленных по различным технологиям. Пр1 ведены данные по электрической прочности в вакууме изоляторов у керамики 22ХС и ультрафарфора УФ-46 . Показано, что два типа из( ляторов из керамики УФ-46 с шагом секционирования 20 мм (с эла тродами из нержавеющей стали , приклеенными к керамике клеем ПВ.

и с коваровыми электродами, припаянными к керамике медным припоем под давлением) удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к изоляторам для ускорительных трубок. Изоляторы, склеенные клеем ПВА, обеспечивают электрическую прочность зазоров не менее 50кВ на зазор ( 25 кВ/см), а паянные - не менее бОкВ ( ЗОкВ/см) при относительной простоте технологических процессов изготовления и технологического оборудования.

В третьей главе описаны технологические процессы и технологическое оборудование для производства металлокерамических изоляторов из керамики УФ-46 с электродами из нержавеющей стали, приклеенными к керамике с помощью клея ПВА ( киферный марки А), обеспечивающие устойчивое и контролируемое качество соединения металла с керамикой. Приведено описание технологического процесса и обору-доватм для высокотемпературной пайкн керамики УФ-46 с коваровы-ми электродами медным припоем под давлением в среде водорода. Представлена конструкция ускорительных трубок для ускорителей серии ЭЛВ на основе таких изоляторов.

В четвертой главе описаны основные узлы и элементы ускорительных трубок, обеспечивающие формирование, ускорение и транспортировку электронного пучка и приведены результаты испытаний ускорительных трубок в ускорителях прямого действия. Модульная конструкция ускорительных трубок позволила создать сершо ускорительных трубок для ускорителей с энергией от 0.3 МэВ до 2.5 МэЗ и ускорить электронный пучок с током до 1А.

В Заключении перечислены основные результаты работы.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Veis М.Е., Korabelnikov В.М., Kuksanov N.K., Salimov R.A. Electron beam with energy 1 MeV in recuperation regime. European particle accelerator conference: EPAC, Rome, 1988.

2. Вейс М.Э., Куксанов H.K., Корабельников Б.М., Салимов P.A. Исследование электрической прочности погруженной в магнитное поле ускорительной трубки с током 1 А. Тезисы докладов шестого Всесоюзного совещашш по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. Ленинград, 1988. Москва, ЦНИИАТОМИНФОРМ.

3. Вейс М.Э., Куксанов Н.К., Мешков И.Н., Салимов Р.А., и др. Установка высоковольтного электронного охлаждения. 13-я Международная конференция по ускорителям частиц высоких энергий. Новосибирск, Наука, 1987.

4. Veis М.Е., Salimov R.A., е.а. High voltage electron acceleratorsat a power of up to 90 kW. Radiat. Phys. & Chem., 1990, vol 35, p.4-6.

5. Вейс М.Э., Корабельников Б.М., Куксанов H.K., Салимов Р.А., Фадеев С.Н. Сравне1ше электрической прочности ускорительных трубок различных конструкций при работе с пучком. Отчет ИЯФ СО АН СССР, 1983.

6. Вейс М.Э., Немытов П.И., Куксанов Н.К., Салимов Р.А., Черепков В.Г. Исследование электрической прочности изоляторов из керамики 22ХС и УФ-46. Отчет ИЯФ СО АН СССР, 1986.

7. Nemytov P.I., Kuksanov N.K., Korabelnikov В.М., Kosilov M.R., Salimov R.A., Prudnikov V.V., Veis M.E. Development of the next generation of powerfull electron accelerators. Rad. Phys. and Chem., vol. 46, 1995.

8. Вейс М.Э., Дудников В.Г., Салимов Р.А., Черепков В.Г., Шаба-лин A.J1. Ионный ускоритель прямого действия с ускоряющим на-пряже!шем 1 MB. Приборы и техника эксперимента, 1989, N2.