Моделирование электрического поля в электростатических ускорителях с целью оптимизации их высоковольной структуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РГ6 од

} ^Ур^ри {д5$0-ТЕХН0Л0ГИЧЕС1СИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ИГНАТЬЕВ ИГОРЬ ГЕННАДИЕВИЧ

УДК 621.384.6

!!ЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЖОРИТЕЛЯХ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СТРУКТУРЫ

1.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов , автоматизация физических исследований.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

СУИЫ - 1993

Работа выполнена в Институте прикладной физики АН Украины, г. Сумы.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор, член-корресгондент АН Украины В. Е. Сторижко

Официальные

оппоненты: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник В. И. Мирошниченко

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Л.Ф. Ручко .

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт электронной микроскопии, г.Сумы.

Защита диссертации состоится »... .'И^^г.. 1993 г. в часов на заседании специализирванного совета К - 068 490 2

ь Сумском физико-технологическом -институте.

Адрес: 244007, Суш, ул. Римского - Корсакова, д. 2 , тел

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СФТИ. Автореферат разослан м » .... 1993 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета К - 068 490 2

В данной работе рассмотрены электрофизические проблемы оптимизации высоковольтной структуры электростатических ускорителей.

Актуальность темы. В настоящее время электростатические ускорители СЭСУЗ являются одним из основных инструментов ядерной физики и находят все большее применение в промышленности .

В последние годы появилась потребность в прецизионных

малогабаритных ЭСУ. Энергия этих установок должна составлять

-ч

2-3 МэВ при моноэнергетичности пучка около 10 . Повышаются и требования к надежности и компактности.

Перечисленные выше важнейшие параметры ЭСУ в значительной мере определяются их высоковг тьтной структурой. Энергия пучка и надежность зависят,в основном,от электрической прочности системы газоизолированных электродов высоковольтной структуры. На срок службы определяющее влияние оказывают электромагнитные переходные процессы, имеющие место при пробоях элементов высоковольтной структуры. Разброс частиц по энергиям^ основном, определяется зарядной системой - влиянием электрического поля на колебания ленты транспортера зарядов.

Так как все перечисленные задачи требуют информации о распределении электрического поля, то для создания конструкции ЭСУ, удовлетворявшей современным требованиям, необходимо решить комплексную задачу численной оптимизации электрических полей в ЭСУ.

Для решения данной задачи необходимо выбрать критерии оптимальности - интегральные характеристики, зависящие от распределения электрических полей. Основное требование к критериям - удобство для численной оптимизации.

Такая задача мэкет рассматриваться как вахне;№ая часть проблемы автсматизг' ии проектирования ЭС'Л

Цепи работы , на основе сказанного выше, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработка метода численной оптимизации многоэлементных систем высоковольтных газоизолированных электродов по

1 повышению электрической прочности и надежности.

2. Оптимизация ЭСУ по уменьшению влияния электромагнитных переходных процессов на срок службы элементов высоковольтной структуры.

3. Исследование воздействия электрического поля на элект; динамические процессы в системе колонна - лента транспортера зарядного устройства.

Методика исследования состоит: в применении численных методов расчета электрического поля длл исследования электрической прочности элементов высоковольтной структуры; в использовании закона преобразования масшта а в форме Моша -Ха-ушильда для оптимизации высоковольтной структуры;в численном анализе переходных процессов, возникающих в ЭСУ при пробоях газовых промежутков; в применении .теории устойчивости формы ■равновесия упругих систем по Эйлеру для анализа неустойчивости ленты транспортера зарядов.

Научная новизна работы состоит в том, что ь ней предложен новый универсальный метод оптимизации систем газоизолированных электродов на основе закон" преобразования масштаба, удобный для численных расчетов и имеющий более шире по сравнению с существующими методами, область применения. ВперЕые проведено численное моделирование электромагнитных переходных процессов при пробоях элементов высоковольтной структуры ЭСУ, с учетом реального распределения частичных еш Проведена численная оптимизация параметров емкостной защт Предложен эффективный метод борьбы с перенгпряжениямл в ЭСУ компэгеациэнньгл экран-И определены его па» аиетра с учете,

электрической прочности. Впервые получено выражение для критической скорости ленты зарядного устройства ЗСУ.

Практическая ценность полученных результатов и ви?я.рен'— результатов работы. Предложенный в работе метод оптимизации высоковольтной структуры систем газоизслирг-.-.-кыу. эяектродор сложной формы применен для оптимизации парагэг" ■ кондуктора, колонны, зарядного устройства и системы еыюзт-ной защиты ЭСУ на 2 МэВ ИГГФ АН Украины. По сравнении " лес-воначалшым вариантом прогнозируется увеличение эле.-сттдчес-кой прочности на 20-30 % при увеличении срока елуу'ь; чдвсе. Ведутся работы по внедрению результатов оптимизации.

.юлучено удобное в инженерных расчетах выражение z~.z. критической скорости ленты зарядного устройства.

Предлокенныэ критерии оптимизации могут прнменятьел пр;: создании систем автоматизации проектирования ускорителей прямого действия.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались:

- на J Всесоюзном совещании по электростатическим ускорителям С Обнинск, 1988 г.);

- на III Всесоюзной конференции по микроанализу на ионных пучках (Сумы, 1990 г.);

- на 10 Всесоюзном совещании по электростатическим ускорителям СОбнинск, 1991 г.};

- на научно - технических конференциях преподавателей, сотрудников и студентов СФТИ С Суш, 1991г. Сумы, 1992г.);

- на семинарах в ИПФ АН Украины;

- на семинарах СФТИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 132 страницы машинописного текста, в том числе 47 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 5S названий. Е конце каждой главы дастся коммента-

Автор защищает, представляя настоящую работу как диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико - математически;: кзук, следующие основные положения, изложенные

. . ;'ет-:д оптимизации для структур высоковольтного

ускорителя прямого действия на основе закона преобразования '•лп сигтаба

2. Методику численного расчета электромагнитных переходных процессов в ускорителях прямого действия.

2. Метод оптимизации высоковольтного ускорителя по краткости перенапряжений и надежности.

4. Метод борьбы с перенапряжениями в ускорителях прямого действия путем применения компенсирующего экрана.

Б. Методику расчета критерия устойчивости ленты зарядного устройства ускорителя Ван де Граафа.

С. Оптимизированную структуру высоковольтного ускорителя на 2 МэВ ИПФ АН Украины.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Б начале работы анализируется осноенко этапы развития истодов к.следования электрических полей в высоковольтных ускорителях. Анализ основных зтапоЕ развития методов расчета г.слей е высоковольтной структуре сСУ показывает , что происходят переход от аналитических методов и методов физического моделирования к численные. Особое влияние на рас^'ирониг- применения численных методоь окасало усложнение-

Оппсаны конкретные результаты совершенствования высоковольтной структуры, основанные на анализе распределения полей. Данные примеры подтверждают перслекг'лзкссть оптимизации распределения электрических полей в 5С7.

Ксмплекснс > исследование высоковольтной структуры возможно лишь с использованием пакетов прикладных программ, основанных на современных численных методах .

На современном этапе невозможно использовать условие минимума приведенных затрат (так как отсутствует методика их определения].

Далее рассмотрен метод оптимизации, основанный на расчете рабочего потенциала ускорителя. Недостаток метода с;стс.ит з том, что сн спирается на использование многих омппрических величин. Метод не вполне последователен, так как рабочий потенциал есть эмпирическая функция активных плоаадей я максимальных напряхенностей.

Затем рассмотрены методы расчета переходных лрсцессоа з ЗСУ. В литераторе фактически отсутствуют данные о комплексном исследовании перенапряжений зри пробое газовой изоляции. В основном при этом применяются аналитические методы. Применение искровых разрядников для защиты имеет ряд недостатков , а расчет емкостной запиты в настоящее время основан на прибяигенном расчете параметров простейшей лестничной эквивалентной схемы ускорителя я поэтому неточен. Таким образом, необходимо проведение комплексного расчета переходных процессов с целью оптимизации защиты от перена-пояхенну..

Рассмотрен расчет поля зарядной системы ЭСУ с учетом кЕазинезазисимости полей ленты и колонны. Применение статической модели позволяет лишь оценить мг..:сикальный прогиб ленты, без учета инерционных сил и без учета зависимости нагрузки от перемещения. Бопрсс ее! устойчивости ленты транспортера зарядов малоисследован. Достаточно остро стой! вопрос о необходимости оценги критерия устойчивости

тенты зарядной системы с учетом влияния электрического по? и движения ленты.

Б целом следует констатировать, что при исследовании лектрофкзических процессов в ЭСУ слабо используется методы : решения из областей, смежных с физикой и техникой ускорителей,

На ссновании имеющихся экспериментальных данных ".оказало, что вероятность пробоя газоизолированных струк-гуо высоказольтного ускорителя может быть описана законом преобргзовакия масштаба.

С учетом использования распределений Вейбулла и двойного экспоненциального получены выражения для вероятности, пробоя системы разных параллельно включенных газоизолиро-занных 'промежутков.

Предложено в качестве критерия оптимальности использовать величину вероятности пробоя (при напряжении, близком к пробивному). На основании выражения для вероятности пробоя системы параллельно включенных промежутков получен критерий оптимальности:

где х - приведенная напряженность на электроде; п - мода распределения; 7 - мера статистического разброса; интеграл берется по поверхности А всех электродов. Данный критерий имеет место, если в однородном поле справедлив двойной экспоненциальный закон распределения пробивных напряжений.

3 случае функции распределения Вейбулла:

Б

Тбк

где

0.5

v = С Т/р - 2о 21 гЪ/CíT pd} )

где Т - сила натяжения ленты, р - погонная масса, а - поверхностная плотность заряда ленты, d - расстояние между градиентными стержнями, Ь - ширина ленты, 1 - длина, е -диэлектрическая проницаемость.

Рассмотрен процесс свободных колебаний ленты. Получено уравнение свободных колебаний, которые лента совершает относительно квазистатического режима при возмущении.

Найдено выражение для собственной частоты колебаний. Установлено, что собственная частота зависит от скорости ленты и с>^ествует такая скорость, при которой собственная частота обращается в ноль. Выражение для этой скорости совпадает с полученным из квазистатического приближения значением критической скорости .

Описанная методика может с успехом применяться при расчете параметров зарядной системы ЭСУ. Ее отличает ;.ростота и наглядность.

Определено значение критической скорости ускорителя на 2 МэВ, проектируемого в ИПФ АН окраины.

На примере ЭГ-5-1 показано, что предлагаемый критерий дает соотношения между параметрами зарядной системы, соответствуовде наблодаемым на опыте.

Отметим основные результаты работы;

1. Разработана методика оптимизации газоизолирозанной высоковольтной структуры высоковольтного ускорителя на основе закона преобразования масштаба.

2. На основе расчета интегральных характеристик поля (частичных емкостей) проведен комплексный анализ .переходных процессов, имеювдх место при пробоях элементов высоковольтных структур. Предложены методы оптимизации ешостнс? запиты

3. Проведен анализ влияния электростатического поля на устойчивость л-Нты транспортера зарядов ЭСУ. Получено выражение для критической скорости движения ленты транспортера зарядов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Игнатьев И.Г., Пономарев А.Г.Расчет высоковольтных структур электростатического ускорителя для ядерного микроанализ а// Микроанализ на ионных пучках. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции. Сумы: 17-19 сентября 1990 г., С. 50.

2. Игнатьев И. Г., Пономарев А. Г. Расчет электростатического поля в высоковольтных структурах электростатического ускорителя. - Киев, 1990.-14 с. - СПрепр./АН УССР, Ин.-т металлофизики;12.90).

3. Игнатьев И. Г. Расчет коммутационных перенапряжений в электростатических ускорителях. - Сумы, 1991, - 16 с.-СЛрепр. /АН УССР, СОПФ ИМФ; 12. 913.

4. Игнатьев И.Г. Влияние электростатического поля на устойчивость движения транспортера зарядов ЭСУ// Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и студентов. СФТИ 1991 г.- Сумы, 1991.-С. 32.

5. Игнатьев И.Г. Итоги оптимизации газоизолированной высоковольтной структуры электростатического ускорителя на 2 MB// Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников к студентов СФТй 1992 г.-суш, 1232. - С. 53,

В. Игна'иеа И. Г. Влияние электростатического поля на устойчивость движения транспортера оарядоз электростатического ускорителя // Тьлшчесхая электродинамика

' 1232, ü 2. - С. 105-107.

7. Нгкггьоз II. Г. Яргплчэсй«.' скорость двзгаш:л кья.га тргп-

спсртера зарядов генератора Ван де Граафа// Современные проблемы прикладной фгэики, 19Й2, Киев.-С. 205-212.

8. Игнатьев И.Г. Метод оптимизации высоковольтной газоизолированной структуры электростатического ускорителя // Сборник трудов 10 Всесоюзного совещания по электростатическим ускорителям СОбнинск, 25-28 ноября 1991г.), Обнинск,1992.

9.Игнатьев И. Г. Расчет переходных процессов в электростатических и каскадных генераторах при коротком замыкании элемент з высоковольтной структуры /-'Техническая электродинамика.-1992, .4 6,- С. 103-103.