Наносекундные ускорители электронов и технологии на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

СОКОВНИН Сергей Юрьевич

НАНОСЕКУНДНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ И ТЕХНОЛОГИИ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург, 2005

Работа выполнена в Институт электрофизики УрО РАН Официальные оппоненты:

доктор технических наук старший научный сотрудник Н.В. Гаврилов

(Институт электрофизики УрО РАН электрофизики, г. Екатеринбург)

доктор технических наук профессор Ю.П. Усов (Томский политехнический университет, г. Томск)

доктор технических наук Г. Е. Ремнев, (Томский политехнический университет, г. Томск)

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники СО РАН

г. Томск

Защита состоится « 18 » октября 2005г. в «_» часов на заседании диссертационного совета Д 200.024.01 при Институте электрофизики УрО РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена 106, ИЭФ УрО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики УрО РАН Автореферат разослан « »_2005г.

Отзывы на автореферат, заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью

учреждения, прошу направлять по адресу:

620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена 106, ИЭФ УрО РАН

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор физико-математических наук Н. Н. Сюткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В течение последнего десятилетия произошел серьезный прогресс в создании частотных генераторов высоковольтных импульсов, связанный с открытием эффекта наносе-кундного обрыва тока высокой плотности в полупроводниковых диодах (далее названный БОБ-эффектом). Созданные на основе этого эффекта полупроводниковые прерыватели тока (ППТ) дали возможность разработать экспериментальные образцы частотных нано-секундных ускорителей электронов (НУЭ) (табл. .1), и поставить вопрос как о разработке самих ускорителей, пригодных для коммерческих применений в радиационных технологиях (РТ), так и о поиске таких приложений, которые позволят использовать достоинства НУЭ. Заметим, что сами характеристики ускорителя позволяют наметить круг приложений, а также каждое конкретное приложение существенно влияет на требуемые параметры и конструкцию ускорителя. Поэтому актуальной задачей является поиск таких РТ, которые позволят реализовать достоинства и нивелировать недостатки НУЭ.

Отметим, что из всех РТ широкое применение находит только радиационная стерилизация. Связано это с тем, что данная РТ практически незаменима во многих случаях в силу того, что конкурирующие виды стерилизации (термическая, химическая и др.) иногда принципиально невозможно использовать для некоторых материалов и изделий.

Важно, что во всем мире набирает силу тенденция использования в медицине и упаковке пищевых продуктов одноразовых изделий, большинство из которых изготавливают из нетермостойких материалов. Одновременно происходит ужесточение гигиенических нормативов. Обе эти тенденции расширяют рынок радиационной стерилизации, что позволяет оптимистично рассматривать будущее таких технологий и говорить об актуальности настоящей задачи.

Коммерческое использование ускорительной техники делает наиболее важными потребительские качества ускорителей, а именно дешевизну; простоту изготовления, ввода в эксплуатацию и обслуживания; надежность и долговечность - что говорит об актуальности научно-технической задачи создания ускорителей для РТ.

Целями диссертационной работы являлись:

♦ Создание прототипов наносекундных ускорителей электронов для коммерческих применений на основе схемы тиратрон - импульсный трансформатор - ППТ с энергией электронов до 1 МэВ и выходной мощностью в пучке до 1 кВт.

♦ Создание катодов для НУЭ, имеющих высокие эксплуатационные характеристики.

♦ Разработка технических решений для реализации эффективных схем облучения, прежде всего двухстороннего.

♦ Разработка основ конкретных радиационных технологий.

♦ Разработка простых и эффективных систем контроля параметров НЭП.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Для создания частотных наносекундных ускорителей электронов предложена и экспериментально проверена схема питания в составе: первичный источник высокого напряжения (ИВН) -тиратрон-импульсный трансформатор - ППТ. Показано, что применение тиратрона (псевдоискрового разрядника) в схеме формирования импульса высокого напряжения позволяет: увеличить рабочее напряжение и импульсную мощность в первом контуре схемы питания и за счет этого существенно упростить и удешевить конструкцию; дает возможность изменять среднюю мощность ускорителя в широких пределах посредством согласования мощности ИВН и частоты запуска тиратрона; изменения в широком диапазоне (до 40%) ускоряющего напряжения в соответствии с изменением зарядного напряжения.

2. Разработана и экспериментально проверена конструкция вакуумного диода, содержащего два промежутка катод-анод работающих одновременно и навстречу друг другу с равномерным распределением тока. Такой диод позволяет либо вдвое увеличить толщину облучаемых изделий, либо в 3-4 раза уменьшить неоднородность облучения по толщине облучаемого объекта.

3. Предложен и исследован металлокерамический катод, позволяющий в вакуумных диодах наносекундных ускорителей электронов до 2 раз повысить скорость нарастания тока и мощность ускорителя, понизить до 5% неоднородность распределения плотности тока на аноде и при ресурсе не менее 108 импульсов сохранить в пределах 10% стабильность параметров получаемого пучка электронов.

4. Исследовано влияние геометрии катодного узла на размер формируемого пучка электронов и длительность тока и напряжения вакуумных диодов с металлодиэлектрическим (МДМ) -катодом. Найдено, что расположение диэлектрической пластины в катодном

узле определяет сечение пучка электронов и позволяет им управлять, что обеспечивает возможность создания равномерной плотности тока на мишени для катодов большой площади. Установлена возможность использования МДМ-катода для укорочения длительности заднего фронта импульса.

5. Экспериментально показана существенно более высокая (на порядок) производительность генерации озона НЭП по сравнению с электронными пучками постоянного тока за счет выноса генерируемого озона в паузе между импульсами из зоны облучения.

6. Разработан способ радиационно-химической стерилизации (РХС), который состоит в создании условий, позволяющих использовать для стерилизации герметично упакованных изделий излучения, как самого электронного пучка, так и озона, возникающего внутри пакета при облучении.

7. Разработана дозиметрическая методика измерения эффективной энергии электронов на основе метода фильтров в геометрии узкого пучка, позволяющая независимо измерять энергию электронов в абсолютных значениях.

Научно-практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Разработан ряд частотных наносекундных ускорителей электронов типа УРТ для радиационных технологий с энергией электронов до 1 МэВ и средней мощностью НЭП до 1 кВт со схемой питания: тиратрон - импульсный трансформатор - ППТ.

2. Разработан МК-катод, позволяющий в вакуумных диодах наносекундных ускорителей электронов до 2 раз повысить скорость нарастания тока и мощность, понизить до 5% неоднородность распределения плотности тока на аноде и при ресурсе не менее 10 импульсов сохранить в пределах 10% стабильность параметров получаемого пучка электронов..

3. Разработан способ генерации озона НЭП, показана его конкурентоспособность по энергозатратам с традиционными способами.

4. Разработаны способ и технология стерилизации жидких пищевых продуктов в бескислородной атмосфере.

5. Разработан способ и технологии радиационно-химической стерилизации различных упакованных изделий.

6. Разработан способ и технологии радиационно-химической поверхностной стерилизации сыпучих материалов.

7. Разработан способ и на его основе технология радиационного стирания полупроводниковых микросхем памяти.

8. Разработана и экспериментально проверена дозиметрическая методика периодического контроля параметров пучка электронов на основе метода фильтров.

Вклад автора

В работе, представленной на защиту, автором внесен определяющий вклад, обусловленный постановкой задач исследования, планированием экспериментов, разработкой как всей конструкции, так и новых элементов, анализом результатов экспериментов, физическим и математическим моделированием процессов.

Реализация результатов работы

На основании документации и результатов испытаний ускорителя УРТ-0,5, переданных на ФГУП «Уральский электромеханический завод», выполнены опытно-конструкторские работы и выпущен опытный ускоритель. На основе его конструкции создан ускоритель УРТ-0,4, который был поставлен по контракту в «Chiyoda Technol Corporation» в «Japan Atomic Energy Research Institute» (Тагасаки, Япония).

Проведены эксперименты и находится в стадии заключения договор на поставку ускорителя УТР-0,5М в ЗАО «НИИХИТ-2», г. Саратов.

На основе ускорителя УРТ-1 разработан и заканчивается изготовление ускорителя УРТ-1М с вакуумным диодом в целях двухстороннего облучения для радиационной стерилизации одноразовой медицинской одежды на предприятии ООО «Здравмедтех-Е» в г. Каменск-Уральском.

Создан и утвержден в контролирующих органах Минздрава РФ «Технологический регламент процесса радиационной стерилизации игл атравматических с нитями хирургическими плетеными полиэфирными и полипропиленовыми условных номеров: 1; 0; 2/0; 3/0; 4/0; 5/0; 6/0 с одним или двумя наконечниками с круглыми или трехгранными остриями и игл атравматических с нитями полигликолидными рассасывающимися условных номеров: 4/0; 3/0; 2/0; 0 в полимерной упаковке производства ООО "Медин" на РТУ "Электронный стерилизатор" с импульсно-периодическим ускорителем электронов "УРТ-0,5" Института электрофизики УрО РАН»

Разработанная рентгеновская диагностика параметров электронного пучка применялась на генераторах тормозного излучения ВИРА-1,5 и ВИРА-2П, а также на генераторе ГИТ-4 в ИСЭ СО РАН, г. Томск.

Апробация результатов работы и публикации

Материалы работы докладывались на научных семинарах в Институте электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург; Институте сильноточной электроники СО РАН, г. Томск; кафедре экспериментальной физики ФТФ УГТУ-УПИ, а также на международных и национальных конференциях и симпозиумах: всесоюзных и международных симпозиумах по сильноточной электронике (Свердловск, 1990; Томск, 2000 и 2004), международных конференциях по мощным пучкам частиц (Прага, 1996; Хайфа, 1998; Альбукерке, 2002; Санкт-Петербург, 2004), международных конференциях по мощной импульсной технике (США, 1991, 1993, 1997, 1999), международной конференции по физике плазмы (США, 2001); международной конференции по пучковым технологиям (Дубна, 1995, Варна 2000 и 2003); Международном симпозиуме «Е1ес1хотеё-99» (США, 1999), Забабахинских чтениях (Снежинск, 2001 и 2003), международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 2003); Европейской конференции по передовым технологиям хранения и повышения качества продуктов "ЕиР0СЛБТ-200Г' (Берлин, 2001); международных выставках «Чистая вода России» (Екатеринбург, 1995, 1997, 1999 и 2001), всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующего излучения (Екатеринбург, 1997).

На разработки по теме диссертации получено 7 патентов РФ, материалы работы изложены в 42 публикациях.

Разработанная линия радиационно-химической стерилизации стала победителем и получила диплом первой степени и медаль на Первом окружном конкурсе «Лучший инвестиционный проект Уральского федерального округа».

Положения, выносимые на защиту:

1. Применение тиратрона (псевдоискрового разрядника) в схеме питания частотных наносекундных ускорителей электронов с полупроводниковым прерывателем тока позволяет увеличить рабочее напряжение и импульсную мощность в первом контуре схемы питания и за счет этого упростить и удешевить конструкцию.

2. Ряд частотных наносекундных ускорителей электронов типа УРТ с энергией электронов до 1 МэВ и средней мощностью в пучке до 1 кВт для использования в радиационных технологиях.

3. Металлокерамический катод, позволяющий до 2 раз повысить скорость нарастания тока и мощность ускорителя, понизить до 5% неоднородность распределения плотности

тока на аноде и при ресурсе не менее 108 импульсов сохранить в пределах 10% стабильность параметров получаемого пучка электронов.

4. Вакуумный диод, содержащий два промежутка катод-анод работающих одновременно и навстречу друг другу с равномерным распределением тока, позволяющий либо вдвое увеличить толщину облучаемых изделий, либо в 3-4 раза уменьшить неоднородность облучения по толщине облучаемого объекта.

5. Способ генерации озона позволяющий, за счет вывода озона из зоны пучка в паузе между импульсами, обеспечить высокую производительность и конкурентоспособные с другими методами генерации озона энергозатраты, в пределах 10-12 кВтч/кг озона, без предварительной подготовки воздуха.

6. Способ и технология радиационно-химической стерилизации поверхностей упакованных изделий, которые за счет создаваемого в пакетах озона, позволяют существенно (до 2 раз) снизить поглощенную дозу для обеспечения поверхностной стерилизации изделий и сократить затраты энергии на стерилизацию.

7. Дозиметрическая методика на основе метода фильтров для измерения параметров НЭП, позволяющая периодически контролировать параметры ускорителя в течение технологического процесса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Рассмотрены вопросы особенностей НЭП как вида ионизирующего излучения, их достоинства и недостатки. Показано, что НЭП имеют:

• Имеют существенно более сильное биологическое воздействие (не менее чем вдвое при равной поглощенной дозе), чем электронные пучки постоянного тока.

• Могут быть сформированы именно того размера, который требуется исходя из размеров объекта облучения, что исключает энергозатраты на сканирование пучка.

• Для формирования НЭП используют катоды, не требующие дополнительных источников энергии, для нагрева или создания плазмы, и высокого вакуума для работы, легко выдерживают даже ударные разгерметизации.

НЭП имеют и недостатки. Самым серьезным из них является их немоноэнергетич-ность. Вызвано это тем, что в спектр НЭП включаются электроны, формирующиеся на фронте и спаде импульса напряжения.

Главные преимущества РТ состоят в воздействии на атомы вещества. Это позволяет получать требуемый эффект при нормальных условиях (например полимеризация без повышенной температуры и при нормальном давлении), обеспечивает существенную (в разы!) экономию энергии на проведение процесса (полная стерилизация осуществляется практически мгновенно при изотермическом нагреве изделия примерно на 4оС) и возможность проведения нескольких процессов одновременно технологий (сополимеризация на поверхности полимерных пленок). РТ имеют и недостатки радиационных процессов, которые состоят в повышенной опасности для обслуживающего персонала с высоким уровнем квалификации; дороговизне источников радиации, многофакторности воздействия (например стерилизации и деструкции).

Таблица 1. Параметры разработанных в ИЭФ УрО РАН генераторов _ и ускорителей электронов с использованием ^ 1ШТ_

Установка Система сжатия импульса и, кВ W, Дж Ти, нс Частота следования импульсов, Гц

Сибирь ПТСК 1000 300 100 150

СМ-1 ПТСК 200 6 40 50 (300)**

СМ-1Н ПТСК 250 8 24 100 (1000)-постоянно

СМ-2Н ПТСК 140 0,8 32 1000 (5000)

СМ-3Н ПТСК 450 10 40 300 (2000)

СМ-4Н ПТСК 150 0,9 18 10 (100)

С-5Н ПТСК 1000 60 50 500 (1000)

Б/н ПТСК 5001000 45 40-60 300 (850)

Б/н Тиратрон+ППТ 40-80 не дано 20-70 100

Малахит* ПТСК 250 3 50 300 (3000)

Технологи- ПТСК 350 7 25 100

ческий*

Контроль ПТСК 30-120 0,2 15-20 100 (10 000)

УРТ-0,2* Тиратрон+ППТ 200 1,75 35 250

УРТ-0,5* Тиратрон+ППТ 500 6,25 50 200

УРТ-1* Тиратрон+ППТ 900 25 60 50

Б/н* ПТСК 400 7 40 200

Примечание: *-ускорители; ** - в скобках значения для режима пачки импульсов; ПТСК -установка с полностью твердотельной системой коммутации; и - максимальное или ускоряющее напряжение; Ж - энергия в импульсе на нагрузке (в пучке электронов);Ти, -длительность импульса на полувысоте; Б/н - без названия.

Во введении указаны достоинства и недостатки различных источников излучения, используемых для РТ, рассмотрены критерии задания пределов энергий электронов для НУЭ исходя из возможных областей применения. Показан подход к определению мощности пучка электронов исходя из технической сложности формирования пучка и экономи-

ческой эффективности. Приведены характеристики генераторов и ускорителей с использованием ППТ (Табл. 1). Во введении также сформулированы задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

1. Наносекундные ускорители электронов для радиационных технологий 1.1. Наносекундные ускорители электронов

Рассмотрены основные типы ускорителей нашедшие применение в РТ - ускорители постоянного тока и линейные ускорители, показаны их параметры, достоинства и недостатки, главный из недостатков - высокая стоимость.

Проанализированы схемы построения НУЭ, показано, что несмотря на наличие большого числа имеющихся типов НУЭ данный класс ускорителей не имел серьезных перспектив в РТ до создания ускорителей с системой питания, основанной на использовании ППТ (SOS -диодов1).

1.2. Описание механизма работы полупроводникового прерывателя тока

На основе литературных данных описан механизм работы SOS -диодов. Механизм основан на создании электронно-дырочной плазмы во время прямой накачки, когда р-п-переход включен в прямом направлении и под действием возникающего электрического поля дырки из р-области дрейфуют в базу диода, а электроны из n-области перемещаются в обратном направлении и постепенно заполняют р-область структуры. Во время обратной накачки плазма изменяет направление своего движения и начинает возвращаться к плоскости р-п-перехода. Обрыв тока определяется процессами в узких высоколегированных слоях р-р-п-п-структуры, свободных от избыточной плазмы, это и приводит к сочетанию высокой плотности обрываемого тока и наносекундному времени его отключения.

1.3. Применение полупроводниковых прерывателей тока

На основе литературных данных, приведены и проанализированы основные схемы включения ППТ и пути предварительного сжатия энергии; сделан вывод, что схема тиратрон-импульсный трансформатор (ИТ) -ППТ наиболее целесообразна для построения схем питания НУЭ с энергией электронов до 1 МэВ и средней мощностью в пучке до нескольких кВт.

1Рукин С.Н. . Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока //ПТЭ. 1999. № 4. С.5-36.

К достоинству схемы можно отнести ее относительную простоту и меньшие габариты (в 1,5-2 раза по сравнению с магнито-тиристорными генераторами [83]). Она не содержит взаимосвязанных контуров магнитного сжатия энергии, что существенно упрощает настройку и ремонт, делает ее пригодной для серийного производства.

Главный недостаток схемы состоит в том, что она содержит тиратрон (псевдоискровой разрядник-тиратрон с холодным катодом), который имеет существенно более низкий ресурс (500-1000 ч), чем остальные элементы схемы. Однако это относительно недорогой прибор, выпускаемый промышленностью в больших количествах, и его применение оправданно в схемах питания ускорителей, которые всегда содержат другое электровакуумное устройство с низким ресурсом - вакуумный диод.

1.4. Расчет схем питания НУЭ с полупроводниковыми прерывателями тока Показано, что основными исходными данными к расчету схемы питания НУЭ по схеме тиратрон-ИТ-ППТ являются требуемая величина ускоряющего напряжения и средняя мощность. Исходя из толщины конкретного изделия, его упаковки или слоя материала (рассмотрено в главах 4 и 5), которые необходимо облучить, находится эффективная энергия электронов Ее с учетом их проникающей способности. Амплитуда же ускоряющего напряжения должна быть на 10-15% выше. Средняя мощность определяется исходя из требуемой поглощенной дозы, сменности работы и требуемой производительности. 1.5. Описание ускорителей для радиационных технологий (УРТ) 1.5.1. Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,2 Частотный НУЭ с ускоряющим напряжением до 200 кВ (УРТ-0,2) разработан для проверки возможности создания системы питания ускорителя по схеме тиратрон-ИТ-ППТ. Выбранное относительно небольшое значение ускоряющего напряжения 200 кВ позволяло минимизировать риск и создать ускоритель, пригодный для РТ в газах, на поверхности изделий и для тонких пленок.

Схема ускорителя УРТ-0,2 приведена на рис. 1, на ней не показаны схемы запуска и питания накала тиратрона (Л1, ТГИ1-1000/25). ИТ намотан на сердечнике К125*75*25 мм3 из пермаллоя 50НП толщиной 10 мкм. Коэффициент трансформации равен 6, индуктивность рассеяния составляет ~0,7 мкГ.

Вакуумный диод ускорителя работает на форвакууме при давлении около 10-2 Торр. В ускорителе используется многоточечный металлодиэлектрический (МДМ) катод [58] размером 200*20 мм2. Для вывода пучка вакуумный диод имеет выпускное окно размером 250*40 мм2, закрытое алюминиевой фольгой толщиной 50 мкм.

Ускоритель работает следующим образом (см. рис. 1). Источник высокого напряжения (ИВН) заряжает конденсатор прямой накачки Со =10,2 нФ. Блок управления (БУ) формирует импульс запуска тиратрона, частота подачи управляющих импульсов определяет частоту работы ускорителя Г Конденсатор С0 разряжается на первичную обмотку трансформатора, происходит зарядка конденсатора обратной накачки С1 =257 пФ с одновременной накачкой током ППТ (из диодов СДЛ-1600-0.4)в прямом направлении. По окончании зарядки сердечник трансформатора насыщается и происходит разряд С1 в контуре с ППТ. При достижении значения тока, близкого к максимуму, ток в контуре прерывается и формируется импульс напряжения, который прикладывается к вакуумному диоду. На МДМ-катоде в тройных точках происходит поверхностный разряд и из образующейся плазмы идет эмиссия электронов. Электроны ускоряются приложенным напряжением и через фольгу выходят в атмосферу.

Ускоритель с ППТ на диодах СДЛ работает с частотой до Г=125 Гц .В дальнейшем для снижения потерь сердечник ИТ был выполнен из трех колец К125*75*10 мм3 из пермаллоя 50НП толщиной 10 мкм, а ППТ из двух последовательно включенных БОБ-диодов (разработанных в лаборатории д.т.н. С.Н. Рукина). После этой доработки ускоритель обеспечивал параметры, указанные в табл.1.

1.5.2 Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,5 Целью создания ускорителя УРТ-0,5 было развитие схемы тиратрон-импульсный трансформатор-ППТ в область больших напряжений для расширения возможных областей применения, пригодного для использования в РТ в слоях толщиной до 0,12 г/см2. Принципиальная схема ускорителя не изменилась. ИТ намотан на сердечнике из двух колец К374*305*25 мм3 из пермаллоя 50НП толщиной 20 мкм. Коэффициент трансформации равен 10, индуктивность рассеяния составляет около 1 мкГ. Емкость конденсаторов контура С0 =49,3 нФ, С1 =380 пФ. ППТ состоит из двух параллельных ветвей по

Рис. 1. Принципиальная схема ускорителя серии УРТ: ТТ- измерительный трансформатор полного тока, ОДН и ЕДН -омический и емкостной делители напряжения

Рис. 2. Схема конструкции ускорителя УРТ-0,5

четыре диода СДЛ 16000.4, включенных последовательно. Схема формирования высоковольтного импульса и вакуумный диод погружены в трансформаторное масло и размещаются в металлическом корпусе диаметром 500 и длиной 900 мм с водяной рубашкой для охлаждения (рис.2). Вакуумный диод ускорителя ра-

ботал при давлении около 10-4 Торр, которое создавалось диффузионным вакуумным агрегатом АВП 100/100. Агрегат был заменен насосом АВР-50, который обеспечивал давление в вакуумном диоде около 10-3 Торр. Использование этого насоса существенно упростило подготовку ускорителя к работе и одновременно исключило возможность аварии вакуумного насоса при ударной разгерметизации, например при случайном разрыве выходной фольги, что весьма возможно при длительной работе.

Для вывода пучка в вакуумном диоде сделано окно диаметром 100 мм с алюминиевой опорной решеткой с прозрачностью 85 %. На решетку в два слоя укладывалась выходная алюминиевая фольга толщиной 15 мкм. По периметру решетки имеется круговой канал для водяного охлаждения. В режиме генератора тормозного излучения для конверсии электронов в тормозное излучение использовалась фольга из тантала толщиной 100 мкм, которая устанавливалась перед выходной фольгой.

На ускорителе достигнуты парамет-

Рис. 3. Осциллограммы тока пучка (I), напряжения на вакуумном диоде (и) и импульса тормозного излучения (Р) при расстоянии катод-анод ё=100 мм

ры, указанные в табл. 1. Средняя мощность в электронном пучке достигала 1 кВт. Характерные осциллограммы приведены на рис.3. Для контроля электрических измерений, было выполнено измерение эффективной энергии электронов Ее по дозиметрической методике (см. главу 6) и получено хорошее совпадение Ее=486 кэВ с измененным напряжением на вакуумном диоде U=452 кВ в этом режиме.

Отметим, что параметры ускорителя в одном из режимов измерялись в компании «Chiyoda Technol Corporation» (Токио, Япония), с использованием фирменных детекторов и методики, основанной на построении кривой ослабления в материале детектора фирмы «GEX Corporation». По данным измерений эффективная энергия спектра составляла 441 кэВ, в то время как по результатам электрических измерений ускоряющее напряжение в этом режиме составляло 430 кВ.

Установлено, что ускоритель устойчиво работает при частоте до 200 Гц, однако при длительной работе (более 30 мин) на частоте более 150 Гц происходит перегревание трансформаторного масла в формирующем элементе, что говорит о недостаточной эффективности охлаждающей системы и требует перехода на проточную систему охлаждения в этих режимах работы. На ускорителе выполнена проверка управления ускоряющим напряжением путем изменения зарядного напряжения от ИВН. Результаты экспериментов показали, что выходное напряжение изменяется пропорционально зарядному, а диапазон управления составляет не менее 40%.

Установлено, что за счет введения схемы рекуперации потери энергии уменьшины на 10%, при этом значение индуктивности Lp=10,2 мкГн (см. рис. 1.). Кроме того, применение схемы рекуперации дало дополнительный эффект увеличения стабильности работы

ускорителя, особенно в режиме однократных импульсов. Этот эффект связан со стабилизацией режима перемаг-ничивания сердечника ИТ за счет тока рекуперации.

При настройке ускорителя УРТ-0,5 возникли пробои между верхними витками вторичной обмотки ИТ по по-

Рис. 4. Кривые ослабления пучка электронов верхности диэлектрического каркаса. при разных величинах индуктивности Ьдо„, мкГн Для облегчения режима работы изоляции ИТ в контур с ППТ был введен дополнительный соленоид Lд0п. Индуктивность соле-

ноида (Ьдоп =9,3 мкГн) оптимизирована экспериментально по критерию максимума выходного напряжения. Увеличение амплитуды импульсов ускоряющего напряжения подтверждено измерениями распределения поглощенной дозы электронного пучка в алюминии, проводившимися с помощью дозиметрических пленок типа ЦДП-2-Ф2, которые показали значительное увеличение проникающей способности электронов (рис. 4).

1.5.3 Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-1

Принципиальная схема ускорителя УРТ-1 осталось прежней. Индуктивность дополнительного соленоида (Ьдоп=6,4 мкГн) оптимизирована экспериментально (рис.5). ИТ намотан на сердечнике из трех колец К650*470*25 мм3 из пермалоя 50НП толщиной 20 мкм. Коэффициент трансформации равен 10, индуктивность рассеяния составляет Ь8=0,8 мкГ. Емкость конденсатора С0 =84,1 нФ, конструктивно емкость выполнена в виде 15 параллельных секций по два включенных последовательно конденсатора К15-10-40кВ-0,01мкФ. Емкость С1 =650 пФ, конструктивно она состоит из четырех параллельных секций по 28 включенных последовательно конденсаторов КВИ-3-12кВ-6800пФ. Для коммутации использовался тиратрон Л1 с холодным катодом ТП2-10к/50, работающий в режиме с заземленным катодом.

ППТ конструктивно состоит из четырех параллельных ветвей по семь диодов СДЛК 0,4/125, включенных последовательно. Схема формирования высоковольтного импульса и вакуумный диод погружены в трансформаторное масло и размещаются в металлическом корпусе квадратного сечения (сторона 900 мм) высотой 1300 мм с водяной рубашкой в верхней части для охлаждения. Для вывода пучка вакуумный диод имеет выпускное окно диаметром 170 мм.

На ускорителе достигнуты с параметры, указанные в табл.1. Расчеты по дозиметрической методике показывают несколько большее значение энергии электронов (0,9-1 МэВ), чем электрические измерения.

200 0 -200 41 -400 -600 -800 -1000

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

мкс

Рис. 5. Напряжение на вакуумном диоде при различных значениях индуктивности соленоида

0 -6.4м -•-10.2

кГ

мкГ

1.6. Вакуумный диод для двухстороннего облучения 1.6.1. Введение

На основе литературных данных показано, что наиболее выгодно выполнять облучение изделий с двух сторон, что позволяет снизить неоднородность облучения и увеличить толщину облучаемого изделия. Как правило, двухстороннее облучение объектов достигается либо посредством использования двух ускорителей, либо специальной системы развертки пучка. Однако подобные решения требуют использования двух ускорителей, что дорого, либо неприменимы к НЭП из-за сложности создания системы развертки.

1.6.2. Описание установки и методики экспериментов Решение состояло в следующем: к общему катододержателю подсоединялось два дополнительных плеча, позволяющих разместить на концах напротив друг друга два катода, а корпус вакуумного диода содержал два окна-анода друг напротив друга между катодами для вывода пучков электронов (рис.6)

Работа вакуумного диода для двухстороннего облучения экспериментально проверена на ускорителе УРТ-0,5. Для исследования срабатывания катодов использовалась оптическая схема (рис. 6). Сигнал с телекамеры УБС-701 вводился в персональный компьютер и обрабатывался программой ОБС-16. Суть люминесцентно-телевизионной методики сво-

Рис.6. Схема вакуумного диода для двухстороннего облучения (слева) и оптическая схема (слева, вид снизу):1 - катододержатель, 2 - катоды, 3- окна для вывода пучка, 4 - корпус, левое -5 и правое -6 плечи, облучаемый объект -7. 8 -люминофоры, 9 - непрозрачный экран,10 - телекамера.

дится к тому, что если пучки электронов генерируются левым и правым катодами в течение одного импульса, то свечение от обоих люминофоров попадает в один кадр телесигнала, если ускоритель работает на частоте, существенно меньшей, чем телекамера (50

Гц). Для измерения количественных различий излучения при работе левого и правого катодов использовался дозиметрический метод.

1.6.3. Результаты экспериментов и выводы Характерные осциллограммы полного тока пучка и напряжения на вакуумном диоде для двухстороннего диода были близки к результатам, полученным на ускорителе УРТ-

0,5 с одним диодом. Распределение поглощенных доз показано на рис. 7. Свечение люминофоров от электронных пучков было без пропусков и близким по интенсивности. Результаты дозиметрии показали, что в пределах погрешности измерений (15%) оба катода работают одинаково, отпечатки пучков практически подобны. Результаты экспериментов показали наличие большого

запаса по вакуумной изоляции диода для Рис. 7. Распределение поглощенной дозы

внутри объекта для ускорителя УРТ-0,5 двухстороннего облучения, поэтому выпол-

при одностороннем (ё=90 мм) и двухсто- нена успешная экспериментальная проверка роннем облучении (ё1=ё2=90 мм)

возможности работы ускорителя УРТ-1 с имеющейся конструкцией двухстороннего диода. На конструкцию вакуумного диода для двухстороннего облучения получен патент РФ.

1.7. Выходное окно ускорителей При применении ускорителей в РТ необходим вывод электронного пучка в атмосферу или другую облучаемую среду. Известно, что прорыв выходной фольги по разным причинам вызывает проникновение атмосферы в вакуумную камеру и неблагоприятное воздействие на насосы вакуумной системы. Для исключения подобного нами предложено и запатентовано решение выходного окно ускорителя, состоящего их двух фольг с давлением между ними ниже атмосферного, но выше, чем в вакуумной камере. Это давление контролируется измерительно-сигнальным блоком, который выдает сигнал тревоги при изменении давления в зазоре между фольгами.

1.8. Выводы по главе 1 Создан ряд частотных ускорителей электронов (табл. 1.). Появилась возможность выбора наносекундного ускорителя, исходя из требований конкретной технологии. Причем

Хмкм Л!

данные ускорители как модули, работающие синхронно, при необходимости можно объединять в более мощные системы.

Разработана и экспериментально проверена конструкция вакуумного диода для двухстороннего облучения, использование которого приводит к существенному улучшению равномерности распределения поглощенной дозы в материале облучаемого объекта.

2. МДМ-катоды для наносекундных ускорителей электронов

2.1. Введение

На основе анализа литературных данных показано, что существующие металлоди-электрические катоды (МДМ) имеют в основном требуемые характеристики. Принцип их действия основан на использовании эмиссии электронов из плазмы незавершенного импульсного разряда по диэлектрику в вакууме. МДМ-катод (метал-диэлектрик-метал) представляет собой пластину диэлектрика, к которой плотно прижималась металлическая сетка или гребенка.

К моменту начала работы имелись некоторые данные по совместной работе схемы формирования импульса с ППТ и вакуумного диода с МДМ-катодом, поэтому целесообразно было продолжить эти исследования, чтобы установить характер изменения импеданса вакуумного диода с МДМ-катодом, а также размер и структуру формируемого пучка электронов.

2.2. Исследования элемента МДМ-катода на ускорителе УРТ-0,2 2.2.1 Описание эксперимента

Катоды больших размеров состоят из набора определенным образом расположенных на катододержателе однотипных элементов, изменяя расположение и количество которых, можно изменять размеры электронного пучка. Для МДМ-катода единичным элементом является тройная точка, которая создается различными способами. Эксперименты проводились на модельном катоде (рис.8). Исследовалось влияние промежутка катод-анод А и расстояния В, на которое диэлектрическая пластина 2 вдвигалась в промежуток катод-анод (за срез катододержателя 1). С каждой стороны диэлектрической пластины имелась бронзовая гребенка 3 с пятью зубьями, утопленная от кромки катододержателя на расстояние С.

Рис.8. Конструкция катода

Рис.9. Отпечатки пучка на детекторе (у отпечатка А=10 мм, В=0, половина детектора прикрыта алюминиевой фольгой толщиной 50 мкм)

20

40

нс 60

40

со

0^

-40 ' -80 -120 -160 -200

Рис.10. Форма ускоряющего напряжения для расстояния катод-анод А = 10 мм при различных значениях В

2.2.2. Экспериментальные данные

В процессе экспериментов установлено, что неустойчивая работа катода начинается при величине В= -3 мм (т.е. еще внутри катододержателя). Катод начинает работать устойчиво при значениях В в диапазоне от -3 до 0 мм при относительно низком вакууме. Отпечаток пучка на дозиметрической пленке - круг, диаметр которого пропорционально увеличивается при увеличении промежутка катод-анод А (рис. 9). При дальнейшем выдвижении диэлектрической пластины в промежуток катод-анод (при фиксированном его значении) происходит уменьшение напряжения на диоде и и импеданса диода, при этом отпечаток пучка на дозиметрической пленке становится эллипсом (см. рис.9). Большая ось эллипса параллельна плоскости диэлектрической пластины, по боковым поверхностям которой идет разряд. На отпечатке пучка хорошо видны локальные неоднородности, связанные с образом каналов разряда с зубьев гребенки (рис.9), которые сглаживаются при увеличении расстояния анод-катод.

Когда значение В становится более половины величины промежутка катод-анод А, происходит срезание заднего фронта импульса, а импеданс вакуумного диода возрастает (рис. 10). Скорость полученного среза фронта импульса может

быть очень большой, в экспериментах полученное время фронта ограничивалось временным разрешением канала регистрации (7 нс). Укорочение импульсов возможно более чем вдвое.

Выполненое изменение расположения точек контактов показало, что при фиксированном В изменение С заметно не влияет на параметры вакуумного диода. В большинстве экспериментов С=3,5 мм.

На основе полученного опыта создан катод, содержащий восемь контактных элементов с шагом 25 мм, что исключает их влияние друг на друга. Экспериментально проверена возможность формирования практически любого профиля пучка электронов.

2.3. Исследования свечения плазмы МДМ-катода

Приведены результаты исследования свечения плазмы МДМ-катода в экспериментах на ускорителе УРТ-0,5. Показано, что существенное свечение плазмы (регистрируемое ФЭУ) появляется не на фронте, а на спаде тока, в момент начала пробоя вакуумного промежутка катод-анод.

2.4. Выводы по главе 2

Установлено, что МДМ-катод может устойчиво работать при относительно низ-

2 3

ком вакууме ~10" -10" Торр, при уровне напряжений до 500 кВ и частоте до 250 Гц. Небольшое относительно расстояния катод-анод выдвижение диэлектрической пластины в промежуток катод-анод приводит к более устойчивому образованию плазмы на катоде при низком вакууме.

Установлено наличие локальных неоднородностей распределения тока на аноде, связанных с образом каналов разряда с зубьев гребенки, которые сглаживаются при увеличении расстояния катод-анод.

Установлена возможность использования МДМ-катода для изменения длительности НЭП, которое происходит за счет укорочения длительности заднего фронта, связанного с пробоем вакуумного диода.

3. Металлокерамические катоды для вакуумных диодов

3.1. Введение

Главным недостатком МДМ-катодов является ограниченность числа точек эмиссии, что приводит к эрозии поджигающих электродов и диэлектрика под ними, а также неоднородности распределения тока на выходной фольге вакуумного диода (наличие образов разрядных каналов) особенно при малых расстояниях катод-анод.

Нами предложен металлокерамический (МК) катод, представляющий собой композит, в керамической матрице которого равномерно по объему распределены сферические металлические частицы. Результаты исследований эмиссионных характеристик, конструкции и анализ полученных результатов для МК-катодов представлены в данной главе.

3.2 Описание конструкции МК-катодов В первых экспериментах использовалась конструкция МК-катода (рис. 11), представляющая собой металлокерамическую пластину 2 диаметром 12 мм и толщиной 2 мм

(кромка пластины шлифовалась, Ь = 10 мм), приклеенную ребром к катододержателю. Для улучшения контакта в клей добавлялся медный порошок. Позднее конструкция МК-катода была усовершенствована МК-пластина вставлялась в специальный пружинный зажим (цангу), для улучшения контакта край пластины оборачивался фольгой из индия.

МК-пластины были изготовлены по специально разработанной технологии в лаборатории импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН. Сферические частицы (диаметром 26 мкм в первых экспериментах, а затем и другого размера) из стали 12Х18Н10Т были достаточно равномерно распределены (рис.12) в диэлектрической основе из нанопорош-ков Л120з с удельной поверхностью 80 г/м2. Все порошки получены методом электрического взрыва проводников. Порошки с заданным массовым соотношением перемешивались в изопропиловом спирте ультразвуком, с одновременным выпариванием до смета-нообразного состояния. После этого смеси сушились и перемалывались в дисковой мельнице. Полученная смесь компактировалась электродинамическим способом и спекалась в лаборатории прикладной электродинамики ИЭФ УрО РАН. Использование нанопо-рошков диэлектрической основы позволило получить

Рис.11. Конструкция МК-катода (две проекции): 1-катододержатель, 2 - керамическая пластина; 3 - анод

Рис. 12. Поверхность МК-пластины

равномерное обволакивание металлических частиц частицами основы, существенно сни-

зить температуру спекания и избежать плавления металлических частиц. В результате были получены пластинки наноструктурной керамики с достаточно равномерно распределенными в её объеме и на поверхности металлическими частицами, вокруг каждой металлической частицы на поверхности образуется крупнозернистая структура с порами и трещинами. Плотность частиц на поверхности в первых экспериментах составляла ~4300

3.3. Постановочные исследования МК-катодов

Для проведения экспериментов использовался ускоритель электронов УРТ-0,5. Расстояние катод-анод ё изменялось в диапазоне 10-90 мм, во всех случаях оптических измерений ё=47 мм (рис. 11). Обработка по-

30

25

м 20

о

т 15

<

10

5

0

—•— 10 мм

40 мм

-1-1-1- \

0 20 40 60 80 100 120 Х, мм

Рис.13. Интегральное распределение тока пучка электронов на анод при различных расстояниях й

лученных осциллограмм позволила установить, что имеется временная задержка 1;з между приходом импульса напряжения и началом импульса тока. Установлено, что 1;з не изменяется в интервале расстояний катод-анод, ё = 30^90 мм, и составляет ~ 30 нс. Применение МК-катода приводит к увеличению скорости нарастания тока пучка электронов и выходной мощности ускорителя. Установлено также, что при постоянной скорости нарастания напряжения ёИ/ёг ~ 5*1012 В/с величина ё1/ёг достигает 3*1010 А/с, а скорость нарастания мощности при этом составляет ёР/ёг ~ 2*1015 Вт/с, тогда как с МДМ-катодами мы не получили ё1/ёг > 5*109А/с и ёР/ёг > 2,5*1013 Вт/с.

Дозиметрические измерения показали высокую равномерность распределения тока на аноде (рис. 13).

3.4. Обсуждение результатов экспериментов с МК-катодом

Исходя из среднего расстояния между частицами « 10 см, следует, что частицы электростатически независимы. Время задержки тока составляет « 3-10" с. В этой стадии величина тока мала и может быть обусловлена токами смещения в МК-пластине за счет достаточно высокой скорости нарастания напряжения. Резкий рост тока подразумевает одновременное возникновение проводящей среды (плазмы) на поверхности МК-пластины, которая обеспечивает высокую эмиссионную способность катода.

Так как токи смещения не могут обеспечить разрушения конденсированных сред до плазменного состояния и невозможна термоавтоэлектронная эмиссия с металлических частиц на поверхности МК-пластины, поскольку металлические частицы электрически изолированы в зарядовом отношении, то естественно предположить, что возникновение плазмы обусловлено развитием газового разряда в микропорах между диэлектриком и металлом. Плазма, образующаяся в микропорах, выходящих на поверхность МК-пластины, может обеспечивать необходимую эмиссию электронов и электрический контакт с металлическим катододержателем.

Микропоры возникают в процессе приготовления МК-пластин за счет различия в температурных коэффициентах линейного расширения (для стали 12Х18Н10Т тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) равен при 1300К и

при 373К, а для АЬОэ - 9,8-10"6 при 1400К и 8,1*10-6 К-1 при 400К).

При остывании спеченной металлокерамики между металлическими частицами и керамикой возникают микропоры, заполненные газом, который и будет рабочим телом для образования плазмы при достижении на поверхности металлических частиц необходимой напряженности электрического поля. Поперечные размеры микропор можно оценивать как 10"6-10"5см, напряженность поля Е3 ~ 6*105 В/см, концентрацию газа 1019 - 1020 см-3.

3.5. Расширенные исследования свойств МК-катодов Далее исследовалось влияние состава МК-пластины на свойства МК-катода. Для этого изменялся размер металлических частиц Б, их среднее количество на единице поверхности п, а также материал основы (табл. 2).

Для всех типов МК-катодов практически всегда имеется временная задержка 1;з начала тока в диоде относительно напряжения (рис. 14). Видно, что характер изменения 1;з от расстояния катод-анод ё (расстояние от кромки керамической таблетки высотой И до плоскости анода - см. рис.11) остается одним и тем же: в области ё < 30 мм время задержки нарастает с увеличением ё, в области же ё > 30 мм 1;з практически не изменяется с изменением ё для всех типов исследованных катодов, что подтверждает наличие эффекта полного напряжения, обусловленного как геометрией электродов, так и десорбцией газа,

Таблица 2. Исследованные типы МК-катодов

№ катода Керамика о, мк м п, шт/см2

1885 1886 1887 АЬОэ 9 1900

1888 1889 1890 АЬОэ 9 40000

11-1 АЬОэ 26 4700

1891 1892 1893 Т1О2 9 4020

1327 А1203+ М§0 нет нет

особенно из микрополостей.

Для Л120з (в = 9,6) керамики ^ слабо увеличивается с ростом плотности частиц на поверхности МК-катода (№ 1885 и № 1888, табл. 3) и практически не зависит от размера частиц (№№ 1885, 11-1). При изменении же типа керамики на ТЮ2 (в = 170) ^ возросла почти в 2 раза ( № 11-1, и № 1891). Это показывает коренное отличие рассматриваемого процесса от разряда вдоль поверхности диэлектрика в вакууме, где напряжение зажигания разряда и задержка появления тока разряда уменьшаются с ростом диэлектрической проницаемости и увеличением относительной высоты диэлектрической пластины в вакуумном зазоре.

Правильный выбор момента подключения нагрузки на этапе быстрого роста импеданса прерывателя позволяет улучшить условия его работы и увеличить выходную мощность. Время обрыва тока используемого ППТ лежит в пределах т=30 нс, увеличение приводит вначале к росту выходной мощности, а затем к ее уменьшению (см. табл. 3), когда Ъз>т. В последнем случае максимум мощности дости-

Рис. 14. Временная задержка между приходом импульса напряжения и началом импульса тока для МК-катодов разного состава от й

т

£

со

-150

-350

-450

-250

и

№1891 №1888 МОМ

Рис. 15. Напряжение и мощность в электронном пучке для различных МК-пластин и МДМ-24 катода

гается на заднем фронте напряжения (см. рис. 15). Наблюдается практически линейная зависимость кпд передачи энергии от 1;з (см. табл. 3). Однако для МК-пластины №1891, где 1;з>т., повышение кпд достигается за счет увеличения доли низкоэнергетичных электронов, формируемых на заднем фронте напряжения.

Максимум мощности ускорителя Рм достигается при МК-катодах типа №1888-1890 (см. табл. 2) и в 2 раза превышает значение Рм для МДМ-катода. Одновременно происходит укорочение импульсов напряжения с 68 до 50 нс и тока с 92 до 44 нс (на полувысоте).

Так как скорости нарастания и амплитуды напряжения в обоих случаях очень близки, можно заключить, что МК-катод позволяет не только обострять, но и увеличивать выходную мощность ускорителя.

Таблица 3. Результаты экспериментов для ё=47 мм

№ катода 1з, нс Мощность, МВт I, А Энергия в пучке, Дж Кпд передачи энергии в пучок, %

1891 40 155 428 6,73 30,3

1889 22 181 581 5,65 25,5

11-1 18 125 330 5,24 23,6

1885 14 137 556 4,97 22,4

МДМ 14 91 251 4,33 19,5

Все эти данные позволяют заключить, что плазма с низкой концентрацией появляется практически одновременно на большой площади пластины, что и объясняет высокую эмитирующую способность катода, а также высокий ресурс и хорошую воспроизводимость характеристик. Причиной появления плазмы на большой площади, видимо, является инициирование пробоя микропор у металлических частиц по МК-пластине.

3.6. Анализ характеристик МК-катодов Расчеты показали (табл. 4), что время задержки 1;з прямо пропорционально величине средней напряженности электрического поля Е;0 по поверхности МК-пластины между металлическими частицам в момент начала тока в диоде, что маловероятно и подтверждает нашу гипотезу [24] о том, что главные события развиваются не на поверхности МК-пластины, а в ее микропорах. Так, если металлические частицы имеют равный диаметр Б, то 1;з обратно пропорционально (см. табл. 3) средней напряженности поля ЕМП в микропоре шириной 5: Емп = Ею /(п0,5*2*5). В качестве параметра взято безразмерное напряжение: и0=1/(3,14*80* 8 *п05*Б), возникающее при зарядке одной частицы токами смещения (с учетом ее емкости и размера Б). По своей сути, параметр и0 является обобщенной характеристикой эмиссионных свойств МК-пластины. Использование этого параметра позволяет объяснить близкие значения 1:з катодов с существенно разными харак-

теристиками. Так, для катодов № 11-1 и №1890 значение И0 составляет 2,08 и 2,1, соответственно. Как видно (см. табл. 4) эти катоды имеют близкие значения 1;з.

Таблица 4. Результаты расчетов и экспериментов для ё=47 мм

№ образца 1з, ПБ Ию,кВ Е;0,кВ/см Емп, кВ/см И0 Яшах,Ом

1885 14 149 4,93 2669 9.56 985

11-1 18 200 6,64 790 2.10 1106

1890 22 246 8,14 960 2.08 1037

1891 40 376 0,77 287 0.37 2227

Таким образом, можно прогнозировать свойства МК-катодов исходя из состава МК-пластин, используя полученные данные и параметр И0 (рис. 16). Из полученного эмпири-

0 3237 0 2841

ческого соотношения: 1;з = 28,655*и0" ' ; напряжение начала тока И = 289.72 и0" ' , можно оценить, что при увеличении диаметра частиц в МК-пластине №11-1 до Б=50 мкм, 1;з составит около 28нс, а Ию - около 280 кВ.

Имеется возможность оценивать значение импеданса в момент максимума напряжения Яшах, по зависимости от 1/Емп, : Яшах = 818,21ехр (279,7/Емп).

Используя эту зависимость можно оценить (рис. 16), что при увеличении диаметра частиц в МК-пластине №11-1 до Б=50 мкм величина Емп составит около 590 кВ/см, а Яшах-около 1300 Ом, т.е. эмиссионные свойства МК-катода снизятся.

Сказанное подтверждает, что распределение электрического поля до начала тока чисто емкостное, причем существены как материал керамики, так и количество и размер металлических частиц, что в свою очередь означает, что в процессе участвует большинство частиц МК-пластины.

жения (слева) и импеданса Ятах в момент максимума напряжения от напряженности поля Емп в микрополости, ё=47мм

3.7. Оптические исследования МК-катода

Форма разрядной плазмы на МК-пластине регистрировалась фотоаппаратом "ЗенитЕ" с открытым затвором на фотопленке РФ-3 через прозрачное (из оргстекла марки СОЛ) окно в вакуумной камере, находящееся напротив МК-пластины. Свечение плазмы измерялось с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 18ЭЛУфс, включенного по паспортной схеме с двумя источниками питания через это же окошко. Движение плазмы по МК-пластине регистрировалась электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) СФ-Зм "Агат", при этом щель ЭОП (0,5 мм) юстировалась вдоль одной из поверхностей МК-пластины.

Обработка полученных осциллограмм тока пучка электронов I, напряжения и и сигнала Ь с ФЭУ позволила установить, что свечение плазмы регистрируется на спаде тока в момент пробоя вакуумного промежутка катод-анод. Обработка полученных ЭОПограмм также показала, что свечение плазмы на поверхности МК-пластины появляется на заднем фронте тока. На интегральных фотографиях МК-катода всегда регистрируется след разряда по МК-пластине, причем форма разряда зависит от диэлектрической основы. Отсутствие свечения поверхности МК-пластины до максимума тока, несмотря на значительную величину амплитуды и скорости нарастания тока, позволяет заключить, что так как плотность частиц, выступающих на поверхность керамики, достаточно высока, то плотность плазмы может быть относительно низкой для обеспечения необходимой эмиссии электронов.

3.8. Исследование влияния площади МК-пластины на свойства вакуумного диода

Важно иметь возможность согласовывать эмиссионную способность катода и мощность ускорителя. Поэтому следующим шагом стало исследование влияния площади МК-пластины на свойства вакуумного диода на пластине №1890, при этом предварительно были выполнены измерения на целой пластине. Затем ее площадь уменьшена вдвое за счет обрезания краев, при этом из диска неправильной формы с меньшим диаметром 12.5 мм (большим - до 14 мм), зажатого краем в зажиме на глубину 2 мм, получилась практически прямоугольная пластина шириной 6 мм. Полученная МК-пластина зажималась в цанговом зажиме катододержателя за короткую и длинную стороны, при этом пластина выступала в промежуток катод-анод на высоту 10 и 4 мм соответственно (табл. 5).

В том случае, когда обрезанная МК-пластина крепилась за длинную сторону, существенно возросло время задержки, уменьшилась ее полная эмиссионная способность, что подтверждает влияние на начало эмиссии и удельную эмиссионную способность ^ (см. табл.5) напряженности электрического поля вдоль всей пластины, а не только в тройной точке контакта (метал-диэлектрик-вакуум) на катододержателе.

Таблица 5. Результаты экспериментов с МК-пластиной №1890 __различной площади для ё=47 мм__

Геометрия Рабочая площадь, см2 ts, нс Мощность, МВт I, A jb А/см2 кпд передачи энергии в пучок, %

МК-пластина 1,22 22 166 498 408 25,5

Обрезанная МК-пластина закреплена за короткую сторону 0,71 22 132 366 515 22,3

Обрезанная МК-пластина закреплена за длинную сторону 0,52 46 55,6 197 379 12,2

3.9. Исследования МК-катода с различными генераторами ускоряющих импульсов

Для понимания областей применения МК-катода было важно сравнить его характеристики, при работе от различных систем питания, т.е. при различных формах ускоряющего напряжения. Особенность схем питания ускорителей с промежуточным индуктивным накопителем и ППТ состоит в том, что формируемый импульс высокого напряжения имеет короткий предымпульс с низкой амплитудой, тогда как схемы с емкостным нако-

General view 20ns frame MCP-750V -25ns 25ns 125ns 275ns 320ns

J W i mr

General view 20ns frame MCP-800V -25ns 25ns 125ns 275ns 380ns

I- - ^ i Щ Ш

1

Рис. 17. Результаты съемок полупроводниковой кадровой камерой «4Quik-05A» (в двух взаимно перпендикулярных плоскостях)

пителем формируют продолжительный предымпульс с достаточно большой амплитудой. Исследования МК-катода проводились на ускорителях УРТ-0,5 и Т1Б-300 (ускоряющее напряжение и < 270 кВ, длительность импульса на полувысоте 1;и ~ 250 нс, длительность фронта напряжения Тф 0,1-0,9 = 15 нс, частота срабатывания { < 10 Гц) с системой питания, созданной по схеме генератора Маркса. Конструкция катодного узла едина для обоих экспериментов, во всех экспериментах использовался один и тот же МК-катод (№ 1893).

Распределение плазмы на МК-пластине в двух проекциях регистрировалась полупроводниковой кадровой камерой «4Quik-05A» с временным разрешением 0,2 нс.

Установлено, что МК-катод может успешно работать с обоими типами ускорителей, обеспечивая среднюю скорость нарастания тока 0,5 и 1*1010 А/с на ускорителях Т1Б-300 и УРТ-0,5 соответственно.

Результаты съемок полупроводниковой кадровой камерой «4Quik-05A» (в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, рис. 17) показывают, что начало свечения плазмы совпадает на ускорителе Т1Б-300 с предымпульсом напряжения (при И=10-20 кВ, средняя напряженность электрического поля на зазоре Е < 5 кВ/см, при скорости роста напряженности электрического поля ёЕ/ё ~ 1.5х1012 В/(см*с)), тогда как для ускорителя УРТ-0,5 имеется временное запаздывание, совпадающее с временем запаздывания тока пучка ! . Установлено, что плазма появляется в местах контакта с катододержателем (тройных точках). Затем разрядная плазма узкой полосой быстро распространяется вдоль МК-пластины, достигает ее края и далее уходит в вакуумный зазор. При увеличении напряжения на микроканальной пластине кадровой камеры «4Quik-05A» (т.е. увеличении чувствительности) свечение небольшой яркости наблюдается во многих точках пластины. Это позволяет говорить, что эмиссия идет из плазмы, которая формируется за счет пробойных процессов (в микропорах).

3.10. Экранированный МК-катод

Для увеличения импеданса путем уменьшения расходимости пучка электронов в МК-катоде применена экранировка МК-пластины (рис. 18). Исследовано

влияние геометрии такого катода

„ . „ тг , „. , .на характеристики вакуумного дио-

Рис. 18. Конструкция МК-катода с экраном: 1-

экранирующий электрод (экран), 2- МК-пластина, да. При этом использовались

3-анод

_о

экраны с внешними диаметрами Б1=30 и 40 мм и внутренними Б2=20 и 30 мм соответственно.

Форма отпечатка пучка на детекторе для МК-катода с экраном имеет вид эллипса с соотношением осей 5:4, большая полуось которого совпадает с плоскостью МК-пластины. Пучок практически однородный в центре, однако, на границе пучка плотность тока в несколько раз превышает среднее значение. Отметим, что имеющаяся неоднородность пучка МК-катода с экраном не сказывается на стойкости выходной фольги.

Установлено, что размер пучка растет с увеличением размеров экрана (при постоянном В) либо при выдвижении пластины в промежуток (при фиксированных размерах экрана). Очень важно для некоторых приложений, что при фиксированных размерах экрана и постоянном В размер пучка практически не зависит от расстояния катод-анод ё, в то время как для МК-катода без экрана размер пучка меняется более чем в 2 раза.

Исследованием вакуумного диода ускорителя УРТ-0,5 с различными типами катодов установлено, что применение МК-катода с экраном позволяет существенно повысить импеданс вакуумного диода, управлять мощностью и размерами пучка электронов.

3.11. Выводы по главе 3

Полученные результаты показывают, что предложенный МК-катод может работать с системами питания различных типов и обладает рядом интересных для эксплуатации технологических ускорителей характеристик: Прежде всего имеет повышенную эмиссионную способность, что позволяет существенно увеличить ток пучка (в два раза), скорость нарастания тока (до 5 раз) и мощность (в 1,5 раза). Это позволяет уменьшить низкоэнергетическую составляющую спектра пучка без применения специальных устройств и, следовательно, улучшить условия работы фольги для вывода пучка.

Имеется возможность управлять эмиссионными свойствами МК-катода посредством изменения состава МК-пластины (размера металлических частиц, их плотности на поверхности и диэлектрической постоянной материала керамики).

МК-катод может обеспечивать однородное распределение тока пучка электронов на выходе вакуумного диода, когда длительность импульса меньше времени перемыкания плазменного промежутка.

Длительная эксплуатация, более 108 импульсов, показала, что такой катод не изменяет своих характеристик, и они прекрасно воспроизводятся от импульса к импульсу и от образца к образцу одного и того же типа.

Описанный комплекс свойств МК-катода, практически полностью лишенный недостатков МДМ-катодов, позволяет говорить о возможности широкого использования данного типа катодов в вакуумных диодах НУЭ различного типа.

4. Радиационные технологии на основе ускорителей типа УРТ

4.1. Введение

В данной главе главное внимание уделялось разработке основ РТ с использованием наносекундных ускорителей электронов (НУЭ), при этом был выполнен широкий охват возможных областей применения НУЭ, а также выработаны требования к параметрам НУЭ для исследованных РТ. Актуальна задача, найти такие технологии, в которых недостатки пучка будет несущественны, а достоинства применения (как и самой РТ) будут настолько существенны, что удастся преодолеть барьер внедрения новой техники в жизнь.

4.2. Исследование возможности применения НЭП для очистки воды

Механизм действия радиации на разложение примесей основан на результатах радиолиза воды. В литературе по поверхностной стерилизации НЭП указывается на высокую эффективность использования таких пучков. Поэтому было решено проверить влияние НЭП на микроорганизмы в воде.

В экспериментах использовались герметичные кюветы из нержавеющей стали глубиной 1,5 мм с начальной концентрацией микроорганизмов Coli-fomes, Salmonella enteritidies, Staphyloco^uc aureus от 105 до 109 1/мл (одновременно каждого типа) в физиологическом растворе. Санитарный микробиологический анализ выполнялся методом посева на диагностические питательные среды. Облучение кювет с микроорганизмами проводилось при комнатной температуре на частотном импульсном ускорителе "Руслан" (энергия электронов 700 кэВ, ток пучка электронов до 5000 А, длительность импульса на полувысоте 26 нс, частота повторения импульсов 1-10 Гц, площадь пучка 60*10 см ).

Результаты экспериментов по облучению примерно равной дозой микроорганизмов с различной начальной концентрацией показали, что количество выживших микроорганизмов определяется величиной поглощенной дозы и не зависит от начальной концентрации. Это не согласуется с данными, которые получены для гамма-излучения и постоянных электронных пучков и показывают, что увеличение концентрации микроорганизмов повышает их радиоустойчивость.

Установлено сильное влияние перемешивания раствора в процессе облучения на гибель микроорганизмов, которое нельзя объяснить только выравниванием дозы по объему

кюветы. В литературе указывается на трехкратное снижение летальных доз для различных видов микроорганизмов при использовании НЭП для поверхностной стерилизации. В нашем случае при объемной стерилизации можно ожидать еще более сильного снижения летальных доз, если предположить, что за эффект отвечают вторичные факторы, возникающие при торможении НЭП и способные проникать на большую глубину, чем электроны (рентгеновское, СВЧ - и ультрафиолетовое излучения, ударная волна и др.). Кроме того, возможным механизмом может быть сосредоточение воздействия на микроорганизмы продуктов радиолиза (радикалов и т.п.) в очень короткий промежуток времени, создающих эффект отравления.

К достоинствам использования НЭП для очистки воды относятся: компактность, быстрота обработки, отсутствие расходных компонентов и универсальность. Это особенно важно в зонах чрезвычайных ситуаций.

На основе параметров ускорителя УРТ-0,5 выполнен расчет установки для очистки воды в двух вариантах (для поглощенных доз 12 и 2 кГр) - стерилизации воды и доведения ее до соответствия ГОСТу соответственно. Суммарная масса установки с биологической защитой не превысит 1,5 т, что позволяет создать мобильный вариант для обеспечения водой в районах чрезвычайных ситуаций. Главное достоинство - отсутствие расходных компонентов, гибкость и комплексность очистки.

4.3. Исследование возможности применения НЭП для стерилизации продуктов

Продукты питания должны быть безопасны для потребителя. Радиационная стерилизация позволяет избежать или значительно уменьшить изменения химического состава и состояния продуктов. Небольшая глубина пробега НЭП допускает их использование для обработки жидких и сыпучих материалов, которые можно тонким слоем пропускать под пучком. При этом требуемая производительность будет достигаться за счет большой скорости перемещения продукта под пучком.

Исходя из этих соображений исследование возможности применения НЭП для пастеризации и стерилизации жидких продуктов проверялась на меланже. Работа выполнялась по хоздоговору с ЗАО «Чебаркульская птица», г. Чебаркуль Челябинской области.

При разработке основ технологии радиационной стерилизации меланжа имеется несколько проблем. Одна из них неоднородность поглощенной дозы по глубине, что связано с небольшой проникающей способностью ускоренных электронов. Другая проблема состоит в изменении потребительских свойств меланжа при облучении за счет радиолиза, прежде всего при взаимодействии с атмосферным кислородом.

Решение проблем достигается тем, что меланж обрабатывается НЭП в бескислородной атмосфере в специальной камере облучения так, что поток меланжа в камере направляется перпендикулярно прогибам выходной фольги, создающимся при вакуумировании между ребер жесткости выходного фланца. Это позволяет использовать прогибы в качестве рассекателей потока для эффективного перемешивания меланжа при его прокачке и сокращает неравномерность облучения по глубине.

В процессе экспериментов (на ускорителе УРТ-0,5) установлено, что стерильность проб меланжа наблюдается при поглощенной дозе на поверхности пробы 30 кГр, поглощенная доза на задней стороне камеры облучения составляла не более 5 кГр.

Проверка свойств меланжа после облучения на соответствие Сан. ПиН 2.3.2.560-96 выполнялась в лабораториях Свердловского областного центра СЭН по стандартным методикам. В процессе экспериментов не установлено изменения физико-химических и потребительских свойств меланжа при поглощенной дозе до 50 кГр.

4.4. Исследование возможности применения НЭП для стерилизации

медицинских изделий

В качестве упаковочных материалов широко распространены нетермостабильные и химически неустойчивые материалы: водостойкая бумага, алюминиевая фольга, полимерные пленки, которые не могут быть подвергнуты традиционным методам стерилизации. Неприменимы эти методы и в конвейерной технологии.

Доза радиационной стерилизации (независимо от вида излучения) не превышает 25 кГр. Недостатком радиационной стерилизации (РС) является ее повышенная опасность и как следствие необходимость дорогостоящей защиты для персонала. Это ограничивает область применения РС. Между тем во многих случаях для стерилизации не требуется высокой проникающей способности радиации, а достаточно лишь поверхностной обработки. В этом случае более важно обеспечить высокую скорость облучения, упростить технологическую оснастку и снизить затраты на защиту.

Создание НУЭ с ППТ позволяет перейти от экспериментов по исследованию воздействия НЭП на микроорганизмы к разработке основ технологии РС для конкретных медицинских изделий. Ниже описывается методика разработки технологии радиационной стерилизации на примере работы, выполненной для образцов изделий ЗАО «Медин» и ООО «НВФ Интехнол», г. Екатеринбург.

Первый шаг методики разработки технологии радиационной стерилизации состоит в изучении обрабатываемых изделий, особенностей их конструкции и упаковки.

Второй шаг методики разработки технологии радиационной стерилизации состоит в выработке требований к параметрам НУЭ, прежде всего к энергии электронов.

Важно оценить минимальную энергию Емин, требуемую для прострела как самого изделия, так и его упаковки, если изделие монолитно и нуждается только в поверхностной стерилизации. Создана методика оценки Емин, исходя из закона распределение поглощенной дозы в изделии, указаны ограничения на неравномерность облучения, связанные с энергией электронов, с наличием предельной поглощенной дозы Дмах, после которой облучаемый материал теряет или изменяет свои потребительские свойства.

Показано, что при расчете производительности линии РС важно получить соответствие между электрическими и дозовыми характеристиками.

Для проверки результатов, полученных по первым двум шагам методики разработки технологии радиационной стерилизации, на третьем этапе используются натурные испытания, состоящие в облучением изделий с дозиметрическим контролем. Дана проверенная методика испытаний. Получен реальный опыт использования технологии радиационной стерилизации, отработана система позиционирования изделий под пучком. На основе полученный данных разработан и утвержден технологический регламент процесса радиационной стерилизации.

4.5. Исследование возможности применения НЭП для стерилизации писем События 2002г. в США (рассылка «белого порошка») показали, что имеется тенденция использования инфекции (патогенных микробов и вирусов) в террористических актах. Применялась тактика заражения почтовых конвертов, но нельзя исключать развития тактических приемов. При этом очевидна направленность использования широко распространенных гражданских каналов связи и транспорта для распространения инфекции, в целях усиления психологического воздействия.

Единственный путь решения проблемы профилактической дезинфекции - радиационная стерилизация. При этом НУЭ наиболее хорошо подходят для решения данной задачи, так как позволяют реализовать стерилизацию на конвейере, при этом они относительно дешевы, требуют недорогой биологической защиты и могут быть установлены в существующих помещениях. Так, для стерилизации конвертов (стандартной массой до 20 г) более чем достаточно энергии электронов 0,5 МэВ, а для стерилизации денег (по одному листу) - даже 0,2 МэВ.

Эксперименты выполнялись совместно с Центром военно-технических проблем биологической защиты МО РФ, от которого в них принимали участия начальник отдела к.т.н. В.П. Лакомов и в.н.с. д.м.н. профессор В.В. Канищев.

Испытанию подвергались стандартные почтовые конверты, в которые были вложены пакеты, содержащие споры одного из видов взятых для исследования сухого или жидкого агентного имитатора биологических средств (т.е. содержащего споры авирулентных тест-микроорганизмов, а также повышающие устойчивость их к повреждающим факторам компоненты) или споры агаровой культуры авирулентного сибиреязвенного вакцинного штамма СТИ-1.

Данные экспериментов свидетельствуют о том, что НЭП обладает очень высоким спо-роцидным действием и начиная с дозы, создаваемой при 50 и более импульсов, обеспечивал инактивацию спор использованных тест-микроорганизмов, которыми контаминиро-ваны вкладываемые в конверт пакеты.

Достаточно простые оценки показывают, что при энергии электронов 0,5 МэВ и мощности ускорителя УРТ-0,5 в пучке 1,5 кВт производительность линии достигнет значений, достаточных для обеспечения потребности среднего города. При этом в расчете стоимость ускорителя составляла $45,000, а все эксплуатационные расходы принимались исходя из реалий России на 2003 г.

4.6. Исследование радиационной устойчивости внутренней памяти программируемых цифровых микросхем

В настоящее время для проектирования электронных устройств широко используются программируемые цифровые микросхемы (ПЦМ), в частности микроконтроллеры. Однако при этом для ряда применений возникает вопрос радиационной устойчивости внутренней памяти ПЦМ, а также возможности повторного использования ПЦМ. Однако нами найдено, что стирание информации возможно, когда у ПЦМ произведено замыкание всех контактов микросхемы между собой. Информация, записанная во внутреннюю память ПЦМ, стирается при поглощенной дозе, которая существенно меньше уровня, при котором сама ПЦМ выходит из строя. Полученный эффект запатентован как способ стирания информации, записанной во внутреннюю память ПЦМ, в целях их повторного использования.

4.7. Выводы по главе 4

Таким образом, для НУЭ найдено несколько возможных сфер, где их применение технологически и экономически оправдано.

5. Радиационно-химическая стерилизация 5.1. Генерация озона наносекундным электронным пучком

В данной главе описано исследование эффективности генерации озона под действием наносекундного электронного пучка для оценки перспективности и конкурентоспособности метода. Показано, что затраты на генерацию по энергии НЭП с учетом потерь в фольге выходного окна составляли от 12,1 до 18,3 кВт*ч/кг для различных частот работы ускорителя, что примерно на порядок меньше чем для ускорителей постоянного тока. Преимущество импульсных ускорителей заключается в том, что большая пауза между импульсами (по сравнению с длительностью импульса) позволяет убирать создаваемый озон из реакционной зоны, избегая его радиационного разрушения.

Достоинством предлагаемой технологии генерации озона является отсутствие необходимости предварительной осушки, очистки и стабилизации температуры подаваемого под пучок воздуха. Существенно, что изменением частоты работы ускорителя можно плавно регулировать производительность генератора озона. К недостаткам можно отнести относительно небольшую концентрацию озона в озоновоздушной смеси и радиационную опасность.

Определен круг задач, где целесообразно использовать озонаторы на основе НУЭ.

5.2. Использование НЭП для радиационно-химической стерилизации

Серьезным недостатком НЭП, ограничивающим их применение для радиационной стерилизации, является их относительно небольшая энергия (до 1 МэВ). Поэтому важно найти способ использования НЭП для стерилизации изделий с толщиной более длины пробега электронов при одностороннем облучении. Для достижения указанной цели нами предложено использовать для стерилизации герметично упакованных изделий, как излучение самого электронного пучка, так и возникающее внутри пакета при облучении стерилизующее токсичное химическое вещество. Наиболее простым и дешевым путем является использование озона, который образуется при облучении кислорода воздуха.

В экспериментах использовались кюветы из нержавеющей стали с ванной диаметром 50 мм и глубиной 2,5 мм. В ванне размещались по две пластины (также из нержавеющей стали размерами 20*10 мм2 и толщиной 1 мм) с загнутыми краями (высотой 1 мм). Кюветы герметизировали фторопластовой пленкой толщиной 10 мкм. Толщина пластин намного больше длины пробега электронов НЭП. Наличие у пластин загнутых краев позволяет озоновоздушной смеси свободно омывать нижнюю (необлучаемую) поверхность.

Пластины заражали микроорганизмами опуская в свежеприготовленную культуру Staphyloccus aureus (наиболее показательных для загрязнения медицинского инструмента) концентрацией 106 1/мл. Это позволяло получать на пластинах поверхностную загрязненность с концентрацией микроорганизмов от 5*102 до 4*103 1/мл. Облучение кювет с микроорганизмами проводилось при комнатной температуре на ускорителе УРТ-0,2.

В экспериментах установлено, что герметично упакованные предварительно загрязненные Staphyloccus aureus пластины, как и сама кювета, становятся стерильными при облучении НЭП дозой 20 кГр. Это позволяет говорить как о существовании самого способа радиационно-химической стерилизации (РХС), так и о том, что для реализации РХС требуются поглощенные дозы, а следовательно, энергозатраты не большие (как максимум), чем для радиационной стерилизации при одностороннем облучении НЭП.

Концентрация озона, генерируемого НЭП в замкнутом объеме кюветы, в нашем случае рассчитана по стандартной методике и составляла Созона=74,7 мг/м3. Одновременно с генерацией происходит радиационное разложение озона с постоянной К1=2025 1/ч (или К1=1,7 1/с), поэтому время облучения t = Exp(K1) = 5,5 сек приведет к насыщению концентрации озона. Время существования озона после прекращения облучения определяется константой его химической нестойкости (К2=1,2 1/ч) и превышает несколько часов с концентрацией, смертельной для микроорганизмов (в воде Ссм =100 мг/м3, при времени контакта 15 сек).

Ранее обнаружено2 снижение летальных доз для различных видов микроорганизмов при использовании НЭП в целях поверхностной стерилизации и возможность стерилизации даже затененных от прямого попадания НЭП участков. Для объяснения этого была высказана гипотеза о синергетическом эффекте воздействия радиации, озона и окислов азота, образующихся в воздухе.

В нашем случае нельзя отвергать ответственность этого синергетического эффекта на сторонах пластин, обращенных к пучку или на боковых поверхностях. Однако на задних сторонах пластин и дне кюветы поглощенная доза от тормозного излучения НЭП настолько мала (менее 100 сГр), что говорить о ее влиянии сложно. Именно это позволяет сделать вывод о том, что стерилизацию осуществляет озон, образующийся при воздейст-

Васильев Н.В., Горн А.К., Качушкина Г.Г. и др. Использование сильноточных наносе-кундных электронных пучков для целей поверхностной стерилизации. ДАН СССР. 1980. Т.253. № 5. С.1120- 1122.

вии НЭП, и делает правомерным введение понятия о РХС как о самостоятельном способе, на который получен патент РФ.

5.3. Применение радиационно-химической стерилизации

Применение РХС позволяет либо уменьшить поглощенную дозу, требуемую для стерилизации, либо отказаться от двухстороннего облучения. В обоих случаях это ведет к экономии электроэнергии и увеличению производительности.

Однако, иногда поглощенные дозы стерилизации и дозы, при которых изменяются свойства стерилизуемого материала, близки, особенно для полимерных материалов. Это может стать непреодолимой преградой для использования радиационной стерилизации. Применение РХС позволяет снять это ограничение, так как не требует объемного облучения материала. Другим примером эффективного применения РХС служат технологии, разработанные для стерилизации снаружи первичной упаковки лекарств и препаратов при использовании двойной упаковки.

Описаны некоторые примеры применения РХС с использованием НУЭ.

Использование технологии РХС позволило стерилизовать хирургическую атравмати-ческую иглу с нитью из биодеградируемого полигликолида (производства ООО "Медин-Н"). Облучение на других источниках (кобальте -60 или излучением кассет с отработанным ядерным топливом) приводило к непоправимому изменению гибкости биодегради-руемого полигликолида, хотя поглощенная доза на поверхности пакета с иглой и нитью была примерно одинаковой (25 кГр). Положительный эффект оказался возможен, потому что энергия электронов позволяла выполнять только поверхностное облучение, избегая радиационной деструкции полимера в объеме и сохраняя прочностные свойства нити.

В городском центре крови «САНГВИС» выпускается широкий спектр препаратов крови, большая часть которых разливается в стеклопосуду: ампулы емкостью 5 мл и бутылки емкостью 250 мл с резиновыми пробками. Полное просвечивание стеклянной стенки толщиной до 5 мм требует использования электронов с энергией более 1 МэВ. Это неприемлемо, потому что стоимость подобного источника излучения и организации радиационной защиты персонала от него настолько высока, что приведет к потере коммерческой целесообразности облучения.

Установлено, что на основе частотного наносекундного ускорителя электронов УРТ-0,2 возможно создание технологической схемы для РХС стеклопосуды. Выполненные анализы и опыты на животных показали эффективность и безопасность способа. Энерго-

затраты уменьшаются более чем в 5 раз, а себестоимость - не менее чем вдвое по сравнению с термическим способом стерилизации. Кроме того, этот способ позволяет осуществлять стерилизацию стеклотары в герметичной упаковке, что упрощает организацию использования стеклопосуды.

Показана возможность пастеризации стеклянной тары для пива на конвейере, прямо перед разливом продукции, что исключает, во-первых, вторичное загрязнение тары, а во-вторых, помещение ее в герметичный пакет. Однако геометрию "герметично упакованных изделий", суть которой сводится к увеличению времени контакта с озоном, можно реализовать иначе, посредством помещения конвейера с тарой в газоплотный кожух.

Подобная схема опробована на АООТ "Исетский пивобезалкогольный завод" (г. Екатеринбург). Анализы, выполненные в лаборатории показали, что общее микробное число после облучения снижалось на порядок, с 90 до 8 колоний/мл, что соответсвует требованиям ГОСТ. При этом размеры ускорителей (требуемая площадь для размещения около 1 м2) и требования к их радиационной защите позволяют устанавливать их прямо в существующие технологические цепочки.

Показана возможность и разработана технологическая схема стерилизации костной муки в процессе ее производства. Полное просвечивание слоя костной муки толщиной около 5 мм (с насыпной плотностью около 1,2 г/см3) требует использования электронов с энергией более 1 МэВ. Это неприемлемо, потому что стоимость подобного источника излучения и организации радиационной защиты персонала от него настолько высока, что приведет к потере коммерческой целесообразности облучения. Поэтому была исследована возможность использования технологии РХС для муки на АООТ «Комбинат мясной «Екатеринбургский».

Несмотря на то что эта технология наиболее целесообразна для поверхностной стерилизации, ее применение оправдано еще и тем, что наиболее вероятно загрязнение микроорганизмами пористой поверхности костной муки, куда проникновение электронов и озона возможно. Анализы показали эффективность и коммерческую оправданность способа.

Разработанная технология может быть применена для других сыпучих продуктов, например яичного порошка, а также непищевых, например косметического талька.

Рассмотрен процесс разработки технологии РХС комплектов медицинского белья (производства ЗАР «Здравмедтех», г. Екатеринбург) на ускорителе УРТ-1 с вакуумным диодом для двухстороннего облучения. На основе полученых данных, предложен проект

создания участка радиационной стерилизации на фабрике в г. Каменске-Уральском, который получил финансирование от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (фонд Бортника, г. Москва) и в настоящее время реализуется.

5.4. Выводы по главе 5

Таким образом установлено, что энергозатраты на генерацию озона НЭП существенно ниже по сравнению с постоянными пучками и метод конкурентоспособен с используемым электроразрядным.

Обнаружено явление радиационно-химической стерилизации, которое состоит в использовании для поверхностной стерилизации герметично упакованных изделий, как излучения самого электронного пучка, так и озона, возникающего внутри пакета при облучении кислорода воздуха. Применение РХС позволяет уменьшить энергию электронов, снижает затраты энергии, расходы на радиационную защиту и расширяет область применения радиационной стерилизации.

Выполненные эксперименты позволили найти несколько возможных сфер, где применение РХС технологически и экономически оправдано.

6. Измерение параметров, мониторинг и дозиметрия НЭП 6.1. Общие положения

Главной целью данной работы была проверка возможностей существующих радиационных диагностик и создание новых, если имеющиеся не позволяют измерить требуемые параметры НЭП. При этом основное внимание уделялось методикам по технологическому контролю параметров НУЭ без прекращения выполнения основной задачи ускорителя. Поэтому еще одна задача состояла в поиске простого и дешевого в реализации способа измерения параметров НЭП для частотных ускорителей электронов с энергией 0,2-1 МэВ, позволяющей проверить показания электрических датчиков.

6.2. Рентгеновская диагностика наносекундного электронного пучка

Рассмотрены достоинства и недостатки существующих рентгеновских диагностик параметров НЭП. Предложено измерять ускоряющее напряжение способом фильтров в геометрии узкого пучка.

Показано, что способ имеет погрешность не более 20% и может использоваться для проверки электрических датчиков.

К достоинствам разработанного метода измерения энергии электронов в геометрии узкого пучка можно отнести полную независимость, высокую помехозащищенность и то, что энергия электронов получается в абсолютных единицах, а к недостаткам некоторую сложность реализации.

Преимуществом рентгеновских диагностик является то, что они позволяют независимо контролировать появление тока пучка НЭП, что важно при исследовании эмиссии электронов.

6.3. Измерение энергии электронов методом фильтров

За основу было принято измерение эффективной энергии электронов Ее способом фильтров (рис. 17). В качестве детекторов применяли тонкие полимерные пленки, так как плотность тока на аноде частотных ускорителей обычно невелика (0,1-10 А/см2), что позволяет избежать разрушения детектора НЭП и ограничить влияние на оптическую плотность пленок объемного заряда, создаваемого НЭП в диэлектрике, погрешностью измерений. Пленочными дозиметрами можно одновременно измерять не только энергию, но и распределение НЭП по поверхности (отпечаток пучка).

При использовании в качестве фильтра алюминиевой фольги ослабление быстрых электронов в материале мишени толщиной х (г/см2) можно описать выражением:

N / N = ехр (-а*х), где N0, N - потоки электронов до мишени и на глубине х (г/см2), а = 15,5 Ее -1,41 , при допущении, что Ее - граничная энергия в-спектра (МэВ). Допущение, что вместо моноэнергетичных электронов берется в-спектр, вполне обоснованно, так как, во-первых, из-за формы ускоряющего напряжения, близкой к "колокольчику", спектр электронов будет содержать существенную низкоэнергетическую компоненту, а во-вторых, он еще более размоется при прохождении фольги. Тогда эффективную энергию электронов можно найти из соотношения: Ее = ехр { 1п [ (1п (Б0/Б1)/ х) /15,5] / -1,41}, где Б0, - поглощенные дозы до мишени и после нее.

Плотность тока электронов О, А/см2) за фольгой можно найти из измеренной поглощенной дозы Б0 (Мрад) с учетом найденной Ее по формуле, полученной из соотношения для расчета дозы от электронов: ] = 10-11 * Б0 / 1:имп * (-ёБ/ёх)ион , где 1:имп - длительность

Электронный пучок

I I I Л

А1 фольга

X \/

Л

пленочный детектор

Рис. 17. Геометрия облучения при методе фильтров

импульса на полувысоте; (-ёЕ/ёх)ион - линейные ионизационные потери (МэВ*см2/(г*частицу)).

Главная особенность способа - одновременное определение не только эффективной энергии электронов, но и плотности тока и тока пучка как на выходе ускорителя, так и внутри вакуумного диода. К достоинствам способа можно отнести простоту реализации, надежность и возможность использования для проверки электрических датчиков ускоряющего напряжения и тока пучка.

6.4. Применение твердотельных детекторов для мониторинга НЭП

Проверена возможность использования для дозиметрии тормозного излучения НУЭ термолюминесцентных детекторов четырех типов, входящих в комплект дозиметра «Аист-5», а для измерения формы импульса тормозного излучения использовались сцин-тилляционный блок детектирования и полупроводниковый детектор. Показаны границы использования детекторов.

6.5. Выводы по главе 6

Показала эффективность и достоверность предлагаемых способов определения энергии и плотности тока электронов НЭП, а также возможность их применения для проверки электрических датчиков.

Заключение

Таким образом, разработан и реализован в действующих установках ряд частотных наносекундных ускорителей электронов типа УРТ для радиационных технологий с энергией электронов до 1 МэВ и средней мощностью НЭП до 1 кВт. Созданный ряд ускорителей дает возможность выбора ускорителя исходя из требований конкретной технологии. Ускорители как модули можно объединять в более мощные системы, а модульная конструкция упрощает, удешевляет и повышает надежность технологической системы.

Разработана и экспериментально проверена конструкция вакуумного диода для двухстороннего облучения, использование которого приводит к существенному улучшению однородности распределения поглощенной дозы в материале облучаемого объекта.

Установлено, что геометрия МДМ-катода существенно влияет на параметры вакуумного диода, в том числе на размеры формируемого пучка электронов и профиль его распределения на аноде. Установлено наличие локальных неоднородностей распределения тока на аноде, связанных с образом каналов разряда с зубьев гребенки МДМ-катода.

Предложен новый тип катода для вакуумных диодов НУЭ - металлокерамический. Результаты его испытаний показывают, что он обладает рядом интересных для эксплуатации технологических ускорителей характеристик: Имеется возможность управлять эмиссионными свойствами МК-катода посредством изменения состава МК-пластины.

Результаты экспериментов показали, что для НУЭ найдено несколько возможных сфер, где их применение технологически и экономически оправдано.

Установлена повышенная чувствительность внутренней памяти ПЦМ, выполненных по технологии КМОП, к ионизирующему излучению при замыкании выводов микросхем между собой.

Определено, что достоинством технологии генерации озона НЭП является отсутствие необходимости предварительной осушки, очистки и стабилизации температуры подаваемого под пучок воздуха.

Обнаружено явление радиационно-химической стерилизации, которое состоит в использовании для поверхностной стерилизации герметично упакованных изделий, как излучения самого электронного пучка, так и озона, возникающего внутри пакета при облучении кислорода воздуха.

Применение РХС позволяет либо уменьшить поглощенную дозу, требуемую для стерилизации, либо отказаться от двухстороннего облучения. Выполненные эксперименты позволили найти несколько возможных сфер, где применение РХС технологически и экономически оправдано. Прежде всего, в тех случаях, когда требуется стерилизация поверхности, а поглощенные дозы стерилизации и дозы, приводящие к изменению свойств стерилизуемого материала, близки, особенно для полимерных материалов. Кроме того, РХС позволяет уменьшить энергию электронов, снизить затраты энергии, расходы на радиационную защиту и расширить область применения радиационной стерилизации. Важными следствиями этого являются резкое снижение себестоимости стерилизации, а также уменьшение радиационной опасности при проведении РХС.

Результаты экспериментальной проверки метода фильтров показали высокую эффективность предлагаемого способа диагностики параметров НЭП. Главная особенность способа - возможность одновременного определения путем несложных вычислений не только эффективной энергии электронов, но и плотности тока и тока пучка, как на выходе ускорителя, так и внутри вакуумного диода. Периодически используя данный метод, можно отказаться от непрерывного измерения электрических параметров НУЭ, и в тоже

время надежно контролировать стабильность параметров НЭП и технологического процесса облучения.

Приложение

В приложении дана методика расчета системы питания НУЭ схемы тиратрон - импульсный трансформатор - ППТ.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. X-ray diagnostics of high-current E-beam // Proc. of 8-th IEEE

Pulsed Power Conf., San Diego,California, 1991. P.629-632.

2. Соковнин С.Ю. Рентгеновская диагностика параметров сильноточного электронного пучка // ПТЭ. 1992. № 4. С.125-130.

3. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Корженевский С.Р., Филатов А. Л. Использование сильноточного электронного пучка для генерации озона // Химия высоких энергий. 1996. Т. 30. № 5. С. 386-387.

4. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu., Filatov A.L. Use of high-current e-beams to generate ozone // Proc. of 10-th IEEE Pulsed Power Conf., Santa Fe, New Mexico, USA, 1995. P. 1239-1242.

5. Соковнин С.Ю., Котов Ю.А.. Рукин С.Н., Месяц Г.А. . Исследование действия импульсного частотного электронного пучка на микроорганизмы в водных растворах // Экология. 1996. № 3. С. 222-224.

6. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. , Mesyats G.A. Research of action of a pulsing frequent electron beam on microorganisms in water solutions // Proc. of 11th Intern. Conf. оп High Power Part. Beams, June 10-14, 1996. Prague, Czech Republic. P. 828-831.

7. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Измерение параметров сильноточного электронного пучка посредством дозиметрии//Детектирование ионизирующего излучения. Екатеринбург, 1996. С. 81-85.

8. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Использование сильноточных наносекундных электронных пучков для радиационно-химической стерилизации - ДАН. 1997. Т. 355. № 3. С. 424426.

9. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,2, ПТЭ. 1997. № 4. С.84-86.

10. Yu.A. Kotov, S.Yu. Sokovnin, M.E. Balezin. Nanosecond electron accelerators URT series //Proc. of 15th Inter. Conf. on High-Power Beams, July 18-23, 2004. St. Petersburg, P. 639-642.

11. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Применение твердотельных детекторов для мониторинга параметров импульсно-периодических генераторов тормозного излуче-

ния// Первый Всероссийский симпозиум по твердотел. детекторам иониз. излуч., 28 ноября - 2 декабря 1997 г. Екатеринбург, 1997. С. 99-100.

12. Shpak V.G., Sokovnin S.Yu. , Shynailov S.A. et al. Experimental study of the space-energetic structure and dynamics of a subnanosecond, dense, subrelativistic electron bunch // Proc. of 11-th IEEE Inter. Pulsed Power Conf., June 29-July 2, 1997, Baltimore, Maryland, USA, P. 1586-1591.

13. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Скотников В.А. О радиационной устойчивости внутренней памяти программируемых цифровых микросхем// Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. №22. С.29-32.

14. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu., Kolotov P.V. Using High-Current Nanosecond Electron Beams to Sterilize Bone Meal// Proc. of 12th Inter. Conf. оп High Power Part. Beams, June 7-12, 1998, Haifa, Israel. vol.2. P.1001-1003.

15. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. URT-0,5 Repetitive pulsed electron accelerator // Proc. of 12th Intern. Conf. оп High Power Part. Beams, June 7-12, 1998. Haifa, Israel, vol. 1. P.15-18.

16. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu., Skotnikov V.A. Using X-ray Radiation to Erase Information From a CMOS Programable Read- Only Memory // Proc. of 12th Intern. Conf. on High Power Part. Beams, June 7-12, 1998. Haifa, Israel, vol.2. P.1045-1047.

17. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Радиационные технологии на основе частотных наносе-кундных ускорителей электронов // Радиационная безопасность человека и окружающей среды: Методические материалы. Екатеринбург: Изд. УГТУ, 1998. С. 36-39.

18. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Скотников В. А. Способ стирания внутренней памяти программируемых цифровых микросхем// Патент РФ № 2126998. БИ. 1999. №6. С.461.

19. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Выходное окно ускорителя заряженных частиц // Патент РФ № 2137247. БИ. 1999. №25. С.569

20. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е.. С.В. Барахвостов .Оптические Исследования металлокерамического катода// В межвуз. сб. науч. тр. "Проблемы спектроскопии и спектрометрии", Екатеринбург: УГТУ, 1999. Вып. 2. С. 109-112 (3.17)

21. Месяц Г. А., Котов Ю.А., Шпак В.Г., Соковнин С.Ю. Использование сильноточных наносекундных электронных пучков для стерилизации// Урал: наука, экология. Екатеринбург, 1999. С. 241-255.

22. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. . Металлокерамический катод // Патент РФ № 2158982. БИ. 2000. №31. С. 403.

23. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Частотный наносекундный ускоритель электронов УРТ-0,5// ПТЭ. 2000. №1. С. 112-115.

24. Котов Ю.А., Е.А. Литвинов, Соковнин С.Ю. и др. Металлокерамические катоды для ускорителей электронов. ДАН. 2000. Т.370. №3. С.332-335.

25. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. Overview of the Application of Nanosecond Electron Beams for Radiochemical Sterilization // IEEE Transactions on Plasma Science, Special Issue. 2000. vol. 28. N 1, P.133-136.

26. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. , Balezin M.E. Investigation of novel metal-ceramic cathode// Proc. of 12th Symposium on High Current Electronics, September 25-29, 2000. Tomsk, P.38-42.

27. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. , Balezin M.E. Using nanosecond electron beams for radiochemical sterilization // Proc. of 12th Symposium on High Current Electronics, September 25-29, 2000. Tomsk, P.512-513.

28. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Способ стерилизации упакованных изделий // Патент РФ № 2163144. БИ. 2001. №5. С.246.

29. Котов Ю.А., СоковнинС.Ю., Балезин М.Е. Исследования характеристик металлокера-мического катода // Проблемы спектроскопии и спектрометрии, Екатеринбургм, 2001. Вып. 7. С. 70-78.

30. Krasik Ya. E., Dunaevsky A., J. Z. Gleizer et al. High-current electron beam generation by a metal-ceramic cathode// J. Applied Physics. 2002. Vol. 91. №11, P. 9385 - 9392.

31. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е.. Наносекундный ускоритель электронов// Патент РФ № 2 191 488. БИ. 2002. №29. С.444.

32. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Исследования характеристик металлокера-мического катода // ЖТФ. 2003. Т. 73, вып. 4. С. 124-128.

33. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. and Balezin M.E. A review of possible applications of nanosecond electron beams for sterilization in industrial poultry farming // Trends in Food Science & Technology, 2003, Vol.14, issue 1-2. P. 4-8.

34. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Вакуумный диод для двухстороннего облучения // ПТЭ. 2003. № 3. С.103-107.

35. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. and Balezin M.E. Frequency Nanosecond Electron Accelerator URT-1 // Proc. of 7th Inter. Conference on Electron Beam Technologies, 1 - 6 June 2003. Varna, Bulgaria, P. 633-638.

36. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu. and Balezin M.E. . Vacuum Diode for Two-Sided Irradiation // Proc. of 7-th Inter. Conference on Electron Beam Technologies, 1 - 6 June 2003. Varna, Bulgaria, P. 639-644.

37. С.Ю. Соковнин, Котов Ю.А., Балезин М.Е. Частотные наносекундные ускорители серии УРТ// Proc. of 12th Inter. Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, September 23-27, 2003. Tomsk, P. 449-453.

38. Kotov Yu.A., Sokovnin S.Yu., Balezin M.E. Frequency Nanosecond electron accelerators type URT // Proc. of 13th Inter. SymP. on High Current Electronics, Tomsk. 25-30 July 2004. P. 405-408.

39. Sokovnin S.Yu., Balezin M.E. Reengineering of the URT-0.5 Accelerator // Proc. of 13th Inter. Symp. on High Current Electronics, Tomsk. 25-30 July 2004. P. 454-456.

40. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. . Вакуумный диод для двухстороннего облучения // патент РФ № 2233564. БИ. 2004. №21. С.459.

41. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Питер А.А., Наконечный В.И.. Способ стерилизации меланжа и устройство для его осуществления // Патент РФ № 2235470. БИ. 2004. №25. С.343.

42. Соковнин С.Ю., Балезин М.Е. Улучшение эксплуатационных характеристик ускорителя УРТ-0,5// ПТЭ, 2005, №3, с. 127-131.