Промышленный ускоритель электронов ИЛУ-10 на энергию 5 МэВ мощностью 50 КВт тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Ускоритель ИЛУ

1.1 Этапы создания и общее описание ускорителя.

1.2 Конструкция и параметры ускоряющего резонатора.

1.3 Конструкция и особенности работы автогенератора.

1.4 Организация выпуска электронного пучка для различных технологических процессов.

Глава 2. Инжекция электронов и динамика пучка в резонаторе

2.1 Инжекция электронов и динамика пучка в ускоряющем резонаторе.

2.2 Инжекция с дополнительной подачей напряжения первой гармоники ускоряющего поля к промежутку сетка-катод.

Глава 3. Система питания и управления

3.1 Импульсный анодный модулятор для ускорителя ИЛУ-10.

3.2 Система управления ускорителем.

Глава 4. Настройка и достигнутые параметры ускорителя

4.1 Настройка ВЧ системы автогенераторы - ускоряющий резонатор.

4.2 Достигнутые результаты.

Научные исследования в области радиационной физики, химии и биологии явились основой для развития многих промышленных технологий. В настоящее время применение радиационных технологий активно расширяется в производстве многих развитых и развивающихся странах, таких как: США, Япония, Южная Корея, Китай и других [1,2,3,4].

Многие реализуемые радиационные процессы протекают при значительных мощностях поглощенной дозы. Для того чтобы, тот или иной радиационный процесс стал привлекательным для промышленного использования необходима его экономическая эффективность, для этого требуется увеличение производительности, что повышает рентабельность того или иного производства. Все это делает необходимым создание новых промышленных ускорителей электронов с улучшенными параметрами, а именно увеличенной энергией и мощностью электронного пучка, при сохранении простоты эксплуатации и управления.

Промышленные ускорители электронов можно разделить на следующие категории по энергии выпущенных электронов и способу их ускорения.

Ускорители с низкой энергией электронов характеризуются, как правило, большой мощностью в пучке. Это ускорители прямого действия, которые представляют собой источник высокого напряжения того или иного типа и ускорительную трубку, в которой и происходит ускорение электронов. В таблице №1 представлены основные модели этих ускорителей и их производители на мировом рынке [4,5,6,7].

Ускорители диапазона средних энергий прямого действия представлены в таблице №2 [4,5,7,41].

Таблица №1

Ускорители электронов низкой энергии, используемые в промышленности.

Производитель, Энергия Средняя Максимальная ширина модель электронов, мощность формирования поля кэВ пучка, облучения,

КВт м

Energy Sciences Inc.(ESI), USA 150-300 200 2.3

Electrocurtain head

Electrocure

Radiation Polymer Co.(RPC), USA 150-300 200 2.3

Broad Beam Dual 300 980 2.3

Polymer Physik (PP), Germany 150-280 100 2.0

Scanner

LEA 120-250 60 1.0

Nissin-High Voltage Co.(NHV), Japan 150-300 200 1.0

Scanner 300-500 65 1.2

Messer Griesheim, Germany <150 12 1.5

EBOGEN

MEC, Germany <120

RTI 200-400 20 <2

EOL

N1IEFA, St. Petersburg, Russia 250-500 25-100 self-shielded

UV-Series <2

Таблица №2

Промышленные ускорители электронов средних энергий

Производитель, модель Энергия 'электронов, МэВ Средняя мощность пучка, КВт Максимальн ая ширина формирован ия поля облучения, м

Radiation Dynamics Inc., USA Dynamitron Serval types 0.3-0.55 0.8 1.2, 1.5,2.5,3.0,4.5 90 60-150 self-shielded 1.5

Nissin-High Voltage Co., Japan Cockroft-Walton 0.5,0.8, 1.0, 1.5,2.0,3.0,5.0 40-150 1.2-1.8

NHEFA, St. Petersburg, Russia Electron, Aurora - Series 0.75-1.5 25-100 self-shielded <2

Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia ELV-Series 0.2-2.5 60-400 2

Другой категорией, достаточно широко используемой в промышленности, являются высокочастотные ускорители. Таблица 3 содержит обзор по высокочастотным ускорителям электронов [4,5,6,7]. Их объединяет способ ускорения электронов, а именно, ускорение электронного пучка высокочастотным электрическим полем. Это, как правило, машины с более высокой энергией, хотя среди них есть модели, которые могли бы войти в предыдущие две таблицы, если руководствоваться только принципом деления по энергии выпущенного пучка.

Таблица №3

Высокочастотные ускорители электронов.

Производитель, Энергия Средняя мощность пучка модель электронов, КВт

МэВ

MEV Industries, Jouy-en-Josas, France 5-10 10-20

CIRCE I I/I 11

AECL, Kanata, Canada 10 50

IMPELA

THORIY, Moscow, Russia 2-10 6-12

Elektronika

Scanditronix, Uppsala, Sweden 10 30

Scanditronix EB 10

Varian Inc., Palo Alto,USA 2-10 0.6-5

Mega Ray-Series

Ion Beam Application S.A., Belgium 10 35

Rhodotron 10 200

TITA N Scan Systems USA 5 15

8 16

10 15

5 150 project

Institute of Nuclear Physics,

Novosibirsk, Russia

ILU-Series 0.6-1.2, 1.5-2.5, 30

ILU-10 3.0-5.0 50

ILU-11 3-4 20

ILU-12 5-8 300-400 project

NIIEFA, St. Petersburg, Russia

UELV-Series 5-10 15-30

5-15 5-15

LUE-Series 5-15 5-10

В представленном обзоре отсутствуют маломощные и индукционные ускорители электронов, которые используются в медицине, для неразрушающего контроля, а так же в других подобных процессах.

Обзор ускорителей дает возможность в полной мере показать, какое место займет новая модель ускорителя разработанная в ИЯФ СО РАН на мировом рынке.

Целью настоящей работы является разработка и создание новой модели промышленного высокочастотного ускорителя электронов ИЛУ-10. Разработка велась на элементной базе серии импульсных линейных ускорителей, которые, начиная с 1970 года успешно разрабатываются и изготавливаются в Институте ядерной физики СО РАН. Ускорители этой серии предназначены для широкого применения в различных технологических процессах. Они рассчитаны на длительную непрерывную работу в промышленных условиях [9,10,11].

Новая модель ускорителя ИЛУ-10 с параметрами 3.5-5 МэВ и мощностью в пучке до 50 кВт попадает в эксклюзивное положение, по своим параметрам не имеет аналога на Российском рынке. Широкий энергетический диапазон, простота перестройки энергии во всем указанном диапазоне (что в основном, недоступно, остальным моделям, представленным в таблице №3), большая мощность в пучке, а также сравнительно невысокие затраты на производство делают эту модель предпочтительней для различного спектра радиационных технологий и конкурентоспособной на мировом рынке ускорителей. В отличие от высоковольтных ускорителей, имеющих непрерывный ток пучка, импульсный характер пучка позволяет легко адаптировать ИЛУ к технологическим процессам, требующим создания зоны облучения сложной конфигурации, поскольку в момент переключения пучка с одного эксплуатационного канала на другой не требуется дополнительных мер защиты канала, как в случае непрерывных пучков.

В таблице 4 приведены основные параметры производимых Институтом ускорителей серии ИЛУ, перекрывающие диапазон энергий от 0,6 до 5 МэВ с максимальной мощностью пучка до 50 кВт [22,44].

Таблица №4

Ускорители серии ИЛУ

Параметры ИЛУ-8 ПЛУ-6 ИЛУ-6М ПЛУ-10 ПЛУ-11

Энергия электронов, МэВ 0,6-1,0 1,2-2,5 1.0-2,5 3,5-5,0 2,0-4,0

Средняя мощность пучка, мякх. kRt 25 20 40 50 20

Средний ток (макс), мА 30 20 25 15 4

Потр. мощность, кВт 80 100 120 150 120

Вес ускорителя, т Вес местной защиты, т 0,6 76 2.2 2,2 2,9 2,5

Научная новизна работы заключается в том, что исследованы возможности увеличения мощности и энергии электронного пучка в однозазорных высокочастотных ускорителях на стоячей волне, предложена методика расчета используемого варианта инжекции проверенная экспериментами, разработана методика настройки ВЧ системы два автогенератора - ускоряющий резонатор и создана действующая модель промышленного ускорителя ИЛУ-10 на энергию 5 МэВ, мощностью 50 кВт. Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

• проведены расчеты и оптимизация параметров ускоряющего резонатора, позволившие получить ускоряющее напряжение до 6 MB и уменьшить ВЧ потери ;

• проделаны измерения характеристик нескольких изготовленных резонаторов позволившие отработать технологию обработки рабочей поверхности резонаторов;

• предложена методика расчета и проведено численное моделирование системы инжекции и расчет динамики пучка в ускоряющем резонаторе, обосновывающее введения дополнительной подачи напряжения первой гармоники ускоряющего поля к промежутку сетка-катод;

• проведены измерения характеристик электронного пучка, согласующиеся с проведенными расчетами;

• разработана методика настройки ВЧ системы два автогенератора -ускоряющий резонатор и сняты экспериментальные зависимости для настройки ВЧ системы автогенераторы - резонатор;

• проведены сборка, настройка и испытания ускорителя, в результате которых были получены рекордные параметры для серии ИЛУ, а именно, энергия частиц до 5 МэВ и средняя мощность в пучке 50 кВт;

Общим итогом диссертационной работы является создание конкурентоспособной на мировом рынке промышленного ускорителя электронов ИЛУ-10. Осуществлена контрактная поставка двух ускорителей в США, и заключены два контракта с другими фирмами на поставку двух ускорителей в течении 2003 года.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались:

• на IX Всероссийском совещании по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, Россия, 1998;

• на конференции по радиационным процессам в Обнинске, 1999 г;

• на XVII Совещании по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000;

• 6th Int. Conf. on Electron Beam Treatment, Varna, Bulgaria, June 2000;

• International Symposium on Radiation Technology in Emerging Industrial Applications to be held in Beijing, China, November 2000;

• на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц, Алушта, 2001 г;

• на X международном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, Санкт-Петербург, 2001;

• на международной конференции ЕРАС2002, Париж, Франция;

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе диссертации подробно описываются этапы создания ускорителя ИЛУ-10. Прототипом для нового ускорителя послужила предыдущая модель ускорителя ИЛУ-6 (2.5 МэВ, 20 кВт). Для ускорения электронов в ней используется разрезной тороидальный резонатор, который возбуждается одним автогенератором. Затем ускоряющий зазор в резонаторе был увеличен и появилась промежуточная модель ускорителя ИЛУ-lOold (4 МэВ, 20 кВт). В последствии необходимость в разрезной конструкции резонатора отпала, что позволило улучшить характеристики ускоряющего резонатора. Используя еще один автогенератор, возникла новая модель ускорителя ИЛУ-10.

Далее в главе дается общее описание ускорителя. Подробно описывается конструкция ускоряющего резонатора, приводятся расчетные и измеренные параметры нескольких резонаторов. Рассматривается конструкция и особенности работы автогенераторов. Приводятся описание конструкций устройств выпуска пучка, которые наиболее часто используются заказчиками.

Во второй главе подробно рассмотрена система инжекции электронов, предлагается методика расчета инжектора и динамики пучка в ускоряющем резонаторе. Дается электрическая схема инжектора, представлены вольт - амперные характеристики электронной пушки при различных напряжениях на ускоряющем зазоре. Приводятся результаты расчетов, обосновывающие введение дополнительной подачи ВЧ напряжения к промежутку сетка катод. Описана схема ВЧ пушки. В заключение представлены расчетные и экспериментальные энергетические спектры для простой инжекции и инжекции с ВЧ пушки.

В третьей главе описывается работа систем питания и управления ускорителем. Для питания генераторов используется импульсный анодный модулятор. Подробно рассмотрены некоторые режимы его работы. Описывается работа системы управления ускорителем, которая создана на базе системы управления ускорителем ИЛУ-6.

В четвертой главе приводятся методика и экспериментальные данные по настройке ВЧ - системы автогенераторы - ускоряющий резонатор. Представлены амплитудно-частотные характеристики системы. Описывается метод настройки анодных контуров автогенераторов. Так же описывается возможность тонкой подстройки без вскрытия вакуумного объема ускорителя. Приводятся результаты работы ускорителя и параметры достигнутые после произведенной настройки. Дана экспериментальная зависимость теплового ухода частоты резонатора от времени и основные осциллограммы работы ускорителя. Приводятся данные по измерению энергии электронов по пробегу в алюминии.

В заключении перечислены основные этапы работы и рассматриваются перспективы развития, а так же высказываются благодарности коллективу за участие в разработке нового ускорителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Перечислим основные результаты работы:

• проведены расчеты и оптимизация параметров ускоряющего резонатора, позволившие получить ускоряющее напряжение до 6 MB и уменьшить ВЧ потери;

• проделаны измерения характеристик нескольких изготовленных резонаторов, позволившие отработать способ обработки рабочей поверхности резонаторов;

• предложена методика расчета и проведено численное моделирование системы инжекции и расчет динамики пучка в ускоряющем резонаторе, обосновывающее введения дополнительной подачи напряжения первой гармоники ускоряющего поля к промежутку сетка-катод;

• проведены измерения характеристик электронного пучка, согласующиеся с проведенными расчетами;

• разработана методика настройки ВЧ системы два автогенератора -ускоряющий резонатор и сняты экспериментальные зависимости для настройки ВЧ системы автогенераторы - резонатор;

• проведены настройка и испытания ускорителя, в результате которых были получены рекордные параметры для серии ИЛУ, а именно, энергия частиц до 5 МэВ и средняя мощность в пучке 50 кВт;

• проведены работы позволившие увеличить импульсную мощность анодного модулятора до 8 МВт.

Опыт разработки и эксплуатации импульсных высокочастотных ускорителей типа ИЛУ (ИЛУ-6, ИЛУ-8, ИЛУ-10) [3,6,8] показал, что однорезонаторные ускорители с одним ускоряющим зазором могут быть эффективно использованы для ускорения электронов в диапазоне энергий 0,7 ч- 5 МэВ при мощности электронного пучка 20 ч- 50 кВт. В области верхней границы указанного диапазона наступают ограничения, как по энергии, так и по мощности электронного пучка из-за роста высокочастотных потерь в резонаторе и снижения электрической прочности зазора при возрастающих значениях напряженности электрического поля и запасенной энергии. Дальнейшее повышение энергии электронного пучка требует перехода на использование многозазорных ускоряющих структур, например, цепочек связанных резонаторов [11,44]. Проект многозазорного ускорителя большой мощности (300-400 кВт), находится в стадии разработки. Разработка ведется на базе результатов полученных на ускорителях ИЛУ-10, ИЛУ-11.

Необходимо отметить, что создание новой модели ускорителя является следствием многолетней работы, ведущейся в Институте ядерной физики СО РАН в лаборатории промышленных ускорителей №14 под руководством В.Л. Ауслендера, а также заслугой всего коллектива лаборатории.

Пользуясь возможностью, автор выражает благодарность Ауслендеру В.Л. за общее руководство работой, полезные советы и опыт необходимые при создании новых моделей ускорителей; Панфилову А.Д. за неоценимую помощь в понимании работы всех ВЧ - систем, упоминающихся в этой работе, а также за его деятельность в качестве наставника в течении всего срока проведения работ, и помощь в проведении измерений; Тувику А.Ф.А. за непосредственное руководство проведения работ по сборке и испытанию ускорителей; Нехаеву В.Е. за оригинальные решения, которые дали большой эффект при создании ускорителя ИЛУ-10, Горбунову В.А. за многочисленные дискуссии в поиске подходящего решения, Брязгину А.А. и Факторовичу Б.Л. за создание системы автоматизации ускорителей, Ромашко А.Д. за помощь в проведении измерений характеристик пучка; Радченко В.М. и Кокину Е.Н. за разработку выпускного устройства для поворота пучка на 90 градусов и конверсии в гамма излучение, упомянутой в главе 1; всем конструкторам, принимавшим участие в разработке ускорителей особенно Горнакову И.В. ; Макарову И.Г., Острейко Г.Н., Тиунову М.А. за проведенные расчеты и создание системы дополнительной подачи напряжения первой гармоники ускоряющего поля к промежутку сетка - катод. Также автор считает необходимым выразить свою благодарность за помощь в создании, сборке и наладке всех систем ускорителей и за дружескую поддержку Максимову С.А., Васильеву Г.А., Ширяеву В.К., Пчельникову В.И., Голдареву В.Г., Баданину И.А., Федорову А.П., Душину В.А, Осадчему И.И., Г. Б Глаголеву, Воронину JI.A.

1. Под редакцией М. Доула, «Радиационная химия макромолекул», М: «АТОМИЗДАТ», 1978 г.

2. Дж. Коггл, «Биологические эффекты радиации», М: «Энергоатомиздат», 1986 г.

3. R. Mehnert, «Review of industrial applications of electron accelerators», Proceedings of the Fourth International Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART-4), Zurich, Switzerland, August 29 - September 2, 1995

4. V.L. Auslender, «Compact HF Electron Accelerator ILU-8 for Industrial Purposes» European Particle Accelerator Conference, Rome, June 7-11, 1988. EPAC, V.2, p.1456-1458, Wored Scientific Singapore, New Jersey, 1.ondon, Hong Kong.

5. В.Л. Ауслендер, «Разработка и исследование высокочастотных ионных и электронных ускорителей для научных и промышленных применений.». Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук,Новосибирск, 1986 г.

6. В.Л. Ауслендер, Р.А.Салимов, А.Н. Скринский, Г.А. Спиридонов, «Мощные электронные ускорители и радиационная технология.» Вестник АН СССР, 1981, т.6

7. Vadim L. Auslender, Alexandr D. Panfilov, Vadim O.Tkachenko, Alfred A. Tuvik, «POWERFUL HIGH FREQUENCY ELECTRON ACCELERATOR ILU-11 FOR ENERGY RANGE UP TO 5 MeV» Proceedings of ECAART-99 Conference, Dresden, 1999.

8. В.П. Яковлев, «Методы численного исследования ускоряющих СВЧ - структур и динамики пучков заряженных частиц в линейных ускорителях» Дис. На соиск. Учен. Степени кандидат физ.мат. наук. -Новосибирск, 1987

9. В.А. Поляков, «Получение больших токов в однорезонаторных ускорителях стоячей волны», Дис. На соиск. Учен. Степени кандидат технических наук. - Новосибирск, 1977

10. Милованов, Н.П.Собенин, «Техника сверхвысоких частот», М: Атомиздат , 1980.

11. И.В. Лебедев, «Техника и приборы сверхвысоких частот»,Том 1, Москва, 1961.

12. Линде, «Основы расчета ламповых генераторов СВЧ».Москва, Госэнергоиздат 1959

13. И.П. Бушминский, «Изготовление элементов конструкций СВЧ. Москва: «Высшая школа», 1974 г.

14. И.С. Гоноровский, «Основы радиотехники», Связьиздат, М., 1957.

15. Кропивницкий, «Технология металлов», ЛЕНИЗДАТ, 1973.

16. Дж. P. Пирс, «Теория и расчет электронных пучков», Издательство «Советское радио». М: 1956

17. И.В. Алямовский, «Электронные пучки и электронные пушки» Издательство «Советское радио». М: 1966

18. Б.М. Царев, «Расчет и конструирование электронных ламп», М: Гос. энергетическое издательство, 1961 г.

19. И.М. Капчинский, «Динамикачастиц в линейных резонансных ускорителях», АТОМИЗДАТ, М: 1966

20. Н.А. Хижняк, В.Т. Толок, В.В. Чечкин, Н.И.Назаров, «О возможности ускорения больших импульсных токов в линейных электронных ускорителях». Атомная энергия, т.11 вып.1 1961 г.

21. М.Ф. Воргушин, «Динамика электронов в сильноточных линейных ускорителях резонансного типа». Труды VII межвузовской конференции по электронным ускорителям. Выпуск!, АТОМИЗДАТ, 1970 г.

22. Лебедев, А.В. Шальнов, «Основы физики и техники ускорителей», ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ,М: 1983

23. В. Дьяконов, «Mathcad 2001: учебный курс.», Издательский дом «Питер», Санкт-Петербург,2001 г.

24. М.П Свиньин, «Расчет и проектирование высоковольтных ускорителей электронов для радиационной технологии.», Энергоатомиздат, М: 1989 г.

25. В.Л. Ауслендер, И.Л. Черток, «Выпуск электронного пучка через фольгу», препринт ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1982 г.

26. Абрамян, «Промышленные ускорители электронов», ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, М: 1986 г.

27. Л.Н. Арапов, В.Л. Ауслендер и др., «Радиационно-технологическая установка ИЛУ-8К на основе ускорителя электронов для промышленного облучения пластиковой трубки и провода», препринт Р1ЯФ, Новосибирск, 1999 г.

28. Под редакцией Дж. Хайна и Г. Браунелла, «Радиационная дозиметрия », Изд. ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, М: 1958 г.

29. В.Ф. Коваленко, «Теплофизические процессы и электровакуумные приборы», М: Советское радио, 1975 г.

30. Под редакцией Б.П. Мурина, «Линейные ускорители ионов.». Том 2, Москва Атомиздат, 1978 г.

31. Р.А. Салимов, Н.К. Куксанов и др., «Ускорители серии ЭЛВ: состояние, примекнение, развитие». Вестник «Радтех-Евразия», Москва, 1999 г.

32. В.А. Поляков, Н.Д. Ромашко, И.Л. Черток, «Калибратор энергии ускоренных электронов", Тезисы докл. пятого Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве 1985, М: ЦНИИАтоминформ,1985 г.