Стабилизация и контроль основных параметров мощного электронного пучка промышленных ускорителей прямого действия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

г -—

2 о-

= РоСУДАРСТВЕННЬШ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР - ^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

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

/

На правах рукописи

НЕМЫТОВ Петр Иванович СТАБИЛИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПРОМЫШЛЕННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц л ускорительная техника

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на. соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Г11Ц РФ "Институт ядерной физики им. Г.И'. Будкера СО РАН".

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Купер — доктор технических наук,

Эдуард Адольфович ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

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

Серов — доктор технических наук,

Анатолий Федорович Институт теплофизики СО РАН,

г. Новосибирск.

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники

СО РАН, г. Томск.

Защ11^ диссертации состоится - , .¿еа л 1^)9'/' г. в

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

Адрес: 630090, г. Ноиоснбнрск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан " ^ " ¿2. 1997 г.

Ученый секретарь ,-'А^

диссертационного сонета Лч. / /

академик / ^ у Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы связана с разработкой, производством и по-тоянным совершенствованием в ИЯФ СО РАН электронных ускорите-ей прямого действия для промышленного использования в процессах: адиационной сшивки полимеров (полиэтилен, полихлорвинил, поли-шгалхлорид и т. д.) например, в кабельной промышленности; радиа-[ионного отверждишя полимерных материалов (промышленность троительных материалов); стимулирования или инициирования хими-ескнх реакций; очистки дыма, очистки сточных вод, дезинсекции зерна : других. Ряд применений ускорителей (облучение кабелей большого наметра, экологические программы) требуют создания ускорителей с [ощностыо ускоренного пучка 100 и более киловатт. Такие мощности редьявлягот повышешше требования к размеру, форме и стабильности оложения растра в выпускном окне. Многие технологии требуют вы-окон стабильности и широкого диапазона регулирования энергии и ока электронного пучка. Конкурентноспособность ускорителя сильно ависит также от качества выполнения систем управления и питания. !ысокая стабильность параметров пучка, технический уровень систем правления и питагаш промышленным ускорителем, в значительной гепени определяет его эксплуатационные характеристики, такие как адежность, удобство в управлении, длительность непрерывной рабо-ы, ремонтно-пригодность, уровень квалификации операторов. За по-педнне годы в Институте произведено н поставлено потребителям

несколько десятков промышленных ускорителей серии ЭЛВ из них око ло 20-ти на экспорт (Япония, Германия, Республика Корея, Китаг Польша), что было бы невозможно без проведения комплекса работ составляющих тему настоящей диссертации.

Целью работы, положенной в основу диссертации, являлась раз работка методов стабилизации и контроля основных параметров пучк и создание аппаратных и программных средств систем управления питания ускорителя, обеспечивающих стабилизацию и широкий диапг зон регулирования параметров ускоренного пучка электронов (энерги и ток пучка), автоматическую установку токов электромагнитов в се стеме формирования и центровки растра на фольге выпускного окш автоматическое включение (выключение) систем силового питания вспомогательных устройств. Для обеспечения длительной, надежно работы ускорителя его высоковольтный выпрямитель, системы траг спортировки и выпуска пучка должны быть снабжены средствами н< прерывной во время работы диагностики исправности и защиты. Ускс ритель должен легко встраиваться в существующие и проектируемы технологические линии, позволять регулировать и поддерживат основные параметры выпущенного пучка в соответствии с требованш ми технологического процесса.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведенные исследования систем ускорителя позволили ре; лизовать широкодиапазонные стабилизаторы энергия и тока эле] тронного пучка для всех типов ускорителей ЭЛВ.

2. Разработана система формирования растра. Предложен прин-ш и разработана система автоматической центровки растра в окне >шускного устройства.

3. Разработаны методы непрерывной, в процессе работы, диагно-ики исправности высоковольтного выпрямителя.

4. Создана комплексная система автоматизации электрофизи-ской установки для промышленных применений, какой является коритель ЭЛВ. Разработана специализированная модульная инфор-щнонно-измерителъная станция на основе микропроцессора.

6. Разработан комплекс программного обеспечения, позволяю-11Й автоматизировать все режимы работы ускорителя, как в процессе шадки, так и прн его эксплуатащш.

7. Разработаны аппаратные и программные средства, позволяю-[1с использовать ускоритель в составе технологических линий.

Практическая ценность. Комплекс работ по созданию систем ста-[лизации параметров пучка, современной системы питания управле-ея, диагностики и защиты способствовал повышению конкурентно-особности ускорителей и продаже около двадцати ускорителей ЭЛВ в пай, Японию, Республику Корея, Германшо, Польшу, а также по-авке значительного количества ускорителей на внутренний рынок, жоритель ЭЛВ был внедрен для промышленного изготовления на осковский электротехнический завод им. Вл. Ильича. Результаты боты могут быть использованы при разработке или совершенствова-и конструкции промышленных ускорителей, других электрофизиче-[IX установок.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанно работы:

1. Разработан стабшшзатор энергии электронного пучка, позш ляющнй стабн;цгшровать выходное напряжение высоковольтного bi прямителя в диапазоне энергий от 0.1 до 2.5 МэВ. Разработан стабнл] затор тока электронного пучка, управляющий током пучка изменен] ем накала электронной пушки и сохраняющий работоспособность широком диапазоне энергий, повышающий срок жизни катода и н дежность ускорители.

2. Разработана система формирования растра, которая авгом тически выбирает параметры системы в зависимости от установление энергии, автоматически центрует растр, в ускорителях с токами око; 200 мА осуществляет динамическую коррекцию формы растра и рабов двухфольговом режиме.

3. Разработана система питания ускорителя и реализованы сп соды бесконтактного включения в сеть и разгона мощных (сотни кил ватг) электромашпнных преобразователей частоты с минимальны* перегрузками питающей сети.

4. Сформулированы требования к пнформационн измерительной системе. Разработана система управления на осно стандарта КАМАК. Создан альтернативный вариант на основе сг цнализированной управляющей станции.

5. Создана про1раммная среда, с помощью которой автоматиз роняны все процедуры по управлению ускорителем при его наладке и. работе в составе технологической линии, предоставляющая операто необходимый уровень сервиса и позволяющая разработчикам ускор теля гибко реагировать на запросы, возникающие при совершенстт вашш ускорителя.

Структура диссертации. Диссертация состоит из семи глав, вве-ения и заключения и содержит 115 страниц текста и 53 рисунка. Спи-ок литературы содержит 40 наименований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались а 5, 6, 7, 8 Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заря-сенных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1985, 1988, 1992, 995), на Десятом Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных астиц (Дубна, 1986), на Четвертой международной конференции по римененшо изотопов и радиационных процессов в промышленности Лейпциг, 1988), на Первом Советско-Индийском семинаре по промыш-енному применению ускорителей электронов (Бомбей, 1988), на 13-й Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий Новосибирск, 1987), на Европейской конференции (ЕРАС, Рим, 1988), [а семинарах ускорительных лабораторий ИЯФ СО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы и дано кратче содержание основных разделов диссертации.

В первой главе описывается конструкция ускорителя ЭЛВ, на той основе формулируются требования к параметрам пучка, выби-шотся способы их стабилизации и регулирования.

Во второй главе рассмотрены системы стабилизации энергии тока электронного пучка, получены аналитические выражения для ра чета устойчивости и переходных процессов в этих системах, предлож ны программные и аппаратные средства, позволяющие обеспечить н обходимую стабильность этих параметров для всех ускорителей сери ЭЛВ.

В третьей главе рассматривается система формирования растр электронного пучка на фольге выпускного устройства. Эта система решающей степени определяет максимальный ток пучка, срок непр рывной безаварийной работы ускорителя. Как правило, оператс ускорителя (технологической установки) не обладает достаточньш знаниями и навыками (иногда это просто невозможно) для ручно установки токов разверток, линз, коррекций. Следовательно, эти пар; метры должны устанавливаться автоматически. Автором разработан программные и аппаратные модули для управления этой системо] Предложен н реализован способ автоматической центровки растра окне выпускного устройства. Для машин с поворотом пучка разраб< тана программно-аппаратная процедура, позволяющая исключит влияние гистерезиса в железе поворотного магнита на траекторию пу ка. Для мощных ускорителей (ток пучка около 200 мА) с системой вь пуска через две параллельно расположенные фольги рассматриваете система формирования растра с перекидыванием пучка между окнами.

В четвертой главе рассмотрена система силового питания ускор! теля. Предлагается система бесконтактного управления силовыми ц пями, включающую схему плавного разгона мощных (сотни киловат 3-х фазных асинхронных электродвигателей, которая позволяет

несколько раз понизить пусковой ток двигателя и уменьшить механические нагрузки на его элементы. Программная реализация алгоритма разгона позволяет не меняя аппаратуру разгонять включать любой 3-х фазный асинхронный электродвигатель с минимальными перегрузками питающей сети. Так для преобразователя частоты типа ВПЛ-200, двигатель которого при прямом пуске потребляет из сети ток до 4 кА, разработанная система разгона позволяет понизить пусковой ток до 700...800 А.

В пятой главе рассматривается система управления с информационно-измерительной системой на основе модулей КАМАК, обосновывается необходимость отказа от систем универсального применения и предлагается в качестве альтернативного варианта специализированная управляющая станция, выполненная на основе микропроцессора КР1816ВЕ31 (ВЕ51) с RS232 интерфейсом. Разработанная станция включает 64-х канальные вводные и выводные регистры, 12-ти разрядный АЦП с 64-х канальным аналоговым мультиплексором на входе, 16 12-ти разрядных ЦАП-ов, встроенный импульсный источник питания. Данная разработка может быть полезна и для других применений.

В шестой главе описано программное обеспечение системы управления ускорителем, обеспечивающее дружественный интерфейс с пользователем посредством системы динамических меню, текстовой и графической визуализации режима работы ускорителя. Алгоритмы, заложенные в программу управления ускорителем, берут на себя задачи подготовки ускорителя к работе (разгон преобразователя частоты, включение двигателя обдува фольги, включение разверток), следят за состоянием блокировок, после включения ускорителя выводят на за-

данный режим энергию и ток электронного пучка, непрерывно диагностируют исправность колонны высоковольтного выпрямителя.

В седьмой главе описаны методы, позволяющие просто встроить ускоритель в технологический процесс.

В Заключении перечислены основные результаты работы. Список работ, опубликованных но теме диссертации:

1. Перевод ускорителей серии ЭЛВ на управление от ЭВМ / Андреева Т.Н., Вейс М.Э., Григценко А.И., Корабельников Б.М., Качалов П.И., Куксанов Н.К., Немытов П.И., Салимов P.A., Са-мойлович А.Н., Черепков В.Г. // Тезисы докладов пятого Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 22-24 октября 1985 г.). -М., ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1985, стр. 17.

2. Установка высоковольтного электронного охлаждения / Вейс М.Э., Крайнев Г.С., Куксанов Н.К., Корабельников Б.М., Кузнецов С.А., Мешков И.Н., Немытов П.И., Салимов P.A., Скринский А.Н., Смирнов Б.М., Шарапа А.Н., Шемякин A.B. // 13-я Международная конференция по ускорителям частиц высоких энергий. Новосибирск, Наука, 1987, т. 1.

3. Control system for a ELV-type electron accelerator on the basis of microcomputer / Вейс М.Э., Немытов П.И. // 4-th conference on

radioisotope application and radiation processing in industry September 19-23, 1988, Leipzig, DDR.

4. Автоматизированная система формирования растра на фольге выпускного окна ЭЛВ / Вейс М.Э., Куксанов Н.К., Немытов П.И. // Тезисы докладов шестого Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 11-13 октября 1988 г.). - М., ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1988, стр. 329.

5. The system to extract the linear, ring and concentrated electron beam into the atmosphere. / Veis M.E., Grischenko A.I., Korabelnikov B.M., Kuksanov N.K., Nemytov P.I., Salimov R.A., Cherepkov V.G., Chertok I.L., Fadeev S.N. // Indo-USSR seminar on industrial application of electron accelerators. Preprint of lectures. Volume 1. November 1-3, 1988, Bombay, India, p. 33-34, смотри так же European particle accelerator conference: EPAC, Rome, 1988. Singapore e. a. world sci. 1989.

6. Двухоконное устройство вывода в атмосферу через фольгу электронного пучка с током 200 мА / Вейс М.Э., Куксанов Н.К., Корабелышков Б.М., Немытов П.М., Прудников В.В., Са-лимов Р.А. // Тезисы докладов восьмого Всесоюзного совещания по применению ускорителен заряженных частиц в народном хозяйстве (Санкт-Петербург, 26-28 сентября 1995 г.). - М., ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1992., стр. 121-122.

7. Development of the next generation of powerfull electron accelerator. / Veis M.E., Korabelnikov B.M., Kuksanov N.K., Nemytov P.I., Salimov R.A., Kosilov M.R., Prudnikov V.V. // Radiation Physics and Cemistry, vol. 46, 1995.