научная статья по теме ПОДЪЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВАКУУМНЫХ ЗАЗОРАХ УСКОРИТЕЛЯ-ТАНДЕМА С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОДЪЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВАКУУМНЫХ ЗАЗОРАХ УСКОРИТЕЛЯ-ТАНДЕМА С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ»

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

537.521.6

ПОДЪЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВАКУУМНЫХ ЗАЗОРАХ УСКОРИТЕЛЯ-ТАНДЕМА С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

© 2014 г. И. Н. Сорокин, С. Ю. Таскаев

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 E-mail: I.N.Sorokin@inp.nsk.su, S.Yu.Taskaev@inp.nsk.su Поступила в редакцию 15.10.2013 г.

Для получения протонного пучка с энергией 2 МэВ и постоянным током до 10 мА был предложен, изготовлен и введен в эксплуатацию новый тип ускорителя — электростатический ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, отличающийся быстрым ускорением заряженных частиц и большой площадью поверхностей ускоряющих электродов. В работе изучается влияние пробоев на электрическую прочность высоковольтных элементов ускорителя.

DOI: 10.7868/S0032816214030094

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 5-8

УДК

Для проведения бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей в условиях онкологических клиник был предложен источник эпитепловых нейтронов на основе нового типа ускорителя — электростатического ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией [1]. Общий вид ускорителя приведен на рис. 1. Инжектируемые отрицательные ионы водорода ускоряются до 1 МэВ подаваемым на высоковольтный электрод потенциалом, превращаются в протоны в газовой обдирочной мишени, и затем протоны тем же потенциалом ускоряются до 2 МэВ. Откачка газа обдирочной мишени осуществляется криогенным и турбомолекулярным насосами через систему жалюзи, расположенных в верхней части электродов-экранов. Потенциалы на высоковольтный электрод и промежуточные электроды-экраны подаются от высоковольтного источника напряжения через заполненный элегазом проходной изолятор, в котором установлен омический делитель.

Созданный ускоритель отличается большой площадью электродов — 41 м2. Из-за отсутствия данных о высоковольтной прочности подобных систем сначала была определена напряженность электрического поля на однозазорном (45 мм) прототипе с площадью высоковольтного электрода 0.7 м2, составившая 60 кВ/см [2]. Этот результат послужил основой выбора напряженности электрического поля в межэлектродных промежутках создаваемого ускорителя величиной 25 кВ/см. Помимо вакуумных зазоров высоковольтную прочность ускорителя определяет и проходной изолятор. При проектировании изолятора учитывался результат работы [3] — высоковольтная прочность по поверхности изоляторов в виде колец, эксплу-

атируемых в среде элегаза под давлением более 3 атм, составляет более 100 кВ/см. Также из практики известно, что первые поверхностные вакуумные пробои изоляторов высотой несколько сантиметров проходят при напряженности ~10 кВ/см. В итоге, в газовой части спроектированного проходного изолятора (9 на рис. 1) напряженность электрического поля по поверхности керамических колец составила 15 кВ/см, а в вакуумной части изолятора (8) — 12 кВ/см по поверхности стеклянных колец. Видно, что экспериментальными данными не был полностью подтвержден выбор напряженности электрического поля в межэлектродных промежутках и по внешней поверхности стеклянных колец вакуумной части проходного изолятора.

Достижение расчетной напряженности поля в межэлектродных промежутках и по поверхности изолятора может быть осуществлено высоковольтной тренировкой пробоями. Данная работа посвящена изучению влияния пробоев на электрическую прочность высоковольтных элементов ускорителя с целью получения требуемого напряжения на ускорителе.

Из-за новизны конструкции ускорителя-тандема, т.е. большой площади электродов и сложной конструкции проходного изолятора, было предложено проводить тренировку пробоями в два этапа. Сначала осуществлялся подъем напряжения на отдельных зазорах, а затем последовательное подключение зазоров и подъем на полное напряжение. Перед подъемом напряжения вакуумный бак ускорителя прогревался до температуры 110°С с помощью нагревателей, расположенных на внешней поверхности бака.

6

СОРОКИН, ТАСКАЕВ

Рис. 1. Общий вид электростатического 6-зазорного ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией. 1 — высоковольтный электрод ускорителя-тандема; 2 — высоковольтный электрод источника напряжения; 3 — жалюзи электродов-экранов; 4 — криогенный насос; 5 — вакуумный бак ускорителя; 6 — промежуточные электроды-экраны; 7 — газовая обдирочная мишень; 8 — вакуумная часть проходного изолятора; 9 — газовая часть проходного изолятора; 10 — турбомолекулярный насос; 11 — внутренние коаксиальные цилиндры.

Для испытания как отдельных, так и последовательно подключаемых зазоров было разработано и изготовлено специальное приспособление (рис. 2) в виде двух перемещающихся по высоте штанг, закрепленных на изоляторе между высоковольтным электродом и стенкой бака высоко-

Рис. 2. Приспособление для одиночного и последовательного подключения зазоров. 1 — штанга с высоким потенциалом; 2 — земляная штанга; 3 — изолятор; 4 — высоковольтный электрод выпрямителя; 5 — бак выпрямителя; 6 — газовая часть проходного изолятора.

вольтного выпрямителя. Штанга 1 имела общий потенциал с выпрямителем, штанга 2 — с землей. Каждый из вакуумных ускоряющих зазоров (совместно с соответствующими газовыми зазорами, стеклянными и керамическими изоляторами) ис-пытывался на напряжение до 200 кВ.

На рис. 3 показан подъем напряжения на одном из ускоряющих зазоров при позазорной тренировке. Видно, что первый пробой прошел при 140 кВ, что соответствует напряженности по поверхности стеклянного изолятора ~10 кВ/см.

Испытания с последовательно подключаемыми зазорами проводились при давлении элегаза внутри бака высоковольтного выпрямителя 6 атм, внутри проходного изолятора — 3 атм. На рис. 4 представлены кривые зависимости пробивного напряжения от количества пробоев для одного, двух, трех, четырех и пяти последовательно подключенных зазоров. Из графиков видно, что с увеличением числа зазоров пробивное напряжение ускорителя растет, а на пяти зазорах было достигнуто напряжение 1 МВ. Кратковременно достигнутые в экспериментах напряженности ~30 кВ/см (рис. 5) на 20% выше уровня рабочей напряженности (на графике обозначен штриховой линией).

После проверки на высоковольтную прочность всех элементов отдельных ускоряющих зазоров ускоритель был включен на полное напря-

ПОДЪЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВАКУУМНЫХ ЗАЗОРАХ

7

и, кВ 200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

78 Т, ч

Рис. 3. Подъем напряжения на одиночном зазоре.

и, кВ 1100 г

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

0

V Лд * Л

* д 5 зазоров

4++ -4--Н-

+ ++ + 4 зазора

-++++ 3 зазора

2 зазора

З^о гО

1 зазор

20

40

60

80 100 N пробои

Рис. 4. Зависимость пробивного напряжения от количества пробоев.

жение, и тренировочная кривая одного из первых экспериментов представлена на рис. 6а. Первый пробой прошел при напряжении 770 кВ, что соответствует напряженности электрического поля в зазорах 20 кВ/см. Подъем напряжения и пробои сопровождались изменением остаточного давления в вакуумном баке. На ускорителе было полу-

Е, кВ/см 30 26 22 18 14 10

X

++.Й ,+ + -Ю

г«*

Напряженности в зазорах

- - - рабочая • 1 зазор

2 зазора

3 зазора

4 зазора

5 зазоров

о

_1_

_1_

_1_

0

20

40

60

80 100 N пробои

Рис. 5. Зависимость напряженности в зазорах от количества пробоев.

и, кВ 1000

800

600

400

200

(а)

(б)

(в)

800 600 400 200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Время, мин

Рис. 6. Динамика выхода напряжения на режим без пробоев (а — начало, б — середина, в — окончание тренировки).

чено напряжение 1 МВ, динамика выхода на режим без пробоев показана на рис. 6. Максимальное время выстойки напряжения без пробоев составило более 2 ч.

6

1

2

3

4

5

8

СОРОКИН, ТАСКАЕВ

Таким образом, на ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией электродов изучено влияние пробоев на электрическую прочность высоковольтных вакуумных ускоряющих зазоров. Проведена позазорная тренировка всех зазоров. Подтверждено, что вакуумные пробои не снижают высоковольтной прочности ускорителя-тандема. В результате проведенных экспериментов достигнуто требуемое напряжение 1 МВ и обеспечена устойчивая работа ускорителя без пробоев в течение нескольких часов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bayanov B.F., Belov V.P., Bender E.D., Bokhovko M.V., Dimov G.I., Kononov V.N., Kononov O.E., Kuksanov N.K., Palchikov V.E., Pivovarov V.A., Salimov R.A., Silvestrov G.I., Skrinsky A.N., Taskaev S.Yu. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. A. 1998. V. 413/2-3. P. 397. DOI: 10.1016/S0168-9002(98)00425-2.

2. Сорокин И.Н, Широков В.В. // ПТЭ. 2003. № 1. C. 5.

3. Крючков А.М., Сорокин И.Н., Широков В.В. Препринт ИЯФ СО РАН 94-54. Новосибирск, 1994. С. 40.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком