научная статья по теме ТРАНСПОРТАБЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК МОЩНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЛТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ТРАНСПОРТАБЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК МОЩНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЛТИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 122-130

_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _

--ТЕХНИКА -

УДК 621.384.6

ТРАНСПОРТАБЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК МОЩНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЛТИ

© 2007 г. А. И. Герасимов, К. Ф. Зеленский, В. В. Кульгавчук, И. А. Трошкин

"Институт ядерной и радиационной физики" ФГУП РФЯЦ-ВНИИ экспериментальной физики Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 Поступила в редакцию 26.07.2006 г.

Представлены характеристики генератора импульсного (~50 нс) рентгеновского излучения ИЛТИ с граничной энергией квантов ~700 кэВ и дозой ~1 Р на 1 м от мишени. ИЛТИ предназначен для оперативной проверки реакции исследуемого объекта в месте его размещения на воздействие излучения в заданные моменты времени при температуре окружающего воздуха от +40 до -10°С, а также для рентгенографического контроля (диаметр фокуса пучка ~5 мм) положения деталей объекта за непрозрачным кожухом. Разброс задержки времени срабатывания источника относительно стартового импульса < ±30 нс. ИЛТИ создан на базе ускорителя пучка электронов с импульсным током ~80 кА. Накопителем энергии и формирователем импульса ускоряющего напряжения является двойная формирующая линия (д.ф.л.) с глицериновой изоляцией. Д.ф.л. заряжается за 280 нс от шестика-скадного генератора Аркадьева-Маркса. Ток зарядки внутренней линии д.ф.л. проходит через сопротивление предымпульсной плазмы, образуемой в объеме сильноточного электронного диода между его электродами специальной формы. Для обеспечения >20 последовательных включений ИЛТИ без замены анодных и катодных деталей применен "обратный" диод с массивным анодом и пинчеванием пучка электронов в межэлектродном промежутке. Рентгеновское излучение выводится в воздух через окно из полиэтилена, выдерживающее >200 включений источника. ИЛТИ имеет блочно-разборную структуру с возможностью быстрого демонтажа и перемещения на новое место. Ввод ИЛТИ в действие занимает около 2 ч. Использование с 1998 г. двух ИЛТИ для радиационных исследований показало стабильность их функционирования и простоту обслуживания.

PACS: 29.17^

Для оперативной проверки аппаратуры при воздействии на нее в заданные моменты времени интенсивного рентгеновского излучения (р.и.) длительностью ~50 нс, а также для рентгенографического контроля положения деталей объекта за непрозрачным кожухом нужен транспортабельный источник такого излучения.

Источник должен иметь блочную структуру, позволяющую быструю разборку, перемещение блоков на новое место, быструю сборку и ввод установки в действие. К основным требованиям также относятся:

- температура окружающего источник воздуха от +40 до -10°С;

- граничная энергия квантов р.и. ~700 кэВ;

- доза за импульс на расстоянии 1 м от анода >1 Р ± 20%;

- доза на расстоянии 10 см от анода >150 Р;

- размер фокусного пятна излучения ~5 мм;

- частота запусков не реже 1 раза в 5 мин;

- разброс задержки времени срабатывания источника относительно стартового импульса < ±30 нс;

- ресурс включений без разгерметизации излучателя (сильноточного диода) для профилактики катодного, анодного и выводного устройств >20;

- ресурс срабатываний без профилактики остальных узлов источника >500;

- ввод в действие после соединения всех узлов через ~2 ч;

- общий ресурс включений источника >2 • 103 запусков;

- минимальный уровень рассеянных электромагнитных полей около источника;

- срок службы >5 лет;

- общая масса источника <2000 кг;

- максимальная масса одиночного узла - 1300 кг;

- максимальные габариты: длина - 3, ширина -1.5 и высота - 1 м;

- высокая надежность узлов источника;

- простота и удобство обслуживания.

Выполнение основной части этих требований

не вызывало больших сомнений. Однако взаимоисключающими являлись формирование пучка с размером его фокуса 5 мм при указанных энергии ускорения электронов, амплитуде тока и длительности его импульса и одновременно обеспе-

чение ресурса срабатываний диода >20 включений без его разгерметизации. Связано это с тем, что в сильноточных диодах с пинчеванием пучка на тонкой анодной мишени она обычно "прогорает" в месте фокуса за одно срабатывание установки.

С учетом имеющегося во ВНИИЭФ многолетнего опыта разработки высоковольтной электрофизической аппаратуры, в том числе сильноточных импульсных ускорителей с водяной и глицериновой изоляциями (например, [1-6]), для обеспечения этих требований в качестве источника высокого напряжения был выбран экранированный масло-изолированный генератор импульсного напряжения Аркадьева-Маркса (г.и.н.), заряжающий двойную формирующую линию (д.ф.л.) с глицериновым диэлектриком, которая затем разряжается на сильноточный электронный диод с взрывоэмисси-онным катодом.

Электрическая схема г.и.н. для формирования на выходе импульсного напряжения положительной полярности приведена на рис. 1. Г.и.н. содержит шесть каскадов умножения напряжения с одним конденсатором типа ИК 100-0.25 УХЛ (100 кВ, 0.25 мкФ, 1.25 кДж) в каждом из них. Конструкция г.и.н. аналогична ранее описанному пятика-скадному г.и.н. с такими же конденсаторами, но с более индуктивными разрядниками [7]. Компоненты каскадов размещены в стальном заземленном герметичном баке, являющемся обратным токопроводом сильноточного разрядного контура. Бак одновременно служит силовым несущим каркасом при транспортировке г.и.н.

Одним из важных элементов, определяющих задержку времени включения г.и.н. и ее стабильность при последовательных запусках, является коммутатор каскада. Во ВНИИЭФ имеется большой опыт создания и длительного использования в г.и.н. надежных тригатронов на напряжение до 100 кВ, наполняемых смесью N и SF6 до давления 0.9 МПа и срабатывающих с наносекундным разбросом при запасах электропрочности до 100%. Поэтому в первых трех каскадах применены известные управляемые разрядники «х-« (например, [8-11]), а в остальных «4-«6 - аналогичные, но без пусковых электродов, пробивающиеся при перенапряжении зазоров между основными электродами.

Для учета потерь энергии сопротивление искровых каналов разрядников оценивали по формуле Брагинского-Андреева [12]

Л, - 0.1/р1/3(Т2/30-1, (1)

где /, м - длина разрядного промежутка; р, г/см3 -плотность наполняющего разрядник газа; I, А -средний ток в течение расчетного интервала времени t [с]. Для пробоя разрядников с наносекундным разбросом их электроды должны иметь полярно-

Рис. 1. Электрическая схема г.и.н. С - конденсатор каскада; «1-«б - газонаполненные разрядники; Ь - катушки индуктивности зарядно-разрядных цепей; , К0 - резисторы пусковой цепи; ПР - пояс Роговского; Кн - резистивный имитатор нагрузки; , Ц - напряжения управляющее и зарядки конденсаторов; Э -экран (бак).

сти потенциалов, указанные на рис. 1. Если они будут противоположными, то при прочих равных условиях время задержки пробоя и его разброс возрастут на порядок.

Так как г.и.н. должен работать и при минусовых температурах, то вместо обычно используемых герметичных жидкостных резисторов [13] в его зарядно-разрядных цепях установлены катушки Ь из 77 витков стального провода 01.2 мм в один слой в пазах глубиной 2 мм на цилиндрическом полиэтиленовом каркасе 045 мм. К торцам каркасов прикреплены винтами дисковые электроды. Габаритная длина катушки - 178 мм, индуктивность - 68 мкГн с учетом близко находящихся металлических деталей.

Резисторы К = 300 Ом и К0 = 50 Ом для г.и.н. были отобраны из промышленных резисторов типа ТВ0-60 по надежности контактов их выводов с объемнопроводящей массой и по испытаниям в масле на импульсное напряжение 100 кВ. При этом к каждому резистору 50 раз прикладывалось напряжение длительностью ~1 мкс с амплитудой, превышающей в 2-3 раза номинальное постоянное рабочее напряжение, после чего при сохранении величины сопротивления резистора он использовался.

Перед монтажом конденсаторов проверяли электропрочность каждого из них при постоянном напряжении 130 кВ в течение 1 мин. Затем их испытывали на надежность внутренних сильноточных соединений в течение 50 зарядно-разрядных циклов при импульсном токе ~50 кА. Выдержавшие эти проверки конденсаторы отбирали по

одинаковой величине емкости. Каждый тригатрон тоже индивидуально проверяли на стенде на герметичность при давлении газа 2 МПа, а затем - на электропрочностные и пусковые характеристики.

После сборки г.и.н. в баке и заливки в него сухого трансформаторного масла к его выходу подключали мощный резистор Ян (имитатор нагрузки) на основе водного раствора сульфата меди [14] с возможностью изменения сопротивления от 3 до 50 Ом путем замены электролита. Постепенно повышая напряжение и0 зарядки конденсаторов от 70 до 100 кВ и изменяя величину Лн, в том числе при его закорачивании, измеряли времена задержек и их разброс при срабатываниях г.и.н., а также его индуктивность.

С целью повышения надежности г.и.н. и ресурса конденсаторов принято рабочее напряжение в диапазоне от 85 до 95 кВ. Так как ресурс конденсаторов пропорционален Е10 [15], где Е - рабочая напряженность поля в изоляции, то, например, снижение Е на 10% увеличивает их ресурс уже в 2.2 раза.

При и0 = 90 кВ и давлении газа в разрядниках 0.7 МПа (запас по напряжению 80%) время задержки составило 112 ± 8 нс в серии из 300 запусков при амплитуде управляющего напряжения и = 60 кВ с фронтом ~10 нс. Измеренная по характеристикам колебательного процесса тока в контуре г.и.н. индуктивность равна ~0.9 мкГн. Около 50 запусков г.и.н. сделано при и0 = 100 кВ и Ян = 50 Ом для проверки электропрочности элементов контура при длительности прикладываемого к Ян импульса ~1.6 мкс. Всего в период испытаний г.и.н. проведено 800 его запусков в разных режимах без каких-либо отрицательных последствий.

Выбор глицерина для д.ф.л. определен следующими характеристиками, подходящими для такого ускорителя:

- температура замерзания < -50°С;

- сохранение электропрочности и частотных свойств в течение нескольких лет на импульсах микросекундной длительности без какой-либо периодической обработки жидкости даже после многократных пробоев через объем [5, 6, 16, 17];

- напряженность при пробое оценивается для конкретных условий по формуле [18] для обеи

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