Устройство для регистрации средней кинетической энергии электронов в сечении пучка
Работа посвящена разработке, изготовлению и испытанию устройства для регистрации средней кинетической энергии по сечению электронного пучка. В функции прибора также входят возможность определения распределения плотности энергии по сечению электронного пучка, суммарной энергии, переносимой пучком, общего тока и заряда пучка. Были проведены испытания, подтверждающие целесообразность использования предложенного прибора для диагностики обозначенных характеристик пучка. Разработанное устройство имеет возможность для последующей модернизации.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
Глава 1. Диагностика электронного пучка ………………………………………………… 19
1.1 Задачи диагностики…………………………………………………………………………….. 19
1.2 Генерация и поглощение пучка электронов …………………………………………. 20
1.3 Глубина проникновения электронов ……………………………………………………. 22
1.4 Теплопроводность и излучение …………………………………………………………… 25
Глава 2. Методика определения средней кинетической энергии электронов в
сечении пучка и экспериментальное оборудование …………………………………… 27
2.1 Метод тепловизионной диагностики …………………………………………………… 27
2.2 Измерение заряда пучка цилиндром Фарадея ………………………………………. 29
2.3 Методика измерения средней кинетической энергии электронов в сечении
пучка ……………………………………………………………………………………………………….. 32
2.4 Оборудование для проведения экспериментов …………………………………….. 32
2.4.1 Импульсный ускоритель электронов «Астра-М» ………………………………. 32
2.4.2 Используемое штатное диагностическое оборудование импульсного
ускорителя электронов «Астра-М» …………………………………………………………… 34
Глава 3. Разработка и испытание устройства для определения средней
кинетической энергии электронов в сечении пучка …………………………………… 36
3.1 Разработка и изготовление устройства для регистрации средней
кинетической энергии в сечении пучка …………………………………………………….. 36
3.1.1 Конструкция устройства…………………………………………………………………… 36
3.1.1.1 Общее устройство …………………………………………………………………………. 36
3.1.1.2 Конструкция коллектора ……………………………………………………………….. 39
3.1.1.3 Конструкция блока датчиков …………………………………………………………. 42
3.1.1.4 Конструкция шунта цилиндра Фарадея ………………………………………….. 43
3.1.2 Используемая электроника ………………………………………………………………. 44
3.1.2.1 Бесконтактные температурные датчики …………………………………………. 45
3.1.2.2 Контроллеры …………………………………………………………………………………. 47
3.1.3 Программное обеспечение ……………………………………………………………….. 48
3.1.4 Сборка устройства……………………………………………………………………………. 51
3.1.5 Калибровка температурных датчиков……………………………………………….. 52
3.2 Постановка эксперимента …………………………………………………………………… 54
3.3 Результаты………………………………………………………………………………………….. 55
3.3.1 Оценка распределения энергии по сечению пучка…………………………….. 55
3.3.2 Определение спектра кинетических энергий электронов …………………… 58
3.3.3 Оценка распределения средней кинетической энергии электронов по
сечению пучка …………………………………………………………………………………………. 60
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение…………………………………………………………………………………… 63
4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………………….. 63
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………… 63
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………. 64
4.2 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………… 66
4.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………… 69
4.4 Инициация проекта …………………………………………………………………………….. 71
4.4.1 Организационная структура проекта ………………………………………………… 72
4.5 План проекта ………………………………………………………………………………………. 74
4.6 Разработка графика проведения НИОКР ……………………………………………… 75
4.7 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………….. 77
4.7.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты (за вычетом
отходов) …………………………………………………………………………………………………… 77
4.7.2 Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ . 79
4.8 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………….. 80
4.8.1 Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала
4.9 Отчисления во внебюджетные фонды …………………………………………………. 82
4.10 Накладные расходы…………………………………………………………………………… 83
4.11 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта …. 84
Глава 5. Социальная ответственность ……………………………………………………….. 89
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 89
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……… 90
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ………………………………………………………….. 90
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ………………………………………………………………………………………….. 91
5.2 Профессиональная социальная безопасность ………………………………………. 93
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………………….. 93
5.2.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов ……………………………………………………………………. 95
5.3 Радиационная безопасность ………………………………………………………………… 98
5.4 Электробезопасность ………………………………………………………………………… 100
5.5 Пожарная и взрывная безопасность …………………………………………………… 102
Выводы по разделу…………………………………………………………………………………. 105
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 107
Список публикаций ………………………………………………………………………………… 108
Список использованных источников ………………………………………………………. 110
Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 116
Приложение Б ………………………………………………………………………………………… 134
Ускорители электронов прямого действия в настоящее время широко
используются в качестве источников ионизирующего излучения в
промышленности, медицине, для решения экологических задач взамен
традиционным источникам на основе изотопов [1, 2, 3, 4]. Этому способствуют
высокие показатели эффективности и безопасности технологических
процессов с применением ускорителей. Уровень развития ускорителей
непрерывного действия с энергией электронов порядка нескольких МэВ и
высокой, сотни кВт мощностью, достиг промышленного применения [5, 6, 7].
Активно развиваются прикладные применения малогабаритных ускорителей
импульсного действия [8].
Различные производственные процессы или исследования с
применением электронных ускорителей требуют различной конфигурации и
характеристик пучка. К основным характеристикам относятся: максимальная
кинетическая энергия электронов, средняя кинетическая энергия электронов в
пучке, энергия, перенесённая электронным пучком за импульс (для
импульсных), импульсная мощность, средняя мощность электронного пучка и
т.д. Оперативный контроль характеристик электронного пучка для
ускорителей прямого действия, как правило, производится по выходным
параметрам генератора – напряжению и току диода. Для практического
использования, большую важность представляют характеристики пучка
непосредственно в области его применения, как правило, в камерах с газовой
средой при давлениях близких атмосферному. Таким образом, возникает
необходимость измерения таких характеристик как: распределения энергии
пучка в сечении, тока и заряда пучка, кинетической энергии электронов по
сечению пучка, выведенного в атмосферу.
Для определения энергии переносимой пучком используются
калориметры полного поглощения. Принцип измерения калориметром
основан на использовании некоторого материала с известной теплоёмкостью
в качестве поглотителя пучка (коллектора, мишени) и дальнейшем расчете
поглощенной энергии с учетом разности температур мишени до и после
облучения. В работе [9] описан калориметр имеющий несколько
теплоизолированных секторов, изменение температуры которых считывается
термопарный датчиком. Такие калориметры не обладают высокой
разрешающей способностью определения распределения энергии по сечению
пучка, кроме того, термопара обладает высокой инерционностью, что вносит
дополнительные погрешности в измерения. Работы [10, 11, 12] являются
развитием одного метода – использования материала с низкой объемной
плотностью и низкой теплопроводностью в качестве мишени для
бомбардировки электронным пучком, измерения нагрева мишени
тепловизором и дальнейшего расчета характеристик. Такие калориметры
обладаю высокой разрешающей способностью, недостатком такого метода
является затрудненный анализ полученных данных, так как оценка
распределения энергии по сечению пучка требует анализа пространственного
отпечатка по всему объему материала. В исследовании [13] был предложен
калориметр с секционированным коллектором, позволяющий достоверно
определять распределение энергии по сечению пучка в течении 60 секунд
после облучения. Квадратные секции коллектора и декартова система
координат при описании результатов затрудняют использование прибора для
пучков круглого сечения, а отсутствие автоматизации затрудняет обработку
результата.
Для измерения тока и оценки заряда электронного пучка традиционно
используется цилиндр Фарадея (ЦФ) [14]. Принцип действия заключается в
следующем: электроны пучка полностью поглощаются в мишени (коллекторе
цилиндра Фарадея), соединенной с заземлённым выводом генератора через
низкоиндуктивный шунт с известным сопротивлением. Ток электронов
обеспечивает падение напряжения на шунте, которое фиксируется с помощью
осциллографа. Интеграл тока позволяет оценить заряд, перенесенный пучком
электронов и, соответственно, их количество. На циклических и линейных
ускорителях с хорошей повторяемостью импульсов тока применяется
конструкция цилиндра Фарадея сложной формы [15], включающая в себя
массивный цилиндр – проводник, различные материалы поглотители,
отражатели и др. Подобные ЦФ обладают высокой точностью, однако
громоздки и неудобны в эксплуатации. Для импульсных частотных
ускорителей может применятся конструкция, приведенная в [8], основными
элементами которой являются плоский коллектор и низко индуктивный шунт.
Подобные ЦФ позволяют достоверно регистрировать токи в пределах 400 А-
100 кА [16].
Для экспериментального измерения спектра кинетических энергий
электронов в ряде случаев используют метод отсечных фольг. В работе [17] на
пути распространения пучка устанавливался ряд фольговых ЦФ, каждый из
которых регистрировал количество электронов, поглощенных в конкретной
фольге. Зная энергию электронов, необходимую для преодоления
определённого материала, определённой толщины можно построить спектр
электронов в пучке. Также известен метод тормозящего поля: электроны,
обладающие поступательной энергией, достаточной для преодоления
тормозящего электрического поля, создают ток мишени, по зависимости
которого от тормозящего напряжения можно определить распределение
электронов по энергии [18].
В данной работе предлагается создать устройство, совмещающее в себе
функции калориметра и цилиндра Фарадея. Секционированный коллектор
является развитием конструкции, описанной в [13]. Каждая секция коллектора
теплоизолирована и служит для определения распределения энергии по
сечению электронного пучка. Нагрев каждой секции измеряется с помощью
отдельного бесконтактного температурного датчика, имеющего возможность
автоматического получения и обработки показаний. В то же время, каждая
секция коллектора соединяется электрически с низкоиндуктивным шунтом
малого сопротивления, образуя коллектор ЦФ, позволяющий оценить общий
ток и заряд пучка электронов. Применяя отсечные фольги, можно построить
спектр кинетических энергий электронов с помощью ЦФ, а принимая во
внимание показания с секционированного калориметра, можно установить
локализацию электронов с разной средней кинетической энергией по сечению
пучка. Таким образом, данным прибором могут определяться важнейшие
характеристики электронного пучка в одном и том же акте измерения, то есть
отсутствует дополнительная погрешность, возникающая при смене
диагностического оборудования и генерации условно разных пучков для
измерений разных параметров.
Целью выпускной квалификационной работы является создание
прибора для регистрации средней кинетической энергии электронов по
сечению пучка и исследование распределения электронов с разной средней
кинетической энергией по сечению пучка импульсного электронного
ускорителя
Были поставлены следующие задачи:
− рассчитать основные параметры прибора, такие как: проективный
пробег электронов в секциях коллектора, тепловые потери с поверхности
ячеек за счет теплопроводности, излучения, конвекции, время
уравновешивания температуры на противоположных сторонах ячейки после
облучения электронным пучком, сопротивление шунта ЦФ и необходимую
рассеиваемую мощность резисторов ЦФ;
− разработать конструкцию устройства;
− изготовить, собрать и откалибровать прибор;
− исследовать распределение электронов с разной средней
кинетической энергией по сечению пучка импульсного электронного
ускорителя.
В ходе проделанной работы было создано и испытано устройство для
регистрации средней кинетической энергии электронов по сечению пучка.
Испытания разработанного устройства показали возможность его
использования для диагностики импульсного электронного пучка. Ошибка
измерений полной энергии пучка электронов секционированным
калориметром не превышает ±8%, интегральным – ±5%. Ошибка измерения
полного заряда пучка не более 5% для секционированного и интегрального
цилиндров Фарадея. Исследовано распределение энергии по сечению
импульсного электронного пучка ускорителя «Астра-М». Распределение
энергии по сечению импульсного электронного пучка ускорителя «Астра-М»
отличается для электронов с разной кинетической энергией. Наибольшая
неоднородность плотности распределения энергии показана для электронов с
энергией менее 85 кэВ.
Таким образом, испытания разработанного устройства показали
возможность его использования для диагностики импульсного электронного
пучка. Прибор имеет возможность для последующей модернизации: снятия
заряда с каждой отдельной секции и численного определения кинетической
энергии электронов по сечению пучка.
Список публикаций
1. Egorov I. S. , Serebrennikov M. A. , Isakova Y. I. , Poloskov A. V.
Sectioned calorimeter for quick diagnostic of the electron beam energy distribution
// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. – 2017 – Vol. 875. – p.
132-136;
2. Egorov I. S. , Remnyov G. E. , Poloskov A. V. , Serebrennikov M. A.
Effect of emission current delay on the efficiency of electron beam production //
Vacuum. – 2017 – Vol. 143. – p. 428-432;
3. Poloskov A. V. , Egorov I. S. , Serebrennikov M. A. Design and testing
of fluid resistor for repetitive high-voltage pulse generator // Journal of Physics:
Conference Series. – 2017 – Vol. 830, Article number 012047. – p. 1-5;
4. Poloskov A. V. , Egorov I. S. , Ezhov V. V. , Serebrennikov M. A.
Commutation of a capacitive energy bank by pseudospark switcher in self-
breakdown mode // Известия вузов. Физика. – 2016 – Т. 59 – №. 9/3. – C. 9-11;
5. Egorov I. S. , Poloskov A. V. , Serebrennikov M. A. , Isemberlinova A.
A. Research of Energy Density for Pulsed Electron Beam of Wide Electron Kinetic
Energy Spectrum // 20th International Symposium on High-Current Electronics:
Proceedings, Tomsk, September 16-22, 2018. – [S.l]: IEEE, 2018 – p. 27-30;
6. Серебренников М. А., Егоров И. С., Полосков А. В. Оптимизация
конструкции секционированного калориметра для исследования свойств
электронных пучков круглого сечения // Двадцать четвертая всероссийская
научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: материалы,
Томск, 31 Марта-7 Апреля 2018. – Екатеринбург: АСФ России, 2018 – C. 201-
202;
7. Egorov I. S. , Poloskov A. V. , Ezhov V. V. , Serebrennikov M. A.
Design and testing of fluid resistor for repetitive high-voltage pulse generator //
Energy Fluxes and Radiation Effects: Abstracts of International Congress, Tomsk,
October 2-7, 2016. – Tomsk: TPU Publishing House, 2016 – p. 122;
8. Poloskov A. V. , Egorov I. S. , Ezhov V. V. , Serebrennikov M. A.
Commutation of a capacitive energy bank by pseudospark switcher in self-
breakdown mode // Energy Fluxes and Radiation Effects: Abstracts of International
Congress, Tomsk, October 2-7, 2016. – Tomsk: TPU Publishing House, 2016 – p.
124;
9. Serebrennikov M. A., Egorov I. S. Computer model of the «Astra»
pulsed electron accelerator [Electronic resorces] // Физико-технические проблемы
в науке, промышленности и медицине: сборник тезисов докладов VII
Международной научно-практической конференции, Томск, 3-6 Июня 2015. –
Томск: ТПУ, 2015 – C. 210-211.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (13 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
4.3 (248 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
5 (428 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.2 (13 отзывов)
