Разработка и конструирование высоковольтного изолятора импульсного ускорителя электронов

В настоящее время ускорители электронов широко применяются в
качестве источников ионизирующего излучения. Например, в
промышленности, медицине и для решения различных экологических
задач [1,2,3,4]. Этому способствуют высокие показатели безопасности,
эффективности и надежности технологических процессов с применением таких
ускорителей. Уровень развития ускорителей непрерывно растет. Ускорители с
энергией электронов порядка нескольких МэВ, и мощность достигающей сотни
кВт изготавливаются и применяются в промышленности. Соответственно
размеры изоляции, габаритные размеры ускорителя зависят от величины от
класса напряжения, на котором будет работать ускоритель.
В ускорителях прямого действия, которые используют импульсный
способ формирования ускоряющего напряжения, пробивное напряжение
изолирующих промежутков выше, чем у ускорителей непрерывного
действия [5,6]. Данное положение делает возможным уменьшение размеров
изоляции, что является основным преимуществом перед ускорителями
непрерывного действия такого же класса напряжения. Повышение
электрической прочности изоляции начинает проявляться уже на
субмикросекундной длительности импульса. Также основным преимуществом
данных ускорителей является мощность, достигаемая сотни ГВт, что
практически невозможно получить на ускорителях непрерывного действия.
Одним из основных элементов ускорителей является электронный диод,
функцией которого является эффективное преобразование электрической
энергии, накопленной в генераторе, в кинетическую энергию потока
заряженных частиц – электронов. Соответственно, что обеспечить
электрическую прочность ускоряющего промежутка и высоковольтного
изолятора, диоды выполняют, как правило, вакуумными. Вакуум как изолятор
используется главным образом из-за его электроизоляционных свойств и его
способность быстро восстанавливать электрическую прочность. Как уже было
сказано выше, импульсный характер позволяет уменьшить размеры изоляции
ускорителей электронов по сравнению с постоянными [7].
Функциональным назначением высоковольтного импульсного изолятора
является обеспечение электрической прочности промежутка между
высоковольтным выводом генератора и заземлённым корпусом, в то же время
изолятор отделяет маслонаполненный объем высоковольтной части генератора
от вакуумного объёма электронного диода. Материал диэлектрика – оргстекло.
Для обеспечения равномерного распределения потенциала вдоль
поверхности изолятор выполняется секционированным, с ёмкостной связью
между секциями. В этом проявляется существенное различие между
ускорителями постоянного и прямого действия. В ускорителях прямого
действия не требуется исполнение изолятора секционным, т.к. электрическое
поле носит постоянный характер и распределяется равномерно по полому
изолятору. Это связано с тем емкость относительно корпуса будет одинакова по
всей длине. В ускорителях прямого действия распределение напряженности по
полому изолятору уже не будет равномерным, т.к. емкость относительно
корпуса по всей длине будет отличаться. Соответственно напряжение будет
распределяться в зависимости от величины емкости.
Для успешной работы ускорителя, конструирование и сборка
секционированного изолятора является одной из главных составляющих. Таким
образом, конструкция изолятора должна быть смоделирована с высокой
точностью и собрана в точности с проектом. Как правило, в настоящее время
для моделирования высоковольтного оборудования и различных физических
эффектов используют различное вычислительное программное обеспечение
[1-3]. Все эти методы показывают минимальное расхождение между