Вакуумные устройства формирования мощных наносекундных импульсов электронных пучков и рентгеновского излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, доктор технических наук Филатов, Александр Леонидович

• Филатов, Александр Леонидович
• доктор технических наук
• 2000

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Филатов, Александр Леонидович

ВЫВОДЫ

1. На основе схемы формирования мощных наносекундных импульсов высокого напряжения с ИНЭ и SOS прерывателем тока разработаны компактные рентгеновские аппараты для медицинской диагностики, дефектоскопии.

2. Предложен новый метод экспозиции рентгеновского конвертора, заключающийся в генерации пакетов импульсов рентгеновского излучения с частотой следования импульсов в пакете до 10 кГц и синхронной регистрации излучения ПЗС - камерой, позволяющий снизить дозы рентгеновского излучения при диагностических исследованиях.

3. Экспериментально показано, что биологическое воздействие импульсного рентгеновского излучения и гамма-излучения от источника на основе изотопа определяется дозой. Зависимости изменения концентрации микроорганизмов от мощности дозы не выявлено, при дозах до 1,25 кГр. Несмотря на то, что мощность дозы генератора наносекундных импульсов рентгеновского излучения 3*108 Гр/мин на девять порядков превосходит мощность дозы излучения радиоактивного изотопа (0,3 Гр/мин).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРОВЕДЕНЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Явления пробоя вдоль поверхности диэлектрика (полые цилиндрические образцы) в вакууме в условиях интенсивного облучения электромагнитным излучением, заряженными частицами и макрочастицами при мегавольт-ном уровне напряжений и наносекундном времени воздействия. Получены экспериментальные характеристики на основе которых выведены аппроксимирующие зависимости пробивного напряжения и времени коммутации от толщины и площади диэлектрика, распределения электрического поля в диэлектрике, числа секций диэлектрических и градиентных колец, времени воздействия напряжения и др. Найдены условия получения максимальных пробивных напряжений, минимального времени коммутации, максимального ресурса работы. Показано, что вакуумный пробой, инициируемый перекрытием диэлектрика в вакууме, имеет многоканальный характер и меньшее (в 3 -5 раз) время коммутации, чем вакуумный пробой между двумя электродами.

2. Формирования и распространения электронных пучков в сильноточных взрывоэмиссионных диодах. Показано влияние предымпульного напряжения положительной и отрицательной полярности на эти процессы. Найдены условия стабилизации параметров сильноточного пучка электронов в планарном диоде. Найдены и исследованы условия фокусировки электронного пучка с током ниже критического при наличии отрицательного предымпульс-ного напряжения. Предложена непротиворечивая гипотеза, объясняющая влияние предымпульсного напряжения на формирование сильноточных электронных пучков.

3. Режимов нагрузки конверторов рентгеновского изображения наносекундными импульсами излучения. Показано, что использование кратковременных пакетов мощных импульсов рентгеновского излучения с синхронной регистрацией полученного изображения с помощью ПЗС -матрицы позволяет значительно повысить качество изображения и ресурс работы сильноточного диода.

4. Воздействие импульсного и постоянного ионизирующего излучения на патогенные микроорганизмы. На примере использования источника у-излучения на основе Со60 и источника рентгеновского излучения наносекундной длительности показано, что уменьшение концентрации бактерий обусловлено дозой излучения. Влияние мощности дозы излучения на эффективность радиационной обработки бактерий не выявлено.

РАЗРАБОТАНЫ И СОЗДАНЫ:

1. Новый тип вакуумных проходных изоляторов для сильноточных генераторов электронных пучков с высокими, не уступающими лучшим мировым образцам, пробивными напряжениями и повышенным ресурсом работы.

2. Новый тип вакуумных разрядников, работающих на самопробое, для сильноточных генераторов, обладающих до момента коммутации низкой проходной емкостью, а на стадии проводимости низкими индуктивностью и активным сопротивлением, характеризующиеся большим ресурсом работы.

3. Узел формирования выходных импульсов сильноточных наносекундных ускорителей с промежуточным ИНЭ, в котором реализованы функции обостряющего разрядника, вакуумного проходного изолятора и срезающего разрядника, рабочей средой которого является вакуум.

4. Планарные диоды с а) фокусировкой электронного пучка при токах ниже критического в 2 - 6 раз; б) практически однородными электронными пучками.

5. Обращенные взрывоэмиссионные рентгеновские диоды для дефектоскопии и медицинской диагностики со стабильными характеристиками излучения.

6. Новый метод экспозиции люминофора конвертора, заключающийся в использовании кратковременных пакетов мощных импульсов рентгеновского излучения и последующей регистрацией полученного изображения с помощью ПЗС - матрицы.

7. Компактные экранированные генераторы рентгеновского излучения наносекундной длительности с эффективной энергией фотонов на уровне > 600 кэВ, эффективным фокусным пятном 1,5 мм, разрешающей способностью не хуже 0,2 мм, просвечивающей способностью 6 см по свинцовому тесту на расстоянии 1 м от маски. Данные генераторы по совокупности основных параметров - разрешающей и проникающей способности - превосходят известные мировые аналоги. Кроме того, позволяют проводить испытания объектов размером несколько сантиметров на радиационную стойкость при мощности дозы излучения более 5*107 А/кг.

8. Переносные рентгеновские аппараты с цифровой системой визуализации рентгеновского изображения для медицинской диагностики и дефектоскопии на основе схем формирования высоковольтных наносекундных импульсов с промежуточными ИНЭ и полностью твердотельной системой коммутации. Эти генераторы обладают частотой следования импульсов до 10 кГц, что обеспечивает стабильные выходные параметры при визуализации рентгеновского изображения с частотой следования кадров 50.

9. Переносной стерилизатор с высокой частотой следования импульсов, высокой средней мощностью. Данный стерилизатор позволяет проводить лабораторные испытания тестовых объектов при уровне экспозиционной дозы в рентгеновском излучении в сотни кРад за несколько минут.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность Ю.А. Котову, за постановку программы работ и 25-летнее плодотворное сотрудничество. Автор глубоко благодарен Г.А. Месяцу за постоянную поддержку, интерес, обсуждение работы, ценные советы.

Автора всегда окружали талантливые люди, сотрудничество с которыми значительно облегчило проведение научных исследований и позволило решить сложные на

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Филатов, Александр Леонидович, 2000 год

1. Кассиров Г.М., Секисов Ф.Г., Филатов А.Л. Изоляционные конструкции и вакуумная изоляция диодов. //Тезисы докладов 1-ой Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии". Юрмала, 1983 г., с. 187.

2. Кассиров Г.М. Филатов А.Л. Проходной секционированный изолятор. //Авт. свид. СССР, №706884, 1979 г.

3. Кассиров Г.М., Кокаревич Г.П., Смирнов Г.В., Филатов А Л. Проходной секционированный изолятор. //Авт. свид. СССР, № 866581, 1981 г.

4. Кокаревич Г.П., Филатов А.Л. Секционированный изолятор с емкостным распределением потенциала. //Авт. свид. СССР, № 871226, 1981 г.

5. Смирнов Г.В., Филатов А.Л. Секционированный электрический изолятор. //Авт. свид. СССР, № 987684, 1983 г.

6. Емельянов A.A., Кассиров Г.М., Филатов А.Л. Прогнозирование электрической прочности вакуумной изоляции в стационарном режиме. //Известия вузов. Физика, 1976, № 11, с. 138-140.

7. Котов Ю.А., Родионов Н.Е., Сергиенко В.П., Соковнин С.Ю., Филатов А.Л. Вакуумный изолятор с экранировкой поверхности диэлектрика. //Тезисы докладов 2-й Всесоюзной конференции. "Импульсные источники энергии". Свердловск, ' 1985 г., с. 75.

8. Котов Ю.А., Родионов Н.Е., Сергиенко В.П., Соковнин С.Ю., Филатов А.Л. Вакуумный изолятор с экранировкой поверхности диэлектрика. //ПТЭ, 1986 г., №2, с. 138-141.

9. Лучинская Л.И., Филатов А.Л. Проходной секционированный изолятор. //Авт. свид. СССР, № 1256577, 1986 г.

10. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Филатов А.Л. Использование вакуумных изоляторов и разрядников в генераторе рентгеновского излучения ВИРА-1,5. //Тезисы докладов 3-ей Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии". Ленинград, 1989 г. с 140.

11. Филатов А.Л., Котов Ю.А., Соковнин С.Ю. Вакуумный разрядник. //Авт. свид. СССР, № 1421206, 1988 г.

12. Котов Ю.А., Сергиенко В.П., Соковнин С.Ю., Родионов Н.Е., Филатов А.Л. ВИРА 1,5 - импульсный генератор тормозного излучения. // Тезисы докл. 6-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск 1986 г., ч. 3, с. 97-99.

13. Филатов А.Л. Компактный генератор тормозного гаммаизлучения с выходной мощностью 1011 Р/с. //Диссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наук.1. Свердловск, 1987 г.

14. Котов Ю.А., Филатов А.Л., Соковнин С.Ю. Высоковольтный импульсный рентгеновский аппарат "ВИРА 1,5М". //Импульсные источники энергии. Системы, устройства и элементы мощной импульсной техники. Каталог разработок. Москва, 1989 г., с. 71-72.

15. Filatov A.L., Kotov Yu.A., Mesyats G.A., Sokovnin S.Yu. A 5*107 A/kg dose rate compact X-ray generator. //Laser and Particle Beams, November 1989, v. 7, part 4, p.p. 755 761.

16. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Филатов А.Л. ВИРА-1,5М -компактный генератор тормозного излучения с мощностью дозы 5*107 А/кг. //ПТЭ, 1990 г. № 2, с. 149 153.

17. Голуб Т.А., Родионов Н.Е., Филатов А.Л. Калибровка датчиков и определение параметров цепи в сильноточных импульсных устройствах. //Тезисы докладов 6-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск 1986 г. ч. 2, с. 157-158.

18. Соковнин С.Ю., Филатов А.Л. Рентгеновская диагностика сильноточного электронного пучка. //Тезисы докладов 8-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Свердловск, 1990 г. ч. 3, с 26-28.

19. Filatov A.L., Kotov Yu.A., Motovilov V.A., Scotnikov V.A. Electron beam focusing and unfocusing experiments. //In Proc.: XVI International Symposium on Discharges and Electrical Insulator in Vacuum. Moscow St. Petersburg, Russia. 1994, pp. 403-408.

20. Котов Ю.А., Мотовилов В.А., Соковнин С.Ю., Филатов

21. A.Л. Генератор мощных электрических импульсов. Патент РФ № 2037955, 1995 г.

22. Артеев А.С., Баранов С.В., Ваулин В.А., Кузнецов А.А., Ковальчук Б.М., Кокшенев В.А., Капишников Н.К., Муратов

23. B.М., Тарасенко В.Ф., Слинко Б.Н., Санкевич Б.А., Сулакшин С.С., Филатов А.Л. Генератор мощного ионного пучка для накачки газовых лазеров. //Тезисы докладов 7-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск 1988 г., ч. 2, с. 124-126.

24. Иванов М.Г., Осипов В.В., Филатов А.Л., Корженевский

25. C.Р., Смирнов П.Б. Импульсно-периодический электроразрядный лазер. // Патент РФ № 2144723, приоритет от 04.02.99 г.

26. Котов Ю.А., Рукин С.Н., Филатов А.Л. Сильноточный ускоритель электронов с полупроводниковым прерывателем тока. //Тезисы докладов 9-го симпозиума по сильноточной электронике. Россия, 1992. С. 220-221.

27. Котов Ю.А., Любутин С.К., Рукин С.H., Филатов А.Л. Сильноточный импульсный ускоритель. Патент РФ № 2059345, 1996 г.

28. Filatov A.L., Kotov Yu. A., Korzhenevski S.R., Scherbinin S.V. Application of nanosecond X-radiation generators in X-ray examination. //In Proc. of 11-th IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, MD USA, 1997, v. 2, pp. 1097-1099.

29. Скотников В.А., Филатов А.Л., Котов Ю.А., Щербинин С.В. Получение рентгеновских образов объектов на сильноточных импульсных ускорителях. //Детектирование ионизирующих излучений. Межвузовский сборник научных трудов. Екатеринбург 1996 г., с. 177-180.

30. Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Филатов А.Л. Твердотельный прерыватель тока для генерирования мощных наносекундных импульсов. //ДАН, 1993, том 330, № 3, с. 315-317.

31. Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., Филатов А.П., Корженевский С.Р. Использование сильноточного электронного пучка для генерации озона. //Химия высоких энергий. 1996, т. 30, № 5, с. 386-387.

32. Filatov A.L., Korjenevski S.R., Scherbinin S.V. "Control" diagnostic x-ray apparatus with a digital image visualization system. //In Proc. of 12-th International Conference on HighPower Particle Beams. Haifa, Israel, 1998, pp. 495-498.

33. Корженевский С.P., Щербинин С.В., Мотовилов В.А., Филатов А.Л. Рентгеновский импульсный дефектоскоп с цифровой системой визуализации изображения. //Дефектоскопия. 1999, № 12. с. 51-56.

34. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 3. //Екатеринбург: УИФ "Наука", 1993.

35. Bly J.H. Electron beam processing. //Yardley, PA. USA: Inter. Inf. Ass. 1988.

36. Диденко A.H. Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1977.

37. Котов Ю.А., Лучинский A.B. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрываемых проволочках. //В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем. М.: Энергоатомиздат, 1986. Сс. 189-211.

38. Смирнов В.П. Получение сильноточных пучков электронов (обзор) //ПТЭ, 1977, №2, с.7-30.

39. Глейзер И.З., Окулов Б.В., Тузов В.А., Усов Ю.П. Электронная пушка ускорителя «ТОНУС». //В сб. Труды НИИ ЯФЭА. Вып. 4. М. Атомиздат. 1974. С. 18-22.

40. Кингсеп С.С., Максимов Г.П., Сидоров Ю.Л. и др. Сильноточный ускоритель релятивистских электронов «Нептун». //ПТЭ, 1973, № 3. С. 26-28.

41. Аневский С.И., Ликсонов В.И., Сидоров Ю.Л., Смирнов В.П. Низкоиндуктивная ускорительная трубка для сильноточных электронных ускорителей. //ПТЭ, 1975, № 5. С. 19 -21.

42. Ковалев В.П., Кормилицин А.И., Лучинский А.В. и др. ИГУР-1 электронный ускоритель с индуктивным накопителем энергии и взрывающимися проволочками. //ЖТФ, 1981. Т. 51, в. 9. С. 1865-1869.

43. Champney P.D'A., Spence P.W. Pulsed electron accelerator for radiography and irradiation. //In Proc. 36-th National Fall Conf. Austin, TX, USA, 1976, pp. 23-42.

44. Van Devender J.P., McDaniel D.H., Nesu E.L. et. al. Magnetic inhibition of insulator flashover. //J. Appl. Phys. 1982. V 53. N 6. Pp. 4441-4447.

45. Bernstein В., Smith J. «Aurora» an electron accelerator. //IEEE Trans. Nucl. Sci. 1973. V. NS-20, N 3, pt. 2. P. 294 -300.

46. Gordeev A.V., Korolev V.D., Sidorov Y.L., Smirnov V.P. Production and focusing of high-current beams of relativistic electrons up to high densities. //Ann. Acad. Sci. N.Y. 1975. V. 251. P. 668-678.

47. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В. об оптимизации параметров секционированного ввода высоковольтных импульсов с крутым фронтом. //В кн. Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков. Новосибирск. Наука. 1976. С. 48-51.

48. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972. С. 304.

49. Gilbert J.F., Carrick D.P.A. A high energy flash x-ray facility. //British journal of NDT. 1974, may. Pp. 65-71.

50. Gleichauf P. M., Electrical breakdown over insulators in high vacuum. // J. Appl. Phys. 22, pp. 766-771, 1951.

51. Бугаев С.П., Месяц Г.А. Импульсный разряд по диэлектрику в вакууме //В кн. Импульсный разряд в диэлектриках. Новосибирск, 1985. С. 4-25.

52. Бугаев С.П., Искольдский A.M., Месяц Г.А. Исследование механизма импульсного пробоя по поверхности диэлектрика в вакууме. I. Однородное поле. //ЖТФ, 1967, т. XXXVII, в. 10, с. 1855 1860.

53. Бугаев С.П., Месяц Г.А. Исследование механизма импульсного пробоя по поверхности диэлектрика в вакууме. II Неоднородное поле. //ЖТФ, 1967, т. XXXVII, в. 10, с. 1861 -1869.

54. Anderson R. A. Mechanism of fast surface flashover in vacuum. //Appl. Phys. Lett. 1974. V. 24, N 2. Pp. 54-56/

55. Golden J., Kapitonacos C. A. Flashover breakdown of an insulator in vacuum by a voltage impulse in the presence of a magnetic field. //J. Appl. Phys. 1977. V. 48. Pp. 1756-1762.

56. Martin Т.Н. Hermes-ll Flash x-ray generator. //IEEE Trans. Nucl. Sci. 1969. V. NS-16, N 3, pt. 1. Pp. 59-63.

57. Бугаев С.П., Кремнев В.В., Терентьев Ю.И. и др. Скользящий разряд в вакууме по диэлектрику из титаната бария. //ЖТФ, 1971, т. 41, в. 9, с. 1958-1962;

58. Абдуллин Э.Н., Бугаев С.П. Исследование микроразрядов на поверхности диэлектрика в вакууме. //Изв. Вузов СССР, Физика, 1975, № 2, с. 132-134

59. Smith I. D. Pulse breakdown of insulator surfaces in a poor vacuum. //In Pros. 1-st Int. Symp. On insulation on high voltage in vacuum. Cambridge, MA. USA. 1964. Pp. 261-264.

60. Watson A. Pulsed flashover in vacuum. //J. Appl. Phys. V. 38, pp. 2019-2023, 1967.

61. Boersch H., Hamisch H., Ehrlich W. Oberflachenentladungen Cinder isolatoren im vakuum. //Zeitschrift fdr angevandie Physik. 1963. В XV, H. 6. Pp. 52-59.

62. Ергаков В.А., Крючков И.И., Требуховский Ю.В. Электроизоляция в электростатических анализаторах (обзор). // ПТЭ. 1971, № 6. Сс. 20-31.

63. Алмазов А.В., Мынцов Ф.Ф. Электрическая прочность ускорительных трубок. //ПТЭ. 1971, № 6. Сс. 32-35.

64. Miller H.G. Flashover of insulator in vacuum: techniques to improve the holdoff voltage. ////In Proc. of 15-th IEEE ISDEIV. Darmstadt, Germany, 1992, pp. 165 179.

65. Brainhard J.P., Jensen D. Electron avalanche and surface charging on alumina insulators during pulsed high-voltage stress. //J. Appl. Phys. 1974. V. 45, N 8. Pp. 3260-3265.

66. Авдиенко А.А., Малев М.Д. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. II. Механизм поверхностного пробоя. //ЖТФ, 1977, т. 47, в. 8, с. 1703-1711.

67. Г6. Авдиенко А.А. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме.//ЖТФ, 1977, т. 47, в. 8, с. 1697-1701.

68. Thompson J.E., Lin J., Mikkelson К., Kristiansen M. Investigations of fast insulator surface flashover in vacuum. //IEEE Trans. Plasma Sci. 1980. V. PS-8, N 3. Pp. 191-197.

69. Martin J.C. Fast pulse vacuum flashover. //Atomic weapon research establishment. Report SSWA/JCM/713/157. 1971. Al-dermaston England, (цитируется по работе 53).

70. Martin Т.Н., Clark R.S. Pulsed microsecond high-energy electron beam accelerator. //Rev. Sci. Inst. 1976. V. 47. Pp. 460-463.

71. Цукерман В.А., Манакова M.A. Источники коротких рентгеновских вспышек для исследования быстропротекающих процессов. //ЖТФ. 1957. Т. 27, в. 2. Сс. 391-403.

72. Foster D.W., Goodman М., Herbert G., et al. Electron beam diagnostic using x-ray. //Radiation production notes. 1971, N 10. Pp. 2-26.

73. Greedon J.M. Relativistic Brillouin flow in the high v/y diode. //J. Appl. Phys. 1975. V.46, N 7. Pp. 2946-2955.

74. Таблицы физических величин. //Справочник. М.: Атомиз-дат, 1976. С. 956.

75. Любутин С.К., Рукин С.Н., Тимошенков С.П. Исследование полупроводникового размыкателя тока в мощных импульсных генераторах с промежуточным индуктивным накопителем. //Тезисы докладов 9-го симпозиума по сильноточной электронике. Россия, 1992. С. 218-219.

76. Рукин С.Н. Генерирование мощных наносекундных импульсов на основе полупроводниковых прерывателей тока. //Докторская диссертация в виде научного доклада. Екатеринбург 1998. С.76.

77. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока (обзор). //ПТЭ, 1999. №4. Сс. 5-36

78. Рентгенотехника. Справочник, под ред. В.В. Клюева. М. «Машиностроение», 1980 г., книга 2.

79. Патент Японии. X-RAY DIAGNOSTIC DEVICE. 1-50398 (А), Appl. No. 62-206815, Int. CI4. H05G1/58, A 61 В 6/00, H05 G1/64. Публ. РЖ Изобретения стран мира. Вып. 139, МКИ Н05 G, Н; № 1, Москва, 1990 г. с. 9

80. Месяц Г.А., Иванов С.А., Комяк Н.И., Пеликс Е.А. мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения. //М.: Энергоатомиздат. 1983.

81. Михайлов С.Г., Осипов В.В., Соломонов В.И. Импульсно-периодическая катодолюминесценция минералов. //ЖТФ. 1993. Т. 63, в.2. Сс. 52-64.

82. Коггл Дж. Биологические эффекты радиации, //пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 184.