Импульсные электронные пучки в плазмохимических и радиационных технологиях. Лабораторный практикум

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ  
В ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ  
ТЕХНОЛОГИЯХ 
 
 
Лабораторный практикум 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2015 

УДК 66.011:533.9:537.533(075.8) 
ББК  35:22.333:22.338я73 
И54 
 
Авторы 
Р.В. Сазонов, Г.Е. Холодная, М.И. Кайканов,  
А.И. Пушкарев, Д.В. Пономарев 
 
 
И54 
Импульсные электронные пучки в плазмохимических и 
радиационных технологиях. Лабораторный практикум : учебное пособие / Р.В. Сазонов, Г.Е. Холодная, М.И. Кайканов и др. ; 
Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 88 с. 
 
В пособии даются общие представления об импульсных электронных 
ускорителях, применяемых в плазмохимических и радиационных технологиях. Приведены методические указания для выполнения лабораторных работ 
на исследовательском генераторе импульсных электронных пучков. Даны 
конкретные примеры практического применения импульсных электронных 
пучков в плазмохимических технологиях. Рассмотрены современные методы 
диагностики наноразмерных объектов – просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофлуоресцентная и инфракрасная спектрометрии. 
Предназначено для бакалавров техники и технологии, обучающихся по 
направлению 140600 «Высокотехнологические плазменные и энергетические 
установки». 
 
УДК 66.011:533.9:537.533(075.8) 
ББК 35:22.333:22.338я73 
 
Рецензенты  

Доктор технических наук ведущий научный сотрудник  
группы электрофизических технологий  
Института электрофизики УрО РАН 
С.Ю. Соковнин 

Кандидат физико-математических наук старший научный  
сотрудник комплексного научно-исследовательского отдела  
региональных проблем ОНЦ СО РАН  
В.С. Ковивчак 

 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2015 
© Авторы, 2015 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ  ....................................................................................................  6 
ВВЕДЕНИЕ  .............................................................................................................  7 
Глава 1 
ИСТОЧНИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ  ..........................  9 
1.1. Источники импульсных электронных пучков  .........................................  9 
1.1.1. Частотный наносекундный ускоритель 
электронов УРТ-0,5  ..........................................................................  9 
1.1.2. Установка НАНОБИМ-1  ................................................................  13 
1.2. Импульсные электронные ускорители института 
физики высоких технологий Национального исследовательского 
Томского политехнического университета  ............................................  16 
1.2.1. Импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500  ........................  16 
1.2.2. Импульсный электронный ускоритель АСТРА-М  .....................  18 
1.3. Вопросы для самоконтроля  ......................................................................  20 
Глава 2 
ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, 
ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ 
ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ  ....................................................................  21 
2.1. Емкостной делитель напряжения  ............................................................  21 
2.2. Пояс Роговского  ........................................................................................  23 
2.3. Цилиндр Фарадея  ......................................................................................  25 
2.4. Калориметр  ................................................................................................  26 
2.5. Дозиметрические пленки 
для определения поглощенной дозы электронного пучка  ...................  28 
2.6. Тепловизионная диагностика импульсных электронных пучков  ........  34 
2.7. Вопросы для самоконтроля  ......................................................................  37 
Глава 3 
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ  ..............  38 
3.1. Измерение основных параметров работы  
импульсного электронного ускорителя.  
Баланс энергии в диодном узле  ...............................................................  38 
3.1.1. Порядок работы на стенде  .............................................................  40 
3.1.2. Задание к работе  .............................................................................  41 
3.1.2.1. Получение экспериментальных осциллограмм тока 
и напряжения  .....................................................................  41 
3.1.2.2. Оформление отчета по работе  ..........................................  41 
3.1.2.3. Вопросы для самоконтроля  ..............................................  42 

3.2. Измерение поглощенной дозы 
импульсного электронного пучка  ...........................................................  42 
3.2.1. Спектрофотометр СФ-46. Описание, принцип работы  ..............  43 
3.2.2. Дозиметрические пленки типа ПОР  .............................................  45 
3.2.3. Порядок работы на стенде  .............................................................  47 
3.2.4. Задание к работе  .............................................................................  48 
3.2.4.1. Получение экспериментальных осциллограмм тока 
и напряжения  .....................................................................  48 
3.2.4.2. Оформление отчета по работе  ..........................................  48 
3.2.4.3. Вопросы для самоконтроля  ..............................................  49 
3.3. Исследование распространения импульсного электронного пучка  
в газах повышенного и низкого давления  ..............................................  49 
3.3.1. Основные закономерности транспортировки 
электронных пучков. Предельный ток Альфвена  .......................  50 
3.3.2. Описание лабораторного стенда на базе 
для исследования распространения импульсного 
электронного пучка в аргоне и воздухе низкого давления  ........  54 
3.3.3. Порядок работы на стенде  .............................................................  55 
3.3.4. Задание к работе  .............................................................................  56 
3.3.4.1. Получение экспериментальных осциллограмм тока 
и напряжения  .....................................................................  56 
3.3.4.2. Исследование распространения импульсного 
электронного пучка в аргоне  
и в воздухе низкого давления  ..........................................  56 
3.3.4.3. Оформление отчета по работе  ..........................................  57 
3.3.4.4. Вопросы для самоконтроля  ..............................................  57 
3.4. Исследование работы импульсного сильноточного 
электронного ускорителя АСТРА-М в режиме генерации 
тормозного рентгеновского излучения  ..................................................  58 
3.4.1. Описание лабораторного стенда на базе сильноточного  
импульсного электронного ускорителя АСТРА-М  ....................  65 
3.4.2. Порядок работы на стенде  .............................................................  68 
3.4.3. Задание к работе  .............................................................................  69 
3.4.3.1. Получение экспериментальных осциллограмм тока 
и напряжения  .....................................................................  69 
3.4.3.2. Исследование распределения  
тормозного рентгеновского излучения  
в камере обработки ускорителя АСТРА-М  ....................  69 
3.4.3.3. Вопросы для самоконтроля  ..............................................  71 
3.5. Исследование распределения энергии сильноточного  
импульсного электронного пучка по глубине слоя воды  .....................  71 
3.5.1. Описание лабораторного стенда на базе сильноточного 
импульсного электронного ускорителя ТЭУ-500  .......................  73 

3.5.2. Расчет распределения поглощенной дозы 
электронного пучка в воде  ............................................................  74 
3.5.3. Измерение распределения плотности энергии 
электронного пучка в воде  ............................................................  76 
3.5.4. Измерение распределения поглощенной дозы 
электронного пучка в воде  ............................................................  78 
3.5.5. Порядок работы на стенде  .............................................................  79 
3.5.6. Задание к работе  .............................................................................  79 
3.5.6.1. Провести расчет распределения поглощенной дозы 
электронного пучка в воде  ...............................................  79 
3.5.6.2. Измерить распределения плотности энергии 
электронного пучка в воде  ...............................................  80 
3.5.6.3. Измерение распределения поглощенной дозы 
электронного пучка в воде  ...............................................  80 
3.5.6.4. Оформление отчета по работе  ..........................................  81 
3.5.7. Вопросы для самоконтроля  ...........................................................  81 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  ....................................................................................................  82 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  ....................................................................................  83 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие состоит из трех глав. В нем представлены методические указания для выполнения лабораторных работ на исследовательском генераторе импульсных электронных пучков. 
В первой главе пособия приведены примеры источников генераторов импульсно-пучковой плазмы. Представлен класс ускорителей, которые нашли широкое применение в плазменных технологиях в настоящее время. 
Во второй главе описаны основные и оригинальные методы диагностики основных параметров импульсных электронных пучков. 
В третьей главе приведены методические указания для выполнения 
лабораторных работ в рамках курса «Прикладная физика и химия плазмы».  
Пособие предназначено для студентов техники и технологии по 
направлению: «Высокотехнологические плазменные и энергетические 
установки», «Техника и электрофизика высоких напряжений». 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Технологические процессы, применяемые в настоящее время в металлургии, химии, энергетике, машиностроении, требуют перехода 
к новым решениям, направленным на повышение удельной производительности на единицу объема реакционной зоны. Повышение удельной 
производительности указанных выше процессов может иметь место при 
переходе к сверхвысоким температурам (более 5000 °С) и высоким скоростям переноса реагента через зону взаимодействия, что можно реализовать в случае их газового транспорта. Очевидно, что в таких процессах традиционные методы теплопередачи не приемлемы. Сверхвысокие 
температуры в реакционной зоне могут быть обеспечены только подводом энергии электромагнитного поля от внешнего источника. Указанная 
ситуация реализуется в плазмохимических системах. Плазмохимические методы особенно целесообразны для осуществления сильно эндоэнергетических процессов, к которым относятся процессы синтеза новых соединений, газофазные процессы получения энергоносителей, 
гетерогенные процессы газификации твердых тел (в том числе и металлов), восстановление металлов из их оксидов и галогенидов. В неравновесной системе химические превращения могут осуществляться селективно, т. е. преимущественно по одному выбранному механизму. 
Одним из перспективных методов реализации плазмохимического 
процесса является инжекция электронного пучка в газ. 
В этой области имеются мировые примеры использования непрерывных ускорителей электронов прямого действия. Они характеризуются сравнительно медленной скоростью передачи энергии в обрабатываемый объект и обладают значительными габаритами, в зависимости от 
применяемого для ускорения напряжения (сотни, тысячи киловольт). 
Данные факторы определяют необходимость значительных капиталовложений и делают данный метод экономически оправданным лишь при 
огромных производительностях. Альтернативным вариантом является 
применение импульсных электронных ускорителей, которые позволяют 
формировать электронные пучки, длительностью сотни наносекунд. Использование быстротечных процессов формирования позволяет существенно уменьшить массогабаритные показатели оборудования при сохранении того же уровня ускоряющего напряжения, развивая мощности, не 
достижимые для ускорителей непрерывного действия (единицы ГВт). 
Увеличение скорости ввода энергии в ряде случаев позволяет использовать пороговые эффекты, невозможные при меньшей развиваемой мощ

ности, которые в конечном итоге могут привести к снижению удельных 
энергозатрат для достижения аналогичного эффекта. Построение локальных, с малой производительностью, плазмохимических систем стало 
возможным в связи с появлением компактных импульсных ускорителей 
электронов с параметрами, подходящими для коммерческой реализации. 
Кроме того, импульсные электронные ускорители по праву занимают 
должное место и в области обеззараживания фармацевтических растворов, сточных вод инфекционных больниц и отделений и т. д. 
Значительный интерес привлекают к себе генераторы концентрированных потоков электронов, которые возможно использовать в стандартных помещениях. Под такие условия работы подходят импульсные 
электронные ускорители с энергией пучка до 500 кэВ, оборудованные 
местной биологической защитой. С помощью данных импульсных электронных ускорителей возможна генерация не только электронного пучка, но и импульсного рентгеновского излучения.  
Социально-экономический эффект, связанный с вытеснением существующих энерго- и материалоемких термохимических «неэкологичных» технологий плазмохимическими и радиационными, в том числе 
базирующимися на применении импульсных электронных пучков, прогнозируется футурологами как революция в промышленности. Вышесказанное вселяет уверенность в ценности знаний, полученных обучающимися при изучении настоящего пособия. 

Глава 1 
ИСТОЧНИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ 

1.1. Источники импульсных электронных пучков 

Источники электронных пучков можно разделить условно на два 
типа – электронные пушки и электронные ускорители. В данном разделе мы рассмотрим оба типа источников электронного пучка, однако 
упустим из рассмотрения ускорители, генерирующие электронные пучки с энергией выше 500 кэВ, потому что данные установки редко используются в плазмохимических технологиях, так как более дороги 
в изготовлении и требуют серьезные меры защиты от тормозного излучения, генерируемого электронным пучком. 
Среди широкого спектра ускорителей наибольшее применение 
в коммерческих целях нашли ускорители постоянного тока и линейные 
ускорители. Такие ускорители выпускаются в широком диапазоне параметров в России и за рубежом, обладают высоким КПД преобразования электрической энергии в энергию пучка, стабильностью параметров 
пучка и надежностью. 
Однако при всех достоинствах ускорители постоянного тока и линейные имеют и существенный недостаток – высокую стоимость, которая является результатом использования высокого напряжения постоянного тока, а также вакуумных диодов с высоким вакуумом (1,3–6 Па). 
Переход же к импульсным ускорителям, особенно наносекундного диапазона, позволяет резко уменьшить габариты схем формирования высокого напряжения за счет увеличения электрической прочности изоляции 
при импульсном воздействии. Кроме того, наносекундные вакуумные 
диоды существенно проще по конструкции и способны работать 
при относительно низком вакууме, вплоть до форвакуума ~0,1 Па [1]. 

1.1.1. Частотный наносекундный ускоритель  
электронов УРТ-0,5 

Целью создания ускорителя УРТ-0,5 [2–3] было развитие схемы 
тиратрон–импульсный трансформатор с полупроводниковым прерывателем тока (ППТ) в область больших напряжений для расширения возможных областей применения, пригодного для использования в радиационных технологиях в слоях толщиной до 0,12 г/см2, таких как 
модификация пленочных полимеров, радиационная стерилизация, радиационная обработка жидкостей в тонких слоях.