Наносекундные высоковольтные генераторы с частотой следования импульсов до 10 кГц (высокочастотные генераторы) и полностью твердотельной системой коммутацииотносительно новый класс мощной импульсной техники, получившей бурное развитие, начиная с последнего десятилетия XX века, связанное с открытием эффекта наносекундного обрыва тока высокой плотности в полупроводниковых диодах и последующей разработке мощных полупроводниковых прерывателей тока (ППТ) [1−5].
Все высоковольтные генераторы импульсов длительностью менее 10~6с имеют общую идеологию построения: относительно медленное накопление энергии в промежуточном накопителе и последующая быстрая передача энергии в нагрузку с помощью коммутатора.
Первоначально, благодаря успехам в создании высоковольтных конденсаторов и газовых разрядников, подавляющее большинство высоковольтных импульсных генераторов создавались по схеме с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ), в котором энергия запасается в виде энергии электрического поля, а в качестве коммутатора-замыкателя используется разрядник. Генераторы, созданные по подобной схеме, позволяют формировать мощные импульсы с длительностью единицы наносекунд и менее [6−8], что является неоспоримым достоинством подобных генераторов, но существуют и недостатки. Во-первых, необходимость создания ЕНЭ на полное выходное напряжение, что предъявляет высокие требования к электрической прочности генератора. Во-вторых, газовый разрядник обладает относительно низкими ресурсом работы и частотой следования импульсов [7], что ограничивает применение генераторов с ЕНЭ и разрядниками для работы в условиях поточного производства.
Другой тип генераторов запасает в промежуточном накопителе энергию в виде энергии магнитного поля. Это т.н. генераторы с индуктивным накопителем энергии (ИНЭ).
1, 2, 9−14]. В отличие от ЕНЭ, индуктивные накопители позволяют получать более высокие плотности запасаемой энергии, ограниченные не электрической прочностью диэлектрика, а механической прочностью накопителя. Кроме того, амплитуда выходных импульсов высокого напряжения генератора, зависящая от скорости обрыва тока прерывателем и индуктивности накопителя энергии, при сопротивлении нагрузки в несколько раз большем, чем волновое сопротивление оконечного каскада, значительно превышает напряжение питания ИНЭ. Эти особенности генераторов с промежуточным ИНЭ позволяют уменьшить габариты генератора наносекундных импульсов. Но использование в качестве прерывателя тока электрически взрываемых проводников или плазменных размыкателей, также ограничивали область применения генераторов с промежуточным ИНЭ из-за недостаточного ресурса работы прерывателей и низкой частоты следования импульсов.
Открытие наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках [1−5] позволило создать ППТ, превосходящий по стабильности выходных параметров, частоте следования импульсов, как плазменные прерыватели тока, так и прерыватель тока на основе электрически взрываемых проводников и обладающий практически неограниченным ресурсом работы, а также создать высоковольтные импульсные генераторы с полностью твердотельной системой коммутации [9−12]. Данные генераторы обладают высокими потребительскими свойствами, что открывает широкую дорогу к их внедрению и использованию в различных областях деятельности человека.
Одна из традиционных сфер применения высоковольтной импульсной техникигенераторы рентгеновского излучения. Востребованность в этой области мощных легких источников питания рентгеновских трубок обусловлена необходимостью оперативного проведения интроскопии в нестационарных условиях. Серийно выпускаемые на сегодняшний день малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты (ИРА) характеризуются довольно низкой частотой следования импульсов — на уровне десятков герц и средней мощностью на уровне сотен ватт, что определяется конструктивными особенностями источника питания и рентгеновской трубки. Эти обстоятельства определяют значительные времена получения снимков при решении дефектоскопических задач и делают проблематичным применение ИРА для проведения медицинских диагностических исследований.
Другой перспективной областью использования высокочастотных наносекундных высоковольтных генераторов импульсов является разрушение твердых тел с размерами частиц менее 100 мкм. На сегодняшний день накопились миллионы тонн подобного материала в отвалах горно-обогатительных комбинатов (ГОК). В этих частицах высока концентрация полезных ископаемых, но их дальнейшее извлечение традиционными методами либо экономически нецелесообразно, либо просто невозможно из-за проблем переработки. В то же время известно, что электрический пробой жидкости создает ударные волны способные разделять рудные конгломераты. Также известно, что минимальный размер тела, которое возможно разрушить ударной волной, создающей усилия сжатия, растяжения и сдвига, определяется произведением времени нарастания давления и скорости звука в твердом теле. Следовательно, для разрушения твердых частиц микронных размеров необходимо создать ударные волны, возбуждаемые при электрическом разряде в жидкости с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности, для чего оптимально подходят высоковольтные наносекундные генераторы импульсов.
Таким образом, разработка мощных компактных высокочастотных наносекундных высоковольтных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации для промышленного и медицинского использования является актуальной задачей. Для реализации достоинств подобных генераторов в интроскопии необходимо создание импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, способной выдержать тепловые нагрузки при средней мощности 1−2 кВт в электронном пучке за время экспозиции и обладающей малым размером фокусного пятна. Кроме того, отсутствие к началу работы данных о применении высоковольтных генераторов с импульсами наносекундной длительности для наносекундного пробоя жидкости, содержащей микрочастицы твердых тел (пульпы), требует проведения исследований в этих направлениях.
Цель работы.
1. Разработка мощных компактных высокочастотных наносекундных высоковольтных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации для промышленного и медицинского использования.
2. Исследование воздействия ударных волн, возбуждаемых при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности, на твердые материалы с размерами частичек от единиц до сотен микрометров.
3. Создание острофокусной импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки с увеличенной средней мощностью, рассеиваемой на аноде, и стабильной генерацией рентгеновского излучения при скорости нарастания импульса напряжения менее 1-Ю13 В/с.
Научная новизна.
1. Предложен и реализован эффективный способ разрушения частиц твердого материала размером менее 100 мкм с помощью ударных волн, возбуждаемых при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности.
2. Показано, что снижение удельной импульсной мощности электронного пучка, бомбардирующего вольфрамовый анод рентгеновской трубки, ведет к увеличению допустимой средней мощности, рассеиваемой на аноде, при сохранении размера эффективного фокусного пятна.
3. Разработан металлокерамический катод острофокусной импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, позволяющий получить стабильную эмиссию электронов из нескольких центров одновременно при скорости нарастания импульса напряжения менее 1 -1013 В/с.
4. Установлено, что применение в медицине высокочастотных импульсных рентгенодиагностических аппаратов, формирующих импульсы длительностью менее 100 не, при условии использования фотографических приемников излучения с рентгенолюминесцентными усиливающими экранами, снижает поглощенную дозу в несколько раз, по сравнению с рентгенодиагностическими аппаратами постоянного тока.
Практическая ценность работы.
1. Создана высоковольтная импульсная установка «Пирит-2» с амплитудой импульсов высокого напряжения — 150 кВ на нагрузке 95 Ом, длительностью импульса 5 не и частотой следования импульсов до 1 кГц, позволяющая разрушать в пульпе частицы твердого материала с размерами от единиц до сотен микрометров.
2. Разработаны и внедрены на промышленных предприятиях компактные импульсные рентгеновские дефектоскопы РУП-300-Ш и «ПИРАТ» с полностью твердотельной системой коммутации напряжением 325 кВ и 210 кВ, весом 25 кг и 9 кг и удельной мощностью 36 Вт/кг и 20 Вт/кг, соответственно, что в 2 — 3 раза выше, чем у лучших аналогов.
3. Разработана и выпущена серия медицинских импульсных высокочастотных наносекундных рентгеновских диагностических палатных аппаратов «Ясень-01» выходной мощностью 1,5 кВт с полностью твердотельной системой коммутации и весом 45 кг, что в 1,5−2 раза легче лучших зарубежных аналогов.
4. Разработаны и серийно выпускаются взрывоэмиссионные наносекундные импульсные рентгеновские трубки РИА1−120 для дефектоскопии и медицинской диагностики с максимально допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде до 1500 Вт.
5. Разработан способ разделения на блоки генератора высоковольтных импульсов, состоящего из тиристорного преобразователя и магнитного генератора (2−3 звена сжатия) с ППТ в оконечном каскаде, с выделением в отдельный блок последнего звена магнитного генератора, при длительности импульса передачи энергии от предыдущих звеньев на уровне сотен наносекунд. Это позволяет конструировать излучатель рентгеновского аппарата, состоящий из последнего звена сжатия магнитного генератора, ППТ и рентгеновской трубки, в виде моноблока.
Положения, выносимые на защиту:
1. Ударные волны, возбуждаемые при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности, эффективно разрушают частицы твердого материала размером менее 100 мкм.
2. Металлокерамический взрывоэмиссионный катод в импульсных наносекундных рентгеновских трубках в отличии от металлического катода позволяет получать стабильную взрывную эмиссию электронов из нескольких центров одновременно.
13 при скорости нарастания импульса напряжения менее 1−10 В/с.
3. Наносекундные импульсные электронные пучки, при удельной импульсной мощности не более 2 МВт/мм, не вызывают эрозии анода, изготовленного из вольфрама, что позволяет получить среднюю мощность, рассеиваемую на аноде, на уровне 1,5 кВт, при диаметре эффективного фокусного пятна 1,5−2 мм и ресурсе работы трубки более 106 импульсов.
4. Применение импульсных наносекундных высокочастотных рентгеновских аппаратов, формирующих импульсы длительностью менее 100 не, для медицинской диагностики, при использовании фотографических приемников излучения с рентгенолюминесцентными усиливающими экранами, снижает поглощенную дозу в 9 — 30 раз, по сравнению с аппаратами постоянного тока.
Личный вклад.
Вклад автора в представленную работу состоит в расчете, проектировании конструкции и изготовлении импульсных наносекундных генераторов, разработке конструкции острофокусной наносекундной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки. Участие в создании компактных дефектоскопов и медицинских рентгеновских аппаратов, создании установки для разрушения материала, с размерами частичек материала от единиц до сотен микрометров, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов.
Основное содержание работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 70 наименований. Работа содержит 135 страниц печатного текста, 66 рисунков и 13 таблиц.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. В результате проведенных исследований электрогидравлического метода разрушения частиц твердых материалов ударными волнами, образующимися при электрическом разряде в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения показано, что импульсы с длительностью фронта и спада менее 10 не разрушают частицы твердого материала с размерами от единиц до сотен микрометров. Найдены оптимальные условия обработки материала с точки зрения уменьшения энергозатрат.
2. Показано, что для повышения эффективности раскрытия тонких включений область обработки пульпы следует ограничить электроизоляционной разрядной ячейкой, с двумя электродами. Расстояние между электродами выбирается из условия пробоя пульпы, а диаметр ячейки выбран равным расстоянию между электродами. Оптимальное значение удельной энергии, с точки зрения энергетических затрат, лежит в диапазоне 3−10 Дж/ см3.
3. Создана опытная высоковольтная импульсная установка обработки непрерывного потока пульпы «Пирит-2» для селективного раскрытия тонких включений из твердого материала, с размерами частичек материала от единиц до сотен микрометров, с амплитудой импульсов высокого напряжения — 150 кВ на нагрузке 95 Ом, длительностью импульса 5 не и частотой следования импульсов до 1 кГц.
4. При обработке хвостов обогащения сульфидных руд, с размерами частиц менее 100 мкм и исходным содержанием упорного золота до 2,2 г/т, происходит селективное раскрытие тонких включений, с повышением извлекаемости Аи на 70%. При этом, за счет увеличения активности растворения сульфидов в воде, вызванного образованием новых поверхностей и озонированием воды электрическими разрядами, вода пульпы содержит до 0,8 г/л цинка и до 2 г/л железа. По меди полученный раствор в 16 раз превышает минимальное содержание, пригодное для промышленной добычи (0,05 г/л). Таким образом, раствор является обогащенной жидкой рудой. Производительность установки — 90 кг/час.
5. Разработана конструкция металлокерамического катода, позволяющая получить стабильную взрывную эмиссию электронов одновременно из нескольких центров, расположенных по окружности катода, при скорости нарастания импульса напряжения менее 1013 В/с.
6. Показано, что снижение удельной импульсной мощности электронного пучка (энергии импульса), бомбардирующего вольфрамовый анод импульсной взрывоэмиссионной рентгеновской трубки, снижает эрозию анода за счет увеличения скорости охлаждения поверхности анода, позволяя повысить максимальную тепловую нагрузку ИРТ путем увеличения частоты следования импульсов, при сохранении размеров эффективного фокусного пятна.
7. Разработаны и серийно выпускаются наносекундные импульсные рентгеновские трубки для дефектоскопии и медицинской диагностики РИА1−120−3 на напряжение 120 кВ и РИА2−400 на напряжение 350 кВ, работающие при частоте следования импульсов до 4 кГц и скорости нарастания импульса напряжения от 3 • 1012 В/с, что более чем на порядок ниже скорости нарастания напряжения, требуемой для трубок серии ИМА. Для рентгеновской трубки РИА1−120−3 с эффективным фокусным пятном диаметром 1,5 мм, получена средняя мощность в электронном пучке до 1600 Вт, что в 4−5 раз выше известных аналогов.
8. Разработаны и внедрены в производственное применение мощные компактные импульсные рентгеновские дефектоскопы РУП-300-Ш и «ПИРАТ» с полностью твердотельной системой коммутации напряжением 325 кВ и 210 кВ, максимальной частотой следования импульсов 300 Гц и 280 Гц, максимально допустимой кратковременной мощностью 900 Вт и 180 Вт, весом 25 кг и 9 кг соответственно, что в 2 — 3 раза выше по удельной мощности, чем у лучших аналогов.
9. Разработаны и серийно выпускаются медицинские импульсные наносекундные рентгенодиагностические палатные аппараты «Ясень-01» напряжением 110 кВ с полностью твердотельной системой коммутации, максимально допустимой кратковременной мощностью 1500 Вт, с частотой следования импульсов до 4 кГц и весом 45 кг, что в 1,5−2 раза легче лучших зарубежных аналогов. При создании аппаратов решена задача разделения высоковольтного наносекундного генератора на блоки, что позволило уменьшить вес блока излучения ИРА. Соединение между блоками осуществлено гибким высоковольтным кабелем длиной до 5 м. Экспериментально показано, что при использовании наносекундных диагностических аппаратов и стандартных фотографических приемников излучения, поглощенная доза снижается в 9 — 30 раз, по сравнению с аппаратами, использующими рентгеновскую трубку постоянного тока.
По результатам работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе 5 патентов и 3 статьи в рецензируемых журналах.
Материалы работы докладывались на 7 конференциях: 10-th IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM USA, 1995 — 11-th Int. Conf. On High Power Particle Beams, Prague, Czech Republic, 1996; 11-th IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, MD USA, 1997; 12-th International Conference on High-Power Particle Beams. Haifa, Israel, 1998; Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы геологии и разведки месторождений золота, извлечения благородных металлов из руд и отходов производства». Екатеринбург, 17−19.11.1999; 15-th Int. Conf. On High Power Particle Beams, Saint-Petersburg, Russia, 2004; Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Москва. 1−7 апреля 2004 г.
В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность д.т.н. A.JI. Филатову за инициирование работы, многолетнее научное руководство, полезные советы и плодотворное обсуждение результатов работы, д.т.н. B.JI. Кузнецову за постоянный интерес к работе и всестороннюю помощь, чл.-корр. РАН Ю. А. Котову, д.т.н. С. Ю. Соковнину, к.т.н. Ф. Ф. Борискову, а также сотрудникам лаборатории импульсных источников излучений Института электрофизики УрО РАН к.т.н. С. В. Щербинину, В. А. Мотовилову, JT.A. Парамонову, Д. С. Скоморохову за многолетнее сотрудничество, помощь в проведении работы и моральную поддержку.
Заключение
.
