Тандем с вакуумной изоляцией (разработка и опыт эксплуатации Тандем с вакуумной изоляцией (разработка и опыт эксплуатации) Широков В.В., сотрудники НКО, лаб.1-4, об.лаб.6, об.лаб.9, лаб.12, ЭП-1, ЭП-2, ОГЭ, механо – электромонтажного производства.

План Немного истории. Предварительные эксперименты. Основные проектные параметры. Основные элементы тандема. Сборка и включение тандема. Опыт эксплуатации. Модернизация в.в. части тандема.

Тандем с вакуумной изоляцией физический проект нейтронного источника на основе тандема г. организация группы и начало работы по технической разработке проекта, начало грантового финансирования – 2000г. сдача основных чертежей в производство г. завершение изготовления основных узлов тандема и первое включение тандема под напряжение г. Доработка отдельных узлов и работа на эксперимент – с 2007г.

Что нам было неизвестно: Электрическая прочность сантиметровых вакуумных зазоров с электродами «напряжённой» площадью в десятки квадратных метров. Зависимость электрической прочности сантиметровых вакуумных зазоров от энергии, выделяемой в разряде. Максимальное величина остаточного давления, не снижающая электрическую прочность сантиметровых вакуумных зазоров с электродами большой площади. Возможность вакуумно-плотного уплотнения многосекционного изолятора при проволочном кольцевом индиевом уплотнителе, осевом стягивании элементов и электровакуумном прогреве. Необходимость применения ёмкостного делителя, связанная с динамическими процессами внутри тандема при пробое его отдельных элементов. Возможность изготовления элементов тандема с требуемыми точностями.

Результаты предварительных расчётов по выбору количества ускоряющих промежутков Энергия, запасаемая в зазорах тандема в зависимости от их количества. Перенапряжения на ускоряющих зазорах при пробое тандема по полному напряжению.

Геометрия предварительных экспериментов

Результаты экспериментов по выбору напряжённости электрического поля Зависимость времени выдержки между пробоями от напряженности электрического поля. Тренировочные кривые 4.5 см вакуумного зазора при выделяемой энергии 9 Дж (1,2) и 30 Дж (3).

Результаты экспериментов по выбору напряжённости электрического поля Зависимость времени тренировки зазора от длительности перерыва между включениями установки. Ток в высоковольтном зазоре в начале и в конце тренировки.

Проверка работоспособности индиевого уплотнения при осевом стягивании элементов

Основные проектные параметры тандема Основные проектные параметры тандема Рабочее напряжение на холостом ходу – не менее 1 МВ (определяется энергией протонного пучка в реакциях генерации нейтронов и резонансных γ-квантов). Напряжённость поля по поверхности стеклянных изоляторов ~ 12 кВ/см (первые пробои в вакууме ~ 10 кВ/см, после тренировки десятками последовательных пробоев - свыше 20 кВ/см). Напряжённость поля по поверхности керамических изоляторов в газе ~ 15 кВ/см (запас по напряжённости в элегазе до 600%). Выбран 6-и зазорный вариант тандема (по запасаемой энергии, по уровню перенапряжений элементов при пробоях и по экономическим соображениям). Напряжённая площадь электродов ускоряющих вакуумных зазоров ~ 20м 2. Напряженность поля в ускоряющих зазорах – 30 кВ/см ÷ 33 кВ/см (в районе диафрагм 50 кВ/см) (напряжение первых пробоев в однозазорной системе коаксиальных электродов площадью около 1 м 2 ~ 33кВ/см). Максимальная запасаемая энергия в одном зазоре тандема ~ 30 Дж (испытано пробоями с запасаемой энергией до 50 Дж). Напряжённая площадь электродов газовых зазоров~2 м 2. Напряженность поля в газовых зазорах проходного изолятора до 100 кВ/см, в районе стыковки труб ~ 120 кВ/см (запас по электрической прочности 20%). Отсутствие в вакуумном объёме органических материалов, приводящих к постепенному снижению электрической прочности вакуумных зазоров с электродами большой площади и росту темновых токов. Возможность прогрева собранного тандема до 110 о С. Отсутствие влияния остаточного давления поверхностно адсорбированного газа и газа перезарядной мишени (вплоть до 4·10 -4 Торр) на электрическую прочность единичного вакуумного зазора.

Основные элементы тандема

Сборка и включение тандема

Тренировочная кривая всех 6 зазоров тандема, соединённых последовательно. Тренировочная кривая одного из ускоряющих зазоров тандема при позазорной тренировке. В одном из экспериментов на 5 зазорах получено 1000 кВ.

Динамические высоковольтные процессы при работе тандема (* с ёмкостным делителем) при пробое любого стеклянного изолятора (кроме последних четырёх) напряжение на соединённом с ним в пару возрастает ~ в 1.9 раза. при пробое любого газового зазора напряжение на соединённом с ним в пару возрастает ~ в 1.3 – 1.69 раза. (* - в 1.07 ÷ 1.24 раза). при пробое любого вакуумного зазора напряжение на соседних возрастает ~ в 1.16 – раза (* - в 1.07 ÷ 1.1 раза).

Статические высоковольтные процессы при работе тандема

Статические высоковольтные процессы при работе тандема * I r9, мкА / P, Па Среднее время между пробоями, мин Максимальное время между пробоями, мин единицы / ÷70 / * - Результаты получены при тренировке тандема. После тренировки на напряжении 1 МВ фиксировался временной интервал между пробоями ~ 40 мин. При I r9 = (50÷70)мкА соответствующие вакуумные зазоры и элементы, параллельно соединенные с ними: изоляционные кольца и газовые зазоры перегружались по напряжению < 4%. При работе с пучком наблюдалось токооосаждение, увеличивающее перенапряжения на элементах тандема вплоть до 15-18%, и рост частоты пробоев тандема.

Модернизация в.в. части тандема. Увеличение времени работы тандема без отключения источника напряжения: 1. Использованием ёмкостного делителя напряжения для снижения уровня динамических перенапряжений на элементах вакуумных зазоров, т.е. предотвращения последовательных пробоев элементов тандема с неизбежным выключением источника напряжения (ЭЛВ). 2. Уменьшением неконтролируемых токов в вакуумных зазорах тандема, приводящих к статическим перенапряжениям элементов тандема. понижением остаточного давления тандема ниже, чем до Па установкой рециркуляционного насоса внутри в.в. электрода тандема и уменьшением потока газа со стороны н.э. тракта, т.е. увеличением производительности откачки ионного источника и н.э. тракта; изменением геометрии жалюзи; 3. Стабилизацией потенциала электрода шестого ускоряющего зазора вне зависимости от протекающего в зазоре тока (предложение Константинова С.Г., связанное с устранением последствий токоосаждения при ускорении ионного пучка, попутно решающее и проблему темновых токов 6-го зазора).

Спасибо за внимание !