imp_1_20120907

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

НА СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ КРЫМСКИЙ В.В., Д.Ф.-М.Н, ПРОФЕССОР

ЛИТВИНОВА Е.В., К.Т.Н, ДОЦЕНТ ШАБУРОВА Н.А., К.Т.Н, ДОЦЕНТ

Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Министерства образования и науки Российской Федерации

1

СОДЕРЖАНИЕ

Раздел 1 ИСТОЧНИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЕЙ …………………… 4

1.1.Высоковольтные нано- и субнаносекундные ключи ………………... 6

1.2.Субнаносекундный обостритель ………………………………………. 11

1.3. Параметры генераторов ……………………..……………………… 12

Раздел 2 ИЗЛУЧАТЕЛИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЕЙ ………………… 15

2.1.Классификация антенн ………………………………………………... 15

2.2.Электрические характеристики……………………………………….. 17

2.2.1.Входное сопротивление……………………………………………… 17 2.2.2. Сопротивление излучения……………………………………………. 19

2.2.3.Сопротивление потерь……………………………………………….. 21

2.2.4.Коэффициент полезного действия………………………………….. 22

2.3.Пространственные характеристики…………………………………… 22

2.3.1.Диаграммы направленности…………………………………………. 22

2.3.2.Пространственно-временная импульсная характеристика………… 25

2.3.3.Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления.. 27

2.3.4.Поляризационные характеристики ………………………………… 29

Раздел 3 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ……………… 30

3.1Генераторы……………………………………………………………….. 30

3.2Излучатели……………………………………………………………….. 31

Раздел 4 ОБЛУЧЕНИЕ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ………….. 35

4.1.Облучение дистиллированной воды…………………………………… 35 4.2. Облучение водных растворов…………………………………………. 38 4.2.1. Облучение природной воды………………………………………….. 38 4.2.2. Облучение модельных растворов……………………………………. 42

4.3Биологическая очистка……………………………………………….. 43 4.4.Теоретические положения………………………………………………. 46

4.4.1. Радиолиз водных растворов………………………………………….. 46

4.4.2. Радиационная модель…………………………………………………. 52

Раздел 5 ОБРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ ………… 54

5.2. Экспериментальные данные по обработке расплавов………………………. 70 5.2.1. Обработка алюминия и его расплавов………………………………. 71 5.2.2. Обработка сплава системы Al-Si…………………………………… 73 5.2.3. Обработка сплава системы Al-Cu……………………………………. 74 5.2.4. Обработка сплава Al-Pb………………………………………………. 78 5.2.5. Обработка цинка……………………………………………………… 83 5.2.6. Обработка сталей 20Л и 20ГЛ……………………………………….. 84 5.2.7. Общие закономерности влияния обработки НЭМИ на расплавы… 91

2

5.3. Физические модели воздействия НЭМИ на структуру и свойства 93

металлов ……………………………………………………………………..

5.3.1.Модель механического воздействия………………………………… 93

6.1.Растворы с радионуклидом 90Sr ……..……………..………............... 105

6.2.Растворы с радионуклидом 137Cs ……………………………………. 107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………..………………………………………. 108

3

РАЗДЕЛ 1

1.ИСТОЧНИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЕЙ

Внастоящее время применение высоковольтных нано- и субнаносекунд-

ных импульсов постоянно расширяется в связи с развитием и удешевлени-

ем аппаратуры их формирования.

Формально все формирователи (генераторы) можно свести к трем типам

либо к их комбинации. Первый тип (рис.1.1) содержит замыкатель накопителя

Рис. 1.1. Формирователи импульсов с последовательным замыкающим ключом: R1 – зарядное сопротивление, R2 – сопротивление нагрузки, L1 – паразитная индуктивность ключа,

С1 – накопитель энергии

Второй тип (рис.1.2) содержит размыкатель тока, включенный параллель-

но нагрузке и накопителю (индуктивность или линия). Формирователи внутри одного типа отличаются используемыми ключами. Основные пара-

метры импульса: максимально возможная амплитуда, фронт, частота повторе-

ния определяются главным образом свойствами применяемых ключей.

Форма импульса связана с типом накопителя энергии и паразитными реак-

тивными параметрами ключей (на рисунках указаны основные паразитные па-

раметры – L1 для рис.1.1 и С1 для рис.1.2). Анализ надежности ключевых схем

4

показывает, что схемы с параллельными ключами существенно более надеж-

ны, чем с последовательными.

Третьим типом выделим формирователи солитонных импульсов. Они основаны на адиабатическом обострении импульсов на линиях с нелинейны-

ми элементами, (распределенными или квазираспределенными), такими как ферриты и варикапы. У ферритовых формирователей большие габариты, а ва-

рикапы работают при низких напряжениях. Поэтому предпочтение отдается ключевым схемам.

Вых

Рис. 1.2. Формирователи импульсов с параллельным размыкающим ключом: I1 – накопленный ток в L1; С1 – паразитная ёмкость ключа S1; R1 – сопротивление нагрузки

Третьим типом выделим формирователи солитонных импульсов. Они ос-

нованы на адиабатическом обострении импульсов на линиях с нелинейными

элементами, (распределенными или квазираспределенными), такими как фер-

риты и варикапы. У ферритовых формирователей большие габариты, а варика-

пы работают при низких напряжениях. Поэтому предпочтение отдается ключе-

вым схемам.

5

1.1Высоковольтные нано- и субнаносекундные ключи

Обзор возможностей некоторых ключей приведен в работе [1]. Фирма BEHLKE (EUROTEK) выпускает сборки на полевых транзисторах [2] с фронтом включения в несколько наносекунд при напряжении несколько киловольт, ко-

торые могут быть использованы в качестве последовательных ключей. Готовые генераторы нано и субнаносекундных импульсов на полевых сборках и лавин-

ных биполярных транзисторах производит Kentech Instruments Ltd (Великобри-

тания)[3]. Параметры используемых ключей и схемотехника в открытых литературных источниках неизвестны. Максимальные параметры импуль-

сов: амплитуда до 9 кВ при фронте 100 пс и частоте повторения 1 кГц.

Стоимость сборок BEHLKE и генераторов KENTECH весьма высока – от тысяч до десятков тысяч долларов, таким образом, их доступность суще-

ственно ограничена.

Применение полупроводниковых диодов в качестве высоковольтных быстродействующих ключей получило теоретическое обоснование и было впервые внедрено в практику благодаря работам сотрудников Санкт-

Петербургского (Ленинградского) Физико-технического института. В настоя-

щее время ключи на диодных сборках перекрывают диапазон до 1 МВ для им-

пульсов с длительностью десятки наносекунд, до 100 кВ при длительности по-

рядка наносекунды и до 30 кВ для 100 пс импульсов. Во многих случаях (если не нужны рекордные результаты) в качестве таких ключей могут быть исполь-

зованы вполне доступные промышленные диоды. Вследствие этого именно диодным ключам мы уделим дальнейшее внимание.

В 1979 г И. В. Грехов с сотрудниками показали возможность формиро-

вания киловольтовых импульсов с фронтом менее 1 нс [4,5] полупроводнико-

выми диодами с задержкой лавинного пробоя (ДЗЛП). Для этого диод включа-

ется последовательно с нагрузкой, на него подается постоянное обратное напряжение, близкое к величине лавинного пробоя, и импульс также об-

6

ратной полярности с крутизной нарастания сотни вольт за наносекунду. Ла-

винный пробой диода происходит с задержкой в доли - единицы наносекунд,

так что суммарное напряжение на диоде вырастает примерно вдвое выше лавинного, затем диод отпирается с фронтом < 1 нс, причем остаточное напряжение на диоде может в определенных условиях быть существенно

меньше лавинного. При увеличении крутизны входного импульса формирова-

ние ударной волны в диоде и соответственно формирование более короткого

фронта на выходе происходит и без подачи обратного смещения на диод.

При подборе диодов допускается их последовательное соединение [4-8]. В

работах [9] и [10] показана возможность применения в качестве ДЗЛП про-

мышленных диодов. В настоящее время ДЗЛП формируют наиболее мощ-

ные импульсы пикосекундного диапазона с частотой повторения f до десятков килогерц.

В качестве размыкающих ключей достаточно давно известны дио-

ды с накоплением заряда, позволяющие получать следующие типичные па-

раметры импульсов: U ~ 50 В при t ~ 0.2 нс для диода КА609 и U ~ 500 - 800

В при t ~ 0.5 - 1 нс для КД204, КД212.

В 1983 г И.В.Грехов с сотрудниками продемонстрировали применение в ка-

честве размыкающих ключей дрейфовых диодов с резким восстановлением

(ДДРВ) запирающих свойств со структурой p -n –n+ [11] и способ получения мощных наносекундных импульсов на их основе. Если через ДДРВ про-

пустить импульс прямого тока I+ , длительностью t+, а затем импульс обратного тока I- , длительностью t- , то при условии:

t+ + t- < tж ,

где tж - время жизни неосновных носителей заряда, и некоторых ограничениях на токи и заряд накачки (о чем будет сказано далее) диод запирается при ра-

венстве:

Q+ = I+ dt = I- dt = Q-,

7

причем время обрыва тока не превышает одной-двух наносекунд. Если ам-

плитуда I- больше амплитуды I+ , то происходит разрыв ненулевого тока

I-, и при параллельном соединении диода и нагрузки - формирование вы-

ходного импульса. Указанное условие обрыва тока выполняется автоматически одновременно и в последовательно соединеннных диодах, что дает возмож-

ность формировать импульсы с амплидудой много большей, чем лавинное напряжение одного диода.

Первые схемы формирователей приведены в [11 - 14], причем в [12, 14] про-

демонстрировано применение промышленных низко и среднечастотных вы-

прямительных диодов в качестве ДДРВ. В работе [15] показан двухкаскадный формирователь коротких импульсов с ДДРВ, в котором используются ин-

дуктивные накопители в цепях прямого и обратного токов диода, а в качестве ключей этих токов - транзисторы. Это позволило получить КПД более 25%

и f = 100 кГц. В [16] объединены схемы с ДДРВ и ДЗЛП. В работах авторов

[17-23] развита схемотехника формирователей на ДДРВ с одним активным ключом, в качестве ключа обратного тока применены насыщающиеся индук-

тивности, произведено объединение магнитных уплотнителей и формировате-

лей на ДДРВ, разработана схема формирователя двуполярного импульса [21, 28], введено понятие критического заряда ДДРВ [18], превышение которого ведет к появлению в формируемом импульсе медленной части фронта. Там же показана полезность импульсной запитки начального смещения последова-

тельной сборки ДЗЛП. В [27] была впервые продемонстрирована возможность резкого обрыва сверхплотных токов – до 10 кА/см2 вначале в промышленных,

а затем в специально разработанных диодах, получены импульсы амплитудой в сотни киловольт. Диоды с подобным режимом названы авторами Switch Open Semiconductor (SOS диоды).

Анализ различных ключевых схем показывает, что одной из оптималь-

ных является одноключевая схема с насыщающейся индуктивностью L2 (рис. 1.3). При типичных длительностях прямой накачки в несколько сот наносекунд

8

габариты и стоимость насыщающейся индуктивности существенно меньше,

чем у активного ключа, а потери перемагничивания при использовании ферри-

тов не слишком велики и позволяют применять такие схемы для частот повто-

рения в сотни герц – единицы килогерц для устройств с выходной мощностью более 1 МВт и до сотен килогерц для относительно маломощных формировате-

лей. Схемы с обратным ключом в виде насыщающейся индуктивности будем далее называть одноключевыми.

+U

Рис. 1.3. Одноключевая схема формирователя

Относительный недостаток одноключевых схем – зависимость времени задержки между включением ключа прямой накачки и моментом появления импульса от температуры магнитопровода, зависящей как от температуры окружающей среды, так и от частоты повторения (через интеграл потерь на пе-

ремагничивание), что связано в свою очередь с зависимостью индукции насы-

щения ферромагнетиков от температуры.

Формирователи на ДДРВ работают с малыми падениями напряжения на диодах вплоть до момента обрыва тока при выполнении ограничений на плот-

ность обратного тока и на заряд накачки. При превышении этих ограничений

9

уже на стадии обратного тока появляется предвестник - растущее во времени падение напряжения на диодах, уже не малое по сравнению с амплитудой наносекундного импульса. Предвестник может поглощать заметную долю энергии системы, препятствуя росту острой части импульса. Начиная с какого-

то момента при увеличении токов накачки с целью увеличить амплитуду им-

пульса, последняя перестает расти и может даже уменьшаться, а вся добавляе-

мая энергия уходит на формирование предвестника. Поскольку предвестник появляется на этапе, где проводимость диода еще весьма высока, то его ампли-

туда практически не зависит от величины нагрузки в диапазоне типичных для наносекундных импульсов нагрузок от десятков до сотен Ом.

Исследования, проведенные в работе [18], показали, что предвестник растет как при росте плотности тока, так и при увеличении длительности накачки, и что для большого класса промышленных выпрямительных диодов,

применяемых как ДДРВ, относительная амплитуда предвестника связана с ве-

личиной удельного на единицу площади диода заряда накачки. Там же было показано, что появление предвестника однозначно связано с потерей накоп-

ленного в ДДРВ заряда, и введена величина критического заряда Qкр, превы-

шение которого ведет к появлению заметного предвестника.

Таким образом, при увеличении необходимой мощности импульса необ-

ходимо увеличивать площадь диодов, либо применять параллельное соедине-

ние однотипных диодов. Для большинства промышленных низко и среднеча-

стотных диодов допустимые предельные плотности токов лежат в диапазоне

100 200А/см2 при типичных длительностях прямой накачки 100 500 нс, а кри-

тический заряд для этих диодов порядка 1 мкКл/см2 . Ограничение по Qкр при-

водит в свою очередь к нижней границе напряжения на накопительных конден-

саторах С1 и С2, что легко поясняется следующим образом. Накопленная энер-

гия, расходуемая далее на создание импульса равна:

E = CU2/2 = QU/2.

10