MODERNIZACJA STACJI STERYLIZACJI RADIACYJNEJ WYPOSAŻONEJ W AKCELERATOR ELEKTRONÓW ELEKTRONIKA 10/10. CZĘŚĆ I

ISSN 14257351 PL0601830 RAPORTY IChTJ. SERIA B nr 3/2006 MODERNIZACJA STACJI STERYLIZACJI RADIACYJNEJ WYPOSAŻONEJ W AKCELERATOR ELEKTRONÓW ELEKTRONIKA 10/10. CZĘŚĆ I Zbigniew Zimek, Zygmunt Dźwigalski, Stanisław Warchoł, Karol Roman, Sylwester Bulka INSTYTUT CHEMII I TECHNIKI JĄDROWEJ INSTITUTE OF NUCLEAR CHEMISTRY AND TECHNOLOGY

RAPORTY IChTJ. SERIA B nr 3/2006 MODERNIZACJA STACJI STERYLIZACJI RADIACYJNEJ WYPOSAŻONEJ W AKCELERATOR ELEKTRONÓW ELEKTRONIKA 10/10. CZĘŚĆ I Zbigniew Zimek, Zygmunt Dźwigalski, Stanisław Warchol, Karol Roman, Sylwester Bułka Warszawa 2006

AUTORZY dr inż. Zbigniew Zimek, dr inż. Zygmunt Dźwigalski, dr Stanisław Warchoł, mgr inż. Karol Roman, mgr inż. Sylwester Bułka Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Zakład Chemii i Techniki Radiacyjnej WYDAWCA Instytut Chemii i Techniki Jądrowej ul. Dorodna 16, 03195 Warszawa tel. 0 22 811 06 56, fax: 0 22 811 15 32, email: sekdyrn@ichtj.waw.pl Raport został wydany w postaci otrzymanej od Autorów UKD: 621.384 INIS: S43 SŁOWA KLUCZOWE: AKCELERATOR, KLISTRON, WIĄZKA ELEKTRONÓW

Modernizacja Stacji Sterylizacji Radiacyjnej wyposażonej w akcelerator elektronów ELEKTRONIKA 10/10. Część I Sterylizacja radiacyjna na skalę masową została wprowadzona w Polsce dzięki działaniom podjętym przez Instytut Badań Jądrowych (obecnie Instytut Chemii i Techniki Jądrowej IChTJ) we wczesnych latach siedemdziesiątych. Przeprowadzono prace badawcze obejmujące: określenie odporności radiacyjnej materiałów polimerowych, badania mikrobiologiczne, opracowanie metod dozymetrycznych przydatnych w pomiarach rutynowych i badania rozkładu dawki głębinowej przy wykorzystaniu wielozadaniowej instalacji akceleratorowej. W roku 1993 uruchomiono w IChTJ instalację radiacyjną wyposażoną w akcelerator 10 MeV 0 mocy wiązki 10 kw. Instalacja radiacyjna jest w stanie konkurować z innymi technikami sterylizacyjnymi, jeśli ma odpowiednią wydajność określoną mocą wiązki. Z drugiej strony niezawodność instalacji jest szczególnie ważna przy intensywnej eksploatacji akceleratora, gdyż koszty prac serwisowych oraz części zamiennych podnoszą koszty jednostkowe procesu sterylizacji. Oddzielnym problemem jest dostępność części zamiennych dla podtrzymania, wymaganej przez użytkowników, ciągłości usług. Modernizacja Stacji Sterylizacji, należącej do IChTJ i wyposażonej w akcelerator liniowy, ma przyczynić się do osiągnięcia wyższych, odpowiednich dla obróbki radiacyjnej oraz prac badawczowdrożeniowych, efektywności: technicznej i ekonomicznej. Celem, rozpoczętego w 2004 r., projektu jest uruchomienie akceleratora o energii 10 MeV i mocy wiązki 1015 kw przy wykorzystaniu sekcji przyśpieszającej pracującej w reżimie fali stojącej, zasilanej przez klistron o częstotliwości pracy odpowiadającej standardom europejskim. Realizacja projektu jest niezbędna dla skutecznej promocji sterylizacji radiacyjnej sprzętu medycznego jednorazowego użytku, implantów i przeszczepów, a także higienizacji produktów spożywczych oraz procesów radiacyjnych, które koniecznie wymagają stosowania elektronów o wysokiej energii. Do chwili obecnej: zakończono projektowanie układu zasilania mikrofalowego i impulsowego oraz kompletację urządzeń łącznie z klistronem i zasilaczem wysokiego napięcia (WN); zastosowano klucz tranzystorowy w modulatorze klistronu; zakupiono sekcję przyśpieszającą; rozpoczęto modyfikację układu chłodzenia wodnego. W końcowej fazie projektu planowany jest montaż akceleratora w pomieszczeniu z osłonami biologicznymi oraz prace nad uruchomieniem i testami końcowymi parametrów wiązki. Po zakończeniu prac, które powinno nastąpić w 2007, przewiduje się uzyskanie większej niezawodności, bezpieczniejszej 1 stabilniejszej pracy akceleratora, łatwiejszej dostępności części zamiennych, redukcji kosztów eksploatacji oraz większej niż obecnie mocy wiązki elektronów. Upgrading of Radiation Sterilization Facility equipped with electron accelerator ELEKTRONIKA 10/10. Part I Radiation sterilization has been introduced in Poland by the Institute of Nuclear Research (at present the Institute of Nuclear Chemistry and Technology INCT) in the early seventies. This was proceeded with research works and testing of radiation tolerance of different plastic materials, microbiological studies on sterilization effectiveness, elaboration of suitable dosimetric systems for routine dose and dosedepth determination performed in a multipurpose accelerator facility. The high scale irradiation facility using the 10 MeV, 10 kw electron accelerator has been introduced into operation at the INCT in 1993. When the plant is run with high throughput the radiation sterilization is competitive to other sterilization techniques. On the other hand, the higher accelerator reliability are especially important for intense accelerator exploitation when share of maintenance and spare parts cost in exploitation cost grows significantly. In the case of radiation facility equipped with accelerator spare parts, availability becomes another major problem to achieve continuous services required by facility customers and development of research programs. Upgrading of the sterilization facility located at the INCT, equipped with linear electron accelerator towards higher technical and economical effectiveness is being performed to ob

tain better operational characteristics suitable for radiation processing and research programs in the field of radiation technology development. The objective of the project initiated in 2004 is related to the construction of 10 MeV, 1015 kw electron accelerator with standing wave accelerating section equipped with microwave source based on modern klystron device operated at frequency according to European standards. The project is indispensable in order to promote effectively in Poland the radiation technologies for sterilization medical devices and tissue grafts as well as food product hygenization and other radiation processes where high energy electrons are required. The following stages of the project have been passed: design of microwave system of accelerator including pulse power supply, completion and installation of necessary systems including klystron stand, pulse power supply stand, driving generator stand and waveguide system. The semiconductor HV transistor switch was applied in the klystron modulator. The standing wave accelerating section has been purchased. Electron beam alignment, beam parameters evaluation and accelerator commissioning will be the final stage of the project. The better accelerator availability, safe and more stable beam parameters, better spare parts availability, reduced exploitation costs and higher beam power are expected to be achieved after successful project implementation foreseen in 2007.

SPIS TREŚCI 1. WPROWADZENIE 7 1.1. Program eksploatacji oraz cel modernizacji Stacji Sterylizacji 7 1.2. Zakres prac 8 1.3. Organizacja prac modernizacyjnych 10 2. MODULATOR KLISTRONU TH 2158 11 2.1. Klistron TH 2158 12 2.2. Modulator z niepełnym rozładowaniem zespołu kondensatorów 14 2.3. Modulator z linią formującą 18 3. UKŁAD CHŁODZENIA WODNEGO 20 4. UKŁAD PRÓŻNI 22 5. UKŁAD ZASILANIA 26 6. PODSUMOWANIE 28 7. LITERATURA 28

1. WPROWADZENIE 1.1. Program eksploatacji oraz cel modernizacji Stacji Sterylizacji Akcelerator ELEKTRONIKA 10/10 został uruchomiony w 1993 r. w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) w Warszawie jako podstawowe urządzenie jedynej w Polsce instalacji przeznaczonej do prowadzenia sterylizacji radiacyjnej w skali masowej [1]. Wykorzystanie akceleratora ELEKTRONIKA 10/10 umożliwiło ponadto: prace aplikacyjne (R&D), rezerwę w zakresie obróbki radiacyjnej materiałów innych niż medyczne, rezerwę w zakresie higienizacji produktów żywnościowych. W minionym okresie, z uwagi na wymagania stawiane sterylizacji radiacyjnej, przeprowadzono modernizację akceleratora ELEKTRONIKA 10/10, której celem było zwiększenie efektywności procesu technologicznego poprzez zwiększenie energii elektronów do poziomu 10 MeV. Zainstalowano, zakupioną u producenta akceleratora, nową sekcję przyśpieszającą o większej długości oraz zastosowano magnetron o zwiększonej mocy średniej. Należy zaznaczyć, że Instytut Chemii i Techniki Jądrowej prowadzi sterylizację radiacyjną wyrobów medycznych jednorazowego użytku dla ponad czterdziestu producentów sprzętu medycznego jednorazowego użytku oraz dla czterech banków tkanek z terenu całego kraju. Asortyment sterylizowanych wyrobów obejmuje obecnie kilkadziesiąt pozycji, takich jak: odzież chirurgiczna, cewniki, pojemniki bakteriologiczne, zakraplacze do oczu, pipety, biomateriały, materiały opatrunkowe, implanty, a także przeszczepy biostatyczne (kości, skóra). Wydajność Stacji Sterylizacji Radiacyjnej w odniesieniu do wyrobów medycznych jednorazowego użytku jest bliska 100 min sztuk w ciągu roku. Metoda sterylizacji radiacyjnej jest w pełni ekologiczna oraz nie zagraża zdrowiu obsługi i środowisku naturalnemu, a przede wszystkim zdrowiu użytkowników. Ważna dla prowadzenia procesu sterylizacji w skali masowej jest duża elastyczność reagowania na wzrastające okresowo zapotrzebowanie, co zwykle ma miejsce pod koniec każdego kwartału, a szczególnie pod koniec roku. Istnieje także konieczność świadczenia usług praktycznie bez przerw wynikających z okresowych przeglądów oraz napraw akceleratora. Dlatego brak możliwości regularnego zaopatrywania się w części zamienne produkcji rosyjskiej stwarza poważne problemy w utrzymaniu bezpiecznej i ciągłej pracy akceleratora ELEKTRONIKA 10/10. Akcelerator jest obecnie eksploatowany na poziomie 2500 godz. pracy z wiązką przyśpieszonych elektronów w skali roku. Zasadniczy problem dalszej eksploatacji jest związany z dostępnością, ceną i jakością części zamiennych sprowadzanych z Rosji, a przede wszystkim magnetronu MI 470. W okresie eksploatowania pierwszych dziewięciu magnetronów ich średni czas pracy był rzędu 800 godz., co powodowało przeciągające się przestoje instalacji. Dlatego istotnym jest wprowadzenie do eksploatacji akceleratora ze zmienionym źródłem energii mikrofalowej. Zamiast magnetronu typu MI 470 wykorzystany zostanie klistron typu TH2158 o gwarantowanym czasie pracy 4000 godz. i czasie eksploatacji dochodzącym do 10 000 godz. Zmiana źródła energii mikrofalowej umożliwi uzyskanie stabilnych warunków prowadzenia procesu sterylizacji. Ponadto pozwoli to na kilkakrotne wydłużenie okresu eksploatacji źródła energii wielkiej częstotliwości w.cz., a w konsekwencji obniży koszty eksploatacyjne instalacji. Warunkiem koniecznym jest wykorzystanie urządzeń pomocniczych przystosowanych do parametrów technicznych klistronu, tj. modulatora impulsowego, toru mikrofalowego i sekcji przyśpieszającej. Akcelerator po zmodyfikowaniu wymienionych podzespołów zapewni żądaną jakość obróbki radiacyjnej poprzez uzyskanie nominalnych parametrów (energia i poziom mocy) oraz osiągnie bezawaryjność eksploatacji na poziomie niezbędnym do świadczenia usług dla służby zdrowia.

1.2. Zakres prac Zmiana źródła energii mikrofalowej magnetronu MI 470 na klistron TH 2158 jest związana ze zmianą częstotliwości roboczej akceleratora z 1,863 na 2,856 GHz. Należy zaznaczyć, że częstotliwość 2,856 GHz jest zawarta, według standardów międzynarodowych, w typowym paśmie dla tego typu urządzeń. Zastosowanie urządzeń mikrofalowych o częstotliwości 1,863 GHz, przeznaczonych do zasilania akceleratorów, jest praktykowane jedynie w Rosji. Zmiana częstotliwości roboczej narzuca odmienną konstrukcję całego traktu mikrofalowego, łącznie z sekcją przyśpieszającą. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy podstawowych elementów wchodzących w skład zmodernizowanego akceleratora. o 4 1 2 I 6 i r 10 i i A 1 1 Zasilacz 1 WN i 7 w 17 15 3 r\ 8 9 16 / Rys.l. Podstawowe elementy akceleratora w nowej wersji: 1 generator mikrofalowy fali ciągłej 2,856 GHz, 2 mikrofalowy wzmacniacz impulsowy, 3 transformator impulsowy z obudową, 4 klistron TH 2158, 5 układ ogniskowania klistronu, 6 falowód z elementami pomiarowymi i cyrkulatorem, 7 modulator impulsowy, 8 półprzewodnikowy klucz impulsowy, 9 kondensatory WN, 10 działo elektronowe, 11 modulator impulsowy działa, 12 sekcja przyśpieszająca z falą stojącą, 13 pompa tytanowa, 14 zasilacz pompy tytanowej, 15 elektromagnes przemiatający wiązkę, 16 komora przemiatania, 17zasilacz elektromagnesu. Zastosowanie klistronu TH 2158 wymaga budowy odpowiedniego modulatora o parametrach impulsowych zgodnych z jego specyfikacją techniczną. Niezbędnym elementem dla funkcjonowania klistronu jest odpowiedni układ ogniskowania. Producent klistronu zastrzegł sobie wyłączność na dostawę tego układu ogniskowania dla potrzeb związanych z wykorzystaniem klistronu TH 2158. Modulator impulsowy zapewnia właściwe warunki pracy klistronu TH 2158. Jest to konieczne dla uzyskania energii mikrofalowej o odpowiedniej mocy w impulsie, a także mocy średniej niezbędnej w procesie przyśpieszania elektronów. Założenia projektowe przewidują budowę i uruchomienie modulatora impulsowego zapewniającego generację impulsów wysokiego napięcia o amplitudzie do 132 kv i czasie trwania do 20 \is. Jednym z elementów tego układu będzie zasilacz wysokiego napięcia zbudowany na bazie urządzenia wykorzystywanego poprzednio do zasilania modulatora magnetronu MI 435. Prace projektowe określą zakres niezbędnych zmian w konstrukcji mechanicznej i schematu elektrycznego dla zbudowania i uruchomienia zasilacza o napięciu roboczym do 13 kv i mocy średniej do 50 kw. Pozostałe elementy modulatora to: klistron TH 2158, układ ogniskowania, transformator impulsowy wraz z obudową oraz blok impulsowy. Do układów pomocniczych zaliczyć należy: obwody zasilania żarzenia klistronu, zasilacz wysokiego napięcia (WN) pompy próżniowej klistronu, układy sygnalizacji i zabezpieczeń, układ chłodzenia. Obudowa transformatora impulsowego powinna być wykonana ze stali nierdzewnej. Przewiduje się zastosowanie izolacji olejowej transformatora impulsowego, a także instalacji chłodzenia wodnego. 12 it n 11 13 t 14

Blok impulsowy modulatora to rodzaj klucza półprzewodnikowego o założonych parametrach prądowych i napięciowych. O wyborze tego bloku zadecyduje dostępność i cena elementów półprzewodnikowych o pożądanych parametrach technicznych. Wymagane jest zastosowanie kondensatorów wysokonapięciowych o konstrukcji gwarantującej odpowiednią żywotność tych podzespołów. Wariantem możliwym do przyjęcia jest wykorzystanie klucza tyratronowego opartego na tyratronie TGI 50/5000. Generator fali ciągłej ma zapewnić sygnał odniesienia o częstotliwości roboczej w paśmie 3 GHz. Mikrofalowy generator sygnałowy powinien charakteryzować się możliwością zmian mocy wyjściowej i mocą wyjściową nie mniejszą niż 10 mw oraz powinien pracować bez awarii, niezależnie od ustawionego poziomu mocy. Kolejnym urządzeniem toru mikrofalowego jest wzmacniacz impulsowy na pasmo 3 GHz. Urządzenie to steruje pracą klistronu TH 2158. Maksymalna moc sygnału w impulsie powinna wynosić 200 W, przy mocy średniej nie mniejszej niż 25 W i wzmocnieniu rzędu 40 db. Wzmacniacz powinien być przystosowany do pracy bezawaryjnej podczas wielozmianowej pracy akceleratora. Przeznaczeniem toru falowodowego na pasmo 3 GHz jest przeniesienie energii mikrofalowej z klistronu TH 2158 na wejście sekcji przyśpieszającej, w tym wypadku sekcji z folią stojącą, przy możliwie małych stratach oraz zapewnieniu separacji związanej z występowaniem fali odbitej. Istnieje możliwość zastosowania typowych elementów falowodowych. Przenoszona energia mikrofalowa nie będzie przewyższać 5 MW w impulsie i 30 kw mocy średniej. Zapewni to nadanie wiązce elektronów energii 10 MeV przy mocy średniej wiązki na poziomie 1015 kw. Zakres prac obejmie zainstalowanie działa elektronowego wraz z obudową przystosowaną do warunków wymaganych specyfikacją sekcji przyśpieszającej. Zastosowany zostanie modulator impulsowy do formowania impulsów wysokiego napięcia o amplitudzie do 50 kv i czasie trwania 1520 us. POMPA TYTANOWA " ' CEWKA OGNISKUJĄCA "" _. _ y,' j PRÓŻNIA WSTĘPNA j ' CEWKA OGNISKUJĄCA OKNO W.CZ. i CEWKA OGNISKUJĄCA MESZEK CEWKA POMIAROWA j " ELEKTROMAGNES PRZEWHATAJĄCY "~ / Rys.2. Układ próżni akceleratora z elementami toru przyśpieszania i przemiatania wiązki elektronów. Konstrukcja instalacji próżniowej obejmuje pompy tytanowe oraz elementy toru przyśpieszania i przemiatania wiązki elektronów (rys.2). Przewiduje się wykorzystanie trzech pomp tytanowych przystosowanych do warunków wymaganych specyfikacją sekcji przyśpieszającej. Projekt obejmie połączenia rurowe z istniejącą instalacją próżni wstępnej, a także

opracowanie konstrukcji elementów przejściowych układu próżniowego. Konstrukcja mechaniczna mocowania układu wyprowadzenia wiązki dopasowana zostanie do warunków wymaganych specyfikacją sekcji przyśpieszającej. Wymaga to opracowania konstrukcji i wykonania elementu przejściowego w obszarze układu próżniowego między sekcją przyśpieszającą a układem przemiatania wiązki. Końcowy etap prac obejmuje instalację urządzeń w miejscu docelowym oraz uruchomienie instalacji i pomiary końcowe parametrów eksploatacyjnych akceleratora. 1.3. Organizacja prac modernizacyjnych Zasadniczym argumentem za podjęciem prac modernizacyjnych akceleratora ELEKTRONIKA 10/10 jest potrzeba zachowania bezpieczeństwa ciągłej eksploatacji jedynej w Polsce jednostki, która prowadzi proces sterylizacji radiacyjnej w skali masowej. Brak możliwości regularnego zaopatrywania się w części zamienne produkcji rosyjskiej stwarza poważne problemy w utrzymaniu ciągłości pracy akceleratora ELEKTRONIKA 10/10. Brak dostawy magnetronu z firmy NPO Torji (Rosja), przeznaczonego dla jednego z akceleratorów pracujących w IChTJ spowodował przestój tego akceleratora przez blisko rok. Za modernizacją akceleratora przemawia też konieczność zmiany źródła energii mikrofalowej (zmiana magnetronu na klistron), co pozwoli uzyskać bardziej stabilne warunki prowadzenia procesu sterylizacji, a ponadto umożliwi kilkakrotne wydłużenie czasu eksploatacji źródła energii wielkiej częstotliwości, co w konsekwencji obniży koszty eksploatacyjne instalacji. Z uwagi na zakres prac oraz ciągłą eksploatację akceleratora ELEKTRONIKA 10/10 zakłada się, że zmodernizowany akcelerator zostanie zmontowany i wstępnie uruchomiony w oddzielnych pomieszczeniach. Tym samym nie zostanie zakłócona rutynowa eksploatacja akceleratora ELEKTRONIKA 10/10. Wykorzystane zostaną do tego celu dwa pomieszczenia w budynku akceleratora Stacji Sterylizacji, przewidziane w pierwotnym planie zagospodarowania budynku do zainstalowania elementów drugiego akceleratora, który do chwili obecnej nie został zakupiony. Pomieszczenia te dysponują niezbędną infrastrukturą; mają odpowiednie osłony biologiczne, zasilanie elektryczne, wentylację, oświetlenie oraz zabezpieczenia umożliwiające bezpieczną pracę w trakcie uruchamiania instalacji. Skompletowanie niezbędnego wyposażenia akceleratora wymagać będzie dokonania zakupów, a także podjęcia prac konstrukcyjnych obejmujących projektowanie, wykonanie i uruchomienie poszczególnych elementów, urządzeń i instalacji. Fundusze na przeprowadzenie modernizacji akceleratora przewidziane na lata 20042007 stanowić będą: dotacja z Państwowej Agencji Atomistyki (PAA); dotacja z Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA); środki własne IChTJ, obejmujące zakup urządzeń oraz przeprowadzenie modernizacji Stacji, w tym prac o charakterze remontowym. Dotacja z PAA obejmuje zakupy inwestycyjne poszczególnych urządzeń i elementów wchodzących w skład akceleratora (generator mikrofalowy, kondensatory wysokonapięciowe, klistron TH 2158 z układem ogniskującym, elementy toru falowodowego, pompy próżniowe oraz zasilacze prądowe). Dotacja z MAEA obejmuje zakup wzmacniacza mikrofalowego i sekcji przyśpieszającej, a także wizyty ekspertów MAEA oraz wizyty naukowe pracowników zespołu realizującego projekt w wybranych ośrodkach stosujących akceleratory elektronów. Warunki techniczne i ceny elementów zostały uzgodnione z producentami z krajów zachodnich oraz Rosji (sekcja przyśpieszająca). Prace związane z opracowaniem dokumentacji oraz instalacją i uruchomieniem urządzeń prowadzić będzie zespół wykonawczy składający się z pracowników Zakładu Chemii i Techniki Radiacyjnej IChTJ. Pozostałe prace zostaną zlecone firmom zewnętrznym bądź również wykonane we własnym zakresie. 10

Wykonanie prac projektowych oraz budowa, instalacja i uruchomienie urządzeń we własnym zakresie przy zleceniu wybranych usług firmom zewnętrznym pozwoli na znaczną redukcję kosztów całego przedsięwzięcia. Tabela 1. Zakres prac modernizacyjnych. L.p. Urządzenie/instalacja Projekt Usługi Zakupy 1. Opracowanie założeń Projekt wstępny Dokumentacja techniczna 20042007 2. Kompletacja podzespołów: zasilacz WN modulator impulsowy generator sterujący wzmacniacz impulsowy tor falowodowy sekcja przyśpieszająca 3. Urządzenia pomocnicze działo i modulator działa instalacja próżniowa układ przemiatania układ zasilania instalacja chłodzenia 4. Instalacja i testowanie urządzeń Uruchomienie akceleratora Test końcowy 20062007 Przeprowadzenie prac modernizacyjnych (tabela 1) zgodnie z przedstawionym wyżej programem działań gwarantuje uzyskanie nominalnych parametrów akceleratora, tj. energii elektronów 10 MeV i mocy średniej wiązki w zakresie 1015 kw. 2. MODULATOR KLISTRONU TH 2158 Zasadniczy problem dalszej eksploatacji akceleratora ELEKTRONIKA 10/10 jest związany z niską jakością, dostępnością i ceną części zamiennych, przede wszystkim magnetronu, który jest źródłem energii wielkiej częstotliwości (częstotliwość robocza wynosi 1,863 GHz). Podstawowym celem budowy zmodernizowanej wersji akceleratora jest zmiana magnetronu na nowoczesny klistron TH 2158 (parametry podano w tabeli 2) pracujący na częstotliwości 2,856 GHz, zgodnej z europejskimi standardami. Warunkiem zmiany jest dostosowanie innych urządzeń akceleratora do parametrów technicznych klistronu, tj. modulatora impulsowego, toru mikrofalowego oraz sekcji przyspieszającej. W raporcie przedstawiono projekt modulatora impulsowego klistronu TH 2158. Modulator ten został zaprojektowany dla następujących założeń: średnia moc wyj ściowa modulatora 45 kw, maksymalne napięcie zasilające 13,5 kv, maksymalna częstotliwość powtarzania impulsów 3 3 0 Hz. Opracowanie modulatora wspomagane było symulacjami komputerowymi przy wykorzystaniu pakietu programów MicroSim Evalution Softwere DesignLab Release 8". 11

Tabela 2. Podstawowe parametry klistronu TH 2158. Parametry Symbol Jednostki Wartości graniczne min. max. Wartości zmierzone Napięcie żarzenia Vf V 9,5 9 Prąd żarzenia If A 35 31,1 Częstotliwość klistronu fo MHz 2856 2856 Napięcie klistronu w impulsie Vctcr kv 132 126 Prąd katody klistronu w impulsie Ik A 91 87 Perweancja k upierce 1,75 2,1 1,95 Średnia moc tracona w obudowie Pet moy. kw 4 3 Czas trwania impulsu modulatora tpv us 22 27,7 Czas trwania impulsu w.cz. tprf us 18 26,6 Częstotliwość powtarzania impulsów fr Hz 330 Moc wejściowa w.cz. w impulsie Pe W 150 64 Moc wyjściowa w.cz. w impulsie Ps er MW 5 5,2 Średnia moc wyjściowa w.cz. Ps kw 45 47,3 Wzmocnienie G db 49,1 Sprawność Rdt % 45 47,3 Prąd cewki ogniskującej nr 1 Isoll A 30 26,7 Prąd cewki ogniskującej nr 2 Isol2 A 30 30 Prąd cewki ogniskującej nr 3 Isol3 A 30 30 Prąd pompy jonowej Ipi ua 10 <1 Zdolność emisyjna katody Pf+5% P 5% AIkcr % 3 2 0 Spadek ciśnienia wody w obudowie i oknie: 8 dmvmin bar 4 2,5 Spadek ciśnienia wody w kolektorze: 120dm 3 /min bar 2 1 2.1. Klistron TH 2158 Szczególną uwagę przy projektowaniu należy zwrócić na perweancję wiązki elektronów klistronu k i zwis impulsu napięcia modulatora. Z dokumentacji technicznej klistronu wiadomo, że urządzenie to będzie pracowało poprawnie, jeżeli perweancja obliczana wg wzoru k = Iklistronu ' (VkHstronu) ' utrzymana będzie w zakresie 1,752,1010 A/V ' 5, tzn. że dla wybranej wartości amplitudy napięcia prąd klistronu musi być utrzymywany w ściśle określonym zakresie. Na przykład dla 125 kv prąd klistronu należy utrzymywać w przedziale 77,392,8 A. Producent klistronu podał jednocześnie, że maksymalna wartość tego prądu wynosi 91 A. Producent podał również (tabela 2), że dla dostarczonego do IChTJ klistronu perweancja wynosi 1,9510 AN 1 ' 5. Zatem dla napięcia 125 kv prąd klistronu wynosi 86,2 A. Z charakterystyki mocy wyjściowej w.cz. w funkcji napięcia klistronu w impulsie (rys.3) wynika, że dla V k ii stro nu = 125 kv moc wyjściowa w.cz. klistronu wynosi 5,1 MW. Moc ta zostanie osiągnięta dla pełnego wysterowania klistronu. Z rysunku 4 wynika, że do pełnego wysterowania klistronu wystarczy impuls o mocy 64 W na jego wejściu. Stabilność i powtarzalność impulsów wielkiej częstotliwości, wytwarzanych przez klistron, zależy bardzo od 12

AMPLITUDA IMPULSU NAPIĘCIA NA KLISTRONIE [kv] Rys.3. Charakterystyka mocy wyjściowej klistronu w impulsie w funkcji amplitudy napięcia przykładanego do klistronu. C.WYJŚCIOWA.KLISTRONU.TH 2158 [ MW ] o» W OJ U Ul C 1 I I 1 Z2 II ZL ZL JZ IZ trz t / I / f } 0 0 50 100 150 MOC W.CZ. NA WEJŚCIU KLISTRONU.. [W] Rys.4. Wykres mocy w.cz. klistronu w impulsie w funkcji mocy w.cz. na wejściu klistronu. 13

kształtu napięcia modulatora, a w szczególności od płaskości grzbietu tych impulsów. Dlatego przyjęto, że dopuszczalny zwis impulsu napięcia modulatora nie powinien przekraczać 5%. Tabela 3. Obwody zabezpieczeń klistronu. Rodzaj sygnału Poziom oleju Próżnia Próżnia Woda Woda Żarzenie Woda Prąd SF6 Napięcie Prąd WFS Przebicia Poziom min. min. max. min. max. min./max. min. min./max. min./max. max. max. max. Symbol F F F F F A F A A F F F Miejsce pomiaru modulator zasilacz pompy zasilacz pompy układ chłodzenia układ chłodzenia układ zasilania cewki ogniskujące cewki ogniskujące falowód zasilacz WN zasilacz WN falowód układ w.cz. F stały poziom sygnału dla wszystkich klistronów. A poziom sygnału dla danego klistronu. Uwagi transformator impulsowy napięcie zasilania prąd zasilacza przepływ wody chłodzącej klistron temperatura wody chłodzącej prąd żarzenia klistronu chłodzenie cewek ogniskujących klistronu prąd cewek ogniskujących ciśnienie napięcie zasilania prąd zasilacza współczynnik fali odbitej przebicia w obwodach mikrofalowych Pracę klistronu zabezpieczają: układ sygnalizacji i blokad, układ chłodzenia wodnego, układ zasilania impulsowego (WN), układ zasilania AC (żarzenie), zasilacze DC (ogniskowanie), zasilacze w.cz. (sterowanie), układ podtrzymywania próżni, osłony biologiczne. W tabeli 3 przedstawiono wykaz oraz charakter układów zabezpieczających prawidłową eksploatacj ę klistronu TH 215 8. 2.2. Modulator z niepełnym rozładowaniem zespołu kondensatorów Rysunek 5 przedstawia obliczony kształt impulsu modulatora na obciążeniuklistronie. Z przybliżonych, ale wystarczająco dokładnych obliczeń wynika, że pojemność zespołu kondensatorów powinna wynosić co najmniej 27 uf, aby nie przekroczyć dopuszczalnej wartości zwisu impulsu napięcia. 150 10 15 Czas [/is] 25 Rys.5. Kształt napięcia (obliczony) na klistronie. 14

Zastosowano zespół trzech równolegle połączonych kondensatorów firmy High Energy Corporation (USA), o pojemności 10 J.F każdy. Widać, że amplituda napięcia zmienia się od ok. 126 do ok. 122 kv. Z wykresu podanego przez producenta klistronu (rys.3) wynika natomiast, że dla podanych zmian amplitudy napięcia amplituda mocy wyjściowej klistronu będzie się zmieniała od 5,2 do 4,6 MW. Zmiana amplitudy napięcia o 3% powoduje zmianę mocy o 13%. Kompletny transformator impulsowy o przekładni napięciowej 1:10 (transformator impulsowy, zbiornik olejowy, transformator żarzeniowy klistronu, dławik, pojemnościowy dzielnik napięcia, kondensatory sprzęgające) wykonała na zamówienie firma Stangenes Industries Inc. (USA). Transformator ten, dzięki nowatorskiej konstrukcji i precyzyjnie nawiniętym uzwojeniom, zapewni przy impulsie o stosunkowo długim czasie trwania (1618 ^s) narastanie rzędu 1 us. W modulatorze zastosowano komercyjny, szybki tranzystorowy przełącznik wysokiego napięcia typu HTS 181160FI firmy Behlke Electronic GmbH (Niemcy), którego podstawowe parametry podano w tabeli 4. Przełącznik jest zbudowany z kombinacji znacznej ilości tranzystorów bipolarnych i tranzystorów MOSFET. Charakteryzuje się on bardzo małymi stratami (500 W dla 40 kw średniej mocy wyjściowej modulatora), tzn. że sprawność przełącznika jest bliska 99%. Literatura [27] potwierdza wysoką sprawność przełączników półprzewodnikowych wysokiego napięcia. Producent zaleca zabezpieczanie przełącznika przed oscylacjami prądu za pomocą specjalnych diod zewnętrznych. Jest to szczególnie istotne dla obwodów zawierających znaczną indukcyjność. W opisywanym przypadku (indukcyjność pierwotnego uzwojenia transformatora impulsowego L wynosi 2,4 mh). Tabela 4. Podstawowe parametry przełącznika HTS 181160FI. Parametry Napięcie przebicia Maksymalne napięcie wsteczne Typowe napięcie nasycenia Maksymalny prąd w impulsie; 1j mp < 100 jxs Maksymalna częstotliwość powtarzania impulsów Opóźnienie czasu włączenia Typowy czas narastania impulsu Typowy czas opadania impulsu (obciążenie rezystancyjne) Naturalna pojemność przełącznika Pojemność sprzęgająca Wartość 18 540 82 (0,1Up,) 250(1Up,) 1600 500 ok. 130 80 (0,1Up,) 180(11^,) ok. 1 ok. 90 ok. 100 Jednostki kv V V A Hz ns ns us pf pf Zakupione przełączniki nie są jednak zabezpieczane fabrycznie przed nadmiernym wzrostem natężenia prądu. W przypadku wystąpienia zwarcia w opisywanym modulatorze, na przykład z powodu przebicia w klistronie, przełącznik może zostać nieodwracalnie uszkodzony, jeśli nie zostanie zastosowany odpowiednio szybko reagujący układ zabezpieczający. Z symulacji komputerowych wynika, że prąd może osiągnąć maksymalną dopuszczalną wartość 1600 A (narastając od przewidywanych podczas eksploatacji modulatora wartości 700800 A) po upływie zaledwie 1,2 us. Układ zabezpieczający musi skutecznie i bardzo szybko przerwać obwód prądowy przełącznika, czyli z pozycji załącz" przejść do pozycji wyłącz". Sprawdzono eksperymentalnie w modulatorze zastępczym (rys.6) działanie układu ujemnego sprzężenia zwrotnego jako układu zabezpieczającego. W modulatorze tym zastosowano przełącznik HTS 61160FI o takim samym maksymalnym prądzie 1600 A, ale o trzykrotnie mniejszym napięciu przebicia. Jako obciążenie zamiast klistronu i transformatora impul 15

sowego zastosowano 15 połączonych równolegle rezystorów TWO 10 o łącznej rezystancji 100 MHz generator impulsowy programowalny model 8600 (Tnbor EIcctronics.Ltd) Zasilacz WN c + ll" 20 uf Sonda PS100 (Tek) Rys.6. Schemat modulatora zastępczego i układu pomiarowego. Ujemne napięcie zbierano z rezystora RB (20 rezystorów połączonych równolegle) i podawano poprzez rezystancyjny dzielnik napięcia (Ri, R2, R3) o regulowanej skokowo przekładni napięciowej na wejście IN" przełącznika, oprócz impulsu z generatora wyzwalającego przełącznik. Poprzez dobór amplitud tych impulsów i przekładni dzielnika napięcia można spowodować wyłączenie przełącznika, jeżeli natężenie prądu płynącego przez ten przełącznik zwiększy się np. o 15% w stosunku do ustalonej wartości eksploatacyjnej. Z załączonych oscylogramów (rys.7) wynika, że proces wyłączania jest dostatecznie szybki i skuteczny. Rys.7. Oscylogramy z zastępczego modulatora: kanał 1 kształt impulsu na wejściu IN" przełącznika; kanał 2 kształt impulsu prądu płynącego przez przełącznik, obciążenie EL i rezystor R B. 16

w Dławik Generator imp. wyzw. Układ zabezp. Rys.8. Schemat ideowy modulatora klistronu TH 2158: Dl szybka dioda typu FDA 16075; D2 zintegrowany z przełącznikiem HTS 181160FI i chłodzony układ diod szeregowych"; Rl, Cl układ RCsnubber (Rl rezystor 100 O. typu TWO 60, Cl mikowy kondensator 5 nf/25 kv firmy Miflex); D3 Dioda Schottky typu 1N5822; R B 10 rezystorów grubowarstwowych firmy Caddock Electronics Inc. (USA) z radiatorami typu K 70 firmy Austerlitz, połączonych równolegle, o wypadkowej rezystancji ok. 0,02 2. ZESPÓŁ KONDENSATORÓW MODULATOR KLISTRONU TH 2158 Widok z góry KLISTRON TH2158 Połączenie klistronu z "masą" (z płytą kompletnego tr. imp.) Połączenie zespołu kondensatorów» z przełącznikiem typu HTS Połączenie zespołu rezystorów z "masą" [z płytą kompletnego tr. imp.) Zespół rezystorów typu MP9100 Połączenie zespołu rezystorów z pierwotnym uzwojeniem transformatora impulsowego HTS Kompletny transformator impulsowy 7777777777. 77777777777777777777777777777777777777777777/777/ f*2000 Rys.9. Proponowane rozmieszczenie podzespołów modulatora klistronu z częściowym rozładowaniem zespołu kondensatorów 310 JJ.F/15 kv. 17

Na rysunku 8 przedstawiono schemat ideowy modulatora klistronu, a na rys.9 propozycję rozmieszczenia podzespołów tego modulatora. Szczegółowa dokumentacja podzespołów i elementów zawiera około 20 rysunków. 2.3. Modulator z linią formującą Wykonano również obliczenia wariantu modulatora z zastosowaniem opisanego wyżej transformatora impulsowego, ale zamiast zespołu kondensatorów magazynujących energię przewi PART No: 37351 PART No: 37M1 PART No: 37JJI CAPACITANCE: 0.W JIF * 10* CAPACITANCE: DM ff 10ł CAPACITANCE: (MM fjf 10* VOLTAGE: 60.0 kv VOLTAGE; (D.OkV VOLTAGE: 60.0 bv E.S.L.: O.OlSfiH E.S.L: ~0.0]J^H E.S.U: 0.015//K * GENERAL ATOMICS Energy Products GENERAL ATOMICS Energy Products * GENERAL A TOMICS Energy Product! { GENERAL ATOMICS Energy Troducta L (1155 mm dla 12 segmentów) Rys. 10. Linia formująca impulsy z kondensatorami 40 nf/60 kv (widok z przodu; wariant 3): 1 kondensator 40 nf/60 kv, 2 cewka, 3 rurka (pręt) miedziana, 4 płaskownik, 5 płyta izolacyjna górna, 6 płyta izolacyjna dolna, 7 pręt izolacyjny, 8 pręt izolacyjny. 18

Rys.l 1. Linia formująca impulsy z kondensatorami 40 nf/60 kv (widok z góry; wariant 3): 1 kondensator 40 nf/60 kv, 2 cewka, 3 i 4 płytki z miedzi lub z mosiądzu, 5 płaskownik. dziano linię formującą z kondensatorami typu 37332 firmy General Atomics Energy Producs (USA), o pojemności 40 nf i maksymalnym (znamionowym) napięciu pracy U z = 60 kv. Pozostałe parametry tych kondensatorów są następujące: indukcyjność ok. 15 nh, współczynnik rozproszenia (strat) max. 0,001, maksymalna częstotliwość powtarzania impulsów 1000 Hz, maksymalna amplituda prądu w impulsie 50 ka, trwałość DC 25 000 godz., ilość cykli ładowanie/wyładowanie 10 8. (Należy zauważyć, że ostatnia wartość odnosi się do pracy przy napięciu 60 kv; dla obniżonych napięć ilość tych cykli znacznie wzrasta i może być co najmniej 100 razy większa dla U = 30 kv.) Jako przełącznik można zastosować tyratron (np. TGI2500/50) lub szybki tyrystorowy przełącznik wysokiego napięcia firmy Behlke Linin formująca louh KOMPLETNY OLEJOWY TRANSFORMATOR IMPULSOWY 40 nf I I T "I" 40nF Rys. 12. Schemat ideowy modulatora z linią formującą i tyratronem. 19

Electronic GmbH (np. HTS 320800SCR lub HTS 320200SCR). Z symulacji komputerowych wynika, że należy spodziewać się gorszego kształtu impulsu na obciążeniu niż w wariancie pierwszym. Otrzymano dłuższe czasy narastania i opadania impulsu. Na rysunkach 10 i 11 przedstawiono konstrukcje (widok z przodu i widok z góry) jednego z wariantów w.w. linii formującej. Rysunek 12 prezentuje natomiast schemat ideowy modulatora z linią formującą i tyratronem TGI 50/2500. Przewidziano umieszczenie kompletnego olejowego transformatora impulsowego w pomieszczeniu sekcji przyśpieszającej elektrony akceleratora, a pozostałych podzespołów modulatora w pomieszczeniu przyległym. Zdecydowano połączyć części modulatora odcinkami kabla koncentrycznego typu WDek 505,0/17,3 o długości < 10 m. 3. UKŁAD CHŁODZENIA WODNEGO Modernizacja układu chłodzenia wodnego ma na celu przebudowę istniejącej instalacji chłodzenia akceleratora ELEKTRONIKA 10/10. Przebudowany układ ma zapewnić chłodzenie akceleratora ELEKTRONIKA 10/10 podczas jego ciągłej pracy oraz zapewnić chłodzenie w trakcie budowy, rozlokowanego w oddzielnych pomieszczeniach, akceleratora, który ma własne obwody chłodzenia wodnego. Istniejąca instalacja chłodzenia akceleratora składa się z trzech niezależnych obiegów. Obiegi bezpośrednio chłodzące napełniony wodą destylowaną akcelerator, tzw. obiegi pierwotne, są to: obieg wody termostatowanej chłodzący sekcję przyśpieszającą oraz obieg chłodzący pozostałe urządzenia akceleratora. Obieg wtórny, napełniany wodą z miejskiej sieci wodociągowej, odprowadza ciepło z obiegów pierwotnych poprzez układ wymienników ciepła. Modernizacja zostanie przeprowadzona przy założeniu, że akcelerator ELEKTRONIKA 10/10 oraz budowany akcelerator zostaną wyposażone w niezależne pierwotne obiegi chłodzenia. Obieg wtórny układu chłodzenia po odpowiedniej przebudowie pozostanie wspólny. Schemat ideowy układu chłodzenia wodnego akceleratora po modernizacji przedstawiono na rys. 13. Instalacja składa się z niezależnych obiegów pierwotnych oraz wspólnego obiegu wtórnego. Obiegi pierwotne zbudowane są z trzech podstawowych elementów: zbiornika wody destylowanej, wymienników ciepła, pomp obiegowych wody destylowanej, Obieg wtórny składa się z następujących elementów podstawowych: pomp obiegowych wody surowej, zbiornika wody surowej ogrzanej, zbiornika wody surowej zimnej, chłodni wentylatorowych umieszczonych na dachu budynku. Wymienione wyżej urządzenia są wyposażone w zawory odcinające i armaturę kontrolnopomiarową niezbędną do utrzymania prawidłowego poziomu wody w zbiornikach oraz jej temperatury. Doboru parametrów urządzeń składających się na układ chłodzenia wodnego dokonano kierując się opisem i obliczeniami zawartymi w Technicznym projekcie chłodzenia akceleratora" dotyczącym istniejącej instalacji oraz warunkami prawidłowej eksploatacji określonej przez producentów poszczególnych urządzeń. Parametry urządzeń wchodzących w skład instalacji chłodzenia wodnego określono przy następujących założeniach: ilość ciepła do odprowadzenia 140 kw, temperatura końcowa wody destylowanej na wyj ściu akceleratora 31 C, maksymalna temperatura wody destylowanej wychodzącej z instalacji chłodniczej 25 C, temperatura wody obiegowej na wejściu do wymiennika w okresie letnim 22 C, temperatura wody obiegowej na wyjściu z wymiennika 36 C. 20

Rys. 13. Stacja sterylizacji schemat chłodzenia akceleratorów: I, II akceleratory; 1 zbiornik wody destylowanej; 2 wymiennik ciepła; 3 pompy obiegowe wody destylowanej; 4 pompy obiegowe wody surowej; 5 zbiornik wody surowej ogrzanej; 6 zbiornik wody surowej zimnej; 7 wentylatorowa chłodnia wody; 8 kolektor zbiorczy. 21

Urządzenia niezbędne do wykonania modernizacji układu z wykorzystaniem elementów istniejącego układu zestawiono poniżej. Są to: dwa zbiorniki wody destylowanej z tworzywa sztucznego, wymienniki ciepła, pompy obiegowe wody destylowanej. W trakcie przebudowy instalacji pierwotnego obiegu przewody w obrębie wymienników ciepła zostaną wykonane z rur ze stali nierdzewnej, a przewody do i od akceleratora z łączonych metodą zgrzewania rur z polipropylenu. Przewody instalacji wtórnego obiegu znajdujące się na zewnątrz budynku zostaną wykonane z rur stalowych, a wewnątrz budynku ze zgrzewanych rur z polipropylenu. Omawiana instalacja chłodzenia akceleratora nie obejmuje bezpośrednich połączeń z akceleratorem. Instalacja kończy się rozdzielaczami wyposażonymi w odpowiednie zawory odcinające. Dalsza część instalacji obejmuje połączenia poszczególnych elementów akceleratora z rozdzielaczami. Połączenia te zostaną wykonane z rur z sieciowanego polietylenu PEc. Chłodzenie tych elementów powinno być kontrolowane przez urządzenia pomiarowosterujące wyposażone (opcjonalnie) w odpowiednie interfejsy do współpracy z komputerem. Zakupiono: materiały oraz elementy typowe pierwszego układu chłodzenia: pompy obiegowe (I obieg) 2 szt. (Grundfos, typ CRN 155); zbiorniki wody destylowanej 2 szt. (Roth, pojemność 2000 1); wymienniki ciepła Jad 5/60 2 szt. (Termowent Polska, typ JAD 6/50); materiały instalacyjne rury, kształtki, zawory; chłodnię wentylatorową 1 szt.; elementy nietypowe: rozdzielacze do równoległego połączenia wymienników ciepła 2 szt. (Termowent Polska, wyprodukowane na zamówienie IChTJ). th 10 J IH 12 Hh _ 13 14 Rys. 14. Obieg wody termostatowanej: 1 wymiennik ciepła, 2 zbiornik wyrównawczy, 3 sekcja przyśpieszająca, 4 nagrzewnica, 5 sterownik, 6 przetwornik, 7 poziom odniesienia, 8 mikroprocesor, 9 sygnalizacja, 10 zawór, 11 pompa, 12 czujniki poziomu, 13 czujniki przepływu, 14 czujniki temperatury. Prawidłowo prowadzony proces przyśpieszania elektronów wymaga utrzymywania temperatury sekcji przyśpieszającej z tolerancją±0,5 C. Zapewni to obieg wody termostatowanej przedstawiony na rys. 14. 4. UKŁAD PRÓŻNI Układ próżni akceleratora stanowi zamknięta objętość o łącznej pojemności < 1 m 3. W skład układu próżni wchodzą następujące elementy i podzespoły akceleratora (tabela 5): 22

działo elektronowe, sekcja przyśpieszająca, czujnik prądu wiązki, układ wyjściowy (przemiatania) wraz z oknem wyjściowym (folia tytanowa), elektrono wód (element rurowy 2 szt), elementy łączeniowe układu próżniowego (zawory, trójniki, połączenia rurowe), tytanowe pompy próżni wysokiej (3 szt.), układ pomp próżni wstępnej. Tabela 5. Wykaz podstawowych elementów instalacji próżniowej. L.p. 1. 2. 3. 4. Specyfikacja elementów typowych toru wiązki elektronów Działo elektronowe Sekcja przyśpieszająca Element pomiarowy z mieszkiem elastycznym Komora przemiatania Projektowane elementy nietypowe Komora działa elektronowego z kołnierzami dla działa elektronowego, sekcji przyśpieszającej i pompy tytanowej. Wymagane ustalenie odległości między anodą a sekcją przyśpieszającą. Elektrono wód z kołnierzami dostosowanymi do sekcji przyśpieszającej i elementu pomiarowego. Wymagane ustalenie odległości między sekcją przyśpieszającą a elementem pomiarowym. Przewidziana możliwość zastosowania układu ogniskowania, ewentualnie układu przemiatania wiązki w kierunku y. Element rurowy z kołnierzami dostosowanymi do sekcji przyśpieszającej i pompy jonowej. Elektronowód z kołnierzami dostosowanymi do elementu pomiarowego i komory przemiatania. Wymagane ustalenie odległości między elementem pomiarowym a komorą przemiatania. Instalacja próżni, przedstawiona na rys. 15, została opracowana przy założeniu, że dla podtrzymania próżni roboczej na poziomie 10" 5 Pa zostaną zainstalowane trzy pompy jonowosorpcyjne wyposażone w elektrody tytanowe. Pompy te zostaną zainstalowane w miejscach najbardziej krytycznych dla podtrzymywania próżni: w obszarze działa elektronowego; w połowie sekcji przyśpieszającej, w pobliżu doprowadzenia energii mikrofalowej; na korpusie komory przemiatania. Kołnierze pomp będą połączone równoległym łącznikiem umożliwiającym równoległe pompowanie próżni wstępnej w wymienionych wyżej obszarach. Próżnia wstępna jest niezbędna przy starcie pomp tytanowych. Równoległy łącznik utworzony zostanie z poszczególnych odcinków rur próżniowych, a także z połączenia elastycznego i zaworu z uszczelką metalową, odcinającego strefę wysokiej próżni od magistrali niskiej próżni. Próżnia wstępna będzie osiągana poprzez zastosowanie istniejącego agregatu wchodzącego w skład akceleratora ELEKTRONIKA 10/10. Wyposażony w wymrażarkę azotową agregat próżni wstępnej pozwala uzyskać próżnię na poziomie 10" 4 mbar przy bardzo niskiej zawartości par oleju z obrotowej pompy wstępnej. Magistrala próżniowa wykonana zostanie z rur ze stali nierdzewnej w standardzie NW40 i poprowadzona poprzez betonową ścianę osłonową (o grubości ok. 100 cm) łączącą oba pomieszczenia. Pomiar próżni wstępnej będzie dokonywany w pobliżu zaworu odcinającego za pomocą sondy termoelektrycznej (np. firmy Alkatel, dla której jest dostępny czytnik). Poziom próżni wysokiej zostanie określony na podstawie wskazań natężenia prądu zasilaczy wysokiego napięcia pomp próżniowych. 23

A POMPA TYTANOWA B POMPA OBROTOWA C WYMRAŻARKA D AKCELERATOR EZAWÓR F SONDA PRÓŻNIOWA G MIESZEK (N) HOZWÓRNIK J POŁĄCZENIE RUROWE K TRÓJNIK LKABEL WN M ZASILACZ WN R DZIAŁO S UKŁAD WEJŚCIOWY (N) TSEKCJA ELEKTRONOWÓD (N) YCZUJNIK PRĄDU Z KOMORA PREMIATANIA N ELEMENT NIETYPOWY Rys. 15. Schemat układu próżni akceleratora. Zasadnicze parametry pompy tytanowej typu NMDI0,063 (Rosja) przedstawiono w tabeli 6. Charakterystyczne parametry zasilacza wysokiego napięcia typu BPM0,25 (ARS TERM, Nowosybirsk, Rosja) dla pompy NMDI0,063 podano w tabeli 7. Zasilacz pompy tytanowej wyposażony jest w następujące układy sterowania, blokad i sygnalizacji: blokadę pracy przy zdjętej obudowie, regulację progu zadziałania próżnia: wysoka/niska", zdalne i lokalne włączenie zasilacza, sygnalizację pracy w obszarze od zwarcia do biegu luzem, zabezpieczenia przed przegrzaniem zasilacza, zabezpieczenia pompy przed spadkiem próżni (odłączalne), zdalną sygnalizację załączenia zasilacza, zdalną sygnalizacj ę zadziałania blokady termicznej, zdalną sygnalizację pogorszenia próżni. Do oceny próżni można wykorzystać praktycznie liniową w skali logarytmicznej zależność między poziomem próżni a prądem obciążenia pompy w zakresie 0,5 ua20 ma. 24

Tabela 6. Parametry pompy tytanowej typu NMDI0,063. Charakterystyka pompy NMDI0,063 Największa prędkość pompowania azotu Największa prędkość pompowania argonu Najwyższe ciśnienie startowe Najwyższe ciśnienie robocze Najwyższa osiągalna próżnia Indukcja magnetyczna w centralnej części roboczej szczeliny Moc zasilacza Maksymalny prąd zasilcza Napięcie zasilania Temperatura pracy Dopuszczalna temperatura pracy Średnica kołnierza Głębokość Szerokość Wysokość Waga Parametr 60 l/s ±20% 10 l/s ±20% lpa 210" 3 Pa 810 8 Pa 125 mt 90 ±20% 400800 ma 6,37,0 ±10% 103 5 C 145 C 100 mm 320 mm 160 mm 335 mm 23 kg +5% Roboczy zakres próżni na poziomie 10~ 5 Pa jest zwykle osiągany przy prądzie rzędu 1 ma. Wielkość tego prądu można określić korzystając z następującej zależności: I = Q K ' V+K 2 gdzie: Ki, K2 stałe zależne od konstrukcji pompy; V napięcie zasilacza. Tabela 7. Charakterystyka zasilacza WN typu BPM0,25 dla pompy NMDI0,063. Charakterystyka zasilacza WN Napięcie sieci AC Częstotliwość sieci AC Prąd sieci AC Moc w obciążeniu w forsownym reżimie Moc w obciążeniu w warunkach roboczych Czas pracy w forsownym reżimie Prąd w obciążeniu w forsownym reżimie Prąd w obciążeniu w warunkach roboczych Napięcie wyjściowe bez obciążenia Gabaryty Waga Parametr 220 V ±10% 50 Hz <10A 1200 W 35OW 160 min ±10% 1200 ma 600 ma 7,5 kv 485x135x485 mm <15kg Zależność między wielkością próżni a prądem pompy określa zależność: P = I/C [Pa] gdzie stały współczynnik C [A/Pa] jest charakterystyczny dla danego układu. Przykładowe znaczenia stałych współczynników są następujące: Ki = 3,7, K2 = 18,4, C = 1000 A/Tr = 7,6 A/Pa. Warto zaznaczyć, że 1 Tor = 132,3 Pa. Krzywa kalibracyjna dla pompy NMDI0,063 zostanie określona po zainstalowaniu urządzeń wchodzących w zestaw układu próżniowego. 25

5. UKŁAD ZASILANIA Zmodernizowany akcelerator zostanie zmontowany i wstępnie uruchomiony w oddzielnych pomieszczeniach i nie będzie zakłócać rutynowej eksploatacji akceleratora ELEKTRONIKA 10/10. Do tego celu zostaną wykorzystane pomieszczenia w budynku akceleratora Stacji Sterylizacji, przewidziane w pierwotnym planie zagospodarowania budynku do zainstalowania elementów drugiego akceleratora. Pomieszczenia te dysponują niezbędną infrastrukturą; mają odpowiednie osłony biologiczne, zasilanie elektryczne, wentylację, oświetlenie oraz zabezpieczenia umożliwiające bezpieczną pracę w trakcie uruchamiania instalacji. Zasilanie elektryczne wykonano według projektu Biura Studiów i Projektów Techniki Jądrowej PROATOM: PT Instalacji elektrycznych siła technologiczna" dokumentacja powykonawcza oraz PT instalacji elektrycznych rozdzielnia główna n.n." dokumentacja powykonawcza. Projekt obejmuje: instalacje siłowe zasilania; instalacje sterowania, blokad i sygnalizacji urządzeń; uziemienia robocze i ochronne; instalację piorunochronową. \ Po 0,4kW lo= 0,8A ] RS2.1 Pz 50,2kW Po 13,5kW lo 27,1 A Zasilanie AC 3 x 380 V, 50 kva w pomieszczeniu zasilacza WN modulatora klistronu TH RS1 Pz 25,6 k W Po : 2,9 kw 7,0A Rys. 16. Instalacja zasilania elektrycznego akceleratorów siła technologiczna. Dla każdej z trzech kondygnacji budynku wykonano rozdzielnie odpowiednio RS1, RS2, RS2.1 (rys. 16). Duże odbiorniki (modulator magnetronu MI470 oraz modulator klistronu TH 2158) zasilono bezpośrednio z rozdzielnicy siłowej głównej w rozdzielni niskiego napięcia (n.n.), przy czym w pomieszczeniu dla modulatora klistronu TH 2158 należy zainstalować dodatkowo stycznik SC200. Sterowanie tego stycznika powinno znajdować się na dodatkowej tablicy TB, która będzie zainstalowana w sterowni. Tablica TB zasilana będzie z istniejącej tablicy TA umieszczonej w sterowni. 26

Instalacja blokad i sygnalizacji, przewidziana dla umożliwienia współpracy głównych urządzeń technologicznych, pozwala na: sterowanie otwierania drzwi osłonowych do pomieszczenia akceleratora (jest to możliwe przy wyłączonych obwodach załączania wiązki akceleratorów); załączenie wiązki elektronów po: zamknięciu wszystkich drzwi wyposażonych w blokady, uruchomieniu sygnału optycznego i akustycznego informującego o mającym nastąpić załączeniu, uruchomieniu transportera; wciśnięcie któregokolwiek z przycisków awaryjnych powodujące natychmiastowe wyłączenie akceleratora i transportera; otwarcie drzwi wyposażonych w blokady powodujące natychmiastowe wyłączenie akceleratora i transportera; zainstalowanie przycisku kontroli wyjścia z komory po sprawdzeniu czy wszystkie osoby opuściły to pomieszczenie. Po uruchomieniu przycisku automatycznie włącza się sygnał akustyczny na czas wykonania procedury zamykania pomieszczeń. Tablica TB umożliwi zdalne włączenie i wyłączenie chłodzenia wodnopowietrznego. Będzie tam zainstalowany również wyłącznik awaryjny. Ochrona przed porażeniami prądem obejmuje: zerowanie dla obwodów n.n., uziemienia dla urządzeń akceleratorów, część obwodów sterowania wykorzystującą instalację 24 V. Podstawowym odbiornikiem energii elektrycznej budowanej instalacji akceleratorowej jest modulator klistronu TH 2158, którego zadaniem jest formowanie impulsów o amplitudzie do 132 kv, czasie trwania 20 us i częstotliwości powtarzania do 330 Hz. Wymagana jest moc zasilania rzędu 50 kw. Zasilanie układu modulatora wymaga sieci czteroprzewodowej (trzy fazy i przewód zerowy) 3 x 380/220 V ±5%, 50 Hz. 3x380V 50kVA 513 kv Rys. 17. Schemat blokowy zasilacza wysokiego napięcia: TRN regulator tyrystorowy, ST blok sterowania. Bezpośrednim odbiornikiem energii elektrycznej z rozdzielni n.n. jest zasilacz wysokiego napięcia przeznaczony do zasilania modulatora klistronu TH 2158. W trakcie prób modulatora klistronu i uruchomienia akceleratora przewiduje się wykorzystanie zasilacza typu BC130006, wyposażonego w tyrystorowy regulator napięcia oraz transformator typu TB 360/130007. Zasilacz jest też wyposażony w filtr składający się z 2 dławików o indukcyjności 2,9 henra każdy i prądzie znamionowym 9 A. Filtr uzupełnia bateria 18 kondensatorów o łącznej pojemności 18 uf i napięciu znamionowym 16 kv. Zakres regulacji napięcia wyjściowego wynosi 513 kv o stabilności nie gorszej niż ±2%. Przewiduje się wykonanie prac modernizacyjnych tyrystorowego regulatora napięcia dla podwyższenia prądu obciążenia zasilacza do 4 A, co umożliwi zwiększenie mocy zasilacza do poziomu 50 kw. Schemat blokowy zasilacza przedstawiono na rys. 17. Zasilacz WN jest wyposażony w: 27