1. امیدرضا کاکویی پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای
شتابگر الکتروستاتیک الکترون keV برای کاربردهای صنعتی: چالش‌ها و دستاوردها
امیدرضا کاکویی
پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای

2. فهرست مطالب:
مقدمه
شتابگر الکترون کم انرژی مفاهیم و کاربردها
معرفی پروژه
شبیه سازی و طراحی تفنگ الکترونی
سیستم خلاء
منبع تغذیه

4. تعداد شتابدهنده‌های مورد استفاده در حوزه‌های مختلف علوم و فنون
تعداد شتابدهنده‌های مورد استفاده در حوزه‌های مختلف علوم و فنون

5. d.c. high voltage accelerator

8. شتابگر الکترون کم انرژی
شتابگرهای صنعتی بخصوص در بخش شتابگرهای کم انرژی رشد سریعی دارد .
کاربرد عام این نوع از شتابگرها فرآوری (بدون استفاده از حلال) رنگ، پوشش‏ها و چسب‏ها
شامل فرآیند مونومرها که با استفاده از تابش باریکه الکترونی شتابگر عمل پلیمریزاسیون و پیوندزنی بصورت مقرون بصرفه‌تر
از دیگر کاربردهای مهم این‏گونه شتابگرها به حذف آلاینده‌های سوختی دودکش‌ها و حلال‌ها در حین چاپ و پوشش‌دهی
بازدهی انرژی مناسب با استفاده از فناوری شتابدهنده الکترواستاتیک کم انرژی نسبت به روش‌های سنتی
در مجموع می‌توان از مزیت‌های شتابدهنده‏های با انرژی پایین به مواردی مانند فرآورش سریع، افزایش کم حرارت بر روی سطح مواد، بازدهی انرژی بالا، فرآورش پایدار، کم هزینه، فشرده و کم‏جا بودن، کم بو و خروجی گاز پایین و کاربری آسان اشاره کرد.

10. Range of electron penetration with different accelerating voltage &13m titanium foil and 20 mm of nitrogen

11. دز جذب شده موردنیاز جوانه مهار 0.1-0.2 kGy دفع آفات نباتی 0.3-0.5 kGy

12. ساختار شتابدهنده
شتابدهی در داخل یک محفظه تحت خلاء که به یک مولد ولتاژ بالای DC وصل شده است، صورت می‏گیرد.
بسیاری از محفظه‌های شتابدهی کم انرژی از یک تک شکاف بین کاتد ترمویونی (منبع الکترون‏ها) و آند ( یک پنجره نازک با پتانسیل زمین شده) استفاده می‏کنند.
ضخامت این پنجره می‏بایستی به اندازه‏ای نازک باشد که عبور الکترون‏ها با کمترین اتلاف انرژی و جریان ممکن باشد.
پتانسیل DC ولتاژ بالای مورد استفاده در این نوع شتابدهنده‏ها با استفاده از ترانسفورماتور هسته آهنی و یک مدار یکسوکننده تولید می‏شود و با یک کابل قابل انعطاف ولتاژ بالا به داخل شتابدهنده منتقل می‏شود.
این شتابدهنده بگونه‏ای طراحی می‏شود که از نظر حفاظت در برابر پرتو خود محافظ است و با استفاده از فلزات با چگالی زیاد مانند سرب و استیل از نفوذ پرتوهای بوجود آمده در تفنگ الکترونی شتابدهنده به بیرون از محفظه آن جلوگیری می‏کند.

13. منبع تغذیه ولتاز بالا و سیستم کنترل چشمه الکترونی و سیستم شتابدهی
شتاب دهنده‌های پرده‌ای الکترون جزء گروه شتاب دهنده‌های الکترونی کم انرژی هستند که عمدتا تشکیل شده‌اند از :
منبع تغذیه ولتاز بالا و سیستم کنترل
چشمه الکترونی و سیستم شتابدهی
سیستم خلاء
حفاظت در برابر پرتو
طرحی شمائی از شتابدهنده پرده‌ای الکترون

15. تفنگ الکترونی در شتابدهنده پرده‏ای شامل:
اتاقک
دفع‏کننده
توری کنترل
توری محافظ
میله انتقال جریان به فیلمان‏
اتصالات نگهدارنده فیلمان‏
فیلمان

16. دفع‏کننده‏ها خطوط میدان را در قسمت بالای فیلمان طوری که وجود اجزاء دیگر مانند میله‏های انتقال جریان منبع تغذیه فیلمان‏ها باعث ایجاد اختلال در سیستم استخراج الکترون نشوند.
به منظور تصحیح طول فیلمان‌ها پس از گرم شدن، آنها توسط ساختار نگهدارنده فنری تحت کشش قرار می‌گیرند.
لازم است طراحی این ساختار فنری به صورتی انجام شود که کمترین اثر را در میدان بوجود آمده توسط دفع کننده و توری کنترل داشته باشند.
اختلاف پتانسیل اعمالی بر روی توری کنترل برای کنترل پروفایل باریکه خروجی از 1 تا 5 ولت قابل تنظیم است.
دلیل استفاده از توری محافظ این است که فضای بین داخل تفنگ شتابدهی وارد این ناحیه نشود.
برای ایجاد ایزولاسیون مناسب و برای جلوگیری از تخلیه الکتریکی نقاط مختلف اتاقک با شعاع انحناء مناسبی گرد شده است. با توجه به اینکه بیشینه میدان الکتریکی در خلاء تقریبا 7.5 MV/m درنزدیکی بخش انحنای توری محافظ است ، که بطور مطمئنی از میدان الکتریکی بحرانی (9 MV/m)در خلاء مورد انتظار کمتر ازtorr 10-6

17. شبیه‏سازی
شبیه‏سازی الکترومغناطیسی طرح با استفاده از نرم‏افزار CST Studio Suite 2015
با توجه به پیچیدگی‏های خاص اجزاء طرح پیشنهادی، برای رسم از نرم‏افزار Solidworks برای ایجاد آن اجزاء استفاده شد.

18. اختلاف پتانسیل شتابدهی kV300
محفظه شتابدهنده در پتانسیل زمین
اختلاف پتانسیل اعمالی بر روی تفنگ الکترونی منفی
پتانسیل توری گرید و توری محافظ با هم برابر و نسبت به اتاقکV 100
میزان اختلاف پتانسیل دفع کننده -2 V نسبت به توری کنترل بر روی هر دو دفع کننده اعمال شده

19. خطوط هم‏پتانسیل میدان الکتریکی داخل تفنگ الکترون

20. نمای سه بعدی مسیر حرکت الکترون‏ها در شتابدهنده

21. کاتدهای گرمایونی
کاتدهای گرمایونی، از انواع گسیلنده‌های الکترونی هستند. با اعمال ولتاژ به آند جریان گسیل شده از کاتد افزایش می‌یابد.
وابستگی جریان به ولتاژ اعمالی را اولین بار شاتکی به صورت تئوری برای فلزات طبق معادله زیر بدست آورد.
Js چگالی جریان اشباع، E میدان الکتریکی اعمالی و T دمای کاتد.
وابستگی جریان اشباعی به دما -معادله ریچاردسون-داچمن
Js چگالی جریان اشباع، T دمای کاتد، A ثابت گسیل،  تابع کار، K ثابت بولتزمن

22. تغییر شکل فیلمان تنگستن به دلیل انبساط حرارتی هنگام افزایش دما
در کاتدهای گرمایونی برای رسیدن به سطح گسیل الکترون بیشتر می‌توان از فیلمان با طول بیشتر استفاده کرد.
یکی از مشکلات مهم در استفاده از فیلمان با طول بیشتر، تغییر شکل و خم شدن فیلمان به دلیل انبساط حرارتی است.
در شتابدهنده‌های پرده‌‌ای الکترون با توجه به اینکه چندین فیلمان به طور موازی قرار می‌گیرند کوچکترین تغییر شکل باعث به هم خوردن نظم و چگونگی قرار گرفتن فیلمان‌ها می‌شود.
بی‌نظمی در آرایش فیلمان‌ها باعث از بین رفتن توزیع یکنواخت گسیل الکترون می‌شود
فیلمان تنگستن بعد از عبور جریان و گرم شدن
فیلمان تنگستن قبل از عبور جریان و گرم شدن

23. طراحی و ساخت سیستم مکانیکی فنری نگهدارنده فیلمان برای جلوگیری از تغییر شکل آنها
1 1 2 4 3 5
تصویری از سیستم مکانیکی فنری نگهدارنده فیلمان نصب شده داخل محفظه خلاء:
سیستم مکانیکی طراحی شده جهت نصب فیلمان‌ها و عبور جریان از آنها: 1) فیلمان تنگستن، 2) قطعه متحرک نگهدارنده فیلمان، 3) صفحه برنجی، 4) فنر و مهره، 5) صفحه مسی

24. آزمایش و اندازه گیری
تصویری از فیلمان‌های گداخته هنگام عبور جریان و گسیل الکترون
تغییرات جریان الکترونهای گسیلی با ولتاژ اعمالی به آند
تغییرات جریان الکترونهای گسیلی با جریان عبوری از فیلمان در ولتاژ ثابت آند

25. تجهیزات خلاء سيستم پمپ خلاء توربومولکولار 400ليتر برثانيه
سيستم پمپ خلاء توربومولکولار 400ليتر برثانيه
سيستم خلاء سنجي کامل
پمپ مکانيکي 15متر مکعب در ساعت
شیرها و اتصالات خلاء موردنیاز

26. منبع تغذیه مورد نیاز برای این شتابگر الکترون، ترکیبی از چهار منبع تغذیه مرتبط
منبع تغذیه جریان فیلمان، با جریان DC قابل تنظیم 0-150A و توان 1kW با ریپل جریان %1
منبع تغذیه ولتاژ دفع کننده با ولتاژ DC قابل تنظیم 0-20V با بیشینه جریان 100mA ریپل ولتاژ %5 و درجه تنظیم %5 و درجه تثبیت ولتاژ %5
منبع تغذیه DC ولتاژ گرید که ولتاژ آن بین 0-200V با بیشینه جریان 100mA با ریپل %5 و درجه تنظیم %5 و درجه تثبیت ولتاژ %5
منبع تغذیه DC شتاب با ولتاژ قابل تنظیم بین 0-300kV و بیشینه جریان 130mA ریپل ولتاژ %5 و درجه تنظیم ولتاژ %5 و درجه تثبیت ولتاژ %5

27. مجوز از مرکز نظام ایمنی هسته ای کشور
مرکز نظام ایمنی هسته ای کشور یک مرجع ذیصلاح است که ماموریت حصول اطمینان از استفاده ایمن از انرژی هسته ای و منابع پرتوی کشور را با هدف حفاظت کارکنان ، مردم ، نسل های آینده و محیط زیست در برابر اثرات زیان آور پرتو ها با در نظر گرفتن دو اصل : " حداکثر ایمنی معقول قابل دستیابی و" و " حداقل پرتوگیری معقول قابل دستیابی " ، عهده دار می باشد .

28. با سپاس از توجه شما