Научная статья на тему 'Бетатрон с размагничиванием магнитопровода с выведенным электронным пучком'

Бетатрон с размагничиванием магнитопровода с выведенным электронным пучком Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
46
8
Поделиться
Ключевые слова
труды учёных ТПУ / электронный ресурс / магнитопроводы / размагничивание / электронные пучки / магнитная система / обмотки / экспериментальные исследования / питание / циклы ускорения / кинетическая энергия / ускоренные электроны / схемы

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Рычков Максим Михайлович, Чахлов Владимир Лукьянович, Чертов А. С.

В работе рассмотрена магнитная система бетатрона с размагничиванием магнитопровода, в которой обмотка возбуждения включена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой. Экспериментальное исследование магнитной системы бетатрона с размагничиванием магнитопровода проведено на базе электромагнита серийно-выпускаемого бетатрона МИБ-6. Для данной магнитной системы разработана схема питания, обеспечивающая вывод электронов за пределы излучателя в конце цикла ускорения. Осуществлен запуск бетатрона с размагничиванием магнитопровода на кинетическую энергию ускоренных электронов в выведенном пучке 6 МэВ, с частотой следования импульсов излучения 50 Гц. Приведены кривые распределения дозных полей выведенного электронного пучка.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Бетатрон с размагничиванием магнитопровода с выведенным электронным пучком»

8. Максимальное поле облучения 10x30 см.

В электромагните применены полюса гребневой конструкции. Величина воздушного зазора на равновесном радиусе /о=34мм. Схема питания позволяет регулировать энергию ускоренных электронов в пределах 3... 12 МэВ и оперативно корректировать поле излучения. Если сравнивать бетатрон с такой конструкцией электромагнита с бетатроном МИБ-10Э [5], то он будет обладать лучшими техническими характеристиками, так как кинетическая энергия ускоренных электронов будет больше в ~ 1.5 раза, массогаба-ригные параметры емкостного накопителя меньше в ~ 1.5 раза при сохранении массога-баритных параметров электромагнита.

Таким образом, конструкция электромагнита бетатрона с последовательно-встречным включением обмоток возбуждения и компенсационной позволяет расширить возможности применения бетатронов в целях дефектоскопии и медицинских целях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананьев Л.М., Воробьев A.A., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. -М.: Госатомиздат, 1961. - 352 с.

2. Москалев В.А. Б ет атр он ы .-М.: Энергоиздат, 1981. - 168 с.

3. Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахл о в В.Л., Чертов A.C. Бетатрон с подмагничиванием. // ПТЭ, 2002. №1. - С.5-9.

4. Чертов A.C. Бетатрон с размагничиванием магнитопровода. Диссертация. - Томск, 2002.

5. В.Л. Чахлов, В.Г. Волков, A.A. Звонцов и д р.-Изв. Вузов: Физика, 2000. №4. -С.134-135.

УДК 621.384.6

М.М. РЫНКОВ, В.Л. ЧАХЛОВ, A.C. ЧЕРТОВ

БЕТАТРОН С РАЗМАГНИЧИВАНИЕМ МАГНИТОПРОВОДА С ВЫВЕДЕННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

В работе рассмотрена магнитная система бетатрона с размагничиванием магнитопровода, в которой обмотка возбуждения включена последовательно и встречно с компенсационной обмоткой. Экспериментальное исследование магнитной системы бетатрона с размагничиванием магнитопровода проведено на базе электромагнита ссрийно-выпускаемого бетатрона МИБ-6. Для данной магнитной системы разработана схема питания, обеспечивающая вывод электронов за пределы излучателя в конце цикла ускорения. Осуществлен запуск бетатрона с размагничиванием магнитопровода на кинетическую энергию ускоренных электронов в выведенном пучке 6 МэВ, с частотой следования импульсов излучения 50 Гц. Приведены кривые распределения дозных полей выведенного электронного пучка.

Рис.4. Конструкция электромагнита бетатрона с последовательно-встречным включением обмоток возбуждения и компенсационной для медицинских целей (с 1¥к = 14 МэВ), где 1 - обратный магнитопровод; 2 - полюса с центральным сердечником в монолитном исполнении; IV1 - обмотка возбуждения; -компенсационная обмотка

Введение

Современные достижения в развитии средств и методов лучевой терапии, новые научные данные в экспериментальной и клинической радиобиологии и онкологии привели к значительному повышению роли и эффективности лучевой терапии [1, 2]. Это стимулирует и развитие ускорительной техники, которая является необходимой технической базой в научных и лечебных учреждениях.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Среди бетатронов с выведенным электронным пучком, предназначенных для лучевой терапии, следует отметить переносные малогабаритные бетатроны типа МИБ-6Э и БМ-10Э на кинетическую энергию электронов в терапевтическом пучке 6 и 8,5 МэВ, соответственно, с азимутальной вариацией управляющего поля, разработаные в НИИ интроскопии при Томском политехническом институте. Основные их достоинства - малые массогабаритные параметры, маневренность, надежность и простота в эксплуатации. Эти бетатроны в течение ряда лет успешно применяются в медицинской практике, как в томских, так и в зарубежных клиниках для интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ) и лечения разнообразных поверхностных новообразований. Однако, как показала практика [2], одним из недостатков этих установок является пространственное смещение оси пучка и изменение конфигурации поля облучения при изменении энергии ускоренных электронов, что приводит к длительным операциям настройки и корректировки пространственного положения пучка с привлечением высококвалифицированных специалистов. Данный факт ограничивает использование этих перспективных установок, так как в большинстве случаев применения выведенного пучка необходимо оперативное регулирование энергии выведенных электронов и конфигурации поля излучения.

Конструкция электромагнитной системы

В основе исследуемой системы лежит конструкция бетатрона с размагничиванием магнитопровода БРМ [3]. Хотя данная система предназначена для получения тормозного излучения, при некоторых изменениях его конструкции такую систему можно успешно применить для вывода пучка и устранить недостатки, присущие медицинским бетатронам. Достоинство такой системы состоит в том, что управляющее поле в рабочем зазоре формируется двумя обмотками с примерно равным числом витков, и при одинаковых параметрах излучения в бетатроне такой конструкции по сравнению с классическим бетатроном радиальные размеры намагничивающей обмотки можно уменьшить. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить поля рассеяния с полюсов. По проведенным на модернизированном электромагните ПМБ-6 измерениям (рис.1), потоки рассеяния Фр (поток через площадку гст-гос, где гст- внутренний радиус стойки обратного магнитопровода, гос - радиус освобождения частицы) с уменьшенной обмоткой и стандартной отличаются примерно в 2 раза. При этом величина Фр определялась по выражению:

гст

Фр=2л Ц(г)с1г (1)

гос

Уменьшение полей рассеяния, соответственно, приводит к увеличению эффективности вывода т.к. увеличивается эффективное сечение выводного окна вследствие того, что электроны покидают рабочее пространство ускорителя с большими углами между вектором скорости частицы и радиус-вектором ее положения.

B7. \ 1

□ ■ 327

□ .277

□ . 227

О . 177

О . 127

45 50 55 бО 6-5 70 75 80 65 ЭО 95 100105110115120125

Г

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Рис.1. Распределение вертикальной составляющей вектора магнитной индукции в бетатроне с размагничиванием, где: 1 - со стандартной обмоткой возбуждения, 2-е

Экспериментальное исследование вывода электронного пучка из БРМ проведено на модернизированном электромагните ПМБ-6. При этом использовалась ускорительная камера бетатрона БМ-10Э с окном для вывода электронов. Схема питания электромагнита БРМ [3] была дополнена устройствами вывода ускоренных электронов (рис.2, цепь Св, ЧЪ, Dв) и стабилизацией энергии колебательного контура (тиристор Vc). Схема питания работает следующим образом. В исходном состоянии емкостной накопитель Сн заряжен до напряжения Umax, конденсатор С\ заряжается от выпрямителя, состоящего из диодов D1-D6, через дроссель ¿01 и обмотку возбуждения W\ постоянным током (током размаг-

уменьшенной обмоткой возбуждения

Л1 0-33 к

Рис.2. Экспериментальная схема питания БРМ. VI-V5 -Т143-400-20, Кк, Vc - ТБ-251-80-12; DI-D6 - Д122-32-6, D1-D9 - Д133-400-20, Dk, DB - Д132-50-10

ничивания) /о, который задает магнитное состояние магнитопровода электромагнита бетатрона (рис.3). При протекании тока /о по обмотке Ю в замкнутом магнитопроводе создается постоянный магнитный поток -Фсн- В момент времени и с приходом управляющих импульсов на тиристоры УЗ ... У5 включаются два тиристора, имеющие требуемую полярность емкостного накопителя Сн и он начинает разряжаться на включенные последовательно и встречно обмотки И'\ и \¥1. В процессе ускорения ц выполнение бетагронного соотношения 2:1 на расчетном радиусе полностью осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток IV1, ¡¥2 и технологических зазоров в цепях магнитопровода. В момент времени ¿1 включается также тиристор Ук и корректирующий конденсатор Ск, заряженный до требуемого напряжения через резисторы ... N2, начинает разряжаться на обмотку №2 через резистор ЯЗ. Ток разряда конденсатора Ск направлен встречно току компенсационной обмотки Ж2 и ее магнитодвижущая сила уменьшается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока

через центральный сердечник магни-

и,1, Ф

+Фс.

"Фс

Рис.3. Изменения во времени токов, напряжений, магнитных потоков в схеме питания бетатрона с размагничиванием, где: Фс„(/) - магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода; Uc\{t) - напряжение на конденсаторе С1; Uw\(t) ~ напряжение на обмотке возбуждения W\; Uwi{t) - напряжение на компенсационной обмотке W2 (пунктиром показаны изменения напряжений Uw\(l) и Uwiit) при отключенной цепи коррекции); im(t) - ток обмотки возбуждения W\\ im(t)~ ток компенсационной обмотки W2

топровода в интервале времени t\ t2, который компенсирует начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе перемагничива-ния магнитопровода. Изменение напряжения на конденсаторе Ск осуществляется переменным резистором R1 и выбирается исходя из максимальной интенсивности излучения. Для рассматриваемой схемы наиболее оптимальным моментом начала вывода пучка является момент времени ¿з, когда напряжение на емкостном накопителе Сн близко к 0 и равно активному падению напряжения на обмотке W2. В интервале времени /3 * Ц обмотка W.2 закорачивается диодом D7, при этом ее ток и магнитодвижущая сила уменьшаются. Это вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода, и радиус равновесной орбиты увеличивается со скоростью порядка 10J м/с. В момент времени Ц включается тиристор V1, запитывая обмотку смещения Же при зарядке конденсатора Св от конденсатора С1. В обмотке смещения, представляющую сектор протяженностью 180° и уложенную в межполюсном пространстве электромагнита, формируется импульс тока /в, и относительно азиму-тально-симметричного управляющего

поля создается секторное поле, направленное встречно управляющему, и обеспечивающее вывод электронного пучка через выводное окно ускорительной камеры. При этом диод D1 закрывается, ток обмотки W1 начинает уменьшаться с гораздо большей скоростью т.к. ток разряда конденсатора С1 направлен встречно току обмотки W2, а ток обмотки W\ переходит в цепь конденсатора С1 и тиристора VI. В течение интервала времени (4 * t5 происходит ввод энергии от конденсатора С1 в колебательный контур для компенсации потерь энергии в нем за цикл ускорения, а ток обмотки W2 спадает до нуля. При полном разряде конденсатора С1 (момент времени /5) включается диод D1, тиристор VI выключается и конденсатор С1 вновь заряжается током /о. Заряд конденсатора СI а следовательно и энергию, вводимую в колебательный контур, можно регулировать (до 30%) временем включения тиристора Vc, что и использовалось для стабилизации энергии укоренных электронов. Более глубокую регулировку энергии выведенных электронов можно осуществить либо изменением емкости конденсатора С1, либо изменением напряжения питания. При этом частотные характеристики колебательного контура т.е. время ускорения не изменяются, и в отличие от бетатронов классической конструкции, энергия электронов определяется не временем смещения ускоренных частиц при неизменном времени ускорения, а величиной реактивной энергии колебательного контура.

Экспериментальное исследование пространственного распределения

электронного излучения

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Для описанного выше режима работы были сняты распределения дозных полей в плоскости равновесной орбиты (рис.4). При этом использовался дозиметр "Robotron" М2300 с плоской камерой 70 127 в комплекте с прилагаемым к камере сборным полиэтиленовым фантомом. Камера 70 127 согласована с прилагаемым полиэтиленовым

Рис 4. Распределения дозных полей в плоскости равновесной орбиты при различных временах вывода электронного пучка, где: 1 - 800мкс, 2- 850 мкс, 3-900 мкс

фантомом и может быть установлена как на поверхности, так и на глубинах в диапазоне, соответствующем энергии электронов в терапевтическом пучке бетатрона, с достаточной дискретностью. Измерения проводились при различных временах включения тиристора Fe, т.е. включение секторной обмотки осуществлялось при различных значениях равновесной орбиты. Распределения дозных полей в медианной плоскости выведенных электронов представлены на рис.4. Из рисунка видно, что ось пучка и пространственное распределение электронного излучения являются функциями задержки включения тиристора Fe.

Заключение

Таким образом, на основе экспериментально полученных результатов, можно выделить ряд преимуществ новой системы:

1. За счет применения обмотки возбуждения с меньшими радиальными размерами удалось уменьшить поля рассеяния с полюсов и обмоток и тем самым увеличить эффективность вывода электронного пучка и интенсивность излучения.

2. Для расширения равновесной орбиты в конце цикла ускорения не требуется специальной схемы и не нужно в рабочем зазоре размещать витки предварительного расширения равновесной орбиты как в стандартном бетатроне.

3. Медленное расширение равновесной орбиты (приблизительно 102 м/с) в конце цикла ускорения за счет изменения разницы магнитодвижущих сил намагничивающей и компенсационной обмотки позволяет достаточно точно синхронизировать процессы предварительного симметричного расширения и последующего секторного возмущения равновесной орбиты.

4. Изменение фазы включения тиристора ввода энергии приводит к изменению положения оси пучка, что можно использовать для стабилизации положения оси пучка при изменении энергии ускоренных электронов.

Рассмотренная схема питания и способ формирования электромагнитного поля в БРМ позволяют наиболее экономичным образом обеспечить получение высокоэнерге-тичного пучка электронов и могут быть положены в основу медицинских бетатронов. Применение полюсов с азимутальной вариацией поля вместо сплошных полюсов позволит увеличить эффективность вывода электронов и повысить мощность излучения. Предварительные расчеты показывают, что на базе электромагнита БМ-10Э становится возможным создание ускорителя с выведенным электронным пучком с максимальной энергией ускоренных электронов 12 МэВ, при сохранении массогабаритных параметров электромагнитной системы ускорителя. Ожидаемая мощность дозы излучения при максимальной энергии - 15-20 Гр/мин на расстоянии 100 см от выводного окна ускорительной камеры при поле облучения 30x10 см.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Попович В.И., Зырянов Б.Н., Кицманюк З.Д., Мусабаева Л.И. "Интрао-перационная и электронная терапия опухолей головы и шеи"- Томск, 1999 - 145с.

2. Зырянов Б.Н., Афанасьев С. Г., Завьялов A.A., Мусабаева Л. И. "Ин-траоперационная лучевая терапия" - Томск, 1999 - 288с.

3. Касьянов В.А., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., и др. "Бетатрон с подмагничива-нием". ПТЭ.-2002. - № 1. С 5-9.