CC BY
26
УДК 621.384.6
М.М. РЫНКОВ, Э.Г. ФУРМАН, B.JI. ЧАХЛОВ, A.C. ЧЕРТОВ
КОНСТРУКЦИИ БЕТАТРОНОВ С РАЗМАГНИЧИВАНИЕМ МАГНИТОПРОВОДА
В работе рассмотрены конструкции бетатронов для целей дефектоскопии и интраоперацион-ной лучевой терапии с размагничиванием магнитопровода. Формирование управляющих полей в таких установках осуществлено последовательным и встречным включением основной намагничивающей и, уложенной на центральном сердечнике, компенсационной обмоток. Даны сравнительные характеристики данных конструкций с аналогичными бетатронами классической конструкции. Рассмотрен принцип действия схемы питания со стабилизацией энергии ускоренных электронов, позволяющей реализовать некоторые возможности установок с такой магнитной системой.
Введение
Бетатроны, разрабатываемые в Томском политехническом университете, последнее время пользуются спросом и поставляются на промышленные предприятия и в медицинские учреждения России и за рубеж. Бетатроны выгодно отличаются от других типов ускорителей электронов простотой, малой массой, удобством в эксплуатации и малыми затратами на изготовление [1, 2]. Несмотря на растущий интерес к использованию бетатронов для дефектоскопии материалов и изделий, в радиационной технологии, для медицины и в других областях, их внедрения в ряде случаев ограничиваются низкой интенсивностью излучения. Кроме того, как показала практика эксплуатации установок МИБ-6Э и БМ-10Э, в бетатронах для медицинских целей, пространственное положение оси пучка и характеристики излучения зависят от энергии выведенных электронов, что в ряде случаев ограничивает их применение. В этих условиях разработка новых и дальнейшее совершенствование существующих способов повышения интенсивности излучения бетатрона и стабилизация параметров излучения представляет собой весьма актуальную задачу. Наиболее интересным и перспективным направлением является применение магнитных систем с размагничиванием магнитопровода электромагнита (БРМ) постоянным или импульсным током. В связи с успешным запуском бетатрона с последовательным и встречным включением обмоток возбуждения и компенсационной [3, 4] рассмотрим конструкции электромагнитов и схем питания бетатронов для целей дефектоскопии и интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ).
Схема питания бетатрона с последовательным и встречным включением обмоток
Основные требования, предъявляемые к схеме питания БРМ, заключаются в следующем:
■ Схема питания БРМ должна обеспечивать коррекцию радиуса равновесной орбиты в начале цикла ускорения, так как нелинейность петли гистерезиса на начальном этапе перемагничивания приводит к сжатию равновесной орбиты и нарушает условия захвата электронов в ускорение. Для бетатронов с выведенным электронным пучком необходима коррекция радиуса и в конце цикла ускорения, которая используется для стабилизации пространственного положения оси пучка и коррекции поля облучения.
■ Схема питания должна обеспечивать стабилизацию энергии ускоренных электронов в заданных пределах. Для бетатронов с выведенным электронным пучком необходима также регулировка в широких пределах энергии ускоренных электронов.
■ Для бетатронов с выведенным электронным пучком схема должна обеспечивать питание секторной обмотки вывода, расположенной в межполюсном пространстве бетатрона.
На рис. 1 представлена схема питания БРМ, удовлетворяющая выше приведенным требованиям. Рассмотрим ее работу. В исходном состоянии емкостный накопитель Сн заряжен до напряжения £/тах, конденсатор С1 заряжается от выпрямителя, состоящего из диодов 01-1)6, через дроссель 101 и обмотку возбуждения ¡VI постоянным током (током размагничивания) /о (рис. 2), который задает магнитное состояние маг-нитопровода электромагнита бетатрона. При протекании тока /о по обмотке ¡VI в замкнутом магнитопроводе создается постоянный магнитный поток -Фс.н- В момент времени (] с приходом управляющих импульсов на тиристоры У2 ... У5 включаются два тиристора, имеющие требуемую полярность емкостного накопителя Сн и он начинает разряжаться на включенные последовательно и встречно обмотки ¡VI и ¡VI. Процесс осуществляется за счет выбранного соотношения витков обмоток ¡VI, ¡V2 технологических зазоров в цепях магнитопровода. В момент времени ^ включается также тиристор Ук и корректирующий конденсатор Ск, заряженный до требуемого напряжения через резисторы Я\ ... Я2, начинает разряжаться на обмотку ¡У2 через резистор ЛЗ. Ток разряда конденсатора Ск направлен встречно току компенсационной обмотки ¡VI и ее магнитодвижущая сила уменьшается, что вызывает появление дополнительного магнитного потока через центральный сердечник магнитопровода в интервале времени /| ч- который компенсирует начальное сжатие равновесной орбиты, вызванное нелинейностью петли гистерезиса на начальном этапе пере-магничивания магнитопровода. Изменение напряжения на конденсаторе Ск осуществляется переменным резистором Ш и выбирается исходя из максимальной интенсивности излучения.
Если схема питания работает с излучателем, предназначенным для получения жесткого тормозного излучения, то ключ К1 должен быть разомкнут. При достижении необходимой энергии ускоренных электронов включается тиристор VI. При этом ток обмотки ¡VI начинает уменьшаться, так как ток разряда конденсатора С1 направлен встречно току обмотки ¡VI., а ток обмотки ¡VI переходит в цепь конденсатора С1 и тиристора VI. В течение интервала времени /4 4- происходит ввод энергии от конденсатора С1 в колебательный контур для компенсации потерь энергии в нем за цикл ускорения, а ток обмотки ¡VI спадает до нуля. При полном разряде конденсатора С1 (момент времени ^) включается диод £>7, тиристор VI, выключается и конденсатор С1 вновь заряжается током /о. Заряд конденсатора С1, а следовательно и энергию, вводимую в колебательный контур, можно регулировать (до 30%) временем включения тиристора Ус, что и используется для стабилизации энергии укоренных электронов.
т
0-33 к
Рис.1. Экспериментальная схема питания: БРМ. У1-У5 -Т143-400-20, Ук, Ус - ТБ-251-80-12; 01-06 - Д122-32-6, 07-09 - Д133-400-20, Ок, Ов - Д132-50-10
Если схема питания работает с излучателем, предназначенным для вывода электронного пучка, то ключ К\ должен быть замкнут. В этом случае наиболее оптимальным моментом начала вывода пучка является момент времени /3, когда напряжение на емкостном накопителе Сн близко к 0 и равно активному падению напряжения на обмотке РР2. В интервале времени /3 и обмотка \У2 закорачивается диодом £>7, 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 102 м/с. В момент включения тиристора VI, запи-тывается обмотка смещения IVс при зарядке конденсатора Св от конденсатора С1. В обмотке смещения, представляющей сектор протяженностью 180° и уложенной 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. 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.
Рис.2. Изменения во времени токов, напряжений, магнитных потоков в схеме питания бетатрона с размагничиванием, где Фс н(7) - магнитный поток в центральном сердечнике магнитопровода; Ua(t) - напряжение на конденсаторе CI; UW\(t) - напряжение на обмотке возбуждения W1; Uwiit)- напряжение на компенсационной обмотке W2 (пунктиром показаны изменения напряжений Uw\(t) и Um.(f) при отключенной цепи коррекции); ¿т(0 - ток обмотки возбуждения W\\ ¡т(t)- ток компенсационной обмотки W".2
Конструкция электромагнита бетатрона для целей дефектоскопии
Основным направлением развития бетатронов для целей дефектоскопии является увеличение мощности дозы тормозного излучения и уменьшение массогабаритных параметров установки. Увеличение интенсивности излучения может осуществляться по нескольким направлениям, одно из которых - увеличение кинетической энергии ускоренных электронов. Теоретические и экспериментальные исследования БРМ открыли новые возможности создания бетатронов с параметрами лучшими, чем у классических бетатронов.
hw2.~ 8 см
/г, = 14.9 см
Конструкция электромагнита такого бетатрона представлена на рис.3, на которой указаны основные геометрические размеры. Используя положения, приведенные в [4], получаем бетатрон со следующими основными техническими характеристиками:
1. Кинетическая энергия ускоренных электронов - Wk = 12 МэВ;
2. Мощность дозы тормозного излучения на расстоянии 1 м от излучателя -J= 5 Р/мин;
3. Частота следования импульсов излучения --/ = 200 Гц;
4. Габаритные размеры излучателя -334ммх149 мм;
5. Масса ферромагнитного материала магнитопровода - GCT = 54 кг;
6. Масса обмоток - GM = 11 кг;
7. Энергия колебательного контура -0 = 60 Дж.
В установке применены полюса сплошной конструкции. Величина воздушного зазора на равновесном радиусе /о = 40 мм.
Рассмотренная конструкция электромагнита близка по массогабаритным параметрам к конструкции электромагнита бетатрона МИБ-6. Если сравнивать бетатрон с такой конструкцией электромагнита с бетатроном МИБ-6 [5], то он будет обладать лучшими техническими характеристиками, так как у него кинетическая энергия ускоренных электронов будет больше в 2 раза, энергия колебательного контура меньше в 2 раза (следовательно, масса емкостного накопителя будет в 2 раза меньше), мощность дозы тормозного излучения будет больше в ~ 1.7 раза.
Конструкция электромагнита бетатрона для медицинских целей
Конструкция электромагнита бетатрона для целей интраоперационной лучевой терапии представлена на рис.4, на котором указаны основные геометрические размеры. Используя положения, приведенные в [4], получаем бетатрон со следующими основными техническими характеристиками:
1. Кинетическая энергия ускоренных электронов - IVK = 14 МэВ;
2. Мощность дозы электронного излучения на расстоянии 1м от излучателя -./= не менее 10 гР/мин;
3. Частота следования импульсов излучения -/ = 150 Гц;
4. Габаритные размеры излучателя - 340 мм х 164 мм;
5. Масса ферромагнитного материала магнитопровода - GCT = 64 кг;
6. Масса обмоток - GM = 9.5 кг;
7. Энергия колебательного контура -Q = 155Дж.
Рис.3. Конструкция электромагнита бетатрона с последовательно-встречным включением обмоток возбуждения и компенсационной для целей дефектоскопии (с IVк = 12 МэВ), где 1 - обратный магнитопровод; 2 - полюса с центральным сердечником в монолитном исполнении; ¡VI - обмотка возбуждения; Я'2 - компенсационная обмотка; гор - расчетный радиус равновесной орбиты; гь - наружный радиус компенсационной обмотки; г0 - радиус центрального сердечника магнитопровода; /•„ - наружный радиус полюсов; гя - радиус ярма; Ьщ - ширина обмотки возбуждения; -высота компенсационной обмотки; И„ -высота обмотки возбужденияя; Ь„ - ширина стойки; И] - высота магнитопровода
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-ритные 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 серийио-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 носледовательно-встрсчным 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; УУ2 -компенсационная обмотка
