Научная статья на тему 'Надорбитная инжекция электронов в бетатроне'

Надорбитная инжекция электронов в бетатроне Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
34
6
Поделиться

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — С. В. Беликов, В. Г. Волков, Ю. Д. Зрелов, В. С. Пушин, В. Л. Чахлов

Описана конструкция и приведены параметры малогабаритного бетатрона с надорбитной инжекцией. Показаны преимущества надорбитной инжекции по сравнению с классической, позволяющие улучшить параметры выведенного электронного пучка.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — С. В. Беликов, В. Г. Волков, Ю. Д. Зрелов, В. С. Пушин, В. Л. Чахлов,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Надорбитная инжекция электронов в бетатроне»

Надорбитпая апжетщя электронов а бетатроite

27

4. Баранов В.А., Ч е к а л и н A.C. Система цифрового томосинтеза для неразрушающего контроля // Дефектоскопия. - 1988. -№ 5. - С.30-36.

5. Ewert U . , Röbbel J . , В е 1 1 о п С . , Schümm А . , Nockemann С . Digital Laminography, International Symposium on Computerized Tomography for Industrial Applications. - Berlin, 1994. - P. 148-159.

6. В a r a n о v V . A . A variational approach to non-linear backprojection, in "Computerized tomography", papers of participants of International Symposium in Novosibirsk, Russia 1993 - Printed in Utrecht, The Netherlands, 1995. - P.82-97.

7. Youla Dante С . Generalized Image Restoration by the Method of Alternating Orthogonal Projections // IEEE Trans, on Circuits and Systems CAS-25. - 1978. - V. 9. - P.694-702.

8. В a r a n о v V . A . Convex projections reconstruction algorithms on the basis of non-linear backprojection approach // International Symposium on Computerized Tomography for Industrial Applications. - Berlin, 1994. - P.88-95.

9. Ewert U . , Schümm A . , Nocke mann С . , В а г а п о v V . Fortschritte auf dem Gebiet der digitalen Laminog-raphie, in Jahrestagung 1995, Zerstoerungsfreie Materialpruefung, 100 Jahre Röntgenstrahlen und die heutige Vielfalt industrieller ZfP-Praxis. - Aachen, 1995. - P.6.

10. Ewert U., Baranov V., Bore hard R . Cross-sectional imaging of building elements by new non-linear tomosyn-thesys techniques using imaging plates and Co-60 radiation // NDT & E International. -1997. - V.30. - № 4. - P.243-248.

11. Hough P.V. Method and Means for Recognizing Complex Patterns / U.S.Patent 3069654, December 18, 1962.

12. Radon J . Uber die Bestimmung fon Functionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten. - Leipzig: Ber. Verh. Sachs. Acad. Wiss., 1917.

УДК 621.384.634.3

С. В. БЕЛИКОВ, В. Г. ВОЛКОВ, Ю. Д. ЗРЕЛОВ, В. С. ПУШИН, В. Л. ЧАХЛОВ

НАДОРБИТНАЯ ИНЖЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В БЕТАТРОНЕ

Описана конструкция и приведены параметры малогабаритного бетатрона с надорбитной инжекцией. Показаны преимущества надорбитной инжекции по сравнению с классической, позволяющие улучшить параметры выведенного электронного пучка.

В бетатронах вывод ускоренных электронов за пределы ускорительной камеры, как правило, осуществляют с помощью несимметричного смещения электронов с равновесной орбиты. При этом применяют секторную обмотку, положение которой относительно выводного окна и инжектора выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальный вывод электронов и исключить попадание электронов на инжектор, который располагается в медианной плоскости на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты [1].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Максимально удовлетворить этим двум требованиям затруднительно. Часть электронов попадает на инжектор и создаёт повышенный фон тормозного излучения, для устранения которого необходимо применять защитные экраны.

Известна конструкция бетатрона [2], в котором инжектор электронов расположен на радиусе, меньшем радиуса равновесной орбиты. Это упрощает систему вывода, однако значительно усложняет конструкцию инжектора и подвод к нему высокого напряжения инжекции.

Конструкция электромагнита бетатрона с гребневыми полюсами [3], формирующая управляющее поле с азимутальной вариацией, обеспечивает увеличение фокусирующих сил, а также позволяет установить инжектор над равновесной орбитой, при этом инжекторный патрубок располагается между гребнями полюса.

Для проверки эффективности надорбитной инжекции был использован малогабаритный бетатрон с четырёхгреб-невой конструкцией полюса [4].

Основные параметры исследуемого бетатрона: максимальная энергия ускоренных электронов 3 МэВ; радиус равновесной орбиты г0 = 4,5 см; усредненный показатель спада магнитного поля на г0 п = 0,6; глубина вариации поля на г0 /=0,15; частота циклов ускорения = 100 Гц. Бетатрон снабжён ускорительной камерой с постоянной откачкой, имеющей несколько патрубков для размещения инжектора, выносной мишени и различных заслонок. Сечение межполюсного пространства приведено на рис.1. Инжектор смонтирован на цоколе,

I 2Х

о со

JrM=6cM /"0=4,5см >

I I -

\

N

1

4""

kWW4^

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

\

Рис.1. Межполюсное пространство бетатрона: I, 4 - полюса электромагнита, 2 - ускорительная камера, 3 - мишень, 5 - инжектор, 6 - обмотка смещения, 7- центральные вкладыши электромагнита

28_С. В. Беликов, В. Г. Волков, Ю. Д. Зрелое и др._

который через сильфонное соединение обеспечивает перемещение инжектора по г координате. Ленточный пучок электронов, сформированный инжектором, имеет сечение 8 х 1 мм2 и угол расходимости по г не более 15°. Рабочее напряжение инжекции в данной установке составило 18 кВ. Промашка инжектора 2,5 мм.

На рис.2 приведены зависимости мощности дозы тормозного излучения, полученного путем сброса ускоренных электронов на танталовую мишень, и амплитуды оптимального тока инжекции от глубины погружения катода инжектора в камеру (по оси г), считая от стенки камеры. Из зависимости следует, что имеется максимум мощности дозы при г-Ъ мм. Плавный спад кривой справа от максимума вызван уменьшением площади сечения области ускорения и примерно совпадает с аналогичной зависимостью при радиальной инжекции. Оптимальная амплитуда тока с проводящего слоя ускорительной камеры в случае надорбитной инжекции снизилась в два раза по сравнению с радиальной.

При проведении экспериментов с надорбитной ин-жекцией были отмечены следующие особенности. При подводе фазы инжекции и амплитуды тока с проводящего слоя ускорительной камеры к оптимальным значениям на импульсе тока со слоя, наблюдаемого на осциллографе, в интервале захвата появляется модуляция вершины импульса с амплитудой, составляющей 5 - 10% от его амплитуды, и длительностью периода ~ 0,2 мкс. Характер модуляции во времени неустойчивый, т.е. происходит постоянное перемещение модулированного участка на вершине импульса. Модуляция вершины импульса тока при надорбитной инжекции свидетельствует о наличии пульсации пучка по координате г, которая приводит к перераспределению во времени токов в цепях анода инжектора и проводящего слоя ускорительной камеры. Одним из факторов, объясняющих модуляцию вершины импульса тока в интервале захвата, следует считать резонансный механизм захвата электронов в ускорение, при котором происходит непрерывное затухание и возрастание амплитуд вертикальных бетатронных колебаний при кулоновском взаимодействии циркулирующих электронов с азимутальной неоднородностью пространственного заряда, создаваемого инжектируемым пучком. В отличие от радиальной надорбитная инжекция формирует пространственный заряд на краю потенциальной ямы по г, высота потенциальных барьеров у которой одинакова, что и способствует развитию резонансного пульсирования амплитуд вертикальных бетатронных колебаний некоторой части циркулирующих электронов.

В процессе настройки излучателя выявилась некритичность получаемой дозы тормозного излучения от зазоров между центральными вкладышами электромагнита. При радиальной инжекции перераспределение зазоров между центральными вкладышами приводило к заметному (до 25%) изменению величины заряда, захватываемого в ускорение. На условия захвата электронов в этом случае влияет распределение магнитного поля в области вкладышей, так как оно формирует барьеры потенциальной функции, определяющие амплитуды радиальных колебаний электронов в энергетическом интервале захвата. При надорбитной инжекции начальные колебания частиц происходят в основном в направлении 2, и поэтому перераспределение магнитного поля вблизи вкладышей не оказывает заметного влияния на захват электронов.

Для определения максимального количества ускоренных электронов в бетатроне за цикл была использована формула, полученная исходя из условия равенства фокусирующей силы управляющего поля на границе области действия фокусирующих сил по г и силы пространственного заряда циркулирующего в камере пучка электронов:

Муск = К,-4,2-10«- иг(т/т.0у{(г0/г,)"-(г0/г^(гГг0), где К3 ~ коэффициент захвата, равный в пределе 1; и, - напряжение инжекции, В; /0, г, - радиус равновесной орбиты и орбиты инжекции, м; т, /щ - масса инжектируемого электрона и масса покоя электрона, кг, п - показатель спада магнитного поля, принятый постоянным в области /•, - г0. Коэффициент /С, зависит от конструктивных особенностей межполюсного пространства и в среднем для бетатронов МИБ-4 и МИБ-6 составляет 0,3. Формула справедлива для значений напряжения инжекции до 80 кВ. Подставив параметры исследуемого бетатрона и приняв К3 равным 0,3, получим для радиальной инжекции М,ск = 3,1 109 частиц. При надорбитной инжекции область ускорения уменьшается по г за счёт

Р/(чм) 4

1

2

^сл. А

0,3

0,2 0,1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0 2 4 6 8 1, мм

Рис.2. Зависимости мощности дозы тормозного излучения - / и оптимального тока инжекции - 2 от глубины X погружения инжектора в камеру

Аппаратные средства и программное обеспечение для обработки информации

29

выступающего внутрь анода инжектора, поэтому радиус циркулирующего пучка электронов следует принять равным r„ = (hj2) - 0,3 = 1,2 см, где hK ~ аксиальный зазор камеры. Расчётное значение числа ускоренных электронов в этом случае составит NycK = 2,1 109 частиц.

Оценка числа ускоренных электронов за импульс при надорбитной инжекции, выполненная по методике [5] исходя из полученной максимальной мощности дозы, равной 4,8 Р/ч-м, дала значение NyCK = 6,2-109 частиц. При радиальной инжекции на данной установке при прочих равных условиях было ускорено 7,0-109 частиц. Таким образом, эффективность надорбитной инжекции примерно равна эффективности радиальной без применения контрактора, однако из сравнения экспериментально и теоретически полученных значений чисел ускоренных электронов следует, что в бетатроне МИБ-3 как при надорбитной так и при радиальной инжекции, величина коэффициента захвата К3 выше, чем в МИБ-4 и МИБ-6 и составляет 0,87 и 0,68 соответственно.

На следующем этапе мишень была убрана из ускорительной камеры и осуществлен двухступенчатый вывод ускоренных электронов, включающий в себя предварительное расширение равновесной орбиты симметричной обмоткой смещения с последующим включением секторного возмущающего поля азимутальной протяженностью 90°. При таком выводе была получена мощность дозы электронного излучения у выводного окна 78 Гр/мин. Для сравнения отметим, что мощность дозы бетатрона МИБ-6Э при равном напряжении инжекции составляет 40 - 60 Гр/мин [6].

Измерения распределения мощности дозы в сечении пучка, перпендикулярном его геометрической оси на расстоянии 50 см, показали, что при выносе инжектора из плоскости вывода формируется поле электронов прямоугольной формы размером 8 х 4 см с неравномерной плотностью частиц по краям поля - 10%. При радиальном расположении инжектора плотность электронов в плоскости вывода носит спадающий характер, который можно объяснить различными потерями электронов на инжекторе в зависимости от азимута выхода электронов за орбиту освобождения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ерофеева Г.В., Чахлов В.Л. Малогабаритный импульсный источник электронов с энергией 1-=-6 Мэв // ПТЭ.. - 1980.-Мв5.-С.29-30.

2. Gund К., Paul W . Experiments with аб-Mev betatron// Nucleonics. - 1950. - V.7. - №1. - P.36 - 45.

3. Звонцов A.A., Чахлов В.Л., Филимонов A.A. Электромагнит бетатрона с азимутальной вариацией управляющего поля // ПТЭ. - 1975. - №2 . - С.40 - 42.

4. Чахлов В.Л., Пущин B.C., Буров Г.И., Звонцов A.A., Зворыгин В.П., Зрелов Ю . Д . Малогабаритный бетатрон с четырьмя элементами периодичности управляющего магнитного поля // ПТЭ. - 1986. -№4. - С.29 - 30.

5. Окулов Б. В. О зависимости интенсивности тормозного излучения от энергии ускоренных электронов // Атомная энергия. - 1968. - Т.25. - Вып.5. - С.426 - 436.

6. Чахлов В.Л,, Кашковский В.В., Пушин B.C. Выбор размеров ускорительной камеры бетатрона с выводом электронного пучка // Изв.вузов. Физика. - 1985. - №3. - С.29 - 32.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

УДК 621.398

А. К. ТЕМНИК, С. В. ЧАХЛОВ, А. С. ЧЕКАЛИН

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ РАДИОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Описан комплекс радиационной диагностики, предназначенный для контроля крупногабаритных строительных конструкций. Он включает в себя малогабаритный бетатрон, рентгеновскую пленку, автоматизированный микроденситометр и персональный компьютер с программами управления микроденситометром и обработки захваченных им изображений.

Наряду с совершенствованием источников и средств регистрации теневых изображений, важнейшим резервом повышения информативности радиографического контроля является внедрение в его практику современных методов обработки изображений цифровыми методами. Необходимость 100%-го контроля ответственных деталей и изделий приводит к увеличению числа контрольных операций, проявляющихся в возрастании роли систем автоматической обработки данных. В силу этого, а также благодаря появлению новых более эффективных алгоритмов, системы радиационного контроля, не оснащенные средствами обработки визуальной информации, становятся анахронизмом. Одним из