Источник тормозного излучения
Владельцы патента RU 2784895:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (ФГАОУ ВО НИ ТПУ) (RU)
Изобретение относится к источнику тормозного излучения. Источник содержит электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, к выходу которого вакуумноплотно присоединен первый фланец, который через первую кольцевую прокладку, кольцевую перегородку и вторую кольцевую прокладку герметично соединен со вторым фланцем. В апертуры фланцев впаяны соответственно первая и вторая круглые фольги, между которыми установлена цилиндрическая мишень диаметром меньше 1 мм, контактирующая своими торцами с обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями вмятин в центрах первой и второй фольг. Кольцевая перегородка разделяет полость между первым и вторым фланцами на входную и выходную камеры, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом и втором фланцах, с системой циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления. В кольцевую перегородку с обеих сторон впаяны третья и четвертая фольги с центральными, соосными с цилиндрической мишенью, отверстиями, диаметры которых больше диаметра цилиндрической мишени. За вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени. Техническим результатом является получение тормозного излучения с диаметром фокусного пятна, меньшим 1 мм. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке источников тормозного излучения на основе линейных ускорителей электронов.
Известен источник тормозного излучения - линейный ускоритель электронов УЭЛР [Грызлов А.В., Ермаков А.Н., Каманин А.Н., Мельничук Г.В., Назаров B.C., Невский П.В., Сигалаев В.Н., Симонов А.С., Фрейдович И.А., Чудин В.Г., Шведунов В.И. ФГУП «НПП «ТОРИЙ» - Разработчик и изготовитель линейных ускорителей электронов для радиационных технологий и дефектоскопии. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. Выпуск 71. Труды научно-практической конференции «Радиационные технологии: достижения и перспективы развития - 2014. Ядерная медицина». 21-23 октября 2014 г. АО «НИИТФА». Москва 2015. - С. 20-23. http://irbiscorp.spsl.nsc.ru/fulltext/WORKS/2014/%D0%92%D0%90%D0%9D%D0%A2-71(%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8).pdf], взятый за прототип, который содержит электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, к выходу которого присоединена плоская тормозная мишень, перекрывающая сфокусированный пучок электронов, система циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления, хладотрубопроводы.
Эффективный диаметр фокусного пятна тормозного излучения на поверхности мишени этого источника около 1 мм получен за счет фокусировки пучка электронов до размера около 1 мм.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение тормозного излучения с размером фокусного пятна меньшим 1 мм.
Предложенный источник тормозного излучения, также как в прототипе, содержит электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, тормозную мишень, систему циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления, хладотрубопроводы.
Согласно изобретению, к выходу электронопровода вакуумноплотно присоединен первый фланец, который через первую кольцевую прокладку, кольцевую перегородку и вторую кольцевую прокладку герметично соединен со вторым фланцем. В апертуры фланцев впаяны соответственно первая и вторая круглые фольги, между которыми установлена цилиндрическая мишень диаметром меньше 1 мм, контактирующая своими торцами с обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями вмятин в центрах первой и второй фольг. Кольцевая перегородка разделяет полость между первым и вторым фланцами на входную и выходную камеры, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом и втором фланцах, с системой циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления. В кольцевую перегородку с обеих сторон впаяны третья и четвертая фольги с центральными, соосными с цилиндрической мишенью, отверстиями, диаметры которых больше диаметра цилиндрической мишени. За вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени. В качестве хладоагента использован пар жидкого азота.
Первая, вторая, третья и четвертая фольги выполнены из сплава на основе бериллия.
Размер фокусного пятна тормозного излучения предложенного источника задается диаметром мишени, меньшим 1 мм, и меньше размеров фокусных пятен известных источников тормозного излучения.
На фиг. 1 показана схема источника тормозного излучения.
На фиг. 2 показаны радиальные распределения электронов, облучающих фольги и мишень и квантов в фокусе тормозного излучения из фольг и мишени при реализации известного и предлагаемого источников тормозного излучения.
На фиг. 3 показаны зависимости ширины на половине высоты FWHMγ распределения квантов в фокусе тормозного излучения от размеров мишени при реализации известного и предлагаемого источников тормозного излучения.
На фиг. 4 показаны зависимости выхода тормозного излучения от размеров мишени при реализации известного и предлагаемого источников.
Источник тормозного излучения содержит электронную пушку 1 (фиг. 1), ускоряющую структуру 2, электронопровод 3, к выходу 4 которого вакуумноплотно присоединен первый медный фланец 5, в апертуру которого вакуумноплотно впаяна первая круглая фольга 6 толщиной 0,1 мм, например, из алюмобериллиевого сплава, с вмятиной 7 в центре. Первый медный фланец 5 через первую кольцевую медную прокладку 8, кольцевую медную перегородку 9 и вторую кольцевую медную прокладку 10 герметично соединен со вторым медным фланцем 11, в апертуру которого впаяна вторая круглая фольга 12 с вмятиной 13 в центре. Вогнутости вмятин 7 и 13 первой 6 и второй 12 фольг обращены друг к другу. Между первой 6 и второй 12 фольгами установлена цилиндрическая мишень 14 из вольфрама, например, диаметром d=0,8 мм и длиной L=2 мм, контактирующая с вогнутыми поверхностями вмятин 7 и 13 в центре фольг 6, 12. В кольцевую перегородку 9 впаяны третья 15 и четвертая 16 круглые фольги толщиной 0,1 мм, например, из алюмобериллиевого сплава, в каждой из которых выполнено соответствующее центральное отверстие 17 и 18, соосное с цилиндрической мишенью 14. Диаметр D отверстий 17 и 18 больше диаметра d цилиндрической мишени 14. Первый фланец 5, первая кольцевая прокладка 8 и перегородка 9 ограничивают кольцевую камеру ввода хладоагента в полость между первой фольгой 6 и третьей фольгой 15. Второй фланец 11, вторая кольцевая прокладка 10 и перегородка 9 ограничивают кольцевую камеру вывода хладоагента из полости между второй фольгой 12 и четвертой фольгой 16. Полость между первой фольгой 6 и третьей фольгой 15 и полость между второй фольгой 12 и четвертой фольгой 16 соединены через отверстие 17 в третьей фольге 15 и отверстие 18 в четвертой фольге 16. Объем камеры ввода 19 хладоагента соединен каналами 20, 21, 22, 23 в первом фланце 5, а объем камеры вывода 24 хладоагента соединен каналами 25, 26, 27, 28 во втором фланце 11 хладотрубопроводами 29, 30 с системой 31 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления. Полости между фольгами 6, 12, 15, 16, камера ввода 19 хладоагента и камера вывода 24 хладоагента, каналы 20, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28 и хладотрубопроводы 29, 30 заполнены радиационно стойким хладоагентом, например, паром жидкого азота, при давлении в полости между фольгами ниже атмосферного, например, 0,9 атм. Система 31 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления выполнена на основе известных устройств охлаждения с использованием жидкого азота [RU 2156419]. За вторым фланцем 11 установлен очищающий магнит 32, медианная плоскость межполюсного пространства 33 которого совмещена с осью цилиндрической мишени 14.
В каждом импульсе электроны из пушки 1 (фиг. 1) поступают в ускоряющую структуру 2, ускоряются в ней до энергии, например, Е0=18 МэВ. Сфокусированный до размера около 1 мм пучок ускоренных электронов проходит через выход 4 электронопровода 3 и облучает первую фольгу 6, цилиндрическую мишень 14, вторую фольгу 12, а также третью 15 и четвертую 16 фольги и хладоагент между ними. Часть электронов пучка с высокой плотностью потока в пределах радиального отклонения, равного радиусу мишени 0,4 мм, через первую фольгу 6 попадают на мишень 14. Остальные электроны с малой плотностью потока проходят через фольги 6, 12, 15, 16 и хладоагент между ними и выходят в атмосферу.
При взаимодействии с фольгами 6, 12, 15, 16, хладоагентом между ними и мишенью 14 электроны испытывают ионизационные и радиационные потери энергии и рассеяние. При этом, несмотря на относительно большую площадь облучения, выход тормозного излучения из фольг 6, 12, 15, 16 и хладоагента между ними небольшой вследствие их малых толщин, малых атомных номеров и плотностей их материалов и относительно малой плотности потока электронов за пределами области с радиусом, равным радиальному размеру мишени 14.
Выход тормозного излучения из мишени 14 большой вследствие большой длины мишени, высокой плотности потока облучающих электронов вблизи оси пучка, высокого атомного номера и большой плотности материала. При этом малый радиальный размер мишени 14 обеспечивает малый размер фокусного пятна тормозного излучения. Ионизационные потери энергии в фольгах 6, 12, 15, 16, хладоагенте и мишени 14 приводят к их нагреванию. Охлаждение этих элементов для предотвращения потери их механической прочности происходит за счет передачи тепла к фланцам 5, 11 через фольги 6, 12, 15, 16, но, в основном, ввиду малых толщин фольг 6, 12, 15, 16, за счет циркуляции хладоагента от системы 31 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления через хладопроводы 29, 30, каналы 20, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28, камеру ввода 19, камеру вывода 24 хладоагента и полости между фольгами через отверстия 17, 18 в третьей 15 и четвертой фольгах 16.
Третья фольга 15 направляет хладоагент к основному источнику выделения тепла, мишени 14, и совместно с четвертой фольгой 16 через отверстия 17 и 18 формирует поток хладоагента вдоль мишени 14, интенсивное охлаждение которой необходимо при больших токах пучка электронов. При этом охлаждение мишени 14 происходит одинаковым образом как по ее длине, так и по ее сторонам, а поддержание давления хладоагента ниже атмосферного системой 31 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления создает сжимающее усилие между второй 6 и третьей 12 фольгами для фиксации цилиндрической мишени 14 во вмятинах 7, 13 фольг 6 и 12.
Вышедшие через вторую фольгу 12 в атмосферу тормозное излучение и сопутствующие ему вторичные электроны из фольг 6, 12, 15, 16, хладоагента в полости между ними и мишени 14 проходят через межполюсное пространство 33 очищающего магнита 32. Магнитное поле очищающего магнита 32 в его межполюсном пространстве 33 выводит электроны из пучка излучения. Пучок излучения после очищающего магнита 32 - это высокоинтенсивное тормозное излучение из мишени с малым размером фокусного пятна на фоне малоинтенсивного тормозного излучения из фольг и хладоагента в полости между ними.
На фиг. 2, в качестве примера, показано распределение электронов (кривая 1) в пучке с шириной на половине высоты FWHMe, равной 0,94 мм при энергии электронов в пучке Е0=18 МэВ. Такому распределению электронов при реализации источника-прототипа с плоской мишенью с поперечным размером, превышающим 3-FWHMe, и толщиной 1,5 мм, при которой выход тормозного излучения из мишени максимальный, соответствует распределение (кривая 2) квантов на поверхности мишени с шириной на половине высоты FWHMγ (d=10 мм, L=1,5 мм), равной 1 мм. Этому же распределению электронов при реализации предлагаемого источника тормозного излучения соответствует распределение (кривая 3) квантов тормозного излучения на поверхности второй фольги 12 с шириной на половине высоты FWHMγ (d=0,8 мм, L=2 мм), равной 0,66 мм, с мишенью 12 диаметром d=0,8 мм и длиной L=2 мм.
На фиг. 3 при тех же параметрах пучка показаны зависимости FWHMγ распределений квантов в фокусе тормозного излучения от диаметра d мишени 14 и ее длины L. Здесь же приведена, соответствующая источнику-прототипу, зависимость FWHMγ распределения квантов тормозного излучения на поверхности плоской мишени с размером, превышающим 3-FWHMe, от ее толщины (длины L). При реализации предлагаемого источника в диапазоне диаметров d мишени 14 до 1,2 мм и длин L до 3 мм FWHMγ намного меньше, чем при любых толщинах плоской мишени в источнике-прототипе.
Соотношение между выходами тормозного излучения из мишеней разного диаметра и длины при реализации предлагаемого источника и выходом при оптимальной толщине мишени-диска при реализации известного источника показано на фиг. 4. В указанном выше диапазоне диаметров и длин мишени, выход тормозного излучения составляет 0,2 - 0,6 от максимально возможного. С учетом того, что токи пучков линейных ускорителей большие, такой выход тормозного излучения с малым размером фокусного пятна предлагаемого источника достаточен для использования в средствах неразрушающего контроля высокого разрешения.
1. Источник тормозного излучения, содержащий электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, тормозную мишень, систему циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления, хладотрубопроводы, отличающийся тем, что к выходу электронопровода вакуумноплотно присоединен первый фланец, который через первую кольцевую прокладку, кольцевую перегородку и вторую кольцевую прокладку герметично соединен со вторым фланцем, в апертуры фланцев впаяны соответственно первая и вторая круглые фольги, между которыми установлена цилиндрическая мишень диаметром меньше 1 мм, контактирующая своими торцами с обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями вмятин в центрах первой и второй фольг, кольцевая перегородка разделяет полость, между первым и вторым фланцами на входную камеру и выходную камеры, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом и втором фланцах, с системой циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления, в кольцевую перегородку с обеих сторон впаяны третья и четвертая фольги с центральными, соосными цилиндрической мишени, отверстиями, диаметры которых больше диаметра цилиндрической мишени, а за вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени.
2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве хладоагента использован пар жидкого азота.
3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что первая, вторая, третья и четвертая фольги выполнены из сплава на основе бериллия.
