Источник тормозного излучения
Владельцы патента RU 2789164:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (ФГАОУ ВО НИ ТПУ) (RU)
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке источников тормозного излучения на основе линейных ускорителей электронов. Технический результат - получение тормозного излучения с диаметром фокусного пятна меньшим 1 мм. Источник тормозного излучения содержит электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, к выходу которого вакуумноплотно присоединен первый фланец, который через 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. Прокладка выполнена в виде кольца с двумя поперечными диаметрально расположенными перегородками внутри, разделяющими полость, между первым и вторым фланцами на входную и выходную камеру, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом фланце, с системой циркуляции хладагента, контроля его температуры и давления. За вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени. 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%D 0%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 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 фолы. Прокладка выполнена в виде кольца с двумя поперечными диаметрально расположенными перегородками внутри, разделяющими полость между первым и вторым фланцами на входную и выходную камеры, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом фланце, с системой циркуляции, контроля температуры и давления хладоагента ниже атмосферного в полости между фольгами. За вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени.
В качестве хладогента использован пар жидкого азота.
Первая и вторая фольга 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 тормозного излучения.
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 кольцевую медную прокладку 8 герметично соединен со вторым медным фланцем 9, в апертуру которого впаяна вторая круглая фольга 10 с вмятиной 11 в центре. Вогнутости вмятин 7 и 11 первой 6 и второй 10 фольг обращены друг к другу.
Между первой 6 и второй 10 фольгами установлена цилиндрическая мишень 12 из вольфрама диаметром, например, d=0,8 мм и длиной, например, L=2 мм, контактирующая своими торцами с поверхностями вмятин 7 и 11 в центре фольг 6 и 10.
Медная прокладка 8 выполнена в виде кольца с поперечными перегородками 13 внутри, разделяющими полость между первым 5 и вторым 9 фланцами на входную камеру 14 и выходную камеру 15.
Входная 14 и выходная 15 камеры соединены через цилиндрические каналы 16, 17, 18, 19, выполненные в первом фланце 5, хладотрубопроводами 20 и 21 с системой 22 циркуляции хладоагента и контроля его температуры и давления. Система циркуляции 22 хладоагента и контроля его температуры и давления выполнена на основе известных устройств охлаждения с использованием жидкого азота [RU 2156419 С1].
Полость между первой 6 и второй 10 фольгами, входная камера 14 и выходная камера 15, каналы 16, 17, 18, 19 и хладотрубопроводы 20, 21 заполнены радиационно стойким хладоагентом, например, паром жидкого азота, при давлении в полости между фольгами ниже атмосферного, например, 0,9 атм.
За вторым фланцем 9 установлен очищающий магнит 23, медианная плоскость межполюсного пространства 24 которого совмещена с осью цилиндрической мишени 12.
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 12, вторую фольгу 10, а также 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 12. Остальные электроны пучка с малой плотностью потока проходят через первую фольгу 6, вторую фольгу 10, хладоагент в полости между ними и выходят в атмосферу.
При взаимодействии с фольгами 6 и 10, хладоагентом в полости между ними и мишенью 12 электроны испытывают ионизационные и радиационные потери энергии и рассеяние. При этом, несмотря на относительно большую площадь облучения, выход тормозного излучения из фольг 6, 10 и хладоагента в полости между ними, небольшой вследствие их малых толщин, малых атомных номеров и малых плотностей их материалов и относительно малой плотности потока электронов за пределами области с радиусом, равным радиальному размеру мишени 12. Выход тормозного излучения из мишени 12 большой вследствие высокой плотности потока облучающих электронов вблизи оси пучка, высокого атомного номера и большой плотности материала. При этом малый радиальный размер мишени 12 обеспечивает малый размер фокусного пятна. Ионизационные потери энергии электронов в фольгах 6, 10, хладоагенте в полости между ними и мишени 12 приводят к их нагреванию. Охлаждение этих элементов для предотвращения потери их механической прочности происходит за счет передачи тепла к фланцам 5, 9 через фольги 6, 10, но, в основном, ввиду малых толщин фольг 6, 10, за счет циркуляции хладоагента от системы 22 циркуляции хладоагента и контроля его температуры и давления через хладотрубопроводы 20, 21, каналы 16, 17, 18, 19, камеры 14, 15 и полость между фольгами 6 и 10. При этом поддержание давления хладоагента ниже атмосферного системой 22 циркуляции хладоагента и контроля его температуры и давления создает сжимающее усилие между фольгами 6 и 10 для фиксации мишени 12 во вмятинах 7 и 11 фольг. Вышедшее через вторую фольгу 10 в атмосферу излучение содержит тормозное излучение из фольг 6, 10, хладоагента в полости между ними и мишени 12, а также вторичные электроны из фольг 6, 10, хладоагента в полости между ними и мишени 12. Магнитное поле очищающего магнита 23 в его межполюсном пространстве 24 выводит электроны из пучка излучения. Пучок излучения после очищающего магнита 23 - это тормозное излучение из мишени 12 с малым размером фокусного пятна на фоне малоинтенсивного тормозного излучения из фольг 6, 10 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 10 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 12 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 его толщины (длины L). При реализации предлагаемого источника в диапазоне диаметров d мишени 12 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 плоской мишени 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, на выходе которого расположена тормозная мишень, систему циркуляции хладагента, контроля его температуры и давления, хладотрубопроводы, отличающийся тем, что к выходу электронопровода вакуумноплотно присоединен первый фланец, который через 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, при этом прокладка выполнена в виде кольца с двумя поперечными диаметрально расположенными перегородками внутри, разделяющими полость между первым и вторым фланцами на входную и выходную камеры, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом фланце, с системой циркуляции хладагента, контроля его температуры и давления, а за вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени.
2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве хладагента использованы пары жидкого азота.
3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая фольги выполнены из сплава на основе бериллия.
