Главная | Обратная связь

Инжектор электронов

 

Источником электронов в бетатроне является инжектор (рис. 5), представляющий из себя электронную пушку с 3-х электродной системой, включающий в себя накальный катод в виде вольфрамовой спирали, фокусирующий цилиндр и анод в виде прямоугольной коробки. Все элементы инжектора изготавливаются из листового тантала (0,25 мм) и монтируются на молибденовых вводах, вваренных в стеклянный цоколь из молибденового стекла. В аноде инжектора на уровне катодной спирали сделана прямоугольная щель для «впрыска» электронов в плоскость равновесной орбиты.

Для бетатронов, работающих в режиме генерации тормозного излучения, на тыльной стороне анодной коробки, прилегающей к орбите движения электронов, закрепляется конверсионная мишень.

Питание накального катода осуществляется от низковольтного регулируемого источника (0 – 15 В), анод и фокусирующий цилиндр находятся под нулевым потенциалом.

Инжектор электронов крепится на вакуумном латунном сильфоне и устанавливается в патрубке ускорительной камеры. Применение сильфона обуславливается необходимостью установки и регулировки положения инжектора для создания оптимальных геометрических условий «захвата» электронов в ускорительный цикл.

Инжекция электронов происходит при поступлении на катодную спираль инжектора высоковольтного импульса отрицательной полярности (- 50 кВ) от импульсного трансформатора, включаемого в схему формирования импульса инжекции электронов.

 

Схема формирования импульса инжекции
электронов, стабилизация интенсивности
генерируемого излучения

 

Функциональные узлы схемы формирования импульса инжекции электронов приведены на рис 6. Запуск схемы инжекции осуществляется от датчика «нуля поля» (пикерного датчика – поз. 2), закрепленного на стойке ярма электромагнита (поз. 1) и фиксирующего начальный участок ускорительного цикла (рис. 1).

Датчик «нуля поля» представляет из себя катушку с пермолоевым сердечником – пикером (рис.7). Пермолой обладает высоким μ и насыщается при малых напряженностях магнитного поля. При каждом прохождении поля через «нуль», пермолой быстро перемагничивается, и в обмотке пикера возникает импульс напряжения. Амплитудное значение этого импульса совпадает с моментом прохождения поля через нуль. Импульс с пикерного датчика имеет колоколообразную форму и длительность ~ 500 мкс.

Для обеспечения технологических условий инжекции электронов в бетатроне возникает необходимость формирования задающего сигнала, что обеспечивается каскадом преобразования (поз. 3), выполненного на основе ждущих мультивибраторов с последующим усилением сформированного прямоугольного импульса длительностью 10мкс.

Оптимальные условия захвата электронов в ускорительный цикл обеспечиваются при фазе импульса инжекции относительно «нуля поля» ∆ φ = 30 – 50 мкс, что выполняется схемой регулирования задержки (поз. 4), которая посредством плавного увеличения длительности входного сигнала и последующего дифференцирования его фронтов, дает возможность регулируемого сдвига во времени сформированного (поз. 3) импульса относительно нулевого момента на значение величины ∆ φ.

Сдвинутый во времени относительно «нуля поля» дифференцированный отрицательный импульс через каскад формирования (поз. 5) подается на высоковольтный блок (поз. 6), который включает в себя высоковольтный конденсатор, зарядное устройство на базе высоковольтного выпрямителя (~1 кВ) и спусковую схему на базе тиратрона или тиристора, управляемую импульсом с формирующего каскада (поз. 5). Момент генерации высоковольтного импульса инжекции на катод инжектора определяется моментом срабатывания спускового устройства и разрядом конденсатора через витки импульсного трансформатора (поз. 7).

Рассмотренное взаимодействие функциональных узлов (поз. 2-7) обеспечивает ручное управление фазой импульса инжекции электронов, в частности, при настройке индукционного ускорителя на излучение. Решение прикладных задач на базе бетатронов накладывает определённые требования на стабильность интенсивности генерируемого излучения, что обеспечивается включением в функциональную схему инжекции электронов узла автоматической стабилизации уровня интенсивности (поз. 8-9).

Основными факторами, влияющими на нестабильность интенсивности генерируемого излучения являются скачки напряжения и частоты питающей электромагнит сети, а также случайное изменение параметров схем управления бетатрона, что приводит к необходимости изменять фазу инжекции электронов, чтобы получит прежнее значение уровня интенсивности излучения.

Физический принцип, положенный в основу стабилизации интенсивности, базируется на следующих факторах. Интенсивность излучения, генерируемого бетатроном, пропорциональна количеству электронов, захваченных в ускорительный цикл. Условие оптимального захвата электронов определяется величиной фазы инжекции, которая, соответственно, будет определять уровень интенсивности тормозного излучения.

С учетом указанных факторов работа стабилизатора уровня интенсивности основывается на использовании отрицательной обратной связи между выходом тормозного излучения, генерируемого в конверсионной мишени, и фазой импульса инжекции электронов.

На рис. 8 приведена эмпирическая зависимость интенсивности излучения бетатрона от фазы инжекции электронов в ускорительный цикл. Плавно нарастающая левая часть зависимости соответствует оптимальным условиям процесса ускорения. Увеличение величины фазы инжекции более 50 мкс приводит к резкому нарушению условий захвата электронов и «срыву» процесса ускорения. Характер хода приведенной зависимости обуславливает область устойчивой работы системы стабилизации уровней интенсивности в диапазоне 30 – 90% от максимального значения, что соответствует диапазону автоматического регулирования фазы инжекции в пределах 20 мкс.

Датчиком интенсивности тормозного излучения является сцинтилляционный γ – детектор, работающий в интегральном режиме и регистрирующий изменение амплитуды импульса тормозного излучения. Электронное устройство стабилизатора вырабатывает напряжение, которое сдвигает фазу импульса инжекции в сторону меньших значений с увеличением интенсивности и наоборот.

Работа схемы стабилизации интенсивности осуществляется в 2-х режимах:

- режим автоматического поиска фазы инжекции для установленного уровня интенсивности;

- режим слежения за заданным уровнем интенсивности.

Блок слежения стабилизатора прерывает работу поискового устройства как только интенсивность излучения достигнет заданного уровня. Начиная с этого момента схема будет работать в режиме автоматической подстройки фазы инжекции и, соответственно, контролировать установленный уровень излучения.

Применение рассмотренной системы автоматической стабилизации обеспечивает точность поддержания заданного уровня интенсивности излучения в пределах 2 – 3%, в то время как ручное регулирование фазы инжекции электронов при воздействии приведенных выше дестабилизирующих факторов приводит к изменениям установленного уровня интенсивности на 10 – 15%.

 

Смещение ускоренных электронов,
регулирование и контроль граничной
энергии излучения.

 

Смещение («сброс») ускоренных электронов на конверсионную мишень (для бетатронов, работающих в режиме генерации тормозного излучения) в конце цикла ускорения (рис. 1) производится увеличением магнитного потока внутри равновесной орбиты, что приводит к увеличению её радиуса до места расположения мишени.

Увеличение магнитного потока осуществляется при помощи смещающих обмоток, размещенных вокруг полюсных наконечников электромагнита. По виткам смещающих обмоток в конце ускорительного цикла пропускается импульсный ток ~ 1000 ампер. Генерирование импульса тока осуществляется разрядом конденсатора через коммутирующий прибор (сильноточный тиратрон или тиристор) путём подачи сформированного импульса сброса на управляющий электрод коммутатора.

Указанный способ смещения электронов дает возможность плавного регулирования энергии ускоренных электронов путем изменения фазы импульса сброса, так как смещающий импульс тока можно подать в определенный промежуток времени на участке ускоряющего периода.

Разработанные схемы формирования импульса смещения электронов, используемые в промышленно выпускаемых бетатронах, включают в себя управляющий узел стабилизации и контроля величины энергии излучения, который даёт возможность регулировки граничной энергии ~ 70% от максимального паспортного значения.

На рис. 9 приведена функциональная схема формирования импульса сброса с узлами регулирования, стабилизации и контроля энергии излучения бетатрона.

Работа схемы основана на вырабатывании управляющего сигнала на коммутаторный блок при достижении магнитным полем заданной величины. RLC – интегратор (поз. 2), включенный в цепь намагничивающей обмотки (поз. 1), создает электрический аналог кривой напряженности магнитного поля. Сигнал с интегратора сравнивается с постоянным напряжением (поз. 3), которое поддерживается с большой точностью. Уровень опорного напряжения , определяющий граничную энергию излучения регулируется делителем напряжения (поз. 4-5).

Элементы делителя выполняются из проволочных катушек (образцовые сопротивления), которые не имеют ухода параметров и обеспечивают высокую точность установки заданной энергии и её стабильность в процессе работы бетатрона.

Напряжение на делителе контролируется узлом контроля уровня опорного напряжения (поз. 6) с использованием нормального элемента.

Положение секционного переключателя участков делителя опорного напряжения (поз.5) позволяют производить изменение граничной энергии излучения с шагом 1 МэВ; 300 КэВ; 30 кэВ и калибруются по поровым значениям (γ,n) реакций образцов: серебра (9,05 МэВ); меди (10.86 МэВ); цинка (11,65 МэВ); графита (18,70 МэВ).

На рис.10 дана графическая иллюстрация получения управляющего сигнала смещения электронов на элементе сравнения (поз.7). Принцип действия последующих формирующих каскадов аналогичен работе электронной схемы формирования импульса инжекции.

Примечание. Имеется принципиальная возможность вывода ускоренного электронного пучка от бетатрона с применением специальной ускорительной камеры с выводным окном, оборудованным магнитным шунтом или высоковольтным электростатическим конденсатором для изменения круговой траектории движения на линейную в момент подачи на них импульса сброса. Полученные экспериментальные данные по выводу электронного пучка показывают, что КПД выводного тока составляет ~ 35% от тока на равновесной орбите.

 

Основные характеристики генерируемого пучка тормозного излучения

 

Рассмотренные выше физические принципы индукционного метода ускорения показывают, что максимальная энергия ускоренных электронов в конкретной бетатронной установке определяется напряженностью вихревого электрического поля и, соответственно, магнитной индукцией, создаваемой электромагнитом, а также величиной радиуса равновесной орбиты. Поскольку практическим предназначением бетатронов является генерация пучка тормозного гамма – излучения, работа с которым требует определения и измерения его параметров.

Тормозное излучение (ТИ) возникает при взаимодействии ускоренных электронов с материалом конверсионной мишени в результате потерь энергии электронами в кулоновском поле ядер мишени. Также, результатом потерь энергии электронами является ионизация и возбуждение атомов. Количество энергии, которую теряет электрон при торможении пропорциональна его энергии и квадрату заряда ядра Z² поэтому интенсивность генерируемого пучка ТИ в существенной степени зависит от Z материала конверсионной мишени, в качестве которых на практике используются материалы с большим Z (вольфрам, платина, уран). Генерируемое излучение носит импульсный характер с частотой питающей электромагнит сети (f=50Гц, Т = 0,02 сек) с длительностью импульса ~ 5мсек.

Основными характеристиками генерируемого пучка ТИ являются: спектро – энергетический состав; угловое распределение; граничная энергия спектра излучения; интенсивность излучения. Для серийно изготовленных бетатронов практической мерой интенсивности генерируемого излучения служит паспортный аналог: мощность экспозиционной дозы (МЭД) на расстоянии 1м от конверсионной мишени. Так, промышленно выпускаемые бетатроны для целей радиационной дефектоскопии в диапазоне энергий ускоренных электронов 15-35 МэВ имеют МЭД = 100 – 250 рентген/мин/м.

Торможение в конверсионной мишени моноэнергетического потока ускоренных электронов сопровождается испусканием непрерывного спектра тормозных γ – квантов от 0 до значения граничной энергии E_{γ max} , которая равна энергии ускоренных электронов. Характер спектрального распределения ТИ зависит от толщины конверсионной мишени.

На рис.11 приведено спектральное распределение тормозного излучения от тонкой вольфрамовой мишени (d=15мм) для E = 13.5МэВ . увеличение толщины конверсионной мишени приводит к деформации (снижению интенсивности) низко – энергетической части спектра и выделению области эффективных энергий (рис. 12).

Для решения задач радиационного контроля с использованием пучков ТИ бетатронов применяются эмпирические соотношения E_эф от E_{γ max} для различных энергий ускоренных электронов:

- до 10 МэВ → E_эф = 1/3 E_{γ max}

- 10 – 20 МэВ → E_эф = 1/2 E_{γ max}

- выше 20 МэВ → E_эф = 2/3 E_{γ max}

На рис. 13 приведена зависимость интенсивности тормозного излучения от угла θ (от нормали в точке падения электронов на конверсионную мишень). Ход углового распределения интенсивности пучка ТИ носит «гауссовский» характер с раствором угла для конверсионных мишеней с большим Z ∆ θ = 6 -7˚

 

Области практического применения пучков
тормозного излучения бетатронов:

 

- в геометрии «на прострел»:

- радиационная гамма – дефектоскопия толстостенных изделий (сварные швы, усадочные раковины, внутренние трещины, разноплотные дефекты литья и проката

- в геометрии «на отражение» по анализу спектро – энергетического состава альбедных потоков ТИ (радиационный контроль в условиях одностороннего доступа заэкранированных объектов, в частности обнаружение делящихся материалов);

- гамма – активационный анализ образцов геологических проб на содержание меди, цинка, серебра;

- радиационное упрочнение элементов микроэлектронной техники;

- медицинские аспекты радиологических исследований и гамма – терапии злокачественных образований.