Электронные ускорители ТПИ

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 195 1974

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСКОРИТЕЛИ ТПИ

И. П. ЧУЧАЛИН

Томским политехническим институтом внесен значительный вклад в разработку электронных ускорителей. Создание первого советского бетатрона в ТПИ относится к первым послевоенным годам (1946— 1947 гг.). По инициативе и под руководством профессора А. А. Воробьева небольшая группа физиков и инженеров, фактически изолированная от внешнего мира в силу условий того времени, дерзнула разработать и создать сложное электрофизическое устройство. Пионерами первых томских и советских бетатронов вместе с профессором А. А. Воробьевым являлись доценты ТПИ: А. К. Потужный, В. Н. Титов, М. Ф. Филиппов.

Томским политехническим институтом разработано, изготовлено и установлено в различных научных учреждениях, вузах, промышленных предприятиях, клиниках нашей страны и за ее рубежом более 60 бетатронов с ма.ркой ТПИ. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные сотрудниками ТПИ, охватывают широкий круг вопросов в области создания магнитных полей бетатронов [1—5], процесса захвата электронов в ускорение [6—11], выводу электронов из ускорительной камеры [12—14], изучению спектральных и угловых характеристик тормозного излучения и электронных пучков [15—16], разработке электрических схем питания, управления и стабилизации излучения [17—20] и т. д.

В табл. 1 приведены основные типы бетатронов, разработанные в ТПИ, с указанием их характеристик.

Изготовленные в ТПИ бетатроны широко используются в области ядерной и радиационной физики, радиационной химии, в медицине и биологии, в ¡промышленности, особенно для дефектоскопии изделий [21—26].

Ниже приводится несколько примеров применения бетатронов ТПИ.

Для Барнаульского котельного завода разработан и внедрен в производство впервые в мировой практике комплексный бетатронный дефектоскоп БД-2 на 25 Мэв для контроля толстостенных сварных- соединений. Дефектоскоп позволяет вести непрерывный автоматический контроль сварных швов толщиной до 350 мм и шириной до 100 мм с производительностью до 30 км швов за один месяц.

Для Ангарского нефтеперерабатывающего завода разработан комплексный бетатронный дефектоскоп БД-1, который позволяет осу-

ществлять автоматический контроль стальных поковок толщинои до 500 мм ¡производительностью 2 м2/час.

Применение комплексных бетатронных дефектоскопов для контроля качества материалов и изделии позволяет в десятки раз сократить

Таблица 1

Характеристики основных типов бетатронов, разработанных в ТПИ

Марка бетатрона

о. . £ *

(Г) —

СП

X «в

^ <т>

§•3

* -

и са О

я о

к а. — н

Интенсивность излучения или ускоряемый заряд в импульсе

« гг

н

О ж

~ н

Тип магнию-провода

О ТО О-

о  то о

о X

03 с то о

О Си V

д о щ

22 Я 4» г то п то ё ч

О. О 3 со О и са ^ га .

н н О а» н

3 к и X и я

3 и

то а. Ь! н о.

и* ° са ч (=С О

В о г

(X то

г

О) к

£ 5

о *

о> -о. л

£ ° С г

<_

«в то

а г

о о. х а> ч

<т>

са О ч о сс £ ж я эв а х

то

О

со

Си

с

то

и то

в СП

в то О.

О

о

О о

и и

Б-9 9 5 р/мин. м 50 Ш-образный 11,0 8,0 5,0 1,0 1961

Б-15 15 10 р/мин. м 50 Ш-образный 13,0 6,4 6,0 1,2 1948

Б-25 25 40 р/мин. м 50 Ш-образный 21,0 7,0 15,0 3,3 1955

Б-сО 30 150 р/мин. м 50 Ш-образный 24,5 8,5 35,0 6,6 1959

Б25/10 25 40 р/мин. м 50 10-стоечный 18,5 6,14 10,0 2,1 1962

Б-30 30 2х 150 р/мин. м 50 Ш-образный 24,5 8,5 35,0 6,6 1965

2-лучевой

Б-10 10 5-10* 50 Ш-образный 13,0 6,4 5,0 1,2 1958

2-камерный

Б-15 15 5-10» 50 Ш-образный 13,0 6,4 7,0 1.4 1959

2-камерный

С Б-25 25 3-Ю12 0,25 Ш-образный 23,0 21,0 25,0 15,0 1961

2-камерный

СБ-25 25 7- Юп 50 Ш-образный 23,0 21,0 50,0 8,0 1964

ПМБ-3 3 0,05р/мин. м 50 Броневой 4,5 4,0 ' 0,6 0,025 1962

ПМБ-5 5 0,1 р/мин. м 50 12-стоечный 4,6 2,6 0,6 0,028 1966

ПМБ-6 6 0,3 р/мин. м 50 12-стоечный 6,0 4,0 1,8 0,060 1964

ПМБ-бс 6 0,3 р/мин. м 50 12-стоечный 6,0 4,0 1,5 0,090 1968

СШ Б-200 5 0,05 р/мин. м 50 1 Ш-образный 6,0 4,0 1,0 0,080 1961

время контроля по сравнению с радиографическими методами радиационной дефектоскопии при высокой чувствительности к выявляемое™ дефектов.

Бетатроны, изготовленные институтом, неоднократно экспонировались на Выставке достижений народного хозяйства. За бетатроны на 25 Мэв и 30 Мэв институт награжден почетными дипломами 1-й степени, а ведущие научные сотрудники — медалями ВДНХ.

В научно-исследовательском институте ядерной физики, электроники и автоматики Томского политехнического института (НИИ ЯФ ТПИ) разработано и внедрено в эксплуатацию несколько типов сильноточных бетатронов и двухкамерных стереобетатронов [27—31]. Благодаря применению высоковольтной системы инжекции и увеличению зоны фокусирующих сил в сильноточных 'бетатронах ускоряется более 1012 электронов в импульсе, что более чем в 100 раз превышает ускоренные токи, получаемые в лучших образцах бетатронов известных зарубежных фирм Броун—Бовери и Сименс.

На рис. 1 приведена фотография сильноточного бетатрона СБ-25 с энергией ускоренных электронов 25 Мэв. Некоторые конструкции стереобетатронов экспонировались на советских выставках в США и Чехословакии. На ВДНХ они награждались дипломами, а их создатели — медалями.

Применение сильноточных бетатронов для дефектоскопии толстостенных металлических и неметаллических изделий позволяет резко сократить время экспозиции и улучшить выявлясмость дефектов. Нали-

Рис. 1

чие у стереобетатронов двух перекрещивающихся пучков тормозного излучения оказывается весьма полезным как для целен дефектоскопии, так и для глубинной терапии при лечении злокачественных опухолей.

В Томске впервые в Советком Союзе был применен бетатрон для лечения злокачественных опухолей с предшествующим исследованием биологического действия высокоэпергетнческого тормозного излучения в эксперименте.

Томскими медиками под общим руководством профессора И. В. То-ропцева была дана систематика морфологических изменений в органах и тканях экспериментальных животных, подвергающихся действию тормозного излучения бетатронов на различные энергии с широким диапазоном доз в условиях однократных и повторных облучении.

Широкое развитие строительства в нашей стране и связанная с этим насущная необходимость проведения качества контроля выполняемых работ обусловливают создание и развитие новых переносных дефектоскопов. На строительно-монтажных площадках, стапелях, в полевых и цеховых условиях в настоящее время дефектоскопии наиболее часто используются радиоактивные источники -излучения. Однако эти излучатели имеют малый коэффициент использования, требуют специальных хранилищ, при средних и больших активностях имеют значительные габариты и вес контейнеров и представляют серьезную постоянную радиационную опасность для операторов и окружающих.

В связи с отмеченными недостатками изотопных излучателей в Томском политехническом институте уже в течение нескольких лет ведется разработка специальных конструкций бетатронов, предназначенных для проведения контроля в указанных выше нестационарных условиях. В результате этих работ созданы переносные бетатроны на энергии излучения 3—6 Мэв, способные успешно конкурировать с большинством изотопных установок, обеспечивая более высокую выявляе-мость дефектов и позволяя контролировать изделия больших толщин.

Разработанные переносные малогабаритные бетатроны [32—34] выполняются в виде трех или четырех отдельных блоков, соединяемых при работе кабелями. Вес и габариты блоков позволяют осуществлять их ручную транспортировку к труднодоступным объектам контроля.

Производственные испытания опытных образцов переносных бетатронов выявили их высокую эффективность и обусловили широкую заинтересованность в этих установках промышленных предприятий.

На рис. 2 приведена фотография .малогабаритного бетатрона ПМБ-бс, который позволяет контролировать стальные изделия толщиной до 250 мм и бетонные —до 600 мм. Время просвечивания стали

Рис. 2

толщиной 250 мм составляет 45 минут с чувствительностью около 1%.

Разработанный в институте бетатрон ПМБ-бс совместно с промышленными предприятиями Томска подготовлен для серийного выпуска. Конструкции этого бетатрона экспонировались на международных ярмарках в Вене (1&68 г.)У в Лейпциге (1969 г.), где'были проданы со стендов. Один из бетатронов по 'заказу фирмы поставлен во Францию. В июле 1969 года бетатрон ПМБ-бс демонстрировался на Международной выставке сварочного оборудования в Японии.

В НИИ ЯФ ТПИ разработаны два типа .микротронов [35—38], характеристики которых приведены в табл. 2.

Микротроны разрабатывались как инжекторы для синхротрона на 1,5 Гэв. Синхротрон работает с частотой 1—2 гц, поэтому и частота повторения импульсов .'микротронов равна также 1—2 гц. Частоту повторения импульсов микротронов можно увеличить до 50 или 400 гц,

что позволит получать среднее значение токов ускоренных электронов до 7,5 или 600 мка соответственно.

Таблица 2

Основные характеристики микротронов, разработанных в НИИ ЯФ ТЛИ

№ микротронов Полная энергия ускоренных электронов, Мэв 1 Число орбит Максимальное значение тока на последней орбите, ма Длительность импульса тока, мксек Частота повторения импульсов, га, Тип магнитопро-вода Высота междуполюсного зазора, мм Напряженность магнитного поля в зазоре, э Вес магнита, кг Вес обмотки, кг Потребляемая мощность, кет Год ввода в эксплуатацию

1 2 5,5 7,0 9 12 50 50 8 3 1-2 1-2 Ш-образный Четырех-стоечный 125 106 1070 1070 1700 2430 190 250 10 4 1963 1967

На рис. 3 приведена фотография микротрона на 7,0 Мэв. В НИИ ЯФ ТЛИ разрабатываются ускорители прямого действия. Вначале ускорители прямого действия разрабатывались как инжекторы электронов в циклические ускорители — бетатроны и синхротроны.

Рис. 3

Впоследствии появилась необходимость создания ускорителей прямого действия на энергии 200—700 Кэв как самостоятельных установок для использования в различных областях 'науки \п техники таких, как квантовая электроника, 'радиационная химия, медицина и др.

В табл. 3 приведены основные характеристики сильноточного высоковольтного ускорителя СВУ-1. ¡Конструктивно ускоритель скомпано-ван в два ¡передвижных блока—блок излучателя и пульт управления.

В блоке излучателя размещены импульсный трансформатор, электронная пушка и вакуумная система со схемой ее питания. Габариты блока излучателя 880 X 850 Х'Ю70 ммг, его вес 200 кг, В пульте управления расположены модулятор с выпрямителем и все приборы контроля и управления. Габариты пульта управления 900X 1200X 1300 лш3, вес 200 кг.

Получение вакуума в электронной пушке и ускорительной трубке ускорителя ОВУ-1, так же как и в вакуумных камерах бетатронов ТПИ, осуществляется малогабаритными титановыми ионно-сорбиционными насосами, разработанными в институте.

Ускоритель СВУ-1 в 1966 году экспонировался на ВДНХ, где отмечен серебряной медалью. В 1967 году он экспонировался на советской выставке в г. Будапеште.

Для исследований в области квантовой электроники разработан наносе-кундный ускоритель электронов со следующими параметрами: энергия ускоренных электронов до 500 Кэв, ток электронов ¡в импульсе до 1500 а, длительность импульса тока 30— 40 нсек.

В Томском политехническом институте А. А. Воробьевым предложены [39—40] и под руководством А. А. Воробьева и А. Н. Диденко разработаны [41—42] волноводные синхротроны, сочетающие в себе достоинства линейных волноводных и циклических ускорителей. Будучи волноводными ускорителями, они обеспечивают большие приросты энергии на единицу длины. Будучи циклическими, они позволяют ускорять частицы до больших энергий при сравнительно небольшой длине волновода.

Конструктивно высокочастотная система волноводных синхротронов представляет собой какую-либо замедляющую изогнутую, замкнутую в кольцо систему, размещенную в междуполюсном пространстве обычного синхротрона. Замедляющая система необходима для того, чтобы снижать фазовую скорость одной из волн до скорости частиц (в случае электронов до скорости света) и таким образом создать условие для непрерывного ускорения частиц.

С целью подтверждения основных теоретических .положений в НИИ ЯФ ТПИ в 1963 и 1964 годах сооружены и запущены два волноводных циклических ускорителя электронов на 10 Мэв, один с ускоряющей системой в виде изогнутого волновода прямоугольного сечения диафрагмированного по внешней изогнутой стенке и другой — с ускоряющей системой в виде гладкого изогнутого замкнутого волновода. В обоих ускорителях предварительно электроны ускоряются до энергии 3 Мэв в бетатронном режиме.

'Волноводные ускоряющие системы являются одним из возможных вариантов при разработке электронных и протонных ускорителей на сверхвысокие энергии. Эффективность таких систем сильно возрастает если апертура ускорительной камеры уменьшается, как это имеет место в кибернетических ускорителях, разрабатываемых под руководством академика Минца А. Л.

В НИИ ЯФ ТПИ разработан, сооружен и введен в эксплуатацию один из наиболее мощных^ ^ циклда^ски-х' электронных ускорителей

I j  : i i

2. Заказ 7067. ' ^ > - Г; " " X1- .;  '; „ 17

И/

Таблица 3 Основные параметры СВУ—1.

о в

CS ? в 0.0

Ä S*

о

J3

>>

с: 35 S

О

н S

л

s

я

CK

S

mm

о

Qu

О

н

с:

О

с

со

н

о t4i

н

CJ еЭ ГГ СОВ,

200

10

50

в нашей стране — электронный синхротрон «Сириус» па энергию 1,5 Гэв [43—50].

На синхротроне проведен большой объем научных исследовании и получены интересные результаты о влиянии квантовых флуктуации излучения электронов на их движение в камере ускорителя. Ценные результаты получены по физике элементарных частиц.

В Томском политехническом институте проводятся теоретические и экспериментальные исследования по новым методам ускорения заряженных частиц и по разработке новых типов ускорителей [51—57].

ЛИТЕРАТУРА

1. Б. Н. Родимо в. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 3, 1957.

2. П. А. Черданцев. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 41, 1957.

3. М. Ф. Филиппов. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 77, 1957.

4. M. Ф. Филиппов. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 87, 1957.

5. И. Г. Л е щ е н к о. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, ,130, 1957.

6. Б. Н. Роди мов. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 11, 1957.

7. И. II. Ч у ч а л и н. Изв. Томск, политехи, ин-та.. 87, 256. 1957.

8. П. А. Черданцев. Изв. вузов СССР, «Физика», № 6, 177, 1959.

9. П. А. Черданцев. Труды III межвузовской конференции по электронным ускорителям. Томск, изд-во ТГУ, стр. 58, 1961.

10. П. А. Черданцев. Труды IV межвузовской конференции по электронным ускорителям. М., «Высшая школа», стр. 419, 1964.

11. О. В. Соколов. Труды III межвузовской конференции по электронным ускорителям. Томск, изд.-во ТГУ, стр. 69, 1961.

12. Л. С. Соколов. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 307, 1957.

13. Б. А. Кононов. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 322, 1957.

14. A. A. Vorobiev, L. S. S о к о 1 о v. Nuol. Instr., 4, 173, 1959.

15. E. M. Васильев, Б. A. Кононов. Труды III межвузовской конференции по ускорителям, Томск, изд-во ТГУ, стр. 167, 1961.

16. С. С. Кулюкин. Труды IV межвузовской конференции по электронным ускорителям. М., «Высшая школа», ст(р. 452, 1964.

17. И. П. Чучалпн, В. М. Разин. «Электричество», № 9, 39, 1957.

18- В. М. Разин. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 164, 1957.

19. ÎB. М. Разин. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 206, 1957.

20. Е. М. Белов и др. Изв. Томск, политехи, ин-та, 138, 5, 1965.

21. Л. М. Ананьев, А. А. Воробьев, В. И. Горбунов. Индукцнонный ускоритель электронов—бетатронов. М., Атомиздат, 1961.

22. Л. М. Ананьев, А. А. Воробьев, В. И. Горбунов. Бетатрон и, его применение. Томск, 1962.

23. А. А. В о р о б ь е в н др. Бетатронная дефектоскопия материалов и изделий. М., Атомиздат, 1965.

24. В. И. Горбунов, А. В. Покровский. Дефектоскопия, № 5, 1965.

25. А. А. Воробьев, В. И. Горбунов. Новые бетатроны и их использование для промышленной дефектоскопии, ЦИТЭИ, вып. 22, 1961.

26. А. А. В о р о б ь е в и др. Использование бетатронов в дефектоскопии. ОНТИ прибор, M., 1964.

27. В. А. Москалев. ЖТФ, 26, 2060, 1956.

28. В. А. Москалев и др. Изв. вузов СССР, «Физика» № 5, 35, 1959.

29. А. А. V о г о b i e v, V. A. M о s k а 1 e v. Zeitschrift, 4, 501, 1964.

30. В. А. Москалев и др. Электронные ускорители. Труды V межвузовской конференции. М., Атомиздат, стр. 112, 1966.

31. А. А. В о р о б ье в и др. (Изв. вузов СССР,, «Физика»; № 3, 68, 1967.

32. Л. М. Ананьев и др. Малогабаритные бетатроны, ГОСИНТИ, 10, вып. 14, 1963.

33. Л. А. Ананьев и др. Труды IV межвузовской конференции по электронным ускорителям. М., «Высшая школа», -180, 1964.

34. Л. М. Ананьев, В. А. Ч а х л о в, M. М. Штейн, Ю. П. Ярушкин. Де фектоскопия, № 5, 60, 1968.

35. Б. 3. Канте р. Изв. вузов СССР, «Физика», № 3, 138, i960.

36. Б. 3. Канте(р и др. Изв. Томск, политехи, ин-та, 122, 45, 1962.

37. Б. 3. Канте р„ Ю. Г. Ю ш к о в. «ПТЭ», № 4, 28, 1964.

38. В. А. Визирь и др. Труды VI конференции по электронным ускорителям. Изд-во «Энергия», 176, 1968.

39. А. А. Воробьев, Г. В. К р н в о щ е к о в. Изв. Томск, политехи, ин-та, 87, 358, 1957.

40. А. А. Воробьев. Изв. вузов СССР. «Электромеханика», 1, № 5, 106, 1958.

41. А. А. Воробьев и др. Труды международной конференции по ускорителям, ЦЕРН, Женева, 681, 1959.

42. А. А. Воробьев и др. Волноводные синхротроны. Атомиздат, М., 1966.

43. А. А. Воробьев, И. П. Чучалин. «Вестник высшей школы», № 11, 57, 1966.

44. А. А. Воробьев и др. Атомная энергия, 21, 435, 1966.

45. А. А. Воробьев и др. Изв. вузов СССР, «Физика», № 2, 162, 1967.

46. И. П. Чучалин. «Природа», № 2, 50, 1968.

47. А. А. Воробьев, И. П. Чучалин, А. Г. Власов и др. Синхротрон ТПИ на 1,5 Гэв, Атомиздат, 1968.

48. А. А. Воробьев и др. Труды VI межвузовской конференции по электронным ускорителям. М., «Энергия», ПО, 1968.

49. A. A. Vorobiev, М. N. Volkov et al. Nucí. Instrum. and Methods, 66, 32!, 1968.

50. В. А. В и з и р ь и др. ЖТФ, 39, в. 6, 982, 1969.

51. Б. Н. Р о д и м о в, Т. А. Медведева. Изв. вузов СССР, «Физика», № 4, 147, 1958.

52. Б. Н. Р о д и м о в. «Атомная энергия», 6, № 2, 200, 1959.

53. Б. Н. Родимов. «Атомная энергия», № 12, 240, 1962.

54. Г. А. Куницын, В. И. Горбунов, Ю. А. О тр у б я н н и к о в. Труды IV межвузовской конференции по электронным ускорителям. М., «Высшая школа», 185, 1964.

55. В. А. Москале в. ЖТФ, 35, в. 4, 1965.

56. А. А. Воробьев и др. «Атомная энергия», 22, в. 1, 3, 1967.

57. Р. Г. 3 и я к а е в, Г. П. Фоменко, И. П. Чучалин, Ю. Г. Юшков. Письма в ЖЭТФ, 15, в. 6, 31, 1972.