ИЗЛУЧАТЕЛЬ БЕТАТРОНА

Полезная модель относится к области ускорительной техники и может быть использована при разработке бетатронов, предназначенных для неразрушающего контроля материалов и изделий радиационным методом.
Конструктивно бетатроны выполняются в виде нескольких блоков: излучатель, блок питания, пульт управления и кабели, соединяющие указанные блоки.
Известен излучатель (радиационная головка) бетатрона, который имеет корпус, выполненный в виде двух половин. В корпусе размещается электромагнит бетатрона, в межполюсном зазоре которого устанавливают вакуумную ускорительную камеру. Электромагнит имеет ярма, стойки обратного магнитопровода, полюса, центральные вкладыши и намагничивающую обмотку. Ярма, стойки, полюса, центральные вкладыши набраны из отдельных изолированных пластин электротехнической стали. Намагничивающая катушка выполнена в виде двух идентичных секций. Каждая секция охватывает полюс [1, с.99].
Чаще всего используются полюса с выступами [1, с.106] у которых диаметр торца полюса примыкающего к ярму, меньше диаметра полюса. Каждый полюс имеет центральную часть, профилированную поверхность и корректирующий козырек [1, с.74].
Ускорительная камера чаще всего имеет два патрубка. Через один из патрубков внутри камеры устанавливается инжектор, который имеет анодную коробочку и катод [1, с.164-189]. С помощью инжектора внутрь камеры вводится пучок электронов, часть из которых «захватывается» в режим ускорения. В конце цикла ускорения с помощью специальной схемы электроны смещаются на мишень. Мишень может располагаться на анодной коробочке, либо отдельно у внутренней стенки камеры. При взаимодействии ускоренных электронов с материалом мишени образуется тормозное
рентгеновское излучение, которое выводится через окно в корпусе для выхода излучения. В дальнейшем тормозное излучение используется для неразрушающего контроля. В другом патрубке камеры устанавливается газопоглотитель (геттер).
На инжектор подается высокое напряжение (порядка нескольких десятков киловольт), которое получают в высоковольтном блоке.
К излучателю бетатрона относятся блоки, без которых он не может генерировать излучение: генератор импульсов инжекции, генераторы импульсов тока контрактора и смещения ускоренных электронов на мишень. Конструктивно указанные генераторы располагаются чаще всего вне корпуса излучателя. Для охлаждения электромагнита и ускорительной камеры используются вентиляторы. Проходная ионизационная камера дозиметра предназначена для измерения мощности дозы излучения.
В корпусе излучателя устанавливаются электрические разъемы, с помощью которых излучатель подключают к блоку питания и управления, а также разъемы, соединяющие электрические устройства, расположенные в разных половинах корпуса.
Генератор импульсов инжекции имеет источник энергии (накопительную емкость) и устройство коммутации. В определенный момент времени от этого генератора на высоковольтный блок поступает импульс тока, который преобразуется в высоковольтный импульс, поступающий на инжектор.
Генератор тока контрактора имеет свой источник энергии и устройство коммутации. В определенный момент времени импульс тока поступает в обмотку контрактора. Эта обмотка выполнена в виде двух витков. На профилированной поверхности каждого полюса располагают по одному витку, которые соединены последовательно и согласно.
Генератор импульсов тока смещения так же имеет источник энергии, устройство коммутации. Нагрузкой этого генератора является обмотка смещения ускоренных электронов на мишень [1, с.226-234]. В известных
конструкциях обмотка смещения расположена в межполюсном зазоре у блока центральных вкладышей. Генераторы импульсов инжекции, контрактора и смещения питаются либо от дополнительного источника, расположенного вне излучателя, либо обмотку питания располагают на наружной поверхности одной секции намагничивающей катушки.
Проходная ионизационная камера выполнена по [2].
Излучатель работает в циклическом режиме: время работы ~ 30÷45 мин, пауза на охлаждение - 10÷15 мин. В некоторых случаях по технологическим причинам необходимо обеспечить непрерывную работу бетатрона.
Недостатки известной конструкции излучателя: относительно большие габариты и масса, относительно малое время непрерывной работы и, в большинстве случаев, малая мощность дозы излучения.
Из известных конструкций излучателей наиболее близким техническим решением является излучатель бетатрона на энергию 6 МэВ [3, с.102-204, 151]. Излучатель [3] - содержит электромагнит, включающий намагничивающую катушку, выполненную в виде двух одинаковых секций, стойки и ярма обратного магнитопровода, полюса с выступами, имеющие центральную часть, профилированную поверхность и корректирующий козырек, центральные вкладыши. Корпус излучателя имеет цилиндрическую форму и выполнен в виде двух половин. Для крепления проходной ионизационной камеры дозиметра на боковой цилиндрической поверхности корпуса выполняется окно. Ускорительная камера имеет инжектор, мишень, газопоглотитель.
Высоковольтный блок инжекции располагается вне корпуса в специальном поддоне и соединен с ускорительной камерой сложным переходом, что ограничивает значение напряжения инжекции и, соответственно, мощность дозы излучения.
Профилированная поверхность каждого полюса наклонена под определенным углом а к средней плоскости межполюсного зазора,
образованного полюсами. Угол α рассчитывается для каждого типа бетатронов или подбирается экспериментально.
В излучателе-прототипе генераторы импульсов инжекции, контрактора и смещения установлены вне корпуса, в котором установлен электромагнит, в специальном поддоне. В этом же поддоне установлен один вентилятор, для охлаждения электромагнита. Данная конструкция успешно работала на частоте 50 Гц, но с повышением частоты следования импульсов излучения существенно снизилось время непрерывной работы излучателя, так как охлаждение электромагнита оказалось недостаточным.
В излучателе-прототипе относительно ненадежным элементом являются скользящие контакты разъема в цепи, соединяющей секции намагничивающей катушки, так как указанные секции должны быть соединены последовательно и согласно. Амплитуда тока, протекающего по виткам секций может достигать 250-300 А, что и является причиной нагрева и даже «подгорания» указанных контактов.
Обмотка, питающая указанные выше генераторы напряжения инжекции и тока контрактора и смещения размещена на наружной боковой поверхности одной из секций намагничивающей катушки.
Недостаток данной конструкции излучателя бетатрона заключается в малой мощности дозы генерируемого тормозного излучения, недостаточного охлаждения, прежде всего секций намагничивающей катушки. Малая мощность генерируемого тормозного излучения объясняется низкой частотой следования импульсов излучения. На мощность дозы оказывает так же определенное влияние значение напряжения инжекции, подаваемого на инжектор, закон изменения профилированной поверхности полюсов по радиусу, точность изготовления и установки полюсов и секций намагничивающей катушки, точность осуществления момента инжекции электронов в камеру, точность момента сброса ускоренных электронов и т.д.
Целью предлагаемого решения является повышение мощности дозы генерируемого тормозного излучения, повышение надежности работы
излучателя, увеличение времени непрерывной работы, и вследствие этого повышение производительности контроля.
Поставленная цель достигается тем, что в излучателе бетатрона, содержащем электромагнит, включающий намагничивающую катушку, выполненную в виде двух одинаковых секций, стойки и ярма обратного магнитопровода, полюса с выступами, имеющие центральную часть, профилированную поверхность и корректирующий козырек, центральные вкладыши, корпус излучателя, выполненный в виде двух половин, ускорительную камеру с инжектором, мишенью и газопоглотителем, высоковольтный блок, генераторы импульсов инжекции, контрактора и смещения ускоренных электронов на мишень, проходную ионизационную камеру дозиметра, вентиляторы, намагничивающая катушка выполнена неразборной путем закрепления между секциями радиально расположенных и изготовленных из диэлектрического материала стоек, выступающие части которых расположены между слоями обмотки каждой секции, образуя вентиляционные каналы, и которые размещены по азимуту с возможностью установки между секциями ускорительной камеры, которая соединена с высоковольтным блоком герметичным масляно наполненным переходом, на выступе каждого полюса установлено изготовленное из диэлектрического материала кольцо для центрирования указанной катушки относительно полюсов, профилированная поверхность которых выполнена в виде двух кольцевых участков с разными углами наклона к средней плоскости межполюсного зазора, а в каждом кольце по наружной боковой поверхности выполнена проточка для размещения в одном обмотки питания генератора, в другом обмотки обратной связи, причем в одной половине корпуса установлены устройство для крепления высоковольтного блока ко дну корпуса с возможностью поворота ускорительной камеры относительно оси электромагнита, указанные генераторы на отдельных платах, проходная ионизационная камера дозиметра в специальном гнезде, вентиляторы на торцевых поверхностях, а в другой половине корпуса выполнены пазы,
конфигурации и местоположение которых позволяют при сборке разместить выступающие части вентиляторов и ионизационной камеры.
Схема предлагаемого излучателя приведена на фиг.1, 2.
На фиг 1 приведено поперечное сечение излучателя (сечение по ВОВ).
На фиг 2 - вид излучателя в плане со снятой верхней половиной корпуса.
1
2
1
2
Излучатель бетатрона содержит стойки 1, ярма 2 обратного магнитопровода, полюса 3, центральные вкладыши 4. Намагничивающая катушка 5 выполнена в виде двух секций 5а и 5в. Каждый полюс 3 имеет центральную часть 6, профилированную поверхность 7а и 7в, корректирующий козырек 8 на краю полюса. Кроме того, каждый полюс 3 имеет выступ 9. Кольцевой участок профилированной поверхности 7а наклонен к средней плоскости 10 межполюсного зазора 11 под углом α, а кольцевой участок 7в под углом α. Эти углы рассчитываются, а затем экспериментально подбираются по максимуму мощности дозы тормозного излучения. Значения α и α подбираются так, чтобы область устойчивого движения ускоряемых частиц возможно полнее «заполняла» пространство 12, ограниченное ускорительной камерой 13. Ускорительная камера 13 имеет патрубок 14, через который внутри камеры 13 устанавливается инжектор 15 с мишенью 16. Напряжение инжекции (несколько десятков кВ) генерируется с помощью высоковольтного блока 17.
Во втором патрубке 18 устанавливается газопоглотитель 19. Патрубок 14 ускорительной камеры соединен с патрубком 20 корпуса высоковольтного блока 17 герметичным переходом 21, наполненным трансформаторным маслом. Таким образом, ускорительная камера 13 и высоковольтный блок 17 выполнены в виде элемента, неразборного в процессе эксплуатации. Такое соединение позволяет примерно на 25÷30% поднять значение напряжения инжекции, которое поступает на инжектор. Соответственно, повышается и мощность дозы тормозного излучения. Обмотки контрактора и смещения
располагаются на профилированной поверхности каждого полюса так же, как и в известных конструкциях (обмотки на фиг. не показаны).
Намагничивающая катушка 5 выполнена неразборной, т.е. в виде одного элемента. Это достигается тем, что секции 5а и 5в скрепляются между собой с помощью стоек 22, расположенных радиально в пространстве между торцевыми поверхностями 23 и 24 секций. Стойки 22 изготавливают из диэлектрического материала, например текстолита. Каждая стойка 22 имеет две выступающих части 25 и 26.
Между ярмами 2 и ближайшими торцевыми поверхностями секций 5а и 5в установлены диэлектрические прокладки 27. Так как наружный диаметр камеры 13 больше чем диаметр полюса, то на стойках 22 выполняют сегментообразные выемки 28. Стойки 22 устанавливают в процессе изготовления по азимуту  с определенным шагом, например, через 10, 15 или 20°. Периодичность установки стоек 22 нарушается вблизи патрубков 14 и 18. В окрестности расположения патрубка 14 стойки 22 установлены по азимуту так, что позволяют снимать и устанавливать в межполюсном пространстве 11 ускорительную камеру 13. На этих азимутах стойки 22 заменяются прокладками, размеры которых аналогичны выступающим частям 25 и 26 стоек 22. Витки в обеих секциях намотаны так, что конец последнего витка одной секции является началом первого витка второй секции. «Переход» провода из одной секции в другую располагают в пространстве между двумя соседними стойками 22. Такое решение позволяет убрать разъем, соединяющий провода первой и второй секций, и, тем самым, убрать ненадежный элемент в схеме питания электромагнита.
Точность центрирования намагничивающей катушки относительно полюсов обеспечивается установкой на выступ 9 каждого полюса распорного кольца 29, изготовленного из диэлектрического материала, например, текстолита. На наружной боковой поверхности каждого кольца выполнена проточка 30. В проточке одного кольца расположена обмотка 31, питающая генераторы импульсов инжекции, контрактора и смещения
ускоренных электронов на мишень. В проточке второго кольца расположена обмотка обратной связи 32. Корпус излучателя изготовлен в виде двух половин 33 и 34 из легких сплавов, обычно на основе алюминия. В каждой половине изготовлены гнезда, в которые впрессованы ярма и стойки обратного магнитопровода, изготовленные в виде Г-образных элементов. Разъем корпуса и электромагнита осуществляется по средней плоскости 10 межполюсного зазора 11. В каждой половине расположены устройства фиксации и крепления. В процессе наладки бетатронной установки одна половина корпуса 33 может сниматься, поэтому в этой половине 33 устанавливается только часть обратного магнитопровода и полюс с распорным кольцом 29. В предложенной конструкции в «нижней» половине корпуса 34 кроме половины обратного магнитопровода и полюса 3 установлены центральные вкладыши 4, намагничивающая катушка 5, ускорительная камера 13 с высоковольтным блоком 17. В специальном гнезде установлена проходная ионизационная камера 35 дозиметра. Камера 35 установлена симметрично плоскости разъема 10 корпуса. Высоковольтный блок 17 установлен на специальном основании 36 так, что камеру 13 можно поворачивать в некоторых пределах относительно оси электромагнита 37. Это обстоятельство позволяет направить ось пучка излучения 38 по центру ионизационной камеры 35.
На торцевых поверхностях этой же половины установлены вентиляторы 39. Их число определяется путем расчета в процессе проектирования излучателя. В некоторых случаях габаритные размеры вентиляторов позволяют установить их только так, что часть их корпуса «выступает» за пределы плоскости разъема 10. Поэтому в «верхней» половине корпуса 33 в торцевых поверхностях изготовлены пазы 40 (выемки), конфигурация и местоположение которых позволяют при сборке разместить выступающие части вентиляторов 39 и проходной ионизационной камеры 35. Крепление вентиляторов 39 и проходной камеры 35 осуществляется к «нижней» половине 34 корпуса (на фиг. не показаны). На
фиг. не показаны крепление половин корпуса и разъемы, к которым подсоединяют кабели.
Изготовление корпуса в форме, близкой к форме прямого параллелепипеда позволят установить согласно предполагаемой полезной модели до 4-х малогабаритных вентиляторов. Последнее обстоятельство позволило существенно увеличить эффективность охлаждения и тем самым увеличить не только время непрерывной работы, но и повысить частоту следования импульсов излучения. Так при 4-х вентиляторах располагаемых по предлагаемой схеме, частоту следования импульсов излучения повысили с 50 Гц до 200 Гц. Соответствующим образом, увеличилась мощность дозы излучения.
В углах «нижней» половины корпуса 34 установлены платы. На отдельных платах размещены генератор 41 импульсов инжекции, генератор 42 импульсов тока контрактора и генератор 43 импульсов тока смещения ускоренных электронов на мишень. Платы 41, 42, 43 на фиг.1 не показаны. Столь близкое расположение генераторов относительно полюсов 3 и ускорительной камеры 13 обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия указанных генераторов. В каждой половине корпуса между ярмами 2 выполнены вентиляционные отверстия 44.
Обмотки контрактора и смещения ускоренных электронов на мишень располагаются на профилированной поверхности каждого полюса на диэлектрических подложках так же, как в излучателе-прототипе (на фиг. не показаны).
1
2
Излучатель работает следующим образом. В определенный момент времени в намагничивающую обмотку 5 поступает импульс тока, который создает магнитный поток, циркулирующий по стойкам 1, ярмам 2, полюсам 3, центральным вкладышам 4. Вкладыши 4, центральная часть 6 полюсов 3, углы накала α и α кольцевых поверхностей 7а и 7в, корректирующий козырек 8 каждого полюса 3 обеспечивают в межполюсном пространстве 11 формирование магнитного поля с необходимыми характеристиками. В
момент прихода импульса тока в обмотке 32 обратной связи появляется скачок напряжения. От момента появления этого скачка напряжения отсчитывается время включения генераторов 41, 42, 43 импульсов инжекции, контрактора и смещения. В канале цикла ускорения, когда индукция магнитного поля в межполюсном зазоре 11 мала, включается генератор 41 импульсов инжекции. В ускорительную камеру 13 с помощью инжектора 15 вводятся электроны. Энергия этих электронов соответствует напряжению инжекции, которое получают с помощью высоковольтного блока 17. Так как блок 17 соединен патрубками 14 и 20 с камерой 13, образуя герметичный переход 21, то вследствие увеличенного напряжения инжекции в область 12 вбрасывается большое количество электронов. Часть этих электронов «захватывается» в режиме ускорения. Для увеличения числа электронов, захватываемых в режим ускорения, примерно в этот же момент времени включается генератор 42 импульсов тока контрактора.
По мере роста тока в катушке 5 электромагнита растет индукция магнитного поля в межполюсном зазоре 11 и растет энергия ускоряемых электронов. Когда ток в катушке 5 достигает максимума, энергия ускоренных электронов так же достигает максимального значения (проектного). Примерно за 30-60 мкс до момента достижения максимального значения тока в катушке 5 включается генератор 43 импульсов тока смещения ускоренных электронов на мишень 16. Орбита ускоряемого пучка электронов расширяется, и электроны попадают на мишень 16. При соударении ускоренных электронов с мишенью 16 генерируется пучок тормозного излучения. Положение оси 38 пучка тормозного излучения регулируется в некоторых пределах поворотом ускорительной камеры 13 относительно оси 37 электромагнита. Поворот осуществляется с помощью устройства 36. Тормозное излучение проходит через ионизационную камеру 35 и поступает на контролируемый объект. Напряжение, снимаемое с камеры 35, используется в дальнейшем для измерения мощности дозы тормозного излучения.
Установка обмотки 32 обратной связи позволяет повысить точность моментов включения генераторов 41, 42, 43 и соответствующим образом увеличить мощность дозы излучения. Эта мощность дозы увеличивается так же вследствие более точного центрирования секций 5а и 5в относительно полюсов 3. Поэтому кольца 29 должны, возможно, точнее установлены на выступах 9 полюсов 3. При этом обеспечиваются минимальные азимутальные искажения магнитного поля в межполюсном зазоре 11, вносимые секциями 5а и 5в. Напряжения с обмотки 31, питающие генераторы 41, 42, 43, снимаются в то время, когда импульс тока в намагничивающей катушке 5 спадает от максимального значения до 0. Проточки 30 на кольцах 29 обычно выполняются одинаковой глубины, хотя объемы обмоток 31 и 32 разные.
Стойки 22 с выступами 25 и 26, а так же торцевые поверхности 23 и 24 крепятся клеющими средствами на основе эпоксидной смолы. Последнее обстоятельство увеличивает механическую прочность катушки 5, так как в процессе работы излучателя она подвергается значительным динамическим воздействиям. Сегментообразные выемки 28 выполнены так, что обеспечивают установку ускорительной камеры 13. Толщиной прокладок 27 осуществляют выравнивание секций 5а и 5в относительно средней плоскости 10 межполюсного зазора 11. Вентиляторы 39 обычно включены так, что они подают холодный воздух внутрь корпуса излучателя бетатрона. Нагнетаемый воздух проходит через вентиляционные каналы в секциях 5а, 5в, в зазорах между камерой 13 и полюсами 3 нагревается, снимая тепло с указанных элементов, и удаляется через окна 44. Согласно предлагаемой полезной модели масса половины 33 корпуса в сборе, меньше массы второй половины 34. Это обстоятельство упрощает монтаж и пусконаладочные работы. Газопоглотитель 19, установленный в патрубке 18 предназначен для удаления остатков газа из объема камеры 13. Конфигурация выемок 40 обеспечивает свободное соприкосновение «верхней» половины 33 корпуса с «нижней» 34.
Таким образом, выполнение излучателя бетатрона согласно вышеописанной полезной модели позволяет не только увеличить мощность дозы излучения и время его непрерывной работы, но и повысить его надежность и производительность контроля материалов и изделий.
Источники информации, принятые во внимание
1. Ананьев Л.М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. М.: Госатомиздат, 1961. - 351 с.
2. Патент №1.328.774. Радиационный дозиметр / В.Г.Волков, М.М.Штейн. Б.И. №10, 1995 г.
3. Москалев В.А. Бетатроны. М.: Энергоиздат, 1981. - 167 с.