Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля

10

В. Л. Чахлое, А. А. Звонцов

До открытия специальности 190200, в соответствии с приказом Минвуза СССР № 614 от 2 июня 1978 г. был организован факультет по переподготовке кадров для нового перспективного направления науки и техники "Неразрушающие физические методы контроля" на базе НИИ интроскопии. За время 1978-1996 гг. было подготовлено 225 специалистов по неразрушающему контролю.

В 1991 г. на основе НИИ интроскопии и кафедры ФМПКК открыт аттестационный региональный центр специалистов по неразрушающему контролю. В соответствии с лицензией Госгортехнадзо-ра России № 12К-2001/4798 от 28.08.96 г. центру предоставлено право осуществлять деятельность по обучению и аттестации специалистов НК первого и второго уровней квалификации по радиационному, магнитному, вихретоковому и капиллярному методам контроля.

Институт выполняет работы по экспедиционному (наземному) обследованию технического состояния промысловых и магистральных трубопроводов в соответствии с требованиями РД-39-132-94. Измерения проводятся аттестованными приборами и по утвержденным методикам.

На базе кафедры оборудования и технологии сварочного производства в НИИ интроскопии работает центр по подготовке и аттестации специалистов сварочного производства (рабочих).

В заключение можно сделать следующие выводы. НИИ интроскопии ТПУ на данном этапе является достаточно стабильной организацией и имеет положительную динамику развития как в экономическом, так и в научно-техническом аспектах. У него есть все возможности для дальнейшего роста, а именно: научный задел, кадровый потенциал, производственные мощности, материальные и финансовые ресурсы. Все это позволяет ему играть важную роль в едином научно-образовательном комплексе Томского политехнического университета.

УДК 621.384.6

В. Л. ЧАХЛОВ, А. А. ЗВОНЦОВ

МАЛОГАБАРИТНЫЕ БЕТАТРОНЫ С АЗИМУТАЛЬНОЙ ВАРИАЦИЕЙ УПРАВЛЯЮЩЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля выпускаются в НИИ интроскопии ТПУ уже около 20 лет. В обзоре обсуждается состояние и перспективы дальнейших исследований, направленных на повышение технико-экономических показателей бетатронов.

В выпускаемых в настоящее время малогабаритных бетатронах применяется два вида управляющих магнитных полей: азимутально-однородное (классическое) и азимутально-периодическое, которое часто называют полем с азимутальной вариацией. Возможности бетатронов с классическим управляющим полем достаточно хорошо исследованы.

Рассмотрим особенности бетатронного режима ускорения с применением для целей фокусировки управляющих магнитных полей с азимутальной вариацией, которые наиболее просто реализуются в бетатронах [1-4]. Такие поля давно применяются в изохронных циклотронах [5]. Фокусирующие свойства полей изохронных циклотронов достаточно хорошо исследованы [5-9]. Взяв за основу эти исследования, рассмотрим особенности фокусировки частиц таким полем в бетатронах.

Основные отличия бетатронного режима ускорения от циклотронного заключаются в том, что в процессе ускорения в поле с азимутальной вариацией должно быть обеспечено стабильное положение равновесной орбиты со средним по азимуту радиусом К (/г=со1Ш). Считая в некоторый момент времени магнитное поле постоянным, его периодическое изменение по азимуту можно для средней плоскости зазора записать в виде ряда Фурье [6]:

#.(г,е)=яГ(г)|1+£д

где N - число элементов периодичности; к - номер высшей гармоники; Ат, флч, - амплитуда и фаза Ык- й гармоники поля. АЫк обычно измеряется в единицах Я, (г); Я. (г) - усредненное по азимуту 0 поле на некотором радиусе /\

Параметры поля (1) могут быть вычислены по данным магнитных измерений распределения поля Я-(г,9) с использованием стандартной программы разложения функций в ряд Фурье.

(/•)cosyv/i[e-cpM. (/)],

(О

Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля

Между импульсом частицы р - тр и усредненным по в радиусом Я орбиты существует соотношение такое же, как и в азимутально-однородном поле :

Л-т£'с/

Но при наличии азимутальной вариации равновесная орбита отличается от окружности радиуса Л на величину [5,6]:

аКНаъ+а\)К-

Положение равновесной орбиты ищется методом итераций, поэтому приведем только приближенные значения для а0 и а, [6]:

ч «-Х

к=\

(Ат )г 3(Мс)2'2 ,

4[(Мс)2-1]2 2\{Ык)2-А-т- ,г./„ \ АЛ

, , МН

где а2= 1 - и; п

ах „ X ; № С08 Мс(е - фд,;.) ~ -Ц^со^т - Фд,), к=\(ык) -о N

- показатель среднего поля; А'Ык =

Н(к)с1г

Таким образом, равновесная орбита кроме периодической составляющей я, имеет постоянную составляющую ай со знаком "минус". Знак "минус" говорит о том, что радиус равновесной орбиты в периодическом поле сокращается по сравнению с радиусом орбиты в однородном поле при равных значениях Я, компоненты поля. Это сокращение зависит от амплитуды гармоник, показателя спадания среднего поля и их производных. Сокращение радиуса увеличивается при снижении числа элементов периодичности поля N. Характер равновесной траектории, определяемый аь совпадает с законом (1) вариации магнитного поля. В малогабаритных установках а0 и а, при N>3 составляет по данным расчетов доли миллиметра, так что бетатронное соотношение (2:1), рассчитанное для среднего поля Н. (г), практически мало меняется.

Колебания частиц относительно замкнутой орбиты в линейном приближении описывается уравнениями Хилла [5,6]. Частоты бетатронных колебаний V,. и V-, которые характеризуют фокусирующие свойства поля, можно записать следующим образом:

у2г = 1-п + А\г,

у^Л + О^К^+АУ..,

/с=1

где А\г - добавка частоты радиальных колебаний за счет вариации магнитного поля, производных от амплитуд гармоник и показателя спадания среднего поля по радиусу, а также за счет спиральности поля; Ду. - добавка частоты вертикальных колебаний за счет "спиральности" поля, а также учитывающая изменение по радиусу амплитуд гармоник поля и показателя,спадания среднего поля и; Ауп Ау: - из-за их громоздкости не приводятся.

Из выражения (5) следует, что азимутальная вариация управляющего поля в бетатронах расширяет область устойчивого движения пучка. Прежде всего в бетатронах с азимутально-периодическим управляющим полем можно применять поле с показателем спадания и близким к нулю. Кроме того, на радиусах, близких к наружному краю полюса, т.е. там где п ~ 1, азимутальная вариация обеспечивает дополнительную фокусировку. Вследствие этого граница области устойчивого движения пучка расширяется за указанную точку, возможно и за пределы полюса. Это объясняется тем, что азимутальная вариация наблюдается и в полях рассеяния. Вариация в полях рассеяния обеспечивается "гребневой" конструкцией полюсов [1-4].

Спиральная структура поля с вариацией вызывает большую добавку радиально-фокусирующих сил и, как следствие этого, большее расширение области устойчивости в радиальном направлении. Для оценочных расчетов можно воспользоваться приближенным выражением

ы2

гдеГ| -угол "спиральности" поля.

12

В. 11. Чахло«, А. А. Звонцов

В настоящее время этот эффект в ускорительной технике практически не используется. Использование его в бетатронах может привести к сокращению наружного радиуса полюсов.

Повышенные фокусирующие свойства поля обеспечивают соответствующую плотность ускоряемого пучка и влияют на "захват" частиц в режим ускорения, процесс смещения частиц на мишень и вывод ускоренных частиц за пределы излучателя. В оценке этих процессов важное значение имеет коэффициент уплотнения равновесных орбит а, который позволяет оценить относительное изменение длины орбиты при изменении импульса частицы р. Для азимутально-периодических магнитных полей а определяется следующим образом [7]:

а~1/уг2.

Фактически а определяет набор частиц с определенным энергетическим разбросом, которые могут "пойти" в режим ускорения, либо шаг орбиты в процессе "смещения" частиц на мишень.

Для поля с азимутальной вариацией и с учетом только основной гармоники коэффициент уплотнения орбит равен [8,9]

где £д, • с - Г(1Нн  л - '

Н- Н: с1г Н:с1г2

Согласно (8), влияние вариации поля на коэффициент а особенно сильно вблизи границы области устойчивости в радиальном направлении, т.е. при. л—»1. Так, если в азимутально-однородном поле при л—й а-*», что соответствует веерообразному рассыпанию ускоряемых частиц при их смещении к этой точке, то в поле с вариацией в точке, где п-1, имеем

а « -.

5 +£д,£/

Подробные исследования, проведенные для изохронных циклотронов, показывают, что градиент вариации вызывает сжатие орбит, а вторая производная - расширение [8,9]. Этими эффектами можно пользоваться для организации эффективного смещения (вывода) ускоренных частиц и в бетатронах. Так, шаг орбиты в процессе смещения частиц на мишень определяется следующим образом:

дг = аг^к,

Е

где А1¥оБ - прирост энергии за оборот; г - мгновенный равновесный радиус.

Согласно (8), (9), (10), шаг орбиты увеличивается по мере ее приближения к границе области устойчивости, но в точке, где л=1, Аг имеет конечное значение, определяемое величиной а.

Считая радиус равновесной орбиты неизменным во времени, из (10) и (7) получаем величину энергетического разброса для частиц, которые можно "захватить" в режим ускорения:

AE = EvrЦAR/R).

В данном случае АЯ - ширина области устойчивого движения частиц, охватываемая ускорительной камерой.

Следует заметить, что в периодическом поле размеры пучка зависят от азимута, причем по мере приближения "рабочей точки" к радиальной границе области устойчивого движения, огибающая пучка искажается все больше [7]. При этом поперечные размеры пучка будут резче зависеть от азимута. Это обстоятельство может влиять на эффективность "захвата" частиц в режим ускорения, связанное с положением инжектора в рабочем пространстве, и на этап формирования устойчивого движения пучка, т.е. в конечном итоге на мощность дозы излучения.

Азимутальная вариация управляющего поля приводит к изменению конструкции полюсов и маг-нитопровода. В настоящее время большое распространение получили шестигребневые полюса с шестью или тремя стойками. Шестистоечный магнитопровод применяется в бетатроне МИБ-4 [10] и в бетатроне МИБ-6Э. В разработанном в последнее время бетатроне МИБ-10 применяется трехстоечный магнитопровод с шестьюгребневым полюсом [4]. Применение трехстоечного магнитопровода позволило увеличить азимутальную протяженность выводного окна более чем в 1,5 раза и увеличить сечение вентиляционных окон для обдува намагничивающей катушки. В малогабаритных бетатронах на энергию 2-3 МэВ применялись четырехгребневые полюса с четырехстоечным [11] или Ш-образным [12] магнитопроводом. Основное преимущество электромагнитов с вариацией поля заключается в том, что

Oójop исследований ч области теплового неразрушающего контроля

13

промежутки между гребнями позволяют разместить инжектор над средней плоскостью рабочего зазора. При такой установке инжектора существенно снижаются потери частиц от соударения с ним в процессе их вывода за пределы ускорителя. Кроме того, массу ферромагнитного материала магнитопро-вода можно снизить на 20% за счет его более равномерной загрузки.

Таким образом, для повышения технико-экономических характеристик малогабаритных бетатронов необходимо :

1) разработать методы повышения фокусирующих свойств азимутально-периодических полей в условиях ограниченных габаритов установок;

2) более подробно исследовать процесс инжекции и "захвата" частиц в режим ускорения, а также процесс смещения частиц на мишень или вывода их за пределы ускорителя;

3) разработать конструкции электромагнита, позволяющие формировать периодические поля с повышенными фокусирующими свойствами.

Одним из способов повышения фокусирующих свойств управляющего поля может быть дополнительная модуляция поля по азимуту

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.c. 360008 СССР МКИ Н 05 Н 11/00. Электромагнит бетатрона / В.Л.Чах лов, А.А.Звонцов, А.А.Филимонов. - Опубл. в Б.И., 1984, № 6, с.216.

2. Звонцов A.A., Чахлов В.Л., Филимонов A.A. Бетатрон с азимутальной вариацией управляющего поля // Известия ТПИ. - 1974. - Т.279. - С.32.

3. Звонцов A.A., Чахлов В.Л., Филимонов A.A. Электромагнит бетатрона с азимутальной вариацией управляющего поля // ПТЭ. - 1975. - № 2. - С.40-42.

4. Патент России N1568877 МКИ Н 05 Н 11/00. Магнитопровод бетатрона / A.A. Звонцов, В.П.Казьмин,

A.A. Филимонов,- Опубл. в Б.И., 1993, № 47-48, с. 191-192.

5. Джелепов В.П., Дмитриевский В.П., За молодчиков Б.И., Кольга ВВ. Сильноточные ускорители частиц высоких энергий - "фабрики мезонов" // УФН. - 1965. - Т.85. - Вып.4. - C.65I.

6. Басаргин Ю.Г., Белов В.П. Некоторые вопросы динамики движения частиц в циклотроне с пространственной вариацией магнитного поля // Сб.: Электрофизическая аппаратура. - 1965. - № 3. - С.3-23.

7. Коломенский A.A., Лебедев А . Н . Теория циклических ускорителей. - М : ГИФМЛ, 1962. - 352 с.

8. Дмитриевский В.П., Кольга В.В., Полу Мордвинова Н . И . Высокоэффективный вывод пучка для кольцевого циклотрона высокой интенсивности. Дубна, 1981 / Препринт ОИЯИ Д 9-81-280.

9. Борисов О.Н., Заплатим Н.П.идр. О возможности использования краевого магнитного поля секторного циклотрона для вывода частиц //Труды XI Всес. сов. по ускор. заряж. частиц. Дубна, 1989. - Т.П. — С. 196—199.

10. Модернизированный малогабаритный бетатрон типа МИБ-4 для дефектоскопии / Г.И.Буров, В.П.Зворыгин,

B.C. Логинов и др. //Докл. IV Всес. сов. по применению ускор. заряж. частиц в народ, хоз. Ленинград, 28-30 сентября 1982. - Л : НИИ ЭФА, 1982. -T.I. - С.23.

П. Чахлов В.Л., Пушин B.C., Буров Г.И.и др. Малогабаритный бетатрон с четырьмя элементами периодичности управляющего магнитного поля // ПТЭ. - 1986. - № 4. - С.23. 12. Звонцов A.A., Зрелов Ю.Д., Касьянов В . А . и др. Малогабаритный импульсный бетатрон на 2,5 МэВ // Ускорители-92: Тез. докл. 7-го совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. - М.: ЦНИИ атоминформ., 1992. - С. 105-106.

УДК 620.179.13

В. П. ВАВИЛОВ, А. И. ИВАНОВ. В. В. ШИРЯЕВ, В. А. ПУШНЫХ, Д. Г. КУРТЕНКОВ, К. Д. ТРОФИМОВ, И. А. АНОШКИН, О. Г. СЛЕСАРЕНКО

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ В

ТОМСКОМ НИИ ИНТРОСКОПИИ

В статье выполнен обзор исследований Томского НИИ интроскопии в области разработки алгоритмического и программного обеспечения теплового неразрушающего контроля, создания тепловых дефектоскопов и практических инфракрасных съемок в целях технической диагностики.

Введение

В начале 70-х гг. в бывшем СССР Н.А.Бекешко, Ю.А.Попов, А.Е.Карпельсон, А.Б.Упадышев из Московского НИИ интроскопии начали работы в области активного теплового неразрушающего контроля (HPK). Одновременно, усилиями М.М.Мирошникова (ГОИ им. С.И.Вавилова, Ленинград) и А.Г.Жукова (НПО "Исток", Фрязино) были созданы образцы отечественных тепловизоров, которые