Устройство для облучения конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов

Устройство для облучения конверсионной мишени импульсами тока
ускоренных электронов
Полезная модель относится к радиографической инспекционной технике, в которой используется облучение конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов, предназначено для неразрушающего контроля грузов и багажа, досмотра багажа авиапассажиров, для инспекции авиационных и морских контейнеров и т.п.
Известные большие инспекционные системы с жестким излучением для контроля содержимого большегрузных контейнеров, предназначенные для обнаружения недозволенных вложений (контрабанда оружия, наркотиков, взрывчатых веществ), имеют в своем составе импульсные высокочастотные линейные ускорители электронов и конверсионные мишени для преобразования энергии пучка электронов в жесткое тормозное излучение, характеристики спектра которого определяются энергией ускоренных электронов. Электроны, бомбардирующие конверсионную мишень, приобретают энергию при ускорении в высокочастотных полях и обычно их энергия остается постоянной от импульса к импульсу (Particle Accelerator Conference. 2001, Chicago, USA: «Three Types of Lianas for Customs Large Container Inspection Application. Accelerator Lab., Tsinghua University, Beijing, 100084, P.R.China). Теневые изображения содержимого контейнеров, получаемые с помощью этого излучения, не позволяют различать материалы по их атомному номеру.
Известно устройство, которое позволяет осуществлять дискриминацию материалов по их атомному номеру, что предусматривает существенное (в 2-3 раза) изменение энергии электронов последовательно от импульса к импульсу для получения двух различных спектров тормозного излучения. Эффект дискриминации возникает вследствие зависимости макроскопических сечений взаимодействия излучения от
МПК 7 G01N 23/04, 23/08
атомного номера Z поглощающего материала (см. патент США № 6069936, кл. GO IN 23/08, 2000).
В этом патенте отсутствует информация об устройстве или способе реализации режима получения импульсов электронов с изменяемой от импульса к импульсу энергией.
Наиболее близким к предлагаемому способу является устройство для облучения конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов, осуществляющее генерирования импульсов тока пучка электронов, инжектировании указанных импульсов тока в ускоряющую пучок электронов структуру, осуществлении генерирования импульсов высокочастотной мощности и их передаче в ускоряющую пучок электронов структуру с последующей бомбардировкой конверсионной мишени вышедшим из ускоряющей пучок электронов структуры потоком ускоренных электронов (см. патент РФ № 2191997, кл. GO IN 23/04, 2002).
Также известно устройство для облучения конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов, содержащее блок формирования импульсов тока пучка электронов, соединенный выходами через инжектор с первым входом ускоряющей пучок электронов структуры, выполненной с возможностью бомбардировки конверсионной мишени потоком ускоренных электронов, и блок формирования импульсов высокочастотной мощности, подключенный выходом ко второму входу ускоряющей пучок электронов структуры (см. патент РФ № 2191997, кл. GO IN 23/04, 2002).
Недостатком наиболее близкого устройства также являются сложность предлагаемой схемы (многосекционный ускоритель с многоканальным СВЧ питанием) и то, что при принципиальной работоспособности предлагаемой схемы устройства облучения в настоящее время отсутствуют быстродействующие устройства для регулирования напряжения в ускоряющих секциях.
Задачей, на которую направлена предлагаемая полезная модель, является повышение селективности материалов в инспектируемых грузах по их атомному номеру, что предусматривает получение технического результата, заключающегося в повышении степени чувствительности по селекции материалов.
Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для облучения конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов, содержащем блок формирования импульсов тока пучка электронов, соединенный выходами через инжектор с первым входом ускоряющей пучок электронов структуры, выполненной с возможностью бомбардировки конверсионной мищени потоком ускоренных электронов, и блок формирования импульсов высокочастотной мощности, подключенный выходом ко второму входу ускоряющей пучок электронов структуры, согласно полезной модели, ускоряющая пучок электронов структура выполнена в виде ускоряющей структуры, функционирующей в режиме бегущей волны, блок формирования импульсов тока пучка электронов снабжен, по меньщей мере, одним синхронизатором, управляющий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования импульсов высокочастотной мощности, при этом, по меньшей мере, один синхронизатор выполнен с возможностью одновременного изменения значения частоты импульсов высокочастотной мощности на выходе блока формирования импульсов высокочастотной мощности и значения изменения амплитуды импульсов тока пучка электронов на выходе блока формирования импульсов тока пучка электронов. Кроме того, блок формирования импульсов тока пучка электронов дополнительно может иметь модулятор, выходы которого являются выходами блока формирования импульсов тока пучка электронов, а вход связан с выходом, по меньшей мере, одного синхронизатора, управляющий выход которого является управляющим выходом блока формирования импульсов тока пучка электронов. Кроме
.З/ / того, блок формирования импульсов высокочастотной мощности может содержать последовательно включенные узел формирования частоты, коммутатор, возбудитель частоты, клистрон, выход которого является выходом блока формирования импульсов высокочастотной мощности, и модулятор, соединенный выходом со вторым входом клистрона, при этом входом блока формирования импульсов высокочастотной мощности является управляющий вход коммутатора.
Кроме того, ускоряющая пучок электронов структура может быть выполнена в виде линейного высокочастотного ускорителя, функционирующего в режиме бегущей волны, или в виде линейного ускорителя, функционирующего в режиме бегущей волны и снабженного, по меньшей мере, одним диафрагмированным волноводом.
Сущность полезной модели поясняется фигурами, на которых показано следующее:
на фиг. 1 - нормированные отклики детекторов за барьерами из разных материалов для разной кратности ослабления;
на фиг. 2 - зависимость энергии ускоренных электронов и частоты ускоряющего напряжения (импульсной разности СВЧ питания);
на фиг. 3 - диаграмма импульсов тока пучка электронов на конверсионной мишени;
на фиг. 4 - блок-схема устройства для облучения конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов;
на фиг. 5 - вид сбоку устройства для облучения конверсионной мишени импульсами тока ускоренных электронов.
На фиг. 4 обозначены синхронизатор 1, модулятор 2, инжектор 3, ускоряющая пучок электронов структура 4, конверсионная мишень 5, узел 6 формирования частоты, в состав которого входят два задающих генератора 6.1 и 6.2 с синтезаторами частоты, коммутатор 7, возбудитель 8 частоты, клистрон 9 и модулятор 10.
При этом синхронизатор 1 предназначен для задания амплитуды импульсов тока I ускоренных электронов и частоты ускоряющего напряжения F от импульса к импульсу по задаваемой им программе.
Модулятор 2 применяется для инжектора. Он формирует сигнал управления амплитудой I импульсов тока электронов по команде от синхронизатора 1.
Инжектор 3 выполнен трехэлектродным. Он формирует импульс тока электронов и инжектирует их в ускоряющую пучок электронов структуру 4, которая функционирует в режиме бегущей волны. Ускоряющая пучок электронов структура 4 осуществляет ускорение электронов до энергий, определяемых сочетанием значения амплитуды импульса тока I и значения частоты ускоряющего напряжения F.
Конверсионная мишень 5 применяется для преобразования энергии ускоренных электронов в энергию тормозного излучения.
Коммутатор 7 осуществляет переключение частоты сигнала на входе возбудителя 8 по команде от синхронизатора 1.
Возбудитель 8 может включать в себя преобразователь (умножитель) частоты и предварительный усилитель.
Клистрон 9 (усилитель сверхвысокой частоты (СВЧ)) предназначен для генерации мощности ускоряющего напряжения с частотой, изменяющейся от импульса к импульсу по задаваемой программе.
Модулятор 10 используется для обеспечения работы клистрона (СВЧ усилителя).
Узел 6 формирования частоты с коммутатором 7 обеспечивают необходимое изменение частоты возбуждения клистрона для работы ускоряющей пучок электронов структуры (ускорителя).
Реализация полезной модели заключается в следующем.
Степень чувствительности двухэнергетической инспекционной системы по селекции материалов иллюстрируется на фиг. 1, где приведены результаты теоретического моделирования нормированных откликов
детекторов за барьерами из различных материалов в зависимости от нормированной кратности ослабления (от толщины поглотителя): углерод С (Z  6); алюминий А1 (Z  13); железо Fe (Z  26); свинец РЬ (Z  82). Иснользованы следующие обозначения: U1 - нормированный отклик нри энергии электронов EI  10 МэВ; U2 - нормированный отклик при энергии электронов Е2 - 3 МэВ. Нормирование осуществляется на отклик без просвечиваемого объекта. На основе этих данных формулируются требования к стабильности и шумовым характеристикам обработки сигналов для получения необходимого разрешения по величине Z.
Нример расчета вариационных характеристик ускоряющей системы на бегушей волне и выбора сочетаний параметров, обеспечивающих требуемый диапазон изменения энергии ускоренных электронов, приведен на фиг. 2, на котором представлены результаты расчета зависимости энергии ускоренных электронов от различных значений ускоренного тока и от изменения частоты ускоряющего напряжения (импульсное значение мощности СВЧ питания - 5МВт). Видно, что увеличение тока электронов I в 5 раз (от 100 мА до 500 мА) уменьшает выходную энергию электронов всего на 25%, а при изменении частоты F всего на 0.95 МГц (на уровне FI  2850 МГц) энергия изменяется почти в 3 раза.
Для реализации полезной модели ускоритель должен обеспечивать бомбардировку конверсионной мишени повторяющимися парами импульсов электронов, причем каждая пара импульсов состоит из одного импульса электронов с энергией  и током Ii и одного с энергией Emin и током 12 (см. фиг. 3). Период повторения импульсов с одинаковой энергией равен Т и определяется функционированием инспекционной системы (обычно  мсек). Интервал времени t не должен превышать половину периода повторения импульсов Т.
Для оценки информативности двухуровневой системы были выполнены расчеты ожидаемой разности нормализованных сигналов в системе регистрации излучения, прошедшего через поглотители из
различных материалов. В качестве материалов были выбраны: углерод (С), алюминий (А1), железо (Fe) и свинец (РЬ).
Наряду с требованием значительного различия в величине энергетических характеристик спектров излучения необходимо производить изменения спектров достаточно быстро, чтобы завершить анализ содержимого контейнера за время одного цикла его сканирования импульсным пучком. Существующие радиографические системы с одним уровнем энергии осуществляют сканирование одного контейнера за время около 30 сек при частотах сканирования от 100 до 350 Гц. Таким образом, при двухуровневом режиме работы частота сканирования должна быть не менее 200 Гц для сохранения производительности радиографической системы. Это означает, что смена спектров излучения должна происходить с частотой порядка 200 Гц.
В работе «Particle Accelerator Conference. 2001, Chicago, USA: «Three Types of Lianas for Customs Large Container Inspection Application. Accelerator Lab., Tsinghua University, Beijing, 100084, P.R. China представлен ускоритель для работы в составе стационарной инспекционной системы. Этот ускоритель используется как источник мощного рентгеновского излучения, он обеспечивает ускорение электронов с импульсным током 120мА до энергии 9 МэВ. Энергия и ток ускоренных электронов поддерживаются постоянными в процессе ускорения.
Для реализации возможности селекции материалов в инспектируемых грузах по их атомному номеру предположено изменять энергию ускоренных электронов, бомбардирующих конверсионную мишень поочередно от импульса к импульсу по задаваемой программе. В простейшем виде программа обеспечивает последовательность пары импульсов (фиг 3) с крайними значениями энергии электронов Ещах 10 МэВ и Emin - 3 МэВ. При этом имеется в виду, что одновременно от импульса к импульсу изменяются:
-равновесная фаза ускорения электронов в высокочастотном ускорителе 4, функционирующем в режиме бегущей волны путем задаваемого (заранее определенного расчетным и экспериментальным путем) сдвига частоты F ускоряющего высокочастотного напряжения
С-Гтах  Amjnj,
-ТОК инжекции (Ii - Ь), что вызывает изменение напряженности ускоряющего поля.
При уменьшении энергии электронов, попадающих на мищень 5, экспозиционная доза тормозного излучения снижается приблизительно как третья степень энергии. Чувствительность метода селекции будет выще, если снижение энергии электронов будет сопровождаться увеличением импульсного тока от Ii при Emax до Ь при Emin, ПОСКОЛЬКУ снижение экспозиционной дозы из-за уменьшения энергии будет частично скомпенсировано ростом дозы из-за увеличения тока ускоренных электронов.
В качестве источника электронов рассмотрим линейный СВЧ ускоритель 4, работающий в режиме бегущей волны, работающий в импульсном режиме. Такой ускоритель 4 позволяет наиболее просто и в полной мере реализовать предлагаемый способ и изменять выходную энергию электронов с требуемой скоростью.
Процесс ускорения в линейном ускорителе 4, функционирующем в режиме бегущей волны с диафрагмированным волноводом, происходит следующим образом. От СВЧ генератора в диафрагмированный волновод поступает импульсная СВЧ мощность. Одновременно электроны, предварительно ускоренные в инжекторе и сформированные в импульсы тока, проходят в начальную часть диафрагмированного волновода. При этом скорость инжектированных электронов значительно меньще скорости света и приблизительно равна фазовой скорости СВЧ волны, распространяющейся в диафрагмированном волноводе. При взаимодействии электронов с СВЧ волной они ускоряются и одновременно
,
группируются в отдельные сгустки. По мере ускорения электронов их скорость возрастает, приближаясь к скорости света. Геометрические размеры ячеек диафрагмированного волновода выбираются так, чтобы по мере роста скорости электронов увеличивалась бы фазовая скорость электромагнитной волны. Для эффективного ускорения фазовая скорость СВЧ волны должна равняться скорости электронов в любой точке ускоряющей системы.
При соблюдении этих условий сгустки электронов, сформированные в положительном полупериоде СВЧ поля, совершают медленный дрейф в пределах этого полупериода и таким образом эффективно ускоряются.
Диафрагмированный волновод обладает свойством, заключающимся в том, что при увеличении частоты ускоряющего напряжения фазовая скорость электромагнитной волны уменьшается. Используя это свойство диафрагмированного волновода предложено уменьшать фазовую скорость электромагнитной волны соответствующим изменением частоты ускоряющего напряжения, обеспечивая равенство фазовой скорости волны и скорости электронов, и осуществлять это изменение в последовательных импульсах.
На фиг. 2 представлены результаты расчета зависимости энергии ускоренных электронов вдоль ускоряющей секции от различных значений ускоренного тока и изменения частоты. Видно, что увеличение тока I от 100 мА до 500 мА уменьщает выходную энергию электронов всего на 35%, в то время как для уменьщения энергии электронов Е на выходе линейного ускорителя от Е  10 МэВ до Е  3 МэВ достаточно увеличить частоту СВЧ питания ускоряющей секции F всего на 0.95 МГц (на уровне FI  2860 МГц) и одновременно увеличить ускоренный ток I от 1  100 мА до 12  300 мА.
Для реализации полезной модели ускоритель 4 должен обеспечивать бомбардировку конверсионной мищени 5 повторяющимися пачками импульсов электронов. Каждая пачка импульсов состоит из одного
импульса электронов с энергией Ещах и током Ii, а также одного или более с энергией Emin и током 2. Диаграмма импульсов электронов представлена на фиг. 3.
Для реализации такого режима в импульсном линейном СВЧ ускорителе 4 электронов мы должны обеспечить быструю перестройку выходной энергии ускорителя 4 за время, по меньшей мере, меньшее половины периода следования импульсов.
Прямой способ изменения энергии электронов на выходе линейного ускорителя 4 заключается в изменении тока инжекции. Для этого в качестве инжектора 3 необходимо использовать трехэлектродную электронную пушку с управляюш,им электродом, которая обеспечивает наиболее качественное и простое в реализации управление током инжекции.
Можно рассчитать и затем экспериментально уточнить два значения напряжения V на управляюш;ем электроде инжектора 3 (Vi и 2) и две частоты F СВЧ питания (Fi, р2), при которых реализуются два требуемых режима работы ускорителя 4 с параметрами пучка электронов 1ь  и 12,
Таким образом, для реализации периодической последовательности импульсов ускоренных электронов, состояш,ей из одного импульса с параметрами (1ь Emax) и одного или более импульсов с параметрами (Ь, Emin), необходимо, чтобы напряжение на управляющем электроде инжектора V и частота СВЧ питания F соответственно были равны Vi, Fj или V2, F2 поочередно в последовательности импульсов тока электронов в процессе ускорения.
На фиг. 4 и 5 представлен один из возможных вариантов состава оборудования, необходимого для реализации полезной модели.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
генераторов работает на своей частоте (Fi или р2). Стабильность задающих генераторов обеспечивается системой привязки их частоты к частоте стабилизированного кварцевого генератора. Для повышения точности работы частота задающего генератора F и частота кварцевого генератора fo понижаются делителями до частоты 200 Гц и сравниваются на частотнофазовых детекторах. Возникающий при сравнении сигнал рассогласования подается на элемент, управляющий частотой задающего генератора, обеспечивая его необходимую стабильность. Делители выполнены таким образом, что единице младшего разряда кода перестройки коэффициента деления соответствует изменение частоты задающего генератора на величину не более чем на ±2.. Каждый генератор настраивается на частоту, соответствующую ускорению до энергии 10 МэВ или 3 МэВ.
СВЧ сигналы от генераторов 6.1 и 6.2 одновременно поступают на вход коммутатора 7, который управляется синхронизатором 1. Под действием управляющего сигнала синхронизатора 1 коммутатор 7 в соответствии с установленной программой пропускает СВЧ сигнал с частотой FI или F2 на вход возбудителя 8. Возбудитель 8 обеспечивает умножение частоты в 50 раз с 57.1-57.3 МГц до рабочей частоты ускорителя 2860 МГц. Он также усиливает поступающую на него мощность на 10-15 дБ до величины, необходимой для возбуждения клистрона 9.
После усиления и умножения частоты в возбудителе 8 СВЧ мощность с частотой FI или F2 поступает на вход клистрона 9. После усиления в клистроне 9 СВЧ мощность поступает в ускоритель 4.
Модулятор 2 инжектора предназначен для подачи на катод трехэлектродного инжектора 3 импульсов высокого напряжения и на его управляющий электрод низковольтных импульсов с амплитудами Vj и Vi, которые управляют величиной тока инжекции. Модулятор 2 инжектора запускается от синхронизатора 1, который обеспечивает синхронизацию высоковольтных импульсов напряжения модулятора инжекторами
модулятора 2 и модулятора 10 клистрона 9, также в соответствии с установленной программой обеспечивает подачу на управляющий электрод инжектора 3 напряжения Vi или V2.
Трехэлектродный инжектор 3 представляет собой электронную пушку триодного типа, что обеспечивает возможность изменения тока пучка электронов. Высокое напряжение модулятора 2 инжектора 3 подается на катодно-сеточный узел инжектора 3.
Далее ускоритель 4 обеспечивает бомбардировку конверсионной мишени 5 повторяюш;имися пачками импульсов электронов. При этом каждая пачка импульсов состоит из одного импульса электронов с энергией Ещах и током 1, а также одного или более с энергией Emin и током ч (см. диаграмму на фиг. 3).
Предлагаемая полезная модель может быть использована в радиографической системе, которая в составе таможенного комплекса предназначена для контроля контейнеров путем просвечивания их пучком тормозного излучения, обработки получаемой информации и представления оператору теневых изображений внутреннего содержимого контейнеров.
Просвечивание при двухуровневом (по энергии электронов) режиме работы позволяет оператору провести анализ по теневым изображениям содержимого контейнеров на соответствие декларации и на предмет обнаружения нелегальных вложений.
Радиографическая система состоит из следуюш,их подсистем:
-Подсистема генерации излучения
-Подсистема детектирования и первичной обработки сигналов
-Подсистема формирования изображений
-Подсистема управления и контроля ускорителя
-Подсистема управления радиографической установкой Функционирование радиографической системы по получению
транспортировки, которая обеспечивает перемещение контейнера под пучком тормозного излучения
Подсистема генерации излучения создает импульсный пучок электронов с требуемыми параметрами, преобразует его на мишени в тормозное излучение и формирует путем коллимирования требуемое пространственное распределение этого излучения (веерообразный пучок).
Прошедшее через объект излучение попадает на детекторную линейку подсистемы детектирования и первичной обработки сигналов. Детекторы в каждом импульсе преобразуют интенсивность тормозного излучения в электрические заряды. Электронная аппаратура детекторной линейки преобразует электрические заряды в цифровые коды, которые передаются в подсистему формирования изображений.
Управление всем циклом радиографического контроля груза обеспечивается подсистемой контроля и управления с пульта системного оператора. Физической основой двухуровневого метода рентгенографии является отличие в кратности ослабления интенсивности тормозного излучения двух различных спектров, как от толш;ины поглотителя, так и от его эффективного атомного номера вещества поглотителя, причем величина этого эффекта тем выше, чем сильнее различаются энергетические характеристики спектров излучения.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить чувствительность по селекции материалов.