ИСТОЧНИК ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ФОКУСНЫМ ПЯТНОМ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ
DECELERATION RADIATION SOURCE WITH SMALL FOCAL SPOT

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке источников тормозного излучения на основе циклических ускорителей заряженных частиц, например бетатронов.
Известен источник тормозного излучения (Быстров Ю.А., Иванов С.А Ускорители и рентгеновские приборы, М.: Высшая школа, 1976, с.90-98), содержащий магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, обмотки смещения, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере вне области ускорения электронов в пределах области перемещения пучка, смещенного с равновесной орбиты на мишень, с размерами, превышающими размеры сечения пучка, облучающего мишень.
Фокусное пятно тормозного излучения этого устройства имеет большие размеры, что ограничивает применение этого устройства, например, в промышленной томографии.
Известно, выбранное в качестве прототипа, устройство для реализации способа получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров в циклическом ускорителе заряженных частиц (патент РФ №2072643), который включает ускорение электронов на равновесной орбите, смещение электронов с равновесной орбиты с оптимальной, обеспечивающей получение максимальной мощности дозы тормозного излучения, радиальной скоростью на мишень, выполненную из металла с большим атомным номером и с размерами, меньшими размеров сечения пучка смещенных электронов, и установленную на держателе, выполненном из металла с малым атомным номером.
Устройство содержит магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, обмотки смещения, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере вне области ускорения электронов в пределах области перемещения пучка, смещенного с равновесной орбиты на мишень, с размерами, меньшими размеров сечения пучка, облучающего мишень, и установленную на держателе, выполненном из металла с малым атомным номером.
В этом устройстве облучающий мишень смещенный с равновесной орбиты пучок имеет размеры сечения большие и соответственно меньшую плотность тока, чем размеры сечения и плотность пучка электронов в процессе ускорения на равновесной орбите, вследствие отсутствия в процессе смещения условий фокусировки электронов, подобных действующим на равновесной орбите в процессе ускорения. При этом в кратковременном импульсном процессе смещения только незначительная часть электронов смещенного пучка попадает на мишень, а остальные проходят мимо мишени и облучают не только держатель, но и элементы конструкции ускорительной камеры с генерацией паразитного тормозного излучения. Кроме того, тормозное излучение сопровождается потоком электронов, рассеянных держателем, мишенью и конструктивными элементами ускорительной камеры и прошедших через стенку ускорительной камеры.
В результате формируется фокусное пятно малых размеров, задаваемое мишенью малых размеров, с относительно небольшим выходом тормозного излучения, на фоне источника паразитного тормозного и электронного излучения большой площади со сложным распределением и относительно большим суммарным выходом.
Кроме того, генерация импульсного процесса смещения посредством обмоток смещения, а также питание обмоток возбуждения импульсами тока с неизбежным наличием гармоник с частотами, близкими к собственным механическим резонансным частотам мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры неизбежно приводит к резонансным колебаниям мишени, что увеличивает размеры эффективного фокусного пятна по сравнению с размерами мишени.
Задачей настоящего изобретения является повышение выхода тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров и его отношения к выходу паразитного излучения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, которое содержит магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере и имеющую размеры, меньшие размеров сечения пучка, облучающего мишень, и установленную на держателе, держатель выполнен из отдельного углеродного волокна, а мишень на держателе расположена в объеме, в пределах которого происходит ускорение электронов.
Дополнительно, устройство выполнено с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов.
Дополнительно, против окна выхода излучения ускорительной камеры установлен коллиматор и очищающий магнит.
Дополнительно, обмотки возбуждения выполнены с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры.
Отличительными от прототипа признаками являются выполнение держателя из отдельного углеродного волокна, расположение мишени на держателе в объеме ускорительной камеры, в пределах которого происходит ускорение электронов, выполнение устройства с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов, и выполнение обмоток возбуждения с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения, наличие коллиматора и очищающего магнита против окна выхода излучения ускорительной камеры.
Наименьшая из возможных толщина держателя (6-7 мкм) в виде отдельного углеродного волокна обеспечивает наибольшее отношение токов электронов на мишень и на держатель, которое, совместно с соотношением размеров, атомных номеров и плотностей материалов мишени и держателя, дает наибольшее соотношение выходов тормозного излучения из мишени и держателя.
Выполнение держателя из отдельного углеродного волокна позволяет выполнить мишень с минимальными размерами вплоть до толщины углеродного волокна. Выполнение мишени таких размеров на держателе из отдельного углеродного волокна позволяет расположить мишень на держателе в объеме, в пределах которого происходит ускорение электронов и где пучок электронов имеет наибольшую плотностью тока.
Дополнительно, выполнение устройства с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов, приводит к изменению радиуса равновесной орбиты в течение цикла ускорения и, при расположении мишени на радиусе, равном конечному значению изменяющегося радиуса равновесной орбиты, обеспечивает наименьший выход электронов из процесса ускорения в начале цикла ускорения, когда электроны имеют еще небольшую энергию, из-за взаимодействия с мишенью и держателем и наибольший выход тормозного излучения в конце цикла ускорения. При этом благодаря малым толщинам и размерам мишени и держателя выход электронов из процесса ускорения с облучением элементов конструкции ускорительной камеры относительно небольшой, а мишень облучается пучком электронов с наибольшей возможной энергией и плотностью для данного устройства, что обеспечивает наибольший выход тормозного излучения из мишени.
Установленные против окна коллиматор и очищающий магнит отфильтровывают тормозное излучение из мишени от паразитного тормозного и электронного излучений из элементов конструкции ускорительной камеры.
Этим обеспечивается высокое абсолютное значение выхода тормозного излучения из мишени малых размеров, а значит выхода тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров и его высокое соотношение с выходом паразитного излучения из держателя и элементов конструкции ускорительной камеры. Отсутствие импульсного процесса смещения электронов с равновесной орбиты с неизбежными гармониками с частотами, близкими к собственной механической частоте мишени на держателе, исключает резонансные колебания мишени, обусловленные генерацией процесса смещения, а значит и соответствующее увеличение эффективного размера фокусного пятна.
Выполнение обмоток возбуждения с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры уменьшает, а при питании синусоидальным переменным током с частотой, намного отличающейся от частоты собственных колебаний, практически исключает резонансные колебания мишени.
На фигуре показано предлагаемое устройство.
Устройство содержит магнитопровод 1, обмотки возбуждения 2, полюсы 3, центральные вкладыши 4, ускорительную камеру 5 с вводом 6, на котором закреплен держатель 7 в виде отдельного углеродного волокна толщиной около d=6 мкм с мишенью 8, например, диаметром D=100 мкм. Соосно с окном 9 выхода излучения установлен коллиматор 10 и очищающий магнит 11.
01
02
Магнитопровод, полюсы, центральные вкладыши, обмотки возбуждения выполнены на основе известных технических решений (Ананьев Л.М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. М.: Госатомиздат, 1961, с.84.) и настроены так, что в каждом цикле ускорения, например, за счет нелинейности характеристики магнитного материала полюсов 3 и центральных вкладышей 4, коэффициента их заполнения магнитным материалом и подбора амплитуды тока в обмотках возбуждения 2 в цикле ускорения радиус равновесной орбиты уменьшается от R до R.
0
02
Мишень 8 на держателе 7 из отдельного углеродного волокна установлена, например, на радиусе R≅R.
01
02
После инжекции электроны ускоряются на равновесной орбите с радиусом R, пока индукция в полюсах и центральных вкладышах пропорциональна увеличивающемуся току в обмотках возбуждения. При этом электроны, совершая бетатронные колебания относительно равновесной орбиты, практически не попадают на мишень 8 и держатель 7 благодаря малым размерам мишени 8 и малой толщине держателя 7 из отдельного углеродного волокна и их положению на радиусе R.
01
02
При дальнейшем увеличении тока в обмотках возбуждения 2, например, индукция в центральных вкладышах 4 возрастает все медленнее, чем ток в обмотках возбуждения 2 и индукция в полюсах 3. Это приводит к медленному уменьшению радиуса равновесной орбиты от R до R, и пучок ускоряемых электронов подходит к мишени 8 на держателе 7. При этом мишень 8 и часть держателя 7, примыкающая к мишени 8, облучаются потоком электронов все с большей плотностью вплоть до максимальной величины, и выход тормозного излучения соответственно возрастает как за счет увеличения тока ускоряемых электронов, так и их энергии. Только те электроны, которые испытали относительно большие потери энергии при взаимодействии с мишенью и держателем и рассеянные ими на относительно большие углы, выходят из процесса ускорения, попадают на элементы конструкции ускорительной камеры и генерируют при взаимодействии с ними паразитное тормозное излучение. Остальные же ускоряются и, или попадают на мишень 8 и часть держателя 7, или замедляются при уменьшении тока в обмотках возбуждения 2 после максимального значения тока, совершая колебания относительно равновесной орбиты без генерации тормозного излучения.
Выходящее из мишени 8 и части держателя 7 тормозное излучение выходит через окно выхода 9, проходит апертуру коллиматора 10 и межполюсное пространство очищающего магнита 11. Коллиматор 10 ограничивает телесный угол выхода тормозного излучения так, что тормозное излучение из удаленной от мишени 8 части держателя 7 и от элементов ускорительной камеры 5, облучаемых электронами, выходящими из процесса ускорения после взаимодействия с мишенью 8 и держателем 7, поглощается материалом коллиматора 10. Магнитное поле очищающего магнита 11 убирает из пучка тормозного излучения сопутствующие ему выбывающие из процесса ускорения электроны и эмиссионные электроны из материала окна выхода 9 излучения и материала коллиматора 10.
При питании током с частотой, например, 50 Гц мишень 8 на держателе 7, которая имеет собственную частоту колебаний, равную нескольким сотням Гц, практически неподвижна.
Таким образом, после очищающего магнита 10 пучок тормозного излучения практически состоит только из квантов, выходящих из мишени 8, а размер фокуса пучка практически равен размеру мишени 8.