МИШЕННЫЙ УЗЕЛ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ
TARGET UNIT FOR INDUCTION ELECTRON ACCELERATOR

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в мишенных устройствах линейных индукционных ускорителей (ЛИУ) с импульсным продольным магнитным полем при решении задачи, связанной с эффективным преобразованием энергии ~100 кДж сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) с импульсным током ~100 кА и энергией электронов от 10 до 40 МэВ в тормозное излучение (ТИ).
Известно решение данной задачи из предшествующего уровня техники, например мишенный узел, включающий обратный токопровод и электрически соединенную с ним мишень, стоящую на пути сильноточного РЭП, транспортируемого в продольном импульсном магнитном поле ЛИУ-10 с индукцией ~0,5 Тл. Для эффективной генерации тормозного излучения мишень выполнена из материала с большим атомным номером, например тантала толщиной 2 мм, составляющей ~0,3 от величины пробега электронов с энергией ~10 МэВ в тантале [В.С.Босамыкин и др. Исследования возможности создания импульсного источника нейтронов на основе мощного электронного ускорителя и импульсного ядерного реактора. PANS II: Physics Advanced Pulsed Neutron Sources, June 14-17, 1994, Dubna, Russia; ОИЯИ, Дубна, 1995. c.122-131].
Недостатком описанного устройства является его пониженный ресурс работы из-за возникающих при торможении РЭП отколов материала мишени. Кроме того, высокая электрическая проводимость мишени обуславливает из-за наведения в ней встречного вихревого поля ослабление продольного магнитного поля ускорителя и искажение траекторий прохождения электронов через мишень, что приводит к уменьшению потока ТИ на оси ускорителя за мишенью. Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа к заявляемому устройству, является мишенный узел ЛИУ-30. Данный мишенный узел частично устраняет недостатки вышеописанной конструкции и представляет собой цилиндрический обратный токопровод ускорительного тракта ЛИУ-30 и расположенную в нем мишень, которая выполнена в форме диска из композиционного материала на основе вольфрамового порошка с дисперсностью не более 0,1 мм и диэлектрического наполнителя - эпоксидного компаунда. Такое выполнение конструкции мишенного узла приводит к уменьшению искажений траекторий прохождения электронов через мишень в импульсном продольном магнитном поле. Недостатком этого мишенного узла является ограниченная механическая прочность мишени вследствие хрупкости диска из композиционного материала и отсутствия надежного стока на поверхность обратного токопровода ускорителя заряда электронов, поглощенных в мишени. По причине низкой электрической проводимости композиционного материала в объеме диска происходит накопление части заряда электронов и возникают электрические пробои при его стоке на обратный токопровод. Это приводит к появлению в диске трещин и уменьшению ресурса работы мишенного узла [А.И.Павловский и др. Мощный линейный импульсный ускоритель электронов на радиальных линиях ЛИУ-30 // ПТЭ, 1998, №2, с.13-25].
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение механической прочности композиционного диска и эффективности стока заряда электронов, поглощенных в материале мишени, на обратный токопровод ускорителя. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение ресурса работы мишенного устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в мишенном узле индукционного ускорителя электронов, включающем обратный токопровод, электрически соединенный с мишенью, выполненной в форме диска из композиционного материала на основе металлического порошка с дисперсностью, не превышающей 0,1 мм, и диэлектрического наполнителя, мишень выполнена многослойной, слои прилегают друг к другу, каждый слой армирован металлической сеткой, выполненной из материала, удельное электрическое сопротивление которого не менее 400 нОм·м. При этом каждый слой по периметру окружен проводящей шиной, электрически соединенной с обратным токопроводом и концевыми участками сетки. Мишенный узел может быть дополнительно снабжен обкладками из фольги, прилегающими к боковым сторонам дисков и электрически соединенными по периметру с обратным токопроводом. Толщина проволоки t, из которой выполнена сетка, и размер стороны ячейки сетки D могут быть выбраны из условия: D>3Δ; t<T/3N, где: Δ - дисперсность металлического порошка, Т - общая толщина мишени, N - количество слоев.
Выполнение мишени в виде прилегающих друг к другу слоев позволяет разделить заряд поглощенных электронов на части и обеспечить его раздельный сток через металлические сетки и шины на обратный токопровод, что уменьшает количество электрических пробоев в объеме мишени.
Армирование каждого слоя металлической сеткой из низкопроводящего материала, удельное электрическое сопротивление которого не менее 400 нОм·м, при отсутствии искажения продольного магнитного поля повышает механическую прочность мишени и обеспечивает сток заряда электронов, поглощенных в материале мишени вблизи плоскости сетки, через шины на обратный токопровод, что уменьшает количество электрических пробоев в объеме мишени.
Окружение по периметру каждого слоя мишени проводящей шиной, электрически соединенной с обратным токопроводом и концевыми участками сетки, обеспечивает надежный контакт сетки с обратным токопроводом.
Окружение дисков с боковых сторон обкладками из фольги, плотно прилегающей к дискам и электрически соединенной по периметру с обратным токопроводом, дополнительно обеспечивает сток заряда электронов, поглощенных в материале мишени вблизи плоскости фольги, на обратный токопровод.
Выбор толщины проволоки и размеров стороны ячейки сетки связан с технологией изготовления, прочностными характеристиками сетки и эффективностью стока накопленного в мишени заряда.
На чертеже изображена конструктивная схема мишенного узла линейного ускорителя ЛИУ-30, где: 1 - соленоидальные обмотки для создания импульсного продольного магнитного поля; 2 - диски из композиционного материала; 3 - фильтр деградированных электронов; 4 - обратный токопровод ускорителя; 5 - мелкоячеистые проводящие сетки; 6 - кольцевые проводящие шины; 7 - металлические обкладки.
Примером конкретного выполнения заявленного устройства может служить мишенный узел ускорителя ЛИУ-30, включающий обратный токопровод, электрически соединенный с мишенью, которая выполнена из композиционного материала на основе порошка вольфрама с дисперсностью, не превышающей 0,1 мм, и диэлектрического наполнителя - эпоксидного компаунда ПК-11 в пропорции 1:1 по объему. Мишень состоит из трех прилегающих друг к другу дисков толщиной 2 мм, каждый из которых армирован металлической сеткой из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с удельным электрическим сопротивлением ~750 нОм·м, толщиной провода t=0,5 мм и стороной ячейки 1 мм и окружен по периметру проводящей шиной, электрически соединенной с обратным токопроводом и концевыми участками сетки. С плоских боковых сторон диски окружены металлическими обкладками из фольги (нержавеющей стали 12Х18Н10Т) толщиной 0,1 мм, плотно прилегающей к дискам и электрически соединенной по периметру с обратным токопроводом.
e
e
f
3
3
3
Работает заявленное устройство следующим образом. Ускоренный РЭП с током ~100 кА и энергией электронов до 40 МэВ транспортируется вдоль оси ЛИУ-30 в продольном импульсном магнитном поле, сформированном соленоидальными обмотками 1, с индукцией ~0,5 Тл. При торможении РЭП в трех дисках 2 из композиционного материала происходит возбуждение ТИ. Для эффективной генерации ТИ при энергии электронов ~10÷40 МэВ общая толщина дисков выбрана равной величине ~0,3·λ=6 мм, где λ~W/2d=20 мм - величина пробега электронов с энергией W в материале мишени с удельной плотностью d~10 г/см. Полное торможение электронов происходит в фильтре деградированных электронов 3, выполненном из материала с много меньшим по сравнению с вольфрамом атомным номером и плотностью d~2 г/см, например бетона, с целью уменьшения поглощения тормозного излучения. Заполнение пространства между зернами порошка диэлектрическим эпоксидным компаундом приводит к снижению электрической проводимости композиционных дисков и ослаблению токов Фуко, обуславливающих наведение встречного вихревого макроскопического магнитного поля в объеме дисков. С целью повышения механической прочности диски 2 армированы введенными в них на середину толщины мелкоячеистыми металлическими сетками 5 из доступных низкопроводящих материалов и с толщиной проволоки, не приводящих к искажению внешнего магнитного поля. Сетки обеспечивают сбор заряда электронов, поглощенных вблизи плоскости сетки, и своевременный его сток. При этом для осуществления надежного контакта композиционной мишени с поверхностью обратного токопровода 4 каждый диск по периметру окружен выступающими за края дисков на ~5 мм проводящими шинами 6, электрически соединенными с токопроводом и концевыми участками сетки. Размер стороны ячейки D, равный не менее 3·Δ, экспериментально определен как минимально допустимый для свободного прохождения зерен вольфрамового порошка с размером Δ<0,1 мм через ячейки сетки и ее фиксирования в процессе затвердевания матрицы композиционного материала. Количество слоев мишени выбрано равным 3, как достижимая величина для имеющейся технологии изготовления композиционных дисков диаметром ~200 мм при их толщине ~2 мм. В процессе торможения часть заряда электронов, поглощенных вблизи плоскости сетки в материале дисков, стекает через проводящие шины на обратный токопровод. Оставшаяся часть заряда поглощенных в материале дисков электронов накапливается в диэлектрическом эпоксидном компаунде до возникновения электрических микропробоев, токи которых также стекают через проводящие шины на обратный токопровод. В результате из-за введения сеток происходит упрочнение композиционной мишени. Проводящие шины обеспечивают надежный электрический контакт сеток с обратным токопроводом ускорителя, что уменьшает количество электрических пробоев. Введение металлических обкладок 7 из низкопроводящей фольги (нержавеющей стали 12Х18Н10Т) толщиной 0,1 мм, плотно прилегающих к дискам с их боковых сторон и электрически соединенных по периметру с обратным токопроводом, обеспечивает дополнительный сток заряда поглощенных вблизи плоскости обкладок в материале дисков электронов. Это еще больше повышает сток заряда электронов и уменьшает количество электрических пробоев. Толщина низкопроводящей фольги 0,1 мм с удельным электрическим сопротивлением ~750 нОм·м много меньше глубины проникновения магнитного поля δ~24 мм на частоте его колебаний f~330 Гц, что практически не приводит к искажению внешнего магнитного поля. Кроме того, толщина фольги с удельной плотностью d~8 г/см много меньше общей толщины дисков 6 мм, что практически не изменяет эффективность генерации ТИ. Таким образом, достигается повышение ресурса работы мишенного узла. Ранее использовавшийся в прототипе мишенный узел ЛИУ-30 выдерживал до разрушения мишени ~10 рабочих включений ускорителя. Использование описанного мишенного узла позволило повысить, по меньшей мере, в два раза количество рабочих включений до момента разрушения дисков мишени.