РАДИОГРАФИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПРОТОННОГО УСКОРИТЕЛЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ
RADIOGRAPHIC COMPLEX BUILT AROUND PROTON ACCELERATOR TO EXAMINE STOP-ACTION PROCESSES

Изобретение относится к ускорительной технике, к радиографическим средствам регистрации изображений и может быть использовано, например, в системах многокадровой и многоракурсной съемки быстропротекающих процессов, когда изображение объекта исследования формируют с помощью различных видов ионизирующих излучений, в частности протонного.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение высококачественного изображения при приемлемых затратах на строительство, монтаж и обслуживание исследовательского комплекса.
Из предшествующего уровня техники известны способы и устройства исследования и регистрации быстропротекающих процессов путем получения изображений, сформированных, например, с помощью рентгеновского излучения (патент РФ 2206886, описание к нему опубликовано 20.06.03 г.). Устройство регистрации изображения, согласно данному патенту, содержит источник ионизирующего (рентгеновского) излучения, блок управления и питания, импульсный фотоэлектронный регистратор (ПЗС-матрицу), с которым сочленен электронно-оптический преобразователь, принимающий электромагнитное излучение оптического диапазона. Перед электронно-оптическим преобразователем установлен рентгенолюминесцентный преобразователь, преобразующий рентгеновское излучение в оптическое, при этом работа преобразователя синхронизирована с источником рентгеновского излучения и регистратором.
Недостатками устройства являются низкая информативность, низкая разрешающая способность, узкий динамический диапазон регистрации изображений и повышенный уровень шумов.
Известен радиографический комплекс для анализа внутренней структуры объектов радиационными методами (патент РФ 2288466, описание к нему опубликовано 27.11.06 г.), который позволяет повысить эффективность и пространственное разрешение не только в параллельном, но и в коническом пучке, расширить функциональные возможности детектора, осуществлять регистрацию различных видов ионизирующего излучения. Комплекс включает источник питания, источник ионизирующего излучения, каналы системы доставки излучения, которые выполнены в виде волоконно-оптических сцинтилляторов, набранных из отрезков волокон, сцинтиллирующих в различных участках оптического спектра, и скомпонованы в пакет в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды, средство для размещения исследуемого образца, которое выполнено с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, систему регистрации излучения, содержащую отклоняющее зеркало и не менее двух оптических каналов, выполненных в виде последовательно расположенных вдоль оси оптического канала входного проекционного объектива со светофильтром, усилителя изображения, масштабирующего объектива и ПЗС-матрицы.
Известный радиографический комплекс имеет ограниченное применение из-за использования таких источников ионизирующего излучения, характеристики которых не позволяют получить требуемой информации при исследовании быстропротекающих процессов.
Известен ускоритель ионов (патент РФ 2193830, описание опубликовано 27.11.02 г.). Ускоритель представляет собой генератор ионов с управляемым источником высокого напряжения и магнитной структурой, которая выполнена по замкнутому контуру с центральной орбитой в виде многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают поворотный дипольный магнит и уплотняющее устройство, выполненные с продольным магнитным полем, при этом замкнутый контур имеет несколько входов для впрыска ионов. Контур также включает в себя управляемые источники питания на основе эффекта бесконечного усиления и ускорительные устройства. Управление движением ионов осуществляют в замкнутом объеме в продольном магнитном поле по сторонам многоугольника, причем предварительно выбирают орбиты ионов, исходя из условия A1Z2=A2Z1, где А1, А2 - массовые числа, Z1, Z2 - кратности зарядов, при этом после инжекции в углы многоугольника ионы ускоряют и уплотняют уплотняющими устройствами с продольным магнитным полем и действием силы магнитного притяжения в процессе их ускорения и совмещают участки орбит путем регулирования величины тока источников питания. Ускоритель обеспечивает ускорение в многовходовой структуре с числом инжектированных входов, равных количеству сторон орбиты многоугольника.
Недостатком данного ускорителя является невозможность достижения интенсивности и временных параметров ускоряемых сгустков протонов, необходимых для получения изображений быстропротекающих процессов.
Известна система на основе протонного ускорителя по патенту РФ 1499729, описание опубликовано 20.11.95 г., включающая источник питания, источник протонов, ускоритель с кольцевой магнитной структурой (синхротрон), вакуумные каналы транспортировки пучка и канал вывода излучения из кольца. Канал вывода излучения размещен вне периметра ускорителя. Кольцевая магнитная структура ускорителя включает в себя дипольные поворотные магниты, магнитные линзы, мишень, дипольные кикер-магниты и септум-магниты. Пучок протонов, циркулирующий в кольце, наводится на мишень с помощью кикер-магнитов, установленных относительно мишени в софокусных точках. Протоны, потерявшие в мишени часть кинетической энергии, продолжают движении по кольцу и попадают в основной септум-магнит, который находится от мишени на расстоянии, равном половине периода радиальных бетатронных колебаний. При этом величина дисперсионной функции на азимуте септум-магнита равна нулю. Выход пучка за пределы кольца осуществляют дополнительным септум-магнитом, который размещают на том азимуте, где частицы, прошедшие через мишень, не имеют линейной и угловой дисперсии.
Недостаток данной системы связан с тем, что конструкция синхротрона может обеспечить только один вывод протонного пучка за пределы периметра синхротрона. Поэтому для обеспечения многоракурсной, многокадровой регистрации быстропротекающих процессов дополнительно необходима система разветвленной доставки излучения (с числом каналов не менее 2-х) к месту проведения эксперимента, стоимость и габариты которой значительно превысят соответствующие параметры синхротрона.
Также известен проектный вариант радиографического комплекса на основе протонного ускорителя (ПРГК) /AHF в LANL и NTS, США, Beam-distribution system for multi-axis imaging at the Advanced Hydrotest Fasilitiy, Jason A.J., Barlow D.B. etc.. Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, Vol.5, с.3374-3376, 2001/ для исследования быстропротекающих процессов, выбранный в качестве прототипа, как наиболее близкий по количеству сходных признаков и решаемой задаче. ПРГК включает в себя: линейный ускоритель, бустер-синхротрон, основной синхротрон, систему формирования быстропротекающего процесса и систему формирования и регистрации протонографического изображения. Магнитная структура синхротронов содержит поворотные дипольные магниты, магнитные линзы и систему отвода протонного пучка из основного синхротрона на основе кикер-магнита, канал вывода протонного пучка за пределы периметра синхротрона, который связан с разветвленной системой доставки протонного пучка к месту проведения исследований, содержащей 12 каналов доставки. Канал вывода и каналы системы доставки протонного пучка, место проведения исследований с системой формирования быстропротекающего процесса и регистрирующая аппаратура размещены вне периметра основного синхротрона, т.о. разделение протонного пучка путем его распределения в системе доставки по каналам осуществляется вне периметра синхротрона.
Недостатком данной конструкции являются огромные габариты, обусловленные размещением места исследования и разветвленной системы доставки протонного пучка к нему вне периметра синхротрона, что существенно увеличивает занимаемую комплексом производственную площадь, приводит к сложности его монтажа и обслуживания, а также большой стоимости проекта при реализации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и удешевление эксплуатации, оптимизация компоновки конструкции и снижение стоимости комплекса.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в радиографическом комплексе на основе протонного ускорителя для исследования быстропротекающих процессов, включающем линейный ускоритель, по крайней мере, один синхротрон, магнитная структура которого содержит дипольные поворотные магниты, магнитные линзы, систему отвода протонного пучка из синхротрона на основе кикер-магнита (или другого устройства с подобной функцией), канал вывода протонного излучения за пределы периметра синхротрона, систему доставки протонного пучка к месту проведения исследований, включающую не менее 2-х каналов, и систему формирования и регистрации протонографического изображения, синхротрон дополнительно содержит, по крайней мере, еще две системы отвода протонного пучка на основе кикер-магнитов и соответствующее им количество каналов вывода протонного пучка внутрь периметра синхротрона, при этом каналы системы доставки протонного пучка к месту проведения исследований, система формирования и регистрации протонографического изображения и система формирования быстропротекающего процесса размещены внутри периметра синхротрона, причем каналы системы доставки протонного излучения выполнены идентичными.
Возможно ортогональное размещение каналов системы доставки протонного пучка по отношению к объекту исследования.
Включение в синхротрон, по крайней мере, еще двух систем отвода протонного пучка на основе кикер-магнитов позволяет разделить протонный пучок, сформированный в виде последовательности протонных сгустков, непосредственно при выходе с кольца синхротрона.
Направление каналов вывода протонного пучка внутрь периметра синхротрона, количество которых соответствует количеству систем отвода протонного излучения на основе кикер-магнитов, позволяет создать разветвление каналов доставки протонных сгустков, используя внутренний объем синхротрона.
Размещение каналов доставки протонных сгустков с местом проведения исследований и регистрирующей аппаратурой внутри периметра синхротрона позволяет осуществить оптимизацию компоновки комплекса, уменьшить длину каналов системы доставки протонного пучка, сократить занимаемую многочисленными системами комплекса площадь и упростить его обслуживание.
Выполнение каналов вывода протонного пучка идентичными позволяет упростить обеспечение синхронности процесса воздействия излучения на исследуемый объект.
Выполнением каналов системы доставки протонного пучка в количестве не менее 3-х и их ортогональным размещением по отношению к месту проведения исследований можно повысить информативность исследований.
На фиг.1 схематично представлен пример конкретного выполнения заявляемого радиографического комплекса ПРГК, где: 1 - линейный ускоритель протонов (инжектор), 2 - канал транспортировки от линейного ускорителя к бустеру, 3 - бустер-синхротрон, 4 - дипольный поворотный магнит, 5 - магнитная линза, 6 - канал транспортировки от бустера к основному синхротрону, 7 - основной синхротрон, 8 - каналы системы доставки протонного пучка к месту проведения исследований, 9 - поглощающие ловушки протонного пучка, 10 - кикер-магниты систем вывода пучка внутрь кольца основного синхротрона, 11 - канал вывода протонного пучка внутрь кольца основного синхротрона, 12 - месторасположение системы формирования быстропротекающего процесса, 13 - система формирования и регистрации изображений, 14 - кикер-магнит системы вывода пучка наружу кольца основного синхротрона, 15 - канал вывода протонного пучка наружу кольца основного синхротрона.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить радиографический комплекс для исследования быстропротекающих процессов на основе протонного ускорителя с выходной энергией протонов 20 ГэВ, который предназначен для исследования быстропротекающих процессов, в частности для проведения радиографических исследований физических и механических свойств материалов, подвергаемых воздействию интенсивных динамических нагрузок, создаваемых нагружающими устройствами, с использованием взрывчатых веществ. Для этого в комплекс введено локализующее устройство, позволяющее проводить исследования взрывных процессов и содержащее взрывную камеру, выполненную, например, по патенту РФ 2367899 (публикация от 20.09.09 г.). В корпусе камеры выполнены три пары диаметрально противоположных отверстий для прохождения потоков радиографического излучения через область исследования с последующим улавливанием излучения 3-мя ловушками. Комплекс содержит импульсные источники тока, линейный ускоритель с выходной энергией протонов 40 МэВ, бустер-синхротрон с выходной энергией протонов 1,2 ГэВ и основной синхротрон с выходной энергией протонов 20 ГэВ. Кольцевые магнитные структуры синхротронов содержат дипольные поворотные магниты, магнитные линзы (квадрупольные, секступольные магниты), дипольные корректирующие бамп-магниты, кикер-магниты и септум-магниты, соединены между собой и линейным ускорителем вакуумными каналами транспортировки протонного пучка. Линейный ускоритель также соединен с ловушкой для аварийного сброса протонного пучка. В основное кольцо синхротрона входят 4 системы вывода на основе кикер-магнитов, которые размещают перед каналами вывода протонного пучка из синхротрона, причем один из каналов направлен наружу, а три - внутрь периметра основного синхротрона. Внутри основного синхротрона также размещены 3 канала, входящие в систему доставки протонного пучка к месту проведения исследования. Каждый канал доставки протонного пучка к месту исследования включает систему формирования и регистрации протонографического изображения, элементы которой размещаются с обеих сторон исследуемого объекта, и заканчивается ловушкой для поглощения протонов. В качестве регистрирующей аппаратуры можно использовать, например, известное устройство регистрации изображений, сформированных с помощью излучения, DICAM-PRO, выпускаемым компанией РСО Computer Optics Gmbh (инструкция по применению опубликована 06/03 г.). Данное устройство позволяет получать 2 кадра за время съемки. Устройство содержит импульсный электронно-оптический преобразователь, принимающий электромагнитное излучение оптического диапазона и выполненный на основе микроканальных пластин, чересстрочную матрицу приборов с зарядовой связью (чересстрочную ПЗС-матрицу), узел переноса изображения с выхода ЭОП на вход чересстрочной ПЗС-матрицы, блок управления и блок питания.
Работа заявляемого устройства заключается в следующем. Линейный ускоритель 1 генерирует и ускоряет протоны до энергии 40 МэВ, которые по каналу транспортировки 2 поступают в кольцевой бустер-синхротрон 3, который, в свою очередь, осуществляет дальнейшее ускорение протонов посредством многократного прохождения одних и тех же ускоряющих зазоров резонаторов, расположенных на кольце бустера 3. Удержание протонного пучка на орбите траектории осуществляется магнитной системой кольца бустера 3, состоящей из дипольных поворотных магнитов 4 и магнитных линз 5. После достижения энергии 1,2 ГэВ через систему вывода на основе кикер-магнита, расположенного на кольце бустера 3, пучок протонов по каналу транспортировки 6 поступает в основной синхротрон 7. Процесс инжекции в основной синхротрон 7 повторяется 18 раз, пока кольцо основного синхротрона 7 не заполнится равномерно расположенными по периметру орбиты сгустками протонов. После этого сгустки протонов подвергаются дальнейшему ускорению до энергии 20 ГэВ. Удержание протонного пучка на орбите траектории осуществляется магнитной системой кольца основного синхротрона 7, состоящей из дипольных поворотных магнитов 4 и магнитных линз 5. После достижения энергии 20 ГэВ на систему управления комплексом поступает сигнал готовности. По команде с системы управления комплексом происходит синхронизированный запуск быстропротекающего процесса в объекте исследования и, с заранее заданной временной задержкой, вывод протонных сгустков из кольца основного синхротрона. Вывод протонных сгустков происходит в результате одновременного срабатывания кикер-магнитов 10 каждой из 3-х систем вывода пучка внутрь кольца основного синхротрона 7. При однократном срабатывании кикер-магнитов 10 в каждый канал вывода 11 поступает один или более сгустков протонов. Далее сгустки по каналам системы доставки пучка 8 проходят элементы системы формирования и регистрации пучка 13, а также объект исследования 12, расположенный в геометрическом центре кольца основного синхротрона. Каналы доставки протонного пучка 8 расположены в одной плоскости и подводятся к исследуемому объекту под углом 120° относительно друг друга. Каждый сгусток протонов, проходящий через объект, позволяет получить 1 кадр одномерного изображения. Таким образом, при максимальном числе ускоренных сгустков протонов, равном 18, имеется возможность получить до 6 кадров трехмерного изображения мгновенного состояния динамического процесса. В зависимости от задачи протонные сгустки можно выпускать только через две системы вывода, в этом случае можно получить до 9 кадров двумерного изображения. И в случае использования только одной системы вывода - 18 кадров одномерного изображения. Используемая схема вывода позволяет выпускать протонные сгустки из кольца основного синхротрона 7 последовательно один за другим или с пропуском вывода, существенно растягивая временной интервал между ними. Каналы доставки 8 завершаются протонными ловушками 9, где происходит полное поглощение пучка. Система на основе кикер-магнита 14, предназначенная для внешнего вывода протонного пучка из кольца синхротрона 7, отводит пучок в канал 15, который завершается протонной ловушкой 9. Внешний канал 15 служит для аварийного однооборотного сброса пучка в ловушку 9, а также используется на этапе отладки систем основного синхротрона 7. В случае необходимости канал вывода 15 можно использовать для других экспериментов.
Заявляемое устройство обладает всеми характеристиками, необходимыми для многокадрового, многоракурсного протонографического исследования быстропротекающих процессов в динамических системах. При этом по сравнению с известными аналогичными комплексами обладает рядом существенных преимуществ: реализацией нескольких систем отвода пучка, позволяющих управлять разделением протонных сгустков на кольце синхротрона и разместить каналы доставки внутри него. Такая компоновка обеспечивает компактность размещения комплекса, удешевляет конструкцию, ее монтаж, отладку и обслуживание.