МИШЕНЬ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО УСКОРИТЕЛЯ
ELECTRONIC ACCELERATOR BRAKING RADIATION TARGET

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для преобразования энергии пучка ускоренных электронов в энергию пучка тормозного излучения (далее ТИ) для проведения исследований свойств материалов, а также для проведения неразрушающего контроля состояния различных изделий.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции устройства, способной обеспечивать формирование однородного равномерного поля облучения необходимого размера на расстоянии один метр от мишени с требуемым размером фокусного пятна пучка электронов на конвертере.
Из предшествующего уровня техники известна мишень тормозного излучения (патент RU №2310296, «Мишень импульсного ускорителя электронов», опубл. 10.11.2007 г, МПК: Н05Н 6/00, Мордасов Н.Г., Иващенко Д.М. и др.), содержащая прозрачный для ускоренного пучка электронов защитный экран, конвертер, подложку и удовлетворяет условию полного поглощения для электронов. Мишень установлена снаружи выводного окна ускорительной трубки.
Недостатком подобной мишени является то, что она не рассчитана для работы с непрерывным пучком ускоренных электронов, так как не имеет активного охлаждения и быстро разрушится под воздействием такого пучка, а также конструкция мишени не обеспечивает формирование поля ТИ с необходимыми параметрами ввиду отсутствия входного и выходного коллиматоров.
Наиболее близким аналогом по технической и физической сущности выбрана мишень тормозного излучения электронного ускорителя, представленная в статье «Расчетное моделирование мишени тормозного излучения электронного ускорителя ЛУ-8-2» (авторы: Курапов Н.Н., Хромяк М.И., Тельнов А.В. и др. Расчетное моделирование мишени тормозного излучения электронного ускорителя ЛУ-8-2, Сборник докладов 13-й научно-технической конференции «Молодежь в науке», - г. Саров, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2014, С. 235-242). Мишень тормозного излучения расположена соосно и функционально связана с выводным окном тракта транспортировки пучка ускоренных электронов. Мишень содержит расположенные последовательно по ходу излучения, входной и выходной коллиматоры с проходными отверстиями на оси и размещенный между ними конвертер ТИ, выполненный из материала с толщиной, обеспечивающей максимальный выход тормозного излучения в направлении прохождения пучка, и канал охлаждения. Канал охлаждения представлен в виде двух Г-образных каналов во входном и выходном коллиматорах расположенных на некотором небольшом удалении от зоны конвертации. В качестве материала конвертера ТИ выбран вольфрам. Входной и выходной коллиматоры выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности - меди. Входной и выходной коллиматоры выполнены с поперечными размерами достаточными для поглощения рассеянного ТИ.
Недостатком мишени является отсутствие прямого охлаждения конвертера в зоне конвертации, что может привести к локальному перегреву и разрушению мишени, а также недостаточная величина области с однородностью поля ТИ и количества квантов ТИ на единицу поверхности на определенном расстоянии от мишени. Диаметр области на расстоянии 1 метр от мишени с равномерностью плотности потока квантов ТИ ±10% составляет около 100 мм, что недостаточно для решаемых исследовательских и производственных задач. Также ввиду отсутствия корпуса с механизмами перемещения и элементами креплений ограничены эксплуатационные возможности устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение качества требуемого поля тормозного излучения за счет увеличения области с однородностью поля ТИ и увеличения количества квантов ТИ на единицу поверхности, а также увеличение срока службы устройства.
Дополнительный технический результат заключается в повышении эксплуатационных возможностей за счет помещения мишени в единый корпус с механизмом пространственного перемещения и элементами креплений.
Технический результат достигается тем, что в мишени тормозного излучения электронного ускорителя, содержащем расположенные последовательно по ходу излучения, входной и выходной коллиматоры с проходными отверстиями на оси и размещенный между ними конвертер тормозного излучения, выполненный из материала с толщиной, обеспечивающей максимальный выход ТИ в направлении прохождения пучка, и канал охлаждения, новым является то, что дополнительно содержит корпус с входным и выходным окнами и отсеком для установки коллиматоров, перед входным коллиматором установлена фокусирующая система, состоящая из фокусирующих электродов и соленоида, а канал охлаждения с одной стороны прилегает к конвертеру ТИ и дополнительно установленному со стороны выходного коллиматора к уплотнительному элементу из низкоплотного материала с другой стороны, причем канал охлаждения состоит из двух частей и в сечении плоскостью, перпендикулярной направлению пучка, представляет собой два круговых сектора с различными по величине углами, причем часть канала с меньшим, по крайней мере, в три раза углом является подводящим участком, а большим - отводящим, также в зоне соприкосновения конвертера ТИ и входного коллиматора установлено, по меньшей мере, два термодатчика.
Кроме этого, за выходным окном корпуса соосно пролетной оси пучка дополнительно может быть установлен выходной фильтр электронного и тормозного излучений. Выходной фильтр электронного и тормозного излучений может быть выполнен в виде конуса, основание которого пристыковано к выходному окну корпуса, а его центральная ось совмещена с осью мишени. Фокусирующая система мишени может быть установлена либо во входном окне корпуса, либо перед ним в тракте прохождения пучка ускоренных электронов. В корпусе мишени дополнительно может быть размещена радиационная защита. На корпусе мишени могут быть установлены механизмы пространственного перемещения и элементы креплений для переноски и перевозки изделия.
Влияние отличительных признаков патентной формулы устройства на технический результат.
Дополнительное содержание корпуса с входным и выходным окнами и отсеком для установки коллиматоров, позволяет осуществлять центровку узлов мишени, что положительно сказывается на качестве требуемого поля ТИ, а также повышает эксплуатационные возможности устройства. Отсек для установки коллиматоров позволяет быстро заменить вышедшие из строя элементы конструкции, либо установить конвертер ТИ другой толщины.
Установка перед входным коллиматором фокусирующей системы, состоящей из фокусирующих электродов и соленоида, позволяет собирать и сжимать пучок, обеспечивая его поперечные размеры в диаметре не более 2 мм и поставлять его на конвертер ТИ, что влияет на достижение вышеуказанного технического результата.
Канал охлаждения прилегает с одной стороны к конвертеру ТИ и дополнительно установленному со стороны выходного коллиматора к уплотнительному элементу из низкоплотного материала с другой стороны, позволяет пропустить поток охлаждающей жидкости наиболее близко к конвертеру для более эффективного охлаждения, что влияет на качество требуемого поля ТИ.
Выполнение канала охлаждения из двух частей и в сечении плоскостью, перпендикулярной направлению пучка, представляющей собой два круговых сектора с различными по величине углами, причем часть канала с меньшим, по крайней мере, в три раза углом является подводящим участком, а большим - отводящим, позволяет значительно увеличить скорость потока охлаждающей жидкости в зоне конвертации, что позволяет сделать теплоотвод от конвертера более эффективным и снизить «излишнюю» тепловую нагрузку на конвертер ТИ, влияющую также на качество поля ТИ.
Установка в зоне соприкосновения конвертера ТИ и входного коллиматора, по меньшей мере, двух термодатчиков, обеспечивает регистрацию температуры в зоне конвертации, что позволяет контролировать тепловой режим работы мишени ТИ и при необходимости предотвратить перегрев и разрушение мишени.
Дополнительное размещение на выходе корпуса соосно пролетной оси пучка выходного фильтра электронного и тормозного излучений, позволяет поглощать и рассеивать часть квантов ТИ вылетающих по оси мишенного узла, тем самым лучше выравнивает дозу по поверхности на расстоянии один метр от конвертера ТИ, что также влияет на качество поля ТИ.
Выполнение выходного фильтра электронного и тормозного излучений в виде конуса, основание которого пристыковано к выходному окну корпуса, а его центральная ось совмещена с осью мишени, вносит небольшое рассеяние выходящего ТИ и обеспечивает создание равномерного поля облучения на расстоянии один метр от мишени ТИ.
Размещение фокусирующей системы либо во входном окне корпуса, либо перед ним в тракте прохождения пучка, позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант компоновки мишени для выбранного ускорителя.
Установка на корпусе механизма пространственного перемещения и элементов креплений для переноски и перевозки изделия, позволяют без дополнительных усилий отрегулировать положение мишени в требуемой плоскости, что повышает эффективность работ, влияющих на качество поля ТИ и эксплуатационные возможности устройства.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - конструкция мишени тормозного излучения электронного ускорителя.
Фиг. 2 - форма канала охлаждения.
Фиг. 3 - спектр квантов ТИ с энергиями от 0 до 1.2 МэВ на расстоянии один метр от мишени ТИ.
Фиг. 4 - спектр квантов ТИ с энергиями от 0 до 8 МэВ на расстоянии один метр от мишени ТИ.
Фиг. 5 - распределение поглощенной дозы по поверхности на расстоянии один метр от мишени ТИ.
Позициями на фиг. 1, 2 обозначены: 1 - конвертер ТИ, 2 - входной коллиматор, 3 - выходной коллиматор, 4 - радиационная защита, 5 - корпус, 6 - выходной фильтр электронного и тормозного излучений, 7 - канал охлаждения, 8 - фокусирующая система, 9 - термодатчики, 10 - входное окно корпуса, 11 - выходное окно корпуса, 12 - подводящий участок канала охлаждения, 13 - отводящий участок канала охлаждения, 14 - отсек для установки коллиматоров, 15 - уплотнительный элемент.
В варианте реализации мишень функционально связана с выводным окном тракта транспортировки пучка ускоренных электронов и содержит расположенные в корпусе 5 с входным 10 и выходными окнами и отсеком для установки коллиматоров 14 последовательно по ходу излучения, входной 2 и выходной 3 коллиматоры с проходными отверстиями на оси и размещенный между ними конвертер ТИ 1 и канал охлаждения 7.
Конвертер ТИ 1 выполнен из тяжелоатомного материала с температурой плавления выше 3000°К и с толщиной, обеспечивающей максимальный выход ТИ в направлении прохождения пучка. Для возможности переустановки съемных конвертеров ТИ 1, а также в целях повышения технологичности конструкции коллиматоров 2, 3 конвертер ТИ 1 выполнен съемным и разборным и плотно зажат с помощью стягивающих шпилек (на фиг. не показаны). Конвертер ТИ 1 выполнен дискообразной формы, толщиной 1,5 мм и изготовлен из вольфрама. Выбирая материал для конвертера ТИ 1 мишенного узла, принимаем во внимание не только интенсивность ТИ, которая возрастает квадратично с увеличением заряда ядер вещества, но также доступность и дешевизну материала и его физические свойства, главным из которых является температура плавления. Большая часть энергии электронов при взаимодействии с конвертером превращается в тепло. Целесообразно из материалов с высоким Z в качестве материала конвертора выбрать вольфрам (Z=74). Температура плавления вольфрама составляет 3380°С. При определении толщины конвертера электронов в ТИ 1 учитываем два конкурирующих фактора: во-первых, чем толще мишень, тем большая доля кинетической энергии электронов преобразуется в энергию тормозного излучения; во-вторых, при увеличении толщины начинает сказываться поглощение тормозного излучения в материале мишени. Наибольшее количество квантов ТИ получается при толщинах конвертера 0,5…1,5 мм. Но максимальный пробег электронов с энергией 8 МэВ в вольфраме ~3,5 мм. Это означает, что некоторое количество электронов будет пролетать через конвертер, не передав ему всю свою энергию. Принимая во внимание как электрофизические, термодинамические, так и технологические факторы, выбираем толщину конвертера равной 1,5 мм.
Канал охлаждения 7 заполнен охлаждающей жидкостью, в качестве которой использована дистиллированная вода и служит для отвода тепла от конвертера ТИ 1. Канал охлаждения 7 с одной стороны прилегает к конвертеру ТИ 1 и дополнительно установленному со стороны выходного коллиматора 3 к уплотнительному элементу 15 из низкоплотного материала с другой стороны. В качестве низкоплотного материала выбран алюминий. Канал охлаждения 7 состоит из двух частей и в сечении плоскостью, перпендикулярной направлению пучка, представляет собой два круговых сектора с различными по величине углами, причем часть канала с меньшим, по крайней мере, в три раза углом является подводящим участком 12, а большим - отводящим 13.
В зоне соприкосновения конвертера ТИ 1 и входного коллиматора 2 установлено два термодатчика 9, при помощи которых возможно контролировать температуру в зоне конвертации электронов в ТИ. Размещение термопар осуществлено максимально близко к конвертеру ТИ 1.
3
На корпусе 5 установлены механизм пространственного перемещения и элементы креплений для переноски и перевозки изделия (на фиг. не показаны). Вся конструкция выполнена во внешнем корпусе 5 цилиндрической формы. Механизм пространственного перемещения обеспечивает регулировку по трем плоскостям с учетом веса всего изделия. В конструкции мишени ТИ, в зонах близких к прохождению пучка электронов, использованы немагнитные материалы. Для обеспечения немагнитности конструкции материалом корпуса служит нержавеющая сталь. В корпусе 5 выполнена радиационная защита 4 из материала с плотностью выше 11 г/см, в качестве которой использован свинец. Радиационная защита 4 выполнена литой и цилиндрической формы, с длиной 240 мм и диаметром 156 мм и служит для подавления фонового ТИ. Согласно расчетам, слоя свинца достаточно для создания требуемого размера поля облучения на исследуемом объекте и ослабления фонового излучения мишени. Центральный конус радиационной защиты 4 продолжает конический раструб выходного коллиматора 3 с максимально возможной точностью для данной конструкции и материалов.
Входной 2 и выходной 3 коллиматоры выполнены цилиндрической формы, общей длиной 74 мм и диаметром 65 мм, и изготовлены из материала с коэффициентом теплопроводности не ниже 370 Вт/(м⋅°К). В качестве материала входного 2 и выходного 3 коллиматоров выбрана медь по следующим причинам: электрофизические свойства материала, обеспечивающие коллимацию пучка ТИ, обеспечение немагнитных свойств конструкции; хорошая теплопередача материала, достаточная тепловая стойкость. На оси коллиматоров 2,3 расположено проходное отверстие диаметром 2,5 мм (1 вариант) или 1,5 мм (2 вариант) для пролета электронов. Угол раствора центрального отверстия на выходе выбран равным 20°. Такой угол обеспечивает на расстоянии один метр от конвертера электронов в ТИ 1 мишенного узла область облучения диаметром 350 мм. Угол раствора центрального отверстия на входе выбран 30°.
Перед входным коллиматором 2 во входном окне корпуса 10, либо перед ним в тракте прохождения пучка установлена фокусирующая система 8, которая состоит из фокусирующих электродов и соленоида.
За выходным окном корпуса 11 соосно пролетной оси пучка электронов установлен выходной фильтр электронного и тормозного излучений 6, который выполнен в виде конуса с диаметром основания 73 мм и высотой 40 мм. При этом основание конуса пристыковано к выходному окну корпуса, а его центральная ось совмещена с осью мишени. В качестве материала выбран алюминий, который достаточно эффективно поглощает электроны, прошедшие через конвертер ТИ 1, при этом длина свободного пробега для квантов ТИ со средней энергией 1.5 МэВ в алюминии составляет порядка 6 см.
Устройство работает следующим образом. Пучок электронов диаметром ~3,5 мм от ускорителя (на фиг не показано) попадает в фокусирующую систему 8 мишени ТИ, в которой фокусируется до диаметра ~2 мм. Далее пучок проходит входное окно 10 корпуса 5, входное отверстие входного коллиматора 2, которое собирает и поглощает ареол пучка, и попадает на конвертер ТИ 1. В конвертере ТИ 1 происходит поглощение основной части энергии электронов и максимальное тепловыделение. Тепло, выделившееся в нем, отводится с помощью непрерывного потока дистиллированной воды, протекающего через подводящий 12 и отводящий 13 участки канала охлаждения 7 с большой скоростью. При этом с помощью термодатчиков 9 осуществляют контроль температуры в зоне конвертации. Далее, дополнительно поглощается еще некоторая часть энергии электронов, прошедших через конвертер ТИ 1, в уплотнительном элементе 15. Сформированный в конвертере ТИ 1 пучок ТИ проходит через выходной коллиматор 3 и попадает через выходное окно корпуса 11 на выходной фильтр электронного и тормозного излучений 6, который полностью поглощает электронное излучение, прошедшее через мишень ТИ, и формирует пространственное распределение поля ТИ. При этом рассеянное на большие углы ТИ, поглощается в выходном коллиматоре 3 и в радиационной защите 4.
На предприятии разработан и создан макет устройства, на котором проведено моделирование теплового режима работы мишени ТИ электронного ускорителя. Результаты испытаний мишени ТИ приведены на фиг. 3-5. Из анализа фиг. 3 и 4 виден количественный состав ТИ образованного в мишени. Фиг. 5 показывает качество и однородность поля ТИ на расстоянии один метр от мишени. При выходном коллиматоре с углом вершины конуса 20° ТИ на одном метре от мишени образует область диаметром ~300 мм с требуемой однородностью поглощенной дозы ±10%, что существенно отличается от области, формируемой с помощью прототипа. Также увеличилось количество квантов ТИ падающих на единицу поверхности на расстоянии один метр от мишени ТИ. Таким образом, повысилось качество требуемого поля ТИ за счет увеличения однородности поля и количества квантов ТИ на единицу поверхности и увеличился срок службы устройства. Также, за счет помещения мишени в единый корпус с механизмом пространственного перемещения и элементами креплений повысились эксплуатационные возможности устройства.