СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01J19/08 

Изобретение относится к технике использования электронно-лучевых технологий при работе с газообразными веществами и может быть применено в установках для очистки газовых выбросов тепловых электрических станций, металлургических и химических производств, в реакторах при получении веществ из газовой фазы и в других устройствах.

Наиболее близкой к изобретению является установка для очистки газовых выбросов, содержащая 2 ускорителя электронов, расположенных на противоположных стенках реакционной камеры под углами, меньшими 90^o, к ее продольной оси, системы выпуска электронных пучков, первичные и защитные фольги, реакционную камеру, подвижные опоры и шарниры, пазы в корпусе реакционной камеры с уплотнениями.

Недостатки установки:
неоднородность дозы поглощенного электронного излучения, которая не может быть устранена только за счет использования двух электронных ускорителей;
конструктивная сложность установки: требуются перемещения в пространстве массивных (несколько тонн) прецизионных устройств ускорителей электронов.

Целью изобретения является повышение эффективности использования энергии электронного излучения.

Поставленная цель достигается тем, что внутри реакционной камеры создается постоянное магнитное поле. Пучок электронов запускается в реакционную камеру по касательной к начальному участку траектории частицы вдоль направления, поперечного вектору магнитного поля. Величина поля выбирается такой, чтобы исключить возможность попадания электронов, имеющих максимальные энергии, на стенки реакционной камеры, поперечные размеры которой задаются ее назначением.

Для оптимизации процесса с точки зрения облучения пространственно-разнесенных зон газового потока, при различных углах отклонения (развертки) электронов в ускорителе катушки могут располагаться вдоль реакционной камеры не равномерно, создавая различные конфигурации силовых линий магнитного поля. Например, это может быть система со спадом поля на флангах пучка электронов (в зоне, где электроны движутся под большими углами к продольной оси установки) многопробочная конфигурация.

В предложенном устройстве для реализации способа электронно-лучевом реакторе вдоль реакционной камеры по ее периметру расположены катушки для создания внутри камеры постоянного магнитного поля. Патрубок для ввода электронного пучка расположен относительно реакционной камеры таким образом, что пучок электронов входит в реакционную камеру по касательной к начальной ларморовской окружности вдоль направления, поперечного вектору магнитного поля.

На фиг. 1 схематически изображен электронно-лучевой реактор. Он состоит из реакционной камеры 1, системы выпуска электронного пучка 2, первичной и защитной фольги 3, катушек для создания магнитного поля 4, ускорителя электронов 5.

На фиг. 2 приведены расчетные траектории для четырех электронов, влетающих в реакционную камеру с энергией 1,5 МэВ и угловым разбросом ±3^o. Величина однородного постоянного продольного поля внутри камеры В=200 Гс.

На фиг. 3 показаны расчетные кривые потерь энергии dE/dL (кривая 1) и усредненного квадрата угла рассеяния электронов d < A² > /dL (кривая 2) в воздухе при атмосферном давлении вдоль траектории движения электронов в реакционной камере.

Реализация способа облучения и работа устройства происходят следующим образом.

Ускоренные до ультрарелятивистских энергий в ускорителе электронов 5 частицы, проходя через первичную (выпускную) и защитную фольги 3, входят в реакционную камеру 1 по касательной к начальному участку траектории частицы вдоль направления, поперечного вектору магнитного поля, которое создается током, текущим в катушках 4. Электроны в магнитном поле двигаются по ларморовским окружностям с радиусом

где v_p -поперечная магнитному полю компонента скорости электрона,
ларморовская частота вращения электрона,
e заряд электрона,
m масса электрона,
B величина магнитного поля.

Величина B выбирается из условия исключения возможности попадания наиболее энергичных электронов на стенки реакционной камеры. Входной узел камеры с целью уменьшения последствий эффекта рассеяния частиц на защитной фольге 3 может снабжаться системой формирования коллимированного потока электронов.

В реакционной камере находится газ (например, выбросные газы ТЭС). Для электронного пучка, следовательно, внутренний объем реакционной камеры представляет систему с потерями энергии на ионизацию и возбуждение атомов, которые описываются формулой Бете:

где E кинетическая энергия электрона,
v скорость электрона,
N₀ число Авагадро,
ρ плотность среды,
A атомная масса среды,
Z атомный номер среды,
I средний потенциал возбуждения среды,
b=v/c,
c скорость света,
δ поправка на поляризационный эффект.

Траектория заряженной частицы, движущейся с уменьшающейся энергией в магнитном поле, представляет собой сворачивающуюся спираль. На фиг. 2 для примера приведены траектории четырех электронов, влетающих в камеру 1 с энергиями 1,5 МэВ и угловым разбросом ±3^o относительно касательной к начальной ларморовской окружности. Видно, что при большом числе электронов достигается равномерное заполнение треками частиц всего поперечного сечения реакционной камеры 1.

Движение электронов в нейтральном газе сопровождается рассеянием. На пути L усредненный квадрат угла отклонения

где Λ=ln(A_max/A_min),
A_max, A_min максимальный и минимальный углы рассеяния.

Быстрый рост угла отклонения с уменьшением энергии электрона (кривая 2 на фиг. 3) приводит к дополнительной пространственной хаотизации частиц и некоторому уменьшению их числа в конце траектории. Это, однако, не приводит к формированию в реакционной камере 1 зоны в центре с уменьшенным значением поглощенной дозы, так как спад энергии электрона сопровождается увеличением энергетических потерь на единицу длины пути (кривая 1 на фиг. 3).

Таким образом, в результате реализации предлагаемого способа и устройства обеспечивается полное поглощение энергии электронов, вошедших в реакционную камеру 1, в рабочей среде; по всему поперечному сечению реактора устанавливается одинаковая поглощенная доза электронного излучения в газообразном веществе, при этом не требуется введение дополнительных устройств или ускорителей электронов; поперечные размеры реакционной камеры 1 определяются исходя из газодинамического расхода очищаемого газа и условий конкретного производства, дополнительные ограничения на размер с введением электронно-лучевого реактора не вносятся; работоспособность реактора при изменении поперечных размеров обеспечивается изменением величины магнитного поля; продольные размеры зоны облучения задаются исходя из необходимых доз поглощения излучения изменением начального угла отклонения электронов в ускорителе 5; с целью выбора оптимальных условий облучения в электронно-лучевом реакторе допускается возможность создания пространственно-разнесенных зон с разными значениями поглощенной дозы. Это достигается изменением конфигурации магнитных силовых линий вдоль газового потока, например созданием многопробочной конфигурации магнитного поля.

Изобретение может быть использовано для обеспечения возможности инициирования и протекания радиационно-химических реакций в газовых и паро-газовых средах при очистке газовых выбросов металлургических и химических производств. Сущность изобретения: электронное излучение вводится в реакционную камеру, внутри которой создано постоянное магнитное поле, направление которого поперечно траектории электронов. Движение заряженной частицы в рабочей среде сопровождается потерями энергии на ионизацию и возбуждение атомов. Траектория электронов, влетающих в камеру по касательной к начальной ларморовской окружности, сворачивается в спираль. Обеспечиваются полное поглощение энергии излучения в рабочей среде и одинаковые дозы поглощения по всему поперечному сечению реакционной камеры. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ облучения газовых сред пучком электронов, основанный на взаимодействии ускоренных электронов с рабочим газом при введении частиц через выпускную и защитную фольги в электронно-лучевой реактор по образующей реакционной камеры, размер которой выбирается из условия полного поглощения энергии электронов в реакторе, отличающийся тем, что внутри реакционной камеры создают постоянное магнитное поле, а пучок электронов вводят в реакционную камеру по касательной к начальной ларморовской окружности вдоль направления, поперечного вектору магнитного поля. 2. Устройство для облучения газовых сред пучком электронов, содержащее ускоритель электронов, систему выпуска электронного пучка с первичной фольгой, реакционную камеру, заполненную рабочим газом, с защитной фольгой, отличающееся тем, что по периметру реакционной камеры вдоль газового потока расположены катушки для создания внутри камеры постоянного магнитного поля. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система выпуска электронного пучка расположена вдоль образующей реакционной камеры, а продольная ось системы выпуска расположена на расстоянии от центральной плоскости реакционной камеры, равном величине начального ларморовского радиуса электронов.