УСТАНОВКА ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК A61L2/08 

Изобретение относится к области медицины. Оно может быть использовано для стерилизации медицинских инструментов, имплантируемых изделий и материалов. Оно может быть использовано также для радиационной полимеризации, для радиационной модификации полиэтилена и других полимеров, а также для исследований воздействия радиации на свойства различных материалов.

Уровень техники
Радиационная обработка с помощью пучка ускоренных электронов является высокопроизводительным, надежным и экологически чистым способом стерилизации изделий и материалов. Она широко применяется также и в других областях радиационной технологии.

Для радиационной обработки используются различные конструкции установок, каждая из которых содержит ускоритель электронов, устройство развертки пучка в плоскости, биологическую защиту персонала от ионизирующего излучения, транспортное устройство для обрабатываемых изделий. Существующие установки, в которых используются электроны высоких энергий (порядка 1 мегаэлектронвольт и выше), обычно располагаются в специальных помещениях, где защитой служат бетонные стены толщиной до 2,8 м. Они занимают большие производственные площади, требуют строительства специализированного бункера и имеют высокую стоимость. Установки для радиационной обработки, использующие электроны с энергиями порядка сотен килоэлектронвольт, могут иметь "индивидуальную" биологическую защиту, которая выполнена в виде толстостенного металлического контейнера, внутри которого располагаются ускоритель и одно или несколько облучаемых изделий. Сложной задачей при разработке установок с "индивидуальной" защитой является обеспечение допустимой дозы ионизирующего излучения снаружи защиты. Обычно мощность дозы в зоне облучения превышает мощность дозы снаружи защиты, допускаемую санитарными нормами для обслуживающего персонала, приблизительно в 10⁷ раз.

Наиболее близкой по технической сущности является установка типа "Электрон IIIM" (М.П.Свиньин. Расчет и проектирование высоковольтных ускорителей электронов для радиационной технологии. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.). Установка содержит ускоритель электронов, высоковольтный генератор для его питания и устройство развертки пучка, расположенные в одном корпусе. Биологическая защита охватывает также часть транспортного устройства для обрабатываемых изделий, которые движутся в направлении, перпендикулярном плоскости развертки пучка. Соединение биологической защиты с транспортным устройством, обеспечивающее минимальные зазоры и малую радиационную дозу вне установки, представляет собой сложную проблему, которая решается в каждом конкретном случае с помощью специальных элементов конструкции - ступенчатых лабиринтов, кольцевых барабанов, защитных выступов, заслонок, флажков и т.п. Эти элементы, также как и устройство развертки пучка с системой его питания, усложняют конструкцию установки и делают ее громоздкой. Кроме того, в указанной системе принципиально невозможно полностью исключить зазоры в контейнере биологической защиты и свести радиационную дозу вне установки к уровню окружающего фона, т.е. сделать установку полностью экологически чистой.

Сущность изобретения.

Актуальной проблемой в настоящее время является создание установки для радиационной обработки с помощью пучка ускоренных электронов, которая была бы компактной, надежной, удобной в работе и экологически чистой. Желательно, чтобы установка могла располагаться в любом помещении предприятия без специальных конструкций для защиты обслуживающего персонала, что дает значительную финансовую экономию за счет отсутствия строительных работ. Указанная проблема решается с помощью данного изобретения.

Техническим результатом изобретения является установка для радиационной обработки изделий и материалов, содержащая ускоритель электронов, который содержит катод, формирующий электрод и фольговое выпускное окно; вакуумный насос; биологическую защиту в виде металлического контейнера; устройство подачи обрабатываемого объекта в зону облучения; устройство питания и управления, причем фольговое выпускное окно имеет размеры, большие, чем размеры обрабатываемого объекта; устройство подачи содержит каретку и привод для ввода каретки в зону облучения, фиксации ее в этом положении на время сеанса облучения и вывода из зоны облучения; устройство питания и управления содержит импульсный модулятор с трансформатором для импульсного питания ускорителя электронов и устройство для включения пучка электронов на время сеанса облучения и выключения его на время вывода, загрузки и ввода каретки. Ускоритель выдает пучок электронов, распределенный по всей плоскости выпускного окна. Для этого он содержит катод и формирующий электрод, который разбрасывает электроны по большой площади. Разбрасывание электронов осуществляется за счет сил кулоновского расталкивания электронов. Для усиления расталкивания используется импульсный режим работы ускорителя. Каретка с обрабатываемым объектом вводится в металлический контейнер биологической защиты через окно, после чего окно полностью закрывается крышкой, а устройство питания и управления включает пучок электронов.

Установка может содержать ускоритель электронов, выполненный в виде неразъемного блока, единого с вакуумным насосом. Такая конструкция ускорителя позволяет уменьшить размеры и вес установки, а также снизить потребляемую мощность электропитания.

Установка может содержать ускоритель электронов, содержащий два или более катодов с формирующими электродами. Это решение позволяет улучшить равномерность распределения пучка электронов по площади выпускного окна и зоны облучения.

Установка может содержать два или более ускорителей электронов. Ускорители могут быть установлены вплотную один к другому так, что их пучки электронов в зоне облучения перекрываются без зазоров. Это решение дает возможность увеличить общую площадь зоны облучения и размеры обрабатываемых объектов.

Перечень фигур чертежей.

Фиг. 1. Установка для радиационной обработки изделий и материалов.

Фиг. 2. Установка для радиационной обработки изделий и материалов, содержащая ускоритель электронов с двумя катодами и двумя формирующими электродами.

Фиг. 3. Установка для радиационной обработки изделий и материалов, содержащая два ускорителя электронов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Установка для радиационной обработки изделий и материалов, показанная на фиг. 1, содержит следующие основные элементы:
- ускоритель электронов, включающий катод 1, формирующий электрод 2, катодную ножку 3, изолятор 4, корпус 5, фольговое выпускное окно 6;
- вакуумный насос 7;
- биологическую защиту, которая включает металлический контейнер 8 с окном, закрываемым крышкой 9;
- устройство подачи, которое включает каретку 10 с обрабатываемым изделием 11 и привод, содержащий зубчато-реечную передачу 12 и электродвигатель с редуктором 13;
- устройство питания и управления, которое содержит импульсный трансформатор 14, импульсный модулятор 15, блок управления 16.

Ускоритель электронов содержит один ускоряющий зазор - между катодом 1 и выпускным окном 6, которое играет роль анода. Фольговое выпускное окно служит для выпуска электронов из вакуума в воздух. Чтобы минимизировать размеры установки, необходимо снижать напряжение на ускорителе электронов, поэтому фольга должна иметь минимальную толщину и быть выполнена из материала с малой плотностью (алюминия или титана). Размеры выпускного окна должны быть достаточно большими, чтобы выведенный электронный пучок полностью облучал обрабатываемое изделие. Формирующий электрод 2 кольцевой формы служит для получения необходимого распределения электрического поля в прикатодной области, которое обеспечивает формирование электронного пучка, расходящегося на всю площадь фольгового выпускного окна. Высоковольтный изолятор 4 имеет коническую форму и удален от ускоряющего зазора, чтобы на него не попадали электроны. Внутри катодной ножки 3 находятся провода, по которым подается ток накала катода. Корпус 5 ускорителя является вакуумплотным.

Вакуумный насос 7 служит для получения и поддержания высокого вакуума в ускорителе.

Биологическая защита выполнена в виде металлического контейнера 8, изготовленного из толстого листового металла, например, свинца, который обладает высокой эффективностью поглощения ионизирующего излучения. Толщина стенок контейнера обеспечивает величину дозы ионизирующего излучения на наружной поверхности, не превышающую допустимого для персонала значения. Контейнер может быть выполнен из нескольких частей, у которых толщина стенок может быть различной. Контейнер охватывает ускоритель электронов, вакуумный насос и зону облучения, в которой находится каретка с обрабатываемым изделием. Он имеет окно для ввода каретки, которое закрывается крышкой 9, имеющей толщину, приблизительно равную толщине стенок контейнера.

Устройство подачи содержит каретку 10 и привод, который обеспечивает возвратно-поступательное движение каретки с помощью электродвигателя с редуктором 13 и зубчато-реечной передачи 12. Привод имеет концевые выключатели, которые служат для фиксации каретки с обрабатываемым изделием в положении загрузки и в положении облучения.

Импульсный модулятор 14 служит для создания импульсного напряжения, а импульсный трансформатор 15 - для его повышения и подачи на катод ускорителя электронов. Блок управления 16 служит для управления движением каретки, а также для включения пучка электронов на время сеанса облучения и выключения его на время вывода, загрузки и ввода каретки.

Установка, показанная на фиг. 1, работает следующим образом. Обрабатываемое изделие укладывается на каретку, находящуюся снаружи металлического контейнера, затем привод, управляемый блоком управления, вводит каретку в зону облучения и останавливает под фольговым выпускным окном. При движении каретки крышка в металлическом контейнере открывается, а после ее прохода - закрывается. Во время загрузки и подачи каретки в зону облучения импульсный модулятор выключен и пучка электронов нет, но ток накала подан и катод разогрет. После остановки каретки под выпускным окном блок управления включает импульсный модулятор, который подает импульсы низкого напряжения на первичную обмотку импульсного трансформатора, а со вторичной обмотки трансформатора подаются импульсы высокого напряжения на катодную ножку ускорителя. Катод эмитирует электроны, которые ускоряются, проходят через фольговое выпускное окно и облучают обрабатываемое изделие. По окончании сеанса облучения блок управления выключает импульсный модулятор и включает привод, который выводит каретку из металлического контейнера.

Ускоритель электронов может быть выполнен в виде неразъемного блока, единого с вакуумным насосом. В этом случае вакуумная откачка ускорителя осуществляется непосредственно на заводе-изготовителе, а функции вакуумного насоса сводятся к поддержанию вакуума во время работы ускорителя. Малые размеры вакуумного насоса и отсутствие разъемных соединений позволяют создать весьма компактную установку, а также уменьшить мощность, потребляемую вакуумным насосом.

На фиг. 2 показана установка для радиационной обработки, в которой ускоритель электронов содержит два катода. Второй катод 17 с формирующим электродом 18 расположен на таком расстоянии от первого катода 1 и формирующего электрода 2, что их электронные пучки перекрываются после выхода из общего выпускного окна 6, создавая непрерывное поле облучения. Применение ускорителя с несколькими катодами позволяет улучшить равномерность распределения пучка электронов по площади выпускного окна и зоны облучения.

На фиг. 3 показана установка для радиационной обработки, содержащая два ускорителя электронов. Второй ускоритель, также как и первый, содержит катод 19, формирующий электрод 20, катодную ножку 21, изолятор 22, корпус 23, фольговое выпускное окно 24. Его откачка производится вакуумным насосом 25. Размеры и расположение ускорителей выбраны таким образом, что их электронные пучки после выхода из выпускных окон перекрываются, образуя непрерывное поле облучения. Ускорители запитываются и управляются от единого блока питания и управления. Каждый из ускорителей может иметь несколько катодов. Применение нескольких ускорителей дает возможность увеличить площадь зоны облучения и размеры обрабатываемых объектов.

Изобретение относится к области радиационной технологии и может быть использовано для модификации полимеров, стерилизации медицинских изделий, исследований воздействия радиации на свойства материалов. Радиационная обработка производится пучком ускоренных электронов. Установка содержит ускоритель электронов с фольговым выпускным окном, размеры которого больше, чем размеры обрабатываемого объекта. Устройство подачи содержит каретку и привод для ввода каретки в зону облучения, фиксации ее на время сеанса облучения и вывода. Устройство питания и управления содержит импульсный модулятор с трансформатором для импульсного питания ускорителя и устройство для включения пучка электронов. Применение изобретения позволяет создать компактную, надежную и удобную в эксплуатации установку широкого назначения. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Установка для радиационной обработки изделий и материалов, содержащая ускоритель электронов, который содержит катод, формирующий электрод и фольговое выпускное окно, вакуумный насос, биологическую защиту в виде металлического контейнера, устройство подачи обрабатываемого объекта в зону облучения, устройство питания и управления, отличающаяся тем, что фольговое выпускное окно имеет размеры большие, чем размеры обрабатываемого объекта, устройство подачи содержит каретку и привод для ввода каретки в зону облучения, фиксации ее в этом положении на время сеанса облучения и вывода из зоны облучения, устройство питания и управления содержит импульсный модулятор с трансформатором для импульсного питания ускорителя электронов и устройство для включения пучка электронов на время сеанса облучения и выключения его на время вывода, загрузки и ввода каретки. 2. Установка для радиационной обработки изделий и материалов по п.1, отличающаяся тем, что ускоритель электронов выполнен в виде неразъемного блока, единого с вакуумным насосом. 3. Установка для радиационной обработки изделий и материалов по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ускоритель электронов содержит два или более катодов с формирующими электродами. 4. Установка для радиационной обработки изделий и материалов по любому из пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что установка содержит два или более ускорителей электронов.