ИСТОЧНИК ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G21K5/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц, рентгеновского и тормозного излучения. Источники проникающего излучения, основанные на использовании пучков ускоренных электронов, могут быть применены для создания комплексов таможенной инспекции крупногабаритных грузов - морских и автомобильных контейнеров, автофургонов и т. п. Они также могут быть применены для создания установок для радиографического контроля толстостенных металлических объектов - котлов, турбин и др.

Уровень техники

Возросший объем грузоперевозок в автофургонах и контейнерах требует создания комплексов для быстрого неразрушающего контроля крупногабаритных грузов. Наиболее перспективным способом контроля является способ рентгенографической инспекции объектов. Комплекс рентгенографической инспекции содержит источник проникающего излучения, транспортер для движения инспектируемого объекта, систему детекторов излучения, прошедшего через инспектируемый объект, а также аппаратуру обработки сигналов с детекторов и формирования изображения для оператора.

Способность контроля крупногабаритных объектов характеризуется проникающей способностью излучения, которая определяется толщиной стального листа, за которым еще видны детали объекта. Для контроля подавляющего большинства крупногабаритных грузов считается достаточным иметь проникающую способность по стали около 350 мм.

Источник излучения, обладающего большой проникающей способностью, обычно содержит следующие устройства: инжектор пучка электронов; ускоритель электронов; конверсионную мишень для преобразования энергии пучка ускоренных электронов в тормозное излучение; коллиматор излучения, формирующий узкий веерообразный луч. С целью защиты обслуживающего персонала от радиации источник проникающего излучения должен находиться внутри радиационной защиты. Кроме того, защита ослабляет паразитное излучение, которое может попасть на детекторы, минуя инспектируемый объект.

Инспекционный комплекс может содержать либо общую защиту в виде здания с толстыми стенами из железобетона, либо локальную защиту источника излучения, изготовленную из металла. Второй вариант является наиболее перспективным, так как в этом случае значительно снижаются объем и стоимость капитальных сооружений инспекционного комплекса за счет уменьшения толщины стен защитных сооружений и размещения всего оборудования комплекса в том же помещении, где располагается источник излучения.

Использование локальной радиационной защиты ведет к появлению специфических требований к характеристикам ускорителя электронов, основным из которых является то, что ускоритель электронов должен иметь по возможности малые габариты, чтобы минимизировать размеры и вес радиационной защиты.

Источник проникающего излучения с локальной биологической защитой описан в работе L.Yuzheng. "3 Types of Linacs for Customs Large Container Inspection Application", Proceedings of 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, pp. 2808-2810, 2001. Один из представленных в ней источников может рассматриваться как прототип. Он содержит компактный линейный ускоритель электронов со стоячей волной, выполненный в виде резонатора, содержащего 6 ускоряющих ячеек. Источник имеет комбинированную радиационную защиту, содержащую оболочку вокруг ускорителя электронов, изготовленную из вольфрама, с ослаблением радиации 10⁴, и бетонные стены с небольшой толщиной. Ускоритель имеет энергию ускоренных электронов 6 мегаэлектронвольт (МэВ) и среднюю мощность пучка электронов около 0,5 кВт. Комплекс применяется для инспекции только контейнеров малых и средних размеров, так как максимальная толщина просвечивания по стали не превышает 250 мм, что недостаточно для просвечивания контейнеров больших размеров и автофургонов.

Для получения толщины просвечивания по стали 350 мм и приемлемой производительности инспекционного комплекса необходимо иметь энергию электронов на выходе ускорителя от 7 до 10 МэВ и мощность пучка электронов на конверсионной мишени не менее 1 кВт. Однако увеличение мощности пучка и энергии ускоренных электронов в известном источнике проникающего излучения ограничено следующими причинами.

В компактном линейном ускорителе группировка пучка электронов в сгустки, ускорение сгустков и фокусировка пучка осуществляются электромагнитным полем в резонаторе, а специальные устройства фокусировки пучка не применяются. Обычно группируется в сгустки, захватывается в режим ускорения и доводится до выхода ускорителя относительно малое количество электронов - от 10 до 20% от количества электронов, инжектируемых в резонатор. Чтобы увеличить коэффициент захвата и уменьшить размеры ускорителя, приходится повышать напряженность электромагнитного поля в резонаторе до предельных величин, которые ограничиваются только опасностью возникновения электрических пробоев.

Поскольку фокусировка пучка в компактном ускорителе осуществляется переменным электромагнитным полем, фокусирующие силы зависят от времени. Разные части пучка, проходящие через зазоры резонатора в разные фазы электромагнитного поля, испытывают действие различных фокусирующих сил. Часть пучка, которая проходит через зазоры в фазе максимального фокусирующего поля, испытывает действие очень больших фокусирующих сил, что приводит к сильной перефокусировке этой части пучка. В то же время некоторые части пучка фокусируются значительно слабее. По этим причинам пучок ускоренных электронов на выходе ускорителя имеет специфическое распределение по поперечному сечению: значительная часть ускоренных электронов находится в центре, занимая очень малую область с диаметром порядка 0,1-0,2 мм, а часть электронов расходится довольно широко, образуя ореол пучка с большим диаметром (порядка 3-10 мм). Поскольку электроны в центре могут прожечь мишень, это препятствует созданию источника с большой мощностью. Например, при мощности пучка ускоренных электронов 1 кВт расчетная температура в центре мишени значительно превышает температуру плавления материала мишени. Другим недостатком является то, что ореол пучка с большим радиусом вызывает размывание изображения на экране и ухудшение разрешающей способности инспекционного комплекса.

Таким образом, пучок ускоренных электронов на выходе компактного линейного ускорителя известной конструкции плохо подходит для использования его в источниках проникающего излучения. Это затрудняет создание мощных источников проникающего излучения с локальной радиационной защитой, предназначенных для инспекционных комплексов.

Сущность изобретения

Актуальной проблемой в настоящее время является создание источника проникающего излучения, имеющего локальную радиационную защиту и позволяющего получать излучение с высокой проникающей способностью и большой мощностью.

Указанная проблема решается следующим образом. Источник проникающего излучения содержит инжектор пучка электронов, компактный линейный ускоритель электронов, конверсионную мишень, локальную радиационную защиту с коллиматором излучения, устройства питания. Инжектор пучка электронов содержит термоэмиссионный катод с подогревателем. Электрическое поле в инжекторе формирует пучок электронов и инжектирует его в ускоритель. Линейный ускоритель электронов содержит резонатор, выполненный в виде бипериодической цепочки связанных ячеек. Электромагнитное поле в ячейках группирует электроны инжектируемого пучка в сгустки, ускоряет и фокусирует их. Пучок ускоренных электронов попадает на конверсионную мишень, в которой его энергия превращается в тормозное излучение. Инжектор, ускоритель и мишень окружены локальной радиационной защитой, выполненной из металла, например чугуна. В защите прорезано отверстие в виде узкой щели, которое играет роль коллиматора. Тормозное излучение выходит из него в виде узкого веерообразного луча, который попадает на инспектируемый объект.

Чтобы сформировать, ускорить и довести до мишени пучок электронов с заданным радиусом и достаточно равномерным распределением по сечению, пучок должен иметь определенный фазовый портрет. Он характеризуется величиной эмиттанса пучка, который определяется как интеграл от функции распределения пучка в поперечном фазовом пространстве (т.е. по поперечным координатам и импульсам частиц) по всему поперечному фазовому пространству. Для получения нужной величины эмиттанса электроны должны иметь азимутальные поперечные составляющие скорости, направленные по касательным к окружностям вокруг оси ускорителя. В этом случае фокусирующие силы электромагнитного поля в резонаторе не смогут свести все частицы пучка на ось, какими бы сильными эти силы ни были. Электроны пучка должны получить требуемые азимутальные составляющие скоростей в инжекторе до входа в ускоряющий резонатор. Тогда пучок электронов проходит вдоль всего резонатора, приблизительно сохраняя тот радиус, с которым он вошел в резонатор.

Азимутальные составляющие скоростей электронов в инжекторе могут быть получены путем внесения неоднородностей на катоде. С этой целью на катод необходимо наложить маску, в частности, в виде сетки. Сетка может иметь различные формы ячеек, но важно, чтобы размеры каждой из ячеек были намного меньше, чем диаметр катода. Маска из токопроводящего материала изменяет распределение электрического поля около поверхности катода и создает поперечные составляющие поля и, как результат, поперечные составляющие скоростей электронов. Кроме того, маска закрывает некоторые участки катода, из-за чего эмиссия с катода становится неравномерной, что также создает поперечные составляющие скоростей электронов. В результате пучок входит в ускоряющий резонатор, имея азимутальные составляющие скоростей электронов, испытывает действие центробежных сил, препятствующих его перефокусировке. Чтобы пучок ускорялся в резонаторе, сохраняя постоянный или мало изменяющийся радиус, необходимо соответствующим образом подобрать размеры ячеек резонатора и амплитуды электромагнитных полей в них, в частности длины ячеек должны соответствовать фазовой скорости электронов, которая увеличивается по мере их ускорения.

Кроме того, дополнительные азимутальные составляющие скоростей электронов могут быть получены путем создания локального продольного магнитного поля в области катода. Магнитное поле может быть образовано с помощью катушки с током, расположенной сверху катода. Электроны пучка, образованного на таком катоде, обладают азимутальными компонентами обобщенного момента импульса, которые при выходе из области магнитного поля создают азимутальные составляющие скоростей электронов. Этот способ может оказаться удобным для оперативной регулировки радиуса пучка при работе ускорителя, которая осуществляется путем изменения тока в катушке.

Перечень фигур

Фиг.1 - источник проникающего излучения, в котором инжектор электронов содержит термоэмиссионный катод с маской в виде сетки.

Фиг.2 - катодная маска в виде сетки с квадратной формой ячеек (увеличено).

Фиг.3 - катодная маска в виде сетки с радиально-кольцевой формой ячеек (увеличено).

Фиг.4 - источник проникающего излучения, в котором инжектор электронов дополнительно содержит катушку с током для создания магнитного поля на катоде.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Источник проникающего излучения, показанный на фиг.1, содержит следующие устройства:

- инжектор пучка электронов, содержащий термоэмиссионный катод 1 с маской 2, подогреватель 3 и высоковольтный изолятор 4;

- линейный ускоритель электронов, содержащий резонатор в виде цепочки связанных ячеек 5-11 и волноводный фидер 12;

- конверсионная мишень 13;

- локальная радиационная защита 14;

- коллиматор тормозного излучения 15;

- система питания (на чертеже не показана).

Термоэмиссионный катод инжектора имеет вогнутую форму с целью фокусировки пучка электронов (поз.16) в плоскости анода инжектора, которым является входная стенка резонатора. На катод наложена маска, выполненная в виде сетки, также имеющей вогнутую форму. Ячейки сетки могут иметь различную форму. На фиг.2 показана в увеличенном виде маска в виде сетки с квадратной формой ячеек, а на фиг.3 - с радиально-кольцевой формой ячеек. Толщина сетки и размеры ячеек подбираются расчетным или экспериментальным путем для получения требуемой величины эмиттанса, а также тока пучка.

Резонатор, выполненный в виде бипериодической структуры, содержит ускоряющие ячейки 5, 7, 9, 11 и ячейки связи 6, 8, 10. Длина ускоряющих ячеек нарастает вдоль направления движения пучка электронов в соответствии с ростом скорости электронов примерно по закону βλ/2, где λ - длина волны электромагнитного поля в свободном пространстве, β=ν/c - относительная скорость частиц пучка, ν - скорость частиц, с - скорость света. Ячейки имеют электромагнитную связь между собой с помощью окон связи. Форма ячеек оптимизирована, в частности в ускоряющих ячейках на оси сделаны выступы с целью концентрации электрического поля, а длина ячеек связи выбрана минимальной и одинаковой во всем резонаторе. Волноводный фидер служит для присоединения питающего высокочастотного генератора.

Конверсионная мишень содержит пластину из вольфрама, обладающего высоким коэффициентом конверсии энергии электронов в тормозное излучение, и подложку из меди, которая предназначена для улучшения отвода тепла от вольфрамовой пластины. Локальная радиационная защита окружает инжектор, ускоритель и мишень. Она изготовлена из металла, например чугуна. Толщина защиты определяется из условий обеспечения радиационной безопасности персонала, в частности толщина больше в тех местах, где больше мощность тормозного излучения. В радиационной защите имеется длинная узкая щель, играющая роль коллиматора излучения.

Источник проникающего излучения работает следующим образом. От системы питания на катод инжектора подается высокое напряжение отрицательной полярности, создающее в зазоре "катод-анод" инжектора электрическое поле, которое вытягивает пучок электронов с катода, предварительно ускоряет и фокусирует его. Маска на катоде создает неоднородности электрического поля у катода и закрывает некоторые участки катода, в результате чего электроны пучка, кроме продольной составляющей скорости, имеют также поперечные азимутальные составляющие скорости. От системы питания по волноводному фидеру в линейный ускоритель электронов подается высокочастотная мощность, которая возбуждает в ячейках резонатора электромагнитное поле. Ячейки резонатора настроены на расчетные резонансные частоты за счет соответствующего выбора их геометрических размеров. Эта настройка обеспечивает установление в резонаторе стоячей π/2-волны, при которой электрические поля в соседних ускоряющих ячейках находятся в противофазе, а амплитуды полей соответствуют расчетному закону. Продольная составляющая электрического поля в ячейке 5 ускоряет только те электроны инжектируемого пучка, которые попали в положительную полуволну высокочастотных колебаний. Поэтому в ячейку 7 поступают сгустки, следующие с частотой питания резонатора. Одновременно радиальная составляющая электрического поля производит фокусировку электронов, однако они не сходятся к оси, а вращаются вокруг нее, так как имеют азимутальные составляющие скорости. Продольные размеры ячеек и амплитуды полей в них подобраны таким образом, что в ячейке 7 и последующих ячейках резонатора сгустки электронов уменьшают свою фазовую протяженность и становятся все более компактными, одновременно повышая энергию, т.е. ускоряясь. Пучок ускоренных электронов попадает на конверсионную мишень, в которой его энергия превращается в тормозное излучение. Это излучение через коллиматор выходит из локальной радиационной защиты в виде узкого веерообразного луча (поз.17) и попадает на инспектируемый объект.

На фиг.4 показан источник проникающего излучения с дополнительной катушкой (поз.18), расположенной соосно с катодом. Катушка с током создает продольное магнитное поле в области катода, дополнительно к электрическому полю, создаваемому в зазоре инжектора системой питания. Магнитное поле сосредоточено вблизи катода. Электроны, вытягиваемые с катода, обладают азимутальной компонентой обобщенного момента импульса и, выходя из области с магнитным полем, получают азимутальные поперечные скорости. Пучок входит в ускоряющий резонатор, испытывая действие центробежных сил, компенсирующих избыточную фокусировку сильным электромагнитным полем, и ускоряется в резонаторе, сохраняя радиус пучка мало изменяющимся. Изменяя величину тока в катушке, можно изменять индукцию магнитного поля в области катода и таким образом оперативно регулировать радиус пучка электронов в ускорителе и на конверсионной мишени.

В приведенных конструкциях источника радиус пучка и распределение электронов по сечению пучка сохраняются в процессе ускорения близкими к тем, которые они имели при инжекции пучка в ускоритель. Это дает возможность подобрать параметры пучка ускоренных электронов таким образом, чтобы, с одной стороны, радиус пучка был не слишком малым и пучок не прожигал конверсионную мишень даже при большой мощности, а с другой стороны, радиус пучка был не слишком большим, чтобы получить хорошую разрешающую способность инспекционного комплекса. Таким образом, источник излучения с локальной радиационной защитой обладает большими величинами проникающей способности и мощности излучения, которые необходимы для создания комплексов рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов с высокой производительностью.

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц, рентгеновского и тормозного излучения, а именно к источникам проникающего излучения, и может быть применено для создания комплексов таможенной инспекции крупногабаритных грузов, также установок для радиографического контроля толстостенных металлических объектов. Источник проникающего излучения содержит инжектор пучка электронов, контактный линейный ускоритель электронов, конверсионную мишень, локальную радиационную защиту с коллиматором излучения, устройства питания. Инжектор электронов содержит термоэмиссионный катод с маской, выполненной в виде металлической сетки, и дополнительно может содержать катушку с током для создания магнитного поля на катоде. Линейный ускоритель электронов содержит резонатор, выполненный в виде бипериодической цепочки связанных ячеек с длиной ускоряющих ячеек, нарастающей от начала к концу ускорителя. Технический результат - источник производит излучение с высокой проникающей способностью и большой мощностью. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Источник проникающего излучения, содержащий инжектор пучка электронов, линейный ускоритель электронов, конверсионную мишень для преобразования энергии электронов в тормозное излучение, локальную радиационную защиту с коллиматором излучения, устройства питания, отличающийся тем, что инжектор электронов содержит термоэмиссионный катод с маской, выполненной в виде сетки, которая изготовлена из токопроводящего материала, наложена на катод вплотную и электрически соединена с ним, а линейный ускоритель электронов содержит резонатор, выполненный в виде бипериодической цепочки связанных ячеек с нарастающей вдоль направления движения электронов длиной ускоряющих ячеек.2. Источник проникающего излучения по п.1, отличающийся тем, что инжектор электронов содержит катушку с током, которая расположена соосно с катодом и служит для создания магнитного поля на катоде.