Выпускное окно ускорителя электронов Советский патент 1983 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к ускорителям электронов с выводом пучка ускоренных электронов в атмосферу через фольгу.

Для современных радиационно-химических процессов, реализованных с помощью ускорителей, входящих в состав оборудования автомагических линий в текстильной, кабельной и автомобильной промышленности, характерно использование пучков ускоренных электронов повышенной мощности для достижения номинальной производительности линии, определяемой скоростью других (нерадиационных) процессов комплексного технологического цикла Cl 3.

Основными факторами (при используемых для указанных технологичёских целей энергиях пучка I МэВ) ограничивающими мощность выводимого из ускорителя пучка, являются неравномерности распределения электронного потока по апертуре выпускного окна и рабочая температура фольги. Равномерное распределение Электронного потока может быть достигнуто рядом приемов, например применением продольно-поперечной развертки пучка. Рабочая температура фольги может быть повышена улучшением эффективности охлаждения, например охлаждением наружной поверхности фольги потоком газа.

Известна конструкция выпускного окна ускорителя электронов, содержащая решетку с опорными элементами в виде стержней из материала с большим коэффициентом теплопроводимости расположенных поперек длинной стороны окна с заданной геометрической прозрачностью, и фольгу из алюминия Обычно окно изготавливается из сплавов алюминия и титана толщиной 1550 мкм, а опорные решетки - из меди 2 .

Алюминиевые окна в таких конструкциях имеют преимущество в связи с меньшим поглощением энергии, что особенно важно при использовании в радиационных процессах ускорителей низкой энергии (например, ниже 500 кэВ). Конструкции известных устройств должны удовлетворять противоречивым требованиям по обеспечению достаточной механической прочности системы фольга - решетка от атмосферного давления и теплового воздействия, а также минимального поглощения выводимого пучка. Наличие противоречивых требований к элементам выпускного окна требует для повышения его термической стойкости оптимизации выбора соотношения геометрических размеров указанных :алементов.

Определенная связь размеров элементов решетки ограничивает вариации их абсолютных размеров, особенно при использовании в известных конструкциях плоской решетки, так

как возникают дополнительные ограничения, связанные с ограниченной жесткостью круглых стержней в направлении действия на окно атмосферного давления.

0 Целью изобретения является повышение механической прочности и повышение термической стойкости окна путем оптимизации соотношения геометрических размеров его элементов.

5 Поставленная цель достигается тем, что контактные поверхности опорных элементов выполнены по радиусу в поперечном сечении окна, причем радиус кривизны более радиуса кривизны свободного прогиба фольги без опорных элементов под атмосферным давлением, а размеры элементов опорной решетки связаны следующими

соотношениями

а

-J- 0,15 + 0,4 и - 0,03 + 0,05, 25 . Е -- . -,-

где Ь - расстояние между опорными элементами;

2 - длина опорных .элементов; сЗ - диаметр опорных элементов; Д - толщина фольги.

На фиг. 1 изображено выпускное окно, разрез; на фиг. 2 - геометрия элементов опорной решетки; на фиг. 3температурные кривые.

На фланец 1 вакуумной камеры ускорителя через уплотнитель 2 установлен промежуточный фланец 3 с рамкой 4 и опорными элементами 5. По внешнему контуру рамка снабжена каналами б для циркуляции охлаждающей жидкости. С помощью прижимного фланца 7 через уплотнитель 8 фольга 9 вакуумноплотно отделяет атмосферу от вакуумного объема камеры ускорителя. Необходимое. усилие уплотнения осуществляется болтами 10.

Опорные элементы 5 промежуточного фланца 3 (выполненного плоским) имеют со стороны фольги 9 вогнутую поверхность с радиусом кривизны f , причем этот радиус кривизны больше, чем радиус, кривизны р свободного прогиба под атмосферным давлением фольги (показан пунктиром) без опорных элементов.

Подбор геометрических размеров элементов опорной решетки и толщины фольги был проведен исходя из условия максимально достигаемого

(по технологическим возможностям) коэффициента прозрачности, который в большинстве конструкций равен 0,3-0,85. Для изготовления опорных элементов решетки обычно используют-.

ся стесжни круглого сечения, так

как потери тока ускоренных электронов при таком профиле сечения стержней не зависят от угла падения электронов на них.

При заданном коэффициенте прозрачности, т.е. когда по условиям механической прочности определен диаметр и шаг опорных элементов решетки, было определено соотношение длины стержня к их шагу вдоль окна из условия обеспечения максимальной теплопередачи от точки -на поверхности фольги, находящейся в центре ячейки опорной решетки. Известно, что температура этой точки определяется перепадом температур по участкам фольга-стержень и стержень-рамка при этом длина первого участка задана, поскольку она определяется в основном достигнутой геометрической прозрачностью.

Длина второго участка непосредственно связана с длиной стержня, т.е. с шириной окна. Увеличение ширины окна при данном суммарном токе электронов приводит к снижению удельного тока электронов на единицу пло1Дс1Ди фольги и, следовательно, к снижению количества тепла, вьоделяющегося в единице площади фольги. Однако.дувеличения длины стержня ограничено условиями механической прочности и теплоотвода, так как это приводит к снижению количества тепла, отводимого на участке стержень - рамка. При уменьшении ширины окна уменьшается длина опорных элементов и, следовательно, уменьшается их тепловое сопротивление. Но при этом возрастает удельный ток электронов на единицу площади фольги и, следовательно, перепад температуры вдоль фольги. Поэтому температура указанной точки фольги как

функция геометрических размеров, имеет минимум при определенном отношении длины стержня к расстоянию между ними.

На фиг. 3 изображены графики перепадов температуры вдоль фольги и опорных элементов в зависимости от их длины. Температура фольги выпускного окна растет в первом приближении линейно с увеличением удел ного тока электронов. Удельный же ток электронов, при данном суммарном т:оке, зависит обратно пропорционально от длины стержня, что приводит к уменьшению перепада температуры вдоль фольги при увеличении ширины выпускного окна и, следовательно, длины опорных элементов, В то же время при увеличении длины опорных элементов линейно растет их тепловое сопротивление, что в результате приводит к росту перепада температуры вдоль опорных элементов при увеличении их длины (кривая 1). Кроме того, при увеличении длины опорных элементов из-за уменьшения удельного тока электронов происходит уменьшение перепада температуры вдоль фольги к опорному элементу (кривая 2). Из зависимостей 1-2 (фиг. 3) следует, что суммарный перепад температуры вдоль фольги и опорных элементов имеет минимум при определенном отношении ;шины стержня к расстоянию между ними и толщины фольги к диаметру стержня.

Оптимальные соотношения реализуются наиболее эффективно при выполнении стержней с радиусом кривизны, в связи с тем, что в этом случае механические напряжения в фольге будут минимальными..

ВЫПУСКНОЕ ОКНО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащее решетку с опорными элементами в виде стержней из . материала с большим коэффициентом теплопроводности,, расположенных поперек длинной стороны окна с заданной геометрической-прозрачностью и фольгу из алюминия, отличающееся тем, что, с целью увеличения механической прочности и повышения термической стойкости окна-, контактные поверхности опорных элементов выполне 1ы по радиусу в поперечном сечении окна, причем радиус кривизны более радиуса кривизны свободного прогиба фольги без опорных элементов под атмосферным давлением, а размеры элементов опорной решетки связаны следующими соотношениями |- 0,15 + 0,4 и О,.03 + 0,05, где Ъ - расстояние между опорными в элементами,К - длина опорных элементов; d - диаметр опорных элементов; л - ..хпшчина фольги. 00 Ot) 9 00 CD

АТС

кЗ

Kt

i,CM