Источники рентгеновского излучения на базе ускорителей

Для контроля (дефектоскопии) больших толщин и изделий сложной формы применяют источники тормозного рентгеновского излучения с энергией до нескольких десятков МэВ. Такими источниками являются линейные ускорители, бетатроны и микротроны.

Линейный ускоритель (рис. 3.10) выполняется в виде вакуумной цилиндрической ускорительной камеры 1 с фокусирующим электромагнитом 2, расположенным на поверхности цилиндра. Высокочастотный генератор 3 обеспечивает получение в волноводе 4, размещенном в камере, бегущей электромагнитной волны, электрическое поле которой направлено по оси волновода. Электроны, инжектируемые пушкой 5, ускоряются полем бегущей волны. При этом на каждых 30 см пути им сообщается энергия примерно 1 МэВ. Затем ускоренные электроны попадают на мишень 6, в которой возникает тормозное излучение с мощностью экспозиционной дозы 5−10^—10~' А/кг (2—240 Р/с) на расстоянии 1 м от мишени при энергии электронов 3—10 МэВ.

Из известных типов линейных ускорителей электронов в практике радиационного контроля широкое применение нашли резонансные линейные ускорители с энергией от единиц до десятков мегаэлектронвольт.

Принцип действия линейного резонансною ускорителя заключается в следующем. Электроны, предварительно ускоренные в инжекторе (например, в электронной пушке), вводятся в ускоряющую систему — цилиндрический диафрагмированный волновод, в котором возбуждается бегущая электромагнитная волна с заданной фазовой.

Рис. 3.8. Типовые схемы питания рентгеновских аппаратов:

• 1 — трансформатор; 2 — рентгеновская трубка; 3 — выпрямитель;
• 4 — конденсатор; U_u — вторичное напряжение трансформатора;
• 1/_я — напряжение на аноде рентгеновской трубки (ускоряющее напряжение);

К — катод; А — анод

Рис. 3.9. Принципиальная схема импульсного рентгеновского аппарата:

П — прерыватель; В — выпрямитель; Р — разрядник; К — катод; А — анод рентгеновской трубки; Тр — трансформаторы; W — число витков в обмотках

пик-трансформатора

скоростью (линейный ускоритель с бегущей волной). Электроны, попавшие в ускоряющую полуволну, ускоряются вдоль оси волновода под действием продольной составляющей электрического поля. При этом энергия электронов непрерывно увеличивается, если фазовая скорость волны равна скорости электронов в процессе всего цикла ускорения.

Фазовая скорость электромагнитных колебаний, распространяющихся в волноводе, зависит от типа, длины волны и конструкции волновода. В гладком цилиндрическом волноводе она больше скорости света, и ускорение невозможно. В линейных ускорителях обычно применяют металлический гладкий цилиндрический волновод, в котором для замедления скорости электромагнитной волны устанавливают системы круглых проводящих диафрагм. Ячейки диафрагмированного волновода можно рассматривать как совокупность связанных через центральные отверстия объемных резонаторов.

Назначением первой части волновода, иногда называемой группирующей секцией, является индуцирование электронов и группировка их в импульсы короткой длительности. В этой секции электроны, вводимые в волновод на ранней стадии процесса ускорения, замедляются, а на поздней — несколько ускоряются относительно несущей волны. Вторая часть волновода называется ускоряющей секцией. Для питания волновода используют мощные генераторы колебаний СВЧ — импульсные магнетроны и клистроны, работающие в диапазоне длины волн 10—25 см. Волны длиной 3 см используют лишь в некоторых установках.

Линейные ускорители марок ЛУЭ-10, ЛУЭ-15, ЛУЭ-25, У-15, У-30 и др. позволяют просвечивать изделия с толщиной стенки до 500 мм.

Бетатроны (рис. 3.11) выполняются в виде вакуумной ускорительной тороидальной камеры /, расположенной между полюсами электромагнита 2. Электронная пушка 3 инжектирует электроны в тороидальную камеру, где они ускоряются в вихревом электрическом поле, создаваемом переменным магнитным полем. За один полный оборот при длине круговой орбиты 1 м приращение энергии электронов составляет 15—20 эВ. За 10^б оборотов по круговой орбите электрон ускоряется до энергии 20—35 МэВ. При изменении траектории полета электронов в конце цикла ускорения они попадают на мишень 4, в которой возникает тормозное излучение с мощностью экспозиционной дозы 1,3-Ю" ⁶—1,1 • 10^_3 А/кг (0,005—4,2 Р/с) на расстоянии 1 м от мишени при энергии электронов 2—35 МэВ.

Принцип действия бетатрона заключается в том, что электроны, инжектируемые в вакуумную камеру, ускоряются под действием вихревого электрического поля, образуемого переменным магнитным потоком, который, в свою очередь, создается с помощью специальной системы электромагнитов. В течение всего цикла ускорения электроны движутся по круговой орбите постоянного радиуса, плоскость которой перпендикулярна оси симметрии магнитного поля. Для сохранения постоянства радиуса орбиты необходимо, чтобы скорость нарастания энергии электрона равнялась скорости нарастания напряженности магнитного поля. Это условие достигается тем, что отношение магнитного потока, заключенного в круге равновесной (идеальной) орбиты, к площади этого круга равно удвоенной индукции магнитного поля на самой орбите.

В современных бетатронах напряженность электрического поля на орбите достигает 0,2—0,25 В/см. Для достижения конечной энергии электронов в несколько миллионов электрон-вольт в процессе ускорения они должны совершить по равновесной орбите более миллиона оборотов. Чтобы обеспечить устойчивое движение электронного пучка в течение всего цикла ускорения, напряженность магнитного поля в зазоре системы электромагнитов в плоскости орбиты убывает с расстоянием от центра орбиты к периферии. Такое пространственное распределение магнитного поля в области равновесной орбиты вызывает появление фокусирующих сил при отклонении электронов от равновесной орбиты (например, вследствие соударения электронов с молекулами воздуха), которые заставляют электроны возвращаться на равновесную орбиту. По окончании цикла ускорения электроны с помощью специальных устройств смещаются с равновесной орбиты и попадают на мишень, где генерируется тормозное излучение.

Некоторые марки бетатронов и их характеристики приведены в табл. 3.9.

Таблица 3.9.

Микротроны (рис. 3.12) выполняются в виде вакуумной ускорительной цилиндрической камеры 1 с фокусирующим электромагнитом 2. Высокочастотный генератор 3 инжектирует электроны, которые по волноводу 4 направляются в центр ускоряющего промежутка резонатора 5.

Электрон, попадающий в рабочую камеру, под действием магнитного поля начинает двигаться по круговой орбите, каждый раз испытывая ускорение при попадании в зону ускоряющего электрического поля, создаваемого резонатором. При каждом ускорении радиус движения электрона увеличивается и в конце цикла ускорения он попадает на мишень б, в которой возникает тормозное излучение с мощностью экспозиционной дозы 7,5−10 ³ А/кг (33 Р/с) на расстоянии 1 м от мишени при энергии электронов 5—30 МэВ.

Рис. 3.10. Схема линейного ускорителя:

/ — рабочая камера; 2 — электромагнит; 3 — высокочастотный генератор;

4 — волновод; 5 — инжектор электронов; б — мишень; 7 — вакуумный насос

Микротрон является циклическим ускорителем параллельного действия (электрическое поле многократно ускоряет электроны), поэтому мощность СВЧ-генераторов для питания микротрона может быть гораздо меньше, чем это необходимо для питания линейных ускорителей, где электроны проходят ячейки однократно. При этом сам микротрон имеет более простую конструкцию, меньшие габариты и массу, чем линейный ускоритель, и близкую последнему плотность потока энергии тормозного излучения.

По сравнению с бетатроном обычной конструкции плотность потока энергии тормозного излучения микротрона на один-два порядка выше. Кроме того, у сильноточных бетатронов сложнее конструкция, больше габариты и масса. В силу указанных причин, а также благодаря малым поперечным размерам электронного пучка микротрона, его моноэнергетичности (примерно одинаковые энергии электронов в пучке) и стабильности эти ускорители и нашли применение в дефектоскопии.

Марки микротронов: МД-10, МТ-20, МР-30.

Рис. 3.11. Схема бетатрона:

1 — тороидальная камера; 2 — электромагнит; 3 — инжектор электронов; 4 — мишень; Ф — силовые линии магнитного поля

Рис. 3.12. Схема микротрона:

/ — камера; 2 — фокусирующий электромагнит; 3 — высокочастотный генератор; 4 — волновод; 5 — резонатор; 6 — мишень; 7 — вакуумный насос