Комплексы для инспекции элементного состава грузов на основе линейных ускорителей электронов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, В.И. Каминский, С.В. Куцаев, Н.П. Собенин

КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИНСПЕКЦИИ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ГРУЗОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2011 1

УДК 621.384.6(075) ББК 32.85я7 К63 Комплексы для инспекции элементного состава грузов на основе линейных ускорителей электронов / А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, В.И. Каминский, С.В. Куцаев, Н.П. Собенин. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. − 148 с. Описаны методы разработки и создания радиационных комплексов интроскопии объектов со сложной внутренней структурой и элементным составом. Основным назначением таких комплексов является таможенный досмотр крупногабаритных грузов для обнаружения запрещенных вложений. Рассмотрено состояние проблемы и требования, предъявляемые к комплексам. Обсуждаются физические процессы, обеспечивающие радиационную интроскопию объектов, причины, накладывающие ограничения на чувствительность и избирательность идентификации запрещенных объектов. Приведены типичные схемы реализации инспекционных комплексов, предложенные зарубежными и российскими разработчиками. Значительное внимание уделено исследованию характеристик ускоряющих структур на бегущей и стоячей волне для ускорителей электронов, предназначенных для инспекционных комплексов. Сравнены характеристики ускоряющих структур, работающих в диапазонах частот 3 ГГц (S-диапазон) и 5 ГГц (С-диапазон). Приведены структурные схемы и характеристики создаваемых инспекционных комплексов. Описаны важнейшие компоненты комплексов, их технические и эксплуатационные характеристики. Книга содержит систематизированные данные по публикациям о современных инспекционных на базе ускорителей электронов, предназначенных для таможенного досмотра крупногабаритного груза. Приводятся также оригинальные результаты, полученные авторами при разработке комплексов, их компонентов, новые данные, полученные по исследованиям ускоряющих структур для радиационных источников инспекционных комплексов. Книга может быть использована в курсах лекций «Ускорители заряженных частиц», «Ускоряющие структуры», «Электроника СВЧ» для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», а также может быть полезна аспирантам, научным работникам и специалистам, занимающимся интроскопией изделий, ускорительной техникой, радиофизикой, электродинамикой. Книга подготовлена в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. Рецензент: кандидат технических наук А.В. Грызлов ISBN 978-5-7262-1471-9

© НИЯУ МИФИ, 2011

2

ВВЕДЕНИЕ Решение задачи инспекции элементного состава грузов базируется на развитии методов радиационной интроскопии. Задача получения внутреннего изображения объекта с помощью потоков тормозного излучения была поставлена в ходе развития тяжелого машиностроения. Объектами такого машиностроения являются крупногабаритные изделия из стали и других металлов, имеющие однородную внутреннюю структуру (лопатки турбин, корпуса реакторов и др.). При этом важнейшим требованием к установкам для интроскопии изделий является их чувствительность по выявлению внутренних дефектов, существенно влияющих на надежность изделия и долговечность его эксплуатации. Это требование нашло свое отражение в применяемом наименовании исследования внутренней структуры изделий, которое называется также дефектоскопией крупногабаритных изделий [В.1,В.2]. Параллельное развитие находят методы неразрушающего исследования внутренней структуры объекта, заведомо обладающего неоднородным составом как по форме, так и по элементному составу. Актуальность развития этого направления неразрушающего контроля крупногабаритных объектов обусловлена необходимостью качественного контроля грузов и транспортных средств как при межгосударственных, так и внутренних перевозках. Для проведения интроскопического контроля могут применяться различные типы излучения: ультразвуковое, высокочастотное электромагнитное, рентгеновское, тормозное высокой энергии (гамма-излучение). Каждый из видов излучения имеет границы оптимального применения. При габаритных размерах исследуемого объекта, превышающих метр, и материале внешнего корпуса, состоящего из стали, единственным возможным методом контроля является интроскопия с помощью интенсивного потока тормозного излучения высокой энергии [В.3]. В отличие от дефектоскопии крупногабаритных изделий при инспекции грузов чувствительность выявления внутренних объектов с малыми геометрическими размерами может не 3

достигать предельных значений, так как возможные объекты контрабанды, как правило, имеют достаточно большие габариты. Для инспекционных установок более важной характеристикой является чувствительность выявления элементного состава внутренних объектов груза. К элементам, представляющим наибольший интерес, относятся как легкие (азот), так и тяжелые (уран и другие). Это обусловлено важнейшей задачей инспекции – выявлением взрывчатых веществ, наркотиков, делящихся материалов. Указанные требования к инспекционным установкам определяют их конструктивные особенности. Методы определения элементного состава крупногабаритных объектов со сложной внутренней структурой интенсивно развиваются целым рядом организаций и фирм в различных странах. Подробный обзор и анализ методов радиационного контроля объектов с помощью линейных ускорителей приведен в работе [В.4]. Рассмотрены установки на базе ускорителей электронов, протонов, ионов, генерирующие потоки тормозного излучения, нейтронов для целей определения внутренней структуры и элементного состава изделий и объектов. В настоящей книге рассматривается один из типов интроскопических комплексов, а именно комплексы на базе ускорителей электронов, предназначенные для инспекции крупногабаритных грузов. Известные расчетные и экспериментальные исследования комплексов указанного типа показали, что наилучшие результаты по определению элементного состава объекта достигаются при просвечивании потоками тормозного излучения с двумя и более граничными энергиями [В.5]. Максимальная энергия тормозного излучения должна составлять 15 – 20 МэВ. Генерация тормозного излучения осуществляется ускоренным пучком электронов на конверсионной мишени. Как показывает технико-экономический анализ [В.1,В.2], наилучшими характеристиками обладают линейные ускорители электронов на бегущей либо стоячей волне. Установки этого класса имеют относительно небольшие габариты и массу, в них возможно значительное применение серийно выпускаемых компонентов: питающего генератора, элементов системы питания, вакуумного оборудования и др. 4

Основное внимание при создании установки прикладного применения должно быть уделено ускоряющей структуре. Исходя из требований к параметрам ускоренного пучка – его энергии и току – должен быть осуществлен выбор оптимального типа структуры, рассчитаны ее геометрические размеры, другие конструктивные параметры. В предлагаемой книге значительная часть материала посвящена расчету характеристик ускоряющих структур на стоячей и бегущей волне, обеспечивающих получение пучков с энергией от 4 до 20 МэВ. Рассмотрены варианты ускоряющих структур, работающих в двух частотных диапазонах (3 и 5 ГГц). Проведен сравнительный анализ характеристик структур, позволяющий сделать выбор оптимальных вариантов для каждого конкретного применения. При проведении исследования ускоряющих структур рассмотрены структурные схемы инспекционных комплексов, возможные варианты их конструктивного исполнения. Полученные характеристики пучка позволяют осуществить расчет и проектирование ряда важных систем комплекса: конверсионной мишени, систем регистрации излучения, обработки получаемого изображения, радиационной защиты и др. В настоящей книге рассмотрены пути решения этих вопросов, предложены и апробированы конкретные варианты элементов и узлов комплексов. Книга подготовлена на основе анализа литературных данных по заявленной проблеме, на основе личного опыта авторов по проведению научно-исследовательских работ, участия авторов на протяжении многих лет в международных конференциях по ускорителям заряженных частиц, а также на основе курсов лекций, читаемых студентам НИЯУ МИФИ.

5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОМПЛЕКСАМ 1.1.

Инспекция грузов

Системы радиационной инспекции объектов являются одним из развивающихся направлений интроскопии крупногабаритных изделий. Радиационная интроскопия (дефектоскопия) активно развивается с середины XX века. Это обусловлено интенсивным развитием машиностроения, энергетики, особенно атомной. При создании мощных турбин, генераторов, атомных реакторов существует необходимость контроля крупногабаритных толстостенных изделий из стали, других материалов. В этих изделиях определяются внутренние дефекты, возникающие при их отливке, механической обработке, сварке. Размеры дефектов (раковины, полости, щели, неоднородности материала), подлежащих определению, должны быть не более нескольких миллиметров в толщинах 50 – 60 см [1.1, 1.2]. Для решения этой задачи, как правило, применяются ускорители заряженных частиц. Первоначально основным типом ускорителя для радиационных дефектоскопов являлся бетатрон. Ускоритель этого типа имеет достаточно простую конструкцию, надежен в эксплуатации. Его основными недостатками являются достаточно большая масса, малая интенсивность ускоренного тока. Начиная с 70-х годов XX века в дефектоскопии все большее применение стали находить линейные резонансные ускорители электронов с бегущей и стоячей волной. Ускорители этого типа обеспечивают высокую интенсивность радиационного излучения, обладают массогабаритными характеристиками, позволяющими размещать их на подвижных платформах. С учетом этих преимуществ в современных дефектоскопических комплексах резонансные линейные ускорители являются наиболее распространенными и применяемыми. Параллельно с дефектоскопией крупногабаритных промышленных изделий активно развивается радиационная инспекция объектов, имеющих сложную внутреннюю структуру, как по конструкции, так и по элементному составу. 6

Необходимость решение этой задачи обусловлена развитием перевозок грузов, подлежащих таможенному контролю, усложнением проблем определения причин техногенных аварий, обострением антитеррористической борьбы. Инспектируемым объектом может быть любой контейнер от ручной клади пассажира до транспортного двадцатифутового CARGO контейнера, при инспекции которого необходимо получить подробную картину его содержимого и определить материалы, из которых состоит объект и его компоненты. Цель инспекции состоит в идентификации внутренних компонентов объекта и проверки их соответствия таможенной декларации. При этом в отличие от дефектоскопии не всегда требуется очень высокая точность определения размеров внутренних элементов объекта. Необходимым является получение рентгенографического изображения содержимого объекта и классификация его элементов и веществ по группам: • материалы с малым атомным номером Z – органические материалы, например, такие как взрывчатка, наркотики; • материалы со средним атомным номером Z – неорганические материалы; • материалы с большим атомным номером Z>72, например, такие как делящиеся материалы (уран, плутоний) и контейнеры радиационной защиты для них (свинец). Для лучшей идентификации может использоваться двухпроекционное рентгенографическое изображение либо трехмерное томографическое изображение. При этом процедура получения интроскопического изображения должна занимать ограниченное время, определяемое большим темпом работы таможенных постов. Схематически рентгенографическое изображение получается следующим образом. Пучок ускоренных электронов из ускорителя попадает на конверсионную мишень, где он преобразуется в тормозное излучение. Тормозное излучение распространяется из конверсионной мишени во все стороны, но с разной интенсивностью. С ростом энергии электронов доля тормозного излучения в направлении пучка электронов возрастает. 7

Конверсионная мишень окружена коллиматором с узкой щелью. Тормозное излучение выходит из коллиматора тонким веерным пучком, который пронизывает (сканирует) инспектируемый объект так, что веер пучка перекрывает все сечение объекта. С обратной стороны инспектируемого объекта находится массив детекторов, расположенных таким образом, чтобы принять все тормозное излучение, прошедшее через сечение инспектируемого объекта. Наличие вещества в инспектируемом объекте на пути тормозного излучения приводит к уменьшению его интенсивности, которое измеряется детектором. Один импульс электронного пучка длительностью до 10 мкс создает веерный пучок тормозного излучения, пронизывающий одно сечение инспектируемого объекта. Это тормозное излучение, ослабленное в материале инспектируемого объекта, детектируется в массиве детекторов. Сигналы из детекторов направляются в компьютер, где они преобразуются в рентгенографическое изображение данного сечения. Инспектируемый объект движется перпендикулярно плоскости сканирования. При этом импульсы ускоренных электронов с частотой 100-300 Гц позволяют последовательно получить рентгенографические изображения сечений объекта, из которых программное обеспечение компьютера формирует рентгенографическое изображение всего объекта. Ниже рассмотрены физические процессы, происходящие при радиационной инспекции грузов.

1.2.

Генерирование тормозного излучения

Ускоренные электроны, проходя вблизи атомного ядра конверсионной мишени, меняют направление движения и передают часть энергии ядру [1.2, 1.3]. Интенсивность излучения зависит от энергии и тока электронов, материала и толщины мишени (рис. 1.1). Интенсивность излучения растет примерно пропорционально квадрату заряда ядра мишени Z. Наиболее подходящими материалами для мишени являются вольфрам (Z=74), тантал 8

(Z=73), а также другие тяжелые металлы. Вольфрам и тантал имеют высокую температуру плавления, в частности, у вольфрама она составляет 3410°С, поэтому применение этих металлов позволяет повысить плотность пучка и уменьшить диаметр фокусного пятна. Это важно для повышения разрешающей способности рентгенографии исследуемых объектов как при дефектоскопии изделий, так и при инспекции объектов со сложной внутренней структурой.

Рис.1.1. Зависимости мощности дозы тормозного излучения от энергии первичного пучка электронов

С увеличением толщины мишени растет доля энергии пучка, переходящая в тормозное излучение, однако возрастает поглощение тормозного излучения в материале мишени. Оптимальная толщина вольфрамовой мишени при энергии пучка электронов 3 – 10 МэВ составляет около 1 мм. Угловое распределение тормозного излучения, отнесенное к мощности пучка электронов, показано на рис. 1.2. С ростом энергии электронов излучение распространяется вперед в более узком угле. 9

Для релятивистских частиц этот угол равен 1/γ, где γ − энергия электронов, нормированная на энергию покоя электрона.

а

б

Рис. 1.2. Диаграмма направленности (а) и угловое распределение (б) тормозного излучения из конверсионной мишени с большим Z

Тормозное излучение, образующееся в результате взаимодействия пучка ускоренных электронов с материалом конверсионой мишени, не является монохроматичным. Энергетические спектры тормозного излучения в осевом направлении при разных значениях энергии монохроматичного пучка электронов Ee приведены на рис.1.3. 1 Ee = 5 MeV

W=5E МэВ = 10 MeV e W=10EeМэВ = 15 MeV W=15EeМэВ = 20 MeV W=20 МэВ

0.9

0.8

0.7

γ

S(W) S(E )

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

E , Mev

Wγ, МэВγ

Рис.1.3. Энергетические спектры тормозного излучения

10

1.3.

Прохождение тормозного излучения через вещество

Сечение взаимодействия фотонов тормозного излучения с веществом существенно меньше, чем у электронов той же энергии. Вследствие этого глубина проникновения тормозного излучения может быть до ста раз больше, чем у электронов. Основными механизмами потери энергии тормозного излучения в веществе являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар. Образование пар происходит при энергии пучка, превышающей удвоенную энергию покоя электрона, то есть 1,022 МэВ. Фотоэффект имеет место при небольшой энергии − до 200 кэВ, с увеличением энергии возрастает вклад эффекта Комптона. При энергиях пучка, превышающих 2 – 3 МэВ, рождение пар вносит основной вклад в потери энергии тормозного излучения. Соответствующие зависимости представлены на рис. 1.4, где линии раздела областей определяют границу половинного вклада соседних эффектов.

Рис.1.4. Диаграмма физических процессов при прохождении тормозного излучения через вещество

11

Для узких пучков поглощение носит экспоненциальный характер, при энергиях фотонов 0,3 – 1,0 МэВ в слое с эквивалентной толщиной 1 г/см2 поглощается около 3% энергии излучения. Рассеянные фотоны замедляют спад интенсивности тормозного излучения. Величина ослабления тормозного излучения в веществе зависит от энергии тормозного излучения Eγ и от атомного номера вещества Z и характеризуется величиной сечения рассеяния δ Z ( Eγ ) . Слой двукратного ослабления тормозного излучения в веществе равен

ρhZ ( Eγ ) =

M Z ⋅ log 2 , N A ⋅ δ Z ( Eγ )

⎡ кг ⎤ ⎢⎣ м 2 ⎥⎦ ,

(1.1)

⎡ кг ⎤ ⎢⎣ моль ⎥⎦ − молярная масса материала с атомным ⎡ 1 ⎤ номером Z, N A= 6,022 ⋅ 10 23 , ⎢ − число Авогадро, ⎣ моль ⎥⎦ δ Z ( Eγ ), [барн ] − сечения рассеяния. где M Z ,

Значения сечений рассеяния для всех элементов и для диапазона энергии тормозного излучения от 0 до 20 МэВ приведены на рис.1.5.

lg(σz)

z

W, МэВ

Рис.1.5. Зависимости сечения рассеяния от энергии излучения

12

Поверхностная молярная плотность слоя двукратного ослабления материала с атомным номером Z соответствует уменьшению интенсивности тормозного излучения в два раза. Графически эта зависимость приведена на рис. 1.6. ρhZ ( Eγ ) MZ

=

log 2 ⎡ моль ⎤ , ⎢ 2 ⎥ N A ⋅ δ Z ( Eγ ) ⎣ м ⎦ .

(1.2)

logρhm(w)

ρhmZ ( Eγ ) =

W, МэВ z

Рис.1.6. Зависимость поверхностной молярной плотности от энергии излучения

1.4.

Фотоядерные реакции

Начиная с некоторой энергии фотонов тормозного излучения, в веществе идут фотоядерные реакции на нейтронах атомов, приводящие к образованию радиоактивных изотопов [1.3]. Реакции фотонов на протонах, дейтерии, альфа-частицах обычно не учитываются, так как они обладают очень малым сечением, и в результате образуются стабильные изотопы. Пороговая энергия фотоядерных реакций зависит от элемента (см. рис.1.7). Минимальная энергия фотонов, при которой происходит фотоядерная реакция, составляет 1,67 МэВ. При такой энергии происходит превращение изотопа 9Ве в радиоактивный изотоп 8Ве. 13

Рис. 1.7. Зависимость выхода нейтронов от энергии электронов

Для подавляющего большинства материалов радиоактивные изотопы образуются в основном при энергиях выше 9 – 10 МэВ. Сечение большинства реакций лежит в диапазоне 10-28 – 10-22 см2. Эти эффекты следует принимать во внимание при выборе материалов мишеней и каналов транспортировки ускоренного пучка.

1.5.

Сцинтиллятор

Каждый детектор тормозного излучения состоит из сцинтиллятора и фотодетектора. Тормозное излучение, попадающее в детектор, производит свет в сцинтилляторе. Этот свет попадает в фотодетектор и производит электрический ток. Имеется ряд кристаллических сцинтилляторов, которые могут быть использованы в радиографических и томографических аппаратах. Основные параметры нескольких типов кристаллов приведены в табл. 1.1. [1.4]. 14

15

1,86

410

540

Действительная длина, см

1,85

1,79

2,9

230

18,4

50

900

3,67 2

4,51 2

Время задержки, нс

651

6,46

Кубическая

651

4,566

Период решетки, Å

Темп. плавления, o C Плотность, г/cм3 Твердость Коэффициент теплового расширения, 10-6/K Коэффициент преломления Длина волны, нм

Кубическая

CsI (Tl)

Структура кристалла

Параметр

15

1,68

30

340

1,62

6,16

1460

2,03

0,6 -630

225 -310

1,5/1,57

47,5

4,89 3

1354

6,19

Кубическая

0,94

435

1,47

19,5

3,18 4

1418

5,462

Кубическая

Основные параметры сцинтилляторных кристаллов Кристалл NaI (Tl ) CeF3 BaF2 CaF2

0,92

36

450 / 420

2,16

10

8,28 3,5 ¨C 4,0

1123

a = 5,416 c = 12,049

PbWO4 Тетрагональная

0,3

470/540 20 нс @ 470нм, 5 мс @ 540 нм

2,2 − 2,3

10,2

7,9 4 −4,5

1325

CdWO4 Моноклинная a=5,028, b=5,859 c=5,071, β=91,519 град,

Таблица 1.1

16

Гигроскопичность Длительность послесвечения, % через 6 мс Световой выход, фотон/МэВ Плоскость разлома кристалла Метод выращивания кристалла Макс. размер, мм (диаметр/длина)

Параметр

38 × 103 (100) Bridgman

(52−56) ×103

Нет

Bridgman Ø 100/300

-

<2

Ø 100/300

NaI (Tl ) Да

CsI (Tl) Легкая

16

Ø 50/250

Bridgman

CeF3 Нет

Ø 130/350

Bridgman

(111)

(2,5−6,5) ×103

0,5 - 5

Кристалл BaF2 Нет

Ø 130/350

Bridgman

(111)

19×103

< 0,3

CaF2 Нет

Ø 35/200

CZ

(101)

(22,6−25,6) ×104

-

PbWO4 Нет

Ø 35/200

CZ

(010)

(1,2 − 1,5) ×104

0,1

CdWO4 Нет

Окончание табл. 1.1

В радиографических и томографических аппаратах наиболее часто используется кристалл CdWO4.

1.6.

Радиационная дефектоскопия и инспекция сложных объектов

Ослабление тормозного излучения зависит от плотности и толщины материала инспектируемого объекта. Анализируя теневое изображение, созданное излучением после прохождения вещества и зафиксированное на рентгеновской пленке, флуоресцентном экране, как это осуществлялось в первоначально применявшихся методах, либо в матричной панели детекторов, используемой в современных установках, можно определить наличие, форму и размеры неоднородностей в материале. Эта процедура лежит в основе радиационной дефектоскопии изделий. Качество изображения оптимизируется путем выбора комплекса параметров установки, включая площадь источника тормозного излучения на мишени, расстояние от источника до инспектируемого объекта, расстояние от инспектируемого объекта до детектора, поперечное сечение детектора. Важным параметром радиографии является размер выявляемых дефектов. При прохождении излучения через вещество возникает рассеянное излучение (рассеянные фотоны, вторичное тормозное излучение, вызванное образующимися в материале электронами). Это приводит к снижению контрастности изображения. С увеличением толщины просвечиваемого материала применяют излучение с большей энергией. Например, для стали толщиной 300−400 мм энергия тормозного излучения должна составлять около 10 МэВ. Максимальная граничная энергия тормозного излучения соответствует энергии ускоренных электронов. При радиационной дефектоскопии тормозным излучением с одной граничной энергией получаемое изображение не позволяет определить элементный состав объекта, так как поглощение излучение определяется двумя параметрами: атомным номером и толщиной компонента объекта. Задачей инспекции является рентгенографическое изображение и определение элементного состава объектов, инспектируемых с 17

помощью радиационной таможенной системы с энергией тормозного излучения 1−10 МэВ [1.5, 1.6]. Атомные номера идентифицируются с использованием профилей, полученных при облучении объекта при низкой и высокой энергиях электронов, изменяемых от импульса к импульсу. Метод определения элементного состава груза с помощью облучения рентгеновскими потоками с двумя энергиями широко используется при инспекции ручного багажа и небольших контейнеров [1.7−1.15]. Важным преимуществом метода по сравнению с рентгеновским просвечиванием при фиксированной энергии является возможность разделять содержащиеся внутри инспектируемого объекта материалы по их атомному номеру. Такая инспекция позволяет выявлять контрабанду двумя путями: по рентгенографическому изображению и по атомному номеру вложений, содержащихся в объекте. Изображение внутренней структуры объекта, отображаемое ее атомными номерами, выводится на экран инспекционной системы. Идентификация материалов с различными атомными номерами достигается сравнением поглощения радиационных потоков в объекте при низкой и высокой энергии этих потоков. Такая идентификация возможна, так как различные материалы имеют различное поглощение гамма-излучения при различных энергиях, что обеспечивает выделение органических (малое Z), неорганических (среднее Z) и делящихся (высокое Z) материалов в контролируемом объекте. Типичная граничная энергия рентгеновских установок не превышает 500 кВ. К сожалению, проникающая способность рентгеновских лучей не превышает нескольких сантиметров стали. Это определяет невозможность их применения для инспекции CARGO контейнеров либо крупногабаритных транспортных средств. Для инспекции таких объектов пригодны радиационные потоки с энергией до 10 МэВ, обеспечивающие качественное радиографическое изображение внутреннего строения инспектируемого объекта. Радиационные потоки могут быть применены для различения материалов в диапазоне высоких энергий, однако имеется ряд 18

ограничений. В диапазоне энергий 1−10 МэВ доминирует комптон-эффект, а его зависимость от Z достаточно слаба (μc~Z/A) (см. рис. 1.3). Это соотношение примерно одинаково для верхней части периодической таблицы элементов с малыми Z, а также композиции элементов, входящих в состав органических веществ. Слабое изменение коэффициента поглощения в мегавольтной области энергии электронов имеет место для эффекта образования пар (μk~Z2/A~Z), однако этого недостаточно для целей различения элементов и не может быть использовано для решения практических задач. Таким образом, радиационные комплексы с единственной энергией не могут быть эффективно использованы для Z-анализа при инспекции транспортных средств и контейнеров. Преодоление указанных физических ограничений и получение качественного разрешения атомных весов материалов крупногабаритного объекта может достигаться несколькими методами. Первым из них является разложение спектра прошедшего радиационного потока на компоненты, ответственные за комптон-эффект и образование пар, баланс которых зависит от Z облученного объекта. Разложение возможно, так как комптоновское рассеяние анизотропно, а аннигиляция пар в гамма-кванты изотропна при взаимодействии ионизирующего излучения с материалом, обладающим большим Z, включенным в состав мишени детектора. Однако общая чувствительность метода существенно снижена из рассеяния на мишени прошедших гаммаквантов первичного потока. Во втором методе разложения используется особый эффект фильтрации тормозного излучения. Во время сканирования применяются два различных профиля поглощения, соответствующие двум различным спектрам энергии: с фильтром и без фильтра. Атомные номера материала определяются с помощью специальной калибровочной таблицы. Возможны две реализации метода. В первой пучок направляется на две различные мишени, во второй два фильтра, поглощающие тормозное излучение, устанавливаются на пути излучения от импульса к импульсу. Основным недостатком метода является его низкая чувствительность, обусловленная широкими спектрами 19

поглощения излучения материалами с различными атомными номерами. Метод обеспечивает достаточно хорошее соотношение сигнала к шуму и может быть реализован для получения удовлетворительного качества изображения. Применение фильтров смещает максимум спектра тормозного излучения в пользу образования пар. Излучение, генерируемое за счет фотоэффекта и эффекта Комптона, является низкоэнергетичным и поглощается в фильтре. Это позволяет достичь заметного разделения кривых прохождения излучения через различные материалы. На рис. 1.8 приведено сравнение спектров излучения, прошедшего через поглотители из свинца с различной толщиной. Видно, что спектр излучения может быть существенно изменен. В частности, максимум интенсивности смещается в область высоких энергий с увеличением толщины поглотителя. В результате спектр излучения изменяется в целом.

Фотон / электрон

без погл 10 мм Pb 20 мм Pb 40 мм Pb 60 мм Pb 80 мм Pb

Wγ, МэВ

Рис.1.8. Спектры излучения, прошедшего через свинцовый поглотитель

Изменение спектра должно приводить к увеличению разделения кривых поглощения излучения в материалах с различным Z, снижая неопределенность в идентификации материала. 20

В работе [1.5] показана практическая возможность различения материалов при инспекции объектов радиационными потоками с энергией 1−10 МэВ. Предлагаемый метод обеспечивает идентификацию четырех базовых групп материалов в соответствии с их атомными номерами. Атомные номера идентифицируются из профилей, получаемых при облучении объекта радиационными потоками высокой и низкой энергий, переключаемыми от импульса к импульсу. Это достигается при применении пучков тормозного излучения с двумя граничными энергиями, например, 8 и 4 МэВ, и детектировании прошедшего излучения сцинтилляционными кристаллами, связанными с кремниевыми фотодиодами как детектирующими элементами. Спектры тормозного излучения при различной энергии электронов показаны на рис.1.3. В случае, если инспектируемый объект включает один материал, то энергия, поглощенная в сцинтилляторе, равна: WZ (ρm) = k ⋅ ∫ DZ ( E γ , ρm) ⋅ T ( E γ ) ⋅ dE γ , (1.3) где k − коэффициент, зависящий от энергии импульса ускоренных электронов, расстояния от конверсионной мишени до детектора и размеров детектора; −

DZ ( E γ , ρm ) = S ( E γ ) ⋅ 2

ρm h (E ) ρm Z γ

− энергетический спектр тормозного излучения, на входе в сцинтиллятор; S ( Eγ ) − спектральная функция для пучка ускоренных электронов с реальным энергетическим спектром; T ( E γ ) − коэффициент спектрального поглощения детектора;

ρm и Z – молярная поверхностная плотность и атомный номер материала. Таким образом, коэффициент передачи тормозного излучения через инспектируемый объект равен W (ρm) k K Z (ρm) = Z = ∫ DZ ( E γ , ρm) ⋅ T ( E γ ) ⋅ dE γ . (1.4) W W Инспекция – инверсный процесс. Необходимо определить молярную поверхностную плотность ρm и атомный номер материала Z на основе коэффициентов передачи K1 и K2, 21

измеренных детектором при двух различных энергиях Ee1 и Ee2 . Следующие два уравнения позволяют определить две неизвестные величины ρm и Z: ⎧ K 1 = K Z1 (ρm) , (1.5) ⎨ 2 2 ⎩ K = K Z (ρm) где K Z1 (ρm) и K Z2 (ρm) − коэффициенты передачи тормозного излучения для каждой энергии. Поскольку спектральная функция S ( Eγ ) зависит от углового положения детектора ϕ, коэффициенты передачи тормозного излучения K Z1 (ρm) и K Z2 (ρm) − уникальны для каждого детектора. Следующим этапом является процедура сегментации, обеспечивающая получение соответствия распределения атомных номеров в объекте структуре имеющегося изображения. Визуализация цвета поглощающего материала и его атомного номера осуществляется с помощью схемы преобразования насыщенности изображения в цветовое изображение. Наиболее полная экспериментальная проверка расчетных результатов осуществлялась в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в полномасштабных прототипах таможенной инспекционной системы на энергию 8 МэВ [1.6].

1.7.

Основные параметры и понятия инспекционного комплекса

Контрастная чувствительность – мера возможности различать разность толщины материала по отношению к окружающему материалу. Контрастная чувствительность выражается как процентное изменение толщины однородного материала, которая минимально восприимчива оператором. Пространственное разрешение – способность системы различить детали в плоскости изображения, описанная как длина в миллиметрах, либо как иная величина длины (например, число линий на миллиметр).

22

Разрешение изображения – рентгенографическая возможность различить отдельные части объекта на основе геометрических форм или выделения контура в изображении. Динамический диапазон – мера диапазона толщины, который может быть получен в любом одиночном изображении без вмешательства оператора и без обработки изображения. Динамический диапазон выражается как отношение максимальной и минимальной толщин, которые могут быть одновременно на одном изображении. Максимальное проникновение – максимальная толщина стали, за которой система может различить изображение инспектируемого объекта, в том числе как темная тень на краю. Производительность – число похожих объектов (например, стандартный ISO 40-футовый CARGO контейнер, установленный на трейлере, присоединенном к грузовику), которое может быть обработано за 1 час. Время инспекции – время инспекции одного из похожих объектов (например, стандартный ISO 40-футовый CARGO контейнер, установленный на трейлере, присоединенном к грузовику) [мин./объект], начиная с момента сканирования и до момента, когда следующий объект будет готов к сканированию. Время сканирования – время выполнения радиографического сканирования объекта инспекции, состоящего из контейнера и грузовика включая получение радиографического изображения для анализа контрабанды и определение большого Z. Интеллектуальный анализ изображения – компьютерный процесс автоматической идентификации материалов контрабанды, например, таких как наркотики, оружие, взрывчатка, делящиеся материалы. Автоматический анализ большого Z – автоматический компьютерный процесс анализа ослабления высокоэнергетического тормозного излучения в CARGO контейнере или в грузовике для идентификации содержания материалов с большим Z. Сигнал большого Z – сигнал обнаружения материала с большим Z, в то время как этот материал действительно имеется в инспектируемом объекте. 23

Ошибочное обнаружение материала с большим Z – получение сигнала автоматической системы об обнаружении материала с большим Z, в то время когда его в инспектируемом объекте нет. Инструменты улучшения изображения и анализа – оборудование и программы, позволяющие проводить немедленный или удаленный анализ сканированного изображения, такие как масштабирование, выделение контура объекта, реверсирование белого и черного, псевдоцвет, фильтры (сглаживание, рельеф, обострение, удаление шума и т.д.), измерение объекта (получение размера объекта в изображении), возврат изображения в исходное состояние, анализ интересующей области изображения, сравнение изображений, комментарии к изображению, сохранение изображений, загрузка сохраненного изображения, печать изображения. Сигнал о недостаточном проникновении – индицирует недостаточную проникающую способность в инспектируемом объекте (большие толщина и Z).

24

Глава 2. СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНСПЕКЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ Радиационные инспекционные комплексы разрабатываются в ряде исследовательских организаций различных стран мира. Все они базируются на применении ускорителей электронов с несколькими значениями выходной энергии пучка. Энергия электронов преобразуется в тормозное излучение, которое непосредственно применяется для инспекции крупногабаритных объектов со сложным элементным составом. Ниже описаны некоторые инспекционные комплексы, обсуждаются их типичные технические и конструктивные характеристики, указывается степень их готовности к коммерческой реализации.

2.1. Система инспекции в Институте ядерных исследований (Италия) В Институте ядерных исследований (INFN - Gruppo Collegato di Messina) создан прототип радиографической томографической системы на базе линейного ускорителя с энергией 5 МэВ [2.1]. В ускорителе предполагается обеспечить режимы с двойной энергией для проведения исследований по распознаванию структуры материалов инспектируемых объектов. Были проделаны предварительные расчеты для оценки энергий электронов, достижимых в ускорителе. В соответствии с теоретическими исследованиями прохождения тормозного излучения со спектрами, соответствующими двум энергиям пучка электронов, было показано, что возможно распознавание структуры материалов в созданном радиографическом томографическом комплексе. Источник излучения разработан INFN − Gruppo Collegato di Messina и базируется на линейном ускорителе электронов, работающем в S-диапазоне. Характеристики ускорителя приведены в работах [2.1, 2.2]. Ускоряющая секция выполнена на основе бипериодической структуры с ячейками связи на оси. Источником мощности является перестраиваемый магнетрон. Регулировка тока пучка и 25

мощности магнетрона дает два свободных параметра, позволяющие перестраивать энергию электронов. Электроны выводятся из ускорителя через фольгу из титана толщиной 50 мкм. Пучок имеет диаметр 2 мм на выходе ускорителя. Конвертер электронного пучка в тормозное излучение расположен на расстоянии 2 мм от выходного окна. Характеристики конвертора рассчитаны с помощью программы MCNP4C2 [2.3] таким образом, чтобы получить наибольший выход тормозного излучения. Специально разработанная коллимационная система обеспечивает пятно излучения диаметром 16 см в плоскости поверхности исследуемого образца. Для получения радиографического изображения на выходе комплекса установлена система приема изображения, состоящая из сцинтилляторного экрана и видеокамеры. Разрешение камеры составляет 768×512 пикселей, размер пикселя 9×9 мкм2, темновой ток менее 10 пА/см2 при 25°С. Сцинтилляторный экран состоит из GOS сцинтиллятора, размером 300×400 мм2 и толщиной 1,1 мм. Для защиты от радиационного потока камера расположена под углом 90° по отношению к оси пучка и на расстоянии 100 см от зеркала, отражающего изображение, формируемое на сцинтилляторе. Система находится на стадии конструирования и изготовления опытного образца.

2.2. Система таможенного контроля в университете Tsinghua (Китай) Системы радиационной инспекции грузов нашли достаточно широкое развитие в Китае. Ведущим разработчиком таких систем является университет Tsinghua. Создание установок осуществлялось совместно с компанией Tsinghua Tongfang Co. Ltd. В настоящее время разработаны и внедрены три типа инспекционных систем с постоянной энергией тормозного излучения на базе ускорителей. Первая система использует линейный ускоритель электронов на энергию 9 МэВ с ускоряющей структурой с бегущей волной, работающий в S-диапазоне. Во второй системе применяется 26

ускоряющая структура на энергию 6 МэВ со стоячей волной, работающая в S-диапазоне. В третьей системе используется линейный ускоритель на энергию 2,5 МэВ с ускоряющей структурой со стоячей волной, работающей в Х-диапазоне. Семь систем первого типа установлены в таможенных пунктах. Они названы установками стационарного типа, так как располагаются в специальных зданиях, оборудованных биологической защитой. Второй тип установки назван установкой комбинированного типа, располагающейся в помещении с местной радиационной защитой. Третий тип установки является мобильным комплексом, размещаемым на передвижной автомобильной платформе. Созданы и используются при таможенном досмотре по четыре установки второго и третьего типов. Дальнейшее развитие инспекционные системы получили при создании установок с двумя энергиями тормозного излучения. Установка THSCANFS3000 (рис.2.1), использующая этот принцип, удовлетворяет требованиям обеспечения быстрой радиационной интроскопии грузов [2.4, 2.5]. Установка позволяет провести инспекцию 200 – 400 контейнеров в час при скорости их движения в зоне контроля 3,6 – 15 км/ч. В установке применена ускоряющая структура со стоячей волной.

Рис.2.1. Общий вид инспекционной установки

27

При разработке установки должны быть решены две важные проблемы. Первая – быстрое включение пучка. Обычно включение пучка и обеспечение его номинальных параметров требует не менее 5 с. При этом перемещаемый груз будет сканирован нестабильным пучком. Вторая – наличие водителя в кабине. При движении автомобиля через зону контроля пучок должен быть включен, когда кабина водителя минует непосредственную зону контроля с большими радиационными полями. Осуществлено конструирование ускорителя с временем включения менее 5 макроимпульсов (около 0,1 с), при котором обеспечены стабильные параметры пучка. Другой решенной проблемой является изменение частоты импульсов излучения в зависимости от скорости перемещения груза. При постоянной частоте импульсов излучения и переменной скорости перемещения груза изображение будет растянуто либо сжато (рис.2.2).

Рис. 2.2. Изображения объекта при различных скоростях его перемещения

Сравнивая изображения, получаемые при просвечивании объекта излучением с различной энергией, можно определить распределение материалов с различным атомным номером внутри объекта [2.6]. Для проведения такого просвечивания объектов применяется ускоритель, генерирующий попеременно 28

чередующиеся импульсы электронов с высокой и низкой энергией. Разделение между импульсами составляет не более 4 мс, при этом пучки электронов с высокой и низкой энергиями просвечивают практически одну и ту же часть исследуемого объекта. В ускорителе в качестве источника СВЧ мощности применяется магнетрон, что делает установку более компактной по сравнению с установкой на базе клистрона. Энергия электронов на выходе ускорителя составляет 6 и 9 МэВ (рис.2.3).

Рис.2.3. Общий вид излучателя

Изображения, получаемые при просвечивании объекта пучками с высокой и низкой энергиями, генерируются в целом после прохождения объекта через зону контроля. Затем массив данных обрабатывается с помощью алгоритмов, обеспечивающих склеивание фрагментов, повышение контрастности и разрешения, наложение изображений, полученных при различных энергиях. В результате получаются черно-белые изображения с градациями серого цвета. После этого проводится обработка изображения, обеспечивающая ее преобразование в цветное. Созданная система прошла опытную эксплуатацию на таможенном терминале.

29

2.3. Система CARGO ADVANCED AUTOMATED RADIOGRAPHY SYSTEM (CAARS) В рамках коммерческих разработок российско-американской фирмой Introscan разработана система инспекции, базирующаяся на ускорителе электронов с двумя энергиями. Система получила название All Secure и разрабатывалась в рамках программы Cargo advanced automated radiography system (CAARS) [2.7] – Усовершенствованная автоматизированная радиографическая система контроля грузов. Система предназначена для обнаружения материалов, содержащих элементы с большим атомным номером (большим Z), и получения радиографического изображение инспектируемого объекта. Элементы с большим Z, превышающим 72, включают специальные ядерные материалы, такие как плутоний, высокообогащенный уран, а также некоторые элементы (например, свинец, вольфрам), которые могут служить защитой делящихся материалов, затрудняющей их обнаружение с помощью пассивного контроля гамма-излучения. Система All Secure предназначена также для обнаружения нелегальных наркотических веществ, взрывчатых веществ и других контрабандных грузов (оружия, валюты и др.) в грузовых контейнерах. Система All Secure обладает рядом достоинств: максимальная чувствительность, высокая разрешающая способность, контрастная чувствительность, динамический диапазон, качественная обработка изображений, позволяющие оператору с высокой точностью обнаруживать и идентифицировать материалы и объекты в закрытых контейнерах. Создаваемые алгоритмы должны обеспечивать информирование оператора о наличии в радиографическом изображении признаков материалов и объектов, запрещенных к провозу. Системы, аналогичные All Secure, должны обеспечивать инспекцию 100% грузов, поступающих на территорию государства. Это включает грузовики, железнодорожные контейнеры, другие транспортные средства, на которых потенциально могут перевозиться делящиеся материалы и контрабанда. При этом не должно возникать существенных 30

препятствий и задержек при перемещении коммерческих грузов. Система All Secure должна обеспечивать время сканирования одного контейнера длиной 12 м, соответствующего стандарту ISO, не более 15 с. При этом минимальная пропускная способность системы должна составлять 25 стандартных 12-метровых контейнеров в час. Система может быть использована также при контроле небольших транспортных средств: легковых автомобилей, небольших грузовиков, автобусов, прицепов различного назначения. Предполагается, что инспекционные системы будут размещены во всех пограничных пунктах, включая пункты, расположенные на ограниченном пространстве. Радиографическая система должна иметь минимальную площадь размещения, включающую размеры собственно установки и ее радиационной защиты. Система не должна воздействовать на другие системы инспекции, в частности, системы пассивного радиационного контроля. Для того чтобы защитить персонал от радиационного излучения, генерируемого источником высокой энергии, должна применяться эффективная система радиационной защиты. При этом подразумевается, что водитель и обслуживающий персонал удаляются из зоны, через которую проходит излучение. Прототип системы All Secure будет представлять собой перемещаемый агрегат, включающий источник излучения, детекторы, электронику обработки сигналов и изображения, механические и электрические компоненты. Прототип системы должен обеспечивать сканирование контейнера длиной 40 футов, выполненного в стандарте ISO и установленного на грузовике. Грузовик во время инспекционного исследования неподвижен. Прототип подвижного агрегата должен обеспечивать достаточный зазор до исследуемого объекта, давать возможность перемещения при сканировании, остановки при подготовке к инспекционному исследованию. Перемещаемый агрегат должен быть обеспечен силовым питанием, иметь возможность автоматического горизонтального перемещения вперед и назад вдоль исследуемого объекта. Основные компоненты системы All Secure : 1. Радиографическая система 2. Защита 31

3. Система блокировок 4. Система перемещения комплекса 5. Система управления комплексом 6. Управляющая рабочая станция 7. Система оповещения о нештатных ситуациях 8. Бесперебойный источник питания Элементы программного обеспечения комплекса: 1. Управляющая система All Secure 2. Контрольная система радиографического источника 3. Контрольная система перемещения комплекса 4. Автоматизированная система анализа атомного номера материалов объекта 5. Система предварительной обработки радиографических изображений 6. Система отображения обработанных изображений На рис. 2.3 показана компоновка системы All Secure. Защита Радиографическая система

Пультовое помещение Система перемещения излучателей

Система блокировок

Рис. 2.4. Компоновочная схема системы All

Secure

Рис. 2.5 содержит схему контрольной системы и потоки данных в этой системе.

32

Рис. 2.5. Контрольная система комплекса All

Secure

Прототип комплекса All Secure изготовлен, испытан и показал проектные параметры: энергию электронов от 5 до 15 МэВ, переключаемую от импульса к импульсу, пучок тормозного излучения, ренгенографическое изображение инспектируемого объекта.

33

2.4. Система инспекции на базе ускорителя электронов, работающего в С-диапазоне Разработка инспекционной системы на базе ускорителя, работающего в С-диапазоне, является созданием следующего поколения систем после All Secure [2.7]. Система All Secure явилась первым образцом системы инспекции объектов излучением с двумя и четырьмя энергиями. При этом проведена значительная работа по исследованию отдельных компонентов системы. Таким образом, система All Secure явилась более сложной, чем требуется для серийного образца. Рабочий проект инспекционной системы включает следующие основные усовершенствования и упрощения. • Применение ускорителя, работающего в С-диапазоне, позволяет существенно уменьшить все габаритные размеры клистрона, волноводных узлов, ускоряющей секции, а также локальной защиты. • Работа при четырех энергиях позволяет различать в инспектируемом объекте материалы с большим атомным номером. Энергии пучка должны составить 5, 10, 15, 20 МэВ, что соответствует следующим рабочим режимам в системе All Secure: 4; 5,5; 7,5; 9 МэВ, реализуемым в двух ускорителях. Эти режимы также соответствуют предложению CAARS. Однако в данном случае параметры пучка подвергнуты оптимизации. • Структура комплекса, включающего четыре ускорителя, позволяет сделать каждый из них из однотипных модулей, при этом каждый из ускорителей будет работать в режиме постоянной энергии, что упрощает его конструкцию. • Широкий диапазон энергий электронов обеспечивает повышение чувствительности определения атомных номеров содержимого инспектируемого объекта. • Применяется новая компактная конструкция инжектора электронов с изоляцией SF6, разработанная для системы All Secure. Используется упрощенная схема питания инжектора электронов • Применяется новая конструкция вакуумной системы ускорителя, использующая дегазацию при высокой температуре в специальной печи. 34

• Новое предложение для системы импульсного высоковольтного питания обеспечивает разделение импульсного трансформатора и другого оборудования. Это позволяет оптимизировать расположение компонентов системы. • Рассмотренные возможности горизонтального, под углом и вертикального расположения ускоряющих секций обеспечивают достаточно широкие возможности в компоновке комплекса для оптимального решения конкретных задач. • Рассмотрены и оптимизированы конструкция и материалы локальной защиты. Возможны и другие усовершенствования при детальной проработке экспериментального образца инспекционной системы. Инспекция объектов осуществляется по следующей схеме. • Ускорение пучка электронов в линейном ускорителе. • Преобразование пучка электронов в тормозное излучение, распространяющегося в телесном угле 4π. • Коллимирование потока излучения в коллиматорной системе, обеспечивающее формирование плоского расходящегося потока с углом раскрыва от φ1 до φ2 по отношению к оси ускорителя. • Прохождение коллимированного потока излучения через инспектируемый объект. • Детектирование прошедшего излучения детектирующей системой. Трехмерный расчет характеристик излучения позволяет определить оптимальный угол расходящегося потока излучения. При выборе учитываются следующие входные данные. • Каждый канал детектирования должен обеспечивать максимальный динамический диапазон детектируемых сигналов от нуля (соответствующего максимальному поглощению в инспектируемом контейнере) до максимального значения (соответствующего отсутствию контейнера в области излучения). • Мощность излучения зависит от расстояния от мишени до детектора. • Мощность излучения зависит от угла к оси ускорителя. • Спектр излучения зависит от угла к оси ускорителя. 35

Мощность излучения обратно пропорциональна расстоянию z от мишени до детектора (~1/z2). Мощность излучения на детекторах должна быть максимально возможной, чтобы получить достаточный для детектирования сигнал излучения, прошедшего через исследуемый объект. Для этого желательно расположить детекторы максимально близко к конверсионным мишеням. Спектр излучения зависит от угла по отношению к оси ускорителя. Спектр при больших углах выглядит как спектр излучения при меньших энергиях. Этот эффект влияет на детектирование материалов с большим атомным номером в инспектируемом объекте. Увеличение энергии излучения позволяет повысить чувствительность детектирования атомного номера материалов, но угол распространения излучения является меньшим (более узким) при более высоких энергиях, и спектр излучения деформируется. Выбор компоновочной схемы комплекса осуществляется с учетом расстояния от мишени до детектора, угла расходимости излучения, формы и размера детекторной матрицы. Компоновка комплекса обеспечивается с учетом следующих требований: • Обеспечение достаточной мощности гамма-излучения на мишени. • Обеспечение требуемого динамического диапазона детектируемого сигнала. • Получение удовлетворительного изображения инспектируемого объекта. • Получение удовлетворительного выявления материалов с высоким атомным номером. • Обеспечение минимального радиационного уровня вблизи комплекса. • Обеспечение жесткой и устойчивой конструкции комплекса. • Обеспечение минимально возможных габаритных размеров. Разработка осуществляется в предположении, что габаритные размеры инспектируемого объекта в плоскости сканирования составляют 2,5×2,5 м. Ниже представлены четыре возможных варианта комплекса (рис.2.6). 36

Вариант 1

Вариант 2

Ось ускорителя

Ось ускорителя

Вариант 3

Вариант 4

Ось ускорителя

Ось ускорителя

Рис.2.6. Варианты построения инспекционного комплекса: 1 - конверсионная мишень с первым коллиматором, 2 – инспектируемый объект (контейнер), 3 – блок (матрица) детекторов с третьим коллиматором, 4 – второй коллиматор, 5 – поглотитель отраженного излучения, 6 – система перемещения объекта, 7 – рельсовая направляющая

Вариант 1 имеет матрицу детекторов, расположенных в форме буквы L, установленную на расстоянии 8,5 м от конверсионной мишени. Вариант 2 имеет матрицу детекторов, расположенных на одной линии на расстоянии 8,5 м от конверсионной мишени. В варианте 3 ось ускорителя повернута под углом к плоскости инспектируемого объекта, матрица детекторов расположена в форме буквы L на расстоянии 5,5 м от конверсионной мишени. В варианте 4 ускоритель расположен вертикально, матрица детекторов расположена в форме буквы П на расстоянии 5,5 м от конверсионной мишени. 37

Геометрические размеры вариантов показаны в табл. 2.1. Таблица 2.1 Геометрические параметры инспекционных комплексов Вариант 1 2 3 4 Расстояние от мишени до 5,5 5,5 2,5 2,5 контейнера, м Расстояние от мишени до 8,5 8,5 5,5 5,5 детектора, м -5 -5 -30 -30 ϕ1, град 30 30 30 30 ϕ2, град

Мощность излучения, отн. ед.

На рис. 2.7 показано распределение мощности гамма-излучения в зависимости от угла к оси ускорителя для четырех вариантов комплекса. 3,0 2,5

3,4

2,0 1,5

2

1,0 0,5

1

0 -30

-20

-10

0

10

20 30 Угол, град.

Рис. 2.7. Угловые распределения интенсивности излучения в различных вариантах комплекса. Цифры соответствуют номерам вариантов

Распределения получены для постоянных тока и длительности пучка электронов. Мощность излучения нормирована на мощность излучения в детекторе, расположенном на оси ускорителя в варианте 1. Расстояние от мишени до детектора зависит от угла, и эта зависимость определяется геометрической формой матрицы детекторов в вариантах 1 – 4. 38

Все варианты инспекционной системы имеют как преимущества, так и недостатки. Вариант 1. Является наиболее часто применяемой схемой. Матрица детекторов в форме буквы L является компактной и имеет габариты меньшие, чем у матрицы детекторов в варианте 2. Плоскостность излучения в матрице детекторов равна 15%. Здесь и далее плоскостность излучения в матрице детекторов определяется при энергии электронов 9 МэВ. Достоинством данного варианта является возможность применять твердо фиксированную входную рамку. Матрица детекторов может быть установлена на стенках, находящихся позади исследуемого объекта и над ним. Поглотители отраженного излучения могут быть расположены непосредственно позади детекторов. Второй коллиматор может располагаться на передней поверхности входной рамки. Таким образом, поглотитель обратного излучения и второй коллиматор ограничивают распространение излучения вне входной рамки. Вариант 2. Применен в системе All Secure. Плоскостность излучения составляет 12%. Недостатком является больший размер матрицы детекторов по сравнению с вариантом 1. Поглотитель обратного излучения может быть установлен на обратной стороне матрицы детекторов либо позади входной рамки. Вариант 3. Использует симметричный угол распространения излучения [−30°, 30°] по отношению к оси ускорителя. Это обеспечивает увеличенный угол сканирования (60°), в отличие от вариантов 1 и 2, в которых угол сканирования равен 35° [−5°, 30°]. Расстояние между конверсионной мишенью и объектом может быть уменьшено. Это обеспечивает большую мощность излучения на детекторах, позволяет сделать систему более компактной при большей плоскостности гамма-излучения. Плоскостность излучения в матрице детекторов равна 19%. Матрица детекторов, второй коллиматор и поглотитель обратного излучения монтируются на твердой входной рамке. В связи с этим излучение поглощается местной защитой, вторым 39

коллиматором, поглотителем обратного излучения на входной рамке. Ускоритель снабжен местной защитой. Абсолютная величина мощности гамма-излучения на детекторах выше, чем в вариантах 1 и 2 из-за меньшего расстояния от конверсионной мишени до детектора. Вариант 4. Источник излучения расположен под полом и помещен в местную защиту. Ось ускорителя вертикальна. Второй коллиматор расположен горизонтально, является толстостенным поглотителем, окружающим источник излучения с щелью – коллиматором. Матрица детекторов и поглотитель обратного излучения могут быть установлены на входной рамке. Ось колеса и поперечное сечение автомобиля могут быть расположены в плоскости сканирования излучения во время инспекции. Оси колес находятся в области сканирования. Ось колеса и контейнер перекрывают друг друга и могут обеспечить большую толщину поглощения излучения. Обычно толстые и тяжелые предметы располагаются в нижней части контейнера. Общая толщина поглощающих предметов в нижней части контейнера может также достигать максимально просвечиваемой величины. В связи с этим наличие в плоскости сканирования осей колес нельзя считать серьезным недостатком. Более того, теоретически некоторые запрещенные грузы могут быть расположены в теневой части оси колес ниже контейнера между колесами. Такие грузы являются проблемой для всех вариантов просвечивающих систем. Вариант 4, так же как и вариант 3, характеризуются наибольшей плоскостностью матрицы детектора, равной 19%. Наибольшая мощность излучения в детекторах позволяет получить наилучшее изображение и обеспечить наилучшую чувствительность распознавания Z. Этот вариант является наиболее компактным, поэтому в нем можно обеспечить наилучшую радиационную защиту. Варианты 3 и 4 могут быть использованы в единой двухпрожекторной системе (вариант 5), как показано на рис. 2.8. Горизонтальная и вертикальная плоскости сканирования могут быть расположены с некоторым относительным смещением. При этом плоскость сканирования каждой горизонтальной проекции 40

может быть расположена в середине между двумя плоскостями сканирования вертикальных проекций.

Ось ускорителя

Ось ускорителя

Рис. 2.8. Двухпрожекторный инспекционный комплекс

Фильтры гамма-излучения устанавливаются между первым и вторым коллиматорами. Конфигурация фильтра разработана и исследована в системе All Secure. Сравнивая системы All Secure и системы С-диапазона, можно видеть, что в системе All Secure используется один и тот же фильтр при всех энергиях электронов, тогда как модули гамма-излучения в системе С-диапазона, работающие при различных энергиях электронов, снабжаются раздельными фильтрами. В связи с этим можно использовать оптимизированные по материалу и толщине фильтры для каждой энергии электронов. Это является серьезным преимуществом инспекционных модулей, работающих в С-диапазоне. Система All Secure включает два ускорителя. Электронные пучки из обоих ускорителей поступают на единую конверсионную мишень. В связи с этим на мишени суммируется средняя мощность пучка в четырех рабочих режимах, что предъявляет повышенные требования к теплоотводу с мишени. Частота повторения импульсов ускоренных электронов каждой энергии F=120 Гц. Инспектируемый контейнер перемещается со скоростью V=0,5 м/сек. Период измерения составляет p=V/F=4 мм. Плоскости сканирования объекта излучением из обоих ускорителей совпадают, при этом из-за перемещения контейнера при переключении ускорителей с одной энергии на другую 41

осуществляется сканирование смещенных плоскостей контейнера. Максимальное смещение плоскостей сканирования при различных режимах работы установки составляет 3р, т.е. 12 мм. Это накладывает ограничение на точность детектирования и распознавания объектов с различными Z. Установка, работающая в С-диапазоне, включает четыре ускорителя. Каждый ускоритель снабжен собственной конверсионной мишенью. Средняя мощность на мишени равна средней мощности пучка соответствующего ускорителя. Плоскости сканирования параллельны друг другу и перпендикулярны направлению перемещения исследуемого объекта. Продольное расстояние d между осями ускорителей равно: 1 1 (2.1) d = ( + N ). F 4 Здесь N – целое число. Плоскости сканирования при различных энергиях не совпадают в пространстве, но они совпадают для движущегося контейнера (рис. 2.9). Выбор d является достаточно произвольным. При допустимой величине разделения V/F=4 мм можно сделать d=1 м.

Рис. 2.9.Схема просвечивания объекта четырьмя источниками

В табл. 2.2 приведены параметры инспекционных систем.

42

Таблица 2.2 Основные параметры инспекционных систем Система Параметр All secure C-диапазон Период измерений, 4 4 4 4 4 мм Скорость 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 перемещения, м/сек Частота следования 120 120 120 120 120 сгустков в каждом ускорителе, Гц Номер ускорителя 1 2 1 2 3 Рабочая частота, ГГц 2,856 2,856 5,71 5,71 5,71 Длина секции, мм 600 1000 280 600 911 Диаметр резонатора, 172 172 82 82 82 мм Число ускоряющих 11 19 11 23 35 ячеек Импульсная 2,97 2,97 3,3 4,4 4,95 мощность клистрона, МВт Частота импульсов 240 240 120 120 120 клистрона, Гц Средняя мощность 4,95 4,95 3,96 5,28 5,94 клистрона, кВт Длительность 10 10 10 10 10 10 импульса клистрона, мкс Энергия электронов, 4,0 5,5 7,5 9,1 5 10 МэВ Импульсный ток 0,4 0,3 0,24 0,17 350 200 пучка, мА Импульсная 1,6 1,65 1,8 1,55 1,9 2,1 мощность пучка, МВт Энергия, запасенная в 13,6 14,0 15,3 13,2 17,5 19,3 импульсе электронов, Дж Средняя мощность 1,33 1,38 1,5 1,3 2,1 2,3 пучка, кВт Мощность на 5,5 2,1 2,3 конверсионной мишени, кВт

43

4 0,5 120 4 5,71 1173 82 45 4,95 120 5,94 10

10

15

20

100

40

1,65

0,85

14,8

7,6

1,78

0,91

1,78

0,91

Сравнивая систему All Secure, работающую в режиме четырех энергий, и систему С-диапазона, можно сделать следующие выводы. • Невозможно использовать только одну конверсионную мишень для четырех пучков при их суммарной мощности 5,5 кВт, так как температура мишени превысит точку плавления вольфрама (3420°С). Исследование метода определения величины Z образцов может быть осуществлено при уменьшении скорости перемещения инспектируемого контейнера и снижении частоты повторения импульсов ускоренного пучка, т.е. при уменьшении средней мощности пучка. С другой стороны, как показывают расчеты, температура каждой из четырех вольфрамовых мишеней в системе С-диапазона достигает примерно 1500°С, что является приемлемой величиной. • Плоскости сканирования смещены на 12 мм при различных энергиях в системе All Secure. Это приводит к существенному снижению точности идентификации величины Z содержимого контейнера. Плоскости сканирования на различных энергиях в системе С-диапазона могут точно совпадать. • Применение режима работы ускорителя на двух энергиях усложняет конструкцию установки. Работа ускорителя в единственном режиме, как предполагается делать в каждом из ускорителей системы С-диапазона, обеспечивает относительную конструктивную простоту и надежность функционирования системы в целом. Рассмотрим кратко назначение и структуру основных систем комплекса инспекции. Радиографическая система комплекса состоит из источника излучения, который генерирует электромагнитное излучение высокой энергии: гамма-излучение или тормозное излучение. Излучение коллимируется и проникает сквозь транспортное средство и контейнер с грузом. Матрица детекторов измеряет излучение высокой энергии, прошедшее сквозь объект, и преобразует зарегистрированный сигнал в данные для компьютерной обработки. Управление радиографической системой осуществляется с помощью специального программного обеспечения. 44

Радиационная защита обеспечивает снижение дозы облучения персонала до допустимых уровней. Под персоналом понимаются операторы, обслуживающие комплекс, водители транспортных средств, другие работники, находящиеся вне защиты радиографического комплекса. Система блокировок обеспечивает безопасность персонала и защиту оборудования при выходе оборудования из строя либо его недопустимых рабочих режимах. Автоматические отключения пучка электронов осуществляются при индикации недопустимого рабочего режима, например, отключении питания, при появлении человека в зоне радиационного сканирования, по команде оператора при появлении различных опасностей, например, сейсмическом толчке. Сигналы блокировок поступают через систему управления радиографическим источником, систему управления перемещением комплекса. Система перемещения комплекса состоит из транспортной системы, которая перемещает радиографическую систему вдоль инспектируемого объекта с заданной скоростью. Управление и контроль системой перемещения комплекса осуществляются с применением специального программного обеспечения. Система управления обеспечивает управление и контроль работы радиографического комплекса. Система управления, управляющие компьютеры, узлы связи с элементами радиографического комплекса расположены в одном помещении. Управляющая рабочая станция состоит из компьютеров, дисплеев и другого периферийного оборудования, используемого для управления системой CAARS. Рабочая станция содержит также графический интерфейс пользователя, который позволяет оператору выбрать и передать команды по отображению сканированных изображений с применением автоматического анализа сигналов с детекторов для идентификации материалов с высоким Z. В дополнение система обеспечивает изображение, получаемое после специальной обработки и позволяющее идентифицировать потенциальную контрабанду. Рабочая станция включает консоль оператора с управляющими и контрольными системами, использующими программное обеспечение анализа данных. 45

Система оповещения о нештатных ситуациях обеспечивает визуальное и звуковое извещение персонала о выявлении материалов с высоким Z, обнаружении предполагаемой контрабанды, а также о сбоях в работе систем, например, системы питания. Система оповещения сообщает о появлении людей в зоне радиационного сканирования. Бесперебойный источник питания обеспечивает безопасное отключение систем радиографического комплекса при отключении энергоснабжения. Источник питания должен сохранить работоспособность рабочей станции для предотвращения потери данных, полученных в процессе сканирования. Элементы программного обеспечения комплекса включают следующие компоненты. • Управляющая  система является главной программой, обеспечивающей управление комплексом и контроль его основных параметров. Программное обеспечение позволяет оператору вводить команды управления оборудованием, входящим в комплекс. Операционная система также обрабатывает сигналы с детекторов, обеспечивает накопление данных по получаемым изображениям. • Контрольная  система радиографического источника управляет системой перемещения радиографического источника и мониторов при сканировании объектов. Система обеспечивает установку положения источника и скорость его перемещения по отношению к инспектируемому объекту. Система обеспечивает автоматическую остановку и выключение радиографического источника при возникновении нештатных ситуаций, связанных с ошибками в перемещении источника, и при других отклонениях от рабочего режима. Контрольная  система осуществляет контроль характеристик источника и управление источником посредством ввода команд через операционную систему. В функции системы входит включение и выключение радиационного излучения от источника, перестройка коллиматоров радиационного потока. Контрольная система обеспечивает сбор данных с датчиков мониторов излучения для  контроля и поддержания рабочего режима в заданных пределах, передает эти данные в 46

операционную систему и их индикацию на дисплее рабочей станции. • Автоматизированная  система анализа атомного номера материалов объекта. Осуществляет анализ интенсивности радиационного излучения, регистрируемого матрицей детекторов, установленных за объектом, для выявления материалов с высоким Z внутри контейнера и транспортного средства. Этот анализ основан на зависимости величины поглощения радиационного излучения материалов от атомного номера материала и энергии излучения. Все выявленные материалы с высоким атомным номером автоматически индицируются на экране дисплея с визуальным выделением их на изображении объекта и подачей звукового сигнала. • Система  предварительной обработки радиографических изображений предназначена для помощи оператору в идентификации контрабандного товара (наркотиков, оружия, валюты и др.) с применением предустановленных алгоритмов и баз данных, содержащих типовые радиографические изображения подозрительных объектов. Аномалии показываются на экране дисплея яркой подсветкой. • Система отображения обработанных изображений предназначена для помощи оператору в идентификации, разделении и уточнении материалов с высоким атомным номером с помощью ряда особенностей таких, как повышение и контроль контрастности, повышение резкости изображения, цветовая контрастность и др. На дисплее представляется радиографическое изображение объекта с яркой подсветкой материалов с большими атомными номерами. Такие материалы также помечаются специальными маркерами (круги, квадраты и др.). Маркеры снабжены расшифровкой легенды.

47

Глава 3. ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ НА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЕ С БИПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ 3.1. Схема расчета В ЛУЭ, работающих в режиме стоячей волны, в качестве ускоряющей секции обычно используется бипериодическая ускоряющая структура (БУС). БУС работает на виде колебаний π/2, обеспечивающем высокую стабильность ускоряющего поля. При этом сдвиг фазы между соседними ускоряющими ячейками равен π, и с точки зрения динамики электронов такая структура может рассматриваться, как структура, работающая на виде колебаний π. Ускоряющие резонаторы с видом колебаний π имеют повышенное значение эффективного шунтового сопротивления rш.эфф. Придание ускоряющей ячейке Ω-образной формы дополнительно увеличивает эффективное шунтовое сопротивление [3.1]. В настоящей главе рассматриваются линейные ускорители электронов с такой ускоряющей структурой. Расчет бипериодической ускоряющей структуры (БУС) линейного ускорителя электронов (ЛУЭ) состоит из нескольких этапов. Первый этап – это выбор длины ускоряющей структуры L и величины погонного эффективного шунтового сопротивления rш.эфф., обеспечивающих на заданной частоте f и при заданной мощности ВЧ генератора Pг получение необходимой энергии электронного пучка U и тока ускоряемых электронов I0. Прирост энергии (в вольтах) определяется следующей формулой [3.2]:

U = rш.эфф. LPГ ⋅

2 β 0 I 0 rш.эфф. L , − 1 + β0 1 + β0

(3.1)

где β0 – начальный коэффициент связи резонатора с ВЧ-трактом при отсутствии нагрузки током. Следует обращать внимание, чтобы коэффициент связи структуры с подводящим мощность волноводом β не превышал разумных значений (не более 3−4).

48

Если коэффициент связи достигает оптимального значения βопт, которое соответствует структуре с критической связью, выражение (3.1) примет вид:

U=

rш.эфф LPГ I0 2

rш.эфф L I o2 rш.эфф L + 1+ PГ 4 PГ

,

(3.2)

а βопт определяется уравнением 2

⎡I r I 02 r ш.эфф L ⎤ ш.эфф L 0 (3.3) ⎥ . + 1+ β опт = ⎢ PГ 4 PГ ⎢2 ⎥ ⎣ ⎦ На рис. 3.1 приведены зависимости нормированной энергии

КU = U / rш.эффlP0 и коэффициента полезного действия η от нормированного параметра ускоренного тока K I = I 0 rш.эфф l для 2

P0

линейных ускорителей электронов на основе БУС при разных значениях коэффициента связи резонатора с прямоугольным волноводом βi. В процессе таких расчетов определяется усредненная величина продольной составляющей напряженности электрического поля Е, которая на следующем этапе должна быть реализована соответствующим выбором геометрических размеров ускоряющей ячейки и ячейки связи. При выборе геометрии структуры следует учитывать и ряд других факторов, в том числе стабильность структуры к изменению частоты питающего генератора, температуры окружающей среды, к допускам на размеры структуры. Повысить стабильность распределения поля на оси структуры к допускам на ее размеры можно увеличением коэффициента связи между ускоряющими ячейками и ячейками связи. Однако увеличение этого параметра может привести к уменьшению величины эффективного шунтового сопротивления.

49

KU 0 ,8 0 ,6 β4

0 ,4 β3

β2

0 ,2

β1 0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

KI

η 0 ,8

β4

0 ,6

β3

0 ,4

β2

0 ,2 β1 0

1

2

3

4

KI

Рис. 3.1. Зависимости Ku и η от KI при различных βi

Выбранная геометрия структуры должна быть также исследована и в отношении электродинамических характеристик (ЭДХ) волн высших типов, особенно частотного спектра и поперечного шунтового сопротивления первой дипольной моды, а также величины максимальной напряженности электрического поля Eмакс в наиболее опасных точках поверхности (в нашем случае на скруглениях дрейфовых трубок). Eмакс может быть вычислена с помощью программного моделирования, а если известна величина перенапряженности поля k=Eмакс/(E|x,y=0)макс, то Eмакс вычисляется по формуле:

50

Eмакс = k

r ш.эфф L Pг , Lg N a T sin ϑ T=

( 2) ,

ϑ

(3.4) (3.5)

2

где: T − времяпролетный фактор; ϑ = 2 π L g , где λ − длина λ

волны в свободном пространстве; Lg=La−Ldt − длина ускоряющего промежутка ( l dt − длина выступа дрейфовой трубки.); Lp=La+Lc+2t – период структуры (La и Lc – длина ячеек ускоряющей и связи соответственно; t – толщина диафрагмы; Na – количество ускоряющих ячеек. Следующий этап – расчет динамики электронов в ускоряющей структуре. При проектировании линейных ускорителей электронов с высокочастотной фокусировкой особое внимание следует уделять начальному участку структуры, где происходит захват электронов в процесс ускорения, их группировка и фокусировка. Указанные функции выполняют одна или несколько начальных ячеек, длины которых выбирают таковыми, чтобы относительная фазовая скорость волны βw была меньше 1, а безразмерная амплитуда ускоряющего поля Am =

eEm λ (здесь Еm – амплитуда m0 c 2

ускоряющего поля в [В/м] нормирована на энергию покоя электрона m0c2, λ – длина волны, e – заряд электрона) не превышала значения соответствующего параметра в регулярной части структуры. Для выбранного рабочего варианта рассчитываются вариационные характеристики, к числу которых относятся зависимость энергии ускоренных электронов и энергетического спектра от тока пучка, влияние на выходные параметры пучка напряжения инжекции, параметров инжектируемого пучка (диаметр кроссовера и его положение в структуре), величина мощности ВЧ питания и др. Для оптимизации ВЧ фокусировки пучка электронов в группирователе необходимо, чтобы кроссовер пучка находился в области максимального фокусирующего поперечного 51

электрического поля в первой группирующей ячейке. Также необходимо, чтобы пучок обладал малыми поперечными размерами при заданном токе и заданной входной энергии. С этой целью следует провести оптимизацию геометрии фокусирующего электрода пушки для трех вариантов катодных сборок, отличающиеся диаметром катода. При моделировании использовалась программа SuperFish [3.3]. Завершающим этапом является расчет характеристик узла ввода мощности. Определение размеров щели связи между ускоряющей секцией и прямоугольным волноводом производится в соответствии с методикой, изложенной в [3.2]. Оптимальный коэффициент связи рассчитывается по формуле (3.3). Далее детально описан процесс расчетов характеристик ЛУЭ на основе БУС на примере ускорителей, используемых в качестве источников тормозного излучения в проекте AllSecure (США) [3.4].

3.2. Расчет электродинамических характеристик ускоряющих ячеек В табл. 3.1 приведены параметры источника СВЧ мощности и требования на характеристики ускоренного пучка. Для получения хорошего энергетического спектра и максимального коэффициента захвата варьировалось поле в первых двух ячейках, а также значения фазовой скорости в них, т.е. их длина. Таблица 3.1 Характеристики ускорителя Параметр Рабочая частота f, МГц Входная мощность Pвх, МВт Энергия инжекции Wинж, кэВ Средняя энергия ускоренного пучка Wср, МэВ Ток ускоренного пучка Iп , А Число ячеек

Значение 2856 4,5 40 10 0,2 19

В табл. 3.2 представлены значения относительной фазовой скорости и напряженности ускоряющего поля в первых двух группирующих ячейках и в регулярной ячейке ускоряющей структуры. Значения этих параметров получены из расчета 52

динамики для достижения требуемых токов в режиме высокой энергии (HE) и в режиме низкой энергии (LE). В табл. 3.2 через ε обозначено относительное распределение поля в серединах ускоряющих ячеек по отношению к полю в регулярной части структуры. На рис. 3.2 схематично представлена бипериодическая ускоряющая структура, состоящая из 19 ускоряющих ячеек и ввода мощности, а на рис.3.3 приведено обозначение размеров ускоряющей ячейки и ячейки связи. Таблица 3.2 Характеристики ускоряющей структуры Параметр Значение N 1 2 3−19 0,660 0,760 0,999 βф zd, мм 34,6 39,90 52,40 rbm, мм 4,0 4,0 4,0 zt, мм 4,0 4,0 4,0 zns, мм 4,0 4,0 4,0 zcc, мм 4,0 4,0 4,0 0,48 0,90 1,00 ε

Рис.3.2. Разрез ускоряющей структуры. Нумерация ячеек ускорителя: А − ускоряющая ячейка, С − ячейка связи

В расчетах рассматриваются два варианта геометрии ячеек. Различие заключается в форме носика. В первом варианте диафрагма и носик сопрягаются тором радиусом скругления rci, а для второго варианта фигурой сопряжения является конус, половина угла раствора которого равна 30°. 53

Рис. 3.3. Основные геометрические параметры ячеек

В табл. 3.3 приведены результаты предварительного расчета регулярной ячейки БУС с использованием наиболее известных трехмерных программ CST Microwave Studio [3.5] и ANSYS [3.6]. Таблица 3.3 Результаты расчета характеристик регулярной ячейки Параметр Значение MWS MWS Тип ячейки ANSYS Без скругл. Со скругл. Rа, мм 42,529 42,526 42,500 lщ, мм 20,16 18,00 20,16 44,08 40,44 44,08 ϕщ, град 1,5 rскр.т.щ, мм − − Rc, мм 37,08 38,10 36,710 fa, МГц 2856,00 2855,09 2856,20 fc, МГц 2855,99 2856,00 2856,30 4,7 4,1 Ксв , % −

54

В расчетах использованы следующие параметры структуры: β ф =0,999, D=52,4 мм, L a =40,4 мм, g=32,4 мм, R co =19,2 мм, R ci =1 мм, R o =2 мм, s=12 мм, rb =4 мм, r щ =17 мм, d щ =6 мм, r скр.щ =3 мм, L c =4 мм. Наряду с полученными геометрическими размерами в табл. 3.3 представлены значения частот ускоряющей ячейки и ячейки связи, а также коэффициент связи. На рис. 3.4 приведены графики изменения частоты ускоряющей полуячейки fa и частоты ячейки связи fc от радиуса ускоряющей полуячейки rac и радиуса ячейки связи rcc соответственно.

Рис. 3.4. Зависимости частоты ускоряющей полуячейки fa и частоты ячейки связи fc от радиуса ускоряющей полуячейки rac и радиуса ячейки связи rcc, соответственно

55

3.3. Расчет размеров бипериодической ускоряющей структуры 3.3.1. Расчет ускоряющих ячеек Рассмотрим расчет бипериодической ускоряющей структуры с группирователем с использованием трехмерной программы. Расчет проводится в следующей последовательности. Первоначально производится расчет подгрупп (резонансных макетов), каждая из которых представляет собой две ускоряющие полуячейки и одну ячейку связи, за исключением последней подгруппы, представляющей собой первую ускоряющую ячейку, первую ячейку связи и половину второй ускоряющей ячейки. Расчет начинается с первой подгруппы (третья ячейка связи и половины третьей и четвертой ускоряющей ячейки) и заканчивается последней подгруппой. Расчеты осуществлены для регулярной ячейки (βф3=0,999), второй группирующей ячейки (βф2=0,760), первой группирующей ячейки (βф1=0,660) и группирователя в целом. В процессе расчетов определяются размеры щелей связи и, соответственно, диаметры ускоряющих ячеек и ячеек связи так, чтобы поля в ускоряющих ячейках на рабочей частоте соответствовали заданным, а поля на оси в ячейках связи отсутствовали. Расчетная модель регулярной ячейки (βф3=0,999) представляет собой две ускоряющие полуячейки и ячейку связи между ними. Были рассчитаны два варианта геометрии ускоряющих ячеек. Для первого варианта радиус скругления конуса, сопрягающего носик и стенку диафрагмы rci, равен 1,0 мм и отсутствуют скругления граней щелей связи rcslr. Для второго варианта радиусы скругления rci и rcslr равны соответственно 1,5 мм. Окончательные размеры ячеек, полученные частоты и отношения полей в ячейке связи и ускоряющих полуячейках приведены в табл. 3.4. Расчеты проведены для следующих параметров ячейки: β ф3 =0,999, z d =52,4 мм, z ac =40,4 мм, z ns =4 мм, r co =19,2 мм, r o =2 мм, r bm =4 мм, r ns =8 мм, z t =4 мм, r sl =17 мм, d sl =6 мм, r slr =3 мм, z cc =4 мм. 56

Параметр Тип ячейки rac, мм rci, мм α, град wsl, мм rcslr, мм rcc, мм fa, МГц fc, МГц kсв , % Q EA1/EA2 Ec/EA2

Таблица 3.4 Результаты расчета характеристик ячейки Значение Без скруглений Со скруглениями торцов щелей торцов щелей связи связи Вариант 1 Вариант 2 42,527 42,517 42,510 1,00 1,50 − 30,00 − − 20.20 19,00 19,.00 1,50 1,50 − 37,049 37,431 37,440 2856,06 2856,08 4,8 14750 1,00 8,6×10-8

2856,00 2856,00 5,0 15090 1,00 6,5×10-6

2856,00 2855,99 5,0 15100 1,00 7,7×10-6

Для указанных размеров варианта со скруглениями rci и rcslr равными 1,5 мм была рассчитана модель, состоящая как из двух ускоряющих полуячеек и ячейки связи между ними (рис. 3.5,а), так и из целой ускоряющей ячейки и двух ускоряющих полуячеек (рис.3.5,б). На этих рисунках представлены распределение продольной составляющей электрического поля на оси, а также картина силовых линий электрического поля в четвертинке структуры. Как и следовало ожидать, для настроенной структуры электрическое поле на оси ячейки связи отсутствует. Собственная добротность в данной модели Q=13400, а частота fa=2856,33 МГц. Для исследования зависимости собственной добротности от величины коэффициента связи, была выбрана модель бипериодической структуры с формой носика варианта 1 рис. 3.3. Для щели связи выбраны следующие размеры: ширина dsl =10 мм, радиус скругления rslr =5 мм, радиус щели связи rsl=16 мм. Изменение связи осуществляется за счет вариации углового размера щели связи ϕ между центрами скругления щели связи на краях.

57

В табл. 3.5 приведены значения ϕ и соответствующие значения длины дуги щели связи wsl (рис.3.5), радиусы ускоряющей ячейки и ячейки связи (rac, rcc), полученные при настройке макета частоты этих ячеек (fa, fc) и искомые значения добротности Q, погонного эффективного шунтового сопротивления rш.эфф, и коэффициента связи kсв.

а

б Рис.3.5 Распределение продольной составляющей электрического поля и ее силовые линии: две ускоряющие полуячейки и ячейка связи (а), ячейка и две ускоряющие полуячейки и две ячейки связи (б)

58

Таблица 3.5 Зависимости параметров структуры от угла раствора щели связи rш.эфф, wsl, rac, rcc, fa, fc, kсв, ϕ, Q МОм/м мм мм мм МГц МГц % град 45 12,57 42,571 39,84 2855,99 2856,00 17300 3,00 85,99 55 15,36 42,481 38,15 2856,00 2856,00 15107 5,47 76,10 60 16,76 42,458 36,50 2855,99 2856,00 14819 7,18 75,13 75 20,94 42,352 23,47 2856,00 2856,00 14554 14,65 75,03

На рис. 3.6 представлены зависимости добротности ячейки и погонного шунтового сопротивления от коэффициента связи.

а

б Рис. 3.6. Зависимость, собственной добротности ячейки (а) и погонного эффективного шунтового сопротивления (б) от коэффициента связи

59

Расчетная модель второй группирующей ячейки (βф2=0,760) представляет собой две ускоряющие полуячейки, с соответствующими относительными фазовыми скоростями βф2=0,760 и βф3=0,999 и ячейку связи между ними. При расчете для ускоряющей регулярной полуячейки было взято значение радиуса rac, полученное выше. Значение для радиуса второй ячейки было найдено для симметричной модели, состоящей из одинаковых полуячеек βф2=0,760. Далее последовательно изменяя длину щели связи wsl, радиус ячейки связи rcc и радиус ускоряющей полуячейки rac, было получено требуемое распределение поля и необходимая рабочая частота. Данные представлены в табл. 3.6. Расчеты проведены для следующих параметров ячейки: βф3=0,76, размеры: zd=39,9 мм, zac=27,9 мм, zns=4 мм, rco=12,95 мм, ro=2 мм, rbm=4 мм, rns=8 мм, zt=4 мм, rsl=17 мм, dsl=6 мм, rslr=3 мм, zcc=4 мм. Также были рассчитаны отношения поля в середине ячейки связи к полям в серединах регулярной и группирующих ячеек. Распределение продольной составляющей электрического поля и конфигурация силовых линий электрического поля показаны на рис. 3.7. Таблица 3.6 Характеристики второй группирующей ячейки Значение Параметр Без Со скруглениями торцов щелей скруглений связи Тип ячейки торцов щелей Вариант 1 Вариант 2 связи rac, мм 40,646 40,611 40,595 1,00 1,50 rci, мм − 30,00 α, град − − wsl, мм 21,550 20,300 20,300 1,50 1,50 rcslr, мм − rcc, мм 36,518 36,904 36,913 fa, МГц fc, МГц kсв , % Q EA2/EA3 Ec/EA3 Ec/EA2

2856,020 2856,040 6,2 13154 0,89 6,0×10-3 6,8×10-3

2856,051 2856,030 6,4 13643 0,90 5,1×10-4 8,4×10-4

60

2856,000 2855,998 6,5 13752 0,90 3,3×10-3 2,9×10-3

Рис. 3.7. Распределение продольной составляющей электрического поля и ее силовые линии

Расчетная модель первой группирующей ячейки (βф1=0,660) представляет собой полную первую ускоряющую ячейку, ячейку связи и половину второй ускоряющей ячейки. Для настройки ячейки связи использовалась модель, аналогичная рассмотренной выше. Требуемое соотношение поля EA1/EA3=0,48 соответствует EA1/EA2=0,53. Соответствующие данные приведены в табл. 3.7 и на рис. 3.8. Таблица 3.7 Характеристики первой группирующей ячейки Без Со скруглениями торцов щелей связи скруглений Вариант 1 Вариант 2 Тип ячейки торцов щелей связи rac, мм 39,668 40,047 40,028 1,0 1,50 rci, мм − 30,00 α, град − − wsl, мм 27,100 27,300 27,300 1,50 1,50 rcslr, мм − rcc, мм 32,147 29,051 29,572 fa, МГц fc, МГц kсв , % Q EA1/EA2 EC/EA1 EC/EA2

2856,050 2856,040 12,6 11052 0,54 5,0×10-2 2,6×10-2

2856,020 2856,010 12,5 11604 0,54 4,1×10-2 2,2×10-3

61

2855,994 2856,050 12,3 11337 0,54 1,4×10-1 7,5×10-2

Рис.3.8. Распределение продольной составляющей электрического поля и ее силовые линии

Расчеты проведены для следующих параметров ячейки: βф1=0,660, размеры: zd=34,6 мм, zac=24,6 мм, zns=4 мм, rco=11,3 мм, ro=2 мм, rbm=4 мм, rns=8 мм, zt=4 мм, rsl=17 мм, dsl=6 мм, rslr=3 мм, zcc=4 мм. Расчетная модель группирователя в целом представляет собой первые две группирующие ячейки, одну целую регулярную ячейку и одну половину регулярной ячейки. На рис.3.9 представлены силовые линии электрического поля в такой модели и распределение продольной составляющей электрического поля на оси структуры. Полученная расчетная частота рабочего вида колебания f = 2855,29 МГц, а нормированное на амплитуду поля в регулярной ячейке распределение полей 0,47 : 0,91 : 1,0 : 1,0.

Рис.3.9. Модель группирователя и распределение продольной составляющей электрического поля в нем

62

3.3.2. Расчет ввода мощности Размеры ввода мощности (трансформатора типа волны) для линейных ускорителей электронов, работающих как в режиме бегущей, так и стоячей волн, можно определить по методике, изложенной в работе [3.4]. В соответствии с этой методикой проводятся расчеты по приближенным аналитическим выражениям, а затем размеры трансформатора уточняются экспериментально. Развитие методов математического моделирования с использованием современной вычислительной техники позволяет решить эту задачу численно. Рассмотрены возможности использования трехмерной программы CST Microwave Studio [3.6] при расчете трансформатора типа волны линейного ускорителя электронов с бипериодической ускоряющей структурой. Необходимость решения такой задачи вытекает из известного положения, что в номинальном режиме коэффициент связи ускоряющего резонатора с подводящей линией передачи должен выбираться из условия равенства единице при нагрузке резонатора током. Расчетная модель представляет собой прямоугольный волновод, соединенный с ускоряющей ячейкой, ячейку связи и половину ускоряющей ячейки (рис. 3.10). Shw

Lc

ro

dh

B Z

Rh

Rc

o

Ra

Rc

Rx

g

A

X

D

Lh Rhr

Y

Rh Rb

Rc

i 30°

Ro Ri

Ric

t

Рис. 3.10. Ввод мощности в ускоряющую структуру

63

Расчет узла ввода мощности проводится для двух секций линейного ускорителя электронов с бипериодической ускоряющей структурой, состоящей из 19 и 11 ускоряющих ячеек. Первые две ячейки являются группирующими. Ввод мощности расположен в последней ячейке ускорителя. Сначала с помощью программы численного моделирования необходимо настроить резонансную частоту ячейки с вводом мощности путем варьирования его радиуса R. На рис. 3.11 приведены картины электрического и магнитного полей, а также распределение продольной составляющей электрического поля на оси структуры. Такую процедуру настройки следует проводить каждый раз, когда меняется ширина окна связи волновода с резонатором х (рис.3.12).

а

б

в Рис. 3.11. Конфигурации полей в структуре: электрическое поле (а), магнитное поле (б), распределение электрического поля на оси структуры (в)

64

Так как для подстройки частоты решается резонансная задача, то волновод должен быть закорочен на конце. Причем расстояние от окна до закоротки выбирается таким образом, чтобы резонансная частота получившегося призматического резонатора была далека от рабочей частоты структуры. Затем решается уже «открытая» задача с портом, расположенным в прямоугольном волноводе. В результате расчета определяется коэффициент связи волновода с резонатором β при отсутствии нагрузки током.

Рис.3.12. Зависимость радиуса ячейки с вводом мощности и положения окна связи от размера окна

Исходя из того, что коэффициент связи пропорционален соотношению длин резонатора в расчетной модели и реальной длины ускоряющего резонатора, то коэффициент отражения в расчетной модели β1.5 (ячейка с вводом мощности плюс ячейка связи и плюс половина регулярной ячейки) определяется так: L (3.6) β1,5 = β19 19 L1,5 где L19 и L1,5 соответствуют длинам структуры из 1,5 и 19 ускоряющих ячеек соответственно, а β19 есть коэффициент связи для структуры из 19 ячеек. 65

На рис 3.13 представлены рассчитанные соответствующие значения для ускорителя, включающего 19 и 11 ячеек.

а

б Рис. 3.13. Зависимость коэффициента связи от размера окна для режима HE (а) и режима LE (б)

В табл. 3.8 приведены результаты расчета влияния на коэффициент связи размеров щелей связи прямоугольного 66

волновода (с размерами 72×34 мм) с БУС для двух вариантов ускорителя. Для того чтобы при номинальных параметрах ускоренного пучка обеспечить критическую связь, в случае ускорителя в режиме HE, коэффициент пересвязи должен быть 2,5, а для ускорителя с большим ускоренным током этот параметр равен 6,14. Таблица 3.8 Характеристики структур в функции размеров щели связи Размер Характеристики структур щели x, Ra, f, β (1,5) β (19) z, мм S11 мм мм MHz 28,0 40,22 40,22 2856,5 0,770 7,73 0,63 30,0 40,16 40,16 2856,6 0,842 11,66 0,95 32,0 40,11 40,11 2856,3 0,893 17,66 1,44 34,0 40,04 40,04 2856,0 0,924 25,41 2,08 34,9 40,00 40,00 2856,1 0,937 30,65 2,50 36,0 39,95 39,95 2856,0 0,948 37,37 3,05 36,7 39,91 39,91 2856,1 0,954 42,37 3,46 38,0 39,85 39,85 2856,0 0,961 51,25 4,19 40,0 39,73 39,73 2856,1 0,974 75,63 6,18

β (11) 1,12 1,69 2,56 3,68 4,44 5,41 6,14 7,43 10,96

Окончательные размеры вводов мощности для двух вариантов ускорителя приведены в табл. 3.9. Размеры вводов мощности Ввод мощности Размеры 11 ячеечный 19 ячеечный резонатор резонатор Shw, мм 24,0 24,0 A, мм 72,0 72,0 B, мм 34,0 34,0 X, мм 36,7 34,9 Y, мм 13,2 13,2 Z, мм 39,91 40,00 Ra, мм 39,91 40,00 Rx, мм 4,0 4,0

67

Таблица 3.9

3.3.3.Ускоряющие структуры с повышенным коэффициентом связи Повышение электрической прочности структуры может быть достигнуто добавлением скругления между конусом, сопрягающим носик ячейки с диафрагмой, а также скруглением диафрагмы в области пролетной апертуры со стороны ячейки связи (рис.3.14).

Рис. 3.14. Конфигурация носика ускоряющей ячейки

Характерной особенностью структуры является значительное повышение коэффициента связи между ячейками (до 10,3% для основной части структуры, то есть для ячеек с 3 по 19), что обеспечивает снижение требований на точность изготовления структуры. Дисперсионная характеристика настроенного участка структуры с βф=0,999 изображена на рис. 3.15. Здесь же приведена и зависимость для ненастроенной структуры (с разрывом дисперсионной кривой).

Рис. 3.15. Дисперсионная зависимость для ускоряющей структуры с коэффициентом связи 10%

68

Результаты настройки структуры изображены на рис. 3.16.

Регулярная ячейка AC3-AC3

Вторая группирующая ячейка AC3-AC2

Первая группирующая ячейка AC1-AC2 Рис. 3.16. Распределение поля в ячейках структуры

69

3.4. Характеристики ускорителей с регулировкой энергии 3.4.1. Односекционный ускоритель Следует рассмотреть характеристики ускорителя с перестройкой энергии от 3 до 9 МэВ, состоящего из одной секции из 19 ускоряющих ячеек. Ниже показано, что за счет изменения тока инжекции можно регулировать энергию ускоренных электронов в широких пределах. На рис. 3.17 приведены зависимости средней энергии от тока пучка и ВЧ мощности от тока пучка, необходимой для получения энергии ускоренных электронов 9 МэВ.

а б Рис.3.17. Режим НЕ при мощности генератора P=2,5МВ: нагрузка пучком (а), регулировка мощности генератора (б)

В табл. 3.10 представлены соответствующие данные при регулировке энергии электронов в диапазоне 8−10 МэВ (режим НЕ) за счет изменения тока инжекции при мощности генератора 2,5 МВт и неизменном коэффициенте связи подводящего волновода с ускоряющей секцией. Здесь приняты такие обозначения: Iвх, Iп – ток на входе ускорителя и на выходе, kз − коэффициент захвата частиц в процесс ускорения, Wреф,Wмакс,Wср− энергия референсная, максимальная и средняя соответственно, Рп, Рстр, P − мощность пучка, рассеянная в стенках структуры и полная соответственно. 70

Таблица 3.10 Нагрузка пучком в режиме HE при мощности генератора P=2.5МВт Iвх, А

kз, %

Iп , А

Wреф, МэВ

0,410 0,306 0,220

48,5 50,2 51,2

0,199 0,154 0,113

10,257 11,057 11,798

Wмакс, МэВ

Wср, МэВ

Pп , МВт

Pстр, МВт

P, МВт

10,260 8,047 1,620 11,064 9,028 1,403 11,844 10,013 1,140

0,894 1,126 1,385

2,515 2,529 2,525

Iп=0,199 А, Wср=8,047 МэВ

Iп=0,113 А, Wср=10,013 МэВ Рис. 3.18. Результаты расчета по программе PARMELA

71

На рис. 3.18 приведены результаты расчета по программе Parmela [3.3] характеристик ускоренного пучка на входе ускорителя для варианта с током ускоренного пучка 0,154 А. На нем представлены слева направо и сверху вниз соответственно фазовый спектр, профиль пучка в поперечном сечении, фазоэнергетическое распределение частиц и энергетический спектр. Аналогичные данные при регулировке энергии электронов в диапазоне 3 − 5 МэВ для мощности 2,5 и 1,9 МВт приведены в табл. 3.11. Зависимость средней энергии от тока пучка приведена на рис. 3.19,а, на рис. 3.19,б представлена зависимость величины мощности ВЧ от тока пучка, необходимой для получения энергии ускоренных электронов 4 МэВ.

а б Рис.3.19. Характеристики ускорителя в режиме LE: нагрузка током пучка при мощности генератора 2,5 и 1,9 МВт (а), регулировка мощности (б) Таблица 3.11 Характеристики ускорителя с регулировкой энергии Iп, А

Wреф, МэВ

Wмакс, МэВ

Wср, МэВ

Pп , МВт

Pстр, МВт

P, МВт

2,540 21,5

0,547

5,896

6,120

3,573

2,334

0,176

2,510

1,600

33,5

0,536

6,272

6,397

4,030

2,295

0,224

2,519

1,040

40,7

0,423

7,299

7,364

5,018

2,173

0,348

2,520

1,700

30,8

0,523

5,182

5,363

3,059

1,758

0,129

1,887

1,060

38,1

0,404

6,231

6,328

4,017

1,669

0,223

1,892

0,715

41,8

0,299

7,390

7,439

5,048

1,544

0,352

1,896

Iвх, А

kз, %

72

На рис.3.20 приведены результаты расчета по программе Parmela характеристик ускоренного пучка на входе ускорителя для вариантов при мощности ВЧ 2,5 и 1,9 МВт соответственно.

Iп=0,547 А, Wср=3,573 МэВ, P=2,5 МВт

Iп=0,523 А, Wср=3,059МэВ, P= 1,9 МВт Рис.3.20. Результаты расчета характеристик пучка

73

На рис.3.21 приведены зависимости тока и средней энергии пучка на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты ускоряющей секции для значений ВЧ мощности 1,9 и 2,5 МВт. Важными являются также характеристики по выбору энергии инжекции пучка, изображенные на рис.3.22.

а

б

Рис. 3.21. Зависимости тока (а) и средней энергии пучка (б) на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты секции

а

б

Рис.3.22 Зависимости тока пучка (а) и средней энергии (б) на выходе ускорителя при вариации напряжения инжекции пучка

На рис. 3.23 показаны выходные спектры для основных режимов работы ускорителей.

74

Рис. 3.23. Энергетические спектры на выходе ускорителя

3.4.2. Двухсекционный ускоритель Ускорительный комплекс AllSecure [3.4] состоит из двух ускоряющих структур – одна из них содержит 11 ускоряющих ячеек, а вторая, как и вышерассмотренная, состоит из 19 ускоряющих ячеек. Рассмотрим вариационные характеристики структуры из 11 ускоряющих ячеек. Для такой укороченной структуры рассматривались также два режима – режим низкой энергии, LE (3−5 МэВ), как основной, и режим высокой энергии, HE (9 МэВ). Естественно, что на короткой структуре получить 9 МэВ возможно лишь при увеличении мощности ВЧ генератора в сравнении с ранее рассмотренным максимальным ее значением 2,5 МВт. В табл. 3.12 представлены результаты расчета вариация тока инжекции для регулировки наиболее вероятной энергии ускоренных электронов в диапазоне 3−5 МэВ при неизменной мощности генератора, фиксированном коэффициенте связи с волноводом и условии, что энергия пучка в импульсе будет не менее 10 Дж во всем диапазоне регулировки. Расчетные данные приведены для значений мощности генератора 2,1 и 2,5 МВт. Зависимость средней энергии от тока пучка для двух уровней ВЧ мощности приведена на рис. 3.24. На рис. 3.25 представлены зависимости величины мощности ВЧ генератора от тока пучка, необходимой для получения средней энергии ускоренных электронов 4 и 9 МэВ соответственно. 75

Таблица 3.12 Нагрузка пучком в режиме LE при регулировке мощности генератора Iвх, А

kз, %

Iп , А

Wреф, МэВ

Wмакс, МэВ

Wср, МэВ

Pп , МВт

Pстр, МВт

P, МВт

1,300

45,2

0,588

4,415

4,441

3,015 1,844

0,222

2,066

0,820

49,0

0,402

5,313

5,317

4,023 1,651

0,395

2,046

0,546

51,7

0,282

6,142

6,158

5,027 1,447

0,617

2,064

1,700

39,4

0,670

4,550

4,578

3,044 2,276

0,226

2,502

1,060

48,1

0,510

5,313

5,317

4,040 2,109

0,399

2,507

0,720

51,4

0,370

6,144

6,159

5,034 1,901

0,619

2,519

Рис. 3.24. Нагрузка пучком в режиме LE при мощности генератора 2,1 и 2,5МВт

а б Рис. 3.25. Регулировка мощности генератора в режиме LE (а) и в режиме HE (б)

76

На рис. 3.26 приведены зависимости тока и средней энергии пучка на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты ускоряющей секции для значений ВЧ мощности 2,1 и 3,4 МВт.

а б Рис. 3.26. Зависимость тока (а) и средней энергии (б) на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты ускоряющей секции

На рис. 3.27 приведены результаты расчета по программе Parmela характеристик ускоренного пучка на входе ускорителя, а на рис. 3.28 характеристики пучка при различной энергии инжекции пучка.

Рис.3.27. Результаты расчета характеристик ускоренного пучка по программе PARMELA

77

а б Рис. 3.28. Зависимость тока пучка (а) и средней энергии (б) на выходе ускорителя при вариации напряжения инжекции пучка

3.4.3. Расчеты динамики в ускоряющих структурах с инжектором Инжектор электронов представляет собой двухэлектродную пушку. Чертеж инжектора приведен на рис. 3.29. Основные параметры: напряжение 40 кВ, ток инжекции 0−2 А.

Рис.3.29. Инжектор с первой группирующей ячейкой ускоряющей структуры

В табл. 3.13 приведены основные параметры пучка: положение кроссовера (Lкр) по отношению к поверхности катода и диаметр пучка (dп) в нем. На рис. 3.30 приведены профиль инжектора и первых трех ускоряющих ячеек БУС. Полученные с помощью 78

программы Poisson SuperFish электростатические поля использовались в программе Parmela для моделирования непрерывной эмиссии электронов с катода и динамики формирования сходящегося пучка. Таблица 3.13 Параметры пучка в кроссовере Катодная сборка Dк, мм Lкр, мм 1 8 44 2 10 48 3 11,3 52

dп, мм 1 1 1

Рис. 3.30. Профиль инжектора и первых ячеек БУС

Пучок в ходе расчета динамики может задаваться эллиптическими параметрами Куранта-Снайдера, формулы для вычисления которых [3.7]:

2 ⋅ rвх ⋅ 2 ⋅ θ , π r2 β0 = , ε0 β ⋅θ . α0 = − r

ε0 =

(3.7) (3.8) (3.9)

Здесь r – радиус пучка на входе в ускоряющую структуру, θ – угол сходимости пучка, а ε0, β0, α0 – эллиптические параметры КурантаСнайдера. При радиусе пучка на аноде 0,732 мм, в кроссовере 0,366 мм и положении кроссовера 14 мм получается ε0 = 0,0024, β0= 2,231 и α0= −0,785. Геометрические размеры пучка в ячейке приведены на рис.3.31.

79

Рис 3.31. Геометрия инжектируемого пучка

В процессе расчетов необходимо подобрать размеры пушки, указанные на рис. 3.32,а. Критерием подбора является получение на выходе ускорителя в режимах LE и HE необходимых параметров ускоренного пучка. Кроссовер пучка должен размещаться в средине первой ячейки. В результате расчетов получены размеры пушки, указанные на рис. 3.32,б.

а б Рис.3.32. Обозначение размеров пушки (а) и полученные размеры в миллиметрах (б)

Процесс образования кроссовера при диаметре катода 11,3 см отображен на рис.3.33.

80

Рис. 3.33. Процесс образования кроссовера

Картины кроссовера при трех диаметрах катода представлены на рис.3.34. 81

Диаметр катода

Картина кроссовера

11,3 мм

10 мм

8 мм

Рис. 3.34. Картины кроссовера для трех значений диаметра катода

Результаты расчета ускорителя из 19 ячеек в режиме HE с учетом выбранного инжектора приведены в табл. 3.14. Спектры, профиль пучка и его динамика на выходе такого ускорителя изображены на рис. 3.35. Таблица 3.14 Ускоритель из 19 ячеек с инжектором (режим HE) Iвх, А

kз, %

Iп , А

Wреф, МэВ

Wмакс, МэВ

Wср, МэВ

Pп , МВт

Pстр, МВт

P, МВт

0,320

48,0

0,154

10,697

11,058

9,035

1,579 1,132

2,711

Аналогичные данные для ускорителя из 11 ячеек с инжектором (режим LE) приведены в табл. 3.15 и на рис. 3.36. Таблица 3.15 Ускоритель из 11 ячеек с инжектором (режим LE) Iвх, А

kз, %

Iп, А

Wреф, МэВ

Wмакс, МэВ

Wср, МэВ

Pп , МВт

1,400

28,9

0,405

5,154

5,276

4,044

1,886 0,399 2,286

82

Pстр, МВт

P, МВт

Рис. 3.35. Спектры, профили и динамика пучка на выходе 19-ячеечного ускорителя с инжектором (режим HE)

Рис. 3.36. Спектры, профили и динамика пучка на выходе 11-ячеечного ускорителя с инжектором (режим LE)

83

Глава 4. УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ С УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ С-ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА В радиационных установках для инспекции крупногабаритных грузов наибольшее применение находят малогабаритные линейные ускорители электронов с энергией до 20 МэВ. В таких ускорителях должны обеспечиваться большой коэффициент захвата, узкий энергетический спектр, высокий ускоряющий градиент, небольшие габариты [4.1]. Традиционным рабочим диапазоном частот таких ускорителей является S-диапазон. Это обусловлено большим выбором генераторов с различной выходной мощностью. В последние годы все более широко создаются и серийно выпускаются генераторы, работающие в Cдиапазоне. Развитие таких генераторов позволяет рассматривать возможность создания ускорителей электронов, работающих в этом диапазоне частот. Преимуществом таких установок должно стать существенное снижение их габаритов по сравнению с существующими аналогами. Это должно обеспечить высокую конкурентоспособность ускорителей, работающих в C-диапазоне. Разработки источников тормозного излучения на основе ускорителей С-частотного диапазона для систем инспекции следующего поколения активно выполняются в ряде ускорительных центров [4.2, 4.3]. Основные преимущества таких систем, включающих в себя несколько ускорителей на различную энергию, следующие. Использование линейных ускорителей С-частотного диапазона позволяет существенно снизить габариты установки в сравнении с ускорителем S-частотного диапазона, поскольку при одинаковом приросте энергии длина ускоряющего резонатора вдвое меньше, меньшими являются габариты других частей установки, включая габариты клистрона, волноводной части, ускоряющих резонаторов, а также внешней защиты. Широкий диапазон энергий (5, 10, 15 и 20 МэВ) позволяет увеличить чувствительность определения атомного числа Z исследуемого материала. 84

В данной главе рассмотрены различные схемы таких ускорителей. Приводится расчет и сравнительный анализ систем, работающих в режиме бегущей волны, а также в комбинированном ускорителе. Если структуры на стоячей волне (см.гл.3) являются более компактными, имеют более высокий ускоряющий градиент, а также позволяют использовать высокочастотную фокусировку вместо внешнего фокусирующего магнитного поля из-за более легкого управления поперечного движения частиц СВЧ полем, то структуры на бегущей волне позволяют получить более высокий коэффициент захвата, имеют меньшее время заполнения СВЧ мощностью и являются более широкополосными [4.4].

4.1.

Расчет ускорителя на бегущей волне

В качестве альтернативы ускорителю на стоячей волне рассматривается ускоритель на бегущей волне на основе круглого диафрагмированного волновода. Расчеты динамики частиц в таком ускорителе проводились с помощью программы Hellweg2D [4.5] с учетом объемного заряда. В качестве источника питания предлагается использовать клистрон, работающий на частоте 5712 МГц с выходной импульсной мощностью 4,5 МВт. В качестве инжектора предлагается использовать двухэлектродную пушку, описанную в п. 3.4.3 настоящего издания. 4.1.1. Выбор группирователя В ускорителе одним из важных вопросов является выбор группирователя. Наиболее распространены группирователи с переменной фазовой скоростью, так как в них достигается больший захват частиц в ускорение по сравнению с другими типами группирователей [4.6]. При нарастающей фазовой скорости величина равновесной фазы должна отличаться от нуля. Группировка электронов в секции с переменной фазовой скоростью зависит от начальной энергии частиц, напряженности ускоряющей волны и значения равновесной фазы. Анализ динамики электронов для различных вариантов показал, что группировка улучшается с уменьшением напряженности 85

ускоряющей волны, так как в этом случае увеличиваются длина группирователя и число фазовых колебаний частиц. Аналогичное явление наблюдается и с приближением равновесной фазы к π/2. Для получения эффективной группировки выбирают небольшие начальные значения фазовой скорости волны, а равновесную фазу − близкой к нулю. Необходимо избегать резких изменений функций A(z) и βф(z). Здесь A= eEλ/W0 − безразмерная напряженность электрического поля, βф – фазовая скорость волны. В начальной части группирователя фазовая скорость должна быть постоянной. Величина скорости в конце группирователя выбирается таким образом, что сгруппированный сгусток смещается в область максимума напряженности ускоряющей волны. Тогда дальнейшее ускорение происходит эффективнее, так как обеспечивается максимальный прирост энергии на единице длины. Получить нужную зависимость аналитически не представляется возможным, вследствие чего эмпирическим путем были найдены функции [4.6], удовлетворяющие поставленным условиям: βф =

2 (1 − β нач )arctg( k1ξ k2 ) + β нач , π

(4.1)

где k1 = 3,8 ⋅10 −3 (10,8 AM − 1) ,

(4.2) (4.3) k 2 = 1,25 AM + 2,25 . Для улучшения группировки используется также изменение напряженности ускоряющей волны по длине группирователя. Хорошие результаты получаются, если напряженность изменять вдоль группирователя в соответствии со следующей зависимостью: π (4.4) A = k3 − k 4 cos( ξ ) для 0 < ξ < k5, A = AM для ξ ≥ k5. k5

Здесь k3, 4 = 0,5 AM ± 0,15 AM .

k5 =

1 1,25 AM

.

86

(4.5) (4.6)

Выбору параметров группирователя в ускорителе на бегущей волне посвящена работа [4.7]. Оптимальные результаты достигаются в случае использования группирователя с параметрами, представленными на рис. 4.1.

βф

z, см

а

E, МВ/м

z, см

б Рис. 4.1. Распределения фазовой скорости (а) и напряженности электрического поля (б) по длине ускорителя

Для преодоления радиальной неустойчивости в линейных ускорителях электронов применяют постоянное продольное магнитное поле, фокусирующее пучок на участке с малыми значениями фазовой скорости. Величина фокусирующего магнитного поля выбирается в соответствии со следующей формулой [4.6]: Bz ≥

2 mk E M (1 − ββ в ) sin ϕ eβ в .

87

(4.7)

4.1.2. Структура с постоянным импедансом В первую очередь рассматривался вариант ускорителя, работающего на виде колебаний π/2 с постоянным импедансом. Были рассчитаны ускорители на энергии 10 и 20 МэВ. Результаты расчетов представлены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Результаты расчета динамики электронов в ускорителях на бегущей волне Параметр Значение Средняя / Максимальная энергия, МэВ 10,02 / 10,88 20,0 / 21,35 Количество ячеек / Длина ускорителя, см 50 / 61,9 122 / 156,3 Максимальная напряженность поля в 23,2 / 44,8 структуре / на диафрагме, МВ/м Ускоренный ток, мА 157 50 Коэффициент захвата (полный), % 72 71 Энергетический спектр, % 12,1 7,96 Фазовая протяженность, град 28,7 20,44 Радиус пучка, мм 1,48 1,37 Мощность пучка, МВт 1,5 1,0 Мощность в нагрузке, МВт 0,78 0,1

Общими параметрами этих ускорителей является радиус отверстия в диафрагме a/λ в первой ячейке группирователя 0,14, в последней ячейке ускорителя 0,09, входная импульсная мощность клистрона 4,5МВт, а также величина магнитной индукции соленоида 0,09 Тл. Для этих ускорителей рассчитаны нагрузочные характеристики, поскольку эти ускорители целесообразно использовать в дуальном режиме. Результаты приведены в табл. 4.2, 4.3. Таблица 4.2 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Ускоренный ток, мА 157 255 347 445 537 635 Средняя энергия, МэВ 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 Максимальная энергия, МэВ 10,88 9,8 8,78 7,7 6,6 5,7 Коэффициент захвата 72 73 73 73 73 74 (полный), % Энергетический спектр, % 12,1 11,0 11,7 15,3 15,4 17,8 Фазовая протяженность, град 28,7 17,48 21,65 27,7 17,7 32,1 Радиус пучка, мм 1,48 1,46 1,63 1,74 1,7 1,78 Мощность пучка, МВт 1,58 2,28 2,78 3,11 3,23 3,2 Мощность в нагрузке, МВт 0,78 0,37 0,12 0,0 0,03 0,18

88

Таблица 4.3 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение Ускоренный ток, мА 50 65 81 94 110 126 Средняя энергия, МэВ 20,0 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 Максимальная энергия, МэВ 21,35 20,3 19,2 18,2 17,1 16,0 Коэффициент захвата 71 72 72 72 73 73 (полный), % Энергетический спектр, % 7,96 8,46 8,47 8,5 8,6 8,9 Фазовая протяженность, град 20,44 17,85 22,6 20,2 26,6 25,9 Радиус пучка, мм 1,37 1,52 1,45 1,56 1,53 1,72 Мощность пучка, МВт 1,0 1,23 1,45 1,61 1,76 1,89 Мощность в нагрузку, МВт 0,1 0,06 0,02 0,0 0,0 0,01

Ниже представлены графики зависимостей энергии, коэффициента захвата и величины энергетического спектра от величины ускоренного тока для этих случаев (рис. 4.2, 4.3).

а

б

в Рис. 4.2. Нагрузочные характеристики ускорителя с постоянным импедансом на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

89

а

б

в Рис. 4.3. Нагрузочные характеристики ускорителя с постоянным импедансом на энергию 20 МэВ зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

Кроме нагрузочных характеристик были рассчитаны и зависимости характеристики пучка от уровня входной мощности. Результаты представлены в табл. 4.4, 4.5 и на рис. 4.4, 4.5. Таблица 4.4 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 9,4 9,7 10,0 10,3 10,5 Максимальная энергия, 10,2 10,5 10,88 11,2 11,5 МэВ Ускоренный ток, мА 152 154 157 160 162 Коэффициент захвата 70 71 72 73 74 (полный), % Энергетический спектр, % 10,5 11,6 12,1 9,5 9,3 Фазовая протяженность, 28,8 27,3 28,7 14,1 15,37 град Радиус пучка, мм 1,23 1,43 1,48 1,55 1,71 Мощность пучка, МВт 1,43 1,53 1,58 1,61 1,7 Мощность в нагрузке, МВт 0,68 0,71 0,78 0,86 0,9

90

Таблица 4.5 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 18,8 19,3 20,0 20,7 20,9 Максимальная энергия, МэВ 20,0 20,6 21,35 22,1 22,6 Ускоренный ток, мА 48,5 49,3 50 50 52 Коэффициент захвата 69 70 71 71 74 (полный), % Энергетический спектр, % 6,05 7,31 7,96 7,97 8,13 Фазовая протяженность, град 16,5 23,1 20,44 19,08 17,6 Радиус пучка, мм 1,65 1,5 1,37 1,3 1,27 Мощность пучка, МВт 0,91 0,98 1,0 1,03 1,09 Мощность в нагрузке, МВт 0,09 0,09 0,1 0,11 0,12

а

б

в Рис. 4.4. Мощностные характеристики ускорителя с постоянным импедансом на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

91

а

б

в Рис. 4.5. Мощностные характеристики ускорителя с постоянным импедансом на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

4.1.3. Структура с постоянным градиентом При использовании структуры с постоянным градиентом возможно получить лучшие параметры с точки зрения динамики пучка [4.6]. Так, длина такой структуры будет заметно меньше длины структуры с постоянным импедансом при одинаковых значениях напряженности поля, или, что то же самое, напряженность поля в структуре может быть меньшей при одинаковой длине, что лучше с точки зрения обеспечения условий необходимой электрической прочности. Для случаев энергий 10 и 20 МэВ были разработаны ускоряющие структуры с постоянным градиентом на основе КДВ для комбинированного ускорителя. Оба ускорителя предназначены для работы в дуальном режиме. В обоих случаях группирователь аналогичен используемому в ускорителе с постоянным градиентом, однако рост напряженности поля здесь заканчивается раньше. Результаты расчетов динамки в этих ускорителях приведены в табл. 4.6.

92

Таблица 4.6 Результаты расчета динамики электронов в структурах с постоянным градиентом Параметр Значение Средняя /максимальная энергия, МэВ 10,0 / 10,77 20,00 / 21,3 a/λ в первой ячейке ускоряющей секции / 0,11 / 0,079 0,125 / 0,07 последней ячейке Количество ячеек / Длина ускорителя, см 52 / 64,6 122 / 156,3 Максимальная напряженность поля в структуре / 17,5 / 35,8 13,8 / 30,4 на диафрагме, МВ/м Ускоренный ток, мА 144 30,5 Коэффициент захвата (полный), % 71 67 Энергетический спектр, % 11,2 7,5 Фазовая протяженность, град 20,55 15,1 Радиус пучка, мм 1,44 2,49 Мощность пучка, МВт 1,42 0,6 Мощность в нагрузке, МВт 0,92 0,43

E, МВ/м

E, МВ/м

Графики зависимостей реальной и номинальной напряженностей поля в этих структурах представлены на рис.4.6

z, см

z, см

а б Рис. 4.6. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (верхние кривые – номинальное, нижние кривые – реальное): энергия 10 МэВ (а), энергия 20 МэВ (б)

Таким образом, в структуре с постоянным градиентом можно при одинаковой длине иметь меньшее значение напряженности ускоряющего поля, чем в структуре с постоянным импедансом при практически одинаковых характеристиках пучка в случае ускорителя на 10 МэВ. В случае 20 МэВ напряженность поля, особенно вначале очень мала, что обусловлено минимальным 93

значением радиуса отверстия в диафрагме последней ячейки 0.07λ. По выходным параметрам этот ускоритель проигрывает структуре с постоянным импедансом. Для этих ускорителей, используемых в дуальном режиме, были рассчитаны нагрузочные характеристики (табл. 4.7, 4.8). Таблица 4.7 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Ускоренный ток, мА 144 236 335 450 544 647 Средняя энергия, МэВ 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 Максимальная энергия, 10,7 9,8 8,78 7,57 6,63 5,55 МэВ 7 Коэффициент захвата 71 71 71 71 71 71 (полный), % Энергетический спектр, % 11,2 12,1 12,3 14,1 14,3 18,64 Фазовая протяженность, 20,5 26,1 27,44 23,2 26,6 20,73 град 5 Радиус пучка, мм 1,44 1,43 1,44 1,46 1,45 1,90 Мощность пучка, МВт 1,42 2,12 2,69 3,11 3,26 3,23 Мощность в нагрузке, МВт 0,92 0,49 0,19 0,01 0,02 0,18 Таблица 4.8 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом выходной и энергией 20 МэВ Параметр Значение Ускоренный ток, мА 30,5 47,8 68,9 85,1 104 127 Средняя энергия, МэВ 20,0 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 Максимальная энергия, МэВ 21,3 20,4 19,32 18,47 17,45 16,2 Коэффициент захвата 67 67 67 67 67 67 (полный), % Энергетический спектр, % 7,5 7,3 9,2 10,8 10,9 12,4 Фазовая протяженность, град 15,1 17,1 17,2 21,51 18,9 22,6 Радиус пучка, мм 2,49 2,71 2,69 2,29 2,31 2,9 Мощность пучка, МВт 0,6 0,9 1,23 1,44 1,68 1,90 Мощность в нагрузку, МВт 0,43 0,32 0,21 0,15 0,09 0,05

Ниже представлены графики зависимостей энергии, коэффициента захвата и величины энергетического спектра от величины ускоренного тока для этих случаев (рис. 4.7, 4.8).

94

а

б

в Рис. 4.7. Нагрузочные характеристики ускорителя с постоянным градиентом на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

а

б

в Рис. 4.8. Нагрузочные характеристики ускорителя с постоянным градиентом на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

95

Кроме нагрузочных характеристик для ускорителей на энергии 10 и 20 МэВ были рассчитаны и зависимости их характеристик от уровня входной мощности. Результаты представлены в табл. 4.9, 4.10 и на рис. 4.9, 4.10. Таблица 4.9 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 9,3 9,6 10,0 10,25 10,4 Максимальная энергия, МэВ 10,08 10,38 10,77 11,1 11,4 Ускоренный ток, мА 140,4 144 144 145 150,6 Коэффициент захвата 70 71 71 72 75 (полный), % Энергетический спектр, % 11,69 11,5 11,2 9,48 9,96 Фазовая протяженность, град 18,45 25,2 20,55 14,72 13,47 Радиус пучка, мм 1,06 1,34 1,44 1,56 1,62 Мощность пучка, МВт 1,3 1,4 1,42 1,49 1,57 Мощность в нагрузке, МВт 0,8 0,84 0,92 0,99 1,03

Таблица 4.10 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 18,2 18,9 20,0 20,8 21,1 Максимальная энергия, МэВ 20,0 20,6 21,3 21,9 22,5 Ускоренный ток, мА 28,4 30,5 30,5 31,1 32,7 Коэффициент захвата 63 67 67 69 72 (полный), % Энергетический спектр, % 12,7 10,2 7,5 7,92 8,69 Фазовая протяженность, град 32,6 26,9 25,1 18,6 21,2 Радиус пучка, мм 2,89 2,55 2,49 2,64 2,15 Мощность пучка, МВт 0,52 0,58 0,6 0,64 0,69 Мощность в нагрузке, МВт 0,38 0,4 0,43 0,45 0,47

96

а

б

в Рис. 4.9. Мощностные характеристики ускорителя с постоянным градиентом на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

а

б

в Рис. 4.10. Мощностные характеристики ускорителя с постоянным градиентом на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

97

Для ускорителя на энергию 10 МэВ были рассчитаны зависимости выходных характеристик пучка от частоты генератора. Результаты расчета приведены в табл.4.11 и на рис.4.11. Основное влияние на динамику оказывает изменение фазовой скорости волны в расстроенных ячейках [4.8]. Таблица 4.11 Частотные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Частота генератора, МВт 5710 5711 5712 5713 5714 Средняя энергия, МэВ 9,87 9,93 10,0 10,02 10,06 Максимальная энергия, МэВ 10,7 10,72 10,77 10,77 10,76 Ускоренный ток, мА 148 145 144 143,2 142,6 Коэффициент захвата 74 72 71 71 70 (полный), % Энергетический спектр, % 12,3 11,5 11,2 11,4 9,8 Фазовая протяженность, град 30,1 24,5 20,55 17,3 14,0 Радиус пучка, мм 1,50 1,45 1,44 1,50 1,44 Мощность пучка, МВт 1,46 1,43 1,42 1,43 1,43 Мощность в нагрузке, МВт 0,9 0,92 0,92 0,92 0,92

а)

б)

в) Рис. 4.11. Частотные характеристики ускорителя с постоянным градиентом на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от частоты

98

Из приведенных данных можно видеть, что при небольшой расстройке входного сигнала по частоте и мощности выходные параметры пучка остаются в приемлемых пределах. Поскольку схема с постоянным градиентом является оптимальным вариантом в случае ускорителя на энергию 10 МэВ, то для этого случая более подробно рассмотрены параметры пучка на выходе (рис. 4.12).

a

б

в

г

д

е

ж Рис. 4.12. Основные параметры пучка на выходе ускорителя на энергию 10 МэВ

99

На рис. 4.12 приведены: зависимости энергии (а), фазы (б) частиц по длине ускорителя в секции на бегущей волне, продольный (в) и поперечный (г) эмиттансы на выходе, а также фазовый (д) и энергетический (е) спектры на выходе ускорителя, зависимость радиального положения частиц по длине ускорителя (ж). 4.1.4. Альтернативные схемы питания Очевидно, что ускорителю c энергией 20 МэВ недостаточно мощности питания от одного клистрона с мощностью 4.5 МВт. Для этого случая рассмотрены альтернативные схемы питания, а именно питание от клистрона с мощностью 6 МВт и двухсекционный ускоритель с раздельным питанием от двух клистронов с мощностью 3,2 МВт каждого. В обоих случаях рассматриваются структуры с постоянным градиентом. Результаты расчета этих ускорителей приведены в табл.4.12. Таблица 4.12 Результаты расчета динамики электронов в ускорителях с альтернативной схемой питания Параметр Значение Средняя / максимальная энергия, МэВ 20,0 / 21,3 20,0 / 21,1 a/λ в первой / последней ячейке 0,126 / 0,083 0,116 / 0,086 Количество ячеек / Длина ускорителя, см 109 / 139 116 / 148 Напряженность поля в структуре / 15,7 / 34,5 14,5 / 31,9 на диафрагме, МВ/м Ускоренный ток, мА 39,8 29,4 Коэффициент захвата (полный), % 66 65 Энергетический спектр, %

8,2

7,35

Фазовая протяженность, град Радиус пучка, мм

42 1,73

42,1 2,55

Входная мощность, МВт Мощность пучка, МВт Мощность в нагрузке, МВт

6,0 0,8 0,9

2 x 3,2 0,58 2,07

Графики зависимостей реальной и номинальной напряженностей поля в этих структурах представлены на рис.4.13.

100

E, МВ/м

E, МВ/м

z,z,см см

z,z,см см

а б Рис. 4.13. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (верхние кривые – номинальное, нижние кривые – реальное): мощность 6МВт (а), энергия 2×3,2 МВт (б)

Исходя из этих данных, можно сделать выводы о том, что наиболее оптимальной для ускорителя на энергию 20 МэВ является схема с питанием от клистрона с мощностью 6 МВт, так как она более короткая и имеет больший КПД.

4.2. Расчет комбинированного ускорителя Объединить достоинства ускорителя на стоячей и бегущих волнах возможно, используя комбинированную ускоряющую структуру [4.9], где в качестве группирователя используется бипериодическая ускоряющая структура, а затем сгруппированный сгусток попадает в регулярную секцию с бегущей волной. В этом случае длина ускорителя будет короче, чем у работающего на бегущей волне, а также нет необходимости в использовании фокусирующего соленоида и циркулятора. 4.2.1. Расчет группирователя на стоячей волне В качестве исходного варианта геометрии группирователя были взяты результаты из [4.9], где был использован группирователь, состоящий из трех ячеек с фазовой скоростью в первой, второй, третьей и последующих ячейках соответственно 0.67, 0.42, 0.78. Инжектируемый пучок имеет величину импульсного тока 200 мА и энергию 50 кэВ.

101

Расчеты динамики проводились с помощью программы Parmela. Для создания исходных файлов для Parmela с конфигурациями электрического поля использовалась программа SuperFish [4.10]. С помощью этой программы также проводилась предварительная настройка ускоряющих ячеек на рабочую частоту 5712 МГц. На начальном этапе были рассчитаны ячейки группирователя и секции с фазовой скоростью, равной скорости света (рис. 4.14), по программе Superfish.

1 ячейка 2 ячейка 3 ячейка Рис. 4.14. Профили ячеек, рассчитанные с помощью программы SuperFish

Результаты расчета собственной добротности, эффективного шунтового сопротивления и пролетного времени приведены в табл.4.13. Здесь же указаны и основные размеры ячеек (без щелей связи). Таблица 4.13 ЭДХ ячеек, рассчитанных по программе SuperFish Nяч

βф

D, мм

g, мм

t, мм

1

0,67

16,58

10,58

2

2

0,42

11,02

3,02

2

3

0,78

20,47

10,47

2

rш.эф, МОм/м,

rb, мм

Q

T

2,00

8015

0,706

56,81

2,00

4116

0,945

35,68

2,00

9006

0,832

84,31

102

На рис. 4.15 – 4.17 приведены результаты расчета динамики после первой, второй, третьей ячеек группирователя. Каждый расчет представлен в виде четырех картинок. В верхней части слева направо указаны фазовый спектр и поперечное сечение пучка. Внизу слева направо приведены фазо-энергетические и энергетические спектры. При расчетах предполагалось, что от импульсной мощности клистрона 4,5 МВт в группирователь идет 220 кВт так, чтобы напряженности поля в ячейках были равны соответственно 6,33; 21,55 и 25,3 МВ/м.

Рис. 4.15. Характеристики пучка после первой ячейки

Рис. 4.16. Характеристики пучка после второй ячейки

103

Рис. 4.17. Характеристики пучка после третьей ячейки

Параметры пучка на выходе группирователя представлены в таблице 4.14. Здесь ε, α, β – параметры Твисса [4.11]. Таблица 4.14 Параметры пучка после прохождения группирователя Параметр Значение Энергия, МэВ 0,629 Ширина энергетического спектра, % 9,1 Средняя фаза, град 26 Фазовая протяженность сгустка, град 14 Ток частиц, мА 141 Коэффициент захвата, % 70,5 ε, см*рад 5,2*10-4 α -0,85 β, см/рад 3,19

dx, мрад

Выходные параметры пучка, приведенные в табл. 4.14, были использованы в качестве исходных в программе Hellweg2D. Распределение частиц такого пучка в фазовой плоскости представлено на рис. 4.18.

x, мм

Рис. 4.18. Распределение частиц пучка в фазовой плоскости после прохождения группирователя

104

4.2.2. Расчет ускорителя на основе КДВ В первую очередь рассматривался вариант комбинированного ускорителя с КДВ, работающим на виде 2π/3, в качестве ускоряющей структуры. Были рассчитаны ускорители для четырех энергий (5, 10, 15 и 20 МэВ), как со структурами с постоянным импедансом, так и с постоянным градиентом. Для ускорителя на энергию 20 МэВ рассмотрена система от двух генераторов. Ниже приведены полученные результаты расчетов. В процессе расчетов рассматривались ячейки с различным значением радиуса отверстия в диафрагме. ЭДХ таких ячеек приведены в табл.4.15. Таблица 4.15 Параметры ускоряющих ячеек, используемых для расчета динамики Параметр Значение a/λ 0,08 0,1 0,12 kcв, % 0,596 1,31 2,44 rш, MОм/м 102,4 88,9 77,4 Q0 10090 10045 10070 βгр,% 0,52 1,2 2,2 α, 1/м 1,14 0,508 0,272 1/2 802 499 340,5 E0 λ P , Ом rш/Q0, Ом/м 10150 8854 7690 kп 1,81 1,97 2,14

Здесь использованы следующие обозначения: а – радиус отверстия в диафрагме, kcв – коэффициент связи, rш – погонное шунтовое сопротивление, Q0 – собственная добротность ячейки, βгр – относительная групповая скорость, α- коэффициент – нормированная напряженность затухания, E0 λ P – коэффициент электрического поля в ячейке, kп перенапряженности. Для структуры с постоянным импедансом и значений a/λ, указанных в табл. 4.15, была рассчитана динамика частиц в ускорителе с выходной энергией 10, 15, 20 МэВ. Результаты представлены в табл.4.16 – 4.18.

105

Таблица 4.16 Результаты расчета динамики электронов в ускорителе на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение a/λ 0,08 0,1 0,12 Количество ячеек / длина ускорителя, 22 / 38,45 36 / 62,9 56 / 97,87 см Напряженность поля в первой / в 31,5/ 18,5 19,7 / 11,4 13,4 / 8,4 последней ячейке, МВ/м Максимальная напряженность поля на 57 38,8 28,5 диафрагме, МВ/м Средняя / максимальная энергия, МэВ 10,0 / 10,22 10,0 / 10,3 9,99 / 10,9 Ускоренный ток, мА 98 92,5 94,6 Коэффициент захвата, % (полный) 69,1 64,9 60,6 Энергетический спектр, % 1,86 2,27 10,69 Фазовая протяженность, град 11,75 13,27 15,57 Радиус пучка, мм 3,8 7,94 9,95 Мощность пучка / в нагрузку, МВт 0,98 / 1,48 0,93 / 1,43 0,95 / 1,68

Таблица 4.17 Результаты расчета динамики электронов в ускорителе на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 15 МэВ Параметр Значение a/λ 0,08 0,1 0,12 Количество ячеек / длина 45 / 78,6 71 / 124,1 100 / 174,7 ускорителя, см Напряженность поля в первой / в 31,5 / 8,5 19,7 / 6,0 13,7 / 3,1 последней ячейке, МВ/м Максимальная напряженность поля 57 38,8 28,5 на диафрагме, МВ/м Средняя / максимальная энергия, 15,0 / 15,2 15,0 / 15,4 15,0 / 16,8 МэВ Ускоренный ток, мА 97,7 79,6 59,3 Коэффициент захвата, % (полный) 57,8 54,5 54,28 Энергетический спектр, % 1,45 2,9 12,65 Фазовая протяженность, град 12,1 14,2 16,25 Радиус пучка, мм 7,43 10,64 11,61 Мощность пучка / в нагрузку, МВт 1,46 / 0,29 1,2 / 0,4 0,89 / 0,95

106

Таблица 4.18 Результаты расчета динамики электронов в ускорителе на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение a/λ 0,08 0,1 0,12 Количество ячеек / длина ускорителя, см 90 / 157,3 120 / 209,7 150 / 262,2 Напряженность поля в первой / в 31,1 / 1,3 19,7 / 3,0 13,7 / 4,9 последней ячейке, МВ/м Максимальная напряженность поля на 57 38,8 28,5 диафрагме, МВ/м Средняя / максимальная энергия, МэВ 20,0 / 20,26 20,0/ 20,57 20,0/ 22,69 Ускоренный ток, мА 51,8 41,8 33,0 Коэффициент захвата, % (полный) 44,4 44,4 48,0 Энергетический спектр, % 1,21 3,47 12,55 Фазовая протяженность, град 11,45 12,98 15,91 Радиус пучка, мм 8,81 11,03 12,68 Мощность пучка / в нагрузку, МВт 1,03 / 0,01 0,83 / 0,1 0,66 / 0,56

С точки зрения динамики КДВ с a/λ=0,08 дает наилучшие результаты, эта структура имеет высокую чувствительность групповой скорости к изменениям частоты. КДВ с a/λ=0,1 обладает меньшей частотной чувствительностью и обеспечивает необходимую энергию пучка, поэтому является приемлемым. Для ускорителей на энергии 10 и 20 МэВ, соответствующие дуальному режиму, рассчитаны нагрузочные характеристики, (табл. 4.19, 4.20 и рис. 4.19, 4.20). Таблица 4.19 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение a/λ 0,1 Ускоренный ток, мА 92,5 200 301 375 464 499 Средняя энергия, МэВ 10,0 9,01 8,01 7,02 6,00 5,02 Максимальная энергия, МэВ 10,22 9,27 8,30 7,28 6,26 5,26 Коэффициент захвата, % 64,9 61,3 58,5 52,9 50,8 44,4 (полный) Энергетический спектр, % 2,27 2,23 3,15 3,23 4,44 4,70 Фазовая протяженность, град 13,27 12,34 13,24 13,53 13,61 13,97 Радиус пучка, мм 5,94 6,22 9,18 10,7 10,35 10,14 Мощность пучка, МВт 0,93 1,79 2,42 2,64 2,78 2,51 Мощность в нагрузку, МВт 1,43 0,81 0,38 0,14 0,06 0,14

107

Таблица 4.20 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение a/λ 0,1 Ускоренный ток, мА 41,8 50,3 58,3 65,8 75,1 82,5 Средняя энергия, МэВ 20,0 19,02 18,00 17,02 16,00 15,00 Максимальная энергия, МэВ 20,57 19,54 18,55 17,72 16,6 15,67 Коэффициент захвата, % 44,4 42,3 40,9 39,5 38,8 37,4 (полный) Энергетический спектр, % 3,47 3,48 3,64 4,3 4,04 3,8 Фазовая протяженность, град 12,98 14,5 15,29 13,57 11,78 10,84 Радиус пучка, мм 11,03 10,57 10,59 10,85 10,72 10,81 Мощность пучка, МВт 0,83 0,95 1,05 1,12 1,2 1,24 Мощность в нагрузку, МВт 0,1 0,06 0,04 0,02 0,01 0,01

а

б

в Рис. 4.19. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

108

а

б

в Рис. 4.20. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

Для ускорителей на энергию 10 и 20 МэВ были рассчитаны характеристики от уровня входной мощности. Результаты представлены в табл. 4.21, 4.22 и на рис. 4.21, 4.22. Таблица 4.21 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение a/λ 0,1 Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 9,35 9,69 10,0 10,63 10,93 Максимальная энергия, МэВ 9,63 10,0 10,22 10,88 11,17 Ускоренный ток, мА 90,1 92,4 92,5 92,7 93,1 Коэффициент захвата, % 63,4 64,2 64,9 65,4 65,7 (полный) Энергетический спектр, % 2,99 2,62 2,27 1,78 1,65 Фазовая протяженность, град 13,43 12,54 13,27 11,38 10,88 Радиус пучка, мм 6,98 6,04 5,94 6,29 7,53 Мощность пучка, МВт 0,84 0,9 0,93 0,99 1,02 Мощность в нагрузку, МВт 1,24 1,34 1,43 1,63 1,73

109

Таблица 4.22 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение a/λ 0,1 Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 18,47 19,22 20,0 20,72 21,45 Максимальная энергия, МэВ 19,16 19,84 20,57 21,22 21,87 Ускоренный ток, мА 41,1 41,5 41,8 42,5 42,6 Коэффициент захвата, % 43,7 44,3 44,4 45,1 45,2 (полный) Энергетический спектр, % 4,69 3,85 3,47 2,77 1,92 Фазовая протяженность, град 13,87 12,62 12,98 12,54 13,18 Радиус пучка, мм 10,82 10,63 11,03 10,89 10,77 Мощность пучка, МВт 0,76 0,81 0,83 0,88 0,91 Мощность в нагрузку, МВт 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12

а

б

в Рис. 4.21. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

110

а

б

в Рис. 4.22. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

Структура с постоянным градиентом обладает преимуществом по сравнению со структурой с постоянным импедансом, ее длина существенно меньше, она имеет лучшие параметры с точки зрения динамики пучка. Однако ускоряющая структура с постоянным градиентом сложнее в настройке и обладает большей чувствительностью к изменению частоты питающего генератора. Групповая скорость и зависящий от нее коэффициент затухания очень чувствительны к радиусу апертуры, поэтому их зависимость должна записываться в явном виде. В это же время, добротность и шунтовое сопротивление несильно зависят от радиуса отверстия в диафрагме, поэтому будут считаться постоянными. Для случаев энергий 10 и 20 МэВ были разработаны ускоряющие структуры с постоянным градиентом на основе КДВ для комбинированного ускорителя. Оба ускорителя предназначены для работы в дуальном режиме. Результаты расчетов динамки в этих ускорителях приведены в табл. 4.23. 111

Таблица 4.23 Результаты расчета динамики электронов в ускорителях с постоянным градиентом Параметр Значение Средняя / максимальная энергия, МэВ 10,03 / 10,27 20,00 / 22,26 a/λ в первой / последней ячейке 0,105 / 0,083 0,128 / 0,062 Количество ячеек / Длина ускорителя, см 28 / 48,9 99 / 173,1 Максимальная напряженность поля в 19,3 / 38,6 12,7 / 28,6 структуре / на диафрагме, МВ/м Ускоренный ток, мА Коэффициент захвата, % (полный) Энергетический спектр, %

91,5 64,1 1,99

24,66 38,7 14,4

Фазовая протяженность, град

13,16

17,05

Радиус пучка, мм

5,39

6,4

Мощность пучка / в нагрузке, МВт

0,92 / 1,41

0,49 / 0,26

E, МВ/м

Для ЛУЭ длиной 1,7 м на энергию 20 МэВ значение a/λ =0,062 является неприемлемым из соображений дисперсности структуры. Для этого случая необходимо рассмотреть альтернативные схемы питания. Графики зависимостей реальной и номинальной напряженностей поля в этих структурах представлены на рис. 4.23.

z, см

z, см

а б Рис. 4.23. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (верхние кривые – номинальное, нижние кривые – реальное): энергия 10 МэВ (а), энергия 20 МэВ (б)

112

Структура с постоянным градиентом короче, чем с постоянным импедансом, и имеет сравнительно лучшие характеристики в случае ускорителя на энергию 10 МэВ. В случае энергии 20 МэВ невозможно иметь структуру с начальным радиусом отверстия a/λ=0,105, поэтому по выходным параметрам, за исключением длины, этот ускоритель проигрывает структуре с постоянным импедансом с a/λ=0,10 (см. табл. 4.24, 4.25 и рис. 4.24, 4.25). Таблица 4.24 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Ускоренный ток, мА 91,5 206 305 393 461 517 Средняя энергия, МэВ 10,03 9,01 8,03 7,02 6,00 5,02 Максимальная энергия, МэВ 10,27 9,22 8,26 7,28 6,22 5,21 Коэффициент захвата, % 64,1 62,2 60,1 57,2 50,7 46,4 (полный) Энергетический спектр, % 1,99 2,32 2,5 2,77 3,18 3,72 Фазовая протяженность, град 13,16 13,27 13,52 12,30 11,47 11,03 Радиус пучка, мм 5,39 6,54 7,68 7,99 8,41 8,62 Мощность пучка, МВт 0,92 1,85 2,45 2,78 2,76 2,57 Мощность в нагрузку, МВт 1,41 0,76 0,35 0,12 0,04 0,12 Таблица 4.25 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение Ускоренный ток, мА 24,7 32,7 40,2 46,5 53,6 62 Средняя энергия, МэВ 20,0 19,0 18,00 17,02 16,00 15,00 Максимальная энергия, 22,26 21,42 20,44 19,54 18,54 17,54 МэВ Коэффициент захвата, % 38,7 36,6 35,3 32,4 31,7 31,0 (полный) Энергетический спектр, % 14,4 14,9 15,5 15,8 17,4 20,1 Фазовая протяженность, 17,05 17,8 17,4 17,5 17,8 18,0 град Радиус пучка, мм 6,4 6,3 6,5 6,5 6,5 6,5 Мощность пучка, МВт 0,49 0,62 0,72 0,79 0,86 0,93 Мощность в нагрузку, МВт 0,26 0,21 0,17 0,14 0,11 0,10

113

а

б

в Рис. 4.24. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

а

б

в Рис. 4.25. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка

114

Для ускорителей на энергию 10 и 20 МэВ были рассчитаны зависимости их характеристик от уровня входной мощности. Результаты представлены в табл. 4.26, 4.27 и на рис. 4.26, 4.27. Таблица 4.26 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 9,38 9,71 10,03 10,34 10,65 Максимальная энергия, МэВ 9,63 9,98 10,27 10,56 10,85 Ускоренный ток, мА 90,4 91,2 91,5 93,4 94,1 Коэффициент захвата, % 63,4 64,5 64,9 65,5 66,3 (полный) Энергетический спектр, % 2,39 2,1 1,99 1,68 1,58 Фазовая протяженность, град 13,26 13,3 13,36 13,42 13,58 Радиус пучка, мм 5,51 5,50 5,39 5,81 5,7 Мощность пучка, МВт 0,84 0,89 0,92 0,97 1,00 Мощность в нагрузку, МВт 1,22 1,31 1,41 1,51 1,6 Таблица 4.27 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 20 МэВ Параметр Значение Входная мощность, МВт 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 Средняя энергия, МэВ 18,0 19,04 20,0 20,9 21,9 Максимальная энергия, МэВ 20,55 21,63 22,26 23,49 24,0 Ускоренный ток, мА 23,67 24,5 24,7 24,8 25,0 Коэффициент захвата, % 36,7 38,1 38,7 38,8 38,9 (полный) Энергетический спектр, % 17,9 15,63 14,4 12,0 11,3 Фазовая протяженность, град 18,4 17,86 17,05 16,1 16,0 Радиус пучка, мм 6,1 6,45 6,4 6,41 6,43 Мощность пучка, МВт 0,43 0,47 0,49 0,52 0,55 Мощность в нагрузку, МВт 0,24 0,25 0,26 0,28 0,30

115

а

б

в Рис. 4.26. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

а

б

в Рис. 4.27. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности

116

Для ускорителя на энергию 10 МэВ были рассчитаны зависимости выходных характеристик пучка от частоты генератора. Для этого отдельно были рассчитаны частотные характеристики группирователя на стоячей волне (табл.4.28). Результаты расчета динамики частиц в ускорителе приведены в табл.4.29 и на рис.4.28. Таблица 4.28 Частотные характеристики группирователя Параметр Значение Частота генератора, МГц 5710 5711 5712 5713 5714 Энергия, МэВ 0,629 0,629 0,629 0,630 0,630 Ширина энергетического 9,1 9,1 9,1 9,1 9,1 спектра, % Средняя фаза, град 26 26 26 27 27 Фазовая протяженность 14 14 14 14 14 сгустка, град Ток частиц, мА 141 141 141 140 140 Коэффициент захвата, % 70,5 70,5 70,5 70 70 ε, см*рад*104 6,6 5,5 5,2 5,2 7,8 α -0,81 -0,91 -0,85 -0,92 -0,81 β, см/рад 2,71 3,32 3,19 3,34 2,44 Таблица 4.29 Частотные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ Параметр Значение Частота генератора, МГц 5710 5711 5712 5713 5714 Средняя энергия, МэВ 10,06 10,04 10,0 10,04 10,05 Максимальная энергия, МэВ 10,27 10,3 10,27 10,26 10,28 Ускоренный ток, мА 87 91,3 91,5 91,3 86,8 Коэффициент захвата, % 61,3 64,5 64,9 64,5 60,2 (полный) Энергетический спектр, % 1,81 1,88 1,99 2,066 2,18 Фазовая протяженность, град 13,1 13,33 13,36 12,36 11,7 Радиус пучка, мм 6,1 5,62 5,39 6,1 6,54 Мощность пучка, МВт 0,88 0,92 0,92 0,93 0,87 Мощность в нагрузку, МВт 1,42 1,41 1,41 1,41 1,42

117

а)

б)

в) Рис. 4.28. Частотные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от частоты

Из приведенных данных можно видеть, что при небольшой расстройке входного сигнала по частоте и мощности выходные параметры пучка остаются в приемлемых пределах.

a

б

в г Рис. 4.29. Основные параметры пучка на выходе ускорителя на энергию 10 МэВ

118

а

б

в Рис. 4.30. Параметры пучка ускорителя на энергию 10 МэВ

Поскольку схема с постоянным градиентом является оптимальным вариантом в случае ускорителя на 10 МэВ, то для этого случая подробно рассмотрены параметры пучка на выходе ускорителя. На рис.4.29 приведены: зависимости энергии (а), фазы (б) частиц по длине ускорителя, продольный (в) и поперечный (г) эмиттансы. На рис. 4.30 показаны фазовый (а) и энергетический (б) спектры на выходе ускорителя, а также зависимость радиального положения частиц по длине ускорителя (в). Ускорение пучка до энергии 20 МэВ при использовании генератора мощностью 4,5 МВт затруднительно. Для этого случая рассмотрены альтернативные схемы питания, а именно питание от клистрона с мощностью 6 МВт и двухсекционный ускоритель с раздельным питанием от клистронов с мощностью по 3,2 МВт каждый. В обоих случаях рассматриваются структуры с постоянным градиентом. Результаты расчета этих ускорителей приведены в табл. 4.30. Графики зависимостей напряженностей поля в структурах без нагрузки и с учетом нагрузки пучком представлены на рис.4.31. 119

Таблица 4.30 Результаты расчета динамики электронов в ускорителях с альтернативной схемой питания Параметр Значение Средняя / максимальная энергия, МэВ 20,02 / 21,1 20, 0 / 21,1 a/λ в первой / последней ячейке 0,126 / 0,082 0,105 / 0,080 Количество ячеек / Длина ускорителя, см 76 / 132,8 72 / 125,8 Максимальная напряженность поля в 15,3 / 34,5 16,1 / 32,2 структуре / на диафрагме, МВ/м 45,5

45,8

Коэффициент захвата, % (полный)

52,8

52,8

Энергетический спектр, %

7,26

6,7

Фазовая протяженность, град

14,7

14,1

Радиус пучка, мм

7,57

7,41

Входная мощность, МВт Мощность пучка / в нагрузку, МВт

6,0 0,91 / 0,82

2×3,2 0,92 / 0,86

E, МВ/м

E, МВ/м

Ускоренный ток, мА

z, см

z, см

а б Рис. 4.31. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (нижние кривые – реальное, верхние кривые–номинальное): а – 6 МВт, б – 2×3,2 МВт

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что для ускорителя на энергию 20 МэВ оптимальной является двухсекционная схема с раздельным питанием, так как такой ускоритель будет более компактным, а энергетический спектр выходного пучка более узким. 120

Глава 5. КОМПОНЕНТЫ ИНСПЕКЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ 5.1. Блок-схема инспекционного комплекса Инспекционный комплекс работает следующим образом. Излучатель формирует веерный пучок тормозного излучения, который пронизывает инспектируемый CARGO контейнер и ослабляется в соответствии с количеством материала в направлении излучения. Прошедшая часть тормозного излучения регистрируется в детекторах тормозного излучения, которые смонтированы на раме детекторной станции в одной плоскости с веерным пучком тормозного излучения. Затем контейнер смещается на малое расстояние, соответствующее размеру детектора (около 4 мм), и сканирование тормозным излучением повторяется. Сигналы из массива детекторов направляются в систему управления. Когда весь контейнер пройдет сквозь плоскость сканирования, вся информация из детекторов во всех плоскостях сканирования будет сохранена в компьютере, и компьютер построит рентгенографическое изображение контейнера. Схема работы приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема работы инспекционного комплекса

Блок-схема комплекса, предназначенного для бесконтактной инспекции CARGO контейнеров, показана на рис. 5.2. 121

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

СИСТЕМА ДВИЖЕНИЯ

ИЗЛУЧАТЕЛЬ

CARGO КОНТЕЙНЕР

ДЕТЕКТОРНАЯ СТАНЦИЯ Рис. 5.2. Блок-схема инспекционного комплекса

Излучатель включает линейный ускоритель электронов, конверсионную мишень, в которой происходит конверсия пучка ускоренных электронов в пучок тормозного излучения, и систему коллиматоров для формирования веерообразного пучка тормозного излучения. Основные системы ускорителя электронов: инжектор, ускоряющая секция, система СВЧ питания, система импульсного высоковольтного питания, вакуумная система, система термостабилизации, радиационная защита, блок управления. Детекторная станция включает ряд входных блоков с массивом детекторов тормозного излучения, а также модуль управления. Общее число детекторов должно быть большим для лучшего разрешения рентгенографического изображения. Система управления обеспечивает включение комплекса, поддержание рабочего режима, формирование и хранение рентгенографических изображений, выключение комплекса. Система движения медленно перемещает контейнер для пошагового сканирования.

122

5.2. Инжектор электронов В качестве инжектора используется традиционная двухэлектродная пушка. Инжектор включает катод, высоковольтный изолятор, фокусирующий электрод и анод. В качестве анода используется плоская стенка первой ячейки ускоряющего резонатора с пролетным отверстием. На рис. 5.3 показано сечение геометрии инжектора с эквипотенциальными линиями.

Рис. 5.3. Геометрия инжектора и эквипотенциальные линии

Форма катода, анода и фокусирующего электрода выбираются таким образом, чтобы пучок электронов, инжектированный с поверхности катода под действием приложенного импульсного высокого напряжения, уменьшился в диаметре в пространстве между катодом и анодом, пролетел через пролетное отверстие и имел минимальное поперечное сечение (кроссовер) в середине первой ячейки ускоряющего резонатора. Траектории электронов в инжекторе показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Траектории инжектированных электронов вдоль оси инжектора

123

Пучок электронов, влетевший в первую ячейку ускоряющего резонатора, попадает в сильное высокочастотное электрическое и магнитное поля, обеспечивающие группировку, ускорение и фокусировку пучка. Поэтому траектории электронов в ускоряющем резонаторе после кроссовера будут иметь вид, существенно отличный от траекторий, показанных на рис. 5.4. Особое удобство работы обеспечивается использованием катода с сеточным управлением. Общий вид пушки изображен на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Инжектор электронов

Основные параметры инжектора приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Основные параметры инжектора Параметр Значение Напряжение инжекции U, кВ 40−50 Ток инжекции макс. Iмакс, А 3 Ток инжекции ном. I, А 1 Управляющее напряжение сетки Uс, В 0−200 Ток сетки Iс, мА 75 Запирающее напряжение сетки Uсз, В −60 Площадь катода S, см2 1,0

5.3. Ускоряющая система В качестве ускоряющей системы в инспекционном комплексе удобно использовать бипериодическую ускоряющую систему со стоячей волной. Это обеспечивает удовлетворительную компактность всего комплекса. 124

Система СВЧ питания обеспечивает необходимую входную мощность для ускоряющего резонатора и, соответственно, требуемое электромагнитное поле в ускоряющих зазорах ячеек резонатора. Пучок электронов, инжектированный в первую ячейку, попадает в электромагнитное поле первой, второй и последующих ячеек ускоряющего резонатора, обеспечивающее его захват в режим ускорения, группировку (формирование сгустков электронов) и фокусировку. Процесс инжекции, группировки и ускорения пучка электронов иллюстрируется на рис. 5.6, где горизонтальная ось соответствует продольной оси ускоряющего резонатора, а вертикальная ось соответствует радиальной координате. Z=0 соответствует плоскости катода. Продольное расстояние между соседними сгустками равно длине волны в свободном пространстве (10,5 см для рабочей частоты 2856 МГц).

Рис. 5.6. Траектории пучка электронов в ускоряющем резонаторе

Пример реализации бипериодической ускоряющей системы со стоячей волной для инспекционного комплекса с энергией электронов 10 МэВ показан на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Ускоряющая система

В инспекционном комплексе энергия электронов изменяется от импульса к импульсу так, что каждый нечетный импульс имеет энергию 9 МэВ, а каждый четный – 4 МэВ. Это обеспечивает 125

реализацию режима идентификации материала в режиме работы дуальной энергии [5.1]. Энергия ускоренных электронов, полученных в одной ускоряющей секции, зависит от мощности СВЧ питания и от нагрузки пучком электронов. Мощность СВЧ питания управляется быстрым вектор-модулятором в цепи СВЧ питания клистрона. Ток инжекции управляется напряжением сетки катода. Ступенчатая перестройка мощности тока инжекции осуществляется между импульсами ускорения и тем самым обеспечивается перестройка энергии электронов от импульса к импульсу. Основные параметры ускоряющей системы представлены в табл. 5.2. Таблица 5.2 Основные параметры ускоряющей системы Параметр Значение Эффективное шунтовое сопротивление ZT2, МОм/м 74 Число ускоряющих ячеек, включая группирующие, N 19 Число группирующих ячеек, Nг 2 СВЧ мощность на входе P, МВт 3 3 Средняя энергия электронов E, МэВ 9 4 Импульсный ток пучка, Iп А 0,2 0,43

Энергетический спектр пучка ускоренных электронов в разных режимах, которые могут устанавливаться между импульсами, показаны на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Энергетический спектр пучка ускоренных электронов

126

Ускоряющий резонатор изготавливается из бескислородной меди и вакуумноплотно спаивается серебряным припоем. Каждая деталь имеет 16 каналов для водяного охлаждения. После пайки они образуют цепь водяного охлаждения.

5.4. Конверсионная мишень Конверсионная мишень предназначена для конверсии пучка ускоренных электронов в пучок тормозного излучения. Конверсионная мишень включает тонкую пластинку, изготовленную из металла с большим атомным номером для увеличения выхода тормозного излучения и с большой температурой плавления для обеспечения термостойкости мишени. Подходящий материал – вольфрам. Вольфрамовая пластинка припаивается к медному водоохлаждаемому радиатору. Эскиз и фото конверсионной мишени показаны на рис. 5.9.

а б Рис. 5.9. Конверсионная мишень. Градации яркости − температура в К

В процессе конверсии в импульсном режиме работы пиковая температура в вольфраме может достигать больших значений. Временная зависимость температуры в мишени в режиме дуальной энергии показана на рис. 5.10.

127

Рис. 5.10. Временная зависимость температуры в мишени

Распределение максимальной температуры в продольном сечении мишени показано на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Распределение максимальной температуры (К) в сечении мишени

5.5. Система СВЧ питания Система СВЧ питания основана на использовании импульсного клистрона. Она включает следующие узлы: • стабильный задающий генератор для генерации рабочей частоты СВЧ колебаний, • вектор-модулятор для управления амплитудой и фазой колебаний, 128

• СВЧ ключ для формирования СВЧ импульса, • СВЧ контроллер, включающий, фазовый детектор для автоматического слежения частоты генерации за собственной частотой ускоряющего резонатора, набор детекторов для регистрации уровня мощности клистрона, отраженной мощности и уровня поля в ускоряющем резонаторе, • СВЧ усилитель для обеспечения необходимого уровня СВЧ сигнала на входе клистрона, • клистрон для обеспечения необходимого уровня СВЧ мощности на входе ускоряющего резонатора, • соленоид для фокусировки пучка электронов в клистроне, • направленный ответвитель для измерения мощности клистрона и регистрации отраженной мощности на выходе клистрона, • ферритовый циркулятор для СВЧ развязки клистрона и ускоряющего резонатора, • волноводный тракт для соединения клистрона и ускоряющего резонатора, • волноводное вакуумное окно для разделения газонаполненной и вакумированной частей волноводного тракта, • система наполнения волноводного тракта элегазом для повышения его электрической прочности. На рис. 5.12−5.14 показаны соленоид с клистроном, клистрон и ферритовый циркулятор.

Рис. 5.12. Общий вид клистрона внутри соленоида

129

Рис. 5.13. Общий вид клистрона

Рис. 5.14. Ферритовый циркулятор

130

Основные параметры клистрона приведены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Основные параметры клистрона Параметр Значение Рабочая частота f , МГц 2856 Импульсная мощность P, МВт

5

Средняя мощность Pc, кВт

10

Катодное напряжение U, КВ

138

Импульсный катодный ток I, А

92

Длительность импульса τ, мкс

10

В описанной схеме СВЧ питания частота генерации фиксируется кварцевым задающим генератором. Она должна быть равной собственной частоте ускоряющего резонатора. Однако собственная частота ускоряющего резонатора в процессе работы может изменяться из-за тепловых эффектов. Собственная частота определяется температурой резонатора, которая в свою очередь определяется средней мощностью СВЧ потерь и эффективностью работы системы термостабилизации. Зависимость частоты от температуры в S-диапазоне частоты определяется производной df/dt= −0,05 МГц/град. Блок-схема системы СВЧ питания приведена на рис. 5.15. Система СВЧ питания содержит цепь обратной связи, управляющую частотой. Два СВЧ сигнала из задающего генератора и из направленного ответвителя передаются в фазовый детектор СВЧ контроллера, где происходит измерение разности фаз этих сигналов. В случае, если частота генерации совпадает с собственной частотой резонатора, то разность фаз устанавливается равной нулю. Если в процессе работы собственная частота резонатора изменится под воздействием СВЧ мощности, выделяющейся в ней, то разность фаз станет отличной от нуля, и алгоритм управления подразумевает два различных действия.

131

М К

Н1

Н2

НО1

О

НО2

УР

Ц У СВЧ К ВМ ЗГ

СВЧКОН

БН

Рис. 5.15. Блок-схема системы СВЧ питания: ЗГ – задающий генератор, ВМ – вектор-модулятор, СВЧК – СВЧ ключ, У – усилитель, К – клистрон, М – модулятор, НО1 и НО2 – направленные ответвители, Ц – ферритовый циркулятор, Н1 и Н2 – волноводные нагрузки, О – керамическое волноводное окно, УР – ускоряющий резонатор, БН – быстрый нагреватель, СВЧКОН – СВЧ контроллер

Во-первых, если разница частот достаточно большая, то собственная частота резонатора должна быть приближена к рабочей частоте. Для этого в цепь термостабилизации резонатора включен быстрый нагреватель, мощность которого и соответственно температура жидкостного теплоносителя, могут быть увеличены или уменьшены с постоянной времени, определяемой скоростью протока жидкости. Во-вторых, в узком диапазоне частота задающего генератора устанавливается равной собственной частоте резонатора. В обоих случаях сигнал разности фаз, отличный от нуля, подается в СВЧ контроллер, в котором принимается решение либо о подстройке собственной частоты резонатора, и в этом случае подается управляющий сигнал на быстрый нагреватель, либо о 132

подстройке частоты задающего генератора, и в этом случае управляющий сигнал подается на задающий генератор. Такие основные тепловыделяющие узлы системы СВЧ питания как клистрон, ферритовый циркулятор, волноводные нагрузки, охлаждаются водой.

5.6. Система импульсного высоковольтного питания Система импульсного высоковольтного питания предназначена для обеспечения следующих параметров и выполнения функций: • импульсное высоковольтное питание клистрона (пиковое напряжение 150 кВ, пиковый ток 100 А, длительность импульса 10 мкс), • питание накала клистрона, • импульсное высоковольтное питание инжектора (пиковое напряжение 50 кВ, пиковый ток 1 А, длительность импульса тока инжекции 10 мкс), • питание накала инжектора, • источник управляющего напряжения сетки катода инжектора. Исторически импульсное высоковольтное питание обеспечивалось с помощью модулятора, построенного на базе электронно-лучевых коммутаторов (например, тиратрон). В последнее время широкое развитей получили твердотельные модуляторы, выполненные на базе транзисторных блоков IGBT. Используемые схемы твердотельных модуляторов могут быть различны, например: • схема с транзисторным ключом на полное напряжение, • схема с транзисторным ключом на пониженное напряжение и импульсным трансформатором, • схема модульного модулятора с импульсным трансформатором, в котором происходит сложение магнитных потоков, • схема модулятора Аркадьева-Маркса и др. В частности, на рис. 5.16 и 5.17 показаны блок-схема и фото модулятора с импульсным трансформатором, в котором происходит сложение магнитных потоков [5.2], а на рис. 5.18 – один модуль модулятора Аркадьева-Маркса [5.3].

133

R1

R2

Н

Трм

Источник высокого напряжения 1

Магнетрон

См

Регулятор напряжения 1

Д2

Регулятор напряжения 2

Д2

К C1

Т1

Тр1

Три

Источник высокого напряжения 2

К

Инжектор

Трн Н C2

Т2

Тр2

С

Источник напряжения сетки

Источник высокого напряжения N

Регулятор напряжения N

УПРАВЛЕНИЕ

Источник накала инжектора ДN CN

ТN

ТрN

Cн

Источник накала магнетрона

Рис. 5.16. Модулятор с импульсным трансформатором, в котором происходит сложение магнитных потоков

Рис. 5.17. Модулятор с импульсным трансформатором, в котором происходит сложение магнитных потоков

134

Рис. 5.18. Один модуль модулятора Аркадьева-Маркса

В обоих модуляторах использован модульный принцип построения, в котором модулятор собирается из одинаковых модулей, включающих накопительную емкость на небольшое напряжение (1 кВ) и IGBT ключ (модуль на рис. 5.18 содержит 10 емкостей и 10 ключей, соединенных последовательно). При замыкании ключей в модуляторе, изображенном на рис. 5.17, модули присоединены к первичным обмоткам импульсного трансформатора, и магнитные потоки всех модулей складываются, суммируя выходное напряжение. При замыкании ключей в изображенном на рис. 5.18 модуляторе модули соединяются последовательно, обеспечивая сложение выходного напряжения. Характерные импульсы тока и напряжения в модуле модулятора Аркадьева-Маркса показаны на рис. 5.19.

а (1 мкс/дел.) б (40 нс/дел.)) Рис. 5.19. Формы импульсов (а) и их фронтов (б). Верхние импульсы на осциллограммах – ток (20 А/дел.), нижние импульсы – напряжение (2 кВ/дел.)

135

Основным преимуществом твердотельных модуляторов на основе полупроводниковых приборов (IGBT) в сравнении с ламповыми (тиратронами) является большой срок службы.

5.7. Вакуумная система Вакуумная система предназначена для создания глубокого вакуума в ускоряющей системе. Наилучшими свойствами для безмасляной откачки обладают ионный (магниторазрядный) насос для окончательной откачки, а также турбомолекулярный и спиральный насосы для создания глубокого форвакуума. Предельное разряжение обеспечивается спитальным насосом до 10-3 мбар, турбомолекулярным насосом до 10-7 мбар и ионным насосом до 10-9 мбар. Для измерения давления глубокого вакуума используется ионная вакуумметрическая лампа или контроллер ионного насоса, для измерения форвакуума – термопарная вакуумметрическая лампа.

5.8. Система термостабилизации Система термостабилизации предназначена: • для снятия тепла, выделяющегося в различных элементах в процессе работы, например, в клистроне, циркуляторе, ускоряющем резонаторе, конверсионной мишени, модуляторе, • для термостабилизации ускоряющего резонатора, чтобы исключить тепловой дрейф его собственной частоты. Первая цель достигается путем использования системы жидкостного охлаждения с разветвленной цепью, теплообменником и чилером, выбрасывающим выделенное тепло в воздух. Вторая цель достигается использованием специальной жидкостной цепи термостабилизации, в которую входят ускоряющий резонатор, петля из системы жидкостного охлаждения, быстрый электронагреватель и электрическая цепь обратной связи, включающая СВЧ контроллер для измерения собственной частоты ускоряющего резонатора и быстрый электронагреватель. 136

В случае теплового ухода собственной частоты ускоряющего резонатора СВЧ контроллер генерирует управляющий сигнал для быстрого электронагревателя. Мощность в электронагревателе изменяется, чтобы изменить температуру жидкостного теплоносителя и ускоряющего резонатора и тем самым вернуть его собственную частоту к рабочему значению.

5.9. Радиационная защита Радиационная защита комплекса предназначена для защиты персонала и аппаратуры комплекса от ионизирующего излучения. Пример расчета локальной защиты показан на рис. 5.20. Система радиационной защиты включает: • локальную защиту, окружающую источник излучения, а именно, инжектор, ускоряющий резонатор и конверсионную мишень, с первичным коллиматором, формирующим верный пучок тормозного излучения, • внешние устройства, предназначенные для ослабления мощности тормозного излучения, вышедшего из локальной защиты через первичный коллиматор, и для ограничения доступа персонала в места с повышенным излучением.

Рис. 5.20. Распределение радиационных полей в локальной защите. Заштрихованная область – материал локальной защиты. Градации яркости – мощность дозы в рад/с

137

Проектирование радиационной защиты осуществляется на основе расчета распределения мощности дозы тормозного излучения вокруг комплекса. Источником излучения являются электроны, столкнувшиеся с вольфрамовой пластинкой конверсионной мишени, а также электроны, потерянные в ускоряющем резонаторе в процессе ускорения и столкнувшиеся с его стенками. Мощность дозы в зоне размещения персонала обычно не превышает 8·10-7 рад/с. В зоне инспекции мощность дозы может слегка превышать указанное значение за счет рассеянного излучения. Инспекционный комплекс проектируется таким образом, чтобы доза, полученная человеком, по каким-либо причинам оказавшимся в инспектируемом контейнере, не приводила к облучению.

5.10. Детекторная станция Детекторная станция содержит 24 входных блока и модуль управления. Каждый входной блок содержит 64 детектора, усилитель, АЦП и оптический конвертор. Таким образом, общее число детекторов равно 1536. Каждый детектор состоит из сцинтиллятора (кристалл CdWO4) и фотодиода. Характерные размера кристалла 4х4х20 мм. Параметры детекторов выбираются для каждого комплекса индивидуально, а сами детекторы изготавливаются по специальному заказу для оптимизации параметров всего комплекса.

Рис. 5.21. Входной блок

138

Сигнал, измеренный в детекторе, усиливается в усилителе, переводится в цифровой формат в АЦП, преобразуется в оптический сигнал в оптическом конверторе и передается по оптоволоконной линии в модуль управления. Входной блок показан на рис. 5.21. Модуль управления связан с 24 входными блоками по оптоволоконным линиям. Модуль управления показан на рис. 5.22.

Рис. 5.22. Модуль управления

Калибровка массива детекторов выполняется перед каждым включением комплекса автоматически. Калибровка включает измерение и сохранение в компьютере системы управления значений темнового тока (при нулевом токе пучка электронов) и светового тока (при номинальном токе пучка электронов) во всех детекторах. В процессе инспекции эти значения используются для определения коэффициента ослабления тормозного излучения в инспектируемом объекте. 139

5.11. Система управления Система управления содержит две основные части: управление ускорителем комплекса и управление детекторной станцией, включая получение рентгенографического изображения. Управление ускорителем осуществляется главным контроллером, выполненным на основе программируемых контроллеров. Главный контроллер соединен с терминалом, в качестве которого используется компьютер с мониторами. Управление детекторной станцией осуществляется модулем управления и промышленным компьютером, установленными в одном крейте. Сигналы, измеренные во всех детекторах, поступают из входных блоков в модуль управления и затем в компьютер, где они анализируются и преобразуются в рентгенографическое изображение инспектируемого контейнера. Пример измеренного рентгенографического изображения тестового объекта приведен на рис. 5.23.

Рис. 5.23. Рентгенографическое изображение

Тестовый объект включает платформу, приводимую в движение с помощью шагового двигателя, и авиационную бомбу 140

диаметром 12 см, установленную и зафиксированную на ней с помощью ременных растяжек. Стенка корпуса бомбы изготовлена из стали так, что поверхностная плотность в различных сечениях варьируется от 20 до 100 г/см2. Разрешение изображения 960x760 пикселей. Изображение инспектируемого контейнера с использованием двухэнергетичного анализа материала (Z-анализ) внутри контейнера показано на рис. 5.24 [5.4, 5.5].

Рис. 5.24. Изображение инспектируемого контейнера с использованием двухэнергетичного анализа материала

141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленный материал свидетельствует о том, что радиационные комплексы интроскопии крупногабаритных объектов имеют большие перспективы прикладного применения. Широта внедрения комплексов в значительной степени определяется возможностями создания надежных и эффективных ускорителей электронов, обладающих необходимыми техникоэкономическими показателями. Материал, содержащийся в книге, в значительной степени ориентирован на решение этой задачи. В ходе проведенных исследований получены следующие результаты. Выполнен сравнительный анализ характеристик ускоряющих структур на бегущей и стоячей волне, работающих в нескольких частотных диапазонах. Рассмотрены различные варианты системы питания ускоряющей структуры. Для всех типов ускорителей были рассчитаны вариационные характеристики, которые выявили, при каких отклонениях выходных параметров системы питания выходные параметры пучка будут оставаться в пределах допустимых диапазонов. Обоснованы границы оптимального применения различных вариантов структур для ускорителей с глубокой перестройкой энергии пучка. Рассмотрены и сравнены структурные схемы инспекционных комплексов. Проведен анализ основных систем и элементов комплексов, предложены и обоснованы их конструктивные решения. Можно ожидать, что создание и внедрение радиационных комплексов для интроскопии сложных объектов будет расширяться при решении все большего класса прикладных задач.

142

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Введение В.1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др. // М.: Машиностроение, 1995, 488 с. В.2. Абрамян Е.А. / Промышленные ускорители электронов // М.: Энергоатомиздат, 1986, 248 с. В.3. Взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с веществом / В.И. Бойко, В.А. Скворцов, В.Е. Фортов, И.В. Шаманин // М.: Физматлит, 2003, 288 с. В.4. Дистанционный радиационный контроль с линейными ускорителями / Б.Ю. Богданович, А.В. Нестерович, А.Е. Шиканов, М.Ф. Ворогушин, Ю.А. Свистунов // М.: Энергоатомиздат, 2009, т.1, 280 с. В.5. Ogorodnikov S., Petrunin V. / Processing of Interlaced Images in 4–10 MeV Dual Energy Customs System for Material Recognition // Physical Review Special Topics Accelerators and Beams, Volume 5, 104701 (2002) Глава 1 1.1.Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др. // М.: Машиностроение, 1995, 488 с. 1.2. Абрамян Е.А. Промышленные ускорители электронов. М.: Энергоатомиздат, 1986, 248 с. 1.3. E. Storm, H. Israel / Photon Cross Section from 0.001 to 100 MeV for Elements 1 through 100 // Los Alamos Scientific Laboratory, New Mexico, 1967 1.4. http: //www.mticrystal.com 1.5. Ogorodnikov S., Petrunin V. / Processing of Interlaced Images in 4–10 MeV Dual Energy Customs System for Material Recognition // Physical Review Special Topics Accelerators and Beams, Volume 5, 104701 (2002) 1.6. Experiments on Material Recognition for 8 MeV Customs Inspection System for Trucks and Large-Scale Containers / M.F. Vorogushin, S.A. Ogorodnikov, V.I. Petrunin // Proceedings of XX International Linac Conference, Monterey, California, 2000, p.642−644 1.7. http://www.as-e.com 1.8. http://instruments.perkinelmer.com/ 1.9. http://www.rapiscan.com 1.10. http://www.saic.com 1.11. http://www.heimannsystems.com 1.12. http://www.invision-tech.com 1.13. http://www.vividusa.com/ 1.14. Dual Energy Material Recognition: Preliminary Results Obtained With The Radio-Tomographic System Hosted In Messina / Auditore L. et al // Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy, p.1881-1883 1.15. Material Recognition System Using 950 keV X-Band Linac with Dual Energy XRay Scintillator Array / Kiwoo Lee et al // Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan, 2010, p.130−132

143

Глава 2 2.1. A Compact 5 MeV S-Band Electron Linac Based X-Ray Source for Industrial Radiography / L. Auditore et al // Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, p.2428−2430 2.2. Going Towards the Dual Energy X-Ray Radiographic System for Material Recognition Purposes / L. Auditore et al // Proceedings of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, p.2754−2756 2.3. MCNP4C2 / Diagnostics Applications Group, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, USA and Radiation Safety Information Computational Center Oak Ridge National Laboratory // Oak Ridge, Tennessee, U.SA, 2003, 111 p. 2.4. Three Types of Linacs for Customs Large Container Inspection Application / Accelerator Lab, Tsinghua University, Beijing, 100084, P.R. China // Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, p.2808−2810 2.5. Low-Energy Linacs and Their Applications in Tsinghua University / Ch. Tang , H. Chen, Y. Liu, X.Wang // Proceedings of LINAC 2006, Knoxville, Tennessee USA, 2006, p.256−258 2.6. Tang Ch. / The development of accelerators in China // Proceedings of APAC’04, Gyeongju, Korea, 2004, p.1782−1784 2.7. Cargo Advanced Automated Radiography System (CAARS) / Introscan // Draft Design, 2007 Глава 3 3.1. Каминский В.И., Лалаян М.В., Собенин Н.П. / Ускоряющие структуры. // М.: МИФИ, 2005, 294 с. 3.2. Зверев Б.В., Собенин Н.П. / Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. // М.: Энергоатомиздат, 1993, 240с. 3.3. http://www.lanl.gov 3.4. Система инспекции грузов на основе дуального линейного ускорителя электронов / Завадцев А.А. и др. // Приборы и Техника Эксперимента, 2011, принята к публикации 3.5. http://www.cst.com 3.6. http://www.ansys.com 3.7. Wiedemann H. // Particle Accelerator Physics, third ed., Springer, New York, 2007 Глава 4 4.1. Dual-Energy Electron Linac for Cargo-Inspection Systems / A. Zavadtsev, N.Sobenin, S.Kutsaev et al. // Proc. of PAC’09, Vancouver, Canada, 2009 4.2. Ogorodnikov S., Petrunin V. / Processing of Interlaced Images in 4–10 MeV Dual Energy Customs System for Material Recognition // Physical Review Special Topics Accelerators and Beams, Volume 5, 104701 (2002) 4.3. Material recognition by means of different bremmstrahlung beams: is that really possible / Auditore L., Barna R.C., Loria D., Morgana E. et al // Proc. XXIII Particle Accelerator Conf. PAC’09, 4 – 8 May 2009, Vancouver, British Columbia, Canada,

144

4.4. Каминский В.И., Лалаян М.В., Собенин Н.П. / Ускоряющие структуры // М. МИФИ, 2005., 294 с. 4.5. Kutsaev S.V. / Electron dynamics simulations with Hellweg 2D code // Nuclear Instruments and Methods in Physic Research. Part A. vol. 619, 2010 4.6. Вальднер О.А., Власов А.Д., Шальнов А.В. / Линейные ускорители // М. Атомиздат, 1969 4.7. Nikolskiy K.I., Kutsaev S.V., Sobenin N.P. / Travelling Wave Electron Linac for Synchrotron Injector // Proc. of PAC’11, New York, USA, 2011 4.8. Диафрагмированные волноводы. Справочник / О.А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин // М. Энергоатомиздат, 1991, 280 с. 4.9. Accelerating structure for C-band electron linear accelerator optimization / S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin, A.A. Zavadtsev et al // Proceedings of LINAC08, Victoria, BC, Canada, THP058, 2008, p.921. 4.10. http://www.lanl.gov 4.11Wiedemann H. // Particle Accelerator Physics, third ed., Springer, New York, 2007 Глава 5 5.1. Dual-Energy Electron Linac for Cargo Inspection System / M.A. Ferderer, D. Churanov, A.A. Krasnov, M. Urbant, A.A. Zavadtsev, D.A. Zavadtsev, S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin // Proceedings of the 23rd Particle Accelerator Conference. 4 – 8 May 2009 Vancouver, British Columbia, Canada 5.2. Solid State Modulator for Linear Accelerators / D. Churanov, A. Krasnov, M. Urbant, A. Zavadtsev, D. Zavadtsev // Proceedings of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, 2008, p.175−177 5.3. Layout of the PITZ Transverse Deflecting System for Longitudinal Phase Space and Slice Emittance Measurements / L. Kravchuk, A. Anisimov, D. Churanov, A. Donat, C. Gerth, M. Hoffmann, M. Huening, E. Ivanov, W. Koehler, M. Krasilnikov, S. Kutsaev, M. Lalayan, J. Meissner, V. Paramonov, M. Pohl, J. Schultze, A. Smirnov, N. Sobenin, F. Stephan, G. Trowitzsch, M. Urbant, A. Zavadtsev, D. Zavadtsev, R. Wenndorff // Proceedings of LINAC 2010, Tsukuba, 2010 5.4. Customs Inspection Systems Based On Linear Electron Accelerators / M.F. Vorogushin, Yu.N. Gavrish, V.L. Novikov, A.V. Sidorov, A.M. Fialkovsky // Problems of Atomic Science and Technology, Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.31−33 5.5. Ogorodnikov S., Petrunin V. / Processing of Interlaced Image in 4−10 MeV Dual Energy Customs System for Material Recognition // Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams, Vol. 5, 104701 (2002)

145

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 3 Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОМПЛЕКСАМ .................................................................................................... 6 1.1. Инспекция грузов ................................................................................................ 6 1.2. Генерирование тормозного излучения .............................................................. 8 1.3. Прохождение тормозного излучения через вещество...................................... 11 1.4. Фотоядерные реакции......................................................................................... 13 1.5. Сцинтиллятор .......................................................................... 14 1.6. Радиационная дефектоскопия и инспекция сложных объектов ...................... 17 1.7. Основные параметры и понятия инспекционного комплекса ......................... 22 Глава 2. СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНСПЕКЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ .......... 25 2.1. Система инспекции в Институте ядерных исследований (Италия) ................ 25 2.2. Система таможенного контроля в университете Tsinghua (Китай) ................ 26 2.3. Система CARGO ADVANCED AUTOMATED RADIOGRAPHY SYSTEM (CAARS) ..................................................................................................................... 30 2.4. Система инспекции на базе ускорителя электронов, работающего в С-диапазоне ............................................................................................................. 34 Глава 3. ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ НА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЕ С БИПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ ................................. 48 3.1. Схема расчета ...................................................................................................... 48 3.2. Расчет электродинамических характеристик ускоряющих ячеек ................... 52 3.3. Расчет размеров бипериодической ускоряющей структуры ........................... 56 3.3.1. Расчет ускоряющих ячеек .............................................................................. 56 3.3.2. Расчет ввода мощности ................................................................................... 63 3.3.3.Ускоряющие структуры с повышенным коэффициентом связи ................... 68 3.4. Характеристики ускорителей с регулировкой энергии ................................... 70 3.4.1. Односекционный ускоритель .......................................................................... 70 3.4.2. Двухсекционный ускоритель .......................................................................... 75 3.4.3. Расчеты динамики в ускоряющих структурах с инжектором ...................... 78 Глава 4. УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ С УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ С-ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ............................................................................. 84 4.1. Расчет ускорителя на бегущей волне ................................................................ 85 4.1.1. Выбор группирователя .................................................................................... 85 4.1.2. Структура с постоянным импедансом............................................................ 88 4.1.3. Структура с постоянным градиентом ............................................................. 92 4.1.4. Альтернативные схемы питания .................................................................... 100 4.2. Расчет комбинированного ускорителя ............................................................. 101 4.2.1. Расчет группирователя на стоячей волне ...................................................... 101 4.2.2. Расчет ускорителя на основе КДВ ................................................................. 105

146

Глава 5. КОМПОНЕНТЫ ИНСПЕКЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ....................... 121 5.1. Блок-схема инспекционного комплекса ........................................................... 121 5.2. Инжектор электронов ........................................................................................ 123 5.3. Ускоряющая система ......................................................................................... 124 5.4. Конверсионная мишень ..................................................................................... 127 5.5. Система СВЧ питания ....................................................................................... 128 5.6. Система импульсного высоковольтного питания ........................................... 133 5.7. Вакуумная система ............................................................................................ 136 5.8. Система термостабилизации ............................................................................. 136 5.9. Радиационная защита ........................................................................................ 137 5.10. Детекторная станция ........................................................................................ 138 5.11. Система управления......................................................................................... 140 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 142 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................ 143

147

Завадцев Александр Алексеевич Завадцев Дмитрий Александрович Каминский Владимир Ильич Куцаев Сергей Викторович Собенин Николай Павлович

КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИНСПЕКЦИИ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ГРУЗОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ Учебное пособие

Редактор Т.В. Волвенкова Подписано в печать 15.12.2010. Формат 60×84 1/16 Печ. л. 9,5. Уч.-изд. л. 9,5. Тираж 100 экз. Изд. №1/4/125 Заказ № 48 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., 31 ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42