ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 6, с. 42-49
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.384.658
ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЛИУ-2
© 2013 г. П. В. Логачев, Г. И. Кузнецов, А. А. Корепанов, А. В. Акимов, С. В. Шиянков, О. А. Павлов, Д. А. Старостенко, Г. А. Фатькин
Институт ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 E-mail: o.a.pavlov@inp.nsk.su Поступила в редакцию 25.02.2013 г.
Описан индукционный ускоритель ЛИУ-2, который будет использован как инжектор разрабатываемого большого линейного индукционного ускорителя с максимальной энергией электронного пучка 20 МэВ, предназначенного для малоракурсной импульсной рентгеновской томографии. Благодаря высокому качеству и большому току электронного пучка (2 кА), инжектор может работать как самостоятельный рентгеновский источник при энергии электронов 2 МэВ, с диаметром пучка на мишени менее 2 мм и длительностью импульса 200 нс. Полный выход энергии тормозного излучения равен 52.4 Дж, доля квантов с энергией выше 1 МэВ около 20% от полного выхода энергии. Разброс яркости излучения в телесном угле 10° составляет ±5%, а поглощенная доза на расстоянии 1 м от мишени равна 32 • 10-3 Гр, что позволяет использовать этот источник с ослаблением 103—104 для экспозиции на существующих рентгеновских пленках. Такой комплекс обладает хорошей просвечивающей способностью с максимальным пространственным разрешением рентгенограмм 0.5 мм и может использоваться в рентгенографической методике при газодинамической отработке изделий с оптической толщиной до 90 мм в свинцовом эквиваленте.
DOI: 10.7868/S0032816213060220
ВВЕДЕНИЕ
Для решения задач рентгенографии необходима регистрация быстропротекающих процессов с высоким пространственным разрешением при больших оптических толщинах исследуемого объекта. Выбор был сделан в пользу линейного индукционного ускорителя с магнитными сердечниками (ЛИУ-20) с энергией 20 МэВ и током 2 кА. Разработка проекта ускорителя ведется Институтом ядерной физики СО РАН по заданию РФЯЦ—ВНИИТФ. На первом этапе осуществления проекта был создан инжектор, который после изготовления и запуска в работу используется как самостоятельная рентгеновская установка ЛИУ-2. Ее основные технические характеристики: максимальное ускоряющее напряжение 2 МВ; максимальный ток пучка 2 кА; количество последовательных импульсов — 2; временной интервал между импульсами 2—30 мкс; размер рентгеновского источника (во всех режимах) — не более 2 мм (поперечный размер пучка на мишени, взятый на половине максимальной интенсивности); длительность импульса тока по плоской вершине (неоднородность ±2%) — 200 нс; угол выхода излучения, формируемый коллиматором, 0.1 рад; среднее количество рабочих выстрелов по пластинам мишени до их полной замены — 150; максимальная частота повторения импульсов ускорителя в режиме непрерывной работы 0.1 Гц.
В состав ЛИУ-2 входят:
♦ электронно-оптическая система;
♦ система импульсного питания;
♦ система диагностики пучка;
♦ мишенный узел;
♦ система управления.
Общий вид конструкции инжектора линейного индукционного ускорителя показан на рис. 1.
1. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Электронно-оптическая система предназначена для формирования и фокусировки электронного пучка на мишень с энергией до 2 МэВ и током до 2 кА для получения тормозного рентгеновского излучения высокой яркости (рис. 2). Электронно-оптическая система включает в себя диодную электронную пушку с микропервеансом 2.16, установленную на первом проходном секционированном изоляторе, короткий канал между пушкой и ускоряющей секцией — вторым секционированным изолятором, транспортный канал до мишени, мишенный узел, 4 импульсные магнитные линзы, 3 корректирующие катушки, системы измерения тока и положения пучка, систему коррекции магнитного поля на катоде при старте пучка, системы вакуумной откачки и охлаждения. Первый и второй секционированные высоковольтные изоляторы идентичны и различаются лишь одним фланцем.
Рис. 1. Общий вид инжектора. 1 — мишенный узел; 2 — трансформатор тока на входе в мишенный узел; 3 — датчик положения пучка; 4 — опора вакуумной камеры; 5 — вакуумная камера; 6 — линза 1; 7 — зарядное устройство; 8 — корректор; 9 — второй секционированный изолятор; 10 — трансформатор тока на выходе пучка из анода; 11 — корректирующая катушка; 12 — центральный корпус с анодом; 13 — магниторазрядный вакуумный насос; 14 — катодный узел; 15 — первый секционированный изолятор; 16 — вакуумный пост откачки на форвакуум; 17 — соединительные трубы; 18 — внутренний кожух; 19 — система подачи воды; 20 — система подачи газа; 21 — корпус индукторов; 22 — линза 2; 23 — шибер; 24 — цилиндр Фарадея; 25 — кабель; 26 — стойки управления; 27 — стойки модуляторов; 28 — индуктор; 29 — входной порт накала.
Рис. 2. Электронно-оптическая система. 1 — катодный узел; 2 — анодный блок; 3 — вакуумная камера; 4 — система магнитной фокусировки; 5 — первый секционированный изолятор; 6 — второй секционированный изолятор; 7 — мишенный узел.
Ускоряющее напряжение на пушке и втором секционированном изоляторе возникает при подаче напряжения на индукторы, которое в итоге суммируется. Напряжения на пушке и изоляторе могут меняться в зависимости от задачи в пределах 400 кВ—1 МВ.
Электронная пушка состоит из катодного узла с диспенсерным катодом, подогревателя из танталовой ленты, тепловых экранов и фокусирующего электрода, размещенных на катодном держателе длиной 850 мм. Анод пушки расположен на торцовой стенке центрального корпуса.
Катод нагревается до рабочей температуры в интервале 1100—1150°С с неоднородностью <10°С, мощность нагревателя до 3 кВт, сопротивление нагревателя при этой мощности ~1 Ом.
Питание нагревателя осуществляется переменным током с частотой 2 кГц. Перед включением импульса рабочего напряжения ускорителя нагрев катода отключается для исключения влияния магнитного поля нагревателя на качество формируемого электронного пучка. Катодный держатель крепится на первом секционирован-
ном изоляторе. Длина изолятора около 560 мм, рабочая длина 480 мм. Изолятор состоит из 16 керамических колец длиной 30 мм, между которыми впаяны медные электроды. Кольца изготовлены из высокоглиноземистой керамики. Электроды соединены с индукторами тонкими соединительными трубами для линеаризации потенциала вдоль секционированных изоляторов. Снаружи секционированных изоляторов размещены резисторы для удаления с электродов зарядов, появляющихся из-за рассеяния на остаточном газе и автоэмиссионных процессов. Резисторы также необходимы для удаления электронов, которые попадают на металлические электроды секционированного проходного изолятора при пробоях в вакуумной части изолятора, и электронов с энергией ниже номинальной, которые попадают на торец ускоряющей секции под влиянием магнитного поля линзы.
На фланцах центрального корпуса расположена система охлаждения корпуса от нагревания под воздействием излучения с катодного узла тепловой мощности до 3.5 кВт. Теплоносителем в
Рис. 3. Секция индукторов. 1 — изолятор; 2 — ввод; 3 — кабель.
системе является вода, которая охлаждается в теплообменнике с принудительной вентиляцией.
Второй секционированный изолятор соединен транспортным каналом с мишенным узлом. На канале расположены четыре импульсные магнитные линзы сопровождения пучка и его фокусировки на мишень. Три двухкоординатных корректора расположены в промежутках между линзами. Они питаются постоянным током и служат для компенсации влияния внешних магнитных полей.
Все линзы и корректоры имеют индивидуальное питание с долговременной стабильностью лучше 0.1%. Конструкция линз оптимизирована по величине сферической аберрации.
Контроль тока пучка осуществляется трансформаторами тока пучка, цилиндром Фарадея и датчиком положения пучка на полосковых линиях.
Первый трансформатор тока расположен на внешней стенке центрального корпуса вокруг ускорительной трубки, второй — перед мишенным узлом; там же находятся датчик положения пучка и цилиндр Фарадея.
Требования к вакуумной системе ЛИУ-2 определяются типом катода, используемого в ускорителе. Диспенсерный катод 0180 мм имеет рабочую температуру до 1150°С, при этом вакуум в ускорителе должен быть не хуже 5 • 10-7 Торр. Эти
требования определяют тип вакуумной системы ускорителя. Она должна быть безмасляной — все элементы вакуумной камеры ускорителя перед сборкой должны проходить обезгаживающий отжиг в вакуумной печи. Сборка вакуумной системы производится в обеспыленном помещении. Для откачки и обдувки системы используются безмасляный откачной пост и гелиевый течеиска-тель. Все уплотнения на фланцевых соединениях вакуумной системы медные, основная откачка осуществляется магниторазрядными насосами типа НМД с суммарной производительностью 900 л/с.
2. ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ
Импульсная система высоковольтного питания предназначена для формирования двух прямоугольных импульсов ускоряющего напряжения с регулируемым временным интервалом между ними. Эта система состоит из импульсного высоковольтного трансформатора индукторного типа, кабельной системы, соединяющей импульсные высоковольтные источники питания (далее — модуляторы) с секциями импульсного высоковольтного трансформатора, 48 модуляторов, двух зарядных устройств и кабельной системы подключения зарядных устройств к модуляторам.
Рис. 4. Основной модуль ускорителя. 1 — электронно-оптическая система; 2 — импульсный высоковольтный трансформатор; 3 — мишенный узел; 4 — единая платформа; 5 — центральный корпус.
Импульсный высоковольтный трансформатор состоит из двух модулей по 1 МВ каждый. Для обеспечения электрической прочности индукторной системы оба модуля выполнены герметичными и заполнены элегазом. Каждый модуль имеет независимую газовую систему, испытанную при избыточном давлении 2.5 бар. Рабочее давление в системе 0.7 бар. Заполнение элегазом объемов индукторных модулей происходит через вентили, установленные на торцевых фланцах модулей. Контроль давления обеспечивается манометрами. Для заполнения модулей достаточно одного баллона объемом 40 л.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.