книги из ГПНТБ / Пикаев, А. К. Дозиметрия в радиационной химии

сптся на поверхность транспортера вблизи нижнего шкива; вели­ чина заряда удваивается с помощью перезарядного устройства. Верхний шкив, расположенный под высоковольтным колпаком — кондуктором, находится под полным напряжением, создаваемым генератором. Вакуумная ускорительная трубка располагается рядом с транспортером. Она состоит из катода (источника электро­ нов) и электронно-оптической системы для фокусировки пучка. Вся система помещена в бак, заполненный газом (смесыо N2 и

Рис. 37. Схема электростатического генератора

9— нить накала;

10— делитель напряжения;

0 2 или SFe) под большим давлением, что необходимо для исключе­ ния коронного разряда. Выпуск пучка из трубки осуществляется через окно, изготовленное из тонкой алюминиевой или титановой фольги.

В табл. 19 приведены характеристики непрерывных пучков электронов, создаваемых некоторыми ускорителями Ваи-дер- Граафа. Импульсное излучение получают с помощью специальных электронных схем (см., папрпмер, [631). Характеристики импуль­ сов электронов, генерируемых рядом ускорителей Ван-дер-Граафа, даны в табл. 20.

Резонансный трансформатор. Главными частями этого ускори­ теля являются низкочастотный (50—180 гц) трансформатор и высоковольтная ускорительная трубка, помещаемые в металличе­ ский бак со сжатым газом (фреон, элегаз и др.). Трансформатор генерирует высокое напряжение; коаксиальио в него вмонтиро­ вана ускорительная трубка. Сам трансформатор состоит из пер­ вичной и вторичной обмотки; между ними находится магнитопровод. Электроны испускаются инжектором с управляющим элек­ тродом. Питание инжектора, управляющего электрода и накала катода производится напряжением с части вторичной обмотки. Схема резонансного трансформатора показана на рис. 38 [78]. Подробно устройство и принцип работы этих машин рассмотрены в обзоре [79].

70

Характеристики импульсов электродов, генерируемых различными ускорителями

71

электродов, причем частота этого поля постояпна и находится в резонансе с движением частиц. Одна и та же частица проходит все ускоряющие промежутки при одной и той же фазе электрического поля и приобретает энергию в каждом промежутке. На рис. 39 показан внешний вид линейного ускорителя «У-12», часто исполь­ зуемого в радиациоиио-химических исследованиях в СССР.

Схема типичного линейного ускорителя приведена па рис. 40 [81 ]. Бегущие волны высокочастотной мощности генерируются маг­ нетроном или клистроном. Эти волны направляются в волновод. В последний вводятся импульсы электронов, которые ускоряются волной до высокой энергии. Подробно устройство и принципы действия различных электронных ускорителей рассмотрены, в частности, в работах [9, 81].

Характерно!! особенностью линейных ускорителей является то, что они генерируют не непрерывный пучок электронов, а им­ пульсы электронов, следующие с определенной частотой. С их по­ мощью можно получать и одиночные импульсы электронов. При этом облучаемая система за каждый импульс получает значитель­ ную дозу. Вследствие этого линейные ускорители широко при­ меняются в импульсном радиолизе.

Рис. 40. Схема тпппчного линейного ускорителя

1 — ввод высокочастотной мощности; 2 — питание волновода; 3 — электронная пушка;

Обычная длительность импульсов — от микросекунд до нано­ секунд (см. табл. 20). Однако импульс имеет тонкую структуру. На рис. 41 в качестве примера показана тонкая структура элект­ ронного импульса, генерируемого линейным электронным уско­ рителем фирмы «Applied Radiation Согр.» в Аргоннской националь­ ной лаборатории США [73]. Такая тонкая структура также ис­ пользуется в настоящее время в импульсном радиолизе. Харак­ теристики импульсов, создаваемых различными линейными уско­ рителями, приведены в табл. 20.

74

В СССР большая серия линейных ускорителей, предназначен­ ных для использования в радиационной химии и радиационно­ химической технологии, разработана Московским инженернофизическим институтом (серия У) и Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова в Ленинграде (серия ЛУЭ). Параметры этих ускорителей приведены в табл. 21 [9, 74, 8 2 -8 6 ].

t , н с е к .

Ускоритель «Febetron». В 60-х годах фирмой «Field Emission

Согр.» (США) были сконструированы очень мощные я сравнитель­ но дешевые импульсные электронные ускорители: «Febetron-705» и «Febetron-706», нашедшие широкое применение в радиационной химии (преимущественно для импульсного радиолиза). На рис. 42 показан внешний вид первого из этих ускорителей. Их рабочие характеристики приведены в табл. 20.

75

На рис. 43 дана принципиальная схема ускорителя «Febetron705» [64]. Он состоит из трех камер. Внешняя камера с целью общей изоляции заполнена фреоном под давлением. В центральной ка­ мере, содержащей модульную трубу, находится воздух под высо­ ким давлением. В передней конической камере, залитой трансфор­ маторным маслом, находится эмиссионная трубка и фокусирующее устройство. Модульная труба содержит 80 модулей, причем каж­ дый из них включает два высоковольтных керамических конден­ сатора. Модули соединены параллельно; они заряжаются триг­ герным импульсом на 10 кв до напряжения 20—35 кв. Разряд мо­ дулей происходит серийно; высоковольтный импульс (1—2 Мв)

Рис. 44. Форма электронного импульса, создаваемого уско­ рителем «Febetron-705»

налагается на катод эмиссионной трубки, которая и генерирует электронный импульс. Главной частью эмиссионной трубки яв­ ляется катод. Он изготовлен из очень остроконечных вольфрамо­ вых игл. Когда к этим иглам приложено высокое напряжение, они вследствие эффекта эмиссии поля испускают большое коли­ чество электронов.

Ускорители типа «Febetron» — мощные источники электрон­ ных импульсов. В частности, с помощью ускорителя «Febe- tron-706» возможно получать мощности дозы до — 2-1016 рад/сек. На рис. 44 в качестве примера приведена форма электронного импульса, создаваемого ускорителем «Febetron-705» [64].

Бетатрон. Действие этого ускорителя заряженных частиц основано на том, что изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Электрон, двигаясь в таком поле по круговой траектории и находясь под непрерывным воздействием электрической силы, приобретает определенную энергию. Когда энергия ускоряемых частиц достигнет требуемой величины, они направляются на ми­ шень с целью генерации тормозного рентгеновского излучения или же выводятся из машины в виде электронного пучка. Посколь­ ку электроны «впрыскиваются» в магнитное поле импульсами, то генерируемое бетатроном излучение является импульсным. Бетатронное излучение может иметь весьма высокую энергию (до 300 Мэе). Детально с принципами работы рассматриваемого уско­ рителя можно ознакомиться, например, в книгах [87—89].

77

В настоящее время бетатроны в радиационной химии исполь­ зуются сравнительно редко. Большее применение они находят в радиотерапии и металловедении.

Электронные ускорители можно использовать и для генерации тормозного рентгеновского излучения. С этой целью на пути элек­ тронного пучка ставят мишени из материала с высоким атомным номером (вольфрама, золота и т. п.). Получаемое излучение имеет непрерывный спектр энергий, причем максимальная энергия рав­ на энергии электронов. Максимальные средние мощности * дозы такого излученпя — порядка нескольких тысяч рад1сек.

С помощью многих описанных ускорителей можно также гене­ рировать пучки тяжелых заряженных частиц. В этом случае вместо вольфрамового или танталового катода применяются соот­ ветствующие «инжекторы» ионов. В частности, в ускорителе Ван- дер-Граафа в качестве «инжектора» используется плазма, создан­ ная газовым разрядом. Однако в радиационной химии наиболее распространенным источником положительных ионов является циклотрон.

Циклотрон. Эта машина используется для ускорения ионов до больших скоростей без применения высокого напряжения. Ионы образуются в газовом разряде низкого давления. Они ускоряются электрическим полем высокой частоты, приложенным между дву­ мя полукруглыми полыми электродами, называемыми дуантами. Последние находятся внутри вакуумной камеры симметрично между полюсами электромагнита. Ионы, пройдя полукруг внут­ ри одного нз дуаитов, возвращаются к диаметральной междуэлектродноп щели. При этом время, необходимое иону для про­ хождения полуокружности, равно времени изменения полярно­ сти электрического поля высокой частоты. Ион претерпевает новое ускорение, и вследствие более высокой скорости путь его внутри второго дуанта лежит вдоль полуокружности большего радиуса (см. рис. 45). Угловая скорость в однородном магнитном поле пос­ тоянна; поэтому время, необходимое для прохождения полуок­ ружности, не зависит от скорости нона. Тем самым ионы ускоряют­ ся каждый раз, когда пересекают щель. Двигаются они по полу­ окружности все большего и большего радиуса. Отклонение ионов от спирального пути производится с помощью отрицательно за­ ряженной отклоняющей пластины. Пучок ионов выходит наружу через тонкое окно в вакуумной камере. Подробно принципы дей­ ствия и устройство циклотронов изложены, например, в книгах

[6, 87, 90].

Пучок ионов, генерированный циклотроном, является, по существу, непрерывным. Дейтроны (ионы дейтерия) и протоны

*При работе с сериями импульсов различают мгновенную и среднюю мощ­ ности дозы. Мгновенная мощность дозы — это мопщость дозы в расчете на время действия импульсов. Средней называется мощность дозы в расчете на все время облучения, включая промежутки между импульсами.

78