CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 195 1974
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ, ВРЕМЕННОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ БЕТАТРОНА
В. В. ЕВСТИГНЕЕВ, Б. А. КОНОНОВ
(Представлена научным семинаром кафедры ФТФ и лаб. ЭД НИИ ЭИ)
За короткий срок от начала работ в Томском политехническом институте в 1946 году бетатрон прошел бурный этап своего развития благодаря большому вкладу в дело развития бетатроностроения, который внесла томская школа ученых, возглавляемая профессором А. А. Воробьевым. Выяснены основные положения теории, разработано, сооружено и запущено 'большое количество различных типов бетатронов. Более глубокое понимание физических процессов, происходящих в бетатроне, дают исследования пространственного, временного и энергетического распределения электронов в бетатроне.
Область применения бетатрона значительно расширилась благодаря выводу электронного пучка из камеры ускорителя.
Бетатрон — наиболее выгодный источник электронов по целому комплексу эксплуатационных характеристик: плавная регулировка энергии, монохроматичность пучка, параллельность излучения, малый фон рассеянного излучения. Там, тде достаточна мощность дозы электронного излучения, порядка 10000 рад/мин, целесообразно отдать предпочтение бетатрону, обладающему компактностью, простотой в изготовлении и обслуживании, более надежному в работе [1].
Широкое применение бетатрона и бетатронного режима ускорения вызвало как усложнение, так и совершенствование этого типа ускорителя. Конструирование и,разработка бетатрона с целью получения максимальной плотности потока электронов в выведенном пучке существенно отличается от конструирования бетатронов, рассчитанных на получение тормозного излучения.
Главной задачей усовершенствования такого ускорителя является повышение интенсивности ускоренных электронов, их эффективный вывод из камеры ускорителя и рациональное использование. Нами эта задача решается разработкой оригинальной конструкции электромагнита, увеличением объема ускорительной камеры, применением высоковольтной инжекции и эффективным способом вывода электронов из вакуумной камеры.
Электромагнит бетатрона Ш-образного типа конструируется из условия получения максимального равновесного заряда, обеспечивающего в выводном пучке плотность потока электронов не менее 1010 эл/см2 сек и 'повышенного доступа к ускорительной камере бетатрона, обеспечивающего максимальный вывод электронов и их максимальное использование. В этом случае за счет некоторого увеличения радиу-
сов равновесной орбиты и полюсных наконечников намагничивающая обмотка, размещенная на полюсах, не выступает за границы полюсов. Вследствие того, что гП < гн на большую величину, часть нерабочих пластин полюсных выступов удаляется, что облегчает вес полюсов и приводит к азимутальной вариации магнитного поля в рабочей зоне ускорителя и, следовательно, к улучшению фокусировки электронов.
Расчеты и практика показывают, что конструкция бетатрона с повышенным доступом по сравнению с обычными конструкциями имеет вес стали .магнитопровода на 20% больше, а вес .меди обмоток на 30% меньше. Общий вес электромагнита увеличивается в среднем на 10-н12% по сравнению с обычными бетатронами на такую же энергию. Повышенный доступ к ускорительной камере обеспечивает возможность установления вблизи выходного окна ускорительной камеры различных крупных объектов исследования п физических приборов (высоковольтный инжектор, фокусирующие магнитные линзы).
Более резкое спадание магнитного поля по радиусу, уменьшение магнитных полей рассеяния за полюсными наконечниками уменьшают расходимость электронного пучка после вывода и приводят к получению траекторий электронов, перпендикулярных продольной оси электромагнита бетатрона.
Нами осуществлен комбинированный вывод электронов из бетатрона с помощью электростатического конденсатора и несимметричного смещения электронов с равновесной орбиты. Инжектор располагается в плоскости ускорения, что увеличивает интенсивность излучения не менее 10%. Эффективность комбинированного вывода электронов составляет 60%. Данный способ вывода электронов успешно может быть применен в отпаянных вакуумных камерах бетатронов [2]. Размеры пучка на выходе у выводного окна ускорительной камеры составляют 5 X 30 мм.
Такие геометрические параметры электронного пучка, расходимость его в 6° в горизонтальной плоскости, перпендикулярное продольной оси бетатрона направление электронного пучка, свободный доступ к ускорительной камере обеспечивают фокусировку электронного пучка без потери интенсивности электронов на любом расстоянии его от выводного окна ускорителя. Максимально полученная плотность электронов на расстоянии двух метров от бетатрона на 10 Мэв составляет
5-Ю10 эл/см2сек при диаметре пучка 5 мм. Рассчитанный и изготовленный бетатрон на 6 Мэв с выводом пучка для электронной дефектоскопии обеспечивает на выходе плотность потока электронов
6-Ю10эл/см2 сек [3].
Стабильность пространственного положения электронного пучка в месте фокусировки изучена фотографическим методом. При плотности электронов на выходе тракта порядка 1010 эл/см2 сек достаточна экспозиция 1—2 сек, что позволяет определить стабильность пучка как во времени, так и в пространстве. Суммарная нестабильность систем смещения, вывода и фокусирующих схем приводят к размерам электронного пучка в фокальной плоскости 0 10 мм. Конечный радиальный размер ускоренного электронного пучка и многооборотный процесс смещения и вывода электронов приводит к определенному распределению электронов бетатрона во времени. В зависимости от различных эксплуатационных пара-метров бетатрона и режимов его работы временное распределение электронов изменяется. Картина распределения электронов изучена с помощью амплитудного анализатора импульсов ЛИ-100 и шлейфового осциллографа НЮ. Датчиком интенсивности электронного излучения является сцинтилляционный либо черенков-ский счетчики. Следовательно, имеется возможность наблюдения либо
мгновенной картины распределения, либо статистической картины распределения электронов во времени.
Временное 'распределение электронов в каждом импульсе изучено осциллографированием интенсивности электронного излучения на осциллографе С1-7 [4].
Результаты исследований показывают, что распределение электронов в импульсе и стабильность амплитудного значения интенсивности существенно зависят от параметров смещения электронов с равновесной орбиты и вывода их из ускорительной камеры. Отчетливо проявляются два максимума интенсивности, сдвинутые во времени друг относительно друга, что говорит о разрушении пучка электронов при внесении азимутально возмущающей неоднородности при смещении электронов. Согласно [5] происходит группирование электронов в два сгустка с разбросом по фазе 6° и расположенных диаметрально в медианной плоскости.
Изменением параметров вывода и смещения электронов из бетатрона достигается варьирование временного интервала между двумя максимумами распределения в пределах 15 мкеек, либо получение одномерного импульса излучения.
Интегральная интенсивность электронов ттри этом остается постоянной. Стабильность амплитудного значения электронов также зависит от формы распределения электронов. Так, нестабильность при преобладании первого максимума составляет 12—15%, а при преобладании второго максимума достигает 25%. При изменении интенсивности в режиме среднего тока вклад в интенсивность вносит как .первый, так и второй максимум излучения, в то время как амплитудный анализатор разрешает только первый максимум, в данном случае более стабильный. Это показывает, что наибольшая стабильность амплитудного значения и среднего тока электронов достигается при различных условиях смещения электронов с равновесной орбиты и выводе их из ускорительной камеры. Стабильность интенсивности с помощью электронных систем также дает различную нестабильность в зависимости от режима. При интегральной стабильности интенсивности электронов ±1,5%, нестабильность электронов в импульсе составляет на уровне 0,9—1,4% и на уровне 0,5—6%.
Показано, что с уменьшением энергии электронов нестабильность интенсивности электронов в импульсах увеличивается. Стабильность интенсивности электронов в значительной степени определяется стабильностью энергии последних. Экспериментальное исследование стабильности энергии произведено спектрометрическим методом с помощью магнитного бета-спектрометра [2]. Метод заключается в наблюдении сдвига функции энергетического распределения электронов, что обусловливает изменение электронов на выходе бета-спектрометра. Так, колебания вероятной энергии электронов на ± 1 Кэв вызывает нестабильность интенсивности электронов на 3% в выбраной точке. Нестабильность энергии ± 5 Кэв обусловливает изменение интенсивности в .пределах 12%.
Таким методом измеряется нестабильность энергии ускоренных электронов в установившемся режиме бетатрона и с применением электронной системы стабилизации.
Скорость счета подбирается такой, чтобы обеспечить статистическую ошибку в 1%. Показано, что нестабильность энергии электронов не превосходит ± 5 Кэв в течение двух часов непрерывной работы бетатрона. Стабильность в течение месяца сохраняется ± 20 Кэв. Выше приведенные данные получены счетным методом и поэтому дают стабильность энергии за определенный конечный интервал времени. Для
определения мгновенной картины стабильности энергии необходимо знать стабильность энергии от импульса к импульсу.
С этой целью проведены исследования нестабильности интенсивности электронов, обусловленные флуктуация-ми энергии их, спектрометрическим методом с помощью двух сцинтилляционных счетчиков, установленных на заднем и переднем склонах энергетического спектра и включенных в дифференциальную схему. Полученные данные совпадают с результатами статической картины.
Для более точной и определенной характеристики энергии электронного пучка необходимо знание не только ее среднего значения, но и наиболее вероятные отклонения от среднего значения, т. е. .моноэнер-гетичность. Высокая кратковременная стабильность энергии электронов ± 2 Кэв позволила изучить энергетический спектр электронного пучка и его стабильность с помощью магнитного бета-спектрометра с разрешением порядка 10 ( 3 [в].
Нами рассмотрен спектральный состав электронов бетатрона на всех этапах ускорительного цикла. Энергетический разброс, допустимый при инжекции, определяется взаимным расположением радиусов равновесной орбиты и радиусом установки инжектора и составляет до 30% от энергии вводимых электронов. Разброс электронов по энергия уменьшается в бетатронах на большую энергию и увеличивается в сильноточных бетатронах с большой апертурой вакуумной камеры. В бетатронах со стационарной равновесной орбиты отклонение импульса от равновесного значения является интегралом движения независимо от геометрии орбит, поэтому энергетический разброс частиц в конце ускорения остается тем же, 'что и при инжекции. Движение электронов по различным мгновенным орбитам с затухающими бетатронными колебаниями сопровождается быстрыми и малыми изменениями энергии. Наличие этих колебаний приводит к конечной величине разброса по энергии электронов в момент смещения их с равновесной орбиты и вывода их из ускорительной камеры. Спектральный состав электронов при этом определяется амплитудой бетатронных колебаний и длительностью многооборотното процесса смещения. Электростатический дефлектор вносит дополнительное размытие пучка по энергии за счет многократных столкновений электронов с пластинами вследствие бетатронных колебаний последних.
Результаты экспериментальных исследований в достаточно хорошем приближении дают линейную зависимость полуширины энергетического спектра от энергии. Полуширина спектрального распределения электронов стабилизированного бетатрона в оптимальном режиме не превышает одного процента при всех энергиях выведенных электронов. Энергетический спектр электронного пучка нестабилизированного бетатрона практически полностью обусловливается нестабильностью питающего напряжения и составляет 2—5% при различных отклонениях параметров бетатрона от оптимальных.
ЛИТЕРАТУРА
1.A. А. Воробьев, Б. А. Кононов, В. М. Антонов, В. В. Евстигнеев. Дозиметрия больших доз. Ташкент, 1966.
2. В. В. Евстигнеев. Диссертация, Томск, 1967.
3. В. В. Евстигнеев, Б. А. Кононов. Труды VII межвузовской конференции по электронным ускорителям. Томск, 1968.
4. В. В. Евстигнеев, В. М. Зыков. Труды VII межвузовской конференции по электронным ускорителям. Томск, 1968.
5. ,В. П. А н о х и н. Диссертация, Томск. »1968.
6. В. В. Е в с т и г н е е в, Б. А. Кононов. Электронные ускорители. М., 1968.
