RU2789165C1

RU2789165C1 - Source of braking radiation

Info

Publication number: RU2789165C1
Application number: RU2022110707A
Authority: RU
Inventors: Владимир Борисович Сорокин
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2023-01-30

Abstract

FIELD: accelerator technology.

SUBSTANCE: invention relates to accelerator technology and can be used in the development of bremsstrahlung sources based on linear electron accelerators. The source of bremsstrahlung contains an electron gun, an accelerating structure, an electron conductor, to the output of which the first flange is vacuum-tightly connected, which is hermetically connected to the second flange through annular spacers and an annular partition. The first and second round foils are soldered into the apertures of the flanges, respectively, between which a cylindrical target with a diameter of less than 1 mm is installed, contacting with its ends with the concave surfaces of the dents facing each other in the centers of the first and second foils. The annular partition divides the cavity between the first and second flanges into an inlet chamber and an outlet chamber, which are connected by cold pipes through cylindrical channels made in the first and second flanges, with a system for refrigerant circulation, its temperature and pressure control. Behind the second flange there is a magnet, the interpolar space of which is located on the axis of the cylindrical target.

EFFECT: obtaining bremsstrahlung with a focal spot diameter of less than 1 mm.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке источников тормозного излучения на основе линейных ускорителей электронов.The invention relates to accelerator technology and can be used in the development of bremsstrahlung sources based on linear electron accelerators.

Известен источник тормозного излучения - линейный ускоритель электронов УЭЛР [Грызлов А.В., Ермаков А.Н., Каманин А.Н., Мельничук Г.В., Назаров B.C., Невский П.В., Сигалаев В.Н., Симонов А.С., Фрейдович И.А., Чудин В.Г., Шведунов В.И. ФГУП «НПП «ТОРИЙ» - Разработчик и изготовитель линейных ускорителей электронов для радиационных технологий и дефектоскопии. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. Выпуск 71. Труды научно-практической конференции «Радиационные технологии: достижения и перспективы развития - 2014. Ядерная медицина». 21-23 октября 2014 г. АО «НИИТФА». Москва 2015. с. 20-23. http://irbiscorp.spsl.nsc.ru/fulltext/WORKS/2014/%D0%92%D0%90%D0%9D%D0%A2-71(%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%Dl%8B%D0%B5%20%Dl%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%DQ%B3%D0%B8%D0%B8).pdfl, взятый за прототип, который содержит электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, к выходу которого присоединена плоская тормозная мишень, перекрывающая сфокусированный пучок электронов, система циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления, хладотрубопроводы.A known source of bremsstrahlung is a linear electron accelerator UELR [Gryzlov A.V., Ermakov A.N., Kamanin A.N., Melnichuk G.V., Nazarov B.C., Nevsky P.V., Sigalaev V.N., Simonov A.S., Freidovich I.A., Chudin V.G., Shvedunov V.I. FSUE "NPP "TORIY" - Developer and manufacturer of linear electron accelerators for radiation technologies and flaw detection. Questions of atomic science and technology. Series: Technical physics and automation. Issue 71. Proceedings of the Scientific and Practical Conference "Radiation Technologies: Achievements and Development Prospects - 2014. Nuclear Medicine". October 21-23, 2014 NIITFA JSC. Moscow 2015. p. 20-23. http://irbiscorp.spsl.nsc.ru/fulltext/WORKS/2014/%D0%92%D0%90%D0%9D%D0%A2-71(%D0%A0%D0%B0%D0%B4% D0%B8%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%Dl%8B%D0%B5%20%Dl%82%D0%B5%D1%85% D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%DQ%B3%D0%B8%D0%B8).pdfl, taken as a prototype, which contains an electron gun, an accelerating structure, an electron wire, to the output of which a flat braking target blocking the focused electron beam, coolant circulation system, control of its temperature and pressure, cold pipelines.

Эффективный диаметр фокусного пятна тормозного излучения на поверхности мишени этого источника около 1 мм получен за счет фокусировки пучка электронов до размера около 1 мм.The effective diameter of the bremsstrahlung focal spot on the target surface of this source, about 1 mm, was obtained by focusing the electron beam to a size of about 1 mm.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение тормозного излучения с размером фокусного пятна, меньшим 1 мм.The technical result of the present invention is to obtain bremsstrahlung with a focal spot size of less than 1 mm.

Предложенный источник тормозного излучения, также как в прототипе, содержит электронную пушку, ускоряющую структуру, электронопровод, тормозную мишень, систему циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления, хладотрубопроводы.The proposed source of bremsstrahlung, as well as in the prototype, contains an electron gun, an accelerating structure, an electron duct, a bremsstrahlung target, a refrigerant circulation system, control of its temperature and pressure, cold pipes.

Согласно изобретению, к выходу электронопровода вакуумноплотно присоединен первый фланец, который через первую кольцевую прокладку, кольцевую перегородку и вторую кольцевую прокладку герметично соединен со вторым фланцем. В апертуры фланцев впаяны соответственно первая и вторая круглые фольги, между которыми установлена цилиндрическая мишень диаметром меньше 1 мм, контактирующая своими торцами с обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями вмятин в центрах первой и второй фольг. Кольцевая перегородка разделяет полость между первым и вторым фланцами на входную и выходную камеры, которые соединены хладотрубопроводами через цилиндрические каналы, выполненные в первом и втором фланцах, с системой циркуляции хладоагента и контроля его температуры и давления. За вторым фланцем установлен магнит, межполюсное пространство которого расположено на оси цилиндрической мишени.According to the invention, the first flange is vacuum-tightly connected to the outlet of the electron conductor, which is hermetically connected to the second flange through the first annular gasket, the annular partition and the second annular gasket. The first and second round foils are soldered into the apertures of the flanges, respectively, between which a cylindrical target with a diameter of less than 1 mm is installed, contacting with its ends with the concave surfaces of the dents facing each other in the centers of the first and second foils. The annular partition divides the cavity between the first and second flanges into inlet and outlet chambers, which are connected by cold pipes through cylindrical channels made in the first and second flanges, with a system for circulating a refrigerant and controlling its temperature and pressure. Behind the second flange there is a magnet, the interpolar space of which is located on the axis of the cylindrical target.

В качестве хладоагента использован пар жидкого азота.Liquid nitrogen vapor was used as a refrigerant.

Первая и вторая фольги выполнены из сплава на основе бериллия.The first and second foils are made of a beryllium-based alloy.

Размер фокусного пятна тормозного излучения предложенного источника задается диаметром мишени, меньшим 1 мм, и меньше размеров фокусных пятен известных источников тормозного излучения.The size of the bremsstrahlung focal spot of the proposed source is given by a target diameter less than 1 mm, and smaller than the sizes of focal spots of known bremsstrahlung sources.

На фиг. 1 показана схема источника тормозного излучения.In FIG. 1 shows a diagram of a source of bremsstrahlung.

На фиг. 2 показаны радиальные распределения электронов, облучающих фольги и мишень и квантов в фокусе тормозного излучения из фольг и мишени при реализации известного и предлагаемого источников тормозного излучения.In FIG. Figure 2 shows the radial distributions of electrons irradiating the foils and the target and quanta in the focus of the bremsstrahlung from the foils and the target in the implementation of the known and proposed sources of bremsstrahlung.

На фиг. 3 показаны зависимости ширины на половине высоты FWHMγ распределения квантов в фокусе тормозного излучения от размеров мишени при реализации известного и предлагаемого источников тормозного излучения.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the width at half height FWHMγ of the photon distribution at the bremsstrahlung focus on the dimensions of the target in the implementation of the known and proposed bremsstrahlung sources.

На фиг. 4 показаны зависимости выхода тормозного излучения от размеров мишени при реализации известного и предлагаемого источников.In FIG. Figure 4 shows the dependences of the bremsstrahlung output on the target dimensions in the implementation of known and proposed sources.

Источник тормозного излучения содержит электронную пушку 1 (фиг. 1), ускоряющую структуру 2, электронопровод 3, к выходу 4 которого вакуумноплотно присоединен первый медный фланец 5, в апертуру которого вакуумноплотно впаяна первая круглая фольга 6 толщиной 0,1 мм, например, из алюмобериллиевого сплава, с вмятиной 7 в центре. Первый медный фланец 5 через первую кольцевую медную прокладку 8, кольцевую медную перегородку 10 и вторую кольцевую медную прокладку 9 герметично соединен со вторым медным фланцем 11, в апертуру которого впаяна вторая круглая фольга 12 с вмятиной 13 в центре. Вогнутости вмятин 7 и 13 первой 6 и второй 12 фольг обращены друг к другу. Между первой 6 и второй 12 фольгами установлена цилиндрическая мишень 14 из вольфрама, например, диаметром d=0.8 мм и длиной L=2 мм, контактирующая с вогнутыми поверхностями вмятин 7 и 13 в центре фольг 6, 12. Первый фланец 5, первая кольцевая прокладка 8 и кольцевая перегородка 10 ограничивают камеру ввода хладоагента в полость между первой фольгой 6 и второй фольгой 12. Второй фланец 11, вторая кольцевая прокладка 9 и кольцевая перегородка 10 ограничивают камеру вывода хладоагента из полости между первой фольгой 6 и второй фольгой 12. Объем 15 камеры ввода хладоагента соединен каналами 16, 17, 18, 19 в первом фланце 5, а объем 20 камеры вывода хладоагента соединен каналами 21, 22, 23, 24 во втором фланце 11 хладотрубопроводами 25, 26, с системой 27 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления. Система циркуляции 27 хладоагента и контроля его температуры и давления выполнена на основе известных устройств охлаждения с использованием жидкого азота [RU 2156419].The source of bremsstrahlung contains an electron gun 1 (Fig. 1), an accelerating structure 2, an electron conductor 3, to the output 4 of which the first copper flange 5 is vacuum-tightly connected, into the aperture of which the first round foil 6 0.1 mm thick is vacuum-tightly soldered, for example, from aluminum-beryllium alloy, with a dent 7 in the center. The first copper flange 5 through the first annular copper gasket 8, the annular copper partition 10 and the second annular copper gasket 9 is hermetically connected to the second copper flange 11, into the aperture of which the second round foil 12 is soldered with a dent 13 in the center. The concavities of the dents 7 and 13 of the first 6 and second 12 foils face each other. Between the first 6 and second 12 foils there is a cylindrical target 14 made of tungsten, for example, with a diameter d=0.8 mm and a length L=2 mm, in contact with the concave surfaces of the dents 7 and 13 in the center of the foils 6, 12. The first flange 5, the first annular gasket 8 and an annular baffle 10 delimit the refrigerant inlet chamber into the cavity between the first foil 6 and the second foil 12. The second flange 11, the second annular gasket 9 and the annular baffle 10 delimit the refrigerant outlet chamber from the cavity between the first foil 6 and the second foil 12. Chamber volume 15 the refrigerant inlet is connected by channels 16, 17, 18, 19 in the first flange 5, and the volume 20 of the refrigerant outlet chamber is connected by channels 21, 22, 23, 24 in the second flange 11 by cold pipes 25, 26, with the refrigerant circulation system 27, its temperature control and pressure. The circulation system 27 of the refrigerant and control of its temperature and pressure is made on the basis of known cooling devices using liquid nitrogen [EN 2156419].

Полость между первой 6 и второй 12 фольгами, камера 15 и камера 20, каналы 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24 и хладотрубопроводы 25, 26 заполнены радиационно стойким хладоагентом, например, паром жидкого азота, при давлении в полости между фольгами ниже атмосферного, например, 0,9 атм. За вторым фланцем 11 установлен очищающий магнит 28, медианная плоскость межполюсного пространства 29 которого совмещена с осью цилиндрической мишени 14.The cavity between the first 6 and second 12 foils, chamber 15 and chamber 20, channels 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24 and cold pipes 25, 26 are filled with a radiation-resistant refrigerant, for example, liquid nitrogen vapor, at a pressure of the cavity between the foils is below atmospheric, for example, 0.9 atm. Behind the second flange 11 there is a cleaning magnet 28, the median plane of the interpolar space 29 of which is aligned with the axis of the cylindrical target 14.

В каждом импульсе электроны из пушки 1 (фиг. 1) поступают в ускоряющую структуру 2, ускоряются в ней до энергии, например, Е₀=18 МэВ. Сфокусированный до размера около 1 мм пучок ускоренных электронов проходит через выход 4 электронопровода 3 и облучает первую фольгу 6, цилиндрическую мишень 14, вторую фольгу 12 и хладоагент между ними. Часть электронов пучка с высокой плотностью потока в пределах радиального отклонения, равного радиусу мишени 0,4 мм, через первую фольгу 6 попадают на мишень 14. Остальные электроны пучка с малой плотностью потока проходят через первую фольгу 6, вторую фольгу 12 и хладоагент в полости между ними и выходят в атмосферу. При взаимодействии с фольгами 6, 12, хладоагентом в полости между ними и мишенью 14 электроны испытывают ионизационные и радиационные потери энергии и рассеяние. При этом, несмотря на относительно большую площадь облучения, выход тормозного излучения из фольг 6, 12 и хладоагента в полости между ними небольшой вследствие их малых толщин, малых атомных номеров и плотностей их материалов и относительно малой плотности потока электронов за пределами области с радиусом, равным радиальному размеру мишени 14.In each pulse, the electrons from the gun 1 (Fig. 1) enter the accelerating structure 2, are accelerated in it to an energy, for example, E ₀ =18 MeV. A beam of accelerated electrons focused to a size of about 1 mm passes through the output 4 of the electron conductor 3 and irradiates the first foil 6, the cylindrical target 14, the second foil 12 and the coolant between them. Part of the beam electrons with a high flux density within a radial deviation equal to the target radius of 0.4 mm through the first foil 6 enter the target 14. The remaining electrons of the beam with a low flux density pass through the first foil 6, the second foil 12 and the coolant in the cavity between them and go out into the atmosphere. When interacting with foils 6, 12, coolant in the cavity between them and the target 14, electrons experience ionization and radiation energy losses and scattering. In this case, despite the relatively large area of irradiation, the output of bremsstrahlung from foils 6, 12 and the coolant in the cavity between them is small due to their small thicknesses, low atomic numbers and densities of their materials and the relatively low electron flux density outside the region with a radius equal to the radial size of the target is 14.

Выход тормозного излучения из мишени 14 большой вследствие большой длины мишени, высокой плотности потока облучающих электронов вблизи оси пучка, высокого атомного номера и большой плотности материала. При этом малый радиальный размер мишени 14 обеспечивает малый размер фокусного пятна. Ионизационные потери энергии электронов в фольгах 6, 12, хладоагенте в полости между ними и мишени 14 приводят к их нагреванию. Охлаждение этих элементов для предотвращения потери их механической прочности происходит за счет передачи тепла к фланцам 5, 11 через фольги 6, 12, но, в основном, ввиду малых толщин фольг 6, 12, за счет циркуляции хладоагента от системы 27 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления через хладотрубопроводы 25, 26, каналы 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24, камеру ввода 15, камеру вывода 20 и полость между фольгами 6, 12. При этом поддержание давления хладоагента ниже атмосферного системой 27 циркуляции хладоагента, контроля его температуры и давления создает сжимающее усилие между фольгами 6, 12 для фиксации мишени 14 во вмятинах 7, 13 фольг.The output of bremsstrahlung from target 14 is large due to the large length of the target, the high flux density of the irradiating electrons near the beam axis, the high atomic number, and the high density of the material. In this case, the small radial size of the target 14 provides a small size of the focal spot. Ionization energy losses of electrons in foils 6, 12, coolant in the cavity between them and target 14 lead to their heating. The cooling of these elements to prevent the loss of their mechanical strength occurs due to the transfer of heat to the flanges 5, 11 through the foils 6, 12, but mainly, due to the small thickness of the foils 6, 12, due to the circulation of the refrigerant from the refrigerant circulation system 27, its control temperature and pressure through cold pipes 25, 26, channels 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24, inlet chamber 15, outlet chamber 20 and the cavity between the foils 6, 12. coolant circulation, control of its temperature and pressure creates a compressive force between the foils 6, 12 to fix the target 14 in the dents 7, 13 of the foils.

Вышедшее через вторую фольгу 12 в атмосферу тормозное излучение и сопутствующие ему вторичные электроны из фольг 6, 12, хладоагента в полости между ними и мишени 14 проходят через межполюсное пространство 29 очищающего магнита 28. Магнитное поле очищающего магнита 28 в его межполюсном пространстве 29 выводит электроны из пучка излучения. Пучок излучения после очищающего магнита 28 - это высокоинтенсивное тормозное излучение из мишени с малым размером фокусного пятна на фоне малоинтенсивного тормозного излучения из фольг и хладоагента в полости между ними.The bremsstrahlung released through the second foil 12 into the atmosphere and the secondary electrons accompanying it from the foils 6, 12, the refrigerant in the cavity between them and the target 14 pass through the interpolar space 29 of the cleaning magnet 28. The magnetic field of the cleaning magnet 28 in its interpolar space 29 removes electrons from radiation beam. The radiation beam after the cleaning magnet 28 is a high-intensity bremsstrahlung from a target with a small focal spot against the background of low-intensity bremsstrahlung from foils and a coolant in the cavity between them.

На фиг. 2 в качестве примера показано распределение электронов (кривая 1) в пучке с шириной на половине высоты FWHMe, равной 0,94 мм, при энергии электронов в пучке Е₀=18 МэВ. Такому распределению электронов при реализации источника-прототипа с плоской мишенью с поперечным размером, превышающим 3-FWHMe, и толщиной 1,5 мм, при которой выход тормозного излучения из мишени максимальный, соответствует распределение (кривая 2) квантов на поверхности мишени с шириной на половине высоты FWHMγ (d=10 мм, L=1,5 мм), равной 1 мм. Этому же распределению электронов при реализации предлагаемого источника тормозного излучения соответствует распределение (кривая 3) квантов тормозного излучения на поверхности второй фольги 12 с шириной на половине высоты FWHMγ (d=0,8 мм, L=2 мм), равной 0,66 мм, с мишенью 14 диаметром d=0,8 мм и длиной L=2 мм.In FIG. As an example, Figure 2 shows the distribution of electrons (curve 1) in a beam with a width at half height FWHMe equal to 0.94 mm, at an electron energy in the beam E ₀ =18 MeV. Such a distribution of electrons in the implementation of a prototype source with a flat target with a transverse dimension exceeding 3-FWHMe and a thickness of 1.5 mm, at which the output of bremsstrahlung from the target is maximum, corresponds to the distribution (curve 2) of quanta on the target surface with a width of half height FWHMγ (d=10 mm, L=1.5 mm) equal to 1 mm. The same distribution of electrons in the implementation of the proposed source of bremsstrahlung corresponds to the distribution (curve 3) of bremsstrahlung quanta on the surface of the second foil 12 with a width at half height FWHMγ (d=0.8 mm, L=2 mm) equal to 0.66 mm, with a target 14 with a diameter d=0.8 mm and a length L=2 mm.

На фиг. 3 при тех же параметрах пучка показаны зависимости FWHMγ распределений квантов в фокусе тормозного излучения от диаметра d мишени 14 и ее длины L. Здесь же приведена, соответствующая источнику-прототипу, зависимость FWHMγ распределения квантов тормозного излучения на поверхности плоской мишени с размером, превышающим 3-FWHMe, от ее толщины (длины L). При реализации предлагаемого источника в диапазоне диаметров d мишени 14 до 1,2 мм и длин L до 3 мм FWHMγ намного меньше, чем при любых толщинах плоской мишени в источнике-прототипе.In FIG. 3 for the same beam parameters shows the FWHMγ dependences of the distributions of bremsstrahlung quanta at the focus of bremsstrahlung on the diameter d of the target 14 and its length L. It also shows, corresponding to the prototype source, the dependence of the FWHMγ distribution of bremsstrahlung quanta on the surface of a flat target with a size exceeding 3 FWHMe, on its thickness (length L). When implementing the proposed source in the range of diameters d target 14 to 1.2 mm and lengths L up to 3 mm FWHMγ is much less than any thickness of a flat target in the prototype source.

Соотношение между выходами тормозного излучения из мишеней разного диаметра и длины при реализации предлагаемого источника и выходом при оптимальной толщине плоской мишени при реализации известного источника показано на фиг. 4. В указанном выше диапазоне диаметров и длин мишени, выход тормозного излучения составляет 0,2-0,6 от максимально возможного. С учетом того, что токи пучков линейных ускорителей большие, такой выход тормозного излучения с малым размером фокусного пятна предлагаемого источника достаточен для использования в средствах неразрушающего контроля высокого разрешения.The relationship between the outputs of bremsstrahlung from targets of different diameters and lengths when implementing the proposed source and the output at the optimal thickness of a flat target when implementing the known source is shown in Fig. 4. In the above range of diameters and lengths of the target, the output of bremsstrahlung is 0.2-0.6 of the maximum possible. Taking into account the fact that the beam currents of linear accelerators are large, such an output of bremsstrahlung with a small size of the focal spot of the proposed source is sufficient for use in high-resolution non-destructive testing.

Claims

1. A source of bremsstrahlung, containing an electron gun, an accelerating structure, an electron conductor, a brake target, a system for circulating a refrigerant, controlling its temperature and pressure, cold pipes, characterized in that the first flange is vacuum-tightly connected to the outlet of the electron conductor, which through the first annular gasket, an annular partition and the second annular gasket is hermetically connected to the second flange, the first and second round foils are soldered into the apertures of the flanges, respectively, between which a cylindrical target with a diameter of less than 1 mm is installed, contacting with its ends with the concave surfaces of the dents facing each other in the centers of the first and second foils, with In this case, the annular partition divides the cavity between the first and second flanges into inlet and outlet chambers, which are connected by cold pipes through cylindrical channels made in the first and second flanges, with a refrigerant circulation system, control of its temperature and pressure, and behind the second A magnet is installed at the end, the interpolar space of which is located on the axis of the cylindrical target.

2. Source according to claim 1, characterized in that liquid nitrogen vapor is used as a refrigerant.

3. Source according to claim 1, characterized in that the first and second foils are made of a beryllium-based alloy.