мишень импульсного ускорителя электронов

Формула изобретения

1. Мишень импульсного ускорителя электронов, функционально связанная с выводным окном его ускорительной трубки и содержащая прозрачный для ускоренного пучка электронов защитный экран и подложку, выполненные из термостойкого материала, например, на основе углерода, между которыми расположен конвертер из тяжелоатомного материала, при этом суммарная толщина подложки и конвертера удовлетворяет условию полного поглощения для пучка электронов, а толщина конвертера обеспечивает максимальный выход тормозного излучения в направлении транспортировки пучка, отличающаяся тем, что мишень установлена снаружи выводного окна ускорительной трубки, а защитный экран выполнен гетерогенным в виде двух разделенных зазором пластин, определяемым толщиной кольцевого амортизатора, расположенного по периметру между ними, при этом первая пластина установлена с обеспечением вакуумплотного перекрытия выводного окна ускорительной трубки, вторая пластина выполнена из упругого термостойкого материала и разделена зазором с конвертером, а конвертер разделен зазором с подложкой, при этом пластины, конвертер и подложка токопроводящие, электрически связаны между собой и заземлены, а полости всех зазоров сообщающиеся.

2. Мишень по п.1, отличающаяся тем, что установлена в вакууме или воздухе, первая пластина защитного экрана выполнена из легкоатомного термостойкого металла, например титановой фольги, а вторая его пластина выполнена, например, из пироуглеродной ткани.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ускорительной техники, а точнее к технике получения высокоинтенсивного импульсного тормозного излучения. Наиболее эффективно оно может быть использовано в радиационных технологиях, где требуется получение высокой мощности дозы тормозного излучения в одиночных импульсах ускорителей электронов.

На известных ускорителях электронов одиночных импульсов высокой мощности мишень гетерогенная, состоит из конвертера и поглотителя электронов, расположенных в вакууме ускорительной трубки, а также вакуумплотной заглушки выводного окна ускорительной трубки, осуществляющей одновременно защиту облучаемого объекта от продуктов разрушения конвертера и поглотителя [1].

Недостатки мишени и ее расположения проявляются в ограничении пучка электронов по флюенсу энергии и плотности потока энергии в импульсе, приводящие к ее разрушению и выходу из строя ускорителя.

Известна конструкция мишени ускорителя одиночных импульсов "Saturn" [2], которая расположена в вакуумном объеме ускорительной трубки и содержит послойно по оси транспортировки пучка электронов конвертер из тантала, поглотитель электронов из графита, по суммарной толщине удовлетворяющие условию полного поглощения для электронов, а также заглушку в виде майларовой фольги, отделяющую вакуумный объем ускорительной трубки с мишенью от атмосферы и служащей ее выводным окном.

Недостатки подобной мишени и ее расположения проявляются в отсутствии защиты ускорительной трубки, катода, проходного изолятора ускорительной трубки от налипания продуктов разрушения конвертера и сопутствующей анодной плазмы при высокой плотности энергии и флюенсе энергии электронов в импульсе, обуславливающие изменение характеристик катода и проходного изолятора, приводящие к изменению выходных характеристик ускорителя при неизменном режиме работы или выводу его из строя. Для ускорителя электронов характерна низкая производительность, обусловленная расположением мишени в ускорительной трубке и ее разрушением, проявляющаяся в затратах времени на перевакуумирование ускорительной трубки при замене мишени, а также на восстановление свойств катода и изолятора.

Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является мишень [3]. Мишень располагается в вакуумированном объеме ускорительной трубки перед заглушкой ее выводного окна, симметрично оси транспортировки пучка электронов. Она представляет собой гетерогенную систему, в которой экран и подложка выполнены из пироуглерода и спрессованы с металлическим конвертером, расположенным между ними. Чтобы уменьшить влияние ударных волн, формируемых в конвертере, и повысить его ресурс, конвертор состоит из спрессованных отрезков скрученной вольфрамовой проволоки толщиной 10-50 мкм и плотностью 1.5-2.0 г/см³. При этом экран практически прозрачен для ускоренного пучка электронов, а подложка, совместно с металлическим конвертером, удовлетворяет условию полного поглощения для электронов.

К существенным недостаткам прототипа относится рассредоточенная и неоднородная плотность спрессованного из металлической проволоки конвертера. Она существенно ослабляет интенсивность выхода тормозного излучения в направлении транспортировки пучка электронов, по сравнению с литым конвертером, вследствие увеличения углового распределения тормозного излучения с увеличением толщины конвертера и рассеяния тормозного излучения вакуумплотной заглушкой выводного окна.

Кроме того, свойства конвертера изменяются от импульса к импульсу, в связи с его объемным испарением и изменением плотности, обусловленных высокой плотностью поглощенной энергии пучка электронов, что нарушает воспроизводимость характеристик поля тормозного излучения.

Защитный экран мишени находится в непосредственном термомеханическом контакте с конвертером, что существенно увеличивает воздействие на него теплового удара и сопутствующих процессов, возникающих в конвертере [4] и приводящих к его разрушению.

Стойкость к разрушению такой мишени определяется как флюенсом энергии за импульс, так и плотностью потока энергии в импульсе. Передача энергии электронов веществу конвертера происходит в промежутке времени 10 ^-16÷10^-10 c при практически не проявляющемся в этом интервале времени процессе теплопроводности. Под действием локально переданной энергии происходит плавление и испарение вещества конвертера, образование в конвертере внутреннего импульсного давления и формирование ударной волны. Под действием термомеханического ударного воздействия, усугубляющегося непосредственным контактом защитного экрана и конвертера, происходит разрушение и защитного экрана с выбросом испаряемой и расплавленной фракций конвертера, фрагментов защитного экрана. Они разбрызгиваются и оседают на поверхности ускорительной трубки, проходного изолятора и катода, приводят к изменению выходных параметров, режима работы ускорителя или выходу его из строя.

Как показано в работе [5], термомеханическая стойкость подобной конструкции мишени в единичном импульсе ограничена флюенсом энергии 200 Дж/см².

Поскольку мишень находится в вакуумируемом объеме ускорительной трубки и выполняет функции анода, то при разрушении конвертера и экрана выброс их расплавленных фрагментов и анодной плазмы находится в зоне ускоряющего поля, поэтому приобретаемое ускорение анодной плазмы способствует забрызгиванию поверхности катода и проходного изолятора, изменяет их параметры, следовательно, и выходные параметры ускорителя. При замене подобной мишени необходимы затраты времени на перевакуумирование объема ускорительной трубки, восстановление свойств катода и изолятора, что является определяющим фактором низкой производительности ускорителя.

Для определенных радиационных технологий при получении за мишенью мощностей доз тормозного излучения более 2·10¹⁰ Гр/c в единичном импульсе, плотность энергии электронов достигает 4·10 ¹⁰ Вт/см² и более, а флюенс энергии более 10 кДж/см², однозначно приводящих к разрушению не только подобной, но и практически любой конструкции конвертера, а следовательно, и мишени, что само по себе не является принципиально важным.

Предлагается мишень импульсного ускорителя электронов, содержащая указанные признаки прототипа.

Отличительные признаки предлагаемой мишени-конвертера заключаются в том, что

1) мишень установлена снаружи выводного окна ускорительной трубки, а защитный экран выполнен гетерогенным, в виде двух разделенных зазором пластин, определяемым толщиной кольцевого амортизатора, расположенного по периметру между ними, при этом первая пластина установлена с обеспечением вакуумплотного перекрытия выводного окна ускорительной трубки, вторая пластина выполнена из упругого термостойкого материала и разделена зазором с конвертером, а конвертер разделен зазором с подложкой, при этом пластины, конвертер и подложка токопроводящие, электрически связаны между собой и заземлены, а полости всех зазоров сообщающиеся;

2) мишень по п.1, отличающаяся тем, что установлена в вакууме или атмосфере, первая пластина защитного экрана выполнена из легкоатомного термостойкого металла, например, титановой фольги, а вторая его пластина выполнена, например, из пироуглеродной ткани.

Первая пластина защитного экрана выполнена из легкоатомного термостойкого металла и выполняет новые функции:

- анода в ускоряющем диоде и вакуумной заглушки выводного окна ускорительной трубки;

- фильтра для низкоэнергетических заряженных частиц катодной плазмы и отвода их зарядов;

- ограничителя хода демпфера кинетической энергии фрагментов конвертера;

- фокусирующего устройства пучка ускоренных электронов [6, 7].

Вторая пластина защитного экрана выполнена из пироуглеродной ткани и соединена по периметру через кольцевой амортизатор с первой пластиной, образуя демпфер механических колебаний. Внутренний диаметр кольцевого амортизатора адекватен диаметру выводного окна ускорительной трубки. Вторая пластина защитного экрана совместно с кольцевым амортизатором проявляет новые свойства и выполняет новые функции:

- термоизолятора первой пластины защитного экрана от теплового воздействия продуктов испарения и выбросов из конвертера;

- улавливателя выбросов из конвертера (испарений, расплавленной массы и др. фрагментов) в направлении, обратном транспортировке пучка;

- демпфера кинетической энергии выбросов;

- фокусирующего устройства для пучка ускоренных электронов;

- фильтра-поглотителя низкоэнергетических ускоренных частиц, не дающих практического вклада в тормозное излучение и отвода их зарядов на землю.

Фокусирующие свойства первой и второй пластины защитного экрана обеспечиваются посредством зануления радиальной составляющей электрического поля пучка в их токопроводящей среде и действия собственного продольного магнитного поля.

Зазор между пластинами защитного экрана определяется внутренним диаметром кольцевого амортизатора и толщиной амортизатора, определяемой исходя из нагруженного хода второй пластины защитного экрана как демпфера.

Под действием возникающих в конвертере напряжений и ударной волны расплавленные и другие его фрагменты, а также защитного экрана, приобретают характерные скорости с начальным угловым распределением, определяемым телесным углом 4 .

В зависимости от распределения плотности поглощенной энергии по глубине конвертера, площади сечения пучка электронов в плоскости конвертера, реальный выброс фрагментов конвертера может происходить как в направлении транспортировки пучка электронов, так и в обратном, в телесные углы 2 .

Возможный выброс в направлении транспортировки пучка гасится и улавливается массивной подложкой из пироуглерода. При толщине конвертера, удовлетворяющей условию максимального выхода тормозного излучения в направлении транспортировки пучка, основной выброс фрагментов происходит в обратном направлении, т.е. в направлении выводного окна ускорительной трубки.

В целом защитный экран существенно уменьшает энергетическую нагрузку на конвертер, повышая при этом его эффективность как преобразователя. Осуществляемая защитным экраном фокусировка пучка электронов повышает как интенсивность выхода тормозного излучения в направлении транспортировки пучка, так и коэффициент использования тормозного излучения при облучении образцов.

В конвертере происходит основной процесс преобразования энергии пучка электронов в тепловую энергию и тормозное излучение, зарождается и формируется ударная волна, тепловой взрыв.

Подложка состоит из пироуглерода, выполняет функции фильтра и конвертера для электронов, демпфера кинетической энергии выбросов и улавливателя их массы в направлении транспортировки пучка электронов.

Новое конструктивное исполнение и условия размещения мишени, проявляющиеся новые функции, свойства и связи позволяют на порядок увеличить энергетическую нагрузку на конвертер с целью повышения интенсивности выхода тормозного излучения в направлении транспортировки пучка электронов, повысить надежность и производительность работы ускорителя.

Мишень, вынесенная из ускорительной трубки, может находиться в вакуумируемом или невакуумируемом пространстве и своим расположением не влияет на работоспособность ускорителя. Она взаимозаменяема по частям, а ее работоспособность определяется визуально после импульса.

Таким образом, основным ограничением работоспособности ускорителя в целом становятся не условия разрушения конвертера, а выход из строя первой пластины защитного экрана в результате ее плавления, как наиболее критичного элемента к воздействию пучка электронов и, следовательно, развакуумирование ускорительной трубки (если мишень находится в невакуумированном пространстве).

Так при использовании в качестве первой пластины защитного экрана титановой фольги толщиной 10^-4 м (температура плавления 1670°С, теплоемкость 0.52 Дж/г·град), при плотности тока электронов J=5 кА/см² , длительности импульса 10^-7 с, эффективной энергии электронов 4 МэВ, флюенсе энергии электронов в импульсе 2 кДж/см² и плотности энергии 2·10 ¹⁰ Вт/см², полученных в условиях ускорителя УИН-10, локальный нагрев первого слоя защитного экрана от пучка электронов не превышает 1550°С.

Таким образом, конструкция мишени позволяет на порядок повысить флюенс и плотность падающей энергии пучка, а соответственно, и плотность энергии тормозного излучения в направлении транспортировки пучка электронов в импульсе, с заменой конвертера без перевакуумирования ускорительной трубки после каждого импульса и не влиять на режим работы ускорителя.

При размещении мишени в вакуумируемом объеме (например, в камере дрейфа) он может быть в сотни раз меньше объема ускорительной трубки и затраты времени на его перевакуумирование минимальны.

Размещение мишени за выводным окном ускорительной трубки обеспечивает ее экспрессную замену, воспроизводимость характеристик тормозного излучения от импульса к импульсу, повышает надежность работы ускорителя и его производительность.

Размер зазоров между конвертером, защитным экраном и подложкой, во избежание их повреждений при разрушении конвертера, должен быть не менее параметров возможного вспучивания и деформации в нем в результате возникающих внутренних напряжений.

Для пояснения описываемого объекта на чертеже приведена схема мишени импульсного ускорителя электронов. Выводное окно 1 ускорительной трубки 2 вакуумплотно перекрыто первой пластиной 3 защитного экрана (титановая фольга толщиной 0,1 мм) посредством резиновой прокладки 4 и фланца 5. Вторая пластина 6 защитного экрана (пироуглеродная ткань толщиной 0,5 мм) имеет дренажные отверстия 7 по периметру выводного окна 1 и прижимается фланцем 5 к резиновому амортизатору 8 так, что толщина зазора 9 между пластинами 3, 6 защитного экрана по оси транспортировки пучка не превышает нагруженного хода его второй пластины 6.

Конвертер 10 и подложка 11 устанавливаются соосно с выводным окном 1 последовательно друг за другом. Величина зазора 12 между конвертером 10 и второй пластиной 6 защитного экрана, а также зазора 14, между конвертером 10 и подложкой 11 определяются толщиной прокладочных шайб 13.

Устройство работает следующим образом.

Пучок ускоренных электронов формируется в промежутке катод-анод, направлен на выводное окно 1 и падает на первую пластину 3 защитного экрана, являющуюся анодом ускорительного промежутка в характерных условиях работы ускорителя. Низкоэнергетические электроны и ионы катодной плазмы, являющиеся составной частью пучка электронов, оседают в первой пластине 3 защитного экрана, отдавая ей свой заряд и энергию. Поскольку первая пластина 3 защитного экрана токопроводящая и заземлена, то оседающие в ней заряды отводятся на землю. При вхождении пучка электронов в первую пластину 3 защитного экрана происходит зануление радиальной составляющей электрического поля пучка электронов, усиливающей действие собственного продольного магнитного поля и осуществляющей компрессию (фокусировку) пучка. Пучок электронов проходит зазор 9 защитного экрана (толщина 3-5 мм) и его вторую пластину 6, состоящую из пироуглеродной ткани. Во второй пластине 6 защитного экрана оседают низкоэнергетические ускоренные электроны, практически не влияющие на выход ТИ из мишени. Процесс поглощения этих электронов сопровождается эффектами, аналогичными для первой пластины 3 защитного экрана. Отфильтрованный пучок ускоренных электронов проходит зазор 12 и входит в конвертер 10. Далее через зазор 14 остаточный пучок электронов проникает в подложку 11, передавая конвертеру 10 и подложке 11 большую часть своей энергии посредством ионизации, а частично преобразуя ее в тормозное излучение. При локализации энергии высокой плотности в объеме конвертера 10 (тепловой удар) он представляет собой неравновесную систему с характерным временем релаксации внутреннего давления. Релаксация возникающих напряжений достигается как акустической разгрузкой, так и образованием каскада центров разрушения [4], а при увеличении плотности поглощенной энергии скорость образования последних возрастает и давление не успевает релаксировать путем акустической разгрузки. Подобное поглощение энергии проникающего пучка электронов в конвертере 10 сопровождается целым рядом физических процессов, к которым относятся плавление, испарение, возникновение ударных волн и сопутствующих им выбросов расплавленного вещества, расслоений, трещин и отколов. Преимущественный выброс массы фрагментов конвертера 10 происходит в направлении, обратном транспортировке пучка, т.к. максимальная локализация энергии пучка в нем происходит в первой половине толщины и последующим ее спадом.

Выброшенные в обратном направлении расплавленные и другие фрагменты конвертера 10 попадают на вторую пластину 6 защитного экрана, передавая ей кинетическую и тепловую энергию. Под действием кинетической энергии массы выброса из конвертера 10 вторая пластина 6 защитного экрана осуществляет упругий прогиб, выполняя функции улавливателя и демпфера выбросов, теплоизолятора первой пластины 3. Вторая пластина 6 под действием кинетической энергии выбросов сдавливает амортизатор 8, обеспечивая свой нагруженный ход вплоть до первой пластины 3 защитного экрана (в зависимости от динамической нагрузки) и возвращение в исходное состояние под действием накопленной ей и амортизатором 8 потенциальной энергии. Аналогичный процесс происходит и при возможном выбросе фрагментов конвертера 10 в направлении транспортировки пучка электронов, при этом подложка 11 выполняет функцию как поглотителя электронов, так и демпфера, и улавливателя фрагментов.

Таким образом, расположение мишени, гетерогенная структура ее защитного экрана позволяют проявлять ему новые связи, свойства и выполнять новые функции, которые повышают надежность работы ускорителя, его производительность. Экспрессная замена элементов мишени обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик поля высокоинтенсивного тормозного излучения при заданном режиме работы ускорителя электронов.

Источники информации

1. Halbleib I.A., Thomas W.L., Sanford T.W. // Predicted flash X-ray environments using standard converter configurations. Sandia Report Nr. 257.2. Sandia National Laboratories Albuquerque NM, 1985.

2. Bloomguist D.D., Stinnett R.W., McDaniel D.H. et. al. // Proc. 6^th IEEE Intl. Pulsed Power Conf. Arlington, Virginia, 1987, p.310.

3. Бабыкин В.М., Долгачев В.И., Закатов Л.П. и др. Патент РФ №20446558 // БИ №29, 1995, с.294.

4. Павловский А.И., Бонюшкин Е.К., Учаев А.Я. и др. Особенности температурно-временных закономерностей процесса динамического разрушения некоторых металлов в режиме быстрого объемного разогрева. // Докл. АН, 1991, т.317, №6, с.1376-1379.

5. Данько С.А., Долгачев Г.И., Ушаков А.Г. // ПТЭ, 2005, №3, с.79.

6. Humphries S. Image charge focusing of relativistic electron beams. - J. Appl. Phys., 1988, v.63, p.583-585.

7. Adler R.J. Image-field focusing of intense ultra-relativistic electron beams in vacuum. - Part. Accelerators, 1982, v.12, p.39-44.