Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов с использованием индивидуальной комбинированной радиационной защиты от тормозного излучения
Полезная модель относится к технологии радиационной обработки различных объектов и может быть использована в области медицины и пищевой промышленности. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов (рис.1) включает источник излучения (высокочастотный ускоритель электронов) 1 и индивидуальную комбинированную радиационную защиту от тормозного излучения, состоящую из центральной и наружной частей, выполненных из комбинации защитных материалов. Центральная часть выполнена из чугуна или стали и состоит из шахты 2, где устанавливается ускоритель электронов и тоннеля 3, по которому объект обработки проходит через зону облучения 4. Наружная часть радиационной защиты 5 выполнена из бетона. Блок радиационной обработки объектов с ускорителем электронов при энергии пучка 5 МэВ и средней мощности 2 кВт занимает площадь 13 кв.м. Блок радиационной обработки объектов также снабжен транспортной системой в виде кареток различных модификаций для перемещения объектов обработки через зону облучения. Блок радиационной обработки объектов может быть оборудован блоками загрузки и разгрузки. Каждый блок включает корпус радиационной защиты 21, тоннель 22, каретку, состоящую из двух защитных блоков 23, 24 и гнезда 25 для объекта облучения. При этом тоннели блоков загрузки и разгрузки располагаются либо вертикально, либо с отклонением от вертикальной оси. Полезная модель позволяет обеспечить необходимую кратность ослабления интенсивности тормозного излучения, снизить стоимость радиационной защиты блоков радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов и расширить их модификации.
Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области медицины, пищевой промышленности и технологии обработки различных материалов. Она может быть использована для стерилизации медицинских материалов, имплантируемых изделий, медицинских инструментов и медицинских отходов, для стерилизации и пастеризации продуктов питания и парфюмерной продукции, а также для облучения ускоренными электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств. Полезная модель предназначена для применения на предприятиях, выпускающих медицинскую продукцию одноразового пользования, пищевую и парфюмерную продукцию, а также на предприятиях, связанных с изготовлением и обработкой материалов.
Уровень техники.
Для радиационной обработки объектов используются различные источники излучения. Наибольшее развитие получил способ обработки объектов ускоренными электронными пучками как более надежный, высокопроизводительный и экологически чистый.
Каждый комплекс радиационной обработки такого типа имеет блок радиационной обработки, включающий в себя излучатель (высокочастотный ускоритель электронов), тоннель для перемещения объектов обработки, зону облучения, радиационную защиту для поглощения тормозного излучения от ускорителя и из зоны облучения, а также транспортную систему для перемещения объектов обработки в зону облучения и зоны загрузки-разгрузки. Комплекс радиационной обработки содержит также оборудование высокочастотного питания ускорителя, вакуумной системы, системы охлаждения, системы управления, системы вентиляции.
В отечественной и зарубежной практике наибольшее распространение получили комплексы радиационной обработки, в которых используются ускорители электронного пучка с энергией 5-7 МэВ и средней мощностью 1,5-3 кВт. Такие комплексы, установленные на большинстве предприятий, позволяют произвести радиационную обработку всей продукции, для которой это требуется по техническим условиям.
Аналогами полезной модели можно считать следующие комплексы радиационной обработки, в которых применяется индивидуальная радиационная защита от тормозного излучения.
1. Bidnyy et al. Conveyer-type Unit Radiation Sterilization. US Patent 5,554,856. Priority Date Nov. 1 1993 y.
2. Мирочник Э.А., Мищенко А.В., Пироженко В.М. Комплекс радиационной стерилизации. Патент на изобретение 
2121369. Приоритет 22.09.97.
3. Stirling Andrew J. Hare Gerald E. Irradiation Apparatus for Production Line Use. US Patent 6,191,424. Filing Date 02.20.1998.
В приведенных аналогах радиационная защита изготовлена из чугуна или стали. Чугунная радиационная защита, как правило, изготавливается из литейных блоков. Для отливки заготовок требуется комплект литейных моделей. Такая технология изготовления радиационной защиты оправдывается при серийном заводском ее производстве.
При изготовлении радиационной защиты из стального толстолистового проката увеличивается трудоемкость механической обработки ее составных элементов, а также возникают трудности в оптимизации формы защиты, что приводит к увеличению ее массы. Известно, что стоимость радиационной защиты представляет значительную составляющую стоимости комплекса в целом.
Актуальной проблемой при изготовлении комплексов радиационной обработки является снижение стоимости радиационной защиты и расширение модификаций блоков радиационной обработки, призванных удовлетворить как экономические, так и технические требования потребителя. Решение этих задач позволит значительно расширить спрос на комплексы радиационной обработки и их внедрение в промышленность. Большая загрузка комплексов радиационной обработки и снижение стоимости радиационной защиты приведет к значительному уменьшению срока окупаемости комплексов.
Раскрытие полезной модели.
Задача снижения стоимости радиационной защиты может быть решена путем использования бетона в качестве защитного материала в комбинации с металлом. Исследования показывают, что стоимость блоков радиационной обработки с такой индивидуальной радиационной защитой может быть уменьшена в 2-3 раза по сравнению с индивидуальной защитой из чугуна или стали в зависимости от модификации.
Блок радиационной обработки (рис.1) включает источник излучения (высокочастотный ускоритель электронов) 1 и индивидуальную комбинированную радиационную защиту, состоящую из центральной и наружной частей. Центральная часть выполнена из чугуна или стали. Она выполняет не только функцию защиты, но и является корпусом, состоящим из шахты 2, где устанавливается ускоритель электронов и тоннеля 3, по которому объект проходит через зону облучения 4. Наружная часть защиты 5 выполнена из бетона. Блок радиационной обработки с ускорителем пучка при энергии 5 МэВ и средней мощности 2 кВт занимает площадь 13 кв. м. и может устанавливаться в любом помещении без дополнительной радиационной защиты.
Блоки радиационной обработки оборудованы транспортными системами различных модификаций. Транспортные системы помимо функции перемещения объектов обработки через зону облучения предназначены для радиационной защиты от тормозного излучения из зоны облучения вдоль тоннеля. Таким образом, транспортные системы являются неотъемлемой частью радиационной защиты от тормозного излучения.
Блок радиационной обработки (рис.1) оборудован транспортной системой в виде реверсивной каретки, обеспечивающей перемещение объекта обработки из зон загрузки-разгрузки через тоннель в зону облучения. Каретка состоит из трех защитных блоков 6, 7, 8 и двух платформ 9, 10 для объектов обработки 11, 12. Платформы имеют значительную длину (вместимость), что позволяет увеличить количество объектов обработки на платформе или разместить для обработки длинномерные объекты. Во время обработки объектов 11, 12 в зоне облучения 4 каретка перемещается со скоростью V1, определяющей нормированную дозу облучения. При прохождении защитного блока 7 через зону облучения 4 каретка перемещается со скоростью V2, в 15-20 раз превышающую скорость V1. Такое устройство каретки с платформами значительной длины позволяет повысить эффективность использования электронного пучка до 90-95%. Это объясняется тем, что в цикле перемещения каретки время облучения объекта (эффективное время) значительно превышает время остановки каретки в зонах загрузки-разгрузки в сумме со временем прохождения защитного блока 7 под пучком через зону облучения. При любом положении каретки в тоннеле обеспечивается радиационная защита от тормозного излучения вдоль тоннеля из зоны облучения.
Блок радиационной обработки (рис.2) оборудован транспортной системой в виде каретки, состоящей из одного центрального защитного блока 13 и двух платформ 14, 15. Длина платформ может варьироваться от минимального значения до максимального. На концах тоннеля установлены подвижные защитные блоки 16, 17, которые перекрывают с двух сторон сечение тоннеля от тормозного излучения. Для разгрузки или загрузки объектов обработки 18, 19 каретка перемещается до контакта с одним из крайних защитных блоков и далее вместе с этим блоком каретка перемещается до крайнего положения, при котором платформа выходит за границы тоннеля. При контакте платформы с крайним блоком происходит их сцепка при включении электромагнитного устройства. При обратном ходе каретки, когда крайний защитный блок полностью входит в тоннель, производится выключение электромагнитного устройства, и далее каретка с объектами обработки проходит через зону облучения до контакта с защитным блоком, расположенным в другом конце тоннеля.
Блок радиационной обработки (рис.3) оборудован транспортной системой, состоящей из конвейера 20, расположенного в тоннеле радиационной защиты, а также из устройства для загрузки и устройства для разгрузки объектов. соответственно блока загрузки и блока разгрузки объектов обработки. Оба блока идентичны по конструкции и состоят из корпуса 21 с вертикальным тоннелем 22. Внутри тоннеля перемещается каретка, состоящая из 2 защитных блоков 23, 24 и гнезда между ними 25 для объекта обработки. Конвейер предназначен для перемещения объектов обработки через зону облучения сплошным потоком (без промежутков между объектами). Это обеспечивается путем конструктивного деления конвейера на три участка, каждый из которых перемещается с различными скоростями. На начальном участке конвейер после загрузки объектом обработки на повышенной скорости приближает его к объекту находящемуся на среднем участке конвейера. Скорость среднего участка конвейера определяется регламентом, при котором объект обработки получает нормированную дозу. Далее объект обработки перемещается на выходной участок конвейера, который на повышенной скорости перемещает объект в гнездо каретки блока разгрузки. Программное управление движением объектов обработки позволяет оперативно изменять алгоритм согласованной работы конвейера и каретки для определенного вида продукции. Перемещение кареток в.блоках загрузки и разгрузки с необходимой скоростью и высокой точностью могут обеспечить современные сервоприводы. Незначительное отклонение тоннеля от вертикали (5-10 градусов) создает условия для повышения точности фиксации положения каретки относительно корпуса внутри тоннеля на всем пути ее движения из одного крайнего положения в другое. Это позволяет уменьшить зазоры между защитными блоками каретки и стенками тоннеля и соответственно снизить тормозное излучение через эти зазоры.
При разработке блоков радиационной обработки обеспечиваются требования заказчиков по размерам поперечного сечения тоннеля и параметрам электронного пучка.
Технические результаты.
1. Расширение модификаций блоков радиационной обработки путем применения индивидуальной комбинированной радиационной защиты призвано удовлетворить как технические, так и экономические требования потребителя. Решение этих задач позволяет значительно расширить спрос на блоки радиационной обработки для промышленного применения.
2. Установка транспортного устройства в виде каретки с платформами значительной длины позволяет повысить эффективность использования электронного пучка до 90-95%.
3. Установка блоков загрузки и разгрузки, а также трехступенчатого конвейера в тоннеле радиационной защиты позволяет перемещать объекты обработки через зону облучения вплотную друг к другу.
4. Установка блоков загрузки и разгрузки в вертикальном положении или незначительном отклонении их от вертикали позволяет уменьшить габариты блока радиационной обработки.
Краткое описание чертежей.
Рис.1. Блок радиационной обработки (вид спереди, сбоку и сверху) с радиационной защитой из стали и бетона и кареткой из трех защитных блоков и двух платформ для объектов обработки.
Рис.2. Блок радиационной обработки (вид сверху) с кареткой из одного защитного блока с двумя платформами и двумя подвижными защитными блоками, расположенными на краях тоннеля.
Рис.3. Блок радиационной обработки (вид спереди и сверху) с конвейером и блоками загрузки и разгрузки.
Осуществление полезной модели.
В блоках радиационной обработки центральная часть радиационной защиты, состоящая из шахты и тоннеля, изготавливается на машиностроительных предприятиях. На этих же предприятиях изготавливаются транспортные системы для перемещения объектов облучения (каретки, конвейеры, блоки загрузки и разгрузки). Элементами конструкции в основном являются относительно простые детали прямоугольной формы, изготовленные, например, из стального толстолистового проката. На предприятиях производится контрольная сборка, при которой определяется точность изготовления. В процессе сборки производятся испытания кареток на перемещение в тоннеле. Сборка конструкции осуществляется с помощью болтовых соединений. Далее конструкция разбирается на отдельные транспортные узлы для отправки заказчику на монтажную площадку.
На монтажной площадке производится укладка бетона основания радиационной защиты. На верхней плоскости основания с необходимой точностью устанавливается тоннель для каретки или конвейера и шахта для высокочастотного ускорителя электронов. Проводятся испытания кареток на перемещение в тоннеле или работоспособность конвейера. Далее слоями укладывается бетон. Толщина каждого слоя определяется технологией производства бетонных работ. Необходимо исключить прилипание бетона к металлоконструкциям центральной части радиационной защиты. Для этой цели могут быть использованы различные покрытия, тонкие прокладки или алюминиевая фольга. Между слоями бетона также необходимо установить тонкие разделительные прокладки. После укладки основной массы бетона производятся отделочные работы для придания внешней поверхности радиационной защиты более эстетичного вида. Для контроля точности укладки каждого слоя бетона могут быть использованы плоские шаблоны эллипсовидной формы. После радиационного испытания радиационной защиты возможна корректировка ее толщины по результатам испытаний.
Монтаж ускорителя 1 (рис.1) в штатное положение, а также его демонтаж для проведения регламентных и ремонтных работ производится со стороны верхней части шахты 2 при снятых металлических плитах радиационной защиты 26.
1. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов, содержащий высокочастотный ускоритель электронов, тоннель с транспортной системой для перемещения объектов обработки через зону облучения, индивидуальную радиационную защиту, обеспечивающую поглощение тормозного излучения от ускорителя и из зоны облучения, отличающийся тем, что индивидуальная радиационная защита выполнена из комбинации защитных материалов и состоит из центральной и наружной частей, причем центральная часть, обращенная к источникам тормозного излучения, включающая в себя шахту для ускорителя и тоннель для транспортной системы, изготовляется из чугуна или стали, а наружная часть - из бетона.
2. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов по п.1, отличающийся тем, что блок оборудован транспортной системой в виде реверсивной каретки, осуществляющей перемещение объекта обработки из зон загрузки-разгрузки через тоннель в зону облучения, состоящую из трех защитных блоков и двух платформ, обеспечивающих при любом положении каретки в тоннеле радиационную защиту от тормозного излучения.
3. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов по п.1, отличающийся тем, что блок оборудован транспортной системой в виде реверсивной каретки, обеспечивающей перемещение объекта обработки из зон загрузки-разгрузки через тоннель в зону облучения, состоящую из одного центрального защитного блока с двумя платформами и двух подвижных блоков, расположенных на краях тоннеля.
4. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов по п.3, отличающийся тем, что транспортная система содержит электромагнитное устройство, обеспечивающее поочередно сцепку каретки с одним из подвижных защитных блоков на краях тоннеля при ее движении в зоны загрузки или разгрузки, а при обратном ходе каретки отключение сцепки.
5. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов по п.1, отличающийся тем, что транспортная система имеет конвейер, а также блок загрузки и блок разгрузки объектов обработки, каждый из которых состоит из корпуса радиационной защиты с вертикально расположенным тоннелем, каретки, состоящей из двух защитных блоков и гнезда между ними для объектов обработки.
6. Блок радиационной обработки объектов пучком ускоренных электронов по п.5, отличающийся тем, что блоки загрузки и разгрузки с тоннелями расположены наклонно по отношению к вертикали.
