Устройство развертки электронного пучка
Использование: в электрофизике, в установках радиационной обработки изделий и материалов с помощью ускоренных электронных пучков. Сущность изобретения: устройство развертки электронного пучка содержит вакуумированный раструб с выходным окном из фольги, генератор тока развертки, отклоняющий магнит с полюсами треугольной формы и корректирующий магнит, который состоит из двух основных и четырех дополнительных электромагнитов. Полюса основных электромагнитов имеют прямоугольную форму, а полюса дополнительных электромагнитов имеют треугольную форму. Корректирующие электромагниты расположены по обе стороны от раструба и последовательно соединены между собой, так что создают поля одного направления, а также последовательно соединены с отклоняющим магнитом, создающим поле противоположного направления. Дополнительные электромагниты могут быть выполнены на одном ярме и иметь частично или полностью общую обмотку с основным магнитом. Применение устройства позволяет эффективнее использовать электронный пучок и повышает однородность облучения, что обеспечивает большую производительность стерилизационной установки.
Область техники, к которой относится полезная модель.
Изобретение относится к электрофизике, конкретно к области ускорения, транспортировки и преобразования пучков заряженных частиц. Оно может быть использовано в установках радиационной обработки изделий и материалов с помощью ускоренных электронных пучков, в частности, в установках радиационной стерилизации медицинских изделий.
Уровень техники.
Развитие радиационной техники, в частности, стерилизационных установок, требует создания устройств распределения пучка по облучаемому объекту. В существующих установках радиационной стерилизации пучок ускоренных электронов, выходящий из электростатического или высокочастотного ускорителя, развертывается в плоскости с помощью устройства развертки пучка. Облучаемые объекты, как правило в форме заполненных коробок, движутся на транспортере в направлении, перпендикулярном плоскости развертки пучка. Пучок пронизывает облучаемый объект и создает во всем его объеме радиационную дозу, достаточную для стерилизации изделий при выбранной скорости транспортера (см. Свиньин М.П. Расчет и проектирование высоковольтных ускорителей электронов для радиационной технологии. М. Энергоатомиздат, 1989).
Устройство развертки содержит вакуумированный раструб, расширяющийся в плоскости развертки пучка. Узким концом раструб присоединен к ускорителю. На широком конце раструба расположено выходное окно, выполненное из тонкой металлической фольги, через которую пучок электронов выходит из вакуума в атмосферу. На узком конце раструба установлен электромагнит, питаемый от генератора развертки. Электромагнит создает в полости раструба переменное во времени магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости развертки пучка. Электроны, проходя через магнитное поле, отклоняются им на угол, который зависит от времени, и, таким образом, пучок веерообразно развертывается в плоскости.
В ряде случаев требуется получить хорошую однородность облучения объекта. В частности, при стерилизации медицинских изделий неоднородность облучения не должна превышать 20%. Для улучшения однородности облучения и эффективности использования пучка в таких установках используют корректирующие магниты, которые устанавливаются у широкого конца раструба. Корректирующие магниты позволяют повысить однородность облучения объекта и эффективность использования пучка путем оптимизации угла попадания в объект. Для компенсации неоднородности облучения, вызванной ростом амплитуды угла развертки при использовании таких магнитов, осуществляют корректировку тока отклоняющего магнита, делая нелинейной зависимость поля от времени.
Близкими аналогами предлагаемого устройства являются следующие. В устройстве, защищенном патентом (см. Пироженко В.М. и др. Устройство развертки электронного пучка. Патент RU 2092984 C1, Заявка: 95111757/25 от 06.07.1995) корректирующий магнит выполнен таким образом, что его магнитное поле является постоянным во времени, но изменяется в пространстве. Индукция магнитного поля между магнитами максимальна на концах и равна нулю в середине линии сканирования пучка. При пролете электронов через такое поле траектории их изменяются: чем дальше электрон находится от оси ускорителя, тем на больший угол поворачивается его траектория, что обеспечивает параллельность траекторий электронов.
Более близкий аналог предлагаемого устройства содержит корректирующий магнит в виде O-образного электромагнита, в котором высота полюсов и воздушный зазор равны соответствующим величинам в электромагните развертки. Обмотки обоих электромагнитов содержат одинаковое число витков и подключены последовательно к генератору развертки. Вследствие равенства токов питания и размеров полюсов магнитов электроны отклоняются в корректирующем магните на такой же угол, как и в магните развертки, и их траектории становятся параллельными оси ускорителя (см. Дмитриев С.П. и др. Устройство развертки пучка заряженных частиц. Авт. свид. N 708944, Б.И. 1980, N 39, с. 324).
Раскрытие полезной модели.
Актуальной проблемой является получение хорошей однородности облучения одновременно с высоким КПД использования пучка. При решении этой проблемы недостаточно создать пучок электронов с параллельными траекториями и равномерно распределить его по поверхности. Расчеты показывают, что для получения хорошей однородности облучения коробки со стерилизуемыми изделиями и высокой эффективности использования пучка предпочтительно иметь сходящийся пучок электронов. Тогда при попадании в коробку электроны будут направлены к центру облучаемого объема, в результате чего сократятся потери, вызываемые их рассеянием в веществе. Сходящийся пучок позволяет эффективно облучать как центр, так и края коробки.
Для стерилизационных установок характерно падение дозы вблизи боковых граней коробок как из-за рассеяния электронов в веществе, так и из-за снижения плотности облучения при больших углах отклонения пучка. Часто это падение требует корректировки, для соответствия требованиям по однородности облучения. С другой стороны, пучок используемых ускорителей обычно имеет широкий энергетический спектр. Это ведет к тому, что при развертке пучка по стерилизуемому объекту электроны малых энергий теряются, поскольку отклоняются на чрезмерно большие углы. Поэтому лучшим решением будет сохранить эти электроны в системе и направить их на дополнительное облучение боковых стенок и краев поверхности коробки, которое как раз желательно провести электронами с меньшей энергией в силу небольшой толщины малооблученной зоны.
Предлагаемое устройство позволяет это осуществить. Устройство содержит широкий (в плоскости развертки) раструб, который предоставляет возможность облучения стерилизуемых объектов в виде коробок сходящимся пучком электронов. Ширина раструба позволяет облучать как верхнюю, так и боковую грань коробки. Угол сходимости пучка определяется характерным углом рассеяния электронов в веществе объекта. Устройство может также быть использовано для повышения эффективности при облучении расходящимся или параллельным пучком, но лучшие результаты достигаются при использовании сходящегося пучка.
Устройство содержит один отклоняющий и несколько корректирующих магнитов. Корректирующие магниты служат для преобразования веерообразно расходящегося пучка в сходящийся пучок. В предлагаемом устройстве корректирующий электромагнит запитывается тем же током, что и отклоняющий магнит и формирует сходящиеся под нужным углом траектории электронов пучка. В результате использования широкого раструба электроны, распространяющиеся при отклонении на большой угол, попадают не на стенки раструба, а разворачиваются магнитом в направлении боковой или верхней грани коробки.
Для сохранения электронов малой энергии и дополнительного облучения боковых граней предусмотрено изменение формы полюса отклоняющего магнита и дополнительные электромагниты по краям корректирующего магнита. Треугольная форма полюса отклоняющего магнита, как и треугольные по форме полюса добавочные электромагниты по краям корректирующих магнитов, обеспечивают ограничение возможного угла отклонения электронов и полезное использование всего электронного пучка даже при завышенных амплитудах развертки. Электроны малых энергий при больших полях в предлагаемом устройстве не уходят из системы, попадая в стенку раструба, а распространяются вдоль нее под определяемым формой полюса магнита углом, разворачиваются дополнительным корректирующим электромагнитом и попадают на боковую грань коробки, тем самым увеличивая дозу в той области, где она обычно занижена. Таким образом в предлагаемой конструкции компенсируется характерный спад дозы вблизи поверхностей боковых граней. Форма и расположение дополнительных электромагнитов определяются путем геометрических расчетов для каждой конкретной установки. Дополнительные изменения могут быть внесены в форму и ток для этих электромагнитов для дефокусировки пучка при его прохождении фольги вывода с целью предохранения фольги от локального перегрева. Оптимальная ширина корректирующего магнита находится путем расчетов угла сходимости пучка, который определяется характерным углом рассеяния электронов в веществе. Устройство может работать также при параллельном или расходящемся пучке, облучая не боковую грань, а край коробки, но его эффективность будет ниже.
Предлагаемые отклоняющий и корректирующие магниты повышают КПД использования пучка, а также улучшает равномерность облучения, поскольку использует электроны с малой энергией, направляя их на облучение боковых граней и краев коробки, где в известных установках, согласно расчетам, имеет место приповерхностный спад дозы. В известных установках эти электроны теряются. Возрастает также эффективность использования высокоэнергетической части спектра пучка благодаря тому, что электроны попадают в коробку под углом, направленным к ее центру, а не перпендикулярно поверхности что является оптимальным, так как снижает количество электронов, покидающих облучаемый объект через боковые стенки коробки.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1. Схема устройства и траектории движения пучка
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства, вид в плоскости развертки. Устройство содержит раструб 1, выходное окно 2, отклоняющий электромагнит 3, генератор развертки 4, блоки корректирующего магнита, каждый из которых содержит один основной электромагнит 7 и два дополнительных треугольных электромагнита 6.
Под устройством изображена стерилизуемая коробка 5. Раструб 1 узким концом прикреплен к ускорителю электронов 9 и образует с ним единый вакуумный объем. На широком конце раструба установлено герметизирующее выходное окно 2, выполненное из тонкой фольги. Раструб выполнен из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали. На узком конце раструба установлен отклоняющий электромагнит 3 таким образом, что его полюса находятся с разных сторон от раструба. У широкого конца раструба установлено два блока корректирующего магнита 6, по разные стороны раструба. Каждый блок содержит электромагнит 7 в виде прямоугольного бруска, и два электромагнита 6 в виде треугольных боковых надставок к основному магниту. Магниты последовательно соединены токопроводом 10 и подключены к генератору. Полюса магнитов выполнены из магнито-мягкого материала (например, железо Армко).
Полюса магнитов прилегают к раструбу. Высота и толщина основного корректирующего электромагнита вдоль центральной линии ускорителя и вдоль направления развертки не изменяются. Направление магнитного поля - перпендикулярно широкой стороне раструба для всех магнитов. Корректирующий магнит установлен таким образом, что магнитное поле, создаваемое между его блоками, находится в вакуумированной полости раструба.
Устройство работает следующим образом. Отклоняющий электромагнит, запитываемый от генератора развертки, создает во входной области раструба магнитное поле, перпендикулярное плоскости развертки пучка. Это поле изменяется во времени по пилообразному или иному заданному закону. Область магнитного поля по мере распространения пучка линейно расширяется в направлении сканирования. Угол расширения области равен углу при вершине полюса отклоняющего магнита.
Электронный пучок, выходящий из ускорителя, проходит через магнитное поле отклоняющего электромагнита, отклоняется им в плоскости развертки пучка и расширяется в силу наличия широкого спектра энергий электронов, причем угол отклонения электронов пучка пропорционален величине магнитного поля и обратно пропорционален энергии электронов. В результате за период изменения магнитного поля на выходе из отклоняющего магнита получается пучок электронов, развернутый веером, причем электроны с малой энергией развернуты на больший угол. Тем не менее, благодаря треугольной форме полюса отклоняющего магнита, максимальный угол отклонения электронов ограничен. Электроны с малой энергией, содержащиеся в пучке имеют небольшой радиус поворота в магнитном поле отклоняющего магнита, поэтому они выходят из области поля вблизи вершины треугольного полюса, и далее распространяются прямолинейно по параллельным траекториям под углом к оси ускорителя, равном углу при вершине полюса отклоняющего магнита. Количество таких электронов растет с ростом магнитного поля отклоняющего магнита. Поэтому за период весь пучок оказывается развернутым на определяемый полюсом магнита угол и значительная часть тока пучка распространяется вдоль сторон этого угла.
Основной корректирующий магнит, расположенный, по мере движения электронов, вслед за отклоняющим магнитом, создает обратное по направлению магнитное поле. Оно направлено перпендикулярно направлению движения электронов. Магнитная индукция этого поля равна магнитной индукции поля отклоняющего магнита, а длина траектории, находящаяся в магнитном поле корректирующего магнита, несколько больше длины траектории в поле отклоняющего магнита. Это поле изменяет траектории электронов таким образом, что они за период развертки формируют сходящийся пучок так, чтобы он покрыл всю поверхность облучаемого объекта. Магнит устанавливается так, чтобы в область его поля попадали все электроны, распространяющиеся с углами, меньшими максимального и движущиеся со стороны основания треугольника полюса отклоняющего магнита 3.
С обеих сторон (в направлении развертки) основного корректирующего электромагнита 7 установлены дополнительные электромагниты с полюсами треугольной формы 6. Эти электромагниты основанием треугольников своих полюсов прилегают к боковым граням полюса основного магнита, и создают такое же или близкое по величине и направлению поле, что и основной корректирующий магнит. Дополнительные электромагниты устанавливаются так, чтобы в создаваемое ими поле попадали только те электроны, которые распространяются параллельно под максимальным углом развертки. Поле электромагнитов поворачивает эти электроны в направлении боковых граней облучаемых коробок. В результате все электроны пучка при любых значениях магнитных полей обеих магнитов оказываются на траекториях, попадающих в облучаемую коробку под оптимальными углами.
Углы треугольников полюсов отклоняющего электромагнита и корректирующих электромагнитов, как и расположение самих магнитов, а также оптимальная амплитуда форма тока подбираются путем геометрического расчета. Амплитуда и форма тока электромагнитов системы развертки подбирается исходя их того, что при малых амплитудах развертки хорошо облучается центр поверхности коробки, а при больших - ее края, что делает удобным настройку системы для обеспечения однородного облучения. При большой амплитуде тока магнитов заметно возрастают токи электронов, распространяющихся параллельно в узкой области под максимальными углами развертки, что может потребовать принятия мер для предохранения фольги окна выхода. Эти меры предполагают дефокусировку пучка, которую можно осуществить путем корректировки тока дополнительных магнитов. Другой способ предполагает дополнительную корректировку формы полюсов этих магнитов.
На рис. 1 показано множество траекторий электронов для различных энергий и магнитного поля, возможных в системе.
Примером реализации предлагаемой конструкции может служить устройство развертки пучка электронов с энергией 5 МэВ. Угол полюса отклоняющего магнита составляет 16°, угол развертки 32°, размеры облучаемого объекта - 400 мм в ширину и 300 мм в высоту. Высота полюса отклоняющего магнита составляет 50 мм. Основной корректирующий магнит имеет длину 450 мм и высоту 60 мм, добавочные магниты представляют собой треугольники с высотой 80 мм, основанием 60 мм и вплотную примыкают основанием к боковым граням полюса основного магнита. Блок корректирующего магнита расположен на расстоянии 35 см от отклоняющего магнита.
Устройство развертки электронного пучка, содержащее вакуумированный раструб с выходным окном, отклоняющий магнит, генератор развертки и корректирующие магниты, отличающееся тем, что по краям корректирующего магнита расположены поворотные дефокусирующие электромагниты с полюсами треугольной формы, при этом форма полюса отклоняющего магнита также должна иметь треугольную форму.
