Малогабаритные бетатроны

Материал из Электронная энциклопедия ТПУ
Перейти к: навигация, поиск

Малогабаритные бетатроны – разрабатывались учеными НИИ интроскопии при Томском политехническом университете с 1960-х гг.

Бетатроны как источники излучения для дефектоскопии обладают рядом преимуществ: имеют малый размер фокусного пятна, непрерывный спектр излучения, возможность регулировки максимальной энергии.

Первый образец малогабаритного бетатрона ПМБ-3 на энергию электронов 3,5 МэВ для дефектоскопии был изготовлен в 1962 г., и при его создании использовался ряд новых инженерно-технических решений. Излучатель бетатрона весил 30 кг, а мощность дозы равна 0,05 Р/мин на расстоянии 1 м от мишени.

Выбранный электромагнит броневого типа обеспечивал не только лучшую однородность магнитного поля, чем применяемые до сих пор Ш-образные конструкции, но и дополнительную защиту от излучения.

В начале 60-х гг. кафедрой промышленной электроники, возглавляемой профессором Л.М. Ананьевым, совместно с экспериментально-производственными мастерскими ТПИ передано заказчикам несколько экземпляров переносного малогабаритного бетатрона ПМБ-6 на энергию 6 МэВ. Эта установка при массе излучателя около 100 кг имела гарантированную мощность дозы в 6раз большую, чем ПМБ-3. В 1967-1968 гг. кафедра и ОКБ Томского приборного завода выполнили опытно-конструкторскую разработку серийного образца бетатрона ПМБ-6. Применение тиристоров дало возможность скомпоновать электронные схемы и электромагнит в единый блок-излучатель. В Ленинграде на заводе рентгеновских приборов был налажен промышленный выпуск отпаянных ускорительных камер для бетатрона ПМБ-6. Бетатрон ПМБ-6 прост в обращении, приобрел популярность у потребителей и использовался для неразрушающего контроля в нестационарных и полевых условиях.

В период с 1969 по 1980 гг. было выпущено около 60 экземпляров ПМБ-6. Десять из них было поставлено на экспорт (ГДР, Франция, Венгрия, Чехословакия, Польша, Финляндия). Работы по увеличению ускоряемого заряда в малогабаритных бетатронах в начале 70-х гг. привели к идее пространственной и временной вариации магнитного поля. Для осуществления пространственной вариации магнитного поля была предложена очень простая и технологическая конструкция электромагнита бетатрона с гребневыми полюсами. Гребневые полюса обеспечивают лучшую фокусировку электронов, имеют меньшую массу и большую поверхность охлаждения. Была разработана также конструкция гребневых полюсов с переменным коэффициентом заполнения, обеспечивающая нормальный процесс ускорения, пока индукция в стали магнитопровода меньше индукции насыщения. Этим достигалось полное использование стали и повышение энергии ускоренных электронов.

Суть временной вариации заключалась в том, что в момент инжекции создавалось дополнительное магнитное поле длительностью в несколько микросекунд. Такое устройство, создающее дополнительное магнитное поле, называемое контрактором, в бетатронах применялось и ранее. Только после выяснения механизма действия контрактора удалось найти необходимую форму импульса, конфигурацию и расположение витков дополнительной обмотки, обеспечивающих устойчивое повышение ускоряемого заряда в 1,5 – 2 раза. Эти научные идеи и технические решения были использованы при создании новой модели малогабаритного бетатрона «Обь», государственные испытания которого были успешно проведены в 1979 г.

Бетатрон «Обь» - один из самых легких в мире источников излучения на энергию 4 МэВ. Масса его излучателя в два с половиной раза меньше, гарантированная мощность в два раза больше, чем у ПМБ-6. В нем использованы гребневые полюса, контрактор, импульсное питание с частотой 200 Гц и разработаны новая система инжекции, где ускорительная камера сочленялась с импульсным и накальным трансформаторами в единый высоковольтный блок, встроенный монитор тормозного излучения и ряд других оригинальных технических решений. На Томском приборном заводе был организован серийный выпуск бетатронов «Обь».

Позднее были созданы две базовые установки МИБ-4 на энергию 4 МэВ для контроля изделий с эквивалентной толщиной по стали до 150 мм и МИБ-6 на энергию 6 МэВ для толщин по стали до 250 мм. МИБ-4 при тех же габаритах и массе, что и бетатрон «Обь», имел в два раза большую мощность дозы. У МИБ-6 была получена гарантированная мощность дозы 3 Р/мин, что при той же энергии и массе больше в 10 раз, чем у ПМБ-6. Обе модели были снабжены встроенным автоматическим экспонометром. При работе с ним выносной детектор излучения устанавливается вместе с рентгеновской пленкой за контролируемым изделием, и после набора заданной дозы бетатроны автоматически выключаются.

Высокие технические характеристики бетатронов вызвали поток заявок от иностранных фирм. Изготовленные в ТПИ малогабаритные бетатроны продавались за рубеж, с иностранными фирмами были заключены соглашения о совместном производстве бетатронов.

В начале 70-х гг. в лаборатории малогабаритных бетатронов НИИ ядерной физики при ТПИ по предложению В.Л. Чахлова начались работы по выводу электронного пучка из малогабаритного бетатрона. Анализ особенностей магнитных характеристик управляющего поля, сформированного гребневыми полюсами, показал, что эффективность вывода электронного пуска из подобного поля должна быть существенно выше, чем из бетатрона с классическим управляющим магнитным полем. Практическая потребность в надежных и недорогих малогабаритных источниках электронов в диапазоне энергий от 2 до 10 МэВ для электронной терапии в медицине стимулировала исследования по выводу электронного пучка из малогабаритного бетатрона.

Характеристики выведенного электронного пучка позволяли успешно проводить лечения поверхностных новообразований. Первый бетатрон с выведенным электронным пучком был передан в клинику Томского медицинского института, где применялся для лечения.

Бетатрон с выведенным электронным пучком на энергию 6 МэВ применяют для интероперационной терапии. По предложению профессора Б.Н. Зырянова в Сибирском филиале онкологического центра Российской академии медицинских наук был установлен малогабаритный бетатрон МИБ-6Э. В этой операционной были проведены сотни операций с использованием электронного пучка бетатрона. В 1991 г. был изготовлен малогабаритный бетатрон типа МИБ-6Э, который с помощью фирмы «Джон Маклеод электроникс» был поставлен в госпиталь г. Ковентри в Англии.

В последующем в НИИ интроскопии велись интенсивные разработки нового типа индукционного ускорителя – цилиндрического бетатрона, в котором рабочая область магнитного поля вытянута в аксиальном направлении, так что «равновесная орбита» представляет собой цилиндрическую поверхность. В бетатроне этого типа ожидается получение циркулирующего тока ускоренных электронов, превышающего тысячи ампер. В середине 1993 г. этот ускоритель на энергию 30 МэВ был запущен на излучение и находится в стадии модернизации и вывода его параметров на уровень расчетных.

Литература

Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк/под ред. Ю.П. Похолкова, В.Я. Ушакова. – Томск: ТПУ, 1996. – 249 с.