1
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1.. ИСТОЧНИКИ СВЧ МОЩНОСТИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ.
Первые линейные ускорители электронов (ЛУЭ) были разработаны в конце сороковых годов и применялись, главным образом, для фундаментальных научных исследований Тогда же была показана эффективность применения ЛУЭ для решения целого ряда промышленных и терапевтических задач [1]. Поэтому, в последующие два десятилетия происходит бурное развитие специализированных ускорителей промышленного и медицинского назначения. В настоящее время, можно выделить следующие основные направления применения ЛУЭ, [2], [3]:
1. Радиационная дефектоскопия - просвечивание пучком тормозного излучения массивных изделий с целью обнаружения дефектов сварных швов, литья, поковок и т.д.;
2 Производство короткожнвуших радионуклидов;
3. Количественное определение методами фотоактивационного и нейгрошю активационного анализа содержания различных элементов в пробах руды и других объектах;
4 Радиационная стерилизация;
5. Проведение различных радиационно - технологических процессов, а именно модификации полимерных материалов с целью улучшения их эксплуатационных свойств, облучения полупроводников с целью повышения быстродействия тверда1ельных электронных приборов и т.д.;
6. Таможенный контроль;
7 Лучевая терапия
В настоящее время, развивается направление по использованию ускорителей с энергией электронов 10 - 30 МэВ и средней мощностью луча 5-10 кВт в качестве инжекторов для лазеров на свободных электронах технологического применения
В таблице 1 приведены типичные характеристики ЛУЭ различного назначения
Таблица 1
Назначение Энергия ускоренных электронов, МэВ Средняя мощность пучка эл-нов. кВт Мощность дозы тормозного из луч Гр. м/мин
Дефектоскопия 6-15 1-3 15-80
Пр-во радио-нукл. 15-30 3-25 150-1500
Активац анализ 10-40 3-30 100-1500
Стерилизация 5-10 15-40 300-2000
Радиац. технолог. 5-15 10-30 200-1500
Таможенный контроль 5-10 0.5-3 15-50
Лучевая терапия 5-40 0.3-4 10-60
1
2
Существенное различие выходных характеристик ускорителей разного назначения обуславливает широкий спектр требований, предъявляемых к используемым в них источникам СВЧ мощности.
Традиционными приборами, используемыми в ускорителях являются магнетроны и многорезонагорные клистронные усилители. Преимуществами магнетронов являются »покое анодное напряжение, компактность, высокий КПД и относительно низкая цена Существенным недостатком является низкая частотная и амплитудная стабильность выходного сигнала
Относительная кратковременная нестабильность частоты мощных магнетронных генераторов, без применения специальных мер составляет примерно 10“*, долговременная Ю5.
Усилительные цепочки с маломощными высоко стабилизированными задающими генераторами и клистронами в оконечном каскаде обеспечивают достаточную стабильность выходною сигнала Клистроны, кроме тою имеют больший, чем магнетроны срок службы, поскольку электронная пушка и коллектор вынесены 1гз пространства взаимодействия электронов с СВЧ полем Однако, обычные однолучевые клистроны имеют более низкий, по сравнению с магнетронами КПД 40 - 50% (у магнетронов 50 - 55%) и высокое напряжение катода Так например, магнетрон М2058 имеет выходную импульсную мощность 5 МВт при напряжении катода 50 кВ. а лучшие образны однолучевых клистронов, например ТН2056, \TCS8262 обеспечивают такую же мощность при напряжении 120 - 130 кВ. Высокое напряжение клистронов резко ухудшает массогабаритные характеристики ускорителей и усложняет их конструкцию, так как обуславливает необходимость применения специальной защиты от рентгеновского излучения и масляной высоковольтной изоляции. Поэтому для ряда установок применение таких клистронов невозможно, особенно в последнее время, когда большое внимание уделяется массогабаритным характеристикам, вопросам удобства и простоты эксплуатации ускорителей, а также снижению капитальных и эксплуатационных затрат.
Перечисленные конструктивные особенности магнетронов и однолучевых клистронов обусловили сложившиеся к концу семидесятых годов за рубежом традиции применения различных источников СВЧ в ускорителях промышленного и медицинского назначения
Основными источниками СВЧ энергии в ЛУЭ с энергией ускоренных электронов до 5 - 10 МэВ и средней мощностью гтучка до 1 кВт являются магнетроны с импульсной мощностью 2 - 2.5 МВт и средней мощностью 2-3 кВт. Эти магнетроны используют постоянные магниты, реже электромагниты, имеют сравнительно низкое напряженке катода 40 - 47 кВ и работают на частоте 3000 МГц с механической перестройкой ± 4 МГц. Выпускаются эти магнетроны рядом фирм, наибольший объем выпуска имеют фирмы ЕЕУ (Англия) и СаКст Е1ес1гопю 1пс (США). Цена до 10 тысяч долларов. Применяются эти магнетроны в дефектоскопических ускор1ггелях и терапевтических ускорителях небольших энергий
В ускорителях с энергией ускоренных электронов более 10 - 12 МэВ и средней мощностью пучка более 3-5 кВт, в большинстве случаев применяются клистроны с выходной импульсной мощностью 5-10 МВт и средней мощностью, изменяющейся для различных клистронов в широких пределах 5 -250 кВт Для фокусировки луча в этих клистронах используются электромагниты или соленоиды Цена клистронов, в зависимости от выходной
2
з
мощности составляет 50 - 150 тысяч долларов. В таблице 2 приведены основные характеристики наиболее типичных образцов клистронов, применяемых в зарубежных ускорителях.
Таблица 2.
Марка клистрона Фирма Имп. выходная Мощность, Мвт Сред, вых МОЩНОСТЬ, КВт Напряж, катода, В Частота, Мгц
УКЯ 82620 У'агіап 5.5 5.5 125 2998
\'А 9380 Уагіап 4 100 128 2856
ТН 2095 ТЬотзоп 6.25 45 130 1300
ТН 2074 ТЬотзоп 6 6 130 2998
ТН 2097 Иютвоп 6 25 130 2998
1 3944 ЬгПоп 10 15 210 1300
Всего за рубежом с начала восьмидесятых годов и по настоящее время выпускается более двадцати типов клистронов, специально разработанных для промышленных и медицинских ЛУЭ. Клистроны используются во всех типах ускорителей, за исключением дефектоскопии
В отдельных случаях применяются источники, отличающиеся от типичных, указанных выше. Например, в терапевтических ускорителях 51.-75-20 фирмы РШрэ (Англия), обеспечивающих анергию ускоренных электронов до 20 МэВ. применен длинноанодный магнетрон М2058 фирмы ЕЕУ, Англия с импульсной мощностью 5 МВт и средней 8 кВт. Однако, применение магнетронов в высокоэнсргетичных ротационных терапевтических ускорителях затруднено требованием узкого энергетического спектра пучка, проходящего через поворотный магнит и попадающего с высокой точностью на тормозную мишень для получения узкого лепестка тормозного излучения
В последнее время, применение клистронов в ускорителях расширяется в связи с развитием направлений использования ускорителей, в которых требуется высокая стабильность источников СВЧ сигнала. Кроме упомянутых выше ротационных терапевтических ускорителей, сюда относятся таможенные ускорители - интравизоры. в том числе и томографические, ускорители -инжекторы для лазеров на свободных электронах и так далее.
С другой стороны, наблюдается тенденция улучшения массогабаритных характеристик ускорителей, создания ускорителей с местной зашитой и передвижных установок. Главным образом, зги тенденции связаны с большой стоимостью капитального строительства помещений для ускорителен с необходимой защитой, зачастую в несколько раз превосходящей стоимость самих ускорителей.
Таким образом, требование высокой стабильности в зарубежных ускорителях последнего поколения входит в противоречие с требованием улучшения массогабаритных характеристик из-за неудовлетворительных эксплуатационных характеристик мощных однолучевых клистронов.
Тенденции развития источников СВЧ мощности для ЛУЭ в России озли чаются от зарубежных Первые отечественные ускорители, предназначенные для промышленности и медицины, использовали относительно маломощные магнетроны типа МИ-202 с импульсной мощностью 1.5-2 Мвт и средней мощностью 1.5-2 кВт, или сверхмощные клистроны КИУ-12, КИУ-15 с импульсной мощностью 20 - 30 Мвг и средней 10 кВт,
3
4
разработанные для многосекционных ЛУЗ больших энергий, предназначенных для фундаментальных научных исследований [3]. Например, в терапевтическом ускорителе, разработанном НИИЭФА им. Кфремова для НИИ онкологии (г. Минск) с энергией ускоренных электронов 25 Мэв использован клистрон КИУ 12. Однако, применение сверхмощных клистронов в промышленных и медицинских ускорителях не получило распространения из-за высокого напряжения катода клистронов 280 - 350 кВ
С другой стороны, разработчиками магнетронов в СССР достигнут значительный прогресс в разработке мощных длннноанодных магнетронов (предельно-волноводные магнетроны). Были получены импульсные мощности более 10 МВт и средние до 10 кВт в 10 - сантиметровом диапазоне.
Специалистами МИФИ была проведена большая работа по оптимизации систем питания ЛУЗ на магнетронах с целью стабилизации работы системы магнетрон - ускорительная секция (4), [5].
Поэтому, в семидесятых годах все серийно выпускаемые в СССР ЛУЭ использовали магнетроны В таблице 3 приведены характеристики наиболее широко используемых магнетронов
Таблица 3.
Марка Импульсная Средняя Напряжение, Частота, ЛУЭ
магнетрона мощн.. МВт мощн. Вт КВ МГц применения
МИ-262 9 12.5 50 3200 ЛУЭ-10-2Д ЛУЭР-20МТ
МИ-320 ЛУЭ-13-9
10 10 46 1885 ЭЛУ-4 ЭЛУ-6 У-0,03
Магнитное поле в этих магнетронах создастся с помощью соленоидов. Развитие предельно-волноводных магнетронов успешно продолжается и в настоящее время Достигнута импульсная мощность 10 МВт и средняя мощность 50 кВт
Применение магнетрстюв в дефектоскопах и различных технологических ускорителях оправдано, но разработка и эксплуатация терапевтических ЛУЭ с магнетронами сопровождаясь определенными трудностями, связанными, как уже говорилось с недостаточной частотной и амплитудной стабильностью выходного сигнала Недостатки магнетронов проявлялись в сложности настройки системы СВЧ питания при изготовлении ЛУЭ и замене отработавшего магнетрона. Серьезной технической проблемой являлась задача оперативного изменения режима облучения и целый ряд других эксплуатационных задач.
Кроме того, отсутствие в стране высокостабильных источников СВЧ для ЛУЭ тормозило дальнейшее развитие техники. предназначенной для радиационной терапии, таможенного контроля, радиационной томографии и других областей
4
5
Типичным примером ускорителей электронов последнего поколения может служить разрезной мнкротрон. с энергией ускоренного пучка до 70 МэВ, разрабатываемый НИИЯФ МГУ совместно с World Physics Technologies Inc. США [6]. Микротрон предназначен для использования в следующих направлениях:
- производство ПОТ изотопов для позитронно-эмиссионнон томографии;
- радиационная терапия;
- поиск взрывчатых и наркотических веществ ядерно физическими методами.
Важнейшим требованием к конструкции разрабатываемого микротрона
являются малые габариты и вес установки, примерно на порядок меньшие, чем у аналогичных ускорителей с той же энергией пучка. Малые габариты существенно снижают затраты на капитальное стротельство и делают применение ускорителя рентабельным Кроме того, в ряде случаев, например в при поиске взрывчатки я наркотических веществ, предполагается размещение ускорителя в мобильной установке. В случае производства ПЭТ изотопов, необходимо размещение установки непосредственно в лечебном учреждении, поскольку период полураспада изотопов примерно равен 10 минутам.
Поэтому, конструкция разрабатываемого микротрона имеет ряд особенностей, непосредственно направленных на уменьшение габаритов и веса. Поворотные и альфа - магниты микротрона выполнены постоянными на основе сплавов редкоземельных элементов. Для ускорения электронов применена резонансная бипериодическая призматическая ускоряющая структура. Требования к источнику СВЧ сигнала для разрабатываемого микротрона включают требования к высокой стабильности выходною сигнала Кроме тою, источник должен иметь минимальные габариты и вес, работать в произвольном пространственном положении и в мобильной аппаратуре. Габариты и вес аппаратуры электропитания источника также должны быть минимальными
Таким образом, развитие ускорительной техники в СССР и за рубежом одновременно привело к необходимости создания источника СВЧ сочетающего высокую стабильность выходного сигнала с хорошими массо-габаритными и эксплуатационными характеристиками
Поэтому, в 1978 году НИИЭФА им. Ефремова - головное предприятие в России, выпускающее ЛУЭ для промышленности и медицины, передаю ПИИ ’Титан" заказ на выбор конструкции и разработку универсального, высокостабильного источника СВЧ энергии для серии ускорителей нового поколения, разрабатываемых в рамках целевой комплексной программы ОЦ 024. В рамках этой программы предполагалась разработка ЛУЭ, для использования во всех направлениях, перечисленных в таблице 1.
Требование универсальности проистекало из отсутствия в стране других подходящих высокостабильных источников Из этого требования следовало требование по обеспечению малых массы и габаритов источника и требование нкзковольтности. поскольку это открывало возможности создания ЛУЭ нового поколения с улучшенными массо-габаритными и эксплуатационными характеристиками, а также позволяло избежать принципиальной переделки аппаратуры электропитания, приспособленной для магнетронов.
Специфика рынка источников СВЧ сигнала для ускорителей промышленного и медицинского применения состоит в том, что приборы заказываются небольшими партиями, но каждый заказчик предъявляет различные требования Эго касается прежде всего рабочих частот и выходной мощности Поэтому, при разработке универсального, высокостабнльного источника была очевидна
5
6
необходимость создания базовой конструкции, то есть конструкции, позволяющей быстро и без существенных переделок создавать модификации, удовлетворяющие требованиям различных заказчиков
ВЫВОДЫ
1. Несмотря на различные тенденции развития ускорительной техники, и России и за рубежом, в восьмидесятых годах возникла необходимоегь создания источника СВЧ энергии для ускорителей, совмещающего высокую частотную и амплитудную стабильность выходного сигнала с хорошими массо - габаритными и эксплуатационными характеристиками
2. Специфика рынка источников СВЧ сигнала для ускорителей промышленного и терапевтического применения обуславливает необходимость создания базовой конструкции, то есть конструкции, обеспечивающей возможность без существенной переделки создавать модификации приборов, удовлетворяющие широкому спектру требований, предъявляемых различными заказчиками
6
7
1.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, ОСНОВНЫЕ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.
Технические требования, предъявляемые к базовой конструкции источника СВЧ сигнала для ЛУЭ промышленного и медицинского назначения основываются на необходимости максимально возможной унификации источников одного типа в различных моделях ЛУЭ Учтены также перспективы ришт ускорительной техники.
Анализируя характеристики и тенденции развития ускорителей, можно выделить следующие основные требования к характеристикам базовой конструкции источников СВЧ сигнала
1. Импульсная мощность выходного сигнала 5 - 8 МВт Как следует из таблицы 2 раздела 1.1, эти значения мощности выходного сигнала являются наиболее универсальным для ЛУЭ медицинского и промышленного назначения. При такой импульсной мощности источника СВЧ ускорительные секции типа диафрагмированный волновод ускоряют пучок электронов с приемлемым КПД до энергий 15 20 МэВ, а резонансные ускоряющие секции до 20 - 25 МэВ. При повороте электронного ускоренного луча с помощью магнитного зеркала и повторном проходе через ускоряющую секцию можно получить энергию до 40 МэВ Как следует из таблицы 1 раздела 1.1, энергия ускоренных электронов 40 МэВ в ЛУЭ указанного применения является предельной, что связано с возникновением в облученных материалах значительной наведенной радиации при больших энергиях
Требуемый КПД источников не ниже 45 - 50 %, что соответствует среднему уровню КПД клистронов аналогичного применения
2. Средняя мощность выходного сигнала 5 - 25 кВт Такой диапазон значений средней мощности не перекрывает всех потребностей ЛУЭ промышленного назначения, поскольку мощность пучка электронов в ЛУЭ при этом не превышает 15 кВт Наиболее мощные ЛУЭ для стерилизации используют клистроны со средней мощностью 100 - 250 кВт Однако, для этого применения не требуются источники с малой массой и габаритами и при создании рассматриваемой базовой конструкции не требовалось обеспечения столь высокой средней мощности Кроме того, как показано в разделе 1.1, доля сверхмощных ускорителей в общем количестве невелика и уровень средней мощности 5-25 кВт обеспечивает потребности примерно 85% общего количества ускорителей промышленного и медицинского применения.
3. Обеспечение возможности регулирования импульсной мощности выходного сигнала в широких пределах от 1 МВт до номинальной величины Регулировка должна осуществляться как за счет изменения напряжения катода, так и за счет изменения мощности входного сигнала, при неизменности требований к стабильности и спектральным свойствам выходного сигнала и других основных требований Требование изменения мощности путем изменения напряжения катода продиктовано условиями применения источников в терапевтических ускорителях, где изменение мощности источника СВЧ является основным инструментом изменения режима облучения пациента в процессе проведения процедуры. Требование изменения выходной мощности путем изменения входного сигнала связано с необходимостью тренировки ускоряющих зазоров ускорительных секций плавно увеличивающимся СВЧ полем.
7
- Київ+380960830922