Компактный линейный ускоритель электронов для радиационных

технологий

Алимов А.С., Ишханов B.C., Пахомов Н.И., Шведунов В.И., ИИЯФ МГУ

Скачков B.C., ИТЭФ

контактные данные:

Алимов Андрей Сергеевич 939-56-68, 939-36-62

Ишханов Борис Саркисович 939-50-95

Основу предлагаемого проекта составляет реализованный в прототипе на I основе бипериодической ускоряющей структуры с внутренними ячейками связи ускоряющий модуль на энергию 1 МэВ, максимальный средний ток I пучка 26 мА и максимальную мощность 26 кВт, работающий на частоте 2450 / МГц. По требованию заказчика соотношение энергии и мощности пучка на выходе модуля могут изменяться от 0.5 до 1.5 МэВ и от 35 до 18 кВт, соответственно. При последовательном соединении идентичных ускоряющих модулей может быть построен ускоритель на энергию кратную 0.6 МэВ, возрастающую пропорционально числу модулей, с сохранением среднего тока пучка.

По величине энергии ускоритель относится к группе среднеэнергетичных (0.5 кэВ - 5 МэВ) промышленных ускорителей электронов. Высоковольтные ускорители в указанном диапазоне энергии широко используются в промышленности в настоящее время. Они применяются в радиационных технологиях, например, для очистки сточных вод и выбросных газов; сшивания кабельной изоляции; производства термоусаживаюшихся изделий, пленок, пенополиэтилена; вулканизации компонентов шин; стерилизации и пр.

Активное внедрение радиационных технологий связано с получением новых материалов с улучшенными потребительскими свойствами.

Уникальность и новизна предлагаемого в настоящем проекте ускорителя заключаются в том, что он создается как линейный ускоритель непрерывного действия с оригинальными системами инжекции и формирования электронных сгустков и СВЧ-питания.

Коэффициент захвата непрерывного пучка электронной пушки в режим ускорения с использованием традиционных схем инжекции составляет -50%. Нам удалось обеспечить аналогичный коэффициент захвата пучка в режим ускорения с использованием существенно упрощенной, максимально компактной и, соответственно, менее дорогостоящей, по сравнению с традиционными, системы инжекции.

1) В качестве энергии инжекиии мы выбрали энергию 15 кэВ, совпадающую с напряжением питания клистрона 15 кВ, тем самым, получив возможность запитывать электронную пушку не от отдельного источника питания, а от источника питания клистрона.

2) Мы разработали электронную пушку на энергию 15 кэВ с двумя промежуточными анодами и регулировкой тока от 0 до 250 мА без существенных изменений оптических характеристик пучка.

3) Мы расположили электронную пушку непосредственно на входном фланце ускоряющей секции без пространства дрейфа и фокусирующих элементов. Эффективный захват (50%) и предварительное группирование пучка реализованы в первых ячейках ускоряющей секции.

4) В основу используемой системы высокочастотного питания заложен автоколебательный принцип работы клистрона и ускоряющей секции, позволяющий отказаться от задающего генератора и развязывающего циркуля-тора между клистроном и секцией. Система, состоящая из клистрона и ускоряющей секции, становится чрезвычайно компактной, а процедура ввода мощности и работа секции - максимально простыми и надежными.

В результате проведенных работ на основе изложенных выше оригинальных принципов был создан прототип компактного промышленного линейного ускорителя электронов непрерывного действия со следующими параметрами:

энергия пучка электронов - 1 МэВ;

средний ток пучка - 0-26 мА;

максимальная средняя мощность пучка - 26 кВт;

длина ускорителя (без вывода энергии) - 1 м;

рабочая частота - 2450 МГц;

мощность, потребляемая от сети ~75 кВт;

эффективность от розетки ~35%.

В состав ускорителя входят электронная пушка, установленная без пространства дрейфа на входном фланце ускоряющей структуры, клистрон, подводящий волновод с вакуумным портом, через который производится высоковакуумная откачка магниторазрядным насосом. Система вывода пучка включает сильфон с установленными на нем корректорами, сканирующими пучок в двух плоскостях, вакуумный клапан, вакуумный порт с сильфоном, через которые производится откачка турбомолекулярным насосом. В экспериментах для поглощения пучка мы использовали цилиндр Фарадея, рассчитанный на рассеянную мощность до 60 кВт.

Средний ток пучка 26 мА является рекордным током для СВЧ-ускорителей. Прямых аналогов данного ускорителя не существует. Несомненным достоинством предлагаемого ускорителя является возможность регулировки выходного тока от десятков микроампер до 26 мА при сохранении энергии пучка в диапазоне 1000±50 кэВ, что позволяет в широком диапазоне варьировать дозовые режимы в процессе промышленного облучения. Созданный ускоритель, предлагаемый нами для коммерциализации, занимает промежуточное место между ускорителями прямого действия и импульсными резонаторными ускорителями, обладая такими преимуществами, как компактность, простота эксплуатации, возможность изменения параметров в процессе работы, возможность внедрения в существующие технологические линии.

После сборки ускорителя-прототипа были проведены эксперименты по ускорению пучка с целью получения проектных значений среднего тока пучка, I пучка=26 мА, энергии пучка, W=l МэВ. мощности пучка, Рпучка=26 кВт при коэффициенте захвата 1пучка/1пушки=50%. В процессе экспериментов с ростом нагрузки током пучка энергия пучка увеличивалась и достигла максимума W=1024 кэВ при токе 1пучка=26.1 мА и мощности пучка Рпучка=26,7 кВт. Оценки потерь пучка из измеренного баланса мощности при 1пушки=52 мА, 1пучка=26.1 мА показали, что потери тока пучка составили 1потерь=25.9 мА, мощность потерь РпотерьН2 кВт, что соответствует средней энергии потерь 77 кэВ.

Литература:

1. А.С.Алимов. Д.И.Ермаков, Б.С.Ишханов и др. Линейный ускоритель электронов непрерывного действия на энергию 600 кэВ (средний ток пучка 50 мА)/ПТЭ. -2002. -№5. - С. 121-128.

2. А.С.Атимов. Д.И.Ермаков, Б.С.Ишханов и др. Двухсекционный линейный ускоритель электронов непрерывного действия на энергию 1,2 МэВ, средний ток пучка 50 мА/ПТЭ. - 2002. - №5. - С. 114-120.

3. A.S.Alimov, D.I.Ermakov. B.S.Ishkhanov et al. Industrial High-Current Electron LINACs/Proc. 2001 Particle Accelerator Conference. - 2001. - P. 2506-2508.

4. A.S.Alimov, D.I.Ermakov, B.S.Ishkhanov et al. Industrial High-Current Electron LINACs/Proc. 2000 European Particle Accelerator Conference. - 2000. - P. 803-805.

5. A.S.Alimov, D.I.Ermakov. B.S.Ishkhanov et al. A Compact Industrial High-Current Continuous Wave Electron LINAC/Proc. 1999. Particle Accelerator Conference. - 1999. - P. 2555-2558.