Магнетрон и Бетатрон
Магнетроны и линейные ускорители генерации рентгеновского излучения
Для «просвечивания» толстостенных металлических объектов контроля необходимы источники излучения, создающие потоки квантов с высокой энергией. Первыми такими источниками высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Они давали ограниченный набор интенсивностей и требовали постоянной защиты при работе. В 1930-х годах ученые начали создавать оборудование, способное давать разнообразные пучки энергии при подаче на установку электрического напряжения. Это делало их более безопасными для персонала, так как при отключении питания прекращалась генерация рентгеновского излучения.
В генераторах большой мощности излучения, которое проникает через стальные объекты толщиной в 20-50 см, применяют линейные ускорители электронов. Они позволяют получать энергию начиная с тысяч электронвольт. В таких генераторах рентгеновское излучение создается по следующей схеме:
- формирование пучка электронов и его подача на ускоритель;
- ускорение с использованием Магнетрона и линейного ускорителя электронов созданного пучка;
- вывод пучка на мишень и осуществление соударения электронов с мишенью.
Магнетро́н — электронный электровакуумный прибор, величина протекающего тока в котором управляется электрическим и магнитным полем. Он является важнейшим элементом ускорительной системы и представляет собой герметичную металлическую камеру, в центре которой находится тонкая металлическая нить — катод. Нагреваясь, катод испускает электроны, и они начинают двигаться к аноду. Анод (анодный блок) магнетрона имеет сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов (отверстия в теле анода). Для вывода энергии в один из резонаторов вводят проволоку в виде петли — ее называют антенной.
Краткая история создания Магнетрона:
- Зарождение (1912–1921): 1921 год — американский физик Альберт Халл ввёл термин «Магнетрон», исследовал его работу в статическом режиме, предложил первые конструкции (без генерации СВЧ‑излучения).
- Первые генераторы (1924–1927): 1924 год — чехословацкий физик Августин Жачек открыл и запатентовал генерацию электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне (λ≈29 см) с помощью Магнетрона. 1925 год — в СССР А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг создали действующий магнетронный генератор.
- Прорыв в конструкции. 1936–1939 годы — советские инженеры Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров под руководством М. А. Бонч‑Бруевичаразработалимногорезонаторный Магнетрон.
- Расширение применения (1949–1960‑е): 1949 год — американские инженеры Д. Уилбур и Ф. Питерс открыли возможность перестройки частоты Магнетрона напряжением (появился митрон). С 1960‑хгодов— массовое применение Магнетронов в бытовых СВЧ‑печах.
Если в рентгеновской лампе поток частиц (электронов) создается простой нитью накаливания, то для создания излучения в несколько МэВ используются специальные электронные пушки. Они создают повышенный поток электронов.
В результате взаимодействия электронов с ядрами атомов мишени (изменения их скорости движения вследствие торможения) образуется так называемое тормозное излучение, которое направляется через коллиматор на объект контроля. Большим достоинством линейных ускорителей для получения рентгеновского излучения является то, что при необходимых характеристиках излучения они имеют относительно небольшие габариты и источник питания всего в несколько десятков киловольт.
Магнетрон, как источник СВЧ-излучения, питает ускоряющую структуру линейного ускорителя (обычно высокочастотного резонансного типа) и является его составной частью. Магнетрон поставляет энергию, которая затем передаётся частицам. Его СВЧ-поле создаёт в резонаторах ускорителя переменное электрическое поле. Частицы, проходя через резонаторы в нужный момент фазы поля, получают порцию энергии. Суммарно за множество резонаторов энергия частиц может вырасти до десятков МэВ, и это будет результат последовательного накопления. При этом на мишень поступают короткие по времени импульсы энергии, и такими же короткими импульсами идет само излучение.
Итак, Магнетрон является у нас ключевым элементом ускорительных систем для генерации высокоэнергетического рентгеновского излучения. Он задействован в ускорении электронного пучка в линейных ускорителях. Важное преимущество таких систем — безопасность и компактность по сравнению с ранними источниками излучения.
Бетатрон
Бетатрон, это отдельный тип циклического индукционного ускорителя электронов. Энергия его электронов увеличивается за счёт вихревого поля, которое, в свою очередь, создаётся изменяющимся во времени магнитным потоком, направленным перпендикулярно к плоскости орбиты частиц. Движение электронов идет по круговой орбите постоянного радиуса в нарастающем во времени магнитном поле (обычно промышленной частоты 50 Гц). Основные этапы работы Бетатрона:
- Инжекция электронов — размещение пучка электронов в ускорительную камеру с помощью электронной пушки.
- Ускорение электронов — когда энергия электронов увеличивается до заданного значения. В этот период могут возникать колебания электронов, которые могут привести даже к потере пучка.
- Смещение пучка — достигшие конечной энергии электроны смещаются с равновесной орбиты и направляются на специальную мишень внутри камеры (тормозную). При торможении электронов в этой мишени возникает тормозное электромагнитное излучение.
История его создания:
1922 год: американский инженер-электрик Иосиф Слепян запатентовал идею Бетатрона.
1928 год: норвежский физик Рольф Видероэ попытался создать Бетатрон, но устройство не заработало.
1940–1941 годы: американский физик-ядерщик Дональд Вильям Керст создал первый надёжно функционирующий Бетатрон в Университете Иллинойса (США). В нём впервые были изучены бетатронные колебания — квазипериодические поперечные колебания частиц вокруг равновесной орбиты.
Бетатрон по своей конструкции, большой электромагнит, между полюсами которого расположена тороидальная вакуумная камера. Электромагнит создаёт переменное магнитное поле, и в плоскости вакуумной камеры возникает вихревое электрическое поле.
Преимуществами Бетатронов являются простота обращения, возможность плавной регулировки энергии, малогабаритность, невысокая стоимость, но, при этом, они уступают линейным ускорителям в интенсивности пучка. С развитием технологии линейного ускорения Бетатроны в настоящее время используются все реже.
Если Магнетрон применяется в радиолокационной технике и микроволновых печах, то Бетатрон находит себе место в ядерных исследованиях, промышленной дефектоскопии и радиационной терапии. В конструкции Магнетрона ведущую роль играют резонаторные структуры, Бетатрон же состоит из электромагнита с вакуумной камерой. C развитием технологий линейные ускорители (с Магнетронами) вытесняют Бетатроны там, где важна высокая интенсивность излучения. Бетатроны же сохраняют свою нишу благодаря простоте, регулируемости и экономичности.