Ускорители заряженных частиц

Общие сведения

Ускорителем заряженных частиц является установка, которая разгоняет частицы до очень высоких энергий. Такое оборудование позволяет разработчикам получать уже не только пучки первичных ускоренных заряженных частиц (электронов), но и пучки частиц вторичных (фотонов, нейтронов), которые возникают при столкновении первичных частиц с неким веществом. С помощью ускорителей изучают свойства элементарных частиц в ядерной физике и физике твердого тела, но, кроме этого, они нашли широкое применение и в промышленных областях, таких как металлургия и медицина.

Чтобы заставить частицу двигаться быстрее, разогнать ее, необходимы электрическое и магнитное поля. Электрическое поле меняет энергию частицы, а магнитное задает направление, не влияя на ее свойства. То есть для разгона достаточно поместить частицу в электромагнитное поле, но для получения высокоэнергетической частицы необходима большая мощность генераторов, образующих это поле и внушительная дистанция для самого разгона.

Существует несколько параметров классификации ускорителей:

• По траектории движения: циклические и линейные;
• По характеру ускоряющего поля: резонансные и нерезонансные.

В резонансных ускорителях частица ускоряется за счет переменного высокочастотного электромагнитного поля, т.е. для разгона она должна двигаться в резонанс с изменением полярности, постоянно преодолевать разность потенциалов (само происхождение ускорения).

А в нерезонансных ускорителях направление поля не меняется.

• По типу ускоряемых частиц;
• По непрерывности пучка;
• По преобладанию главного воздействующего поля (магнитное или электрическое);
• И многим другим свойствам.

В линейных ускорителях (LINAC), в отличие от циклических, частицы проходят ускоряющую структуру всего один раз. Чтобы добиться нужных скоростей им уже первоначально задают определенную скорость и запускают по прямому направлению. Большой градиент ускорения позволяет разогнать такие частицы до очень больших энергий, хотя они проходят ускоряющий участок, как мы уже сказали, всего лишь один раз. Примером линейного ускорителя является рентгеновская трубка.

Линейные ускорители заряженных частиц бывают разных видов:

• Высоковольтные (прямого действия, типа ЭЛВ);
• Индукционные и резонансные (линейный ускоритель типа ИЛУ «импульсный линейный ускоритель»).

Основное преимущество ЛУ состоит в компактности – линейные ускорители не нуждаются в громоздких магнитных системах и обеспечивают легкий вывод пучка с высокой плотностью тока. Они имеют достаточно простую конструкцию, надежны и не требуют точной стабилизации теплового режима: могут начать облучение без долгого прогрева ускорителя.

Принцип действия ускорителей заряженных частиц

Разные промышленные свойства определяются разными принципами ускорения электронов.

• В ЭЛВ высокое напряжение создается высоковольтным трансформатором и заряженные частицы ускоряются в постоянном электрическом поле. Здесь существует потенциальное электрическое поле постоянное во времени. Основные элементы таких ускорителей — генератор высокого напряжения, инжектор и ускоряющая трубка. Электронный пучок ускорителей ЭЛВ непрерывный. Он может выводиться в атмосферу в виде тонкого луча диаметром 1-2 мм. Высокая плотность тепловой энергии такого пучка позволяет использовать устройство для обработки металлов.
• В ИЛУ ускорение электронов происходит переменным электрическим полем высокочастотных резонаторов, — пучок электронов у этого устройства не постоянный, а импульсный. Основные элементы конструкции: инжектор электронов, резонатор и один или несколько ВЧ-генераторов. Для ускорителей ИЛУ также разработан конвертер энергии электронного пучка в энергию тормозного излучения. В поле такого излучения возможна обработка объектов большой толщины. Примеры приборов: магнетрон и бетатрон.

Промышленные свойства

Если у нас есть объект контроля, который необходимо облучить, и есть два ускорителя: один типа ЭЛВ, другой – ИЛУ.

Какой из них выбрать?

Если это радиографический контроль тонкостенных объектов, то подойдёт ЭЛВ: энергия у акселераторов этого типа невысокая (отсюда и ограничения по толщине), но зато высокий КПД (70- 80 %), большая мощность и такая же высокая производительность технологического процесса. Небольшие размеры оборудования позволят сэкономить на строительстве отдельного помещения для размещения акселератора частиц.

А вот при облучении изделий с толщиной более 100 мм без ИЛУ уже не обойтись. Благодаря большим значениям энергии (5-10 МэВ) электроны, выпускаемые ускорителем этого типа, глубже проникают в вещество. Высокая энергия этих ускорителей позволяет конвертировать электронный пучок в тормозное гамма излучение, обладающее крайне высокой проникающей способностью и позволяющее экспонировать объекты, которые невозможно просветить “обычными” стандартными рентгеновскими установками.