М.Ф.Ворогушин, М.И.Демский, В.В.Румянцев, Ю.А.Свистунов
Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова, С-Петербург, Россия
В докладе дан обзор разработок НИИЭФА в области линейных резонансных ускорителей электронов для прикладных целей за последние 30 лет. Кратко рассмотрены промышленные установки различного назначения прошлых лет, ЛУЭ и комплексы на их базе, выпускаемые в настоящее время, состояние перспективных разработок.
Разработкой, изготовлением, установкой и техническим обслуживанием линейных резонансных ускорителей электронов (ЛУЭ), в том числе и для прикладных целей, занимается обособленное подразделение НИИЭФА - научно-производственный комплекс линейных ускорителей и циклотронов (НПК ЛУЦ).
Первые ЛУЭ для промышленности и медицины проектировались и изготовлялись параллельно с созданием ЛУЭ для исследовательских целей. В этот период была отработана промышленная технология изготовления основных узлов ЛУЭ. Всего с начала 60-х годов в НИИЭФА было спроектировано и изготовлено более 80 ЛУЭ на энергию от 5 до 20 МэВ. Эти ускорители были установлены более чем в 30 городах России и зарубежных стран.
Благодаря ЛУЭ, пришедшим на замену радионуклидным источникам, в различные отрасли хозяйства стали более широко внедряться прогрессивные, энергосберегающие, экологически чистые радиационно-технологические про-цессы с использованием пучков ускорен-ных электронов и тормозного излучения.
Наибольший экономический эффект при использовании линейных ускорителей был получен в области дефектоскопии, активационного анализа, стерилизации, радиационной химии, а наиболее широкое применение ЛУЭ нашли в медицине (лучевая терапия) [1].
Следует отметить, что в последние годы повысились требования ЛУЭ в отношении стабильности и надежности работы, а также наметилась тенденция приобретать ускорители в комплексе с технологическим оборудованием [2]. НПК ЛУЦ идет навстречу этим требованиям потребителей и берет на себя обязанности генерального поставщика, проектируя и изготавливая это оборудование либо самостоятельно, либо у субподрядчиков.
Так для комплекса электронно-лучевой стерилизации изделий медицинского назначения одноразового и многоразового использования с линейным ускорителем электронов модели УЭЛВ-8-15С2 было спроектировано транспортное устройство (конвейер с кантователем). На базе ЛУЭ был создан и поставлен заказчику комплекс промышленного интроскопа с устройством позиционирования контролируемых изделий. Спроектирован и изготовлен комплекс для таможенного контроля грузовых контейнеров и транспортных средств. Вместе с оборудованием заказчик получает и соответствующее программное обеспечение.
Так Ижорский завод, поставляющий энергетическое оборудование практически на все АЭС бывшего СССР, стран СЭВ, в Финляндию, на Кубу, проконтролировал с использованием ускорителей НПК ЛУЦ 24 комплекта оборудования для блоков ВВР-440, 26 - для блоков ВВР-1000, 3 опытных блоков ВВР, а также корпус химического реактора 10-ДС-101. ЛУЭ обеспечили радиографический контроль изделий из стали толщиной от 40 до 600 мм с разрешением не хуже 1%.
Однако, в последнее время стали внедряться более эффективные методы контроля, чем радиография. Это интроскопия и томография.
В НПК ЛУЦ создан промышленный интроскоп на базе ускорителя УЭЛВ-10-2Д-40 с детекторной линейкой на кристаллах из вольфрамата кадмия размером 3x3 (мм2). Показано, что при соответствующей компьютерной обработке сигналов с детекторов достигается пространственное разрешение контрастных дефектов до 1 мм, а разрешение по плотности не хуже 1%. Эти результаты получены при просвечивании стали толщиной до 200 мм при граничной энергии фотонов тормозного излучения 8 МэВ.
Радиометрический метод контроля используется и в установках для таможенного контроля контейнеров и транспортных средств на пограничных пунктах. В НПК ЛУЦ действует полномасштабная демонстрационная установка на базе ЛУЭ модели УЭЛВ-40-2Д-40 для просвечивания крупногабаритных контейнеров и автотранспорта. Контейнер сечением 2,5x2,5 м и длиной 6 или 12 м перемещается под пучком фотонов со скоростью 0,3 - 0,4 м/с. Пропускная способность комплекса для контейнеров длиной 12 м - до 20 штук в час. Время считывания информации с одного контейнера до 40 с. Детальное разрешение - лучше 3 мм, а для высококонтрастных объектов - лучше 1 мм. Разрешение по плотности - лучше 1%. В результате компьютерной обработки могут быть получены изображения: позитивное, негативное, в псевдоцветах и с подчеркнутыми контурами. Возможно масштабирование и выделение интересующего таможенного инспектора фрагмента. Все это облегчает идентификацию подозрительного объекта.
Больший объем полезной информации можно получить, если просвечивать контейнер двумя ускорителями с двух сторон, например, сбоку и сверху. Но в НПК ЛУЦ разработано устройство, дающее возможность при использовании одного ускорителя получать стереоизображение. При этом достигается почти тот же результат по выявляемости, что и при использовании двух ускорителей.
Электронный пучок ускорителя "расщепляется" в этом устройстве импульсным разделительным магнитом на 2 потока, которые через ахроматические магнитные системы, сохраняющие поперечные размеры первичного пучка, направляются на 2 мишени. Таким образом формируются 2 потока тормозного излучения, центральные траектории которых направлены под углом 3o к направлению первичного пучка и сходятся в плоскости расположения детекторной линейки. Поле разделительного магнита меняет направление с частотой следования импульсов тока в ускорителе: 50, 100 и 150 Гц. Габаритные размеры устройства: 700x450x210 мм3.
Для контроля содержимого контейнеров меньшего размера, например, авиационных, создана и работает установка, в которой в качестве источника излучения используется импульсный рентгеновский генератор на 350 кВ. Она также рассчитана на работу с линейной системой детектирования.
Эти 2 установки могут быть дополнены установкой для таможенного досмотра багажа. Она представляет собой многофокусный рентгеновский генератор на основе рентгеновской трубки с протяженной мишенью, по которой сканируется пучок электронов со скоростью и с шагом, задаваемым компьютером.
Для решения задач неразрушающего контроля НПК ЛУЦ в настоящее время
изготавливает ЛУЭ трех моделей:
Таблица 1:
|
|
Модель ускорителя | ||
|---|---|---|---|
| УЭЛВ-6-1Д-15 | УЭЛВ-10-2Д-40 | УЭЛВ-15-2Д-80 | |
| Диапазон толщин контролируемых
изделий (по стали, радиография), мм |
|
|
|
| Энергия электронов, МэВ |
|
|
|
| Макс. мощность дозы тормозного
излучения (на 1м), Гр/мин |
|
|
|
| Эффективный диаметр фокуса
на мишени, мм |
|
|
|
С 1979 г. два ЛУЭ моделей ЛУЭ-8-5А и ЛУЭ-15А (на энергию 8 и 15 МэВ) успешно эксплуатируются на месторождении Мурунтау в Узбекистане для фотоактивационного анализа рудных проб на золото и сопутствующие элементы. При взаимодействии фотонов тормозного излучения с ядрами золота образуется изомер золота - 197 m с периодом полураспада 7,2 с, испускающий фотоны с энергией 279 кэВ, которые и регистрируются. Этот метод впервые разработан в России и впервые в мире используется в промышленных масштабах. В нем экспрессность сочетается с высокой чувствительностью. По производительности (1200 анализов в сутки), по чувствительности (порог - 0,4 г/т) и по точности (╠10%) этот метод превосходит все ранее использовавшиеся для этой цели методы [3].
С учетом почти 20-летнего опыта эксплуатации наших ускорителей Навоийский горно-металлургический комбинат (НГМК) планирует создать на одном из новых месторождений золота установку для крупнопорционной сортировки руды непосредственно после выгрузки из автосамосвалов.
Проект предусматривает использование в этой установке ЛУЭ на энергию 8 МэВ при мощности пучка 12 кВт (модель УЭЛВ-8-12А), т.е. в 2 раза более мощного, чем в установках на месторождении Мурунтау. Это позволит не только увеличить про-изводительность установки, но и обеспечит большую представительность и достоверность анализа.
Ускоритель УЭЛВ-8-12А оснащается системой отклонения пучка электронов на 3 направления с разверткой пучка по кругу (эллипсу) или сканированием в полосу перед тормозными мишенями. Предусмотрено управление системой отклонения пучка электронов от ЭВМ, управляющей всем техно-логическим комп-лексом для сортировки руды по содержанию в ней золота.
Успешный опыт НГМК стимулировал создание аналогичных установок для активационного анализа рудных проб на золото в Якутии (Янская геолого-разведочная экспедиция) и в региональной лаборатории активационного анализа в Магадане [4].
Сравнительно низкая граничная энергия фотонов тормозного излучения оказалась оптимальной при возбуждении изомера золота. Но фотоактивационный анализ на такие элементы, как свинец в полиметаллических рудах или кислород в ванадии, ниобии или тантале, на углерод и азот в биологических образцах, чистых металлах и полупроводниках требует более высоких энергий фотонов. Для этих целей в НПК ЛУЦ разработаны линейные ускорители на энергию до 30 МэВ (модели УЭЛВ-30-3Р и УЭЛВ-30-15Р2).
Возможности лаборатории активационного анализа с ЛУЭ можно существенно расширить, если наряду с тормозным излучением использовать и нейтроны. При энергии электронов 30 МэВ и токе около 500 мкА при использовании уранового конвертера.
Эти же ускорители могут весьма эффективно применяться и для производства короткоживущих радионуклидов для промышленности и медицины. Причем при фотоядерных реакциях получают радионуклиды более чистые, чем при реакциях с тяжелыми частицами [5]. Особенно это существенно при использовании их в медицине. Выход радионуклидов при фотоядерных реакциях ниже, чем в циклотронах, однако при тех мощностях, которые обеспечивают ЛУЭ, и при работе на обогащенных мишенях он вполне достаточен для удовлетворения практических нужд. Так при использовании мишени из ксенона-124 с обогащением 99% на ускорителе УЭЛВ-30-15Р2 при работе в режиме 25 МэВ можно производить иод-123 в количествах, обеспечивающих потребности крупного региона. Возможно получение на этом ускорителе и радионуклидов диспрозия-159, тербия-155, туллия-167 и др. В настоящее время в НПК ЛУЦ в рамках единой серии разработаны четыре модели линейных ускорителей для активационного анализа, работающих на низковольтных клистронах КИУ-111 (5 МВт, 5 кВт) и КИУ-147 (5 МВт, 25 кВт) (таб.2).
Таблица 2:
|
|
|
Модель ускорителя | |||
|---|---|---|---|---|---|
| УЭЛВ-8-12А | УЭЛВ-15-8А | УЭЛВ-30-15Р2 | УЭЛВ-30-3Р | ||
| Энергия электронов | МэВ | ||||
| Ср. мощность пучка ускор. эл-нов | кВт | ||||
| Выход фотонов | Гр/мин на 1м | ||||
Таблица 3:
|
|
|
Модель ускорителя | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| УЭЛВ-5-15Т | УЭЛВ-8-15С1 | УЭЛВ-8-15С2 | УЭЛВ-10-30 | УЭЛВ-8-2С | ||
| Энергия электронов | ||||||
| Пределы регулирования энергии электронов | ||||||
| Максимальная мощность пучка | ||||||
| Размер поля облучения | ||||||
| Положение излучателя | ||||||
При дозах облучения 100-200 кГр процесс становится экономически выгодным, если мощность ускорителя составляет 100 кВт и более. Но в большинстве радиационно-технологических процессов достаточны дозы облучения в 15-25 кГр и можно вполне ограничиться ускорителем мощностью 10-30 кВт. Такие ЛУЭ разработаны и выпускаются в НПК ЛУЦ. Первые образцы ускорителей на 5-8 МэВ со сканированием электронного пучка в полосу были установлены в период с 1963 по 1975 годы в НИИ пластмасс, в НИИ шинной промышленности, во ВНИИРТ, в институте биофизики и др., где использовались для отработки регламентов различных радиационно-технологических процессов. Но уже в 1972-76 гг. 2 ЛУЭ на 8 МэВ с мощностью пучка 5-7 кВт были поставлены на комбинат "Синтез" в г. Кургане, где до сих пор работают на конвейерной линии по производству изделий медицинского назначения. В 1971 г. ЛУЭ на 15 МэВ (10 кВт в пучке) был поставлен в радиационный центр в Варшаве (Польша). Этот ускоритель также работает до сих пор. На нем ведется коммерческое облучение различных изделий не только для Польши, но по заказам ряда европейских стран. Основное направление работ в этих центрах - электронно-лучевая стерилизация.
В 1977 г. ЛУЭ на 8 МэВ (5 кВт в пучке) был поставлен на завод изоляционных материалов и пластических масс в Будапеште (Венгрия), где до сих пор используется для радиационной обработки кабельной продукции.
Весьма эффективно используются ускорители ЛУЭ-8-5В для коммерческого облучения различной продукции в радиационных центрах в Институте биофизики (Москва), в НИИ пластмасс (Москва), в НПП "Корад" (С-Петербург).
В ряде указанных центров ЛУЭ работают практически круглосуточно, но они давно выработали гарантированный ресурс и требуют модернизации или замены ускорителями нового (третьего) поколения.
В настоящее время НПК ЛУЦ выпускает для радиационной обработки различных изделий, материалов и продуктов линейные ускорители 5 моделей. Все они питаются от клистронов КИУ-111 и КИУ-147 (см. табл. 3).
На базе 2,5-мегаваттных магнетронов нами проектируется установка для радиационной стерилизации больничного белья, перевязочных материалов, перчаток и других медицинских изделий многоразового использования непосредственно в клиниках. Она снабжена локальной радиационной защитой и может быть установлена на место используемых в клиниках малопроизводительных, неэкономичных, менее эффективных парожаровых и газовых стерилизаторов. Для одновременного облучения упаковок, стерилизуемых электронным пучком изделий с двух сторон в установке будут работать 2 ускоряющие секции от одного генератора с системой переключения вч мощности на 2 канала. Энергия электронов - 3 МэВ при токе 200-300 мкА.
Проектируется и ускоряющая система на стоячей волне на 9 МэВ, которая также будет работать на 2,5 МВт-магнетронах.
Продолжаются работы по совершенствованию ускоряющих структур. Одним из направлений является создание комбинированной ускоряющей структуры с оптимизированным многорезонаторным группирователем [6]. В волноводном ускорителе на бегущей волне особенности конструкции волновода и конфигурации ускоряющего поля ограничивают возможности получения в коротком группирователе электронных сгустков высокого качества. В комбинированной структуре начальная ее часть работает в режиме стоячей волны, а конечная часть в режиме бегущей волны. Такой способ возбуждения достигается тем, что входной конец ускоряющей структуры закорочен по высокой частоте, выходной конец нагружен на согласованную нагрузку, а в.ч. генератор подключен к структуре также, как в ускорителях со стоячей волной, т.е. через одну из промежуточных ускоряющих ячеек, выполняющих функции ТТВ. Резонаторная структура на стоячей волне с соосными ячейками связи, возбуждаемая на ¶/2 типе колебаний, работает как многорезонаторный клистронный группирователь и позволяет формировать электронные сгустки с малой фазовой протяженностью и, как следствие, получить на выходе 15-мэвного ускорителя (при условии стабильности параметров систем питания) пучки с энергетическим разбросом на полувысоте спектральной кривой не более 150 кэВ. Такая структура создана, успешно прошла "холодные" испытания и в ближайшее время будет испытана с пучком. Разрабатывается и другой вариант комбинированной структуры, сочетающей стабильность поля в начале структуры при изменении тока пучка, как это имеет место в диафрагмированном волноводе, с высоким шунтимпедансом ускоряющих структур с отрицательной дисперсией [7]. Основной участок этой структуры - известная периодическая цепочка W-образных ячеек с оптимизированной геометрией по Zэфф. при рабочем типе колебаний 5¶/6. Получены расчетные значения Zэфф. =87.1 МОм/м и собственной добротности Q=18200 при f=2.45 ГГц.
Разработана и успешно функционирует новая система регулирования энергии ускоряемых частиц. Простейший способ регулирования энергии - изменение нагрузки пучком - приводит к существенному ухудшению энергетического спектра электронов. В ряде ускорителей НПК ЛУЦ на стоячей волне этот недостаток устранен. Регулирование энергии осуществляется с помощью фазосдвигающей ячейки в средней части ускоряющей структуры за счет "переброса фазы".
Наряду с усовершенствованием ускорительной техники в НПК ЛУЦ ведутся работы по поиску новых областей использования радиационных технологий.
Совместно с ВО ВНИПИЭТ разработана комплексная установка для очистки сточных вод больничных комплексов. В радиационно-химических реакторах пучком электронов с энергией 6-8 МэВ от двух линейных ускорителей производится дезинфекция и дегельминтизация больничных стоков и одновременно очистка их от поверхностно-активных веществ и фарм-препаратов. Производительность установки 50 м3 в сутки при дозе до 10 кГр [8].
В плане отработки новых радиационно-технологических процессов были проведены исследования по оптимизации способов и условий стерилизации вращающихся бревен пучком тормозного излучения с энергией до 8 МэВ [9]. Разработана и практически используется методика облучения электронами с энергией до 8 МэВ полимерных изоляторов с целью повышения их механической и термической прочности.