Разработка прототипа сканирующей неразрушающей системы с

«Разработка прототипа сканирующей
неразрушающей системы с высоким
разрешением на основе линейного
ускорителя электронов для досмотра
крупногабаритных грузов»
Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкеpа Сибирского отделения Российской
академии наук (ИЯФ СО РАН)
Цели и решаемые задачи проекта
1. Разработка ускоряющей структуры с простым, с точки зрения
реализуемости, дешевым и быстрым способом изменения
энергии электронного пучка в ускорителе без существенных
изменений качества пучка
2. Разработка инжектора,
сканирующей установки
который
будет
пригоден
для
3. Разработка компактной фокусирующей системы
4. Оптимизация всех элементов линейного ускорителя
5. Разработка детекторной системы для сканирующей установки
6. Анализ работы прототипа сканирующей установки
Ускоряющая структура с параллельной связью
1 – ускоряющие резонаторы, 2 – реактивные штыри, 3 - отверстия связи, 4 –
магнитопровод, 5 - постоянные магниты с радиальной намагниченностью, 6 –
возбуждающий резонатор, 7 - элементы ввода СВЧ мощности
Изготовленная ускоряющая структура с
параллельной связью
Патент:
Черноусов Ю. Д., Иванников В. И.,
Шеболаев И. В., Левичев А.Е,
Павлов В.М. Ускоряющая
структура с параллельной связью.
Патент на изобретение, №
RU2472244C1, Б.И. 10.01.2013,
№1
Измерения полей ускоряющей структуры
Распределение продольной
компоненты магнитного поля на оси
ускоряющих резонаторов
Железное ярмо элемента фокусирующей
системы ускоряющей структуры
U(t), [В]
0,50
Мощность клистрона 2.6 МВт
0,45
сигнал падающей мощности
0,40
0,35
0,30
сигнал отраженной
мощности
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
t, [мкс]
Распределение электрического поля на оси
ускоряющих резонаторов при мощности клистрона 2
МВт
Осциллограмма падающего и отраженного сигнала
от ускоряющей структуры при мощности клистрона
2.6 МВт
Инжекционная система
Электронная пушка. 1-катодно-сеточный
узел, 2- изолятор (керамика 22 ХС), 3 – порты
для откачки вакуума, 4 – группирующий
резонатор. 5 – согласующий соленоид
Осциллограмма импульса тока пушки
амплитудой 220 мА.
Инжектор - электронная пушка с СВЧ управлением тока пучка на базе СВЧ триода:
•
•
Рабочее напряжение – до 60 кВ.
Импульсный ток пучка – до 1 А.
Волноводное вакуумное окно
Волноводное баночное окно без
рубашки охлаждения
Зависимость коэффициента отражения
волноводного баночного окна от частоты
Коаксиальный ввод антенного типа
Коэффициент прохождения СВЧ сигнала
S21 и коэффициент отражения S11 от
коаксиального ввода антенного типа
1 – коаксиальный ввод антенного
типа, 2 – измеритель S-параметров
Патент: Черноусов Ю. Д., Иванников В. И., Шеболаев И. В.,
Левичев А.Е, Павлов В.М., Барняков А.М. СВЧ-ввод антенного
типа. Патент на изобретение, № RU2479896C1, Б.И. 20.04.2013,
№11.
Детекторная система с 64 каналами
Фотография детекторной системы с
установленными четырем
двойными линейками фотодиодов и
с тремя кристаллами
Фотография детекторной системы с
установленной электроникой
Фотография двойной
линейки фотодиодов
Тестирование ускоряющей структуры с параллельной связью
Iп/Iэм, [%]
50
45
40
35
30
25
20
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Мощность клистрона, [МВт]
Зависимость отношения тока эмиссии к
выходному току ускорителя от
мощности клистрона
Осциллограмма огибающей
импульса тока на выходе
ускорителя во время пробоя в
одном из резонаторов
Ускоренный ток электронов на выходе ускорителя
Осциллограммы импульсов: 1 – осциллограмма
поступающего от генератора сигнала, 2 –
осциллограмма отраженного от ускоряющей
структуры сигнала, 3 – осциллограмма огибающей
тока на выходе ускорителя с амплитудой 300 мА,
энергией 4 МэВ, током эмиссии 700 мА
Осциллограмма тока эмиссии и тока на выходе
ускорителя: 3 – ток эмиссии с амплитудой 100 мА, 4 –
ускоренный ток с амплитудой 100 мА и энергией 2.5
МэВ
Профиль пучка
Профиль пучка
Заключение
Выбрана наиболее оптимальная ускоряющая структура и инжекционная система ускорителя – ускоряющая структура с
параллельной связью и электронная пушка на основе СВЧ триода ГС-34 с возможностью СВЧ управления током пучка.
2.
Рассчитаны параметры ускоряющей структуры с инжектором. Получены основные данные об отверстиях связи, величине
коэффициентов связи и мощностей, поглощаемых в ускоряющих и возбуждающем резонаторах.
3.
Разработана компактная фокусирующая система ускорителя, которая представляет из себя постоянные магниты с радиальной
намагниченностью.
4.
Изготовлена инжекционная система.
5.
Изготовлена ускоряющая структура с параллельной связью.
6.
Проведено патентное исследование.
7.
Произведена настройка ускоряющей структуры с инжекционной системой ускорителя.
8.
Оптимизированы параметры ускоряющей структуры при низком уровне СВЧ мощности. Частоты ускоряющих резонаторов
настроены на уровне 30 кГц. Измеренные коэффициенты связи позволили установить мощность, поступающую в ускоряющие
резонаторы на уровне 80% от мощности генератора.
9.
Оптимизированы параметры инжектора.
10. Оптимизированы параметры СВЧ стенда для тестирования ускоряющей структуры при большом уровне СВЧ мощности.
Получена мощность до 3 МВт.
11. Выбрана наиболее оптимальная детекторная система.
12. Спроектирована детекторная система гамма-квантов на основе тяжелых сцинтилляционных кристаллов и полупроводниковых
фотоприемников.
13. Изготовлена детекторная система, которая состоит из 64 каналов.
14. Оптимизированы параметры детекторной системы.
15. Оптимизированы работы линейного ускорителя совместно с детекторной системой.
16. Изучены результаты работы прототипа сканирующей системы. Ускоритель электронов на основе ускоряющей структуры с
параллельной связью обеспечивает энергию пучка до 4 МэВ. Предложенный инновационный способ подачи СВЧ мощности в
ускоряющие резонаторы параллельно совместно с фокусирующей системой на основе постоянных магнитов приводит к малой
зависимости тока пучка от его энергии. Это дает возможность быстро переключать энергию пучка без существенного ухудшения
выходного тока. Измеренный диаметр пучка на выходе ускорителя составляет не более 1,5 мм. Изготовленный инжектор
ускорителя выдает импульсный ток с амплитудой до 0,7 А и энергией до 50 кэВ. Разработана детекторная система гаммаквантов на основе тяжелых сцинтилляционных кристаллов и полупроводниковых фотоприемников, которая оптимизирована для
работы с созданным ускорителем. Произведено макетирование детектора с количеством каналов не меньше 64.
17. Разработана программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
18. В ходе выполнения НИР был разработан и изготовлен прототип макета сканирующей неразрушающей установки для
исследования крупногабаритных грузов.
1.