МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, В.И. Каминский, С.В. Куцаев, Н.П. Собенин

КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИНСПЕКЦИИ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ГРУЗОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

1

УДК 621.384.6(075) ББК 32.85я7 К63

Комплексы для инспекции элементного состава грузов на основе линейных ускорителей электронов / А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, В.И. Каминский, С.В. Куцаев, Н.П. Собенин. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. − 148 с.

Описаны методы разработки и создания радиационных комплексов интроскопии объектов со сложной внутренней структурой и элементным составом. Основным назначением таких комплексов является таможенный досмотр крупногабаритных грузов для обнаружения запрещенных вложений. Рассмотрено состояние проблемы и требования, предъявляемые к комплексам. Обсуждаются физические процессы, обеспечивающие радиационную интроскопию объектов, причины, накладывающие ограничения на чувствительность и избирательность идентификации запрещенных объектов. Приведены типичные схемы реализации инспекционных комплексов, предложенные зарубежными и российскими разработчиками. Значительное внимание уделено исследованию характеристик ускоряющих структур на бегущей и стоячей волне для ускорителей электронов, предназначенных для инспекционных комплексов. Сравнены характеристики ускоряющих структур, работающих в диапазонах частот 3 ГГц (S-диапазон) и 5 ГГц (С-диапазон). Приведены структурные схемы и характеристики создаваемых инспекционных комплексов. Описаны важнейшие компоненты комплексов, их технические и эксплуатационные характеристики.

Книга содержит систематизированные данные по публикациям о современных инспекционных на базе ускорителей электронов, предназначенных для таможенного досмотра крупногабаритного груза. Приводятся также оригинальные результаты, полученные авторами при разработке комплексов, их компонентов, новые данные, полученные по исследованиям ускоряющих структур для радиационных источников инспекционных комплексов.

Книга может быть использована в курсах лекций «Ускорители заряженных частиц», «Ускоряющие структуры», «Электроника СВЧ» для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», а также может быть полезна аспирантам, научным работникам и специалистам, занимающимся интроскопией изделий, ускорительной техникой, радиофизикой, электродинамикой.

Книга подготовлена в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент: кандидат технических наук А.В. Грызлов

2

ВВЕДЕНИЕ

Решение задачи инспекции элементного состава грузов базируется на развитии методов радиационной интроскопии. Задача получения внутреннего изображения объекта с помощью потоков тормозного излучения была поставлена в ходе развития тяжелого машиностроения. Объектами такого машиностроения являются крупногабаритные изделия из стали и других металлов, имеющие однородную внутреннюю структуру (лопатки турбин, корпуса реакторов и др.). При этом важнейшим требованием к установкам для интроскопии изделий является их чувствительность по выявлению внутренних дефектов, существенно влияющих на надежность изделия и долговечность его эксплуатации. Это требование нашло свое отражение в применяемом наименовании исследования внутренней структуры изделий, которое называется также дефектоскопией крупногабаритных изделий [В.1,В.2].

Параллельное развитие находят методы неразрушающего исследования внутренней структуры объекта, заведомо обладающего неоднородным составом как по форме, так и по элементному составу. Актуальность развития этого направления неразрушающего контроля крупногабаритных объектов обусловлена необходимостью качественного контроля грузов и транспортных средств как при межгосударственных, так и внутренних перевозках.

Для проведения интроскопического контроля могут применяться различные типы излучения: ультразвуковое, высокочастотное электромагнитное, рентгеновское, тормозное высокой энергии (гамма-излучение). Каждый из видов излучения имеет границы оптимального применения. При габаритных размерах исследуемого объекта, превышающих метр, и материале внешнего корпуса, состоящего из стали, единственным возможным методом контроля является интроскопия с помощью интенсивного потока тормозного излучения высокой энергии

[В.3].

В отличие от дефектоскопии крупногабаритных изделий при инспекции грузов чувствительность выявления внутренних объектов с малыми геометрическими размерами может не

3

достигать предельных значений, так как возможные объекты контрабанды, как правило, имеют достаточно большие габариты. Для инспекционных установок более важной характеристикой является чувствительность выявления элементного состава внутренних объектов груза. К элементам, представляющим наибольший интерес, относятся как легкие (азот), так и тяжелые (уран и другие). Это обусловлено важнейшей задачей инспекции – выявлением взрывчатых веществ, наркотиков, делящихся материалов. Указанные требования к инспекционным установкам определяют их конструктивные особенности.

Методы определения элементного состава крупногабаритных объектов со сложной внутренней структурой интенсивно развиваются целым рядом организаций и фирм в различных странах. Подробный обзор и анализ методов радиационного контроля объектов с помощью линейных ускорителей приведен в работе [В.4]. Рассмотрены установки на базе ускорителей электронов, протонов, ионов, генерирующие потоки тормозного излучения, нейтронов для целей определения внутренней структуры и элементного состава изделий и объектов.

В настоящей книге рассматривается один из типов интроскопических комплексов, а именно комплексы на базе ускорителей электронов, предназначенные для инспекции крупногабаритных грузов.

Известные расчетные и экспериментальные исследования комплексов указанного типа показали, что наилучшие результаты по определению элементного состава объекта достигаются при просвечивании потоками тормозного излучения с двумя и более граничными энергиями [В.5]. Максимальная энергия тормозного излучения должна составлять 15 – 20 МэВ. Генерация тормозного излучения осуществляется ускоренным пучком электронов на конверсионной мишени. Как показывает технико-экономический анализ [В.1,В.2], наилучшими характеристиками обладают линейные ускорители электронов на бегущей либо стоячей волне. Установки этого класса имеют относительно небольшие габариты и массу, в них возможно значительное применение серийно выпускаемых компонентов: питающего генератора, элементов системы питания, вакуумного оборудования и др.

4

Основное внимание при создании установки прикладного применения должно быть уделено ускоряющей структуре. Исходя из требований к параметрам ускоренного пучка – его энергии и току – должен быть осуществлен выбор оптимального типа структуры, рассчитаны ее геометрические размеры, другие конструктивные параметры.

В предлагаемой книге значительная часть материала посвящена расчету характеристик ускоряющих структур на стоячей и бегущей волне, обеспечивающих получение пучков с энергией от 4 до 20 МэВ. Рассмотрены варианты ускоряющих структур, работающих в двух частотных диапазонах (3 и 5 ГГц). Проведен сравнительный анализ характеристик структур, позволяющий сделать выбор оптимальных вариантов для каждого конкретного применения.

При проведении исследования ускоряющих структур рассмотрены структурные схемы инспекционных комплексов, возможные варианты их конструктивного исполнения. Полученные характеристики пучка позволяют осуществить расчет и проектирование ряда важных систем комплекса: конверсионной мишени, систем регистрации излучения, обработки получаемого изображения, радиационной защиты и др. В настоящей книге рассмотрены пути решения этих вопросов, предложены и апробированы конкретные варианты элементов и узлов комплексов.

Книга подготовлена на основе анализа литературных данных по заявленной проблеме, на основе личного опыта авторов по проведению научно-исследовательских работ, участия авторов на протяжении многих лет в международных конференциях по ускорителям заряженных частиц, а также на основе курсов лекций, читаемых студентам НИЯУ МИФИ.

5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

ИТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

ККОМПЛЕКСАМ

1.1.Инспекция грузов

Системы радиационной инспекции объектов являются одним из развивающихся направлений интроскопии крупногабаритных изделий. Радиационная интроскопия (дефектоскопия) активно развивается с середины XX века. Это обусловлено интенсивным развитием машиностроения, энергетики, особенно атомной. При создании мощных турбин, генераторов, атомных реакторов существует необходимость контроля крупногабаритных толстостенных изделий из стали, других материалов. В этих изделиях определяются внутренние дефекты, возникающие при их отливке, механической обработке, сварке. Размеры дефектов (раковины, полости, щели, неоднородности материала), подлежащих определению, должны быть не более нескольких миллиметров в толщинах 50 – 60 см [1.1, 1.2].

Для решения этой задачи, как правило, применяются ускорители заряженных частиц. Первоначально основным типом ускорителя для радиационных дефектоскопов являлся бетатрон. Ускоритель этого типа имеет достаточно простую конструкцию, надежен в эксплуатации. Его основными недостатками являются достаточно большая масса, малая интенсивность ускоренного тока. Начиная с 70-х годов XX века в дефектоскопии все большее применение стали находить линейные резонансные ускорители электронов с бегущей и стоячей волной. Ускорители этого типа обеспечивают высокую интенсивность радиационного излучения, обладают массогабаритными характеристиками, позволяющими размещать их на подвижных платформах. С учетом этих преимуществ в современных дефектоскопических комплексах резонансные линейные ускорители являются наиболее распространенными и применяемыми.

Параллельно с дефектоскопией крупногабаритных промышленных изделий активно развивается радиационная инспекция объектов, имеющих сложную внутреннюю структуру, как по конструкции, так и по элементному составу.

6

Необходимость решение этой задачи обусловлена развитием перевозок грузов, подлежащих таможенному контролю, усложнением проблем определения причин техногенных аварий, обострением антитеррористической борьбы. Инспектируемым объектом может быть любой контейнер от ручной клади пассажира до транспортного двадцатифутового CARGO контейнера, при инспекции которого необходимо получить подробную картину его содержимого и определить материалы, из которых состоит объект и его компоненты. Цель инспекции состоит в идентификации внутренних компонентов объекта и проверки их соответствия таможенной декларации. При этом в отличие от дефектоскопии не всегда требуется очень высокая точность определения размеров внутренних элементов объекта. Необходимым является получение рентгенографического изображения содержимого объекта и классификация его элементов

ивеществ по группам:

•материалы с малым атомным номером Z – органические материалы, например, такие как взрывчатка, наркотики;

•материалы со средним атомным номером Z – неорганические материалы;

•материалы с большим атомным номером Z>72, например,

такие как делящиеся материалы (уран, плутоний) и контейнеры радиационной защиты для них (свинец).

Для лучшей идентификации может использоваться двухпроекционное рентгенографическое изображение либо трехмерное томографическое изображение. При этом процедура получения интроскопического изображения должна занимать ограниченное время, определяемое большим темпом работы таможенных постов.

Схематически рентгенографическое изображение получается следующим образом. Пучок ускоренных электронов из ускорителя попадает на конверсионную мишень, где он преобразуется в тормозное излучение. Тормозное излучение распространяется из конверсионной мишени во все стороны, но с разной интенсивностью. С ростом энергии электронов доля тормозного излучения в направлении пучка электронов возрастает.

7

Конверсионная мишень окружена коллиматором с узкой щелью. Тормозное излучение выходит из коллиматора тонким веерным пучком, который пронизывает (сканирует) инспектируемый объект так, что веер пучка перекрывает все сечение объекта.

С обратной стороны инспектируемого объекта находится массив детекторов, расположенных таким образом, чтобы принять все тормозное излучение, прошедшее через сечение инспектируемого объекта.

Наличие вещества в инспектируемом объекте на пути тормозного излучения приводит к уменьшению его интенсивности, которое измеряется детектором.

Один импульс электронного пучка длительностью до 10 мкс создает веерный пучок тормозного излучения, пронизывающий одно сечение инспектируемого объекта. Это тормозное излучение, ослабленное в материале инспектируемого объекта, детектируется в массиве детекторов. Сигналы из детекторов направляются в компьютер, где они преобразуются в рентгенографическое изображение данного сечения. Инспектируемый объект движется перпендикулярно плоскости сканирования. При этом импульсы ускоренных электронов с частотой 100-300 Гц позволяют последовательно получить рентгенографические изображения сечений объекта, из которых программное обеспечение компьютера формирует рентгенографическое изображение всего объекта.

Ниже рассмотрены физические процессы, происходящие при радиационной инспекции грузов.

1.2.Генерирование тормозного излучения

Ускоренные электроны, проходя вблизи атомного ядра конверсионной мишени, меняют направление движения и передают часть энергии ядру [1.2, 1.3]. Интенсивность излучения зависит от энергии и тока электронов, материала и толщины мишени (рис. 1.1).

Интенсивность излучения растет примерно пропорционально квадрату заряда ядра мишени Z. Наиболее подходящими материалами для мишени являются вольфрам (Z=74), тантал

8

(Z=73), а также другие тяжелые металлы. Вольфрам и тантал имеют высокую температуру плавления, в частности, у вольфрама она составляет 3410°С, поэтому применение этих металлов позволяет повысить плотность пучка и уменьшить диаметр фокусного пятна. Это важно для повышения разрешающей способности рентгенографии исследуемых объектов как при дефектоскопии изделий, так и при инспекции объектов со сложной внутренней структурой.

Рис.1.1. Зависимости мощности дозы тормозного излучения от энергии первичного пучка электронов

С увеличением толщины мишени растет доля энергии пучка, переходящая в тормозное излучение, однако возрастает поглощение тормозного излучения в материале мишени. Оптимальная толщина вольфрамовой мишени при энергии пучка электронов 3 – 10 МэВ составляет около 1 мм. Угловое распределение тормозного излучения, отнесенное к мощности пучка электронов, показано на рис. 1.2. С ростом энергии электронов излучение распространяется вперед в более узком угле.

9

Для релятивистских частиц этот угол равен 1/γ, где γ − энергия электронов, нормированная на энергию покоя электрона.

Рис. 1.2. Диаграмма направленности (а) и угловое распределение (б) тормозного излучения из конверсионной мишени с большим Z

Тормозное излучение, образующееся в результате взаимодействия пучка ускоренных электронов с материалом конверсионой мишени, не является монохроматичным. Энергетические спектры тормозного излучения в осевом направлении при разных значениях энергии монохроматичного пучка электронов Ee приведены на рис.1.3.

10