Ee2 .

измеренных детектором при двух различных энергиях Ee1 и

Следующие два уравнения позволяют определить две неизвестные величины ρm и Z:

K1		= KZ1 (ρm)		,	(1.5)
	2	2	(ρm)
K		= KZ

где KZ1 (ρm) и KZ2 (ρm) − коэффициенты передачи тормозного

излучения для каждой энергии.

Поскольку спектральная функция S(Eγ) зависит от углового

положения детектора ϕ, коэффициенты передачи тормозного излучения KZ1 (ρm) и KZ2 (ρm) − уникальны для каждого детектора.

Следующим этапом является процедура сегментации, обеспечивающая получение соответствия распределения атомных номеров в объекте структуре имеющегося изображения. Визуализация цвета поглощающего материала и его атомного номера осуществляется с помощью схемы преобразования насыщенности изображения в цветовое изображение. Наиболее полная экспериментальная проверка расчетных результатов осуществлялась в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в полномасштабных прототипах таможенной инспекционной системы на энергию 8 МэВ [1.6].

1.7. Основные параметры и понятия инспекционного комплекса

Контрастная чувствительность – мера возможности различать разность толщины материала по отношению к окружающему материалу. Контрастная чувствительность выражается как процентное изменение толщины однородного материала, которая минимально восприимчива оператором.

Пространственное разрешение – способность системы различить детали в плоскости изображения, описанная как длина в миллиметрах, либо как иная величина длины (например, число линий на миллиметр).

22

Разрешение изображения – рентгенографическая возможность различить отдельные части объекта на основе геометрических форм или выделения контура в изображении.

Динамический диапазон – мера диапазона толщины, который может быть получен в любом одиночном изображении без вмешательства оператора и без обработки изображения. Динамический диапазон выражается как отношение максимальной и минимальной толщин, которые могут быть одновременно на одном изображении.

Максимальное проникновение – максимальная толщина стали, за которой система может различить изображение инспектируемого объекта, в том числе как темная тень на краю.

Производительность – число похожих объектов (например, стандартный ISO 40-футовый CARGO контейнер, установленный на трейлере, присоединенном к грузовику), которое может быть обработано за 1 час.

Время инспекции – время инспекции одного из похожих объектов (например, стандартный ISO 40-футовый CARGO контейнер, установленный на трейлере, присоединенном к грузовику) [мин./объект], начиная с момента сканирования и до момента, когда следующий объект будет готов к сканированию.

Время сканирования – время выполнения радиографического сканирования объекта инспекции, состоящего из контейнера и грузовика включая получение радиографического изображения для анализа контрабанды и определение большого Z.

Интеллектуальный анализ изображения – компьютерный процесс автоматической идентификации материалов контрабанды, например, таких как наркотики, оружие, взрывчатка, делящиеся материалы.

Автоматический анализ большого Z – автоматический компьютерный процесс анализа ослабления высокоэнергетического тормозного излучения в CARGO контейнере или в грузовике для идентификации содержания материалов с большим Z.

Сигнал большого Z – сигнал обнаружения материала с большим Z, в то время как этот материал действительно имеется в инспектируемом объекте.

23

Ошибочное обнаружение материала с большим Z – получение сигнала автоматической системы об обнаружении материала с большим Z, в то время когда его в инспектируемом объекте нет.

Инструменты улучшения изображения и анализа – оборудование и программы, позволяющие проводить немедленный или удаленный анализ сканированного изображения, такие как масштабирование, выделение контура объекта, реверсирование белого и черного, псевдоцвет, фильтры (сглаживание, рельеф, обострение, удаление шума и т.д.), измерение объекта (получение размера объекта в изображении), возврат изображения в исходное состояние, анализ интересующей области изображения, сравнение изображений, комментарии к изображению, сохранение изображений, загрузка сохраненного изображения, печать изображения.

Сигнал о недостаточном проникновении – индицирует недостаточную проникающую способность в инспектируемом объекте (большие толщина и Z).

24

Глава 2. СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНСПЕКЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Радиационные инспекционные комплексы разрабатываются в ряде исследовательских организаций различных стран мира. Все они базируются на применении ускорителей электронов с несколькими значениями выходной энергии пучка. Энергия электронов преобразуется в тормозное излучение, которое непосредственно применяется для инспекции крупногабаритных объектов со сложным элементным составом. Ниже описаны некоторые инспекционные комплексы, обсуждаются их типичные технические и конструктивные характеристики, указывается степень их готовности к коммерческой реализации.

2.1.Система инспекции

вИнституте ядерных исследований (Италия)

ВИнституте ядерных исследований (INFN - Gruppo Collegato di Messina) создан прототип радиографической томографической системы на базе линейного ускорителя с энергией 5 МэВ [2.1]. В ускорителе предполагается обеспечить режимы с двойной энергией для проведения исследований по распознаванию структуры материалов инспектируемых объектов.

Были проделаны предварительные расчеты для оценки энергий электронов, достижимых в ускорителе. В соответствии с теоретическими исследованиями прохождения тормозного излучения со спектрами, соответствующими двум энергиям пучка электронов, было показано, что возможно распознавание структуры материалов в созданном радиографическом томографическом комплексе.

Источник излучения разработан INFN − Gruppo Collegato di Messina и базируется на линейном ускорителе электронов, работающем в S-диапазоне. Характеристики ускорителя приведены в работах [2.1, 2.2].

Ускоряющая секция выполнена на основе бипериодической структуры с ячейками связи на оси. Источником мощности является перестраиваемый магнетрон. Регулировка тока пучка и

25

мощности магнетрона дает два свободных параметра, позволяющие перестраивать энергию электронов.

Электроны выводятся из ускорителя через фольгу из титана толщиной 50 мкм. Пучок имеет диаметр 2 мм на выходе ускорителя. Конвертер электронного пучка в тормозное излучение расположен на расстоянии 2 мм от выходного окна. Характеристики конвертора рассчитаны с помощью программы MCNP4C2 [2.3] таким образом, чтобы получить наибольший выход тормозного излучения.

Специально разработанная коллимационная система обеспечивает пятно излучения диаметром 16 см в плоскости поверхности исследуемого образца.

Для получения радиографического изображения на выходе комплекса установлена система приема изображения, состоящая из сцинтилляторного экрана и видеокамеры. Разрешение камеры составляет 768×512 пикселей, размер пикселя 9×9 мкм2, темновой ток менее 10 пА/см2 при 25°С. Сцинтилляторный экран состоит из GOS сцинтиллятора, размером 300×400 мм2 и толщиной 1,1 мм. Для защиты от радиационного потока камера расположена под углом 90° по отношению к оси пучка и на расстоянии 100 см от зеркала, отражающего изображение, формируемое на сцинтилляторе.

Система находится на стадии конструирования и изготовления опытного образца.

2.2. Система таможенного контроля в университете

Tsinghua (Китай)

Системы радиационной инспекции грузов нашли достаточно широкое развитие в Китае. Ведущим разработчиком таких систем является университет Tsinghua. Создание установок осуществлялось совместно с компанией Tsinghua Tongfang Co. Ltd. В настоящее время разработаны и внедрены три типа инспекционных систем с постоянной энергией тормозного излучения на базе ускорителей.

Первая система использует линейный ускоритель электронов на энергию 9 МэВ с ускоряющей структурой с бегущей волной, работающий в S-диапазоне. Во второй системе применяется

26

ускоряющая структура на энергию 6 МэВ со стоячей волной, работающая в S-диапазоне. В третьей системе используется линейный ускоритель на энергию 2,5 МэВ с ускоряющей структурой со стоячей волной, работающей в Х-диапазоне.

Семь систем первого типа установлены в таможенных пунктах. Они названы установками стационарного типа, так как располагаются в специальных зданиях, оборудованных биологической защитой. Второй тип установки назван установкой комбинированного типа, располагающейся в помещении с местной радиационной защитой. Третий тип установки является мобильным комплексом, размещаемым на передвижной автомобильной платформе. Созданы и используются при таможенном досмотре по четыре установки второго и третьего типов.

Дальнейшее развитие инспекционные системы получили при создании установок с двумя энергиями тормозного излучения. Установка THSCANFS3000 (рис.2.1), использующая этот принцип, удовлетворяет требованиям обеспечения быстрой радиационной интроскопии грузов [2.4, 2.5]. Установка позволяет провести инспекцию 200 – 400 контейнеров в час при скорости их движения в зоне контроля 3,6 – 15 км/ч. В установке применена ускоряющая структура со стоячей волной.

Рис.2.1. Общий вид инспекционной установки

27

При разработке установки должны быть решены две важные проблемы.

Первая – быстрое включение пучка. Обычно включение пучка и обеспечение его номинальных параметров требует не менее 5 с. При этом перемещаемый груз будет сканирован нестабильным пучком.

Вторая – наличие водителя в кабине. При движении автомобиля через зону контроля пучок должен быть включен, когда кабина водителя минует непосредственную зону контроля с большими радиационными полями.

Осуществлено конструирование ускорителя с временем включения менее 5 макроимпульсов (около 0,1 с), при котором обеспечены стабильные параметры пучка. Другой решенной проблемой является изменение частоты импульсов излучения в зависимости от скорости перемещения груза. При постоянной частоте импульсов излучения и переменной скорости перемещения груза изображение будет растянуто либо сжато

(рис.2.2).

Рис. 2.2. Изображения объекта при различных скоростях его перемещения

Сравнивая изображения, получаемые при просвечивании объекта излучением с различной энергией, можно определить распределение материалов с различным атомным номером внутри объекта [2.6]. Для проведения такого просвечивания объектов применяется ускоритель, генерирующий попеременно

28

чередующиеся импульсы электронов с высокой и низкой энергией. Разделение между импульсами составляет не более 4 мс, при этом пучки электронов с высокой и низкой энергиями просвечивают практически одну и ту же часть исследуемого объекта. В ускорителе в качестве источника СВЧ мощности применяется магнетрон, что делает установку более компактной по сравнению с установкой на базе клистрона. Энергия электронов на выходе ускорителя составляет 6 и 9 МэВ (рис.2.3).

Рис.2.3. Общий вид излучателя

Изображения, получаемые при просвечивании объекта пучками с высокой и низкой энергиями, генерируются в целом после прохождения объекта через зону контроля. Затем массив данных обрабатывается с помощью алгоритмов, обеспечивающих склеивание фрагментов, повышение контрастности и разрешения, наложение изображений, полученных при различных энергиях. В результате получаются черно-белые изображения с градациями серого цвета. После этого проводится обработка изображения, обеспечивающая ее преобразование в цветное.

Созданная система прошла опытную эксплуатацию на таможенном терминале.

29

2.3. Система CARGO ADVANCED AUTOMATED

RADIOGRAPHY SYSTEM (CAARS)

В рамках коммерческих разработок российско-американской фирмой Introscan разработана система инспекции, базирующаяся на ускорителе электронов с двумя энергиями. Система получила название All Secure и разрабатывалась в рамках программы Cargo advanced automated radiography system (CAARS) [2.7] –

Усовершенствованная автоматизированная радиографическая система контроля грузов.

Система предназначена для обнаружения материалов, содержащих элементы с большим атомным номером (большим Z),

иполучения радиографического изображение инспектируемого объекта. Элементы с большим Z, превышающим 72, включают специальные ядерные материалы, такие как плутоний, высокообогащенный уран, а также некоторые элементы (например, свинец, вольфрам), которые могут служить защитой делящихся материалов, затрудняющей их обнаружение с помощью пассивного контроля гамма-излучения. Система All Secure предназначена также для обнаружения нелегальных наркотических веществ, взрывчатых веществ и других контрабандных грузов (оружия, валюты и др.) в грузовых контейнерах.

Система All Secure обладает рядом достоинств: максимальная чувствительность, высокая разрешающая способность, контрастная чувствительность, динамический диапазон, качественная обработка изображений, позволяющие оператору с высокой точностью обнаруживать и идентифицировать материалы

иобъекты в закрытых контейнерах. Создаваемые алгоритмы должны обеспечивать информирование оператора о наличии в радиографическом изображении признаков материалов и объектов, запрещенных к провозу.

Системы, аналогичные All Secure, должны обеспечивать инспекцию 100% грузов, поступающих на территорию государства. Это включает грузовики, железнодорожные контейнеры, другие транспортные средства, на которых потенциально могут перевозиться делящиеся материалы и контрабанда. При этом не должно возникать существенных

30

препятствий и задержек при перемещении коммерческих грузов. Система All Secure должна обеспечивать время сканирования одного контейнера длиной 12 м, соответствующего стандарту ISO, не более 15 с. При этом минимальная пропускная способность системы должна составлять 25 стандартных 12-метровых контейнеров в час. Система может быть использована также при контроле небольших транспортных средств: легковых автомобилей, небольших грузовиков, автобусов, прицепов различного назначения.

Предполагается, что инспекционные системы будут размещены во всех пограничных пунктах, включая пункты, расположенные на ограниченном пространстве. Радиографическая система должна иметь минимальную площадь размещения, включающую размеры собственно установки и ее радиационной защиты. Система не должна воздействовать на другие системы инспекции, в частности, системы пассивного радиационного контроля.

Для того чтобы защитить персонал от радиационного излучения, генерируемого источником высокой энергии, должна применяться эффективная система радиационной защиты. При этом подразумевается, что водитель и обслуживающий персонал удаляются из зоны, через которую проходит излучение.

Прототип системы All Secure будет представлять собой перемещаемый агрегат, включающий источник излучения, детекторы, электронику обработки сигналов и изображения, механические и электрические компоненты. Прототип системы должен обеспечивать сканирование контейнера длиной 40 футов, выполненного в стандарте ISO и установленного на грузовике. Грузовик во время инспекционного исследования неподвижен. Прототип подвижного агрегата должен обеспечивать достаточный зазор до исследуемого объекта, давать возможность перемещения при сканировании, остановки при подготовке к инспекционному исследованию. Перемещаемый агрегат должен быть обеспечен силовым питанием, иметь возможность автоматического горизонтального перемещения вперед и назад вдоль исследуемого объекта.

Основные компоненты системы All Secure :

1.Радиографическая система

2.Защита

31

3.Система блокировок

4.Система перемещения комплекса

5.Система управления комплексом

6.Управляющая рабочая станция

7.Система оповещения о нештатных ситуациях

8.Бесперебойный источник питания

Элементы программного обеспечения комплекса:

1.Управляющая система All Secure

2.Контрольная система радиографического источника

3.Контрольная система перемещения комплекса

4.Автоматизированная система анализа атомного номера материалов объекта

5.Система предварительной обработки радиографических изображений

6.Система отображения обработанных изображений

На рис. 2.3 показана компоновка системы All Secure.

Защита

Радиографическая

система

Пультовое помещение

Система	Система
перемещения	блокировок
излучателей

Рис. 2.4. Компоновочная схема системы All Secure

Рис. 2.5 содержит схему контрольной системы и потоки данных в этой системе.

32

Рис. 2.5. Контрольная система комплекса All Secure

Прототип комплекса All Secure изготовлен, испытан и показал проектные параметры: энергию электронов от 5 до 15 МэВ, переключаемую от импульса к импульсу, пучок тормозного излучения, ренгенографическое изображение инспектируемого объекта.

33

2.4. Система инспекции на базе ускорителя электронов, работающего в С-диапазоне

Разработка инспекционной системы на базе ускорителя, работающего в С-диапазоне, является созданием следующего поколения систем после All Secure [2.7].

Система All Secure явилась первым образцом системы инспекции объектов излучением с двумя и четырьмя энергиями. При этом проведена значительная работа по исследованию отдельных компонентов системы. Таким образом, система All Secure явилась более сложной, чем требуется для серийного образца.

Рабочий проект инспекционной системы включает следующие основные усовершенствования и упрощения.

•Применение ускорителя, работающего в С-диапазоне, позволяет существенно уменьшить все габаритные размеры клистрона, волноводных узлов, ускоряющей секции, а также локальной защиты.

•Работа при четырех энергиях позволяет различать в инспектируемом объекте материалы с большим атомным номером. Энергии пучка должны составить 5, 10, 15, 20 МэВ, что соответствует следующим рабочим режимам в системе All Secure: 4; 5,5; 7,5; 9 МэВ, реализуемым в двух ускорителях. Эти режимы также соответствуют предложению CAARS. Однако в данном случае параметры пучка подвергнуты оптимизации.

•Структура комплекса, включающего четыре ускорителя, позволяет сделать каждый из них из однотипных модулей, при этом каждый из ускорителей будет работать в режиме постоянной энергии, что упрощает его конструкцию.

•Широкий диапазон энергий электронов обеспечивает повышение чувствительности определения атомных номеров содержимого инспектируемого объекта.

•Применяется новая компактная конструкция инжектора

электронов с изоляцией SF6, разработанная для системы All Secure. Используется упрощенная схема питания инжектора электронов

•Применяется новая конструкция вакуумной системы ускорителя, использующая дегазацию при высокой температуре в специальной печи.

34

•Новое предложение для системы импульсного высоковольтного питания обеспечивает разделение импульсного трансформатора и другого оборудования. Это позволяет оптимизировать расположение компонентов системы.

•Рассмотренные возможности горизонтального, под углом и вертикального расположения ускоряющих секций обеспечивают достаточно широкие возможности в компоновке комплекса для оптимального решения конкретных задач.

•Рассмотрены и оптимизированы конструкция и материалы локальной защиты.

Возможны и другие усовершенствования при детальной проработке экспериментального образца инспекционной системы.

Инспекция объектов осуществляется по следующей схеме.

•Ускорение пучка электронов в линейном ускорителе.

•Преобразование пучка электронов в тормозное излучение, распространяющегося в телесном угле 4π.

•Коллимирование потока излучения в коллиматорной системе, обеспечивающее формирование плоского расходящегося потока с

углом раскрыва от φ1 до φ2 по отношению к оси ускорителя.

•Прохождение коллимированного потока излучения через инспектируемый объект.

•Детектирование прошедшего излучения детектирующей системой.

Трехмерный расчет характеристик излучения позволяет определить оптимальный угол расходящегося потока излучения. При выборе учитываются следующие входные данные.

•Каждый канал детектирования должен обеспечивать максимальный динамический диапазон детектируемых сигналов от нуля (соответствующего максимальному поглощению в инспектируемом контейнере) до максимального значения (соответствующего отсутствию контейнера в области излучения).

•Мощность излучения зависит от расстояния от мишени до детектора.

•Мощность излучения зависит от угла к оси ускорителя.

•Спектр излучения зависит от угла к оси ускорителя.

35

Мощность излучения обратно пропорциональна расстоянию z от мишени до детектора (~1/z2). Мощность излучения на детекторах должна быть максимально возможной, чтобы получить достаточный для детектирования сигнал излучения, прошедшего через исследуемый объект. Для этого желательно расположить детекторы максимально близко к конверсионным мишеням.

Спектр излучения зависит от угла по отношению к оси ускорителя. Спектр при больших углах выглядит как спектр излучения при меньших энергиях. Этот эффект влияет на детектирование материалов с большим атомным номером в инспектируемом объекте. Увеличение энергии излучения позволяет повысить чувствительность детектирования атомного номера материалов, но угол распространения излучения является меньшим (более узким) при более высоких энергиях, и спектр излучения деформируется.

Выбор компоновочной схемы комплекса осуществляется с учетом расстояния от мишени до детектора, угла расходимости излучения, формы и размера детекторной матрицы. Компоновка комплекса обеспечивается с учетом следующих требований:

•Обеспечение достаточной мощности гамма-излучения на мишени.

•Обеспечение требуемого динамического диапазона детектируемого сигнала.

•Получение удовлетворительного изображения инспектируемого объекта.

•Получение удовлетворительного выявления материалов с высоким атомным номером.

•Обеспечение минимального радиационного уровня вблизи комплекса.

•Обеспечение жесткой и устойчивой конструкции комплекса.

•Обеспечение минимально возможных габаритных размеров. Разработка осуществляется в предположении, что габаритные

размеры инспектируемого объекта в плоскости сканирования составляют 2,5×2,5 м. Ниже представлены четыре возможных варианта комплекса (рис.2.6).

36

		Вариант 1				Вариант 2
Ось ускорителя				Ось ускорителя

		Вариант 3				Вариант 4
				Ось ускорителя
Ось ускорителя

Рис.2.6. Варианты построения инспекционного комплекса: 1 - конверсионная мишень с первым коллиматором, 2 – инспектируемый объект (контейнер), 3 – блок (матрица) детекторов с третьим коллиматором, 4 – второй коллиматор, 5 – поглотитель отраженного излучения, 6 – система перемещения объекта, 7 – рельсовая направляющая

Вариант 1 имеет матрицу детекторов, расположенных в форме буквы L, установленную на расстоянии 8,5 м от конверсионной мишени. Вариант 2 имеет матрицу детекторов, расположенных на одной линии на расстоянии 8,5 м от конверсионной мишени. В варианте 3 ось ускорителя повернута под углом к плоскости инспектируемого объекта, матрица детекторов расположена в форме буквы L на расстоянии 5,5 м от конверсионной мишени. В варианте 4 ускоритель расположен вертикально, матрица детекторов расположена в форме буквы П на расстоянии 5,5 м от конверсионной мишени.

37

Геометрические размеры вариантов показаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Геометрические параметры инспекционных комплексов
Вариант	1	2	3		4
Расстояние от мишени до	5,5	5,5	2,5		2,5
контейнера, м		8,5
Расстояние от мишени до	8,5		5,5		5,5
детектора, м		-5
ϕ1, град	-5		-30		-30
ϕ2, град	30	30	30		30

	На рис. 2.7 показано распределение мощности гамма-излучения
	в зависимости от угла к оси ускорителя для четырех вариантов
	комплекса.
	ед.	3,0
	отн.	2,5					3,4
	,	2,0
	излучения
		1,5			2
		1,0
	Мощность
		0,5			1
		0
			-20	-10	0	10	20	30
		-30
							Угол, град.
	Рис. 2.7. Угловые распределения интенсивности излучения в различных
	вариантах комплекса. Цифры соответствуют номерам вариантов

Распределения получены для постоянных тока и длительности пучка электронов. Мощность излучения нормирована на мощность излучения в детекторе, расположенном на оси ускорителя в варианте 1. Расстояние от мишени до детектора зависит от угла, и эта зависимость определяется геометрической формой матрицы детекторов в вариантах 1 – 4.

38

Все варианты инспекционной системы имеют как преимущества, так и недостатки.

Вариант 1. Является наиболее часто применяемой схемой. Матрица детекторов в форме буквы L является компактной и имеет габариты меньшие, чем у матрицы детекторов в варианте 2.

Плоскостность излучения в матрице детекторов равна 15%. Здесь и далее плоскостность излучения в матрице детекторов определяется при энергии электронов 9 МэВ.

Достоинством данного варианта является возможность применять твердо фиксированную входную рамку. Матрица детекторов может быть установлена на стенках, находящихся позади исследуемого объекта и над ним. Поглотители отраженного излучения могут быть расположены непосредственно позади детекторов. Второй коллиматор может располагаться на передней поверхности входной рамки. Таким образом, поглотитель обратного излучения и второй коллиматор ограничивают распространение излучения вне входной рамки.

Вариант 2. Применен в системе All Secure. Плоскостность излучения составляет 12%.

Недостатком является больший размер матрицы детекторов по сравнению с вариантом 1.

Поглотитель обратного излучения может быть установлен на обратной стороне матрицы детекторов либо позади входной рамки.

Вариант 3. Использует симметричный угол распространения излучения [−30°, 30°] по отношению к оси ускорителя. Это обеспечивает увеличенный угол сканирования (60°), в отличие от вариантов 1 и 2, в которых угол сканирования равен 35° [−5°, 30°]. Расстояние между конверсионной мишенью и объектом может быть уменьшено. Это обеспечивает большую мощность излучения на детекторах, позволяет сделать систему более компактной при большей плоскостности гамма-излучения. Плоскостность излучения в матрице детекторов равна 19%.

Матрица детекторов, второй коллиматор и поглотитель обратного излучения монтируются на твердой входной рамке. В связи с этим излучение поглощается местной защитой, вторым

39

коллиматором, поглотителем обратного излучения на входной рамке.

Ускоритель снабжен местной защитой.

Абсолютная величина мощности гамма-излучения на детекторах выше, чем в вариантах 1 и 2 из-за меньшего расстояния от конверсионной мишени до детектора.

Вариант 4. Источник излучения расположен под полом и помещен в местную защиту. Ось ускорителя вертикальна. Второй коллиматор расположен горизонтально, является толстостенным поглотителем, окружающим источник излучения с щелью – коллиматором.

Матрица детекторов и поглотитель обратного излучения могут быть установлены на входной рамке. Ось колеса и поперечное сечение автомобиля могут быть расположены в плоскости сканирования излучения во время инспекции.

Оси колес находятся в области сканирования. Ось колеса и контейнер перекрывают друг друга и могут обеспечить большую толщину поглощения излучения. Обычно толстые и тяжелые предметы располагаются в нижней части контейнера. Общая толщина поглощающих предметов в нижней части контейнера может также достигать максимально просвечиваемой величины. В связи с этим наличие в плоскости сканирования осей колес нельзя считать серьезным недостатком. Более того, теоретически некоторые запрещенные грузы могут быть расположены в теневой части оси колес ниже контейнера между колесами. Такие грузы являются проблемой для всех вариантов просвечивающих систем.

Вариант 4, так же как и вариант 3, характеризуются наибольшей плоскостностью матрицы детектора, равной 19%. Наибольшая мощность излучения в детекторах позволяет получить наилучшее изображение и обеспечить наилучшую чувствительность распознавания Z.

Этот вариант является наиболее компактным, поэтому в нем можно обеспечить наилучшую радиационную защиту.

Варианты 3 и 4 могут быть использованы в единой двухпрожекторной системе (вариант 5), как показано на рис. 2.8. Горизонтальная и вертикальная плоскости сканирования могут быть расположены с некоторым относительным смещением. При этом плоскость сканирования каждой горизонтальной проекции

40

может быть расположена в середине между двумя плоскостями сканирования вертикальных проекций.

Ось ускорителя		Ось ускорителя

Рис. 2.8. Двухпрожекторный инспекционный комплекс

Фильтры гамма-излучения устанавливаются между первым и вторым коллиматорами. Конфигурация фильтра разработана и исследована в системе All Secure. Сравнивая системы All Secure и системы С-диапазона, можно видеть, что в системе All Secure используется один и тот же фильтр при всех энергиях электронов, тогда как модули гамма-излучения в системе С-диапазона, работающие при различных энергиях электронов, снабжаются раздельными фильтрами. В связи с этим можно использовать оптимизированные по материалу и толщине фильтры для каждой энергии электронов. Это является серьезным преимуществом инспекционных модулей, работающих в С-диапазоне.

Система All Secure включает два ускорителя. Электронные пучки из обоих ускорителей поступают на единую конверсионную мишень. В связи с этим на мишени суммируется средняя мощность пучка в четырех рабочих режимах, что предъявляет повышенные требования к теплоотводу с мишени.

Частота повторения импульсов ускоренных электронов каждой энергии F=120 Гц. Инспектируемый контейнер перемещается со скоростью V=0,5 м/сек. Период измерения составляет p=V/F=4 мм.

Плоскости сканирования объекта излучением из обоих ускорителей совпадают, при этом из-за перемещения контейнера при переключении ускорителей с одной энергии на другую

41

осуществляется сканирование смещенных плоскостей контейнера. Максимальное смещение плоскостей сканирования при различных режимах работы установки составляет 3р, т.е. 12 мм. Это накладывает ограничение на точность детектирования и распознавания объектов с различными Z.

Установка, работающая в С-диапазоне, включает четыре ускорителя. Каждый ускоритель снабжен собственной конверсионной мишенью. Средняя мощность на мишени равна средней мощности пучка соответствующего ускорителя. Плоскости сканирования параллельны друг другу и перпендикулярны направлению перемещения исследуемого объекта. Продольное расстояние d между осями ускорителей равно:

	d =	1	(	1	+ N ).	(2.1)
		F		4

Здесь N – целое число.

Плоскости сканирования при различных энергиях не совпадают в пространстве, но они совпадают для движущегося контейнера (рис. 2.9). Выбор d является достаточно произвольным. При допустимой величине разделения V/F=4 мм можно сделать d=1 м.

Рис. 2.9.Схема просвечивания объекта четырьмя источниками

В табл. 2.2 приведены параметры инспекционных систем.

42

		Основные параметры инспекционных систем								Таблица 2.2
Параметр						Система
			All secure			4	C-диапазон
Период	измерений,		4	4	4		4					4
мм						0,5
Скорость			0,5	0,5	0,5		0,5					0,5
перемещения, м/сек						120
Частота	следования		120	120	120		120				120
сгустков	в	каждом
ускорителе, Гц						2
Номер ускорителя			1	2	1		3					4
Рабочая частота, ГГц			2,856	2,856	5,71	5,71	5,71				5,71
Длина секции, мм			600	1000	280	600	911				1173
Диаметр	резонатора,		172	172	82	82	82					82
мм						23
Число ускоряющих			11	19	11		35					45
ячеек						4,4
Импульсная			2,97	2,97	3,3		4,95				4,95
мощность	клистрона,
МВт						120
Частота	импульсов		240	240	120		120				120
клистрона, Гц						5,28
Средняя	мощность		4,95	4,95	3,96		5,94				5,94
клистрона, кВт						10
Длительность			10	10	10		10		10		10		10
импульса	клистрона,
мкс						9,1
Энергия	электронов,		4,0	5,5	7,5		5		10		15		20
МэВ						0,17
Импульсный		ток	0,4	0,3	0,24		350		200		100		40
пучка, мА						1,55
Импульсная			1,6	1,65	1,8		1,9		2,1		1,65		0,85
мощность пучка, МВт						13,2
Энергия, запасенная в			13,6	14,0	15,3		17,5		19,3		14,8		7,6
импульсе электронов,
Дж						1,3
Средняя	мощность		1,33	1,38	1,5		2,1		2,3		1,78		0,91
пучка, кВт
Мощность		на		5,5			2,1		2,3		1,78		0,91
конверсионной
мишени, кВт

43

Сравнивая систему All Secure, работающую в режиме четырех энергий, и систему С-диапазона, можно сделать следующие выводы.

•Невозможно использовать только одну конверсионную мишень для четырех пучков при их суммарной мощности 5,5 кВт, так как температура мишени превысит точку плавления вольфрама (3420°С). Исследование метода определения величины Z образцов может быть осуществлено при уменьшении скорости перемещения инспектируемого контейнера и снижении частоты повторения импульсов ускоренного пучка, т.е. при уменьшении средней мощности пучка. С другой стороны, как показывают расчеты, температура каждой из четырех вольфрамовых мишеней в системе С-диапазона достигает примерно 1500°С, что является приемлемой величиной.

•Плоскости сканирования смещены на 12 мм при различных энергиях в системе All Secure. Это приводит к существенному снижению точности идентификации величины Z содержимого контейнера. Плоскости сканирования на различных энергиях в системе С-диапазона могут точно совпадать.

•Применение режима работы ускорителя на двух энергиях усложняет конструкцию установки. Работа ускорителя в единственном режиме, как предполагается делать в каждом из ускорителей системы С-диапазона, обеспечивает относительную конструктивную простоту и надежность функционирования системы в целом.

Рассмотрим кратко назначение и структуру основных систем комплекса инспекции.

Радиографическая система комплекса состоит из источника излучения, который генерирует электромагнитное излучение высокой энергии: гамма-излучение или тормозное излучение. Излучение коллимируется и проникает сквозь транспортное средство и контейнер с грузом. Матрица детекторов измеряет излучение высокой энергии, прошедшее сквозь объект, и преобразует зарегистрированный сигнал в данные для компьютерной обработки. Управление радиографической системой осуществляется с помощью специального программного обеспечения.

44

Радиационная защита обеспечивает снижение дозы облучения персонала до допустимых уровней. Под персоналом понимаются операторы, обслуживающие комплекс, водители транспортных средств, другие работники, находящиеся вне защиты радиографического комплекса.

Система блокировок обеспечивает безопасность персонала и защиту оборудования при выходе оборудования из строя либо его недопустимых рабочих режимах. Автоматические отключения пучка электронов осуществляются при индикации недопустимого рабочего режима, например, отключении питания, при появлении человека в зоне радиационного сканирования, по команде оператора при появлении различных опасностей, например, сейсмическом толчке. Сигналы блокировок поступают через систему управления радиографическим источником, систему управления перемещением комплекса.

Система перемещения комплекса состоит из транспортной системы, которая перемещает радиографическую систему вдоль инспектируемого объекта с заданной скоростью. Управление и контроль системой перемещения комплекса осуществляются с применением специального программного обеспечения.

Система управления обеспечивает управление и контроль работы радиографического комплекса. Система управления, управляющие компьютеры, узлы связи с элементами радиографического комплекса расположены в одном помещении.

Управляющая рабочая станция состоит из компьютеров, дисплеев и другого периферийного оборудования, используемого для управления системой CAARS. Рабочая станция содержит также графический интерфейс пользователя, который позволяет оператору выбрать и передать команды по отображению сканированных изображений с применением автоматического анализа сигналов с детекторов для идентификации материалов с высоким Z. В дополнение система обеспечивает изображение, получаемое после специальной обработки и позволяющее идентифицировать потенциальную контрабанду. Рабочая станция включает консоль оператора с управляющими и контрольными системами, использующими программное обеспечение анализа данных.

45

Система оповещения о нештатных ситуациях обеспечивает визуальное и звуковое извещение персонала о выявлении материалов с высоким Z, обнаружении предполагаемой контрабанды, а также о сбоях в работе систем, например, системы питания. Система оповещения сообщает о появлении людей в зоне радиационного сканирования.

Бесперебойный источник питания обеспечивает безопасное отключение систем радиографического комплекса при отключении энергоснабжения. Источник питания должен сохранить работоспособность рабочей станции для предотвращения потери данных, полученных в процессе сканирования.

Элементы программного обеспечения комплекса включают следующие компоненты.

•Управляющая система является главной программой, обеспечивающей управление комплексом и контроль его основных параметров. Программное обеспечение позволяет оператору вводить команды управления оборудованием, входящим в комплекс. Операционная система также обрабатывает сигналы с детекторов, обеспечивает накопление данных по получаемым изображениям.

•Контрольная система радиографического источника управляет системой перемещения радиографического источника и мониторов при сканировании объектов. Система обеспечивает установку положения источника и скорость его перемещения по отношению к инспектируемому объекту. Система обеспечивает автоматическую остановку и выключение радиографического источника при возникновении нештатных ситуаций, связанных с ошибками в перемещении источника, и при других отклонениях от рабочего режима. Контрольная система осуществляет контроль характеристик источника и управление источником посредством ввода команд через операционную систему. В функции системы входит включение и выключение радиационного излучения от источника, перестройка коллиматоров радиационного потока. Контрольная система обеспечивает сбор данных с датчиков мониторов излучения для контроля и поддержания рабочего режима в заданных пределах, передает эти данные в

46

операционную систему и их индикацию на дисплее рабочей станции.

•Автоматизированная система анализа атомного номера материалов объекта. Осуществляет анализ интенсивности радиационного излучения, регистрируемого матрицей детекторов, установленных за объектом, для выявления материалов с высоким Z внутри контейнера и транспортного средства. Этот анализ основан на зависимости величины поглощения радиационного излучения материалов от атомного номера материала и энергии излучения. Все выявленные материалы с высоким атомным номером автоматически индицируются на экране дисплея с визуальным выделением их на изображении объекта и подачей звукового сигнала.

•Система предварительной обработки радиографических изображений предназначена для помощи оператору в идентификации контрабандного товара (наркотиков, оружия, валюты и др.) с применением предустановленных алгоритмов и баз данных, содержащих типовые радиографические изображения подозрительных объектов. Аномалии показываются на экране дисплея яркой подсветкой.

•Система отображения обработанных изображений предназначена для помощи оператору в идентификации, разделении и уточнении материалов с высоким атомным номером с помощью ряда особенностей таких, как повышение и контроль контрастности, повышение резкости изображения, цветовая контрастность и др. На дисплее представляется радиографическое изображение объекта с яркой подсветкой материалов с большими атомными номерами. Такие материалы также помечаются специальными маркерами (круги, квадраты и др.). Маркеры снабжены расшифровкой легенды.

47

Глава 3. ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ НА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЕ С БИПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ

3.1.Схема расчета

ВЛУЭ, работающих в режиме стоячей волны, в качестве ускоряющей секции обычно используется бипериодическая ускоряющая структура (БУС). БУС работает на виде колебаний

π/2, обеспечивающем высокую стабильность ускоряющего поля. При этом сдвиг фазы между соседними ускоряющими ячейками равен π, и с точки зрения динамики электронов такая структура может рассматриваться, как структура, работающая на виде колебаний π. Ускоряющие резонаторы с видом колебаний π имеют повышенное значение эффективного шунтового сопротивления rш.эфф. Придание ускоряющей ячейке Ω-образной формы дополнительно увеличивает эффективное шунтовое сопротивление [3.1]. В настоящей главе рассматриваются линейные ускорители электронов с такой ускоряющей структурой.

Расчет бипериодической ускоряющей структуры (БУС) линейного ускорителя электронов (ЛУЭ) состоит из нескольких этапов. Первый этап – это выбор длины ускоряющей структуры L и величины погонного эффективного шунтового сопротивления rш.эфф., обеспечивающих на заданной частоте f и при заданной мощности ВЧ генератора Pг получение необходимой энергии электронного пучка U и тока ускоряемых электронов I0.

Прирост энергии (в вольтах) определяется следующей формулой [3.2]:

U = r	LP		2 β0	−	I0rш.эфф.L	,	(3.1)
			1 +β0
ш.эфф.	Г				1 +β0

где β0 – начальный коэффициент связи резонатора с ВЧ-трактом при отсутствии нагрузки током. Следует обращать внимание, чтобы коэффициент связи структуры с подводящим мощность волноводом β не превышал разумных значений (не более 3−4).

48

Если коэффициент связи достигает оптимального значения βопт, которое соответствует структуре с критической связью, выражение (3.1) примет вид:

U =

rш.эффLPГ

,

(3.2)

I0

rш.эффL

+

1+

Io2rш.эффL

2

P

4P

Г

Г

а βопт определяется уравнением

2

I0

rш.эффL

I02 rш.эфф L

β

опт

=

+

1+

.

(3.3)

P

4P

2

Г

Г

На рис. 3.1 приведены зависимости нормированной энергии

КU =U / rш.эффlP0 и коэффициента полезного	действия η					от
нормированного параметра ускоренного токаKI	=	I0		rш.эфф l		для
		2		P0

линейных ускорителей электронов на основе БУС при разных значениях коэффициента связи резонатора с прямоугольным волноводом βi.

В процессе таких расчетов определяется усредненная величина продольной составляющей напряженности электрического поля Е, которая на следующем этапе должна быть реализована соответствующим выбором геометрических размеров ускоряющей ячейки и ячейки связи. При выборе геометрии структуры следует учитывать и ряд других факторов, в том числе стабильность структуры к изменению частоты питающего генератора, температуры окружающей среды, к допускам на размеры структуры. Повысить стабильность распределения поля на оси структуры к допускам на ее размеры можно увеличением коэффициента связи между ускоряющими ячейками и ячейками связи. Однако увеличение этого параметра может привести к уменьшению величины эффективного шунтового сопротивления.

49

K U
0 ,8
0 ,6
0 ,4				β 4
0 ,2			β 2	β 3
	β 1
0	0 ,5	1 ,0	1 ,5	K I
η
0 ,8			β 4
0 ,6		β 3
0 ,4		β 2
0 ,2
	β 1

0

1

2

3

4 K I

Рис. 3.1. Зависимости Ku и η от KI при различных βi

Выбранная геометрия структуры должна быть также исследована и в отношении электродинамических характеристик (ЭДХ) волн высших типов, особенно частотного спектра и поперечного шунтового сопротивления первой дипольной моды, а также величины максимальной напряженности электрического поля Eмакс в наиболее опасных точках поверхности (в нашем случае на скруглениях дрейфовых трубок). Eмакс может быть вычислена с помощью программного моделирования, а если известна величина перенапряженности поля k=Eмакс/(E|x,y=0)макс, то Eмакс вычисляется по формуле:

50

Eмакс	= k	rш.эфф L Pг				,				(3.4)
		Lg N a T
		T =	sin(ϑ		2)			,		(3.5)
			ϑ	2
где: T − времяпролетный фактор;			ϑ = 2πLg						λ	, где λ − длина

волны в свободном пространстве; Lg=La−Ldt − длина ускоряющего промежутка ( ldt − длина выступа дрейфовой трубки.); Lp=La+Lc+2t

– период структуры (La и Lc – длина ячеек ускоряющей и связи соответственно; t – толщина диафрагмы; Na – количество ускоряющих ячеек.

Следующий этап – расчет динамики электронов в ускоряющей структуре. При проектировании линейных ускорителей электронов с высокочастотной фокусировкой особое внимание следует уделять начальному участку структуры, где происходит захват электронов в процесс ускорения, их группировка и фокусировка. Указанные функции выполняют одна или несколько начальных ячеек, длины которых выбирают таковыми, чтобы относительная фазовая скорость волны βw была меньше 1, а безразмерная

амплитуда ускоряющего поля Am = eEmλ2 (здесь Еm – амплитуда m0c

ускоряющего поля в [В/м] нормирована на энергию покоя электрона m0c2, λ – длина волны, e – заряд электрона) не превышала значения соответствующего параметра в регулярной части структуры.

Для выбранного рабочего варианта рассчитываются вариационные характеристики, к числу которых относятся зависимость энергии ускоренных электронов и энергетического спектра от тока пучка, влияние на выходные параметры пучка напряжения инжекции, параметров инжектируемого пучка (диаметр кроссовера и его положение в структуре), величина мощности ВЧ питания и др.

Для оптимизации ВЧ фокусировки пучка электронов в группирователе необходимо, чтобы кроссовер пучка находился в области максимального фокусирующего поперечного

51

электрического поля в первой группирующей ячейке. Также необходимо, чтобы пучок обладал малыми поперечными размерами при заданном токе и заданной входной энергии. С этой целью следует провести оптимизацию геометрии фокусирующего электрода пушки для трех вариантов катодных сборок, отличающиеся диаметром катода. При моделировании использовалась программа SuperFish [3.3].

Завершающим этапом является расчет характеристик узла ввода мощности. Определение размеров щели связи между ускоряющей секцией и прямоугольным волноводом производится в соответствии с методикой, изложенной в [3.2]. Оптимальный коэффициент связи рассчитывается по формуле (3.3).

Далее детально описан процесс расчетов характеристик ЛУЭ на основе БУС на примере ускорителей, используемых в качестве источников тормозного излучения в проекте AllSecure (США) [3.4].

3.2. Расчет электродинамических характеристик ускоряющих ячеек

Втабл. 3.1 приведены параметры источника СВЧ мощности

итребования на характеристики ускоренного пучка. Для получения хорошего энергетического спектра и максимального коэффициента захвата варьировалось поле в первых двух ячейках, а также значения фазовой скорости в них, т.е. их длина.

Характеристики ускорителя	Таблица 3.1
Параметр	Значение
Рабочая частота f, МГц	2856
Входная мощность Pвх, МВт	4,5
Энергия инжекции Wинж, кэВ	40
Средняя энергия ускоренного пучка Wср, МэВ	10
Ток ускоренного пучка Iп , А	0,2
Число ячеек	19

В табл. 3.2 представлены значения относительной фазовой скорости и напряженности ускоряющего поля в первых двух группирующих ячейках и в регулярной ячейке ускоряющей структуры. Значения этих параметров получены из расчета

52

динамики для достижения требуемых токов в режиме высокой энергии (HE) и в режиме низкой энергии (LE). В табл. 3.2 через ε обозначено относительное распределение поля в серединах ускоряющих ячеек по отношению к полю в регулярной части структуры.

На рис. 3.2 схематично представлена бипериодическая ускоряющая структура, состоящая из 19 ускоряющих ячеек и ввода мощности, а на рис.3.3 приведено обозначение размеров ускоряющей ячейки и ячейки связи.

Таблица 3.2

Характеристики ускоряющей структуры

Параметр		Значение
N	1	2	3−19
βф	0,660	0,760	0,999
zd, мм	34,6	39,90	52,40
rbm, мм	4,0	4,0	4,0
zt, мм	4,0	4,0	4,0
zns, мм	4,0	4,0	4,0
zcc, мм	4,0	4,0	4,0
ε	0,48	0,90	1,00

Рис.3.2. Разрез ускоряющей структуры. Нумерация ячеек ускорителя:

А− ускоряющая ячейка, С − ячейка связи

Врасчетах рассматриваются два варианта геометрии ячеек. Различие заключается в форме носика. В первом варианте

диафрагма и носик сопрягаются тором радиусом скругления rci, а для второго варианта фигурой сопряжения является конус,

половина угла раствора которого равна 30°. 53

Рис. 3.3. Основные геометрические параметры ячеек

В табл. 3.3 приведены результаты предварительного расчета регулярной ячейки БУС с использованием наиболее известных трехмерных программ CST Microwave Studio [3.5] и ANSYS [3.6].

Таблица 3.3

Результаты расчета характеристик регулярной ячейки

Параметр	Значение
Тип ячейки	MWS	MWS	ANSYS
	Без скругл.	Со скругл.
Rа, мм	42,529	42,526	42,500
lщ, мм	20,16	18,00	20,16
ϕщ, град	44,08	40,44	44,08
rскр.т.щ, мм	−	1,5	−
Rc, мм	37,08	38,10	36,710
fa, МГц	2856,00	2855,09	2856,20
fc, МГц	2855,99	2856,00	2856,30
Ксв , %	4,7	4,1	−

54

В расчетах использованы следующие параметры структуры:

βф=0,999, D=52,4 мм, La=40,4 мм, g=32,4 мм, Rco=19,2 мм, Rci=1 мм, Ro=2 мм, s=12 мм, rb=4 мм, rщ=17 мм, dщ=6 мм, rскр.щ=3 мм, Lc=4 мм. Наряду с полученными геометрическими

размерами в табл. 3.3 представлены значения частот ускоряющей ячейки и ячейки связи, а также коэффициент связи.

На рис. 3.4 приведены графики изменения частоты ускоряющей полуячейки fa и частоты ячейки связи fc от радиуса ускоряющей полуячейки rac и радиуса ячейки связи rcc соответственно.

Рис. 3.4. Зависимости частоты ускоряющей полуячейки fa и частоты ячейки связи fc от радиуса ускоряющей полуячейки rac и радиуса ячейки связи rcc, соответственно

55

3.3. Расчет размеров бипериодической ускоряющей структуры

3.3.1.Расчет ускоряющих ячеек

Рассмотрим расчет бипериодической ускоряющей структуры

сгруппирователем с использованием трехмерной программы. Расчет проводится в следующей последовательности. Первоначально производится расчет подгрупп (резонансных макетов), каждая из которых представляет собой две ускоряющие полуячейки и одну ячейку связи, за исключением последней подгруппы, представляющей собой первую ускоряющую ячейку, первую ячейку связи и половину второй ускоряющей ячейки. Расчет начинается с первой подгруппы (третья ячейка связи и половины третьей и четвертой ускоряющей ячейки) и заканчивается последней подгруппой. Расчеты осуществлены для

регулярной ячейки (βф3=0,999), второй группирующей ячейки (βф2=0,760), первой группирующей ячейки (βф1=0,660) и группирователя в целом.

В процессе расчетов определяются размеры щелей связи и, соответственно, диаметры ускоряющих ячеек и ячеек связи так, чтобы поля в ускоряющих ячейках на рабочей частоте соответствовали заданным, а поля на оси в ячейках связи отсутствовали.

Расчетная модель регулярной ячейки (βф3=0,999) представляет собой две ускоряющие полуячейки и ячейку связи между ними. Были рассчитаны два варианта геометрии ускоряющих ячеек. Для первого варианта радиус скругления конуса, сопрягающего носик и стенку диафрагмы rci, равен 1,0 мм и отсутствуют скругления граней щелей связи rcslr. Для второго варианта радиусы скругления rci и rcslr равны соответственно 1,5 мм. Окончательные размеры ячеек, полученные частоты и отношения полей в ячейке связи и ускоряющих полуячейках приведены в табл. 3.4. Расчеты

проведены для следующих параметров ячейки:	βф3=0,999,
zd=52,4 мм, zac=40,4 мм, zns=4 мм, rco=19,2 мм,	ro=2 мм,

rbm=4 мм, rns=8 мм, zt=4 мм, rsl=17 мм, dsl=6 мм, rslr=3 мм, zcc=4 мм.

56

	Результаты расчета характеристик ячейки			Таблица 3.4
Параметр		Значение
		Без скруглений	Со скруглениями торцов щелей
Тип ячейки		торцов щелей	связи
		связи	Вариант 1	Вариант 2
rac, мм		42,527	42,517	42,510
rci, мм		1,00	1,50	−
α, град		−	−	30,00
wsl, мм		20.20	19,00	19,.00
rcslr, мм		−	1,50	1,50
rcc, мм		37,049	37,431	37,440
fa, МГц		2856,06	2856,00	2856,00
fc, МГц		2856,08	2856,00	2855,99
kсв , %		4,8	5,0	5,0
Q		14750	15090	15100
EA1/EA2		1,00	1,00	1,00
Ec/EA2		8,6×10-8	6,5×10-6	7,7×10-6

Для указанных размеров варианта со скруглениями rci и rcslr равными 1,5 мм была рассчитана модель, состоящая как из двух ускоряющих полуячеек и ячейки связи между ними (рис. 3.5,а), так и из целой ускоряющей ячейки и двух ускоряющих полуячеек (рис.3.5,б). На этих рисунках представлены распределение продольной составляющей электрического поля на оси, а также картина силовых линий электрического поля в четвертинке структуры. Как и следовало ожидать, для настроенной структуры электрическое поле на оси ячейки связи отсутствует. Собственная добротность в данной модели Q=13400, а частота fa=2856,33 МГц.

Для исследования зависимости собственной добротности от величины коэффициента связи, была выбрана модель бипериодической структуры с формой носика варианта 1 рис. 3.3. Для щели связи выбраны следующие размеры: ширина dsl =10 мм, радиус скругления rslr =5 мм, радиус щели связи rsl=16 мм. Изменение связи осуществляется за счет вариации углового размера щели связи ϕ между центрами скругления щели связи на краях.

57

В табл. 3.5 приведены значения ϕ и соответствующие значения длины дуги щели связи wsl (рис.3.5), радиусы ускоряющей ячейки и ячейки связи (rac, rcc), полученные при настройке макета частоты этих ячеек (fa, fc) и искомые значения добротности Q, погонного эффективного шунтового сопротивления rш.эфф, и коэффициента связи kсв.

а

б

Рис.3.5 Распределение продольной составляющей электрического поля и ее силовые линии: две ускоряющие полуячейки и ячейка связи (а), ячейка и две ускоряющие полуячейки и две ячейки связи (б)

58

Таблица 3.5 Зависимости параметров структуры от угла раствора щели связи

	ϕ,	wsl,	rac,	rcc,	fa,	fc,	Q	kсв,	rш.эфф,
	град	мм	мм	мм	МГц	МГц		%	МОм/м
	45	12,57	42,571	39,84	2855,99	2856,00	17300	3,00	85,99
	55	15,36	42,481	38,15	2856,00	2856,00	15107	5,47	76,10
	60	16,76	42,458	36,50	2855,99	2856,00	14819	7,18	75,13
	75	20,94	42,352	23,47	2856,00	2856,00	14554	14,65	75,03

На рис. 3.6 представлены зависимости добротности ячейки и погонного шунтового сопротивления от коэффициента связи.

а

б

Рис. 3.6. Зависимость, собственной добротности ячейки (а) и погонного эффективного шунтового сопротивления (б) от коэффициента связи

59

Расчетная модель второй группирующей ячейки (βф2=0,760) представляет собой две ускоряющие полуячейки, с соответствующими относительными фазовыми скоростями βф2=0,760 и βф3=0,999 и ячейку связи между ними. При расчете для ускоряющей регулярной полуячейки было взято значение радиуса rac, полученное выше. Значение для радиуса второй ячейки было найдено для симметричной модели, состоящей из одинаковых полуячеек βф2=0,760. Далее последовательно изменяя длину щели связи wsl, радиус ячейки связи rcc и радиус ускоряющей полуячейки rac, было получено требуемое распределение поля и необходимая рабочая частота. Данные представлены в табл. 3.6. Расчеты проведены для следующих параметров ячейки: βф3=0,76,

размеры: zd=39,9 мм, zac=27,9 мм, zns=4 мм, rco=12,95 мм, ro=2 мм, rbm=4 мм, rns=8 мм, zt=4 мм, rsl=17 мм, dsl=6 мм, rslr=3 мм, zcc=4 мм.

Также были рассчитаны отношения поля в середине ячейки связи к полям в серединах регулярной и группирующих ячеек. Распределение продольной составляющей электрического поля и конфигурация силовых линий электрического поля показаны на рис. 3.7.

			Таблица 3.6
Характеристики второй группирующей ячейки
Параметр		Значение
	Без	Со скруглениями торцов щелей
Тип ячейки	скруглений	связи
	торцов щелей	Вариант 1	Вариант 2
	связи
rac, мм	40,646	40,611	40,595
rci, мм	1,00	1,50	−
α, град	−	−	30,00
wsl, мм	21,550	20,300	20,300
rcslr, мм	−	1,50	1,50
rcc, мм	36,518	36,904	36,913
fa, МГц	2856,020	2856,051	2856,000
fc, МГц	2856,040	2856,030	2855,998
kсв , %	6,2	6,4	6,5
Q	13154	13643	13752
EA2/EA3	0,89	0,90	0,90
Ec/EA3	6,0×10-3	5,1×10-4	3,3×10-3
Ec/EA2	6,8×10-3	8,4×10-4	2,9×10-3

60

Рис. 3.7. Распределение продольной составляющей электрического поля и ее силовые линии

Расчетная модель первой группирующей ячейки (βф1=0,660) представляет собой полную первую ускоряющую ячейку, ячейку связи и половину второй ускоряющей ячейки. Для настройки ячейки связи использовалась модель, аналогичная рассмотренной выше. Требуемое соотношение поля EA1/EA3=0,48 соответствует EA1/EA2=0,53. Соответствующие данные приведены в табл. 3.7 и на рис. 3.8.

			Таблица 3.7
Характеристики первой группирующей ячейки
	Без	Со скруглениями торцов щелей связи
Тип ячейки	скруглений
		Вариант 1	Вариант 2
	торцов щелей
	связи
rac, мм	39,668	40,047	40,028
rci, мм	1,0	1,50	−
α, град	−	−	30,00
wsl, мм	27,100	27,300	27,300
rcslr, мм	−	1,50	1,50
rcc, мм	32,147	29,051	29,572
fa, МГц	2856,050	2856,020	2855,994
fc, МГц	2856,040	2856,010	2856,050
kсв , %	12,6	12,5	12,3
Q	11052	11604	11337
EA1/EA2	0,54	0,54	0,54
EC/EA1	5,0×10-2	4,1×10-2	1,4×10-1
EC/EA2	2,6×10-2	2,2×10-3	7,5×10-2

61

Рис.3.8. Распределение продольной составляющей электрического поля и ее силовые линии

Расчеты проведены для следующих параметров ячейки:

βф1=0,660, размеры: zd=34,6 мм, zac=24,6 мм, zns=4 мм, rco=11,3 мм, ro=2 мм, rbm=4 мм, rns=8 мм, zt=4 мм, rsl=17 мм, dsl=6 мм, rslr=3 мм, zcc=4 мм.

Расчетная модель группирователя в целом представляет собой первые две группирующие ячейки, одну целую регулярную ячейку и одну половину регулярной ячейки. На рис.3.9 представлены силовые линии электрического поля в такой модели и распределение продольной составляющей электрического поля на оси структуры. Полученная расчетная частота рабочего вида колебания f = 2855,29 МГц, а нормированное на амплитуду поля в регулярной ячейке распределение полей 0,47 : 0,91 : 1,0 : 1,0.

Рис.3.9. Модель группирователя и распределение продольной составляющей электрического поля в нем

62

3.3.2. Расчет ввода мощности

Размеры ввода мощности (трансформатора типа волны) для линейных ускорителей электронов, работающих как в режиме бегущей, так и стоячей волн, можно определить по методике, изложенной в работе [3.4]. В соответствии с этой методикой проводятся расчеты по приближенным аналитическим выражениям, а затем размеры трансформатора уточняются экспериментально. Развитие методов математического моделирования с использованием современной вычислительной техники позволяет решить эту задачу численно. Рассмотрены возможности использования трехмерной программы CST Microwave Studio [3.6] при расчете трансформатора типа волны линейного ускорителя электронов с бипериодической ускоряющей структурой. Необходимость решения такой задачи вытекает из известного положения, что в номинальном режиме коэффициент связи ускоряющего резонатора с подводящей линией передачи должен выбираться из условия равенства единице при нагрузке резонатора током.

Расчетная модель представляет собой прямоугольный волновод, соединенный с ускоряющей ячейкой, ячейку связи и половину ускоряющей ячейки (рис. 3.10).

			Shw
	Lc
o	o
c	r
R	Rh			B
Ra
	dh	Rc	Z
				x
			g	R
	D
			X	A
	Lh
Rhr		h		Y
		R
	Rb
			R
			ci
			R	3
			o	0
				°
			i
			R	R
				ic
				t

Рис. 3.10. Ввод мощности в ускоряющую структуру

63

Расчет узла ввода мощности проводится для двух секций линейного ускорителя электронов с бипериодической ускоряющей структурой, состоящей из 19 и 11 ускоряющих ячеек. Первые две ячейки являются группирующими. Ввод мощности расположен в последней ячейке ускорителя.

Сначала с помощью программы численного моделирования необходимо настроить резонансную частоту ячейки с вводом мощности путем варьирования его радиуса R. На рис. 3.11 приведены картины электрического и магнитного полей, а также распределение продольной составляющей электрического поля на оси структуры.

Такую процедуру настройки следует проводить каждый раз, когда меняется ширина окна связи волновода с резонатором х

(рис.3.12).

а

б

в

Рис. 3.11. Конфигурации полей в структуре: электрическое поле (а), магнитное поле (б), распределение электрического поля на оси структуры (в)

64

Так как для подстройки частоты решается резонансная задача, то волновод должен быть закорочен на конце. Причем расстояние от окна до закоротки выбирается таким образом, чтобы резонансная частота получившегося призматического резонатора была далека от рабочей частоты структуры. Затем решается уже «открытая» задача с портом, расположенным в прямоугольном волноводе. В результате расчета определяется коэффициент связи волновода с резонатором β при отсутствии нагрузки током.

Рис.3.12. Зависимость радиуса ячейки с вводом мощности и положения окна связи от размера окна

Исходя из того, что коэффициент связи пропорционален соотношению длин резонатора в расчетной модели и реальной длины ускоряющего резонатора, то коэффициент отражения в

расчетной модели β1.5 (ячейка с вводом мощности плюс ячейка связи и плюс половина регулярной ячейки) определяется так:

	β	= β	L19	(3.6)
			L
	1,5	19
			1,5

где L19 и L1,5 соответствуют длинам структуры из 1,5 и 19 ускоряющих ячеек соответственно, а β19 есть коэффициент связи для структуры из 19 ячеек.

65

На рис 3.13 представлены рассчитанные соответствующие значения для ускорителя, включающего 19 и 11 ячеек.

а

б

Рис. 3.13. Зависимость коэффициента связи от размера окна для режима HE (а) и режима LE (б)

В табл. 3.8 приведены результаты расчета влияния на коэффициент связи размеров щелей связи прямоугольного

66

Характеристики структур

волновода (с размерами 72×34 мм) с БУС для двух вариантов ускорителя. Для того чтобы при номинальных параметрах ускоренного пучка обеспечить критическую связь, в случае ускорителя в режиме HE, коэффициент пересвязи должен быть 2,5, а для ускорителя с большим ускоренным током этот параметр равен 6,14.

Таблица 3.8

Характеристики структур в функции размеров щели связи

Размер

щели

x,	Ra,	z, мм	f,	S11	β (1,5)	β (19)	β (11)
мм	мм		MHz
28,0	40,22	40,22	2856,5	0,770	7,73	0,63	1,12
30,0	40,16	40,16	2856,6	0,842	11,66	0,95	1,69
32,0	40,11	40,11	2856,3	0,893	17,66	1,44	2,56
34,0	40,04	40,04	2856,0	0,924	25,41	2,08	3,68
34,9	40,00	40,00	2856,1	0,937	30,65	2,50	4,44
36,0	39,95	39,95	2856,0	0,948	37,37	3,05	5,41
36,7	39,91	39,91	2856,1	0,954	42,37	3,46	6,14
38,0	39,85	39,85	2856,0	0,961	51,25	4,19	7,43
40,0	39,73	39,73	2856,1	0,974	75,63	6,18	10,96

Окончательные размеры вводов мощности для двух вариантов ускорителя приведены в табл. 3.9.

Таблица 3.9

Размеры вводов мощности

Размеры	Ввод мощности
	11 ячеечный	19 ячеечный
	резонатор	резонатор
Shw, мм	24,0	24,0
A, мм	72,0	72,0
B, мм	34,0	34,0
X, мм	36,7	34,9
Y, мм	13,2	13,2
Z, мм	39,91	40,00
Ra, мм	39,91	40,00
Rx, мм	4,0	4,0

67