2. Микротроны

Микротрон – циклический ускоритель параллель­ного действия (электрическое поле одной ячейки многократно ускоряет электроны). Поэтому мощность СВЧ генераторов, питающих микротрон, гораздо меньше, чем не­обходимо для питания линейных ускорителей, где электроны проходят ускоряющие ячейки однократно. Микротрон имеет более про­стую конструкцию, меньшие габариты и массу, чем линейный ускоритель, и близкую к последнему плотность потока энергии тормозного излучения.

В сравнении с бетатроном обычной конструкции плотность потока энергии тормозного излучения микротрона на один–два порядка выше. У сильноточных бетатронов сложнее конструкция, больше габариты и масса.

Из-за указанных при­чин, а также малых поперечных размеров электронного пучка, моноэнергетичности (энергия электронов в пучке примерно одинакова) и стабильности эти уско­рители нашли широкое применение в дефектоскопии.

4.2.3. Бетатроны

Принцип действия бетатрона: электроны, инжектируемые в вакуумную камеру, ускоряются вихревым электрическим полем, образуемым пе­ременным магнитным потоком, который созда­ется специальной системой электромагнитов. В тече­ние всего цикла ускорения электроны движутся по круговой орбите постоянного радиуса, плоскость которой перпендикуляр­на оси симметрии магнитного поля. Для сохранения постоянства радиуса орбиты скорость нарастания энергии электрона должна быть равна скорости нарастания напряженности маг­нитного поля. Это условие достигается тем, что отношение маг­нитного потока , заключенного в круге равновесной (идеаль­ной) орбиты, к площади этого круга радиусом равно удвоен­ной индукции магнитного поля на орбите:

.

В современных бетатронах напряженность электрического поля на орбите достигает (0,2 ... 0,25) В/см. Для достижения энергии в несколько МэВ электроны в процессе ускорения должны совершить по равновес­ной орбите более миллиона оборотов. Для обеспечения устой­чивого движения электронного пучка в течение всего цикла уско­рения напряженность магнитного поля в зазоре системы элект­ромагнитов в плоскости орбиты убывает с удалением от цент­ра орбиты к периферии.

Такое распределение магнитного поля вызывает по­явление фокусирующих сил при отклонении электронов от рав­новесной орбиты (например, из-за соударения электронов с молекулами воздуха), которые заставляют электроны возвра­щаться на равновесную орбиту. С окончанием цикла ускорения электроны специальным устройством смещаются с рав­новесной орбиты и попадают на мишень, генерируя тор­мозное излучение.

Бетатроны промышленного назначения рассчитываются на диапазон энергий 15 ... 31 МэВ, некоторые из них спроектированы на энергию 2 ... 6 МэВ.

4. Линейные ускорители

Среди известных типов линейных ускорителей электронов в радиационном контроле широкое применение нашли резонансные линейные ускорители с энергией от единиц до де­сятков МэВ.

Принцип действия: электроны, предварительно ускорен­ные в инжекторе (электронная пушка), вводятся в ускоряющую си­стему – цилиндрический ди­афрагмированный волновод (рис. 10), где воз­буждается бегущая ЭМ волна типа с фазовой скоростью (линейный ускоритель с бе­гущей волной). Электроны, попавшие в ускоряющую полуволну, ускоряются вдоль волновода под действием продольной компоненты электрического поля. Энергия электронов непрерывно растет, если фазовая скорость волны равна ско­рости электронов в течение всего цикла ускорения.

Рис. 10. Силовые линии электрическо­го поля в диафрагменном волноводе

Фазовая скорость ЭМ волны в волноводе зависит от типа волны, ее длины и конст­рукции волновода. В гладком цилиндрическом волноводе она больше скорости света, и ускорение невозможно. В линейных ускорителях обычно применяют металлический гладкий цилинд­рический волновод, где для замедления скорости ЭМ волны устанавливают системы круглых проводящих диафрагм. Диафрагмированный волновод есть ни что иное как совокупность объемных резонаторов, связанных через центральные от­верстия.

Первая часть волновода, называемая группирующей секцией, предназначена для индуцирования электронов и группировки их в импульсы короткой длительности. Здесь вводимые в волновод электроны замедляются на ранней стадии процес­са ускорения, а на поздней стадии – ускоря­ются относительно несущей волны.

Вторая часть волновода на­зывается ускоряющей секцией. Для питания волновода исполь­зуют мощные генераторы колебаний СВЧ – импульсные магнетроны и клистроны, работающие в диапазоне длин волн 10 … 15 см.

Плотность потока энергии излучения линейных ускори­телей много выше, чем бетатронов с той же энергией электронов. Так, мощность дозы тормозного излучения линей­ных ускорителей с энергией электронов 12 МэВ и размером фо­кусного пятна 1 мм равна 6000 Р/мин на расстоянии 1 м от мишени, у бетатрона с той же энергией электронов – толь­ко 80 Р/мин.