книги из ГПНТБ / Князев, В. К. Облученный полиэтилен в технике

Т а б л и ц а 54. Технические характеристики гам м а-устан о во к для радиационны х исследований

Тип гамма-установки

этиленовых изделий. Анализ разработки, строительства и эксплуатации контуров РК-М1 и РК-М2 позволил оценить их эффективность и наиболее рациональные об­ ласти применения.

у-Носителем разработанных контуров является вод­ ный раствор солей сплава In—G a—Sn с рН = 0,82, полу-

164

ценный растворением сплава в азотной и соляной кисло­ тахАктивация у-носителя происходит в генераторе ра­ диационного контура, установленном в критической сборке ядерного реактора.

Контур РК-М1 имеет цилиндрические коаксиальные облучатели разного диаметра высотой 1500 мм, а контур РК-М2 — плоскостные .облучатели в виде секций 2500 X Х2500 мм общей длиной до 10 м. Циркуляционный ре­ жим движения у-носителя обеспечивается кислотостой­ ким насосом при давлении в системе до 3,5 кгс/см2. Пе­ риоды цикла обращения у-носителя в рабочем режиме для контуров РК-М1 и РК-М2 составляют 4,6 и 13,3 мин.

Средняя плотность нейтронов в зоне активации у-но- сителя составляет около 4 -107 нейтрон/см2-с.

При постоянной тепловой мощности критической сборки Вт максимальная лучевая мощность у-излуче- ния цилиндрических облучателей РК-М1 равна 2,45ІО '4 Вт, а плоского облучателя РК-М2—2,8- ІО-4 Вт.

Противоточная схема движения у-носителя в плоском облучателе позволяет варьировать мощность поглощен­ ных доз излучения и устанавливать равномерное поле у-излучения по всей длине облучателя. На расстоянии 200 мм от плоскости облучателя неравномерность дозного поля не превышает ±10% .

Показано, что при одинаковой лучевой мощности эф­ фективно использование двух плоских облучателей, рас­ положенных на расстоянии 1400 мм друг от друга. При такой конструкции контура равномерное облучение (от­ клонения в пределах ±10%) может быть обеспечено при толщине блоков до 400 мм, находящихся от плоскостей облучателей на расстоянии до 500 мм.

Анализ различных вариантов облучателей показы­ вает, что применение цилиндрических коаксиальных об­ лучателей целесообразно в том случае, если должна быть обеспечена высокая мощность поглощенной дозы излучения (1500—3000 рад/с) при высокой равномерно­ сти поля облучения в технологической камере малого объема и при сравнительно малом времени радиацион­ ной обработки.

Плоскостные облучатели при тех же удельных актив­ ностях у-носителя имеют примерно в 10 раз меньшую мощность поглощенной дозы и рекомендуются для груп­ пового облучения поворотных контейнеров.-

165

В качестве источника у-излучения может использо­ ваться любая ядерная реакция, в которой ядро конечно­ го продукта, находясь в возбужденном состоянии, испу­ скает у-кванты. Поэтому атомный реактор также являет­ ся мощным источником уизлучения.

Основным процессом, приводящим к возникновению у-излучения в активной зоне реактора, является излуче­ ние возбужденных осколков деления, т. е. мгновенные у-кванты деления, у-излучение продуктов деления и из­ лучения (п, у)-реакции.

При взаимодействии быстрого электрона с мишенью электронного ускорителя может генерироваться рентге­ новское излучение. Мощность поглощенной дозы излу­ чения современного электронного ускорителя со средним током 1 мА и энергией ускоренных электронов 30— 40 МэВ составляет ІО4 рад/с на расстоянии около 1 м от вольфрамовой мишени. Длительное время применение рентгеновских установок для промышленного облучения считалось нерентабельным, что было обусловлено низ­ кими значениями к. п. д. трубки. Так, к. п. д. мощной рентгеновской установки с трубкой на ускоряющее на­ пряжение 120 кВ и ток 0,5 А равен 0,1% [448]. К. п. д. преобразования энергии электронов в тормозное излуче­ ние тем больше, чем выше напряжение, ускоряющее электроны. При напряжении 20 МэВ и использовании зо­ лотой мишени к. п. д. достигает 45%• Однако жесткое рентгеновское излучение также не находит практическо­ го применения для промышленного облучения в связи с наводимой в облучаемых объектах радиоактивностью, невозможностью полного использования энергии и необ­ ходимостью мощной биологической защиты от излуче­ ния [448—449].

В последние годы разработаны, мощные рентгенов­ ские трубки для высокопроизводительного объемного облучения с достаточно высокой степенью равномерно­ сти [450]. Установки с такими трубками безаварийно используются, например в ФРГ, уже в течение несколь­ ких лет, обеспечивая продолжительное облучение объек­ тов при мощности экспозиционной дозы излучения до 3-104 р/с. Подбором соответствующих значений тока и ускоряющего напряжения мощность экспозиционной до^- зы излучения можно изменять на несколько порядков.

Еще более мощные рентгеновские установки для ис­

166

следований, опытного и промышленного применения со­ зданы фирмой «AEG Telefunken» (ФРГ) [451, 452].

Для генерирования излучения практически любой интенсивности в мощных рентгеновских трубках приме­ нены охлаждаемые водой мембранные аноды плоской и цилиндрической формы из легких металлов. Возникаю­ щее излучение распространяется в большом пространст­ венном угле (близком к 2я), что отвечает целям высоко­ эффективного промышленного облучения.

Облучение может проводиться на воздухе, в вакууме или инертной среде. Толщина слоя половинного ослабле­ ния рентгеновского излучения составляет в полиэтилене 100— ПО мм, что соответствует у-излучению 137Cs и 60Со. Однако эквивалентные толщины свинца для защиты в 10 и 20 раз меньше для такого рентгеновского излучения, чем для излучений 137Cs и 60Со соответственно. Поэтому рентгеновская установка со свинцовой защитой имеет значительно меньший вес, чем изотопная установка той же мощности.

Той же фирмой разработана полностью защищенная мощная рентгеновская установка с трубкой, имеющей проходной анод, и горизонтальной камерой облучения диаметром около 200 мм.

Подлежащие облучению изделия упаковывают в ци­ линдрические контейнеры длиной 800 мм и диаметром 200 мм. Контейнеры в горизонтальном положении встав­ ляют в нижнюю полость многопозиционного вращающе­ гося барабана. При его повороте на определенный угол очередной контейнер проталкивается в осевом направле­ нии в горизонтальную трубчатую камеру установки для облучения. Отклонение от заданной мощности экспози­ ционной дозы излучения при полностью заполненном контейнере составляет ±20% . Скорость движения кон­ тейнеров может изменяться в 40 раз. Общая масса уста­ новки, включая собственную свинцовую защиту, состав­ ляет около 6 т.

Разработана промышленная рентгеновская установка тандемного типа со сдвоенными трубками. В каждой та­ кой установке проекция потока излучения имеет прямо­ угольную формуРасстояние между анодами может из­ меняться в зависимости от габаритных размеров облу­ чаемого объекта. Облучение объектов производится одновременно с двух сторон—сверху и снизу. При тол­

167

щине полиэтилена 220 мм отношение максимальной мощности поглощенной дозы излучения к минимальной для этой установки равна примерно 1,25.

При нормальном режиме эксплуатации в полезном объеме зоны облучения выделяется мощность около 3 кВт. Поглощенная доза излучения регулируется ско­ ростью перемещения контейнера на транспортере, а мощ­ ность поглощенной дозы излучения — выбором соответст­ вующего значения тока трубки. Облучаемые объекты пе­

ремещаются в рабочую зону под потоком излучения в контейнерах размерами 1200x500x250 мм из алюминия

или пластмасс, установленных на ленточных транспорте­ рах. При ускоряющем напряжении 200 кВ установка по­ зволяет облучать объекты с производительностью от 100 до 300 Мрад-кг/ч.

Главным преимуществом рентгеновских установок (так же как и ускорителей) по сравнению с радиоизотоп­ ными установками является возможность выключения трубок, что обеспечивает доступность источников излу­ чения в любое время для профилактического осмотра или ремонта.

Для осуществления радиационно-технологических процессов применяют ускорители различных типов.

Широко известны и используются промышленностью ускорители прямого действия (электростатические гене­ раторы). Диапазон энергии этих ускорителей 0,5—

5МэВ-

Втаких ускорителях частица движется в постоянном во времени электрическом поле. В однокаскадных уско­ рителях (без перезарядки) конечная энергия ускоренных

частиц в электрон-вольтах равна напряжению в вольтах, существующему в ускорителе. Типичным и наиболее рас­ пространенным представителем ускорителей этого типа является ускоритель Ван де Граафа, в котором высоко­ вольтный потенциал создается на изолированном элект­ роде с помощью движущейся ленты, переносящей заряд от источника к электроду. В ускорителе Ван де Граафа может быть достигнут потенциал 8— 10 мВ.

Обычно ускорители этого типа имеют ток около I мА и мощность менее 5 кВт. Отечественная промышленность выпускает электростатические генераторы на различные энергии [453]. Электростатический генератор ЭГ-2,5 имеет энергию 1—2,5 МэВ и ток в пучке около 25 мкА.

168

Фирма «НѴЕС» выпускает ускорители на энергию 3— 4 МэВ с током в пучке 1 мА.

Широкое применение находят тандемные ускорители, в которых энергия ускоренных частиц соответствует уд­ военному напряжению на ускоряющем электроде. Удвое­ ние энергии достигается изменением заряда частицы при

ееускорении.

Основным достоинством ускорителей прямого дейст­

вия является возможность плавного изменения энергии пучка ускоренных частиц и незначительный разброс в энергии частиц (0,05—0,1%).

Широко используются также ускорители электронов, в которых в качестве высоковольтного генератора при­ меняется низкочастотный трансформатор на 50—180 Гц с коаксиально вмонтированной высоковольтной ускори­

имеет мощность электронного пучка 25 кВт, среднее зна­ чение тока в основном режиме 17 мА и максимальное значение— 100 мА и генерирует мощный поток электро­ нов с максимальной энергией 1,5 МэВ. Коэффициент пре­ образования подводимой электрической энергии в энер­ гию электронов достигает 90%. Распределение потока электронов по площади 400X40 мм, обеспечивается маг­ нитной системой развертки пучка в двух взаимно пер­ пендикулярных направлениях. Достоинством этого типа ускорителей являются автоматическое регулирование ускоряющего напряжения и тока в пучке, высокие значе­ ния к. п. д., возможность получения электронного пучка высокой мощности, отсутствие движущихся частей.

Непрерывно возрастает количество используемых в промышленности линейных ускорителей.

В линейных ускорителях частица при ускорении дви­ жется по прямой, многократно проходя расположенные друг за другом ускоряющие промежутки с приложенным к ним переменным электрическим напряжением. Преиму­ щественное распространение получили электронные ус­ корители. Линейные электронные ускорители работают в импульсном режиме с длительностью импульса в не­ сколько микроили наносекунд. Частота следования им­ пульсов может достигать 500 импульсов/с.

Линейные ускорители электронов на энергии от 1 до 10 МэВ являются универсальными источниками прони-

169

кающей радиации, удобными для экспериментальных технологических работ и промышленного применения. На выходе ускорителей могут быть получены интенсивные потоки ускоренных электронов, а при использовании спе­ циальных мишеней— достаточно мощные потоки у-лучей. Достоинства линейного ускорителя, как источника, ге­ нерирующего мощные потоки ионизирующего излучения, определяют возможность его широкого применения в са­ мых различных отраслях науки и техники и промышлен­

ного производства.

Разработан и введен в эксплуатацию промышленно­ технологический линейный ускоритель электронов на энергии 4—12 МэВ [455]. Мощность пучка электронов в номинальном режиме работы ускорителя более 5 кВт. Максимальная мощность в пучке (5—7 кВт) может быть получена при энергиях ускоренных электронов 6— 10 МэВ, что соответствует среднему току 800—500 мкА. Номинальная частота следования импульсов равна 500 импульсов/с, длительность импульса около 3 мкс. Ускоритель имеет промышленный к. п. д. 10%• Регули­ ровка среднего тока осуществляется путем изменения частоты следования импульсов в 2, 4, 8 и 16 раз относи­ тельно номинальной. Ускоритель потребляет от сети около 75 кВА. Расход охлаждающей узлы ускорителя дистиллированной воды составляет не более 10 м3/ч. По­ сле длительной остановки ускорителя время ввода его в режим не превышает 30 мин с момента подачи напряже­ ния. Ускоритель оснащен автоматическими устройства­ ми, которые позволяют измерять поток электронов, опре­ делять форму токового импульса, энергию и энергети­ ческий спектр ускоренных электронов, рассеивать пучок электронов на заданную площадь и выравнивать значе­ ние поглощенной дозы излучения по глубине объекта.

Широкое применение находят в промышленности электрофизические установки МИФИ, насчитывающие 18 моделей 8 различных серий [456].

В ускорителе модели У -16 обеспечивается независи­ мая и плавная регулировка энергии ускоренных элект­ ронов от 1,4 до 2 МэВ и тока от единиц миллиампера до 0,5 А в импульсе, что позволяет подбирать оптимальный энергетический режим при различных исследованиях. Длительная работа этой модели показала высокие экс­ плуатационные качества и ее надежность.

170

Ускоритель модели У -10 характеризуется полной энер­ гией электронов 3 МэВ и импульсным током 300 мА.

Соответствующие параметры ускорителя модели У -12 составляют 5 МэВ и 100 мА.

Двухсекционный линейный ускоритель модели У -13 с полной энергией 10 МэВ и ускоренным током 50 мА в импульсе дает интенсивный поток у-лучей с мощностью экспозиционной дозы излучения до 2500 р/(мин-м). Кон­ струкция высокочастотной системы ускорителя с раз­ дельным питанием каждой секции от отдельного магне­ трона, частоты которых синхронизированы, допускает глубокую регулировку энергии в нем от 3 до 10 МэВ. Это делает модель У-13 универсальной установкой для промышленного применения и радиационных исследова­ ний.

Линейный ускоритель У-27 рассчитан на полную энергию 10 МэВ с повышенной мощностью пучка уско­ ренных электронов. Импульсная мощность пучка дости­ гает 5 МВт. Ускоритель питается от импульсного магне­ трона, используемого в качестве высокочастотного гене­ ратора. Вакуумная система ускорителя У-27 откачивает­ ся ионосорбционными титановыми насосами ТИС-5, что повышает надежность работы ускорителя, существенно уменьшает время ввода ускорителя в номинальный ре­ жим, а также позволяет автоматизировать пуск и уста­ новку ускорителя. Ускоритель снабжен проходным «про­ зрачным» измерителем тока, регистрирующим его без нарушения технологического режима облучения.

Технические характеристики отечественных ускорите­ лей электронов серии «У» приведены в табл. 55 [456].

Высокую надежность в работе в течение длительного периода времени показал также отечественный линейный

171

* С плавным регулированием.

172