Источники тормозного излучения: рентгеновские аппараты и ускорители

Рентгеновские аппараты — наиболее распространенные источники фотонов в диапазоне энергий от единиц до сотен килоэлектронвольт. Рентгеновское излучение в рентгеновском аппарате образуется в вакуумном приборе, называемом рентгеновской трубкой. В рентгеновской трубке помещается подогревной катод, нить накала которого служит источником термоэлектронов, и массивный анод. При приложении к катоду и аноду разности потенциалов электроны, эмиттируемые катодом, ускоряются и бомбардируют анод. При торможении электронов в материале анода образуется тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, которым просвечивают контролируемые объекты. Участок поверхности мишени, на котором преимущественно тормозится пучок электронов, называется действительным фокусным пятном рентгеновской трубки. Проекция фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка на плоскость, перпендикулярную этой оси, называется эффективным фокусным пятном рентгеновской трубки. Для питания рентгеновской трубки в рентгеновском аппарате служит высоковольтный генератор, обеспечивающий накал катода и высокое напряжение.

Управление током и напряжением на рентгеновской трубке и контроль за работой аппарата осуществляют с пульта управления. С целью защиты обслуживающего персонала от неиспользуемого рентгеновского излучения и высокого напряжения рентгеновские трубки помещают в специальные, как правило, освинцованные защитные кожухи.

Рентгеновские аппараты работают от электрической сети через трансформаторы с высоковольтной (анодной) и низковольтной (накальной) обмотками. Для преобразования переменного тока сети в постоянный в электрическую цепь рентгеновской трубки у многих аппаратов включают выпрямители — кенотроны. В зависимости от электрического напряжения, необходимого при просвечивании изделий, выпускают рентгеновские аппараты с различными электрическими схемами: без выпрямителей; полуволновые (кенотронные) — с одним или двумя кенотронами, включенными последовательно с трубкой; выполненные по схеме удваивания с одним кенотроном и двумя конденсаторами для повышения напряжения; выполненные по схеме удваивания Грейнахера с двумя кенотронами и двумя конденсаторами, а также по схеме удваивания Вилларда.

Портативный рентгеновский аппарат типа РУП-120-5-1, предназначен для просвечивания сварных швов и материалов в труднодоступных для контроля местах в заводских условиях и непосредственно на строительстве.

Высоковольтная часть аппарата, т. е. рентгеновская трубка, главный трансформатор, трансформатор накала трубки и электродвигатели для циркуляции масла соединены в один блок, так называемый блок-трансформатор, помещенный в металлический кожух. Рентгеновские лучи выходят из блок-трансформатора через отверстие в кожухе, закрытое прозрачной пластмассой. На крышке кожуха расположен змеевик с двумя штуцерами для присоединения водопроводных шлангов в случае охлаждения блока проточной водой.

Анод трубки охлаждается в результате принудительной циркуляции масла.

Аппаратом управляют с пульта, на верхней панели которого расположены рукоятки выключателя сети, регулятора анодного тока, коррекции сети, регулятора высокого напряжения, переключателя вольтметра, переключателя напряжения сети, а также измерительные приборы.

Рис. 52. Типовые электрические схемы рентгеновских аппаратов
РТ — рентгеновская трубка; Т_p — трансформатор; К - кенотрон; С - конденсатор; R — сопротивление

В радиационной дефектоскопии применяют следующие ускорители электронов: линейные ускорители, микротроны и бетатроны. Благодаря высокой энергии излучения эти источники целесообразно использовать при контроле изделий толщиной 70 мм и выше.

Линейный ускоритель выполнен в виде вакуумной цилиндрической ускорительной камеры 1 с фокусирующим электромагнитом 2, расположенным на поверхности цилиндра. Высокочастотный генератор 3 обеспечивает получение в волноводе 4 бегущей электромагнитной волны, электрическое поле которой направлено по оси цилиндра. Электроны, генерируемые пушкой 5 импульсно с энергией 30—100 кэВ, ускоряются электрическим полем бегущей волны. Затем ускоренные электроны попадают на мишень 6, в которой возникает тормозное излучение с экспозиционной дозой (5-=-75 ООО) • Ю-5 Кл/кг. Преимущество линейных ускорителей состоит в большой интенсивности тормозного излучения. Так, линейные ускорители с энергией 10— 25 МэВ создают тормозное излучение, мощность экспозиционной дозы которого составляет 2000—25 000 Р/мин на расстоянии 1 м от мишени. Благодаря этому они с успехом применяют при контроле сварных швов толщиной 400—500 мм.

Ускорители представляют собой компактные установки, состоящие из излучателя и блоков электропитания, теплообменников и управления. В промышленности применяют ускорители ЛУЭ-10/1Д, ЛУЭ-10/2Д, ЛУЭ-15-1500Д, ЛУЭ-8-5В, ЛУЭ-5-500Д.

Микротрон (рис. 2.24)—циклический резонансный ускоритель электронов с постоянным во времени и однородным магнитным полем. В микротроне электроны, запущенные в вакуумную камеру 1, движутся по окружностям различного радиуса, но имеющим общую точку касания в том месте, где расположен резонатор, сверхвысокочастотное поле которого ускоряет электроны. Резонанс ускорения создается в результате кратного увеличения периода высокочастотного напряжения при каждом пересечении электронами ускоряющего зазора резонатора. Резонатор возбуждается через волновод 3 посредством мощной импульсной электронной пушки 4, Вакуумная камера находится под непрерывной откачкой с помощью насоса 7. Ускоренные электроны на последней орбите либо попадают на мишень 5, в которой возникает рентгеновское излучение с экспозиционной дозой в диапазоне (44-70) -Ю-3 Кл/кг, либо с помощью специального устройства выводятся из камеры. Электронный пучок микротрона в отличие от других типов ускорителей обладает высокой моноэнергетичностью.

Основные преимущества микротрона заключаются в высокой интенсивности рентгеновского излучения, малой расходимости и относительно малом поперечном сечении пучка электронов (эффективное фокусное пятно составляет 2—3 мм) в диаметре. В промышленности применяют микротроны РМД-10Т, МТ-20, МР-30 и др.
Линейные ускорители и микротроны обладают малым фокусом и обеспечивают получение тормозного рентгеновского излучения высокой интенсивности, благодаря чему являются перспективными источниками излучения для радиационной дефектоскопии. Например, при использовании линейного ускорителя ЛУЭ-10/1Д время просвечивания по сравнению с изотопом 60Со сокращается в 15—20 раз, а чувствительность контроля составляет 0,8—1%.

Наиболее распространены в радиационной дефектоскопии другие ускорители электронов — бетатроны. В бетатронах ускорение электронов происходит при их движении по круговой орбите в возрастающем во времени магнитном поле. Бетатрон (рис. 2.25) выполнен в виде тороидальной вакуумной ускорительной камеры 1, расположенной между полюсами электромагнита. Электронная пушка 2 генерирует электроны в тороидальную камеру, где они ускоряются в вихревом электрическом поле, создаваемом переменным магнитным полем. Возрастающее во времени магнитное поле не только обеспечивает ускорение электронов, но и удержание их на орбите постоянного радиуса, проходящей внутри камеры бетатрона. В конце цикла ускорения электроны смещаются со своей орбиты и попадают на мишень 4, в которой возникает тормозное излучение со сплошным спектром.
Фокусировка пучка электронов происходит в процессе их ускорения, в результате этого диаметр пучка перед соударением с мишенью составляет несколько десятых долей миллиметра. Таким образом, фокус пучка тормозного излучения у бетатронов меньше по размерам, чем у линейных ускорителей и микротронов. Несмотря на то, что бетатроны обеспечивают меньшую интенсивность излучения, чем линейные ускорители и микротроны, их наиболее широко применяют в дефектоскопии благодаря меньшей массе, небольшим габаритным размерам и более высоким эксплуатационным и экономическим показателям.

Промышленностью выпускается как переносные бетатроны типа ПМБ-6 массой около 100 кг, так и стационарные Б-30 и Б-35 массой до 6 т.