Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром

Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром

Описана методика расчета процессов в системе развертки электронного пучка в стерилизационной установке на основе линейного СВЧ-ускорителя на стоячей волне. Написана компьютерная программа "BEAM SCANNING" на основе этой методики. Приведены результаты предварительных расчетов. Продемонстриро...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2012
Hauptverfasser: Быстров, П.А., Розанов, Н.Е.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Schriftenreihe:Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:
Динамика пучков
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108904
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром / П.А. Быстров, Н.Е. Розанов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 87-91. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-108904
record_format dspace
spelling irk-123456789-1089042018-03-21T13:13:39Z Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром Быстров, П.А. Розанов, Н.Е. Динамика пучков Описана методика расчета процессов в системе развертки электронного пучка в стерилизационной установке на основе линейного СВЧ-ускорителя на стоячей волне. Написана компьютерная программа "BEAM SCANNING" на основе этой методики. Приведены результаты предварительных расчетов. Продемонстрированы некоторые важные эффекты, сопровождающие работу системы развертки стерилизационной установки и обусловленные широким энергетическим спектром пучка, рассеянием его на фольге раструба и большим углом отклонения при развертке. Methodology of calculation of processes in scanning system of sterilizing installation based on linear standingwave RF accelerator is described. Computer code "BEAM SCANNING" based on this methodology is created. Results of preliminary calculations with the use of this code are presented. Some important effects accompanied the work of scanning system of sterilizing installation and caused by the wide energy spectrum of electron beam, by beam scattering in a titanic foil of an output window of scanning system and by the large angle of a deviation of the beam at the scanning processes are demonstrated. Описана методика розрахунку процесів у системі розгортки електронного пучка в стерилізаційній установці на основі лінійного НВЧ-прискорювача на стоячій хвилі. Написана комп'ютерна програма "BEAM SCANNING" на основі цієї методики. Наведено результати попередніх розрахунків за допомогою цієї програми. Продемонстровані деякі важливі ефекти, що супроводжують роботу системи розгортки стерилізаційної установки і зумовлені широким енергетичним спектром пучка, розсіюванням його на фользі розтруба і великим кутом відхилення при розгортці. 2012 Article Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром / П.А. Быстров, Н.Е. Розанов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 87-91. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108904 621.384.6 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Динамика пучков
Динамика пучков
spellingShingle Динамика пучков
Динамика пучков
Быстров, П.А.
Розанов, Н.Е.
Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
Вопросы атомной науки и техники
description Описана методика расчета процессов в системе развертки электронного пучка в стерилизационной установке на основе линейного СВЧ-ускорителя на стоячей волне. Написана компьютерная программа "BEAM SCANNING" на основе этой методики. Приведены результаты предварительных расчетов. Продемонстрированы некоторые важные эффекты, сопровождающие работу системы развертки стерилизационной установки и обусловленные широким энергетическим спектром пучка, рассеянием его на фольге раструба и большим углом отклонения при развертке.
format Article
author Быстров, П.А.
Розанов, Н.Е.
author_facet Быстров, П.А.
Розанов, Н.Е.
author_sort Быстров, П.А.
title Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
title_short Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
title_full Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
title_fullStr Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
title_full_unstemmed Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
title_sort методика и программа "beam scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate 2012
topic_facet Динамика пучков
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108904
citation_txt Методика и программа "Beam Scanning" расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром / П.А. Быстров, Н.Е. Розанов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 87-91. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv AT bystrovpa metodikaiprogrammabeamscanningrasčetaprocessovvsistemerazvertkirelâtivistskogoélektronnogopučkasširokiménergetičeskimspektrom
AT rozanovne metodikaiprogrammabeamscanningrasčetaprocessovvsistemerazvertkirelâtivistskogoélektronnogopučkasširokiménergetičeskimspektrom
first_indexed 2025-07-07T22:15:57Z
last_indexed 2025-07-07T22:15:57Z
_version_ 1837028143128379392
fulltext ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 87 УДК 621.384.6 МЕТОДИКА И ПРОГРАММА "BEAM SCANNING" РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ РАЗВЕРТКИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ШИРОКИМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СПЕКТРОМ П.А. Быстров, Н.Е. Розанов Московский радиотехнический институт Российской академии наук E-mail: bpeter@mail.ru; nrozanov@mail.ru Описана методика расчета процессов в системе развертки электронного пучка в стерилизационной уста- новке на основе линейного СВЧ-ускорителя на стоячей волне. Написана компьютерная программа "BEAM SCANNING" на основе этой методики. Приведены результаты предварительных расчетов. Продемонстриро- ваны некоторые важные эффекты, сопровождающие работу системы развертки стерилизационной установки и обусловленные широким энергетическим спектром пучка, рассеянием его на фольге раструба и большим углом отклонения при развертке. ВВЕДЕНИЕ В последнее время создается все больше устано- вок для стерилизации медицинской продукции с помощью радиационных технологий, в том числе, с использованием ускоренных электронных пучков. Такая установка, с компактной местной биозащи- той, создана в МРТИ [1]. Она базируется на линей- ном СВЧ-ускорителе на стоячей волне, с фокуси- ровкой электронного пучка СВЧ-полем [2]. Харак- терные параметры ускоренного пучка следующие: средняя по спектру энергия – около 5 МэВ, им- пульсный ток ускоренного пучка – до 250 мА, дли- тельность импульса ускоренного тока – 4…6 мкс, частота следования импульсов – 300 Гц, т.е. средняя по времени мощность ускоренного пучка – 1,5…1,7 кВт. При работе стерилизационной установки уско- ренный электронный пучок попадает в систему раз- вертки и сканирует облучаемые объекты, располо- женные на движущемся транспортере. Система раз- вертки отклоняет ускоренный пучок поперечным магнитным полем, меняющимся во времени с часто- той от 1 до 5 Гц. При этом ось ускорителя (ось z), направление развертки пучка (ось x) и направление движения ленты транспортера (ось у) являются вза- имно перпендикулярными. А основная компонента магнитного поля системы развертки направлена вдоль оси y. Особенностью ускоренного релятивистского пучка на выходе СВЧ-ускорителя на стоячей волне является наличие большого разброса частиц по энергии. Еще одной важной особенностью установ- ки является большой угол отклонения пучка. Оба этих фактора заметно усложняют работу системы развертки. Поэтому расчет процессов в ней является важной практической задачей, решение которой включает в себя и решение ряда научных проблем. 1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА Методика расчета процессов в системе развертки включает в себя несколько стадий. Прежде всего, это расчет динамики процесса ускорения электронов в самом СВЧ-ускорителе. Следующим этапом явля- ется ввод информации об ускоренных частицах из программы расчета пучка в ускорителе в программу расчета динамики сгустков электронов в системе развертки. Относительно независимой задачей явля- ется создание информации о трехмерном профиле магнитного поля системы развертки. Главной со- ставляющей частью программы "BEAM SCANNING" является расчет динамики сгустков ускоренных электронов в периодически меняющем- ся во времени магнитном поле системы развертки. Важным физическим процессом при расчете дина- мики сгустков в системе развертки является моде- лирование процесса рассеяния пучка на титановой фольге в выходном окне раструба системы разверт- ки. Промежуточные результаты расчета динамики электронных сгустков формируются при вычисле- нии дозы облучения на поверхности облучаемого объекта, а также в его объеме. Заключительной ста- дией работы программы "BEAM SCANNING" должны быть анализ результатов и выработка реко- мендаций по оптимизации работы системы разверт- ки стерилизационной установки. Опишем каждый из этапов подробнее. 1.1. ПРОГРАММЫ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССА УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Прежде всего, опишем программы, из которых информация о характеристиках ускоренного пучка берется для расчета динамики пучка в системе раз- вертки. Расчет процесса ускорения электронного пучка в ускорителе осуществляется по программам из комплекса программ "DINA" [3]. Программа "DINA_RoZ" – это 2,5-мерная программа для описа- ния процессов группировки и ускорения электронных пучков в ускорителях заряженных частиц в устано- вившемся периодическом во времени режиме. Она позволяет в качестве начальных характеристик пучка задавать как произвольные распределения различных видов, так и полученные в расчетах электронных пу- шек с помощью специализированных программ. Двумерные распределения ВЧ-полей в ускоряющих структурах также могут задаваться как произвольны- ми, так и вводиться из расчетов специализированны- ми программами. Программа "DINA_RoZ" вычисляет и учитывает поток электронов на стенки канала в ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 88 ускорителях с фокусировкой СВЧ-полем. Эта воз- можность позволяет объяснить баланс мощности в линейных ускорителях электронов на стоячей волне без внешнего фокусирующего магнитного поля. Только с учетом этих потерь мощности возможна существенная оптимизация работы таких ускорите- лей. Компьютерная программа "DINA_TIME" позво- ляет моделировать 2,5-мерную временную эволю- цию электронных пучков в переходных режимах без предположения о периодичности процессов во вре- мени. Кроме процессов группировки и ускорения, она описывает динамику отраженных электронов, двигающихся в направлении инжектора. Такие элек- троны образуются в режимах, когда напряжение на инжекторе заметно меньше напряжений на первых ускоряющих зазорах. Кроме того, в ней моделирует- ся работа инжектора (в режиме заданного тока) с учетом полей этих отраженных электронов и вычис- ляется мощность потока, попадающего на катод пушки. Характеристики инжектируемого пучка, искаженного полями этого потока, самосогласован- ным образом используются для расчета процессов группировки и ускорения. Расчет на интервале вре- мени в несколько времен пролета ускоряющей структуры приводит к установлению (если влияние полей отраженных электронов мало) периодическо- го во времени (с частотой СВЧ-полей) режима, опи- сываемого программой "DINA_RoZ". Время расчета такого процесса в несколько раз больше времени расчета установившегося процесса. Программа "DINA_3D" описывает трехмерную динамику электронного пучка в ускорителях в пе- риодическом во времени режиме. Она позволяет учесть несоосность инжектируемого пучка и уско- ряющей структуры, азимутальную неоднородность собственных полей пучка и СВЧ-полей в структуре и другие трехмерные эффекты. Время ее работы, естественно, заметно больше времени работы про- граммы "DINA_RoZ". В качестве примера на Рис.1 приведен энергети- ческий спектр ускоренного электронного пучка. 1 2 3 4 5 6 Энергия, МэВ 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 C пе кт р пу чк а: э не рг ет ич ес ка я пл от но ст ь то ка d I/I in j/d E, 1 /М эВ cр ед ня я по с пе кт ру э не рг ия Рис.1. Энергетический спектр ускоренного пучка Энергетический спектр – это зависимость энер- гетической плотности тока пучка (на рисунке – тока, нормированного на ток инжекции) от энергии. На рисунке стрелкой показано также значение средней по спектру энергии ускоренного пучка. Видно, что она сильно отличается как от максимальной по спектру энергии, так и наиболее вероятной энергии (соответствующей максимуму энергетической плот- ности, или, другими словами, наибольшей вероят- ности). Такое сильное отличие связано, как можно показать, с наличием в спектре низкоэнергетичных электронов: относительно небольшое их число за- метно снижает значение средней по спектру энер- гии. Отметим также, что приведенный расчетный спектр относится к режиму, соответствующему "по- лочке" ускоренного (примерно 6 мкс) импульса. Вклад электронов, ускоренных на фронтах импуль- са, дает дополнительное расширение энергоспектра электронов всего 6 мкс-импульса. 1.2. ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ ОБ УСКОРЕННОМ ПУЧКЕ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Результаты расчета динамики пучка в ускорителе передаются в программу "BEAM SCANNING" в виде файла с характеристиками макрочастиц, моде- лирующих импульс электронов длительностью до 6 мкс (который далее для краткости будем называть "сгустком"). Именно информация о "сгустках" необ- ходима для моделирования работы системы раз- вертки. При этом формируемый файл, описываю- щий такой "сгусток", должен учитывать реальную "осциллограмму" импульса ускоренных частиц. В частности, он должен содержать характеристики частиц, ускоренных на "полочке" импульса, а также частиц, ускоренных менее эффективно на переднем и заднем фронтах 6 мкс-импульса. Программа "BEAM SCANNING" использует полученную ин- формацию о 6 мкс-сгустках ускоренных частиц и производит их трехмерный расчет, точнее, состав- ляющих их электронов, динамики, предполагая, что "сгустки" поступают из ускорителя в систему раз- вертки с частотой до 300 Гц. Эти сгустки, отклоняе- мые периодически меняющимся во времени попе- речным магнитным полем, проходят раструб систе- мы развертки, рассеиваются на фольге в выходном окне раструба и "покрывают" поверхность облучае- мого объекта, перемещаемого относительно плоско- сти раструба с помощью конвейера. 1.3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СИСТЕМЫ РАЗВЕРТКИ Для расчета трехмерных профилей всех трех компонент магнитного поля системы развертки ис- пользуются различные методы. Наиболее простым является задание одной, основной, компоненты маг- нитного поля By, в области, имеющей вид простого параллелепипеда в пространстве {x, y, z}. Напом- ним, что ось z – это ось ускорителя, ось x – направ- ление сканирования лучом электронов, ось y – на- правление движения ленты конвейера с облучаемы- ми объектами. Одной из основных задач, решаемых с помощью программы "BEAM SCANNING", является оптими- зация пространственного распределения компонент магнитного поля с целью повышения КПД работы системы развертки и всей стерилизационной уста- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 89 новки. Для этого на одном из начальных этапов не- обходим расчет процесса облучения, в котором ис- пользуется профиль магнитного поля в реально су- ществующей установке с учетом всех его особенно- стей и недостатков. Он вводится в программу на ос- нове данных из измерений распределения компонент магнитного поля в существующей системе развертки. Для выработки рекомендаций по модификации магнитного поля будут проводиться расчеты его трехмерной (или двумерной – в упрощенных ситуа- циях) конфигурации по различным имеющимся, а также созданным самостоятельно, компьютерным программам. Еще одним методом улучшения работы системы развертки является выбор временной зависимости магнитного поля. В настоящее время эта зависи- мость является пилообразной и двухполярной. При ее практической реализации возникли отклонения от идеальной "пилы", поэтому планируется исследо- вание их влияния на процесс облучения по создан- ной программе. Кроме того, очевидным представля- ется необходимость отказа от такой осциллограммы тока, питающего электромагнит системы развертки, так как необходима компенсация эффекта увеличе- ния скорости сканирования электронным лучом (по оси x) при его отклонении на большие углы. Еще одним эффектом, который нужно и можно скомпен- сировать выбором временной зависимости тока электромагнита, является гистерезис в ферромаг- нитных элементах при работе на частотах порядка нескольких герц [4]. 1.4. РАСЧЕТ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ Расчет динамики электронов, составляющих сгу- сток примерно 6 мкс-длительности, основан на чис- ленном решении релятивистских уравнений движе- ния в заданном, меняющемся во времени простран- ственно неоднородном магнитном поле, содержа- щем, в общем случае, все три компоненты. Собст- венными полями релятивистского пучка пренебре- гается. Расчет построен таким образом, что вычис- ляются траектории электронов в серии сгустков, следующих с частотой 300 Гц в течение нескольких периодов изменения магнитного поля системы. Важным этапом динамики электронов в системе развертки пучка является процесс их рассеяния при прохождении 50 мкм-титановой фольги в выходном окне раструба. Для его моделирования используется следующий метод. Полагая, что рассеяние пучка является многократным и на малые углы, использу- ем формулу для среднеквадратичного угла рассея- ния [5, 6], характеризующего такой процесс. А при пролете электронами сквозь фольгу присваиваем их поперечным импульсам добавку, обусловленную рассеянием, с использованием датчика случайных чисел. Он имитирует случайность процесса рассея- ния и определяет распределение электронов по уг- лам [7] как в пространстве импульсов, так и в кон- фигурационном пространстве. Тестовые расчеты показали, что такой способ удовлетворительно точ- но описывает экспериментально зафиксированное увеличение диаметра пятна с нескольких миллимет- ров на внутренней поверхности фольги, оставленно- го нерассеянным пучком, до нескольких сантимет- ров на расстоянии около 5 см после фольги – рассе- янным на фольге пучком. 1.5. ВЫДАВАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА В качестве результатов расчета программа выда- ет следующую информацию. Прежде всего, это ве- личина кинетической энергии электронного потока, поступившей в систему развертки из ускоряющей структуры за время расчета. Характерное значение энергии одного 6 мкс-сгустка электронов составляет 5…7 Дж. Общая энергия электронных сгустков за время облучения, равное, например, 1 с, при частоте следования сгустков в 300 Гц, составит, следова- тельно, 1,5…2 кДж. Программа вычисляет полную энергию пучка, попавшую на поверхность облучае- мого объекта за время облучения. Отношение этих величин дает общий КПД использования электрон- ного пучка в установке. Программа анализирует каналы потерь электронов в процессе облучения. Так, вычисляются потери на стенках раструба, в промежутках между облучаемыми объектами, рас- положенными на ленте транспортера, потери элек- тронов, отклоненных (по оси x) на расстояние, пре- вышающее размер объекта в направлении развертки пучка, а также в областях, лежащих одновременно между объектами на конвейере и вне объектов в направлении развертки. Отметим, что необходи- мость использования впустую части сгустков обу- словлена требованиями к однородности облучения стерилизуемых объектов, в частности, в областях, близких к границам объекта. Значения поверхност- ной плотности энергии, выделяемой электронным пучком, ее распределение по поверхности объекта и степень неоднородности, являются одними из ос- новных результатов работы программы. Информа- ция об этом выдается как графически, так и числен- но (см. ниже). 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ На Рис.2 показан след, оставленный одним сгу- стком на внутренней поверхности фольги раструба. Рис.2. Следы от электронного сгустка на внутренней поверхности фольги След оставлен сгустком, еще не испытавшим рассеяния на фольге. На Рис.2,а показана поверхно- стная плотность кинетической энергии электронов, на Рис.2,б – положения макрочастиц, моделирую- щих сгусток электронов (точнее, некоторых из них). Рисунок демонстрирует различные способы пред- б а ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 90 ставления информации об облучении объектов элек- тронным пучком. Заметим, что величина поверхно- стной плотности кинетической энергии электронов пропорциональна степени потемнения изображения. Максимальная величина плотности на приведенном рисунке имеет порядок 100 Дж/см2. На этом рисунке, а также на всех последующих рисунках, перекрестье тонких вертикальной и гори- зонтальной линий указывает положение оси ускори- теля. В зависимости от вида расчета оно оказывает- ся разным в плоскости (x, y). На Рис.2 ось ускорите- ля имеет координаты x и y, равные 0,5 см. Рис.2 соответствует ситуации с нулевым магнит- ным полем в системе развертки. Видно, что харак- терный размер пятна составляет несколько милли- метров. В то же время очевиден пик плотности на оси системы. Причина его появления связана с от- сутствием магнитной фокусировки в ускорителе с фокусировкой СВЧ-полем [8]. Следующий рисунок иллюстрирует роль процес- са рассеяния электронного пучка в титановой 50 мкм-фольге, расположенной в выходном окне раструба системы развертки и служащей для отде- ления вакуумированной части установки от атмо- сферы. На Рис.3 показаны два пятна, оставленные сгустком, прошедшим рассеивающую фольгу, на расстояниях 5 и 10 см от ее плоскости. Рис.3. Поверхностная плотность энергии сгустка, испытавшего рассеяние на фольге: на расстоянии 5 см (а) и 10 см (б) за фольгой Видно, что размер пятен заметно вырос из-за рассеяния пучка: примерно до 7 и 10 см в диаметре на расстояниях 5 и 10 см соответственно. Видно также, что вследствие рассеяния электронов исчез приосевой пик плотности пучка. Для иллюстрации влияния разброса частиц по энергии проводились расчеты с искусственным мо- ноэнергетичным сгустком. Он создавался простым присвоением продольным компонентам импульса макрочастиц одного значения, соответствующего средней по спектру энергии сгустка. При этом сгу- сток сохранял значения суммарной кинетической энергии и заряда исходного немоноэнергетического сгустка. На Рис.4 показано два пятна: от сгустка с "реаль- ным" расчетным энергетическим спектром и от ис- кусственного моноэнергетичного сгустка, в ситуа- ции с отклонением магнитным полем на угол поряд- ка 30 градусов. Координаты оси ускорителя равны x=30 см, y=5 см. Для наглядности расчет сделан для фольги меньшей толщины. Изображения соответст- вуют расстоянию 5 см от фольги. Рис.4. Изображения электронных сгустков, откло- ненных магнитным полем в системе развертки: сгустка с реальным спектром (а) и моноэнергетического сгустка (б) Видно, что изображение сгустка с реальным спектром (см. Рис.4,а) оказывается более размытым: отчетливо видны частицы с малыми энергиями, от- клоненные на большие расстояния по оси x. Видно также, что центральная часть сгустка с реальным спектром отклонена на меньшее расстояние, чем центральная часть моноэнергетического сгустка, так как она содержит заметную часть частиц с энергия- ми, превышающими среднюю по спектру энергию. Следующий рисунок иллюстрирует работу сис- темы развертки электронного пучка. На Рис.5 показано распределение поверхностной плотности энергии электронов на облучаемой по- верхности в режиме движущейся мишени. Скорость движения мишени равна 20 см/с, частота развертки – 4 Гц. Рис.5. Поверхностная плотность энергии электро- нов в режиме облучения объекта на движущемся транспортере На рисунке в плоскости {x, y} показано, как рас- пределена поверхностная плотность кинетической энергии электронов вдоль направления сканирования электронным лучом (ось x) и вдоль направления движения транспортера (ось y), на котором распола- гаются облучаемые объекты. Показан участок транс- портера, облученный примерно за время 4…5 пробе- гов электронного луча вдоль оси x. За время одного пробега луча система развертки оставляет следы примерно 75 сгустков (при частоте изменения маг- нитного поля развертки 4 Гц и частоте следования сгустков 300 Гц). На рисунке следы этих 75 сгустков слились и практически неразличимы. Видно, что присутствует эффект увеличения скорости движения луча электронов по мере роста угла отклонения, т.е. увеличения координаты x. Он выражается в спаде поверхностной плотности энер- гии (т.е. степени затемнения на рисунке) по x в ле- вой и правой границах облученной области. Этот эффект обусловлен большим углом отклонения в системе развертки. а б ба ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 91 Рисунок демонстрирует также неоднородность плотности дозы вдоль направления движения транс- портера (ось y) при данной скорости его движения. Нетрудно оценить максимально допустимую ско- рость движения ленты транспортера, при которой обеспечивается допустимая неоднородность плот- ности облучения. Ясно, что для этого необходимо знать размер пятна сгустка на расстоянии, соответ- ствующем расстоянию между фольгой раструба и поверхностью облучаемого объекта. Отметим, что приведенные результаты являются предварительными. Так, в них используется инфор- мация о сгустке без фронтов, т.е. полагается, что в течение всего 6 мкс-импульса характеристики уско- ренного пучка одинаковы. Учет реальных значений фронтов импульса дает дополнительное размытие спектра энергий сгустка. Разработанная методика позволит учесть этот эффект. Кроме того, приведен- ные выше результаты получены при использовании упрощенного пространственного распределения магнитного поля системы развертки. Таким образом, создан "компьютерный инстру- мент", который позволит как интерпретировать экс- периментальные данные по работе стерилизацион- ной установки, так и выдавать рекомендации по со- вершенствованию режимов ее работы, а также по модернизации ее конструкции, прежде всего, систе- мы развертки электронного пучка. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. V.M. Belugin, A.V. Mischenko, V.M. Pirozhenko, N.E. Rozanov, A.A. Zavadtsev, A.N. Korolev, K.G. Simonov. Compact electron linacs for radiation technology systems // Proceedings of the 2001 Par- ticle Accelerator Conference, 2001, v.4, p.2515- 2517. 2. V.M. Belugin, V.M. Pirozhenko, N.E. Rozanov. Self-shielded electron linac accelerators for radiation technologies // Physical Review Special Topics - Ac- celerators and Beams. 2009, v.12, issue 9 (090101), p.1-8. 3. Н.Е. Розанов. Компьютерные программы «DINA» для расчета динамики сильноточных пучков в линейных ускорителях // Научная сес- сия МИФИ-2003, Москва: МИФИ, 2003, т.7, с.167-168. 4. П.А. Быстров. Учет гистерезиса ферромагнитных элементов при разработке системы развертки пучка // Ядерная физика и инжиниринг. 2011, т.2, №5, с.1-4. 5. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. М.: «Мир», 1980, с.254-261. 6. E.P. Lee, R.K. Cooper. General envelope equation for cylindrically symmetric charged-particle beams // Particle Accelerators. 1976, v.7, №1, p.83-95. 7. E.Г. Шейкин. Модельное дифференциальное се- чение упругого рассеяния электронов на атомах для моделирования прохождения электронов в веществе методом Монте-Карло // Журнал тех- нической физики. 2010, т.80, в.1, с.3-11. 8. Н.Е. Розанов. Приосевая локализация плотности незамагниченного пучка // Научная сессия МИФИ-2005, Москва: МИФИ, 2005, т.7, с.213- 214. Статья поступила в редакцию 23.09.2011 г. METHODOLOGY AND THE COMPUTER CODE "BEAM SCANNING" FOR CALCULATION OF PROCESSES IN SCANNING SYSTEM OF THE RELATIVISTIC ELECTRON BEAM WITH THE WIDE ENERGY SPECTRUM P.A. Bystrov, N.E. Rozanov Methodology of calculation of processes in scanning system of sterilizing installation based on linear standing- wave RF accelerator is described. Computer code "BEAM SCANNING" based on this methodology is created. Re- sults of preliminary calculations with the use of this code are presented. Some important effects accompanied the work of scanning system of sterilizing installation and caused by the wide energy spectrum of electron beam, by beam scattering in a titanic foil of an output window of scanning system and by the large angle of a deviation of the beam at the scanning processes are demonstrated. МЕТОДИКА І ПРОГРАМА "BEAM SCANNING" РОЗРАХУНКУ ПРОЦЕСІВ У СИСТЕМІ РОЗГОРТКИ РЕЛЯТИВІСТСЬКИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧКІВ З ШИРОКИМ ЕНЕРГЕТИЧНИМ СПЕКТРОМ П.О. Бистров, М.Є. Розанов Описана методика розрахунку процесів у системі розгортки електронного пучка в стерилізаційній уста- новці на основі лінійного НВЧ-прискорювача на стоячій хвилі. Написана комп'ютерна програма "BEAM SCANNING" на основі цієї методики. Наведено результати попередніх розрахунків за допомогою цієї про- грами. Продемонстровані деякі важливі ефекти, що супроводжують роботу системи розгортки стерилізацій- ної установки і зумовлені широким енергетичним спектром пучка, розсіюванням його на фользі розтруба і великим кутом відхилення при розгортці.

Ähnliche Einträge