2. Тепловизионная диагностика электронного пучка

2.6 Тепловизионная диагностика импульсных электронных
пучков
В рамках данной главы учебного пособия были приведены основные
методы диагностики электронных пучков. Сейчас хотелось обратить внимание
на то, что для измерения распределения энергии пучка в поперечном сечении
обычно используют секционированный калориметр. Для обеспечения высокого
пространственного разрешения профиля энергии электронного пучка при
площади пучка более 20 см2 требуется сложная конструкция калориметра и
процесс измерения занимает много времени [10]. В работе [11] для измерения
распределения энергии импульсного электронного пучка в поперечном сечении
предложена радиационно-акустическая диагностика. Она основана на
регистрации акустических волн, возникающих в стержне при диссипации
энергии электронного пучка. Выполненные исследования показали, что
разрешающая способность такой диагностики при исследовании распределения
энергии импульсного электронного пучка (450 кэВ, 6 кА, 50 нс) в поперечном
сечении хуже 5 мм. Использовать тепловизор для измерения распределения
плотности энергии импульсного ионного пучка впервые предложили в 1997
году Davis, Bartsch, Olson, Rej, and Waganaar [12]. Для оперативного контроля
параметров импульсного электронного пучка научным коллективом: Пушкарёв
А.И, Сазонов Р.В., Холодная Г.Е., Пономарев Д.В. была разработана
тепловизионная диагностика. Она основана на регистрации теплового
отпечатка электронного пучка в материале с низкой объемной плотностью и
низкой теплопроводностью. Схема измерения, осциллограммы тока и
ускоряющего напряжения показаны на рис. 30.
Схему тепловизионной диагностики электронного пучка можно
представить с помощью следующих блоков: 1 – диодная камера ускорителя
ТЭУ-500; 2 – катод; 3 – анодная решётка и алюминиевая фольга; 4 –
тепловизор; 5 – пенополистирол ПСБ-С25; Катод выполнен из графита,
диаметр 45 мм, анод-катодный (А-К) зазор 10,5 мм.
Рис. 30. Схема тепловизионной диагностики электронного пучка (а) и
осциллограммы (б): ускоряющего напряжения (1) и тока электронного пучка (2)
Для регистрации теплового отпечатка использовали тепловизор “FlukeTi10”. Время регистрации термограммы не превышает 0,1–0,2 с. После
генерации одного импульса электронного пучка регистрировался тепловой
отпечаток на мишени из пенополистирола. При взаимодействии с мишенью
электроны пучка претерпевают упругое и неупругое взаимодействие.
Электроны, движущиеся в веществе, взаимодействуют с его атомами, в
результате чего теряют свою энергию и отклоняются от первоначального
направления, т. е. рассеиваются. В диссертационной работе используется пучок
электронов, энергия которых 350–450 кэВ. В области таких энергий электронов
(E < 1 МэВ) определяющий вклад в потери энергии дают неупругие
ионизационные процессы взаимодействия с атомными электронами,
включающие ионизацию атомов. Передаваемая в одном столкновении энергия
в среднем очень мала и при движении в веществе потери складываются из
очень большого числа таких малых потерь. Получается, что при воздействии
импульсного электронного пучка на мишень кинетическая энергия электронов
переходит в тепловую – мишень нагревается. По нагреву мишени (при
отсутствии плавления) можно рассчитать удельное энерговыделение
(поглощенную дозу) электронного пучка:
D  cv  T , Гр ( Дж / кг )
где сv –удельная теплоемкость мишени;
ΔТ – нагрев мишени.
Для измерения распределения плотности энергии импульсного
электронного пучка (ИЭП) за выводным окном диодного узла располагалась
мишень – круглая пластина диаметром 95 мм из пенополистирола ПСБ-С25.
При однократном облучении мишени импульсным электронным пучком
регистрировался тепловой отпечаток обратной (по отношению к диоду)
стороны мишени в течение 1–2 с, что позволяет оперативно контролировать
режим работы диода. На рис. 31 показана термограмма электронного пучка и
распределение поглощенной дозы в горизонтальном сечении. Катод –
графитовый (диаметр 45 мм), А-К зазор 10,5 мм, толщина мишени 16 мм,
материал - пенополистирол ПСБ-С25 с теплоемкостью 1,26 Дж/г·град.
Тепловое изображение было обработано в программе “SmartView”.
Рис. 31. Термограмма электронного пучка (а) и распределение поглощенной дозы
в горизонтальном сечении (б) (1, 2, 3 – динамика остывания мишени спустя 2,11,18 с
между временем импульса и регистрацией термограммы)
Для измерения энергетического спектра электронов в образце из
пенополистирола предварительно был выполнен разрез по диаметру (рис. 32).
После облучения мишени импульсным электронным пучком разрезанный
пенополистирол открывали и регистрировали тепловое изображение на
внутренней поверхности мишени. В этой серии экспериментов задержка между
облучением и измерением теплового отпечатка составляла 5–10 с.
Типичное распределение температуры показано на рис. 32 (одна половина
мишени). Катод - графит, диаметр 45 мм, 1 импульс. Диаметр мишени 85 мм,
толщина 100 мм.
Рис. 32. Мишень из пенополистирола и термограммы мишени, облученной
импульсным электронным пучком с различными параметрами
Разработанная тепловизионная диагностика измерения параметров
импульсного электронного пучка, которая не требует дорогостоящих
расходных материалов и длительного времени на обработку. Тестирование
показало, что чувствительность типового тепловизора обеспечивает
регистрацию термограммы импульсного электронного пучка за один импульс с
плотностью энергии более 0,1 Дж/см2 с пространственным разрешением 0,9–1
мм.
2.7 Вопросы для самоконтроля
1 Особенности конструкции пояса Роговского.
2 Принцип работы цилиндра Фарадея.
3 Что позволяет измерять калориметр?
4 Оригинальные методики, применяемые для диагностики импульсных
электронных пучков.
Цитируемая и рекомендуемая литература
1 Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и
способы измерения – 2-е изд., перераб.и доп.Пер. с нем. – М. Энергоатомиздат,
1983. – 264 с.
2 Конверев Н. Использование катушки Роговского для токовых измерений
/ Н. Конверев, Ю. Троицкий // Электронные компоненты. – 2005. – № 5. – С.
123-128.
3 Хеммингер В., Хене Г. Калориметрия. Теория и практика. М.: Химия.
1989. 176 с.
4 Попов М.М. Термохимия и калориметрия. 2-е изд. М.: 1954.
5 Москалев В.А., Сергеев Г.И. Измерение параметров пучков заряженных
частиц. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.;
6 Батыгин Ю.В., Воловик В.Д., Иванов С.И., Карасев С.П. Об определении
профиля пучка в ускорителе с помощью метода акустической дозиметрии //
Приборы и техника эксперимента. – 1980. – № 4. – С. 24–26.
7 Исследование распределения плотности энергии сильноточного
импульсного электронного пучка Д.В. Гончаров, В.В. Ежов, А.И. Пушкарев,
Г.Е. Ремнев // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308.
№ 6, с.76-80.
8 Холодная Г.Е., Сазонов Р.В. Исследование распределения плотности
энергии импульсного электронного пучка с помощью дозиметрических плёнок
// Современные техника и технологии: Сборник трудов XV Международная
научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные
техника и технологии». – 2009. – Т. 3 – С. 124 – 126.
9 Холодная Г.Е., Сазонов Р.В. Исследование зависимости плотности
энергии импульсного электронного пучка от глубины проникновения в
дозиметрической пленке // Материалы VI Международная конференция
студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук».
– 2009. – С. 253 – 255.
10 Москалев В.А., Сергеев Г.И. Измерение параметров пучков заряженных
частиц. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.
11 Pushkarev A., Isakova J., Kholodnaya G., Sazonov R. Sound Waves
Generated Due to the Absorption of a Pulsed Electron Beam //Advances in Sound
localization, chapter 12, pp. 199-223.
12 H.A. Davis, R.R. Bartsch, J.C. Olson, D.J. Rej, and W.J. Waganaar. J. Appl.
Phys. 82 (7), 3223 (1997).