PL218303B1 - Sposób wytwarzania dwuenergetycznych, cyklicznych impulsów promieniowania X oraz liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania dwuenergetycznych, cyklicznych impulsów promieniowania X oraz liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów, z tarczą konwersji elektronów na promieniowanie X, pracujący jako źródło promieniowania służącego do wizualizacji prześwietlanych obiektów.

Liniowe akceleratory elektronów z wykorzystaniem tarczy konwersji, dzięki której uzyskuje się emisję promieniowania X, wykorzystywane są jako źródła promieniowania, m. in. w radiografii do badań nieniszczących. Szczególnym przypadkiem radiografii jest kontrola wizualna przewożonych ładunków wielkogabarytowych na granicach państw.

W zależności od prześwietlanych obiektów stosuje się różne źródła promieniowania. Mogą to być źródła izotopowe, lampy RTG i akceleratory - betatrony lub liniowe akceleratory wysokiej częstotliwości. Dla dużych obiektów (samochody, kontenery) wymagana jest duża przenikliwość promieniowania, którą można uzyskać stosując promieniowanie o energiach rzędu kilku MeV, a to możliwe jest do osiągnięcia tylko z wykorzystaniem akceleratorów. Uzyskany obraz jest analogiczny do typowych czarno-białych obrazów radiologicznych. W takim przypadku, wychwycenie materiałów podejrzanych, niebezpiecznych lub niedozwolonych zależy w znaczącym stopniu od wyszkolenia i doświadczenia operatora systemu.

W rozwiązaniu znanym z US nr 7 257 188 do wizualizacji prześwietlanych obiektów stosuje się dwie energie padającej wiązki. Ponieważ współczynnik osłabiania promieniowania zależy od energii wiązki oraz liczby atomowej prześwietlanego materiału, zatem po prześwietleniu obiektu dwiema energiami, zmierzony stosunek dawek promieniowania może wskazać na rodzaj materiału. Ponadto, w takim przypadku, informacja o efektywnej liczbie atomowej może zostać zwizualizowana w kolorze. Uzyskany w ten sposób obraz kolorowy niesie znacząco więcej informacji, co pomaga operatorowi. W szczególności możliwe jest również zastosowanie automatycznych alarmów w przypadku hipotezy przewozu substancji podejrzanych.

Typowe systemy służące do kontroli granicznej wymagają przemieszczenia kontrolowanego obiektu pomiędzy akceleratorem a detektorem obrazującym. Inną możliwą konfiguracją jest mobilność zestawu akcelerator-detektor przy nieruchomym obiekcie kontrolowanym. Z uwagi na trudność dokładnego powtórzenia przemieszczenia pożądane jest uzyskanie obydwu prześwietleń, przy dwóch energiach, w trakcie jednego przejazdu. Z uwagi na konfigurację systemu pożądane jest, by było tylko jedno źródło promieniowania. Zatem źródło to - w tym przypadku akcelerator - powinno emitować dwie wiązki promieniowania „jednocześnie. Tym samym powinien być to akcelerator pracujący impulsowo z energią przełączaną cyklicznie, np. co impuls, przy zachowaniu odpowiednio wysokiej częstotliwości przełączania.

Z opisu patentowego US nr 7 130 371 znany jest akcelerator ze strukturą przyspieszającą o fali bieżącej, w którym stosuje się szybkie przełączania energii poprzez zmianę częstotliwości źródła RF.

W innym rozwiązaniu, znanym z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US nr 2008/0 211 431 stosuje się szybkie przełączania energii oparte o źródło mikrofalowe typu magnetron.

Zgodnie ze sposobem wytwarzania dwuenergetycznych, cyklicznych impulsów promieniowania X według wynalazku, przyspiesza się elektrony w zmiennym polu elektromagnetycznym, w strukturze przyspieszającej zasilanej ze źródła mocy mikrofalowej, po czym zamienia się wiązkę elektronów w promieniowanie X przy zastosowaniu tarczy konwersji. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że do struktury przyspieszającej o fali stojącej dostarcza się energię mikrofalową z klistronu, zasilanego z modulatora, przy czym w klistronie wzmacnia się sygnał generowany przez generator częstotliwości podstawowej, zaś poziom mocy wysokiej częstotliwości emitowanej z klistronu zmienia się cyklicznie w takt zmian poziomu mocy wyjściowej generatora częstotliwości podstawowej.

Korzystnym jest, gdy klistron pracując jako wzmacniacz wykorzystuje rosnące zbocze krzywej wzmocnienia.

W innych korzystnych rozwiązaniach, w modulatorze zasilającym klistron reguluje się amplitudę wysokiego napięcia i/lub czas trwania impulsu i/lub częstotliwość powtarzania impulsów.

Korzystnie, wyrzutnię elektronów struktury przyspieszającej zasila się oddzielnym modulatorem z możliwością zmiany amplitudy wysokiego napięcia, czasu trwania impulsów oraz wartości prądu żarzenia.

Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów z energią przełączaną cyklicznie, zgodnie z wynalazkiem zawiera wyrzutnię elektronów, strukturę przyspieszającą zasilaną ze źródła mocy miPL 218 303 B1 krofalowej oraz tarczę konwersji zamieniającą wiązkę elektronów w promieniowanie X. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że źródłem mocy mikrofalowej dla struktury przyspieszającej o fali stojącej jest klistron zasilany z modulatora, wzmacniający sygnał generowany przez generator częstotliwości podstawowej, przy czym poziom mocy wysokiej częstotliwości emitowanej z klistronu zmienia się cyklicznie w takt zmian poziomu mocy wyjściowej generatora częstotliwości podstawowej.

Korzystnym jest, gdy klistron pracuje jako wzmacniacz na rosnącym zboczu krzywej wzmocnienia.

W innych korzystnych rozwiązaniach modulator klistronu ma regulowaną amplitudę wysokiego napięcia i/lub regulowany czas trwania impulsu i/lub regulowaną częstotliwość powtarzania impulsów.

Korzystnie, wyrzutnia elektronów struktury przyspieszającej jest zasilana oddzielnym modulatorem z możliwością zmiany amplitudy wysokiego napięcia, czasu trwania impulsów oraz wartości prądu żarzenia.

Wykorzystanie klistronu, jako wzmacniacza sygnału, pracującego na rosnącym zboczu krzywej wzmocnienia, zapewnia uzyskanie wysokiej powtarzalności wartości wzmocnienia zmieniających się cyklicznie poziomów mocy wyjściowej generatora częstotliwości podstawowej i wpływa bezpośrednio na stabilność cyklicznych impulsów promieniowania X.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat funkcjonalny liniowego dwuenergetycznego akceleratora elektronów, fig. 2 orientacyjny wykres zależności mocy wyjściowej przykładowego klistronu od mocy wejściowej podawanej z generatora częstotliwości podstawowej, a fig. 3 - schemat sterowania mocą i częstotliwością klistronu.

Zgodnie z wynalazkiem przedstawionym schematycznie na fig. 1, wiązkę elektronów przyspiesza się w szybkozmiennym polu elektromagnetycznym w strukturze przyspieszającej 1 o fali stojącej. W wyniku zderzenia z tarczą konwersji 2 wiązka elektronów jest zamieniana na promieniowanie X, przy czym wielkość energii tak uzyskanych promieni X wynika z długości struktury przyspieszającej 1 oraz z mocy mikrofalowej dostarczonej do tej struktury, a zatem energia wiązki zależy od rozkładu gęstości mocy pola wysokiej częstotliwości w strukturze przyspieszającej 1.

W rozwiązaniu według przykładu wykonania zastosowano biperiodyczną strukturę przyspieszającą 1 typu n/2 o fali stojącej, zaprojektowaną do produkcji dwóch energii promieniowania X, np. 3,5 MeV i 6 MeV. Źródłem elektronów jest diodowa wyrzutnia elektronów 3 z bezpośrednio żarzoną katodą wolframową. Elektrony uzyskują swoją prędkość początkową na skutek przyłożenia impulsu wysokiego napięcia o amplitudzie rzędu 15-40 kV pomiędzy rozgrzaną katodę i anodę. Źródłem wysokiego napięcia wyrzutni elektronów 3 jest zasilacz W.N. modulatora 4 wyrzutni, który umożliwia zmianę amplitudy wysokiego napięcia oraz czasu trwania impulsu, jak również liczby emitowanych elektronów, zapewniając w ten sposób zmianę prądu wiązki.

W strukturze przyspieszającej 1 wstępnie rozpędzone elektrony wpadają do pierwszego zespołu wnęk, gdzie pod wpływem sinusoidalnie zmiennego pola wysokiej częstotliwości, a co za tym idzie pod wpływem „korzystnych i „niekorzystnych kierunków pola przyspieszającego, dochodzi do formowania ciągłego strumienia elektronów w „paczki. Zatem, dalszemu przyspieszaniu podlegają tylko te elektrony, które znajdą się w strukturze przyspieszającej 1 w okresie, gdy kierunek przyspieszającego pola elektrycznego ma zwrot zgodny z wektorem prędkości elektronów. W kolejnych wnękach elektrony są stopniowo przyspieszane aż do uzyskania energii nominalnej. W przykładowym rozwiązaniu, częstotliwość pola wysokiej częstotliwości może wynosić około 2998 MHz.

Struktura przyspieszająca 1 jest zakończona tarczą konwersji 2, w którą uderzają rozpędzone elektrony powodując emisję promieniowania X o widmie ciągłym, gdzie energia maksymalna odpowiada energii padającej wiązki elektronowej.

W akceleratorze według wynalazku zmiana energii następuje na skutek zmiany rozkładu gęstości pola elektromagnetycznego wewnątrz struktury przyspieszającej poprzez zmianę natężenia fali emitowanej ze źródła wysokiej częstotliwości. W rozwiązaniu stanowiącym przykład wykonania wynalazku, źródłem wysokiej częstotliwości jest klistron 5 o symbolu TH 2157. Klistron 5 wzmacnia sygnał pochodzący z generatora częstotliwości podstawowej 6, który zapewnia pracę w dwóch reżimach mocy wejściowej. W pierwszym trybie klistron 5 pracuje jako wzmacniacz na rosnącym zboczu krzywej wzmocnienia, co powoduje, że natężenie sygnału wyjściowego jest proporcjonalne do amplitudy sygnału generatora częstotliwości podstawowej 6. W drugim trybie klistron 5 pracuje w nasyceniu, co oznacza, że po przekroczeniu granicznej wartości sygnału z generatora częstotliwości podstawowej 6,

PL 218 303 B1 natężenie sygnału wyjściowego z klistronu 5 jest stałe i nie zależy od wielkości sygnału z generatora częstotliwości podstawowej 6.

W rozwiązaniu według wynalazku klistron 5 pracuje jako wzmacniacz, zatem jego moc wyjściowa zależy proporcjonalnie od poziomu mocy wejściowej. Generator częstotliwości podstawowej 6 jest zbudowany z dwóch niezależnych generatorów, których wyjścia są przełączane przez szybki układ kluczujący, wyzwalany przez generator sygnału wyzwalania 7, a przełączanie odbywa się poprzez układ typu układ przełączający 8. Stabilność pracy całego systemu w sposób bezpośredni zależy od jakości pracy klistronu 5. Dlatego istotne jest dobranie takich parametrów solenoidu 9 poprzez właściwe wysterowanie zasilacza solenoidu 10, aby zapewnić poprawną pracę z dwoma poziomami mocy wejściowej. Dodatkowo, w przykładowym rozwiązaniu klistron 5 pracuje na tych samych parametrach zasilania dla obu energii, a stabilność parametrów zasilania jest gwarantowana poprzez zastosowanie modulatora 11 opartego na kluczach tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką IGBT. Modulator 11 zastosowany w przykładowym rozwiązaniu jest modulatorem typu „solid-state. Dostarcza on prąd żarzenia oraz impulsy wysokiego napięcia zasilające klistron 5, przy czym zmiana szerokości impulsu może odbywać się np. co każdy impuls. Regulacja mocy dawki akceleratora w danym impulsie możliwa jest poprzez zmianę prądu wiązki. W bardziej korzystnym rozwiązaniu regulację mocy dawki akceleratora przeprowadza się poprzez zmianę długości trwania poszczególnych impulsów. Moc z klistronu 5 jest przesyłana do struktury przyspieszającej 1 za pośrednictwem systemu prowadnic mikrofalowych 12. W układzie pracuje czteroportowy cyrkulator 13. Moc mikrofalowa wychodząca z klistronu 5 jest transmitowana poprzez pierwszy port 14 do drugiego portu 15 połączonego ze strukturą przyspieszającą 1. Nadwyżka mocy wynikająca z niedopasowania pomiędzy strukturą przyspieszającą 1 a klistronem 5 jest transmitowana z drugiego portu 15 do trzeciego portu 16, na którym znajduje się obciążenie wodne 17. Aby zabezpieczyć klistron 5 przed odbiciem pewnej ilości mocy od obciążenia wodnego na trzecim porcie 16 cyrkulatora 13, na czwartym porcie 18 cyrkulatora 13 zainstalowano obciążenie suche 19.

Cały system jest sterowany poprzez komputer 20, który kontroluje poprawną pracę wszystkich komponentów oraz wysyła sygnały sterujące do odpowiednich podsystemów. Generator sygnału wyzwalania 7 generuje impulsy dostarczane synchronicznie do modulatora 4 wyrzutni 14, generatora częstotliwości podstawowej 6 oraz modulatora klistronu 11. Typowy czas trwania impulsu wynosi kilka mikrosekund, a typowa wartość częstotliwości powtarzania impulsów wynosi kilkaset Hz. Oba parametry mogą być regulowane.

Energia wyjściowa fotonów promieniowania X zależy od mocy mikrofalowej wychodzącej z klistronu 5. Klistron 7 o symbolu TH2157, przy zadanych wartościach napięcia katodowego, a co za tym idzie prądu anodowego, w zależności od poziomu mocy wejściowej generuje różne poziomy mocy wyjściowej. Zatem, moc emitowana z klistronu 5 zależy od poziomu mocy z generatora częstotliwości podstawowej 6.

Zależność mocy wyjściowej zastosowanego w przykładzie wykonania klistronu 5 o symbolu TH2157 od mocy wejściowej podawanej z generatora częstotliwości podstawowej 6 została zilustrowana na fig. 2. Jak przedstawiono na wykresie, została wykorzystana tylko część krzywej wzmocnienia w zakresie mocy wejściowej od 150 W do 170 W. W tym zakresie mocy, krzywa wzmocnienia jest najbardziej zbliżona do odcinka linii prostej, co zapewnia uzyskanie zasadniczo proporcjonalnej zależności pomiędzy mocą wyjściową a mocą wejściową.

Po przekroczeniu progu 220 W mocy wejściowej klistron 5 zaczyna pracować w nasyceniu i regulacja poziomu mocy może się wtedy odbywać wyłącznie poprzez zmianę wielkości napięcia katodowego. Ten sposób zmiany mocy wyjściowej klistronu nie jest jednakże pożądany w prezentowanym wynalazku, ponieważ nie zapewnia on uzyskania powtarzalnych wartości wzmocnienia dla zmieniających się cyklicznie poziomów mocy wyjściowej generatora częstotliwości podstawowej 6, co ma bezpośredni wpływ stabilność cyklicznych impulsów energii promieniowania X.

Przykład sterownia mocą i częstotliwością klistronu 5 jest zilustrowany na fig. 3. Komputer 20 wysyła do układu przełączającego 8 informacje o zakładanej częstotliwości oraz poziomie mocy wejściowej dla klistronu 5, a układ przełączający 8 rozdziela te sygnały i przesyła w odpowiedniej chwili czasu sygnał wyzwalania dla każdego z generatorów VCO 1 i VCO 2 oznaczonych odpowiednio odnośnikami cyfrowymi 21, 22. Generatory 21, 22 są sterowane napięciowo z regulowaną wartością poziomu mocy wyjściowej. Układ kontroli mocy i częstotliwości 23 sprawdza poprawność pracy obu generatorów 21, 22, dodatkowo koryguje on częstotliwość pracy generatorów uwzględniając dryft termiczny struktury przyspieszającej 1, a co za tym idzie - zmianę jej częstotliwości rezonansowej.

PL 218 303 B1

Każdorazowo układ kontroli mocy i częstotliwości 23 przesyła do komputera sterującego informacje o zmianach oraz przestraja w miarę potrzeby generatory 21, 22 tak, by dopasować ich częstotliwość dynamicznie do aktualnej częstotliwości rezonansowej struktury przyspieszającej 1. W ten sposób możliwe jest ciągłe korygowanie niedopasowania częstotliwościowego. Po sprawdzeniu poprawności pracy generatorów 21, 22, moc jest transmitowana do klistronu 5.

Claims (14)

1. Sposób wytwarzania dwuenergetycznych, cyklicznych impulsów promieniowania X, w którym przyspiesza się elektrony w zmiennym polu elektromagnetycznym, w strukturze przyspieszającej zasilanej ze źródła mocy mikrofalowej, po czym zamienia się wiązkę elektronów w promieniowanie X przy zastosowaniu tarczy konwersji, znamienny tym, że do struktury przyspieszającej (1) o fali stojącej dostarcza się energię mikrofalową z klistronu (5), zasilanego z modulatora (11), przy czym w klistronie (5) wzmacnia się sygnał generowany przez generator częstotliwości podstawowej (6), zaś poziom mocy wysokiej częstotliwości emitowanej z klistronu (5) zmienia się cyklicznie w takt zmian poziomu mocy wyjściowej generatora częstotliwości podstawowej (6).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że klistron (5) pracując jako wzmacniacz wykorzystuje rosnące zbocze krzywej wzmocnienia.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w modulatorze (11) zasilającym klistron (5) reguluje się amplitudę wysokiego napięcia.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w modulatorze (11) zasilającym klistron (5) reguluje się czas trwania impulsu.

5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w modulatorze (11) zasilającym klistron (5) reguluje się częstotliwość powtarzania impulsów.

6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w modulatorze (11) zasilającym klistron (5) reguluje się amplitudę wysokiego napięcia, czas trwania impulsu i częstotliwość powtarzania impulsów.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że wyrzutnię elektronów (3) struktury przyspieszającej (1) zasila się oddzielnym modulatorem (4) z możliwością zmiany amplitudy wysokiego napięcia, czasu trwania impulsów oraz wartości prądu żarzenia.

8. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów z energią przełączaną cyklicznie, zawierający wyrzutnię elektronów, strukturę przyspieszającą zasilaną ze źródła mocy mikrofalowej oraz tarczę konwersji zamieniającą wiązkę elektronów w promieniowanie X, znamienny tym, że źródłem mocy mikrofalowej dla struktury przyspieszającej (1) o fali stojącej jest klistron (5) zasilany z modulatora (11), wzmacniający sygnał generowany przez generator częstotliwości podstawowej (6), przy czym poziom mocy wysokiej częstotliwości emitowanej z klistronu (5) zmienia się cyklicznie w takt zmian poziomu mocy wyjściowej generatora częstotliwości podstawowej (6).

9. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów według zastrz. 8, znamienny tym, że klistron (5) pracuje jako wzmacniacz na rosnącym zboczu krzywej wzmocnienia.

10. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów według zastrz. 9, znamienny tym, że modulator (11) ma regulowaną amplitudę wysokiego napięcia.

11. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów według zastrz. 9, znamienny tym, że modulator (11) ma regulowany czas trwania impulsu.

12. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów według zastrz. 9, znamienny tym, że modulator (11) ma regulowaną częstotliwość powtarzania impulsów.

13. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów według zastrz. 9, znamienny tym, że modulator (11) ma regulowaną amplitudę wysokiego napięcia, regulowany czas trwania impulsu i regulowaną częstotliwość powtarzania impulsów.

14. Liniowy dwuenergetyczny akcelerator elektronów według zastrz. 8 albo 9, albo 10, albo 11, albo 12, albo 13, znamienny tym, że wyrzutnia elektronów (3) struktury przyspieszającej (1) jest zasilana oddzielnym modulatorem (4) z możliwością zmiany amplitudy wysokiego napięcia, czasu trwania impulsów oraz wartości prądu żarzenia.