ZÁKLADEÍ CKňRAKTERIvSTIKY NOVÉHO DEFEEPOSKOFICKÉHOÍ I. Ing. Karel ftytina, Ústav pro fyziku plazmatu ČSAV, Praha

Transkript

1 ZÁKLADEÍ CKňRAKTERIvSTIKY NOVÉHO DEFEEPOSKOFICKÉHOÍ I Ing. Karel ftytina, Ústav pro fyziku plazmatu ČSAV, Praha 1- V referátu se uvádějí některé charakteristiky nového betatronu s maximální energií 22 Me V, jehož zé- J kladní výakum byl ukončen v ÚFP a s Jehož výrobou se j počítá v Závodě mechanizace a automatizace v Ostrově n.o, ^ Z rozboru základních parametrů bstatronu určeného pro.... : kontrolu silnostsnuých ocelových součástí vyplývá opti-!\ mální obor energií 20 až 25 MeV«Zvýáit energii se polí dařilo novým řešením středu magnetického obvodu lé- : ; kařského betatronu 19 MeV při zdokonalené technologii výroby jeho některých částí* Vnější rozměry hlavice N zůstaly zachovány, její váha se zvýšila asi o 8 %. / Na tomto betatronu budou aplikovány všechny nové poznatky,4=j i zkušenosti týkající se jak vlastního řešení přístroje, tak i poznatky z provozu defektoskopických betatronu { \ /rozšíření svazíoa, snížení rozptýleného záření atd.a I 2. Optimální energie záření betatronu pro kontrolu silno-; í s.těnn.fch mater^á^.^ '«"' soiačástí : - ; Parametry x pelkôvou koncepci betatronu je třeba vo-» : ; lit z hlediska t^chniclqj/tah i provozně ekonomických po-, J žaáavků Aontrolipvaný xaiateŕiäl, oblast kontrolovaných tlouštěk, typ kontrolovaných součástí, minimální rozměr ry/ detekované vady - citlivost kontroly, produktivita kontroly//!/. Z těchto hledisek lze uvést jako nejdůle- Šitější paľaraeti^ ěefektoskopického betatronu: ~ 63»

2 I!'.: a/ maximální energie záření B max, b/ intenzita záření homogenizovaného svazku c/ průměr užitečného svazku v dané vzdálenosti od terčíku - BšiteSný uhel svazku, d/ velikost ohniska, e/ mobilita celého zařízení - rozměry a váha hlavice betatronu - důležitá zejména pro kontrolu těžkých a supertěžkých předmětů. Základním vodítkem při volbě energie je experimentálně zjištěná závislost polotloušíky materiálu na maximální energii záření se spojitým spektrem /2/, která je pro Široký svazek a ocel znázorněna na obr* 1 /a/* Na tomto obrázku jsou uvedeny ještě závislosti některých dalších parametrů na této energii. Intenzita zářé&í v ose svazku I Q roste přibližně se třetí mocninou energie urychlených elektronů -obr. lb. Pro aplikace je však důležitá homogenizovaná intenzita I h pro určitou velikost pole* Zde se naopak nepříznivě projevuje pokles úhlu otevření primárního svazku záření ď i/2 aet vzrůstající energií. Pro áaný materiál a tloušťku tersíku je uhel přibližně nepřímo úměrný energii elektronů - obr* 1C. TQ při platnosti kvadratického poklesu intenzity záření se vzdáleností od terčíku znamená, že efektivní intenzita, a^ářecí ^^f 3»a energii závislá přibližně lineárně «obr. 1 b - ôerchovaná křivka. Velikost ohniska v axiálním směru je* dána průřezem svazku elektronů, který se během urychlování zmenšuje vlivem adiabatického útlumu betatronových kmitů podle vztahu/3/ kensi ' 64-

3 kde = 0,512 MeV. Lze tedy konstatovat, že i v této oblásti energií jsou již rozměry ohniska na energii prakticky nezávislé. Rozměry a váha hlavice jsou dány především požadovanou energií a maximální dosažitelnou indukcí magnetického pole ve vzduchové mezeře středu magnetického obvodu.pro maximální energii platí vatah Eraaz rv R o, B Offiax /4/ j; kde Ro je poloměr rovnovážné dráhy elektronů, Bo^^ je maximální indukce na poloměru Ro, která je omezena maximální indukcí mezi kotouči jádra magnetu* Rozměry magnetického obvodu jsou dány poloměrem Ro či požadovanou energii. i i j Vána magnetu je úměrná přibližně třetí mocnině energie Roste tedy velmi rychle s požadovanou energií* - obr. 1 d. Zatímco magnetický obvod betatronu 17 MeV vaší asi 500 kg - body 1 a 2, je váha magnetu pro energii 30 Me7 přibližně 4 tuny - bod 4. Bod 3 odpovídá novému betatronu 22 MeV. Z hlediska vlastní snímkovaeí techniky je velmi dôležitým faktorem účinek rozptýleného záření vznikajícího v kontrolovaném předmětu, ovlivňujícího jakost snímku a roí eznatelnost vad. Výsledky Schittehelmových výpočtů účinkl rozptýleného záření Wr ve vistahu k úfiinku primárního záření w p/ 4 / i experimentální údaje získané Beckerem /5/ metodou vypracovanou Mollerem a Weeberem Y6/ jsou zřej- í mé z obr.l e á ukazují na minimum poměru niíf p *^ ur^^~ té energii závislé na tloušíee oceli. Toto minimum se pohybuje pro tloušlky 100 až 300 mm v- oblasti energií 20 až 25 MéV, I 1

4 Z tohoto rozboru jasně vyplývá, že optimální obor energií betatronu pro kontrolu ocelových předmětů tloustěk 100 až 400 mm je 20 a 25 MeV, při níž má polotleušíka oceli maximum a při níž jsou rozměry a váha hlavice poměrně malé je možné dosáhnout potřebné mobility zařízení, což mé značný význam zejména pro kontrolu těžkých odlitků a kontrolu mimo stabilní ozařovnu, popřípadě v terénu,jedinou nevýhodou proti betatronu é vyšší energií - nižší intenzitou sáření je efektivnější řešit jinými způsoby /zvýšení vstřikovacího napětí, zvětšení účinné apertury urychlovacího prostoru mezi polovými nástavci atd/ J. Řešení magnetického obvodu pro zvýšení energie Původní energie čs# defektoskopických betatronu 15 MeV se zvýšila použitím orientovaných plechů s keramickou izolací a zvýšením činitele plnění při užití evolventního způsobu skládání kotoučů jádra na 17 MeV. U lékařské verze betatronu se při částečně zvětšeném průřezu jha magnetu a použitím uvedeného materiálu na celý obvod a způsobu skládání i pro póly a polové nástavce zvýšila asi na 19 MeV* Podrobná měření parametrů magnetického pole i jejich časového průběhu během urychlovacího cyklu i rozložení magnetické indukce v jednotlivých částech obvodu ukázala možnost dalšího zvýšení energie zvětšením rozměrů středu magnetického obvodu. Poloměr rovnovážné dráhy se zvětšil z.původních 110 na 130 mm - obr,2, což podle vztahu /4/ umožní zvýšit energii asi o 20 %, tzn. přibližně 22 MeV. Z magnetických měření vyplývá zatím dosažená energie 21,6 MeV«Zvětšení poloměru rovnovážně dráhy Ho i zvětšení průřezu urychlovacího prostoru si vyžádalo zvětšení průměru pólových nástavců, kotoučů jádra a nakonec i pólů magnetu. U magnetického obvodu se dosáhlo tzv. autokorekce saturačních efektů v jeho středu, které vedou ke kontrakci

5 poloměru Ro během urychlovacího cyklu a jimiž se u původního řešení do určité míry limituje dosažitelná energie. Změna poloměru Ro u nového magnetu je velmi malá a energie je prakticky omezena ztrátami v magnetu. Použitím kobaltových slitin pro fiásti středu s nejvyšším sycením by bylo možno dále částečně" zvýšit energiii /za předpokladů podstatného zvýšení účinnosti chlazení/* Parametry magnetického pole byly voleny jak z hlediska intenzity záření, tak i její stability* Ty spolu se zvětšením užitečného průřezu komory umožňují dosahovat intenzit záření 300 až ^QO^f/cm ve vzdálenosti 1 m od terčíku u betatronu 17 MeV ~ 15OyuV$5m 2 /. 4. Řešení ostatních částí betatronu Tento betatron pochopitelně vyžaduje novou urychlovacíkomoru větších rozměrů is větším účinným průřezem. Zůstávái nadále celoskleněná, odtavená, vybavená titanovou iontovou vývěvou pro možnost odčerpání* Pro zvýšení provozního vstřikovacího napětí i životnosti trysky byla částečně změněna její konstrukce i zdokonalena její výroba* Výzkumné práce jsou dále zaměřeny ha další zdokonalení trysky, zejména na zvýšení její stability a životnosti* Elektronická část bude proti dosavadní nepatrně složi-- tější o tzv* kontrakční modulátor pro vychýlení elektronů n*i terčík* Toto řešení umožňuje změnu energie záření plynu- IJU či stupňovitou v určitém rozsahu podle požadavků zákaz- nika* Existuje i možnost doplnit komoru terčíkem na větším poloměru než Ro a tuto pak expandovat. Rozdíl poloměrů vněj-r šího a vnitřního terčíku odpovídá požadované vzdálenosti ohnisek pro zhotovení stereoshímkův bez posunutí kontrolo-- váného předmětu či hlavice/* Kromš vysokonapěíového thyra

6 trónu a usměrňovači elektronky pro vstřik elektronů a jed-. né elektronky v monitoru záření jsou všechny ostatní obvody plně tranzístorizovány. 5. Defektoskopické vybavení U betatronu bu3e<použit kolimační systém pro rozšířený svazek, s možností změny jeho šíře /3/> což má u vyžší energie vzhledem ke zmenšení úhlu otevření zvlaží velký význam* Celý kolimační systém i homogenizace svazku se budou řešit z hlediska co iisjmenšího rozptýleného zářeni. Materiál i umístění homogenizátoru se bude řešit podle výsledků ex- 'perimentálnich prací probíhajících na betatronu ve SVÍM. Pro centraci svazku se počítá se zdokonaleným optickým ukazatelem osy svazku a mechanickým či optickým měřičem vzdálenosti ohnisko - předmět. Pro nový lékařský betatron byl vypracován auvematický doziaetr s tranzistory řízenými polem, který při požadované přesnosti dávky 3 % umožňuje integrační doby 15 min. Vzhledem k menším požadavkům na přesnost dávky v defektoskopii, i některým možnostem zdokonalení přístroje lze předpokládat, že jej bude možné použít i u tohoto defektoskopického betatronu.j Integrační doba 30 min. stačí pro většinu aplikací} delší expozice možno rozdělit či bude možné použít časového spínače, kterým bude ovládač betatronu rovněž vybaven / bude možno přepnout urseiu expozice bud na dožimetr nebo na Časový spínač/. Ionizační komůrka monitoru intensity zářeni bude um ste-< na mimo užitečný svazek záření. Toto řešení má výhodu v tom, 2e komůrka může být vytvořena jako silnostsnná 9 necitlivá na měkké sáření a dále v tom,že nezmenšuje intensitu záření a nezpůsobuje rozptyl kolimovaného svazku. f Cfí -68 -

7 6. Celkové řešeni přístroje Počítá se se třemi základními koncepcemi přístroje, s nimiž se vystačí pro celou oblast kontrolovaných předmětů: 1. hlavice na jeřábovém závěsu - škoda Plzeň, závod Hutěvýhodné pro kontrolu těžkých odlitků, 2. pojízdný přístroj - VŽKG či Škoda ZJS je více méně univerzálním řešením s možností prozařování i mimo stabilní oaařovnu, 3. hlavice na jednoduchém /kolejnicovém/ vozíku* Toto nejjednodušší řešení splní požadavky kontroly podélných i obvodových svarů silnostěnných svařovaných nádob* Literaturai 1. K.Rytina : 5.Werkstoffpruíertagung, Magdeburg, R.Wider5e: Z.YDI Bd*96 Nr 15/16,1954, K.Rytina: Sborník"Defektoskopie 1970" Dům techniky Praha, 1970, * R.Schittenhelm: Zeitschrift fur angewandte Physik,12, /1965/ * E.Becksr i Wissenschaftliche Zeitschrift der Priedrich- Sehiller-Univers i ta t, Jena,13A964/,Heft H.MÔller,H.V/eeber: Die Bildguts bei der Durchsťrahlung von Werkstoffen mit RÔntgen - oder Gammastrahlen von 0,1-31 MeV, Westdeutscher Verleg, 1963 i ; I

8 trónu a usměrňovači elektronky pro vstřik elektronů a jed-. né elektronky v monitoru záření jsou všechny 03tatní obvody plně tranzistorizovány. 5. Pefektoakopické vybavení U betatronu bude*použit kolimační systém pro rozšířený svazek s možností změny jeho šíře /3/> což má u vy5ší energie vzhledem ke zmenšení úhlu otevření zvláší velký význam* Celý kolimační systém i homogenizace svazku se budou řešit z hlediska co nejmenšího rozptýleného záření. Materiál i umístění homogenizátom se bude řešit podle výsledků experimentálních prací probíhajících na betatronu re SVÚM. Pro centraci svazku se počítá se zdokonaleným optickým ukazatelem osy svazku a mechanickým Si optickým měřičem vzdálenosti ohnisko - předmět. Pro nový lékařský betatron byl vypracován ainomatický dožimetr s tranzistory řízenými polem, který při požadované přesnosti dávky 3 % umožňuje integrační doby 15 min. Vzhledem k menším požadavkům na přesnost dávky v defektoskopii i některým možnostem zdokonalení přístroje lze předpokládat, že jej taude možné použit i u tohoto defektoskopického betatronu.! Integrační doba 30 min. stačí pro většinu aplikaci, delší expozice;možno rozdělit či bude nožné použit časového spínače, kterým bude ovládač betatronu rovněž vybaven / bude možno přepnout určeni expozice buä na dožime tr nebo na Časový spínač/.. Ionizační komůrka ncnitcru intensity zářeni buds umí3tě-» na mimo užitečný svazek záření. Toto řešení má výhodu v tom, že komůrka může být vytvořena jako silnostěnná, necitlivá na i měkké záření a dále v tom,že nezmenšuje intenzitu záření a nezpůsobuje rozptyl kolimovaného svazku. 68

9 6. Celkové řečení přístroje Počítá se se třemi základními koncepcemi přístroje, 3 nimiž se vystačí pro celou oblast kontrolovaných předmětů: 1. hlavice na jeřábovém závěsu - škoda Plzeň, závod Hutěvýhodné pro kontrolu těžkých odlitků, 2. pojízdný přístroj - VŽKG či škoda ZJE je více méně univerzálním řešením s rtožností prozařování i mimo stabilní ozařovnu, 3. hlavice na jednoduchém /kolejnicovém/ vozíku. Toto nejjednodušší řešení splní požadavky kontroly podélných i obvodových svarů silnostěnných svařovaných nádob* Literatura: 1. K.ítytina : 5,Werkst.offprufertagung, Magdeburg, R.Widerôe: Z.VDI Bd.96 Nr 15/16,1954, K.Rytina: Sborník"Defektoskopie 1970 M Dům techniky Praha, 1970, S.Schittenhelo: Zeitsehrift fur angewandte Physik,12, A965/ * E.Becker : Wissenschaftliche Zeitschrift der Friedrich- Schiller- Universitat, Jena,13/1964/,Heft H.Môller,H»V/e3ber: Die Bildgute bei der Durchsťrahlung von Verkstoffen mit Rontgen - oder Gammastrahlen von 0,1-31 MeV, Westdeutscher Verlag, »>.

10 -íl = -J e) R o (cm) d) c) b) Obr.-/

11 i If í D - "j r-4*5 Qhr.Z - 71 *