o Sylwester Bułka, Zbigniew Zimek, Karol Roman, Jacek Mirkowski i o Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa

Transkrypt

1 UKŁAD DO POMIARU CHARAKTERYSTYKI WIDMOWEJ WIĄZKI ELEKTRONÓW o Sylwester Bułka, Zbigniew Zimek, Karol Roman, Jacek Mirkowski i o Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa Abstract SECONDARY ELECTRONS MONITOR FOR CONTINUOUS ELECTRON ENERGY MEASUREMENTS IN UHF LINAC A continuous energy measurement became now an obligatory in accelerator facility dedicated to radiation sterilization process. This is one of several accelerator parameters, like dose rate, beam current, beam scan width, conveyor speed, which must be recorded as it is required condition of accelerator validation procedure. The described below secondary electrons monitor for continous energy measurement has been tested at accelerator facijity with scanned electron beam, typically applied for radiation sterilization. Data processing and visualisation is performed by control computer, which utilizes collected information for irradiation process parameters optimization. 1. WPROWADZENIE Bieżący pomiar energii jest obecnie obowiązkowy dla instalacji akceleratorowych przeznaczonych do sterylizacji radiacyjnej. Jest to jeden z kilku wielkości takich jak: moc dawki, prąd wiązki, prędkość transportera, czy też parametry przemiatania, które muszą być rejestrowane stosownie do warunków narzuconych w procedurze walidacyjnej akceleratora. O ile określenie energii elektronów w akceleratorach elektrostatycznych jest stosunkowo proste i sprowadza się do pomiaru wartości napięcia przyspieszającego, to w przypadku akceleratorów liniowych w.cz. nie da się tego dokonać w prostym i bezpośrednim pomiarze. Niektóre instalacje akceleratorowe posiadają zintegrowany magnetyczny analizator energii, lecz takiej procedury pomiarowej nie można przeprowadzać w czasie sterylizacji. Także użycie klina aluminiowego nie spełnia wymogu bieżących pomiarów. Typowym rozwiązaniem jest pośrednie oszacowanie energii na podstawie znajomości pewnych parametrów, jak poziom mocy mikrofalowej i prąd wiązki, które mają wpływ na wyjściową energię wiązki elektronów. Powyższe wielkości dadzą się zmierzyć na bieżąco, a energię można wyliczyć posługując się znanymi zależnościami i krzywymi kalibracyjnymi. Niestety ta metoda nie oferuje zadowalającej dokładności wyniku, głównie z powodu koniecznego uproszczenia modelu obliczeniowego i niemożności pomiaru bardzo wielu innych parametrów fizycznych, jakie musiałby ten model uwzględniać. Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie czujnika umieszczonego bezpośrednio pod wyprowadzeniem przemiatanej wiązki elektro- 564

2 nów w taki sposób, aby nie ingerował w rozkład dawki w obszarze napromieniania i dostarczał danych do określenia energii elektronów w wiązce oraz rozkładu widmowego tej energii. 2. ZESTAW I PROCEDURA POMIAROWA Opisana poniżej metoda pomiarowa oparta na zastosowaniu elektrody zbierającej elektrony wtórne została przetestowana w instalacji z przemiataną wiązką elektronów, typowo stosowaną do sterylizacji radiacyjnej. Idea pomiaru jest pokazana na rys. 1. Elektroda zbierająca może być wykonana z paska cienkiej folii metalowej lub z drutu. Elektrony o wysokiej energii przechodząc przez materiał elektrody wybijają pewną ilość elektronów wtórnych, z których część jest w stanie opuścić elektrodę; rejestruje się to jako przepływ niewielkiego, dodatniego prądu z elektrody, jest on wprost proporcjonalny do natężenia strumienia elektronów pierwotnych. h 8! =: i Bwr 9 i 5 7 ~~ " -o fi n ł 1 j j L 10 Rys. 1. Zasadnicze składniki układu pomiarowego: l - elektroda zbierająca, 2 - układ wzmacniacz/nadajnik, 3 - układ odbiornik/filtr, 4 - wzmacniacz sygnału prądu przemiatania, 5 - generator liniowego prądu przemiatania, 6 - zespół przetworników A/C i interfejs transmisji danych, 7 - komputer, 8 - sekcja przyśpieszająca, 9 - cewki układu przemiatania, 10-tubusz oknem wyjściowym. W praktycznych rozwiązaniach [1] dąży się do zminimalizowania powierzchni i grubości elektrody w celu zredukowania strat mocy wiązki elektronów w materiale, dodatkowo ekranuje się ją elektrycznie od zakłócających wpływów ładunków i sygnałów z otoczenia. 565

3 Wiązka elektronów jest odchylana wzdłuż osi X tubusa przez pole magnetyczne pomiędzy nabiegunnikami elektromagnesu 9, pozycja x wiązki może być wyrażona (przy zaniedbaniu efektów brzegowych pola magnetycznego) następującą zależnością: V Zzz k gdzie k wiąże stałe fizyczne ze współczynnikiem wynikającym z geometrii układu cewki - tubus: (1) gdzie: E k - energia kinetyczna elektronów w wiązce, EQ - energia spoczynkowa elektronu, rao - masa spoczynkowa elektronu, e ładunek elektronu, c - prędkość światła, JJLQ - przenikalność magnetyczna próżni, h - wysokość nabiegunników cewek odchylających, L - wysokość tubusa, / - natężenie prądu w cewkach odchylających, z - liczba zwojów. Zależność pokazuje, iż wiązka elektronów o energii kinetycznej Ek znajdzie się w punkcie x przy odpowiedniej wartości / natężenia prądu w cewkach. Dla energii różnych od Ek wielkość odchylenia będzie inna i różna zatem będzie trajektoria przelotu cząstek. Jeśli w wiązce znajdują się składowe o różnych energiach, to zostanie ona w konsekwencji rozszczepiona i rozciągnięta na pewnym odcinku AJC. Analizując intensywność strumienia przechodzących elektronów w kolejnych punktach wzdłuż Ax i posiłkując się odwróconą zależnością (1): (2) k^_ x 2 można uzyskać charakterystykę widma energetycznego wiązki elektronów. Rys. 2. Oscylogram przebiegu w czasie: A - prądu w cewkach przemiatania, B - prądu z elektrody zbierającej. 566

4 Fizyczne przemieszczanie elektrody wzdłuż Ax jest zbędne, ponieważ prąd / przemiatający wiązkę powoduje jej liniowy ruch po osi X, w ten sposób wszystkie punkty odcinka Ax przesuną się nad elektrodą w pewnym czasie. W rezultacie prąd zbierany przez elektrodę ma postać impulsu o amplitudzie modulowanej chwilową intensywnością strumienia (rys. 2). Prądowy sygnał elektryczny z elektrody B jest bardzo słaby i musi być przetwarzany przed przesłaniem i obróbką, aby zwiększyć odstęp od zakłóceń od urządzeń energetycznych zastosowana została szerokopasmowa modulacja FM. Przenosi ona widmo sygnału poza zakres częstotliwości, gdzie występują zakłócenia. Dalsza obróbka po demodulacji polega synchronicznym próbkowaniu przed przetworzeniem A/C, momenty otwarcia bramki określa przekroczenie nastawionego progu przez wartość prądu przemiatania wiązki. Pozwala to przywiązać skalę energii po skalibrowaniu układu do konkretnych wartości prądu / oraz dodatkowo uniezależnia tę skalę od ewentualnych korekcji amplitudy / (szerokości przemiatania). Serie danych dostarczanych poprzez interfejs szeregowy gromadzone są w tablicach w pamięci operacyjnej komputera, po zastosowaniu procedur eliminacji błędów i uśrednieniu są one normowane i przeliczane wg zależności (2) i przesyłane do wizualizacji (rys. 3) O ) Energia [MeV] Rys. 3. Przykładowy wykres widm energii wiązki elektronów dla różnych nastaw akceleratora. Oprócz spełnienia wymogu archiwizacji parametrów procesu sterylizacji, znajomość rozkładu widma energetycznego wiązki elektronów pozwala operatorowi na takie dobranie nastaw urządzeń, aby akcelerator pracował w optimum wydajności. Przy pracach naprawczych pomiary takie są bardzo ważnym narzędziem diagnostycznym, dają one informację o warunkach pracy niektórych podzespołów akceleratora, ich zestrojeniu i stopniu zużycia. 3. PODSUMOWANIE Opracowany i przetestowany układ po skalibrowaniu go przy użyciu innych metod określania energii pracuje w trybie ciągłym w instalacji ak- 567

5 celeratorowej na Stacji Sterylizacji w IChTJ. Bieżąca kontrola rozkładu widma energetycznego wiązki elektronów oraz zautomatyzowane pomiary innych parametrów są rejestrowane stosownie do obowiązujących wymogów oraz umożliwiają wieloparametrową optymalizację procesu napromieniania. LITERATURA [1]. Zimek Z.: Dozymetria wiązki elektronów. Pomiary elektryczne. Centrum Informatyki Energetyki, Warszawa 1989, s

6 INSTYTUT CHEMII l TECHNIKI JĄDROWEJ ul. Dorodna 16, Warszawa tel.: (+22) , fax: (+22) , sekdyrn@orange.ichtj.waw.pl

7