Raporty IChTJ. Seria B nr 1/2017




OBNIŻENIE ENERGII WIĄZKI ELEKTRONÓW W AKCELERATORZE IŁU-6

(Reduction of electron beam energy in the ILU-6 accelerator)

Sylwester Bułka, Zbigniew Zimek

Plik do pobrania (PDF 1.5 MB)

Akcelerator IŁU-6 charakteryzuje się możliwością zmiany energii przyśpieszonych elektronów w przedziale 0,5-2 MeV przy mocy średniej wiązki na poziomie 20 kW. Uruchomiony w 1988 r. akcelerator jest podstawowym urządzeniem instalacji pilotowych działających w Centrum Badań i Technologii Radiacyjnych Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ). Zgodnie z założeniami instalacje pilotowe są przeznaczone do realizowania tematów badawczych i wdrażania technologii radiacyjnych. Prace eksperymentalne prowadzone przy wykorzystywaniu akceleratora IŁU-6 wraz z szeregiem układów pomocniczych obejmowały różnorodne procesy radiacyjne w fazie gazowej, ciekłej i stałej. Jednocześnie poszczególne technologie radiacyjne, takie jak sieciowanie cienkich folii polimerowych, obróbka powierzchniowa czy powierzchniowa dezynsekcja ziarna, wymagają stosowania energii wiązki elektronów w zakresie 0,15-0,3 MeV. Aby spełnić ten warunek, wprowadzono niezbędne zmiany w konstrukcji akceleratora IŁU-6, umożliwiające rutynowe stosowanie wiązki elektronów na tym poziomie energii. Podstawowym elementem układu odpowiedzialnego za wytworzenie pola elektrycznego przyśpieszającego strumień elektronów jest modulator impulsowy, przeznaczony do zasilania generatora pracującego z częstotliwością roboczą 127 MHz. Samowzbudny generator jest zbudowany na bazie triody próżniowej. Generator zasila rezonator, w którym amplituda fali stojącej pola elektrycznego przyśpiesza strumień elektronów emitowanych z katody umieszczonej w centralnej części rezonatora. Obniżenie amplitudy impulsu zasilającego generator skutkuje obniżeniem napięcia przyśpieszającego elektrony, a tym samym ich energii. Należy podkreślić, że zmian prowadzących do obniżenia minimalnej energii elektronów w akceleratorze IŁU-6 dokonano przy założeniu zachowania wszystkich dotychczasowych charakterystyk akceleratora oraz układów sterowania, sygnalizacji i blokad. W ramach modernizacji zaprojektowano i wykonano półprzewodnikowy układ zasilania impulsowego, umożliwiający obniżenie poziomu amplitudy generowanej energii wysokiej częstotliwości. Przetestowano układ wytwarzający odpowiednio niskie napięcie zasilające generator, niezbędne dla podtrzymania warunków wzbudzania generatora. Zmodyfikowano także układ działa elektronowego, aby umożliwić efektywną emisję elektronów z katody przy małym natężeniu pola elektrycznego w przestrzeni okołokatodowej. Odwrócono biegunowość napięcia z zewnętrznego źródła zasilania polaryzacji katody. Bardziej skutecznym, ale trudnym do przeprowadzenia, działaniem byłoby przemieszczenie katody wzdłuż osi rezonatora.
Dla potwierdzenia uzyskania założonych parametrów wiązki elektronów w zmodernizowanym akceleratorze IŁU-6 przeprowadzono pomiary z użyciem folii dozymetrycznych B3 i PCV. Ponadto wykonano obliczenia metodą Monte Carlo przy wykorzystaniu programu komputerowego Mode-RTL. Wyniki pomiarów i obliczeń potwierdziły zgodność energii wiązki elektronów z odczytem detektora poziomu napięcia przyśpieszającego. Rejestrowany rozrzut parametrów wynika z nieliniowości folii dozymetrycznej B3 przy wyższych poziomach mierzonej dawki bądź nieuwzględnionych w trakcie obliczeń parametrów, takich jak rozrzut energii elektronów czy zakrzywienie folii wyjściowej akceleratora wykonanej z tytanu. Stworzono tym samym warunki do rutynowego wykorzystania akceleratora IŁU-6 do pracy z wiązką elektronów o energii 0,15-0,3 MeV.


The ILU-6 accelerator with ability to accelerate electrons in 0.5-2 MeV energy range and average beam power up to 20 kW was installed in 1988 as the basic device of pilot installations of the Centre for Radiation Research and Technology, Institute of Nuclear Chemistry and Technology (INCT). The primary tasks of installation are focused on investigation and implementation of wide range radiation technologies. The experimental works were performed in the field of radiation processing with the use of ILU-6 accelerator and additional systems enabling irradiation gas, liquid and solid type of product. Simultaneously, individual radiation technologies such as crosslinking of thin polymer foils, surface processing or surface disinfestation of grain require the use of electron beam energy as low as 0.15-0.3 MeV. To fulfill those conditions specific changes in construction of ILU-6 accelerator were introduced, enabling routine applications of electron beam with lowered level of energy. The basic component responsible for electric field formation to accelerate the stream of electrons is the pulse modulator. It is designed as power supply of generator with the working frequency 127 MHz. Self-excited generator was built on the basis of vacuum triode. The generator feeds resonator in which the amplitude of the standing wave of the electric field accelerates the electrons emitted from the cathode located in the central part of the resonator. The lowering of the amplitude of the pulse feeding the generator is the effective way to reduce the electric field amplitude, and hence reduce electron energy level. It should be noticed that implemented changes leading to lowering the minimum energy of accelerating electrons in ILU-6 accelerator do not influence on the arrangement of interlock system related to steering, signaling and blockades. New design of pulse modulator was implemented to provide capability of lowering the level of electric field amplitude and energy of electron beam. The semiconductor arrangement of pulse modulator allows to provide necessary condition for smooth generation of oscillation in resonator. The modification of the electron gun arrangement was also conducted to make possible the effective emission from the cathode even at the small intensity of the electric field in the cathode space. The polarity of the DC power supply of the cathode was reversed. Effective but much more difficult approach is related to dislocation of the cathode inside the resonator.
To confirm the required parameters of electron beam accelerated in the modernized ILU-6, the measurements with utilization of B3 and PCV dosimetric foils were done. In ad-dition computer calculations were made using Monte Carlo method and the Mode-RTL computer program. The results of these measurements and calculations confirmed the agreement of the electron beam energy with the indication of the electrical sensor showing the level of amplitude of accelerating voltage. The recorded spread of measured and calculated parameters can be the consequence of the nonlinearity of B3 dosimetric foil for the higher levels of the measured dose. The calculated results were obtained without taking into consideration the influence of electron energy spread and the influence of exit titanium foil bend. Finally, it should be stated that conditions for routine utilization of ILU-6 accelerator in energy range 0.15-0.3 MeV were created.