Ускоритель на колесах технологии

Для исследования поведения материалов в экстремальных условиях нужны мощные рентгенографические комплексы. Действующие установки созданы на основе линейных ускорителей, все они строились долго и обошлись дорого. Ученые РФЯЦ-ВНИИЭФ предложили компактную и более дешевую альтернативу. А потом поставили ее на колеса.

Представьте, что у вас есть уравнение, описывающее состояние вещества, в котором недостает нескольких компонентов. Их нужно найти. Для этого с помощью ускорительных установок вы исследуете поведение вещества в сверхкритических условиях — таких, которые неестественны для нашей планеты и которые могут быть созданы только искусственно (например, очень высокое давление или температура). И вот вы нашли эти недостающие компоненты, необходимые для вывода уравнения состояния. Теперь можно оценить, как будет себя вести вещество при других условиях, может быть, даже еще более экстремальных. Понять, что происходит с материей на других планетах, в миллионе километров от Земли.

Для исследования поведения вещества требуются мощные источники импульсного излучения. Генерируют его линейные или циклические ускорители. Существует несколько действующих рентгенографических комплексов на основе линейных ускорителей — американские Darth-I, Darth-II, FXR, китайские Dragon-I, Dragon-II, французский Airix и др. Все они — мощные стационарные сооружения, разработка, создание и эксплуатация которых потребовали значительных финансовых и временных ресурсов.

Чтобы оптимизировать процесс подготовки и проведения газодинамических опытов, уменьшить стоимость и время проведения экспериментов, ученые РФЯЦ-ВНИИЭФ разработали мобильный рентгенографический комплекс на основе безжелезного импульсного малогабаритного циклического ускорителя — бетатрона. Комплекс включает мобильный циклический ускоритель (МЦУ), взрывозащитную камеру, куда помещают объект исследования, систему коллимации — создания тонкого параллельного потока рентгеновского излучения, и систему регистрации теневых изображений. МЦУ состоит из двух модулей — ускорительного и импульсного питания электромагнита бетатрона.

Изначально бетатрон задумали как стационарную установку. Затем возникла идея поместить ускоритель и систему импульсного питания в фургоны. Транспортировать объекты исследования зачастую затруднительно, поэтому транспортировать бетатрон — более простое решение. Установка упрощает исследования радиоактивных веществ, которые можно проводить только на специальных полигонах, вдали от людей.

В фургоне ускорительного модуля располагаются элементы излучателя рентгенографической установки, в другом фургоне — система импульсного питания электромагнита бетатрона и технологическое оборудование. Связь между модулями и внешней автоматизированной системой управления и контроля осуществляется с помощью кабельных и волоконно-оптических линий.

У комплекса масса преимуществ перед стационарными аналогами. Во-первых, его можно транспортировать на любую площадку, где проводится эксперимент. Во-вторых, в процессе эксперимента можно перемещать установку ближе или дальше от объекта исследования. Это позволяет оптимизировать геометрию опыта. В-третьих, снижается стоимость комплекса: не нужно строить и обслуживать массивные защитные казематы. В-четвертых, установку легко наладить, она неприхотлива в использовании.

Наконец, можно вести многокадровую съемку. Так как исследуются динамические процессы, то чем больше сделано кадров, тем больше получено информации. Это как фильм, только в фильме всего 24 кадра в секунду, а мобильная установка выдает в среднем три кадра за микросекунду. По этому параметру у бетатронов РФЯЦ-ВНИИЭФ нет аналогов в мире.

Мобильные рентгенографические комплексы с использованием безжелезных импульсных малогабаритных бетатронов были представлены в этом году на 10-й Международной конференции по ускорителям частиц (IPAC) в австралийском Мельбурне. Конференция была посвящена инженерным и научным вопросам, связанным с новейшими достижениями в ускорительной технике, физике и динамике пучков заряженных частиц и электромагнитных полей. Ученые из России, США, Китая, Японии, Канады, Австралии и Европы представили около 90 устных и 1,5 тыс. стендовых докладов.

«Разработки РФЯЦ-ВНИИЭФ вызвали большой интерес, — говорит один из разработчиков комплекса, главный специалист РФЯЦ-ВНИИЭФ Олег Шамро. — Ученые из разных стран подходили, интересовались, их поражали мощности и токи, которые выдают наши машины. Некоторые иностранные участники проявили интерес к серийному производству мобильных ускорителей. Мы в очередной раз убедились, что РФЯЦ-ВНИИЭФ и «Росатом» действительно обладают уникальными компетенциями, которые позволяют нам быть лидерами и в этой области науки»