18+
18+
Лаборатории ТПУ, Образование и наука, ТПУ, бетатроны политех тпу томск лаборатория ускоритель частиц томография Лаборатория. Маленькие коллайдеры из томского Политеха

Лаборатория. Маленькие коллайдеры из томского Политеха

Лаборатория
НИ ТПУ
В нашем спецпроекте рассказываем о том, чем занимаются и как устроены главные экспериментальные пространства томского Политеха

Бетатрон — это циклический ускоритель электронов. Частицы разгоняются по кругу до околосветовых скоростей и накапливают большую энергию. Если сбросить электронный пучок на мишень, это даст рентгеновский импульс, способный просвечивать крупногабаритные объекты. Если вывести напрямую, можно использовать в медицине: быстрые электроны эффективно убивают раковые клетки.

Как в лаборатории «Бетатронная томография крупногабаритных объектов» Томского политехнического университета делают ускорители для разных целей и почему каждый из них уникален — читайте в нашем материале.

Серийные и уникальные

Одна из востребованных моделей бетатрона из тех, что делают в Политехе, применяется для контроля промышленных изделий. Ее заказчик — английская фирма, которая занимается продажей и сервисным обслуживанием источников излучения. Но разрабатывают и собирают их в нашем городе.

Нижняя часть бетатрона. Катушка, индуцирующая магнитное поле

Ускорительная камера, в которой разгоняются электроны
Циклический ускоритель — это устройство, в котором заряженные частицы ускоряются по замкнутому кольцу. Будь то бетатрон, у которого кольцо размером с тарелку, или Большой адронный коллайдер с окружностью кольца почти 27 километров.

— Хотя индукционный циклический ускоритель и считается самым простым среди ускорителей, все равно это сложная система, которая должна управлять электронами, — показывает аппарат в процессе сборки заведующий лабораторией Максим Рычков. — В бетатроне есть те же самые узлы, что и в Большом адронном коллайдере: устройства, которые формируют, поддерживают, ускоряют электронный пучок и так далее. Система требует точной настройки, поэтому основные операции при первом запуске бетатрона выполняются вручную, с применением контрольно-измерительных средств, и требует участия высококвалифицированных специалистов, физиков-электронщиков.

Заведующий лабораторией «Бетатронная томография крупногабаритных объектов» ТПУ Максим Рычков

Настройка настолько сложна, что на поток производство бетатронов не поставить, поэтому в лаборатории делают не более 10 аппаратов в год. Зато один раз настроенная машина работает долго и заказчику не нужны специальные знания, чтобы эксплуатировать бетатрон.

Это далеко не единственный промышленный заказ лаборатории бетатронной томографии. Бывают заказы на изготовление серийных образцов, на доработку стандартных моделей под другие задачи, а также на изготовление единичных приборов специального назначения.

Инженер Валентин Генцельман собирает электронику блока питания

Пятно или доза?

Бетатрону скоро 100 лет. Первые патенты на этот тип ускорителя были получены в 1920-е годы. Основные принципы работы бетатрона сформулировал норвежец Видероэ в 1928 году, хотя его устройство так и не заработало. А первый действующий бетатрон запустили в Америке в начале 40-х годов. В Томске первый ускоритель частиц появился немногим позже, в 1947 году.

Бетатроны подразделяются на классические, сильноточные и малогабаритные. Сильноточные бетатроны ускоряют ток на 2-3 порядка больше, чем классические. Они мощные и стационарные, могут весить несколько тонн. Малогабаритные бетатроны, как правило, переносные.

Четкие границы между типами бетатронов стираются: с одной стороны, уменьшаются габариты сильноточных бетатронов, с другой, растет мощность дозы малогабаритных устройств.

— Я бы не использовал сейчас стандартную классификацию, а разделил их по назначению: дефектоскопические, досмотровые, томографические, медицинские. Они все сейчас работают примерно в одном диапазоне энергий и ускоряемых токов электронов, — говорит Максим Рычков.

Основное преимущество бетатронов с точки зрения промышленной томографии — малый размер фокусного пятна (источника излучения). Чем меньше этот размер, тем более детальное рентгеновское изображение можно получить. Главная исследовательская задача сейчас — еще сильнее уменьшать размер пятна для большей точности, при этом не теряя мощности дозы, необходимой для того, чтобы рентгеновские лучи проникли сквозь материал. Эти требования противоречат друг другу, поэтому инженерам приходится искать компромисс между размером фокусного пятна и мощностью дозы.

Электроэрозионная резка позволяет сделать точный разрез заготовки, состоящей из множества тонких пластин. Небольшая ошибка — и такой бетатрон настроить практически невозможно

Некоторые элементы соединяются при помощи точной лазерной сварки

Иногда требуется ручной труд. Например, здесь Антон Алексеев склеивает элементы системы сброса

От того, насколько точно инженер соединит элементы, зависит работоспособность всей магнитно-оптической системы, которая должна быть абсолютно симметрична

Пайка тоже ведется вручную

Подземелье старого ускорителя

Под лабораторией есть подвальное помещение с бункером за толстенными свинцовыми дверями. Сейчас здесь находится испытательная лаборатория и склад ускорительных камер для бетатронов. А когда-то стоял сильноточный ускоритель частиц на 300 МэВ со стеклянной камерой около двух метров диаметром. В 70–80-е годы он выполнял исследовательские задачи, но затем появились ускорители типа коллайдеров, на которых достигаются намного более высокие энергии, и томский бетатрон перестал быть объектом научного интереса.

— Когда в этом помещении делали ремонт, остатки этого бетатрона еще были здесь, в том числе колба, — рассказывает заведующий лабораторией. — Это был бетатрон особого типа, цилиндрический. Сейчас такие не делаются; возможно, поэтому исследования и не были завершены. Хотя с прикладной точки зрения такой бетатрон должен иметь преимущества, так как позволяет получать большие ускоренные токи, по сути — высокую мощность дозы.

Сделано в Томске

Почти все части бетатрона изготовлены в Томске. Корпуса заказывают на предприятиях Томска: ТЭМЗ, «Томсккабель». Излучатели, блоки питания собирают прямо в лаборатории.

Ренат Сатаров собирает корпус бетатрона

Только стеклянные ускорительные камеры, где разгоняются электроны, производят в Санкт-Петербурге. На вид они совершенно одинаковые, у них одинаковые электрические параметры, но не каждая камера корректно работает в бетатроне.

— Было много исследований, но так до конца и не разобрались, почему одна камера дает необходимую мощность излучения, а другая нет, — комментирует Максим Рычков.

Это камеры, которые не были отобраны на предыдущих бетатронах. Когда будет собран новый бетатрон, на нем снова проверят эти камеры в поисках подходящей

Некоторые камеры, пройдя множество испытаний, могут так и не пригодиться

С завода камера приходит прозрачная. Под действием электронного пучка стекло темнеет, со временем становится буквально закопченным

Аппарат в сборе, готовый к отправке

Пульт управления бетатроном максимально прост. В самом простом случае используются только две кнопки: «Пуск» и «Стоп». Чтобы работать с бетатроном, не нужно знать физику элементарных частиц, как можно пользоваться интернетом, не имея ни малейшего понятия о волновой оптике.

Пульт управления бетатроном

К бетатронам производства томского Политеха прилагается гарантийный и внегарантийный сервис. Иногда и по истечению срока эксплуатации бетатрона заказчик хочет поддерживать его дальше или модернизировать. Сейчас в лаборатории на модернизации находится один из старых бетатронов, скоро его вернут заказчику.

— Бетатрон, как я уже говорил, сложная магнито-оптическая система. В нем куча настроек, и раньше эти настройки были выведены на пульт, — объясняет Максим Рычков — Чтобы бетатрон работал, к нему нужен был специалист, который сидел бы и крутил эти ручки. Сейчас большинство настроек заменено на микропроцессорное управление. Оператору остается нажать кнопку «Пуск» — излучение есть, кнопку «Стоп» — излучения нет. Пользователи и не должны знать, как работает бетатрон, их основная задача — контроль.

Текст: Катерина Кайгородова
Фото: Владимир Дударев

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».

Тэги/темы:
Томские новости

Ученый Томского политеха предложил способ ликвидировать трещину на МКС

20 января 2021
Томские новости

Томичей приглашают сделать селфи в музеях Политеха

19 января 2021
Томские новости

Томские ученые помогли синтезировать новый материал для суперконденсаторов

29 декабря 2020
Томские новости

Томский губернатор и ректор ТГУ примут участие в Гайдаровском форуме

12 января 2021
Томские новости

Томские ученые: ледник Актру за год растаял на 10 метров

22 января 2021
Томские новости

В Томске изменились сроки приема документов в первые классы

13 января 2021
Томские новости

Продлен прием заявок на конкурс для педагогов им. Выготского

21 января 2021
Томские новости

В Томске начались нон-стоп чтения романа Достоевского

15 января 2021
Образование и наука

Лаборатории: 7 историй о главных экспериментальных пространствах томского Политеха

29 декабря 2020
Комментарии для сайта Cackle