Лаборатория. Маленькие коллайдеры из 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.
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.
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.
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.
— 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.
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.
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.
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.
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».