WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 2 10;12 Диагностика трубчатого пучка релятивистских электронов по передаточной функции мишени-конвертера © Н.Г. Мордасов Федеральное государственное унитарное предприятие „Научно-исследовательский институт приборов“ 140080 Лыткарино, Московская область, Россия e-mail: risi@tsr.ru (Поступило в Редакцию 27 февраля 2002 г.) Разработаны методы измерения угловых, геометрических и энергетических характеристик трубчатого пучка релятивистских электронов с использованием передаточной функции мишени-конвертера. Установлен характер зависимости между параметрами анизотропии тормозного излучения за мишенью-конвертером и угловыми характеристиками электронов, геометрическими параметрами пучка электронов в плоскости мишени. Исследовано уравнение энергобаланса при взаимодействии пучка электронов с мишенью-конвертером.

Определены передаточная функция мишени-конвертера и характер ее зависимости от энергии электронов.

Исследованы временные и интегральные энергетические характеристики пучка электронов.

Введение стиками энергетической зависимости чувствительности к фотонному излучению.

В работах по моделированию эффектов ядерного излу- В работе [5] для этой цели использовался набор детекчения и других прикладных научных исследованиях для торов мощности дозы с различными фильтрами-насадполучения высокоинтенсивного импульсного фотонного ками, при этом предполагалось, что угол падения излучения широко используются ускорители с энерги- электронов на мишень нормальный. Недостатком раей электронов до 15 MeV [1,2]. Генерация фотонного бот [4,5] является неадекватность условий при градуиизлучения происходит в мишени-конвертере, состоя- ровке устройств и проведении измерений, а также узкий щей из материала с атомным номером Z, посредством энергетический диапазон использования, обусловленный преобразования части энергии электронов в тормозное принципиальными ограничениями. В работе [6] с поизлучение. Характеристики тормозного излучения нахо- мощью диодной коллиматорной матрицы исследовалась дятся в прямой связи с типом и толщиной мишени D, по выходу тормозного излучения радиальная структура энергией E, током J и углом падения электронов на пучка электронов во времени. Более широко проведемишень. но исследование возможности измерения параметров Несмотря на достаточно длительное и широкое ис- сплошного цилиндрического пучка электронов по харакпользование пучков электронов ускорителей, до насто- теристикам вторичного излучения в работе [7]. Результаты исследований позволили определить алгоритм форящего времени нет полной информации о взаимосвязи мирования передаточных функций мишени-конвертера характеристик тормозного излучения и электронного для оценки энергии, тока и угла падения электронов пучка, которые позволили бы оптимизировать процесс в энергетическом диапазоне до 3 MeV. Для этого исконвертирования электронного пучка с целью получения полей тормозного излучения с заданными характеристи- пользуется набор детекторов мощности дозы фотонного излучения с идентичными характеристиками энергетичеками. Согласно [3], нормированный на один электрон ской зависимости чувствительности (не менее 4 штук), энергетический выход тормозного излучения I без учета размещаемых на фиксированных расстояниях от мишени самопоглощения для мишеней с атомным номером Z под различными углами к оси транспортировки пучка при полном поглощении в них нормально падающих электронов (G = 0-180), а также средства измерения электронов с энергией E имеет следующий вид:

тока пучка электронов.

I = ZE2/(ZE + 6.53 · 103), MeV. (1) Разработанные методы измерений являются косвенными, при этом предполагается, что средства измереНаличие сильной зависимости между энергетическим ний параметров тормозного излучения дают заведомо выходом тормозного излучения и энергией электронов верную информацию. В определенных условиях такой стимулировало развитие методов измерения энергети- подход, по-видимому, оправдан.

ческих и токовых характеристик пучков электронов, До настоящего времени в научно-технической литераоснованных на измерении характеристик тормозного из- туре нет информации о возможности использования аналучения. Так, в работе [4] предложена методика опреде- логичных методов для измерения характеристик сильления временных распределений энергии E(t) и тока J(t) ноточных трубчатых пучков релятивистских электронов.

электронов с помощью сборки комптоновских детекто- Данная работа в определенной степени заполняет этот ров, обладающих существенно различными характери- пробел, предлагая на рассмотрение некоторые экспери108 Н.Г. Мордасов ментальные подходы для определения геометрических, за мишенью-конвертером. Относительно оси транспоругловых и энергетических характеристик трубчатых пуч- тировки пучка электроны будут характеризоваться акков электронов в плоскости мишени-конвертера. сиальной V, азимутальной Va и радиальной Vr составляющими скорости, определяющими угол падения частицы в следующем виде:

Объект исследования и методика эксперимента = arctg (Va +Vr2)/V = arctg (tg2 + tg2 ). (4) Задача повышения интенсивности выхода тормозного излучения в лабораторных условиях была в опреде- При воспроизводимости аксиально-симметричного магнитного и ускоряющего электрического полей угол ленной степени решена с использованием линейных импульсных ускорителей с трубчатым пучком электро- падения электронов зависит в основном от их энергии нов типа ЛИУ [8]. Трубчатые пучки электронов уско- и при ширине энергетического диапазона в несколько ряются и транспортируются в вакууме в аксиально- мегаэлектрон-вольт будет мало изменяться в пределах симметричных электрических и магнитных полях. По- длительности излучения, т. е. при этих условиях пучок электронов за импульс излучения можно характеризодобные условия способны обеспечить транспортировку вать эффективным углом падения Q.

предельного тока Jlim определяемого зависимостью Суть способа определения угловых и геометрических Jlim = J0(2/3 - 1)3/2 1 + 2ln(l/r), (2) характеристик трубчатого пучка релятивистских электронов на входе в мишень-конвертер вытекает из того, где: J0 = 17 kA — ток Альфвена; — относительная что энергетическое и угловое распределения тормозноэнергия электронов; l, r — толщина и эффективный го излучения, выходящего из поглотителя с атомным радиус сечения трубчатого пучка электронов соответномером Z, зависит от его толщины D, энергии элекственно.

тронов E и их эффективного угла падения Q. Основной Последовательность расположения индукторов ускоособенностью углового распределения тормозного излурителя, выполненных на радиальных линиях, обеспечичения, образующегося при отклонении релятивистского вает широкий диапазон наращивания энергии электроэлектрона в поле ядра или связанного электрона, являнов, при этом разброс энергии электронов в сечении ется преимущественная генерация фотонов в направлепучка зависит от тока пучка J и удовлетворяет соотнонии движения первичного электрона, главным образом шению в конусе, половина угла которого обратно пропорци / = 0.5lJ/rJlim. (3) ональна относительной энергии электрона [2]. На характер углового распределения тормозного излучения Максимальная энергия электронов ускорителя мишеней-конвертеров, сравнимых по толщине с пробеЛИУ-10 составляет 12 MeV, ток пучка 40 kA, при этом гом первичных электронов и превышающих его, оказыдиаметр катода составляет 8-12 cm, а длительность вают влияние многократное рассеяние и энергетические импульса 3 · 10-8 s.

потери электронов. Аналитическое выражение, описыПри транспортировке высокоинтенсивных трубчавающее угловое распределение тормозного излучения тых пучков электронов вдоль ускоряющей трубки для таких поглотителей, не получено. Руководствуясь в аксиально-симметричом магнитном поле вектор скокачественными соображениями можно полагать, что рости частицы составляет некоторый угол с вектором с увеличением толщины мишени ширина углового расиндукции магнитного поля, который зависит от самопределения будет расти, а направление максимального согласованной структуры собственных электромагнитвыхода тормозного излучения в случае, когда Q = 0, ных полей пучка и внешних полей. Сложное движение электрона в таких полях представляется посредством со- может и не совпадать с ним. Величина различия Y между углами Q и максимального выхода тормозного излучеставляющих скорости точки в соответствующей системе ния увеличивается с ростом Z, D, Q и уменьшается с рокоординат, а также движения в виде вращения около стом E. Для конкретных условий и геометрии измерений этой движущейся точки — ведущего центра. Траектория величина Y может быть определена в независимых эксведущего центра электрона представляет собой спираль с радиусом, определяемым азимутальной скоростью ве- периментах на моноэнергетических пучках электронов.

Составляющие эффективного угла выхода тормозного дущего центра, зависящего от величины собственного электрического (радиальная составляющая) и результи- излучения из мишени-конвертера при трубчатом пучке рующего магнитного (аксиальная составляющая) полей, электронов, аналогичные (4), определяются по коордиа траектория отдельного электрона — спираль с лар- натам последовательности максимумов в распределении моровским радиусом, навитая на траекторию ведущего дозы тормозного излучения в j плоскостях ( j 3), центра. сформированных на различных расстояниях от мишени, Такое представление движения частицы не является нормально оси транспортировки пучка электронов [9] строгим, но наиболее наглядно отражает характер ее (например, с помощью детекторов дозы фотонного извлияния на формирование поля тормозного излучения лучения).

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Диагностика трубчатого пучка релятивистских электронов... Последовательности распределений максимумов дозы Параметры Wn, J(t), P(t), Q определяются эксперитормозного излучения в координатных плоскостях за ментально в импульсе излучения, а составляющие Wf, импульс представляются относительно оси транспорти- Wt, WQ, W (8) могут быть выражены в виде аналитичеровки пучка электронов нормальными сечениями од- ской зависимости от W (9) с учетом соотношения (10).

нополостного гиперболоида (при Q = 0). По геомет- Рассмотрим условия, определяющие формирова рическим параметрам этих сечений определяют пара- ние составляющих уравнения (8) при однослойной метры a, c, h уравнения однополостного гиперболоида мишени-конвертере. Благодаря небольшой массе, элек(в канонической форме), прямолинейные образующие троны интенсивно рассеиваются в веществе, поэтому которого коллинеарны с направлением максимального вероятность их отражения от мишени сравнительно выхода тормозного излучения. Таким образом, состав- высока, особенно при Q = 0. По аналогии с (9) со ляющие эффективного угла падения электронов (4) за ставляющая уравнения (8), отражающая энергетические импульс излучения выражаются через параметры a, c, h потери пучка в импульсе излучения посредством обратв каноническом уравнении однополостного гиперболои- ного рассеяния электронов WQ, может быть определена да в следующем виде: в следующем виде:

= arctg(a/c) +Y, (5) WQ = e-1 R(Q, E, Z)J(t)Ec(t) dt, (12) = arctg ah/c (c2 + h2) + Y. (6) Предложенная методика позволяет определить и эфгде R(Q, E, Z) — полный коэффициент обратного расфективный радиус r сечения трубчатого пучка электросеяния электронов; Ec(t) — средняя энергия обратно нов за импульс излучения в плоскости мишени.

рассеянных электронов.

Полный коэффициент обратного рассеяния (отражеr =(a/c) (c2 + h2). (7) ния) электронов R зависит в основном от их энергии E, Для определения энергетических характеристик элек- эффективного угла падения Q на мишень-конвертер, атомного номера вещества мишени Z и может быть тронов в пучке рассмотрим уравнение энергетического баланса при взаимодействии пучка с мишенью-конвер- представлен, согласно [12], в аналитической форме тером из однородного материала с толщиной, удовлетвоR = V + {1 - V } 1 - (1 + )-0.ряющей условию полного поглощения для первичных электронов. В рассматриваемом энергетическом диапа (1 - 1.73 cos Q)/(1 + 1.зоне электронов в импульсе излучения энергия пучка W частично поглощается в мишени-конверторе Wn, уносит{cos Q(1 - )/(1 + )}-0.5) exp(-1/ ), (13) ся тормозным Wt, обратно рассеянным электронным WQ, где: V — табулированная функция угла рассеяния элек-электронным W и фотонейтронным Wf излучениятрона [12], (Z + 1)/E — число событий рассеяния ми, т. е.

электрона на углы порядка единицы.

W - Wn - WQ - W - Wt - Wf = 0. (8) Средняя энергия Ec обратно рассеянных электронов, согласно [12], оценивается по соотношению Энергию пучка электронов в импульсе излучения W можно выразить через временные характеристики тока Ec 0.6E 1 - E(1 - sin Q)/(Z + 1). (14) пучка J(t) и энергии электронов E(t) в следующем виде:

Составляющая Wt уравнения (8), представляющая энергию пучка электронов, уносимую из мишени-конW = e-1 J(t)E(t) dt, (9) вертера тормозным излучением, определяется по радиационному выходу посредством введения коэффициента где e — заряд электрона.

эффективности тормозного излучения мишени-конверСогласно [7,10,11], энергию электронов E(t), патера [2], зависящего от атомного номера материала дающих на мишень-конвертер в момент времени t мишени и энергии электронов, а также оценки самопов пределах длительности импульса электронного излуглощения тормозного излучения в теле мишени, т. е.

чения, можно представить через динамическую харак теристику передаточной функции мишени-конвертера Wt = e-1KZ W (t)E(t) [U(t) =P(t)/J(t)] в следующем виде:

-n(t) E(t) =b-1 P(t)/J(t), (10) Q=const exp -µ{E(t)}(D - d{E(t)})/ cos Q dt, (15) где P(t) — временная характеристика мощности дозы где K — коэффицент, MeV-1; µ{E(t)} — массовый котормозного излучения в локальной точке поля;

эффициент поглощения фотонов в теле мишени-конверn(t) =0 + 0[P(t)/J(t)] + 0[P(t)/J(t)]2 +... ; (11) тера, усредненный по их энергетическому спектру;

b, 0, 0, 0 — коэффициенты, зависящие от условий D, d{E(t)} — толщина мишени и слоя мишени до и геометрии измерений. эффективного рождения фотонов [2] соответственно.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 110 Н.Г. Мордасов Составляющая уравнения (8) W, представляющая энергию, уносимую из мишени-конвертера -электронами, оценивается согласно [13], при этом учитывается, что спектральное распределение тормозного излучения, исключая характеристическое, практически не зависит от Z вещества мишени, а относительное спектральное распределение тормозного излучения практически не зависит от энергии электронов. Таким образом, величина W зависит только от функции сечения тормозного излучения и для вещества мишени (Z 74) не будет превышать 0.2% от величины W (9).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.