Способ определения распределения плотности потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка

 

А1 (51) 5 G 01 Т l/29

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ J

I фиг.1, lФ+ъф л„ г1. l »:» .;:, - СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЙ4АЛИСТИНЕСНИХ

-Е» "::==„.Р РЕСПУБЛИН

/=, --»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

r1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 15.12. 92. Бюл. Р 46 (21) 3883188/25 (22) 15.04.85 (71) Институт ядерных исследований

АН УССР (72) A.Ä.Îíèñêo и Е.И.Книжник (56) Патент США Р 3418474, кл. G 01 Т 1/08, 1968.

Патент Франции ll» 2116212, кл. С 01 Т 1/ОО, 1972.

Патент США У 3604929, кл. С 01,Т 5/00, 5/10, 1971.

Авторское свидетельство СССР

Р .306591, кл. Н 05 Н Il/00, 1970. (54)(57) 1.СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ ПУЧКА с помощью детектора излучения, о т л и" ч а ю шийся тем, что; с целью обеСпечения воэможности диагностики узких пучков электронных ускорителей и упрощения процесса определения, детектор, выполненный в виде пластины иэ прозрачного полимерного материала, последовательно подвергают череду о" щейся серии облучений с дискретно нарастающими длительностями путем фиксированных перемещений детектора в плоскости, перпендикулярной направ" лению падения пучка, и по полученному на облученных участках пластины набору распределений пористой массы, образовавшейся вследствие радиацион- ф ного газовыделения полимера, судят о топографии плотности потока частиц.

1 292469

2. Способ по п.l о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повьппения точности и упрощения процесса обработки результатов определения, перед размещением детектора па пути пучка на него наносят координатную сетку, после завершения серии облучений и перемещений выступающие за пределы поверхности пластины части образовавшейся пористой массы удаляют, а информацию о наборе распределений пористой массы с облученных участков пласгины переносят на фотобумагу посредством контактной печати.

Изобретение относится к ускори- . тельной технике, более конкретнок .технике измерения параметров пучков заряженных частиц, выведенных из, ускорителей, и может быть использова- 5 но в различных областях народного хозяйства при применении ускорителей заряженных частиц для решения технических, медицинских, агрохимических, радиобиологическнх, научных и иных задач.

Цель изобретения — обеспечение возможности диагностики узких пучков электронных ускорителей и упрощение f5 процесса определения, повышение точности и упрощение процесса обработки результатов определения, а также получение обьемной модели распределения плотности потока заряженных час" 2О тиц в поперечном сечении пучка.

Предложенный способ основан на из" вестном явлении образования и выделения низкомолекулярных продуктов радиолиза полимеров, получившем в науч-25 ной литературе название радиационного газовыделения ° Процесс обусловлен тем, что облучение полимерных материалов приводит к отщеплению от макромолекул отдельных атомов или боковых 30 групп, последующей их взаимной рекомбинации и другим сложным реакциям.

Как и все необратимые радиационные эффекты в полимерах, радиационное гаэовыделение определяется в основном, 3 ° Способ по и о т л и ч а ю- шийся тем, что, с целью получения объемной модели распределения плотности потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка, детектор прикрепляют к подложке иэ радиационностойкого материала, например керамики, и размещают на пути пучка стороной, обращенной полимерным материалом к пучку.

4. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве прозрачного полимерного материала детектора используют органическое стекло или полистирол. 2 ил. !

2 поглощенной дозой облучения. Установлено, что, если облучать блочный полиметилметакрилат (органическое стекло) при повышенных температурах, то внутри образца наблюдается выделение пузырьков газа, часть массы вещества образца становится пористой и образец вспучивается.

Как показывают произведенные исследования с использованием пучка ускоренных электронов микротрона, процесс образования и выделения газа в полимерной пластине, размещенной на пути пучка, происходит в процессе облучения непрерывно. При этом большей поглощенной дозе соответствует больший объем радиационного газовыделения и пористой массы вещества ° Одна" ко существует некоторое пороговое значение поглощенной дозы D при достижении которого пузырьки газа и пористая масса вещества становятся видны невооруженным глазом. Величина D зависит от материала и толщины пластины, параметров диагностируемого, пучка (вида и энергич частиц и др.).

Следовательно, если в процессе измерения указанные параметры не изменяются, то факт образования и визуально фиксированного появления пузырьков газа и пористой массы вещества в облученной полимерной пластине однозначно свидетельствует о достижении

D . .Использование прозрачного поли1., 92Ь69 мера в качестве материала детет! гпозволяет зрительно зафинсирояа .ь появление и распределение пузырьков газа и пористой массы внутри объема облученного участка пластины. В общем случае при появлении в облученном участке прозрачной полимерной пластины пористой массы любого размера и формы каждая точка на границе между пористой массой и остальной частью участка облучена до D -„ следовательно, граничная зона между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины (или, в случае наличия "пузырька" внутри объема пластины, проекция контура пузырька на поверхность пластины) является, по существу, иэодозной кривой L . Пространственное положение иэодозной кривой на облученном участке пластины соответствует линии равной плотности потока заряженных частиц.

Если последовательно подвергать 25 некоторый участок прозрачной полимерной пластины облучению с произ= вольной длительностью 7, затем, переместив пластину, подвергать облучению с длительностью t", большей 4, 30 другой участок, после чего, снова переместив пластину, подвергать облучению с длительностью т", большей ", следующий участок и т.д., то, во-первых, будет обнаружена пороговая длительность облучения т„, начиная с которой пористая масса (или пузырек газа) визуализируется, и, во-вторых, в результате фиксированных перемещений и облучений с длительностями t, 4g большими „, будет получен набор распределений пористой массы и соответствующих изодоэных кривых L„ на облученных участках пластин. Зная пространственное положение пластины и дли- 45 тельность облучения при получении каждой изодозной кривой и учитывая, что локальная плотность потока заряженным частиц при одной и той же величине поглощенной дозы обратно пропорцио.д() нальна длительности облучения, путем графического наложения соответствующих иэодоэных кривых несложно оценить пространственное распределение плотности потока заряженных частиц в попе-у речном сечении пучка.

Как показывают проведенные исследования, наиболее точная картина распре деления плотности потока частиц в попере ч!!Рм сf !of!)3!! 1(уч ка т!оиу час тГ J1;1(!! !!ереме!!и !!!!н пластиР!ы Р плоскост!! Г!еp пендикулярной .Направлеш!ю паден!!!! пучка, В случае, когда пучок падает на пластину с отклонением от нормали, для получения точной картины топографии плотности - потока частиц необходимо воспроизвести условия, при которых пластина облучалась, т. е. необходимо, чтобы направление взгляда наблюдателя было параллельно направлению падения пучка, что не всегда возможно точно воспроизвести.. Кроме того, при падении пучка на детектор под углом, отличным от прямого, возрастает число рассеянных частиц, что искажает картину распределения плотности потока частиц. Панесение на пластину из прозрачного полимерного материала координатной сетки перед раз!!е!!!ением пластины на пути пучка, удаление выступающей за пределы поверхности пластины части образовавшейся (вследствие радиационного газов!!деления) пористой массы, перенос информации о наборе распределений пористой массы с облученной пластины на фотобумагу посредством контактной печати — все эти операции способствуют удобству графического построения распределения изодозных кривых, уменьшению погрешностей и сокращению продолжительности обработки результатов. Благодаря этому точность повышается и упрощается процесс обработки результатов определения распределения плотности потока частиц в поперечном сечении лучка.

Образование растянутой пористой массы вследствие радиационного газовыделения происходит обычно в обе стороны от пластины. Введение твердой подложки из радиационностойкого материала, например иэ керамики, к которой прикреплена пластина иэ прозJ рачного полимерного материала, и размещение пластины на пути пучка стороной, обращенной полимерным материалом к пучку, обеспечивают условия, при которых подложка и соседние с рас-" тянутой массой участки пластины, облученные до дозы D препятствуют радиационно-стимулированному изменению объема облученного участка пластины по всем направлениям. В результате образование растянутой пористой массы (т.е. вспучивание.полимерной пластины) происходит только в одну сторо129246 ну, а именно в сторону, обращенную к пучку. Поскольку объем газа, выделившегося иэ каждого локального ("элементарного) облученного i-ro участка пластины, пропорционален поглощенной этим участком pose D., то более растянутому локальному участку пористой массы соответствует большая поглощенная доза. В случае однократного облу-, чения данного участка пластины дли- 0 тельности облучения каждого, в том числе i-ro локального участка одина" ковы. Поэтому высота растянутой пористой массы для каждого такого участка (в том числе Н;) будет пропорцио- 15 нальна поглощенной этим участком дозе (для i-го локального участка D,), а следователь««о, и плотности потока частиц в дан«1ой точке поперечного сечения пучка (для i"ão участка Ч, ). 20

Таким образом, поверхность растянутой пористой массы над поверхностью пластины, являющаяся огибающей совокупности высот локальных участков, представляет собой, по существу, объемную модель распределения плотности .потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка.

Использование в качестве прозрачного полимерного материала пластины органического стекла или полистирола . связано с их широкой доступностью и относительно низкой стоимостью.

На фиг. 1, 2 в координатных осях

Х, Y изображен набор изодозных кри" вых, совмещенных с учетом фиксированных пополнений п1«астины при соответствующих облучениях, а в координатных осях Х, 2 — один из возможных вариан- 40 тов графического построения распределения плотности потока электронов в поперечном сечении пучка.микротрона на основании набора совмещенных иэодозных кривых. 45

Направление оси Х характеризует расстояние в горизонтальной плоскости от частицы (электрона) до оси пучка, направление оси 7 характеризует расстояние в вертикальной плоскости от электрона до оси пучка, направление оси Z параллельно. направлению движения пучка электронов микротрона.

Пример 1. Берут пластину из органического стекла длиной 210 мм, шириной 85 мм и толщиной 4 мм, закрепляют вертикально (т.е. гранью

85 х 4) на подставке-держателе H размещают на пути пучка микротрона так, что9 6 бы грань 210х85 лежала н плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов

4,5 мкА, энергия электронов 10,5 МзВ, размер пучка непосредственно за фольгой выводного окна — эллипс с осями

12 мм по горизонтали и 7 мм по вертикали. Облучают произвольный участок пластины в течение 20 с. Затем, переместив пластину в той же плоскости снизу вверх на некоторое фиксированное расстояние, облучают в течение

140 с другой участок пластины. После этого подвергают облучению в течение

, = 60 с следующий участок. (На этот раз пористая масса вещества, образовавшаяся вследствие радиационного газовыделения полимера, отчетливо видна йевооруженным глазом). Вслед за этим пластину подвергают аналогичной чередующейся серии фиксированных перемещений в той же плоскости и облучений с нарастающими длительностями

80 с, = 120 с, >, =180 с, >

300 с, Т = 1200 с. В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. При этом граничные линии между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины представляют собой набор изодозных кривых L„,L

L<, L, L,-, Ь„ . Передвигают гра фически каждую .иэ кривых L„, L„

L„,, L» L««« ep (««сторону кривой L„, ) на расстояние, равное перемещению пластины при получении собтветствующей кривой. Получают набор совмещенных изодозных кривых на поверхности пластины, т.е. в поперечном сечении пучка микротрона (см, фиг.1, координатные оси Х, Y).

Затем в координатньгх осях Х, Z строят прямоугольник E F G К с осно-.

6 6 б 6 ванием, равным ширине площадки, ограничиваемой изодоэной кривой L„ т.е. Е К А В, и произвольной высотой. После этого строят еще пять прямоугольников, о"нование каждого из которых равно ширине площадки, ограничиваемой определенной изодозной кривой, а высота обратно пропорциональна соответствующей длительности облучения. (Например, строят прямоугольник Е F С < с основанием Е К =

А В и высотой F F,= =Е Р ;/i: 5 3 6 б 5

Поскольку реальное распределение плот1292469 ности потока электронон н поперечном сечении пучка удовлетворительно описывается гауссоной кривой с максимумом на оси пучка, строят ряд гауссовых кривых (m,, тп, m, m,,m ), каж- 5 дая из которых опирается на основание определенного прямоугольника, ограничивает площадь, равную площади этого прямоугольника, и имеет максимум на оси пучка. Наконец, строят огибающую 0

М семейства гауссовых криных, которая и представляет собой распределение плотности потока электронов по оси Х поперечного сечения пучка микротрона.

Как показывают лронеденные исслеt5 дования распределения плотности. потока электронов н поперечном сечении пучка микротрона, толщина пластины из прозрачного полимерного материала 36 мм является оптимальной. Прн толщине пластины более 6 мм точность полученных результатон снижается нследствие многократного рассеяния электронов при взаимодействии пучка с.веществом. При толщине пластины. менее

3 мм для визуализации пористой массы требуется более длительное облучение, что ведет к увеличению продолжитель ности измерений.

При выборе числа чередующихся серий облучений и перемещений возможны два подхода. Представляется целесообразным считать диаметром электронного пучка такой диаметр, при котором плотность потока в радиальном направлении снижается в е раэ по отношению к максимальной. Внутри пучка, диаметр которого определен подобным образам, протекает 68,3 всего тока пучка.При таком подходе,. ставя задачу оценки распределения плотности потока электронов в поперечном сечении .пучка, внутри которого протекает 68,3 всего тока пучка, длительность завершаю" . »5 .щего облучения выбирают примерно в три раза большей пороговой длительности, начиная с которой пористая . и масса визуализируется. Если же в задачу входит оценка распределения плот.д» ности потока электронов в более широкой области поперечного. сечения пучка, то серию облучений и перемещений прекращают лишь тогда, когда распределение пористой массы при двух пос- gg ледовательных длительностях облучения остается практически неизменным.

Как показали проведенные исследования, фактические размеры пучка микротрона и поперечном сечении (макСимальный размер ло горизонтали 32 мм и MBKcHMGJtbfBfA размер по вертикали

12 мм) эначительно превосходят соответствующие размеры (12 мм и 7 мм) лучка непосредственно з." фольгой выводного окна ускорителя.

П р и и е р 2. Берут пластину иэ органического стекла длиной 210 мм, шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепляют горизонтально (т.е, гранью

210 х 5;5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань 210х78 лежала в плос кости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка элек" тронов 5 мкА, энергия электронов

12,5 МэВ. Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (30 c„ 40 с, 50 с, 60 с, 300 с) и фиксированных переме-, щений слева направо в той же плоскости. В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. После этого части образовавшейся пористой массы, выступающие за пределы поверхности пластины, удаляют, а информацию о наборе распределений пористой массы с облученных участков пластины переносят на фотобумагу контактным способом.

Пример 3. Берут пластину из органического стекла длиной 207 мм, шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепляют горизонтально (т.е. гранью

207 х 5,5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань 207х78 лежала в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона . средний ток пучка электронов 6 мкА, энергия электронов

12,5 ИэВ. Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (25 с, 30 с, 35 с, 40 с) и фиксированных перемещений сле. ва направо, затем облучают в течение

45 с, после чего поворачивают в той о же плоскости иа 180 и продолжают подвергать чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (50 с, 55 с, 60 с, 65 с 300 с) и . фиксированных перемещений. Удаление части образовавшейся пористой массы и перенос информации о наборе распре" деления пористой массы с облученных

9 1292469 10 участков пластины на фотобумагу осу- ности потока электронов в поперечном ществляют так же, к lK в примере 2. сечении пучка микротрона.

Пример 4. Берут пластину из Пример 6. Здесь используют полистирола длиной 160 мм, шириной такие же параметры излучения микро40 мм и толщиной 1 мм, закрепляют. го- 5 трона и пластину из органического ризонтально (т.е, гранью 160x1) на стекла, как и в примере 3. Пластину подставке-держателе и размещают на приклеивают к подложке из керамики, пути пучка микротрона так, чтобы закрепляют и размещают на пути пучка мигрань 160х 10 лежала .в плоскости, пер- кротрона так же, как и в примере 5. пендикулярной направлению падения Пластину подвергают такой же чередуf0 пучка, Параметры излучения микротро- ющейся серии облучений с нарастаюна: средний ток пучка электронов шими длительностями и фиксированных

6 МкА, энергия электронов 4,52 МэВ. перемещений, как и в примере 3. В реПластину подвергают чередующейся се- эультате завершающего облучения с рии облучений с нарастающими длитель- .,длительностью 300 с участка пластины

«f5 ностями (100 с, 125 с, 140 с, 300 с) над его поверхностью появляется раси фиксированных, перемещений слева на- тянутая пористая масса, представляюправо в той же плоскости. В результа" щая собой объемную модель распреде3 те такой обработки HB облученных уча- ления плотности потока электронов в стках пластины визуализируется набор поперечном сечении пучка микротрона.

20 распределений пористой массь1. Поскольку реализация описываемого

Более высокие величины длительнос- способа не обусловлена уносом материтей облучения, при иоторьх виэуали- ала детектора иэ эоны действия пучка, эируется пористая масса, в данном тр способ делает возможным диагностислучае обусловлены как меньшей тол- . „> пучков Удельная поверхностнаямощ-: а щиной пластины по сравнению с приме- ность которых ниже 10 Вт/см рами 1-3, так и существенно более Простота способа, короткие экспонизкой величиной радиационного выхо- зиции.(30-300 с) при получении набора да газа (числа образовавшиХся моле 30 изодозйых кривых, возможность однокул газа на 100 эВ поглощенной энер- временного определения профиля и прогии) для полистирола по сравне- странственного положения пучка, иснию с органическим стеклом ключение необходимости сложных под(0,07 и I,II 1/100 эВ соответственно). готовительных операций (полировка

П. р и м е р 5. Здесь используют поверхности детектора, .вакуумирование также паРаметРы иэлучениЯ микротРона и т.п.) и обеспечения аппаратурной

35 и пластинУ из органического стекла, (интерференционным микроскопом, усикак и в примере 2.,Пластину при помо- лителями и т.п.), возможность получещи клея приклеивают к подложке в виде ния непрерывной по всему сечению пучкерамической облицовочной плитки раз 40 ка информации, нечувствительность к мером 150 х 150 х 6 мм и закрепляют наводкам в сильных полях СВЧ-иэлучегоризонтально на подставке-держателе. ния, воэможность хранения и многоПластину (вместе с подложкой) разме- кратного съема полученной информации, щают на пути пучка микротрона так, доступность.и относительно низкая . чтобы грань пластины 210 х 78 лежала стоимость используемых материалов в в плоскости, перпендикулярйой напхав- сочетании с достаточной для проведелению падения пучка, и была обращена ния экспрессных оценок разрешающей органическим стеклом к пучку. Пласти- способностью позволяют упростить и ну подвергают такой же чередующейся ускорить процесс оперативной диагноссерии облучений с нарастающими дли- тики пучков заряженных частиц н де50 тельностями и фиксированных переме- лают его пригодным для технологичесщений, как и в примере 2. В результа- кой дозииетрии. При всем этом обеспете такой. обработки над поверхностью чивается воэможность диагностики уэоблученньм участков пластины появля- ких пучков электронных ускорителей ется растянутая пористая масса, по- (линейньм ускорителей, сильноточных верхность которой дает информацию об бетатронов, микротронов), широко ис- объемной модели распределения плот- польэуемых в народном хозяйстве.

1292469

Составитель С.Кондратенко Редактор. Т.Иванова Техред 3.Кадар КоРРектоР А.Обручар

/ %

Заказ 564 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

f13035, Москва,Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород,,ул.Проектная,4