Способ получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров в циклическом ускорителе заряженных частиц

 

Использование: в ускорительной технике, в частности в циклических ускорителях заряженных частиц. Сущность изобретения: способ получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров включает ускорение заряженных частиц в циклическом ускорителе и смещение ускоренных частиц на мишень с радиальной скоростью, обеспечивающей получение максимальной мощности дозы тормозного излучения. Мишень 5 выполнена по размеру меньше сечения пучка ускоренных частиц 7 и установлена на держателе 4. Держатель изготовлен из металла с малым атомным номером, а мишень - из металла с большим атомным номером. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке циклических ускорителей заряженных частиц, в частности бетатронов.

Известны способы получения фокусного пятна тормозного излучения в циклическом ускорителе заряженных частиц [1,2] заключающиеся в ускорении частиц, смещении ускоренных частиц на мишень, выполненную из металла с большим атомным номером и имеющую размеры сечения, большие размеров сечения пучка ускоренных частиц. Мишень может быть установлена на отдельном держателе или на аноде инжектора.

Наиболее близким является способ получения фокусного пятна тормозного излучения в бетатроне МИБ-6 [3] который включает процесс инжекции электронов на внешней границе рабочего объема, создаваемого управляющим магнитным полем, ускорение электронов на равновесной орбите вихревым электрическим полем в нарастающем во времени магнитном поле и смещение ускоренных электронов на мишень за счет нарушения бетатронного соотношения 2:1 внутри равновесной орбиты путем пропускания импульса тока через обмотки смещения, уложенные на полюсах электромагнита. Направление в обмотках смещения выбрано таким, чтобы ускоренные электроны смещались наружу от равновесной орбиты и попадали на мишень, установленную на аноде инжектора симметрично медианной плоскости. Для попадания всех ускоренных электронов на мишень ее размер по Z выбирают большим размера сечения пучка ускоренных электронов по высоте. В результате смещения и попадания электронов на мишень генерируется тормозное излучение с фокусным пятном, размеры которого определяются вертикальным размером сечения пучка и скоростью смещения его с равновесной орбиты. Скорость смещения пучка уменьшают до оптимального значения, обеспечивающего наименьший размер фокусного пятна по координате r. Однако описанный способ обладает существенным недостатком, заключающимся в получаемом относительно большом вертикальном размере фокусного пятна тормозного излучения, заметно ухудшающим качество радиационного изображения за счет геометрической нерезкости. Так, например, в бетатроне МИБ-6 [3] фокусное пятно составляет по измерениям приблизительно 3 х 0,2 мм·мм (Δz×Δr) и заметно уменьшить вертикальный размер пятна в описанном способе не представляется возможным.

Целью изобретения является получение в циклическом ускорителе заряженных частиц фокусного пятна малых размеров.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров в циклическом ускорителе заряженных частиц, включающего ускорение заряженных частиц, смещение ускоренных частиц с оптимальной радиальной скоростью на мишень, выполненную из металла с большим атомным номером, смещение ускоренных частиц осуществляют на мишень, выполненную с размерами сечения, меньшими размеров сечения пучка ускоренных частиц, и установленную на держателе, выполненном из металла с малым атомным номером, а смещение ускоренных частиц на мишень производят с радиальной скоростью, обеспечивающей получение максимальной мощности доз тормозного излучения.

Отличительными от прототипа признаками являются выбор сечения мишени с размерами, меньшими размеров сечения пучка ускоренных электронов, монтаж мишени на держателе из металла с малым атомным номером, смещение ускоренных частиц на мишень с радиальной скоростью, обеспечивающей получение максимальной мощности дозы тормозного излучения.

Указанные отличительные признаки предлагаемого способа получения фокусного пятна малых размеров в циклических ускорителях ранее не использовались и не описывались.

Выбор сечения мишени меньших размеров сечения пучка ускоренных электронов обеспечит практически получение фокусного пятна, определяемого только размерами сечения мишени.

Попадание большинства ускоренных частиц на мишень при оптимальной радиальной скорости смещения предлагается осуществить за счет их взаимосвязанных вертикальных и радиальных бетатронных колебаний. Монтаж мишени на держателе из металла с малым атомным номером обеспечит выход большинства фотонов только из мишени. Небольшая часть электронов, попавших на держатель из металла с малым атомным номером, пройдя сквозь него, потеряет часть энергии и, оставшись в области действия фокусирующих сил, вновь будет участвовать в процессе попадания частиц на мишень. Попавшие на держатель электроны создадут незначительный фон тормозного излучения.

Оптимальную радиальную скорость смещения ускоренных частиц на мишень подбирают исходя из условия получения максимальной мощности дозы тормозного излучения, так как размеры сечения мишени выбраны меньшими размеров сечения пучка ускоренных частиц и поэтому вероятность попадания частиц на мишень связана с величиной радиальной скорости их смещения.

Выполнение способа с предлагаемыми отличительными признаками до настоящего времени не описывалось и не осуществлялось, следовательно, предлагаемый способ, по мнению авторов, соответствует критерию "изобретательный уровень".

На фиг. 1 и 2 изображены схематично две проекции сечения излучателя бетатрона, на примере которого рассмотрим реализацию предлагаемого способа. Излучатель содержит полюса 1 электромагнита, ускорительную камеру 2, анод инжектора 3, держатель 4, мишень 5, обмотку 6 смещения. На чертеже изображено сечение 7 пучка ускоренных электронов и введены обозначения: 8 медианная плоскость; r_м радиус установки мишени; r_o равновесный радиус; вектор скорости смещения ускоренных электронов.

Способ получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров реализуют следующим образом.

Формируют полюсами 1 электромагнита магнитное управляющее поле, в которое инжектируют электроны с некоторой начальной энергией.

Захваченные управляющим полем электроны стягиваются к равновесной орбите r_o и ускоряются до максимальной энергии. В этот момент через витки обмотки 6 смещения пропускают импульс тока с регулируемой амплитудой. Обмотки 6 смещения усиливают магнитный поток внутри равновесной орбиты и электроны с определенной радиальной скоростью V_r начинают смещаться в медианной плоскости 8 наружу. При этом скорость V_r смещения пучка будет определяться скоростью роста тока, пропускаемого через обмотку 6 смещения. Через определенное время, определяемое значением V_r и расстоянием r_м r_o электроны достигнут радиуса r_м расположения мишени 5. Для получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров габариты сечения мишени 5 выбирают меньшими размеров сечения 7 пучка.

С момента времени, когда мишень 5 окажется внутри сечения 7 пучка начнется постепенное попадание ускоренных электронов на мишень 5 за счет их взаимосвязанных радиальных и вертикальных бетатронных колебаний. В результате торможения ускоренных электронов в мишени 5 генерируется тормозное излучение, интенсивность которого пропорциональна квадрату атомного номера z²_м. Часть электронов, траектории которых проходят через сечение мишени 5, попадут на нее на первых оборотах, остальные будут попадать на мишень 5 постоянно по мере совпадения координат траектории электронов на азимуте мишени 5 с ее пространственным положением.

Для того чтобы большая часть ускоренных электронов попала на мишень 5, подбирают оптимальную скорость V_roпт смещения пучка, при которой время прохождения сечения 7 пучка мишени 5 было достаточным для гарантированного попадания электронов на мишень 5. V_rопт. определяется размерами мишени, частотой вертикальных и радиальных колебаний электронов, параметрами управляющего магнитного поля, размерами сечения 7 пучка, радиусом r_м установки мишени 5. В общем виде рассчитать значение V_roпт представляет значительные трудности, поэтому оптимальную скорость V_roпт радиального смещения пучка подбирают экспериментально по максимуму мощности дозы тормозного излучения.

Кроме мишени 5 в сечении 7 пучка оказывается держатель 4, на который также возможно попадание небольшой части ускоренных электронов. Тормозясь в держателе 4, они создают тормозное излучение. Для существенного уменьшения величины тормозного излучения из держателя 4, интенсивность которого пропорциональна Z², в качестве материала держателя 4 выбирают немагнитный металл с малым атомным номером, например Be, Al, Ti, V, Cr, Co, Cu, Zn, т.е. те металлы, которые входят в 2,3,4 периоды периодической системы элементов Менделеева. Эти металлы, прежде всего Ве, Al, Ti характеризуются наименьшим выходом тормозного излучения при бомбардировке их ускоренными электронами по сравнению с металлами с большим атомным номером [4] Это главное отличие и определяет выбор металла для деpжателя 4 мишени 5 с целью снижения до минимума выхода тормозного излучения в случае попадания на него ускоренных частиц, так как держатель 4 не должен выполнять функцию мишени 5. Попавшие на держатель 4 ускоренные электроны проходят через металл держателя 4, теряя незначительную часть энергии и рассеиваясь с некоторым угловым распределением. Расчеты прохождения электронов через берилиевый держатель 4 показывают, что при толщине держателя 4 0,4 мм потеря граничной энергии электронными составляет 125 кэВ, а угловое распределение носит гауссовский характер. Большая часть рассеянных электронов находится в телесном угле, не превышающем 10^o. Из расчетов следует, что измерение энергии и углового направления не приводит к выходу электронов из рабочей области ускорения, ограниченной стенками ускорительной камеры 2 и анодом 3 инжектора. После прохождения держателя 4 электроны переходят на орбиты меньшего радиуса с увеличенными амплитудами бетатронных колебаний и повторно участвуют в процессе попадания на мишень 5.

Таким образом, в отличие от известного способа получения фокусного пятна тормозного излучения в циклическом ускорителе в предлагаемом способе размеры фокусного пятна определятся не высотой сечения 7 пучка, а фактически размерами сечения мишени, которые выбирают заведомо меньшими сечения 7 пучка.

Практически мишень 5 можно выбрать и смонтировать с габаритами сечения в десятки микрон, что позволит по сравнению с известным способом существенно уменьшить фокусное пятно и повысить качество радиационного изображения.

Для проверки выполнимости предлагаемого способа получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров были проведены расчеты динамики смещения ускоренных электронов на мишени малых размеров на примере бетатрона МИБ-6. Для расчета траекторий электронов использовалась система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая движение частиц по координатам r, Z, Θ. Результаты расчетов сведены в таблицу.

Из таблицы следует, что при размерах мишени 0,2 х 0,2 мм 100 ускоренных электронов попадают на мишень за 1000 оборотов (≈ 1,6 мкс), а при размере мишени ⊘ 0,1 мм 88 частиц попадают на мишень за 2000 оборотов (≈ 3,2 мкс). В первом случае оптимальная скорость смещения частиц составит мм/мкс, во втором Полученные значения V_ronm могут быть легко достигнуты на практике.

Литература 1. Быстров Ю. А. Иванов С.А. Ускорители и рентгеновские приборы. М. Высшая школа, 1976.

2. Научно-технический отчет N 1157. Разработка бететронной ускорительной камеры на энергию 10 МэВ. Л. ЛОЭП "Светлана", 1990, с.10.

3. Бетатрон МИБ-6. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Томск: НИИ интроскопии, 1990.

4. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. М. Энергия, 1966.

Формула изобретения

Способ получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров в циклическом ускорителе заряженных частиц, включающий ускорение заряженных частиц, смещение ускоренных частиц с оптимальной радиальной скоростью на мишень, выполненную из металла с большим атомным номером, отличающийся тем, что смещение ускоренных частиц осуществляют на мишень, выполненную с размерами сечения, меньшими размеров сечения пучка ускоренных частиц, и установленную на держателе, выполненном из металла с малым атомным номером, а смещение ускоренных частиц на мишень производят с радиальной скоростью, обеспечивающей получение максимальной мощности дозы тормозного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5