Генерация рентгеновского излучения при взаимодействии быстрых электронов с мозаичными кристаллами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генерация рентгеновского излучения при взаимодействии быстрых электронов с мозаичными кристаллами

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пучки рентгеновского излучения широко используются для фундаментальных и прикладных исследований в различных областях (биология, физика твердого тела, микроэлектроника, медицина и т.д.). В настоящее время наиболее интенсивным источником рентгеновского излучения являются электронные накопительные кольца с энергией ? 1 ГэВ. Подобные установки являются достаточно дорогостоящими и требуют значительных эксплуатационных затрат. Поэтому сейчас во всём мире ведутся исследования механизмов генерации рентгеновского излучения, возникающего при прохождении легких заряженных частиц меньших энергий через твердотельные мишени, направленные на создание новых источников излучения и анализа структуры кристаллических образцов.

Одним из таких механизмов является параметрическое рентгеновское излучение (ПРИ). В первом приближении это излучение может быть интерпретировано как когерентное рассеяние псевдофотонов (виртуальных фотонов), формирующих собственное электромагнитное поле релятивистской частицы, на электронных оболочках периодически расположенных атомов мишени. Энергия фотонов ПРИ однозначно связана с их углом вылета и ориентацией кристалла, что позволяет на основе этого механизма создавать пучки монохроматического рентгеновского излучения с регулируемой длиной волны. Преимуществом ПРИ перед другими источниками на основе использования излучения быстрых частиц в веществе являются меньшие дозовые нагрузки в месте расположения объекта облучения, так как ПРИ испускается под большими углами к направлению электронного пучка.

Принято считать, что наиболее перспективным является использование этого типа излучения в медицинских целях, где востребованы малогабаритные источники жёсткого квазимонохроматического рентгеновского излучения (щ ? 20 кэВ, Дщ/щ ? 5%). Измерения характеристик ПРИ, проведенные для почти всех известных кристаллов с совершенной структурой: алмаз, кремний, германий, вольфрам, кварц и фторид лития в диапазоне энергий электронов от единиц МэВ до нескольких ГэВ показали, что кинематическая теория ПРИ описывает экспериментальные результаты с погрешностью не хуже 10-15%, а выход излучения слабо зависит от используемого кристалла и недостаточен для широкого практического использования. Способы увеличения выхода излучения с использованием твердотельных мишеней и пучков электронов средних энергий, предложенные в последнее время, так же не нашли применения из-за низкого выхода излучения.

Известно, что качество структуры кристаллов существенно влияет на отражающую способность рентгеновского излучения. Например, с помощью мозаичных кристаллов пиролитического графита можно получать интенсивные пучки рентгеновского излучения за счёт снижения монохроматичности и, в случае их использования для генерации ПРИ, дополнительного вклада дифрагированных реальных фотонов тормозного и переходного излучений. Большая мозаичность кристаллов пиролитического графита (типичное значение характерного угла мозаичности мрад) приводит к большой ширине спектра излучения, что не всегда приемлемо для практических приложений. Таким же преимуществом перед совершенными кристаллами должны обладать и другие мозаичные кристаллы, не имеющие недостатков графита. Однако целенаправленных исследований влияния качества структуры образцов на характеристики пучков рентгеновского излучения, получаемых при прохождении через эти образцы быстрых электронов, не проводилось. Недостаточное внимание уделялось и радиационному фону в месте расположения объекта облучения.

Другим механизмом, который так же может быть использован для генерации пучков монохроматического рентгеновского излучения, является дифрагированное излучение каналированных электронов или, как его иногда называют, дифрагированное излучение релятивистского осциллятора (ДИО), одно из интересных физических явлений, происходящих при прохождении быстрых заряженных частиц через упорядоченные среды, предсказанных в 70-80тых годах в работах В.Г. Барышевского с соавторами. ДИО, являющееся результатом когерентного суммирования двух процессов - излучения фотона и его дифракции в кристалле, до последнего времени оставалось вне поля зрения экспериментаторов как вследствие недостаточной ясности в величине эффекта, так и очевидной сложности его выделения на фоне конкурирующих процессов: ПРИ и дифрагированного тормозного излучения (ДТИ). Дополнительную сложность с точки зрения экспериментального поиска этого эффекта представляют ограниченный диапазон энергии электронов, где возможно его чёткое проявление (10-40 МэВ), и узкий диапазон энергий и углов вылета фотонов, где оно может быть уверенно зарегистрировано, что предъявляет жёсткие требования к постановке такого эксперимента.

В последнее время, после появления цикла работ Х. Нитты с соавторами и Ю.Л. Пивоварова с соавторами ситуация с оценкой величины эффекта прояснилась. В соответствии с результатами цитируемых работ в узком угловом интервале выход дифрагированного излучения каналированных электронов может на несколько порядков превышать выход ПРИ. В случае справедливости этой оценки можно надеяться на создание нового источника интенсивного рентгеновского излучения.

Целью работы является исследование влияния совершенства структуры кристаллов на характеристики рентгеновского излучения, генерируемого при взаимодействии электронов средних энергий с кристаллами, включающее сопоставление совершенных и мозаичных кристаллов с точки зрения их использования для генерации интенсивных пучков рентгеновского излучения для медицинских применений, создание на базе микротрона НИИ ЯФ МГУ экспериментальной установки по измерению характеристик излучения быстрых электронов в плотной среде и разработка методики ориентации кристаллов на ускорителях средних энергий с коротким временем цикла ускорения.

Научная новизна

- Доказано, что использование идеальных мозаичных кристаллов вместо совершенных при генерации излучения под брэгговскими углами существенно увеличивает выход жёсткого квазимонохроматического рентгеновского излучения, за счёт вклада дифрагированных реальных фотонов.

- Впервые показано, что мозаичность кристалла обеспечивает увеличение выхода излучения без заметного ухудшения эксплуатационных характеристик фотонного пучка.

- Доказано, что однокристальная схема генерации излучения не пригодна для применения в медицинских целях из-за большого фона тормозного излучения в месте расположения объекта облучения при использовании кристаллов оптимальной толщины и низкой эффективности при малых толщинах.

- Предложена и апробирована новая методика ориентации кристаллов на ускорителях электронов средних энергий с коротким временем цикла ускорения, позволяющая почти на порядок сократить время проведения измерений.

Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы для создания интенсивных пучков квазимонохроматического рентгеновского излучения для медицинских применений.

Развитая и апробированная методика ориентации кристаллов позволяет почти на порядок сократить время проведения измерений на ускорителях электронов средних энергий с коротким временем цикла ускорения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование идеальных мозаичных кристаллов вместо совершенных существенно увеличивает выход жёсткого квазимонохроматического рентгеновского излучения, испускаемого под брэгговскими углами при прохождении через них быстрых электронов. Мозаичность обеспечивает увеличение выхода излучения без ухудшения эксплуатационных характеристик фотонного пучка.

2. Однокристальная схема генерации излучения практически не пригодна для применения в медицине из-за большого фона тормозного излучения в месте расположения объекта облучения при использовании кристаллов оптимальной толщины и низкой эффективности при малых толщинах.

3. Двухкристальная схема генерации излучения с использованием мозаичных кристаллов вместо совершенных увеличивает выход жёстких фотонов, позволяет избавиться от фона тормозного излучения в месте расположения объекта облучения и существенно улучшить монохроматичность по сравнению с однокристальной схемой.

4. На микротроне НИИ ЯФ МГУ создан экспериментальный комплекс, позволяющий проводить измерения характеристик излучения быстрых электронов в конденсированном веществе. Предложена новая методика ориентации кристаллов на ускорителях средних энергий с коротким временем цикла ускорения, существенно сокращающая время проведения измерений.

Апробация результатов работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на XXXV - ХХXVIII Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ, 2005-2008 гг.), IV - VI конференциях по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям (г. Харьков, ННЦ ХФТИ, Украина, 2006-2008гг.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в работах [1-8].

Личный вклад соискателя в проведении исследований и получении результатов является определяющим. Все результаты, приведённые в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и библиографии из 117 наименований. Диссертация изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

кристалл рентгеновский излучение мозаичный

Во введении приведены историческая справка, обзор работ по проблеме, состояние исследований к моменту начала работы, обоснование необходимости проведения дальнейших исследований, формулируется цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена сравнению совершенных и мозаичных кристаллов с точки зрения их использования для генерации интенсивных квазимонохроматических пучков рентгеновского излучения, при прохождении через них быстрых электронов.

В §1.1 описана использованная в диссертации методика расчёта выхода параметрического рентгеновского излучения в совершенных и мозаичных кристаллах, основанная на кинематической теории ПРИ, проанализировано влияние совершенства структуры кристалла на характеристики наблюдаемого излучения, приведена методика расчёта выхода дифрагированного тормозного излучения в идеальных мозаичных кристаллах, основанная на теории дифракции рентгеновского излучения в мозаичных кристаллах. В §1.2 приведены результаты обработки данных эксперимента по исследованию выхода ПРИ из кристалла алмаза размерами и поверхностной мозаичностью0.2 мрад, выполненного на томском синхротроне.

На рисунке 1 точками показана полученная в эксперименте зависимость выхода фотонов первого порядка отражения от угла разориентации плоскости . Здесь же показана расчетная зависимость, полученная в рамках кинематической теории ПРИ. Обработка данных эксперимента показала, что в максимуме зависимости для всех порядков отражения зарегистрированный выход излучения фот./электр., фот./электр. и фот./электр. в несколько раз превышает результаты расчёта по теории ПРИ. фот./электр., фот./электр. и фот./электр.

Рис. 1. Ориентационная зависимость выхода фотонов из кристалла алмаза для =500 МэВ и . - эксперимент; Кривые: 1 - расчет по кинематической теории ПРИ; 2 - ДТИ + ПРИ в мозаичном кристалле.

Основными факторами, определяющими форму ориентационной зависимости выхода излучения (ОЗ), являются угол коллимации излучения и многократное рассеяние частиц в кристалле. Поэтому измеренная и рассчитанная ОЗ достаточно близки по форме, но значимо отличаются по амплитуде. Разница в ширинах (FWHM) рассчитанной и измеренной зависимостей =3.97 мрад и мрад превышает экспериментальную погрешность (шаг измерения ОЗ ? 0.4 мрад) и свидетельствует о вкладе излучения с более узким угловым распределением, чем ПРИ. В данном случае это может быть только ДТИ, однако оценка вклада ДТИ, сделанная в предположении, что кристалл является совершенным, показала, что выход ДТИ не превышает 20% от выхода ПРИ и не может объяснить полученную разницу.

Учёт мозаичности кристалла в предположении однородного распределения блоков мозаики с размерами меньше длины первичной экстинкции по толщине кристалла, то есть применимости для данной ситуации модели идеального мозаичного кристалла, показал, что наблюдаемое различие действительно обусловлено мозаичностью кристалла. Результирующая зависимость ПРИ+ДТИ, рассчитанная с учетом мозаичности для обеих компонент, близка к экспериментальной. Рассчитанные значения выхода фот./электр., фот./электр. и фот./электр. и ширины ориентационной зависимости мрад удовлетворительно согласуются с результатами измерений.

Согласие результатов измерений характеристик излучения для мозаичных кристаллов алмаза и пиролитического графита с расчетом позволило сопоставить совершенные и мозаичные кристаллы с точки зрения применимости их использования для генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения в прикладных целях. В последнее время во многих ускорительных центрах ведутся работы по созданию источников рентгеновского излучения в медицинских целях для маммографии (щ ~ 18-20 кэВ) и ангиографии по краю полосы фотопоглощения йода и бария (щ ? 33.1 кэВ и щ ? 37.5 кэВ), поэтому сопоставление проведено для экспериментальных условий ускорителей средних энергий, на которых проводятся такие работы. Результаты сопоставления приведены в §1.3.

Расчёты показывают, что как для совершенных, так и мозаичных кристаллов выход результирующего излучения обусловлен вкладом двух механизмов: ПРИ и ДТИ, причём их соотношение зависит от толщины кристалла, его мозаичности и энергии электронов и регистрируемых фотонов. В совершенном кристалле, в основном, генерируется ПРИ, вклад ДТИ не превышает 10-40%. Для мозаичного кристалла основным является вклад ДТИ, а вклад ПРИ не превышает 10-20%. Мозаичность приводит к уширению спектров ДТИ и ПРИ, однако в зависимости от условий ширина спектра результирующего излучения для мозаичного кристалла может оказаться меньше, чем для совершенного. То есть наличие мозаичности увеличивает выход излучения без ухудшения характеристик фотонного пучка.

Выход ПРИ линейно зависит от толщины кристалла, поэтому наиболее естественным способом увеличения интенсивности является увеличение толщины мишени. На рисунке 2 приведена зависимость выхода излучения от толщины совершенного кристалла кремния (кривая) для отражения (220) и угла наблюдения (щ ~ 33 кэВ). Из рисунка видно, что для малых толщин выход ПРИ увеличивается, потом выходит на насыщение и затем спадает из-за поглощения излучения в материале мишени. Положение максимума выхода излучения соответствует длине поглощения генерируемых фотонов -.

Рис. 2 Зависимость интенсивности ПРИ и ДТИ от толщины кристалла кремния.

= 45 МэВ, = 0.85 мрад. Кривая - ПРИ, _ - ДТИ, ? - .

Как отмечено выше, использование мозаичных кристаллов позволяет получить существенно больший выход излучения за счёт вклада ДТИ. На этом же рисунке (_) показана зависимость выхода ДТИ для мозаичного образца с =1 мрад и отношение выходов ДТИ и ПРИ (?). Как видно из рисунка, уже для T=0.1 мм выход ДТИ из мозаичного кристалла больше, чем выход ПРИ из совершенного кристалла. Поскольку выход ПРИ, в отличие от спектра излучения, слабо зависит от мозаичности кристалла, а выход ДТИ из совершенного кристалла меньше выхода ПРИ (см. рис. 3), мозаичный кристалл практически всегда обеспечивает больший выход излучения, чем совершенный. Расчёты показали, что преимущество мозаичных кристаллов наилучшим образом проявляются при генерации жёсткого излучения с щ? 30 кэВ, где соотношение выходов ДТИ и ПРИ достигает 10 и более раз.

Для большинства применений интенсивных пучков рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией, например, для просвечивающей рентгенографии, как правило, вполне достаточно монохроматичности 5%. При использовании пучков излучения быстрых электронов в конденсированном веществе (ПРИ, излучение при каналировании и т.п.) монохроматичность достигается за счёт коллимации излучения . Зависимость характеристик результирующего излучения от типа используемого кристалла, соотношения величин и , энергии регистрируемого излучения и толщины кристалла приведена в §1.4.

На рисунке 3 приведена зависимость характеристик излучения от величины для кристалла кремния, отражения (220) и угла Брэгга (щ ~ 17.8 кэВ).

Рис. 3 Зависимость характеристик излучения от мозаичности кристалла кремния. T=0.625 мм; Ee=45 МэВ; =1.7 мрад.

а) Спектры первого порядка отражения: =0 мрад; 0.2 мрад; 0.4 мрад; 0.6 мрад; 0.8 мрад; 1.2 мрад; 1.6 мрад, соответственно, кривые 1-7; 8 - ПРИ в совершенном кристалле.

б) Зависимость выхода ДТИ - _ и ширины спектра (FWHM) -? от величины .

? - выход ПРИ из совершенного кристалла.

Из рисунка видно, что вплоть до =0.6 мрад ширина спектра ДТИ меняется весьма незначительно, оставаясь почти такой же, как и ширина спектра ПРИ из совершенного кристалла, а затем плавно возрастает. Анализ показывает, что мозаичность кристалла влияет на спектр ПРИ почти так же, как и на спектр ДТИ. То есть для < уширение спектра ПРИ вследствие наличия мозаичности так же незначительно. Поэтому с учётом вклада ДТИ в совершенном кристалле (см. рис. 3а) монохроматичность спектра результирующего излучения (ПРИ+ДТИ) из мозаичного кристалла с < почти такая же, как и у спектра из совершенного кристалла.

Амплитуда пика в спектре и выход ДТИ возрастает с ростом мозаичности вплоть до =0.6 мрад, затем выходит на насыщение и для > 1.6 мрад начинает спадать. Ход этой зависимости объясняется конкуренцией двух факторов. Для малых значений с ростом мозаичности уменьшается вероятность переотражения дифрагированного пучка, и выход излучения растёт. Для , сопоставимых с углом коллимации излучения, выход дифрагированного излучения падает из-за уменьшения числа фотонов, которые после отражения могут попасть в коллиматор. Поэтому выход ДТИ стабилизируется при одновременном ухудшении монохроматичности регистрируемого излучения. Для больших значений второй процесс преобладает, и интенсивность ДТИ начинает спадать. Выводы по результатам сравнения совершенных и мозаичных кристаллов с точки зрения их применимости для генерации интенсивных пучков рентгеновского излучения изложены в §1.5.

До последнего времени считалось, что наиболее перспективной областью использования излучения быстрых электронов средних энергий в кристаллах является медицина, где востребованы малогабаритные источники жёсткого квазимонохроматического рентгеновского излучения. При этом из-за поискового характера работ недостаточное внимание уделялось безопасности применения такого источника. Проблемам, возникающим при попытке использовать излучение быстрых частиц в кристаллах для использования в медицине, и возможным путям их решения посвящена вторая глава диссертации. Наиболее серьёзно в этом направлении продвинулись авторы работы Peistrup M.A. et al.//Review of Scientific Instruments (2001) v.72, No. 4, P.2159-2170, в которой предложен проект установки для маммографии, использующей ПРИ электронов с энергией 35 МэВ в кристалле пиролитического графита толщиной 10 мм, и показано, что этот источник обладает преимуществами перед традиционным на основе электронной пушки с молибденовым антикатодом.

На рисунке 4 приведены спектры для условий, использованных в этой работе: (щ ? 20 кэВ), угол коллимации излучения 1.2480 мрад. Кривая 1 (фотон/электрон) - спектр ПРИ, рассчитанный без учёта мозаичности кристалла. Именно такой спектр приведён и обсуждается в цитируемой работе. Кривая 2 (фотон/электрон) рассчитана в предположении гауссовского распределения мозаичности для = 4 мрад, но без учёта дифракция фотонов ПРИ. Этот эффект учтен при расчете зависимости 3 (фотон/электрон).

Рис. 4 Спектры излучения в кристалле пиролитического графита. Кривые: 1 - Спектр ПРИ в совершенном кристалле; 2 - Спектр ПРИ в мозаичном кристалле с = 4 мрад без учета переотражения фотонов; 3 - Спектр ПРИ с учетом переотражения; 4 - Спектр ДТИ; 5 - Спектр ТИ.

Из сопоставления спектров 1 и 2 видно, что наличие мозаичности привело к уменьшению амплитуды в пике спектра и его сдвигу в область меньших энергий фотонов, что обусловлено сильной зависимостью отражающей способности от длины волны. Этим же фактором обусловлен и больший выход ПРИ из мозаичного кристалла по сравнению с совершенным. Вторичная дифракция фотонов ПРИ уменьшает выход излучения почти в два раза и ещё больше смещает максимум в спектре, поскольку в направлении первичного пучка тормозного излучения наиболее сильно переотражаются фотоны с энергией, соответствующей брэгговскому условию. Из приведённого на этом же рисунке спектра ДТИ (зависимость 4, фотон/электрон) видно, что выход ДТИ примерно в 4 раза превышает выход ПРИ. Ширина спектра ДТИ 2.86 кэВ больше, чем спектра ПРИ 2.25 кэВ и, тем более спектра ПРИ из совершенного (не существующего в природе) кристалла пиролитического графита 0.6 кэВ, что обусловлено большим значением характерного угла мозаичности кристалла по сравнению с углом коллимации излучения в плоскости дифракции (= 4 мрад >= 1.24 мрад). Анализ однокристальной схемы генерации рентгеновского излучения для медицинских целей, а так же проблемы его использования, приведены в §2.1.

Основной проблемой, возникающей при использовании кристаллов оптимальной толщины для генерации излучения в медицинских целях, является не ширина спектра, а большая величина фона тормозного излучения (ТИ) в месте расположения объекта облучения. По-видимому, это главная причина почему, несмотря на уже почти двадцатилетнюю историю изучения ПРИ, ни одно из предложений по его применению для прикладных целей до сих пор не реализовано. Из приведённого на рисунке 4 спектра тормозного излучения в спектральной области первого порядка отражения (кривая 5) видно, что вклад непрерывного фона тормозного излучения ~ 3% от амплитуды пика в спектре ДТИ. Поскольку спектр ТИ тянется вплоть до конечной энергии электронов число фотонов ТИ и ДТИ, попадающих на объект облучения для кристаллов оптимальной толщины оказываются сопоставимыми, а полная энергия тормозного излучения на два-три порядка больше полной энергии полезного излучения. Например, для кристалла кремния оптимальной толщины (3.5 мм) и условий рис. 2 фотон/электрон, а фотон/электрон. Тогда как полные энергии излучения кэВ/электрон и кэВ/электрон. Для кристалла графита и условий рис. 4 это отношение в несколько раз хуже из-за меньших значений энергии электронов и угла наблюдения. Реальное соотношение доз от фонового и полезного излучения, определяемое протяжённостью и составом объекта облучения, будет несколько меньше соотношения полных энергий излучения и должно оцениваться отдельно. Методика оценки выхода фоновых процессов приведена в §2.2.

Одним из решений проблемы высокого уровня фона ТИ в месте расположения объекта облучения может быть использование двухкристальной схемы, анализируемой в §2.3. Недавно в работе Hayakawa Y. et al. //Nucl. Instr. and Meth. 2005. V. B227. P.32-40 предложено использовать систему из двух совершенных кристаллов для генерации ПРИ в тонком кристалле и его последующей дифракции в другом, более толстом. Такие схемы широко используются в экспериментальной физике ещё с тридцатых годов прошлого века. Главное достоинство такой схемы - узкая ширина спектра приводит к низкой интенсивности излучения. Если ширина спектра не является критичным параметром и 2-3% вполне достаточно, то использование мозаичных кристаллов вместо совершенных может увеличить выход излучения на несколько порядков.

На рисунке 5 приведена схема установки, реализующей этот метод. Электронный пучок падает на кристалл, установленный в гониометре и развернутый на угол для получения требуемой энергии фотонов, и сбрасывается в могильник. Рожденные в кристалле фотоны ДТИ и ПРИ проходят через коллиматор, расположенный под углом и вырезающий нужную область спектрально-углового распределения. Далее излучение падает на второй кристалл, установленный в гониометре и развернутый на такой же угол (схема (n, -n), и отражается в направлении объекта облучения.

Рис. 5 Схема реализации двухкристальной системы.

Для изменения энергии излучения меняется ориентация обоих кристаллов, положение коллиматора и второго кристалла, таким образом, что бы трасса пучка дифрагированного излучения по-прежнему проходила через объект облучения. Одним из достоинств такой схемы является отсутствие необходимости перемещения объекта облучения при изменении энергии фотонов. В зависимости от конкретной реализации размеры второго кристалла могут быть выбраны такими, что бы он перекрывал только требуемый телесный угол. В этом случае нет необходимости в промежуточном коллиматоре, что существенно упрощает реализацию метода. Для проведения измерений, требующих меньшей ширины спектра, например, исследований XAFS, мозаичные кристаллы могут быть заменены совершенными, и установлены так же, как и в работе Hayakawa Y. et al. //Nucl. Instr. and Meth. 2005. V. B227. P.32-40.

Поиск или изготовление мозаичных кристаллов для реализации предлагаемого способа получения интенсивных пучков рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией представляет собой отдельную задачу. Рассмотрим, какой выход излучения можно получить при использовании доступных кристаллов пиролитического графита. Результаты расчёта для идентичных кристаллов пиролитического графита толщиной 15 мм с мозаичностью = 4 мрад и энергии электронов = 45 МэВ приведены на рисунке 6. Второй кристалл расположен под углом (щ~33 кэВ). Угол коллимации для однократно и двукратно дифрагированных фотонов =1 мрад.

Рис. 6 Спектры излучения для кристаллов пиролитического графита: 1 - Спектр ПРИ в совершенном кристалле; 2 - Спектр ПРИ в мозаичном кристалле; 3 - Спектр ДТИ в мозаичном кристалле; 4 - Спектр ТИ на влете во второй кристалл; 5 - Спектр двукратно дифрагированного излучения; 6 - Спектр дифрагированного тормозного излучения, попавшего на второй кристалл; 7 - Спектр ДТИ в кристалле с = 1 мрад и = 5 мм; 8 - Спектр после второго кристалла с = 1 мрад и = 4 мм.

Из рисунка видно, что, как и при использовании других мозаичных кристаллов, основной вклад в спектр после первого кристалла даёт ДТИ. Вклад ПРИ (кривые 1, 2) фотон/электрон почти на порядок меньше вклада ДТИ (кривая 3) фотон/электрон. Изменение угла наблюдения и толщины мишени уменьшило интенсивность после первого кристалла до фотон/электрон и увеличило ширину спектра 11 кэВ. Из рисунка видно, что использование второго кристалла обеспечивает не только подавление фона ТИ, но и уменьшение ширины спектра излучения, попадающего на объект облучения (кривая 5, фотон/электрон, = 0.59 кэВ и = 1 кэВ). Уменьшение выхода по сравнению с однокристальной схемой обусловлено как сужением спектра, так и поглощением во втором кристалле. Следует отметить, что с учетом дополнительного вклада дифрагированного во втором кристалле тормозного излучения (см. ниже) полученное значение выхода излучения почти в два раза больше, чем можно получить для этой же энергии фотонов и угла коллимации при помощи механизма ПРИ и совершенного кристалла кремния оптимальной толщины. Основной недостаток однокристальной схемы - большой фон тормозного излучения (кривая 4), при использовании двухкристальной схемы приводит к дополнительному вкладу монохроматического излучения в месте расположения объекта облучения фотон/электрон (кривая 6). Фотоны ПРИ из первого кристалла так же могут дифрагировать во втором. Но из-за низкой интенсивности ПРИ в требуемой спектральной области (см. спектр 2) вклад этого процесса в суммарную интенсивность излучения не превышает долей процента. Уменьшение интенсивности излучения, попадающего на облучаемый объект, как видно из рисунка теряется почти 80% фотонов с энергией щ = 33 кэВ, обусловлено большими значениями и толщин кристаллов. Уменьшение мозаичности до =1 мрад уменьшило оптимальные толщины до 5 мм и 4 мм для первого и второго кристаллов, соответственно, и увеличило выход излучения почти в два раза (см. спектр 8). Выводы и рекомендации по результатам анализа возможности использования излучения быстрых электронов в кристаллах для медицинских применений приведены в §2.4.

Третья глава посвящена разработке и проверке новой методики ориентации кристаллов на ускорителях с коротким временем цикла ускорения для последующих экспериментов по поиску дифрагированного излучения каналированных электронов. В §3.1 описаны параметры разрезного микротрона НИИ ЯФ МГУ, на котором планируется провести эти исследования, и приведена постановка задачи. Для уверенной идентификации дифрагированного излучения каналированных электронов необходимо сориентировать плоскость кристалла вдоль направления электронного пучка, то есть выйти на режим плоскостного каналирования. Известные методы ориентации кристаллов по выходу излучения при каналировании с помощью ионизационной камеры или NaI(Tl) детектора в комптоновской геометрии для электронов с энергией несколько десятков МэВ не пригодны, поскольку характерная энергия излучения при каналировании таких частиц не превышает 50-100 кэВ. Использование для ориентации кристалла счетного режима работы детекторов на ускорителях с коротким временем цикла ускорения неэффективно, так как типичная длительность импульса с детектора излучения (~ 1-6 мкс) сопоставима с длительностью цикла ускорения (6-10 мкс), поэтому ориентация кристалла на таком ускорителе требует 10-20 часов непрерывной работы.

Рис. 7 Схема расположения экспериментальной аппаратуры. М - очистной магнит; Ф - цилиндр фарадея; Ме - металлическая пластина; Д - дозиметр; Si - гониометр с кристаллом кремния, Дет.ТП - детектор мониторирования тока пучка по обратно-рассеянным фотонам.

Для ориентации кристалла предложено использовать рентгеновский NaI детектор толщиной 1 мм, расположенный под углом 90 и регистрирующий изменение выхода характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) из тонкой металлической мишени, установленной на г-пучке из кристалла, в зависимости от его ориентации (см. рис. 7). Измерения проводятся в токовом режиме включения детектора, что позволяет работать в обычном для ускорителя режиме и сократить время ориентации. Для проверки применимости предлагаемого метода ориентации кристаллов проведено моделирование зависимости интегрального отклика детектора, то есть энергии поглощенной в детекторе, от спектра анализируемого излучения, материала и толщины мишени. Описание алгоритма и результаты моделирования приведены в §3.2. При моделировании учитывалось поглощение первичного и рассеянного излучения в материале мишени и в воздухе на пути от мишени до детектора и его эффективность. Для оценки чувствительности методики к ориентации кристалла были использованы результаты эксперимента Gary C.K. et al.// Phys. Rev. B, V. 42, No. 1 (1990), P.7-14 по измерению спектра излучения при плоскостном (110) каналировании электронов с = 30 МэВ в кристалле кремния толщиной 15 мкм, то есть для условий, близких к тем, для которых предполагается провести измерение по поиску ДИО. Моделирование подтвердило предположение о преобладающем вкладе фотонов ХРИ в отклик детектора для выбранной геометрии измерений и показало, что для условий цитируемой работы оптимальными являются мишени из серебра, олова и ниобия толщиной несколько десятков микрон. В этом случае отношение сигналов детектора для ориентации (110) и разориентированного кристалла ~ 2.4-2.1. Оценки показали, что увеличение толщины кристалла до 0.2 мм уменьшает это отношение до ~ 1.1-1.15, что позволяет ориентировать и такие кристаллы.

Описание установки, использованной и разработанной аппаратуры, программного обеспечения и методики проведения измерений приведены в §3.3. Результаты экспериментальной проверки развиваемой методики ориентации кристалла описаны в §3.4. В эксперименте исследовалась зависимость показаний NaI(Tl) детектора, регистрирующего рассеянное г-излучения из тонкой металлической мишени, от материала мишени и ориентации кристалла. На рисунке 8 приведены сглаженные спектры для мишени из ниобия размерами 80150 мм и толщиной 0.4 мм, измеренные детектором за одинаковое время (5 мин.).

Рис. 8 Спектры излучения для мишени из ниобия: 1 - спектр с мишенью, 2 - спектр без мишени, 3 - трасса рассеянного излучения перекрыта свинцом толщиной 1 мм.

Из рисунка видно, что наряду с уверенным пиком ХРИ ниобия (щ ~16.6 кэВ) присутствует излучение с энергией 70-100 кэВ, причём выход этого излучения с мишенью и без мишени примерно одинаков. Перекрытие трассы рассеянного излучения свинцовой пластиной толщиной 1 мм добавило фотоны ХРИ свинца (щ ~ 70 кэВ) и практически полностью "срезало" это излучение, то есть оно идёт с участка трассы пучка г-излучения, просматриваемого детектором. Оценки показали, что появление этого участка спектра обусловлено когерентным и некогерентным рассеянием фотонов пучка г-излучения в слое воздуха, просматриваемом детектором.

Поскольку спектрометрический и счетный режим работы детектирующей аппаратуры не эффективен для ориентации кристалла на микротроне НИИ ЯФ МГУ, для обеспечения интегрального режима съёма информации с детектора разработано устройство, синхронизированное с циклом ускорения и интегрирующее сигнал.

Для измерения тока микротрона использовался детектор NaI(Tl) большего размера также включенный в интегральном режиме и регистрирующий обратно рассеянное излучение из могильника, куда направлялось рожденное в кристалле тормозное излучение. Известно, что обратно рассеянное излучение в основном формируется за счёт перерассеяния фотонов с энергией больше нескольких МэВ, поэтому для энергии электронов = 30 МэВ его интенсивность не должна зависеть от ориентации кристалла. Измерения показали, что при спонтанном изменении тока на 30-40% и неизменной ориентации кристалла изменение отношения показаний "рентгеновского" и "фонового" детекторов не превышает 1%.

Разработанный комплекс экспериментальной аппаратуры и программного обеспечения позволил провести измерения ОЗ выхода рассеянного излучения. Из-за отсутствия вакуумированной камеры рассеяния электроны попадают на кристалл кремния с ориентацией <111> и толщиной 0.23 мм через титановую фольгу толщиной 50 мкм. На рисунке 9 приведена одна из ОЗ, измеренная с шагом 0.02 градуса. На пучке излучения установлена мишень из олова размерами 8015 мм и толщиной 60 мкм. Расстояние между кристаллом и мишенью 2 м. Каждая точка ОЗ соответствует 20 циклам ускорения. Полное число точек - 1000, время измерения - 37 минут. Такое же число точек с измерением счета фотонов или спектров излучения для разных ориентаций кристалла и статистической ошибкой на уровне 5% заняло бы ~ 100 часов.

Рис. 9 Ориентационная зависимость выхода излучения для =30 МэВ и кристалла кремния толщиной 0.23 мм : 1 - показания детектора рассеянного излучения; 2 - показания детектора "фонового" излучения; З - отношение показаний детекторов.

Из рисунка видно, что при изменении угла поворота кристалла выход рассеянного излучения плавно возрастает, достигает максимума и затем начинает спадать. Однако, ожидаемые узки пики, обусловленные излучением при плоскостном каналировании электронов в кремнии, отсутствовали. Наиболее вероятно, что их отсутствие обусловлено двумя причинами. Во-первых, из-за наличия фольги на выходном фланце и слоя воздуха перед кристаллом расходимость электронного пучка 20 мрад больше угла плоскостного каналирования 1 мрад. Во-вторых, большим вкладом фотонов, рассеянных на воздухе. Как уже отмечалось при обсуждении результатов измерений спектров рассеянного излучения, размеры просматриваемого детектором участка трассы пучка излучения намного больше размеров металлической мишени, поэтому вклад фотонов ХРИ, с которым связана ожидаемая регистрация излучения при каналировании, слишком мал.

Зарегистрированная зависимость показаний детектора от ориентации кристалла обусловлена увеличением выхода фотонов когерентного тормозного излучения (КТИ) при уменьшении угла между направлениями кристаллографической оси и пучка электронов. Моделирование процесса рассеяния фотонов КТИ из этого кристалла на воздухе подтвердило, что за счёт рассеяния на воздухе могут наблюдаться похожие ориентационные зависимости, а спектр рассеянного излучения будет близок к спектру, зарегистрированному в эксперименте (см. рис. 8). Тем не менее, при использовании простых мер вклад воздуха в показания детектора можно уменьшить как минимум на порядок. В этом случае можно будет уверенно регистрировать пики, связанные с излучением при каналировании. В §3.5 приведены выводы и рекомендации по использованию развитого метода ориентации кристаллов.

В заключении формулируются выводы и основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Использование идеальных мозаичных кристаллов вместо совершенных существенно увеличивает выход жёсткого квазимонохроматического рентгеновского излучения, испускаемого под брэгговскими углами при прохождении них быстрых электронов. Мозаичность < обеспечивает увеличение выхода излучения без заметного ухудшения эксплуатационных характеристик фотонного пучка.

2. Однокристальная схема генерации излучения практически не пригодна для применения в медицинских целях из-за большого фона тормозного излучения в месте расположения объекта облучения при использовании кристаллов оптимальной толщины и низкой эффективности при малых толщинах.

3. Использование мозаичных кристаллов в двухкристальной схеме генерации излучения вместо совершенных позволяет существенно увеличить выход жестких фотонов при некотором ухудшении монохроматичности. Такая схема позволяет избавиться от фона тормозного излучения в месте расположения объекта облучения и существенно улучшить монохроматичность по сравнению с однокристальной схемой. Дополнительным преимуществом такой схемы является отсутствие необходимости перемещения объекта облучения при изменении энергии фотонов.

4. На пучке микротрона НИИ ЯФ создана экспериментальная установка, разработаны комплекс аппаратуры и программное обеспечение, позволяющие проводить на этом ускорителе измерение характеристик излучения быстрых электронов в конденсированных средах и, в частности, в ориентированных кристаллах.

5. Предложен и апробирован новый способ ориентации кристалла на электронных ускорителях средних энергий с коротким временем цикла ускорения и сброса электронов на мишень (микротрон, линейный ускоритель) по интегральным характеристикам выхода мягкого излучения из тонких металлических мишеней, установленных на пучке г - излучения из кристалла, обеспечивающий возможность ориентации без уменьшения тока ускорителя и существенно сокращающий время проведения измерений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Балдин, А. Н. Влияние мозаичности кристаллов на характеристики параметрического рентгеновского излучения / А. Н. Балдин, И. Е. Внуков, Д. А. Нечаенко, Р. А. Шатохин // Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина. - 2006. - т. 744. - вып.3(31). - С. 51-65.

2. Балдин, А. Н. Использование мозаичных кристаллов для генерации интенсивных пучков рентгеновского излучения / А. Н. Балдин, И. Е. Внуков, Р. А. Шатохин // Письма ЖТФ. - 2007. - т. 33, вып.14. - С. 87-94.

3. Шатохин, Р. А. Драйвер управления униполярным шаговым двигателем от LPT порта с автоматическим переходом на ток удержания / Р. А. Шатохин // Схемотехника. - 2007. - №6. - С. 45-47.

4. Бакланов, Д.А. Соотношение вкладов дифрагированного тормозного излучения и параметрического рентгеновского излучения в совершенных кристаллах / Д.А. Бакланов, А.Н. Балдин, И.Е. Внуков, Д.А. Нечаенко, Р.А. Шатохин // Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина, серия физическая, "Ядра, частицы, поля". - 2007. - т. 763, вып. 1(33) . - С. 41-56.

5. Бакланов, Д. А. Статус эксперимента по поиску и исследованию дифрагированного излучения каналированных электронов / Д. А. Бакланов, И. Е. Внуков, В. К. Гришин, Ю. В. Жандармов, А. Н. Ермаков, Г. П. Похил, Р. А. Шатохин // Препринт МГУ. - 2008. - № 1 /837. - С. 14.

6. Внуков, И. Е. Источник рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией для медицинских целей / И. Е. Внуков, Ю. В. Жандармов, Р. А. Шатохин // Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина. - 2008. - Т. 808. - вып.2(38). - С. 25-36.

7. Бакланов, Д. А. Соотношение вкладов ДТИ и ПРИ в наблюдаемые характеристики излучения быстрых электронов в совершенных кристаллах / Д. А. Бакланов, А. Н. Балдин, И. Е. Внуков, Н. Ю. Фоменко, Р. А. Шатохин // Тезисы докладов IV конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. - Харьков, 2006. - С. 88.

8. Бакланов, Д. А. Влияние дифракции реальных фотонов на наблюдаемые характеристики излучения быстрых электронов в совершенных кристаллах произвольной толщины / Д. А. Бакланов, А. Н. Балдин, И. Е. Внуков, Д. А. Нечаенко, Р. А. Шатохин // Тезисы докладов V конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. - Харьков, 2007. - С. 95.

9. Бакланов, Д. А. Установка для поиска и исследования дифрагированного излучения каналированных электронов / Д. А. Бакланов, И. Е. Внуков, В. К. Гришин, А. Н. Ермаков, Ю. В. Жандармов, Г. П. Похил, Р. А. Шатохин // Тезисы докладов VI конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. - Харьков, 2008. - С. 107.

Размещено на Allbest.ru