Способ определения энергии ускоренных электронов

 

Изобретение относится к технике измерения энергии электронных пучков. Целью изобретения является повышение точности способа. Цель достигается тем, что электроны направляют на мишень и регистрируют тормозное излучение, выходящее из мишени в направлении оси пучка и в обратном направлении. Об энергии судят по отношению результатов измерений. Изобретение обеспечивает высокую точность в широком диапазоне энергий и реализуется на эксплуатируемых ускорителях, преимущественно бетатронах, без каких - либо изменений в их конструкциях. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к способам измерения и контроля энергии электронов в пучке ускорителя. Целью изобретения является повышение точности в широком диапазоне энергий в момент падения на мишень в пределах ускорительной камеры бетатрона. На фиг. 1 приведена схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 зависимость чувствительности способа от положения детектора относительно оси пучка тормозного излучения; на фиг.3 зависимость чувствительности от положения детектора относительно обратного продолжения оси пучка бетатрона. При измерении отклонений энергии электронов, падающих, например, в конце цикла ускорения на мишень 1, расположенную в пределах отпаянной стеклянной ускорительной камеры 2 бетатрона, от номинальной энергии регистрируют интенсивность тормозного излучения, выходящего из мишени в направлении, близком к направлению оси пучка тормозного излучения бетатрона первым детектором с высокой эффективностью регистрации тормозного излучения и низкой эффективностью регистрации сопутствующих ему электронов, например ионизационной камерой 3, с расположенным между ней и мишенью поглотителем 4 электронов из материала с низким атомным номером и толщиной, большей пробега в материале поглотителя электронов, прошедших через стенку ускорительной камеры, например, равной пробегу электронов с энергией, равной номинальной энергии ускорения. Одновременно регистрируют интенсивность тормозного излучения, выходящего в направлении, близком к противоположному относительно направления оси пучка, вторым детектором, выполненным в виде ионизационной камеры 5 с коллиматором 6 и поглотителем 7. Коллиматор ограничивает телесный угол регистрации второго детектора, обеспечивая высокое соотношение между телесным углом второго детектора относительно мишени и телесным углом второго детектора относительно первого детектора и элементов конструкции бетатрона. В каждом импульсе излучения ускорителя определяют отношение результатов регистраций указанных интенсивностей тормозного излучения блоком измерения отношений 8 выходных сигналов ионизационных камер. Измеренное отношение, мерой которого является выходной сигнал блока измерения отношений, используют как меру энергии электронов, падающих на мишень. Пpи необходимости калибруют в контролируемых условиях сетевого питания и тепловых условиях эту меру энергии по шкале номинальных энергий ускорения бетатрона с шагом, заведомо превышающим возможные отклонения энергии от номинальных значений, а в промышленных условиях по значению меры определяют текущую энергию электронов, падающих на мишень в конце цикла ускорения, или ее отклонение от номинальной энергии. Тормозное излучение, выходящее в переднюю полусферу относительно направления падения электронов на мишень, рассеивается элементами конструкции бетатрона, в основном магнитопровода, и первым детектором, причем часть излучения рассеивается в направлении на второй детектор. Тормозное излучение, выходящее в заднюю полусферу относительно направления падения электронов на мишень, рассеивается элементами конструкции бетатрона и вторым детектором, причем часть излучения рассеивается в направлении на первый детектор. Рассеянные мишенью электроны испытывают действие магнитного поля, взаимодействуют со стенкой ускорительной камеры, причем часть электронов проходит через стенку, потеряв при ее прохождении часть энергии, и поглощается элементами конструкции бетатрона, окружающими телами и поглотителями 4 и 7. При этом тоже возникает тормозное излучения. Результат регистрации тормозного излучения первой ионизационной камерой может быть представлен в виде суммы нескольких компонентов: U₁ U₁₁ + U₁₆₁ +U _22s1 + U_2S1+U_1l Компонента обусловлена регистрацией тормозного излучения, выходящего из мишени непосредственно в направлении на первый детектор. Эта компонента велика, так как тормозное излучение из мишени направлено преимущественно по направлению падения электронов на мишень, в этом направлении тормозное излучение поглощается слабо вследствие относительно малой толщины стенки камеры и поглотителя и наибольшей жесткости излучения в этом направлении. Компонента U₁₁ обусловлена регистрацией излучения, вышедшего из мишени в переднюю полусферу в направлении элементов конструкции бетатрона и рассеянного ими в направлении на первый детектор. U_1s1 << U₁₁ вследствие относительно малого выхода тормозного излучения в диапазоне больших углов в передней полусфере и малого коэффициента рассеяния этого тормозного излучения в направлении на первый детектор. Компонента U_22s1 обусловлена регистрацией излучения, выходящего в направлении на второй детектор и рассеянного им в направлении на первый детектор. U_22s1 << U₁₁ вследствие относительно малого выхода тормозного излучения из мишени в направлении на второй детектор, малой жесткости излучения в этом направлении, вследствие чего рассеянное вторым детектором излучение в направлении на первый детектор заметно ослабляется на пути между вторым и первым детектором. Компонента U_2s1 обусловлена регистрацией излучения, вышедшего в обратную полусферу, в направлении элементов конструкции бетатрона и рассеянного ими в направлении на первый детектор. U_2s1 < U₁₁ вследствие малого выхода тормозного излучения в этих направлениях, малой жесткости излучения в этих направлениях и малого коэффициента рассеяния в направлении на первый детектор. Компонента U_1s обусловлена тормозным излучением электронов, рассеянных мишенью, испытавших действие магнитного поля, провзаимодействовавших со стенкой камеры, элементами конструкции бетатрона и поглотителя. U_1l << U₁₁ вследствие низких атомных номеров материала стенки (стекло) и поглотителей, потерь энергии в мишени, потерь энергии в стенке, практической изотропности этой части тормозного излучения вследствие широкого энергетического спектра рассеянных электронов и действия магнитного поля. Таким образом, практически U₁ ≈ U₁₁. Результат регистрации тормозного излучения второй ионизационной камерой может быть представлен в виде суммы следующих компонентов: U₂ U₂₂ + U_2s2 + U_11s2 + U_1s2 + U_{2l .} Компонента U₁₁ обусловлена регистрацией тормозного излучения, выходящего из мишени непосредственно в направлении на второй детектор. Выход тормозного излучения из мишени в этом направлении составляет в диапазоне энергий 6-3 МэВ от 10 до 1% от выхода тормозного излучения в направлении падения пучка. Вследствие относительной малой жесткости излучения в этом направлении оно ослабляется стенкой камеры и поглотителем в гораздо большей степени, чем излучение, выходящее в направлении падения электронов на мишень. Однако оно свободно проходит через апертуру коллиматора 6 на второй детектор. Компонента U_2s2 обусловлена регистрацией излучения, вышедшего из мишени в заднюю полусферу в направлении элементов конструкции бетатрона и рассеянного ими в направлении на второй детектор. U_2s2 << I₂₂вследствие относительно малого выхода тормозного излучения в этих направлениях и малого коэффициента рассеяния этого тормозного излучения в направлении на второй детектор. Это излучение частично поглощается материалом коллиматора. Компонента U_2l обусловлена тормозным излучением рассеянных мишенью электронов при их взаимодействии со стенкой камеры, элементами конструкции бетатрона и поглотителями, U_2l << U₂₂ по тем же причинам, что U_1l << U₁₁. Это составляющая частично ослабляется материалом коллиматора. Компонента U_11s2 обусловлена регистрацией излучения, выходящего в направлении на первый детектор и рассеянного им в направлении на второй детектор. Эта компонента U_11s2 << U₂₂, причем в зависимости от вида первого детектора, расстояния между ним и мишенью и наличия или отсутствия коллиматора, ограничивающего телесный угол второго детектора, может быть либо U_11s2 < U₂₂, либо U_11sl > U₂₂. Причиной является наибольший выход тормозного излучения в направлении на первый детектор, относительно жесткий спектр выходящего в этом направлении излучения, а значит, и более жесткий спектр излучения, рассеянного первым детектором в направлении второго, а следовательно, слабое поглощение рассеянного излучения на пути между первым и вторым детектором. Эта часть излучения частично поглощается материалом колиматора. Компонента U_11s2 обусловлена регистрацией излучения, выходящего в направлении на первый детектор и рассеянного им в направлении на второй детектор. Эта компонента U_11s2 << U₂₂. Компонента U_1s2 обусловлена регистрацией тормозного излучения, вышедшего в направлении элементов конструкции бетатрона и рассеянного ими в направлении второго детектора. Эта часть излучения частично поглощается материалом коллиматора. U_1s2 < U_11s2 и U_1s2<< U₂₂ Таким образом, практически U₂ ≈U₂₂. Чувствительность отношения q U₁/U₂ к изменениям энергии электронов, падающих на мишень, равна S_q С учетом оценок для U₁ и U₂ S_q ≈ S + S так как sign ≠ sign т.е. чувствительность практически определяется чувствительностями выходов тормозного излучения в направлении оси пучка тормозного излучения и в направлении, противоположном направлению оси пучка. На фиг.2 показана зависимость относительной чувствительности предлагаемого способа S ES_q от углового положения шаровой ионизационной камеры относительно тормозного излучения при неизменном положении второй камеры на обратном направлении оси пучка. Эффективный угловой размер чувствительного объема камеры равен ≈ 2^о. На фиг.3 показана зависимость относительной чувствительности предлагаемого способа от углового положения шаровой ионизационной камеры относительно мишени бетатрона МИБ-6 и направления, обратного направлению оси пучка при неизменном положении первой камеры на оси пучка. При угловых положениях шаровой ионизационной камеры как первой, так и второй в пределах малых углов вылета тормозных квантов, меньших по величине так называемого среднего угла вылета квантов Θ ≈ где mc² энергия покоя электрона, mc² 0,511 МэВ;
E_к энергия ускорения электронов, падающих на мишень,
угол при E_к 6 МэВ составляет ≈ 4,5^о, чувствительность способа отличается от максимальной менее, чем на 10%
При Θ ₁> Θ или Θ₂> Θ наблюдается большое отличие чувствительности от максимального значения, причем оно сильно зависит от углового положения камеpы. Таким образом, если детекторы 3 и 5 (фиг.1) регистрируют только тормозные кванты, выходящие в направлении оси пучка и в направлении, ему противоположном, т.е. в пределах диапазонов малых углов Θ ₁< Θ и Θ₂< Θ то чувствительность способа практически не отличается от максимального значения. Пропорциональность каждого из компонентов сигналов детекторов току электронов, падающих на мишень, обеспечивает независимость меры энергии отношения результатов регистраций от тока электронов на мишень. Предложенный способ измерения энергии электронов в отличие от известных обеспечивает независимое от работы ускорителя мониторирование энергии электронов, падающих на мишень, расположенную в пределах ускорительной камеры, обладает высокой чувствительностью к изменениям энергии в широком диапазоне и легко реализуется на эксплуатируемых в настоящее время бетатронах, причем в большинстве случаев без каких-либо существенных конструктивных изменений. Поскольку энергией электронов задается энергетический спектр тормозного излучения, то устройства, реализующие предлагаемый способ, могут быть использованы в системах стабилизации энергетического спектра тормозного излучения бетатронов, в радиометрических системах неразрушающего контроля и т.д.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, заключающийся в том, что электроны направляют на мишень, регистрируют тормозное излучение, выходящее из мишени, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения энергии электронов в широком диапазоне энергий в момент падения на мишень бетатрона в пределах ускорительной камеры, тормозное излучение из мишени регистрируют в направлении оси пучка тормозного излучения бетатрона и в направлении, обратном направлению оси пучка тормозного излучения, и по отношению результатов регистраци судят об энергии электронов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---