Устройство для измерения энергии электронов в пучке

 

Использование: ускорительная техника, средства диагностики параметров электронных пучков. Сущность изобретения: устройство содержит три коллиматора, три детектора, три усилительных каскада, два измерителя отношений выходных сигналов детекторов, блок сравнения, коммутатор. причем коллиматоры расположены соосно и сопряжены торцами. Предусмотрены схемы анализа сигналов с детекторов. 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а конкретнее к средствам измерения энергии электронов в пучке от ускорителя. Целью изобретения является повышение оперативности и точности измерения энергии электронов в широком диапазоне энергий. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - зависимости выходов электронов из материала второго коллиматора от энергии электронов в пучке; на фиг. 3 зависимости выходных сигналов измерителей отношений от энергии электронов в пучке. Устройство для измерения энергии электронов в пучке, например, малогабаритного терапевтического бетатрона БМ-Ю в диапазоне энергий электронов 2-10 МэВ (см. фиг. 1) содержит расположенные соосно первый 1, второй 2 и третий 3 коллиматоры. Торцы 4, 5 первого и третьего коллиматоров сопряжены с противоположными торцами 6. 7 второго коллиматора. Радиус апертуры r₁ 5 см первого коллиматора в плоскости сопряжения больше радиуса апертуры r₂ 4 см второго коллиматора, а радиус торца третьего коллиматора R₃ 4,5 см меньше радиуса апертуры первого коллиматора. Второй коллиматор выполнен, например, из алюминия и имеет толщину t 0,9 см, что составляют около половины пробега электронов с энергией 10 МэВ в материале второго коллиматора. Радиус торца первого коллиматора R₁ 5,2 см превышает радиус его апертуры на величину, составляющую около 0,1 пробeга электронов с энергией 10 МэВ в материале второго коллиматора. Радиус торца второго коллиматора R₂ превышает радиус апертуры первого коллиматора более, чем на пробег в материале второго коллиматора электронов с энергией 10 МэВ, и выбран из конструктивных соображений равным 12 см. Радиус апертуры третьего коллиматора в плоскости сопряжения со вторым равен радиусу апертуры второго коллиматора. Первый и третий коллиматоры выполнены из материала, имеющего высокую плотность, например, из латуни. Первый коллиматор имеет канал регистрации 8 обратно рассеянных электронов, вышедших из кольцевой области торца второго коллиматора, ограниченной апертурой первого коллиматора и апертурой второго коллиматора. Первый детектор Д₁ выполненный в виде торообразной ионизационной камеры, состоящей из торообразного высоковольтного электрода 9, изолятора 10, кольцевой проводящей мембраны 11 из лавсановой пленки толщиной 10 мкм, с напыленным слоем алюминия, изоляторов стоек 12, проходных изоляторов 13 и кольцевого собирающего электрода 14, который расположен против канала регистрации 8 первого коллиматора 1. Его выход через первый усилительный каскад 15 соединен с первым входом первого измерителя 16 отношений. Второй детектор Д₂ идентичный по конструкции с первым детектором, расположен против внешней поверхности первого коллиматора 1 и поверхности торца 6 второго коллиматора 2, а его выход соединен через второй усилительный каскад 16 со вторым входом первого измерителя 17 отношений. Третий детектор Д₃, идентичный первому и второму детектору, расположен против торца 7 второго коллиматора 2 и внешней поверхноcти третьего коллиматора. Первый вход второго измерителя 18 отношений соединен с первым входом измерителя 17 отношений, а через усилительный каскад 15 с выходом первого детектора Д₁. Выход третьего детектора Д₃ соединен через третий усилительный каскад 19 со вторым входом второго измерителя 18 отношений. Выходы измерителей отношений соединены с входами блока сравнения 20 и с функциональными входами коммутатора 21, выход которого является выходом устройства. Выход блока сравнения 20 соединен с управляющим входом коммутатора 21 Измерители отношения могут быть выполнены такими, как в известном устройстве для измерения энергии, либо в виде двухканальной его модификации. В качестве блока сравнения может быть использован дифференциальный компаратор, выполненный на основе операционного усилителя с высокими входными сопротивлениями. В качестве коммутатора может быть использована пара микросхемных коммутаторов, выходы которых объединены, а управляющие входы соединены через инвертор. Пучок электронов от ускорителя формируется первым коллиматором 1. Центральная часть сформированного пучка проходит через апертуру второго коллиматора 2. через апертуру третьего коллиматора 3 и облучает объект. Периферийная часть сформированного пучка падает на торец второго коллиматора 2 и взаимодействует с его веществом. При этом, часть электронов выходит из поверхности торца второго коллиматора, образуя поток обратно рассеянных электронов (ОРЭ). Причем ОРЭ выходят как из области поверхности торца второго коллиматора, ограниченной апертурой первого коллиматора 1 и апертурой второго коллиматора 2, так и из области поверхности торца второго коллиматора 2, ограниченной радиусом R₁ торца 4 первого коллиматора 1 и радиусом R₂ торца второго коллиматора. Часть обратно рассеянных электронов, выходящих из области поверхности торца второго коллиматора, ограниченной апертурами коллиматоров, проходит через канал регистрации 8 первого коллиматора, через входную мембрану 11 первой торообразной ионизационной камеры Д₁ и ионизирует газ в ее объеме. Одновременно часть обратно рассеянных электронов, вышедших из области поверхности торца 6 второго коллиматора 2 ограниченной радиусами R₁, R₂ торцов первого и второго коллиматоров, проходит через входную мембрану второй торообразной ионизационной камеры Д₂ и ионизирует газ в ее объеме. Одновременно, при больших энергиях электронов в пучке, при которых толщина второго коллиматора меньше пробега электронов в его материале, часть электронов проходит через материал второго коллиматора 2 и выходит из области поверхности торца второго коллиматора 2, ограниченной радиусами R₂, R₃ торцов второго и третьего коллиматоров. Часть электронов, прошедших через материал второго коллиматора 2, проходит через входную мембрану третьего детектора Д₃ и ионизирует газ в его объеме. При этом, стенка третьего коллиматора исключает регистрацию электронов, вышедших из поверхности апертуры второго коллиматора и попадание электронов, прошедших через материал второго коллиматора и затем рассеянных, в пучок электронов, прошедших через апертуру второго коллиматора. При малых энергиях электронов в пучке, при которых величина пробега электронов в материале второго коллиматора меньше его толщины, а каскадные процессы взаимодействия излучения с веществом второго коллиматора слабы, третий детектор регистрирует только тормозное излучение ускорителя и возникшее в элементах устройства и поэтому, выходной сигнал третьего детектора намного меньше сигналов первого и второго детекторов. Выходные сигналы первого Д₁, второго Д₂ и третьего Д₃ детекторов усиливаются усилительным каскадом 15, 16, 19, причем, усиленный выходной сигнал первого детектора Д₁ поступает на первый вход первого измерителя 17 отношений и на первый вход второго измерителя 18 отношений, усиленный выходной сигнал второго детектора Д₂ поступает на второй вход первого измерителя 17 отношений, а усиленный выходной сигнал третьего детектора Д₃ поступает на второй вход второго измерителя отношений 18. Выходной сигнал первого измерителя отношений q₁, пропорциональный отношению выходного сигнала U₂ второго детектора и выходному сигналу U₁ первого детектора, поступает на первый вход блока сравнения 20 и первый функциональный вход коммутатора 21, а выходной сигнал второго измерителя 18 отношений q₂, пропорциональный отношению выходного сигнала третьего детектора U₃ к выходному сигналу первого детектора U₁, поступает на второй вход блока сравнения 20 и второй функциональный вход коммутатора 21. На фиг. 2 показаны некоторые расчетные зависимости выходов электронов из торцов второго коллиматора от энергии электронов в пучке при единичной плотности тока электронов в пучке. Зависимость 22 соответствует выходу обратно рассеянных электронов из области торца второго коллиматора, ограниченной апертурами первого и второго коллиматоров. Зависимости 23-25 соответствуют выходам обратно рассеянных электронов, из областей торца второго коллиматора, ограниченных радиусами R₁, R₂ торцов первого и второго коллиматоров при радиусах торца первого коллиматора, равных R₁ 5,1 см (23), R₁ 5,2 см (24), R₁ 5,4 см (25). Зависимости 26-28 соответствуют выходам прошедших через материал второго коллиматора электронов из областей торца второго коллиматора, ограниченных радиусами R₂, R₃ торцов второго и третьего коллиматоров при радиусах R₃ торца третьего коллиматора и толщинах t второго коллиматора: t 0,9 см; R₃= 4,5 см (26); t 1,2 см: R₃ 4,5 см (27); t 0,9 см R₃ 4,8 см (28). Для указанных выше конкретных параметров R₁ 5,2 см t 0,9 см. R₃ 4,5 см на фиг. 3 показаны зависимости выходного сигнала первого измерителя отношений q_l и выходного сигнала второго измерителя отношений q₂ от энергии электронов в пучке при различных соотношениях между коэффициентами: К₁, К₂, К₃ передачи усилительных каскадов. Зависимостям q^'1 (Е)^-29 и q^'2 (Е)^-30 соответствует соотношение: К₂ К^'₃ К_о. Зависимостям q₁^"(E)^-31 и q₂^" (Е)^-32 соответствуют соотношения: К₂^" 10 К_о. К₃^" 2 К_о. Значения K^'₁ и К₁^" при этом соответствуют соотношениям: q^'_l (E^'_n) q^'₂(E^'_n) и q₁^" (Е_n^")=q₂^" (Е_n^")= 1 соответственно. Подбором коэффициентов передачи усилительных каскадов изменяют значeние энергии, которому соответствует соотношение q₁ q₂, а выбором параметров R₁, R₃, t изменяют ход зависимостей q₁(E) и q₂(E), соответствующих зависимостям выходов электронов от энергии, показанных на фиг. 2. При энергиях, меньших Е_n, q_l(E) > q₂(E) и блок сравнения 20 своим выходным сигналом, поступающим на управляющий вход коммутатора 21, поддерживает его в состоянии, при котором, выход коммутатора соединен с первым входом коммутатора. а значит с выходом первого измерителя отношений 17, выходной сигнал которого в диапазоне энергий до Е_n является высокоточной мерой энергии ускоренных электронов вследствие его больших относительных изменений при изменении энергии и достаточно большого выхода электронов на второй детектор Д₂, обеспечивающего малую статистическую погрешность регистрации. При энергиях, больших Е_n. q₁(E) < q₂(E) и блок сравнения 20 своим выходным сигналом переключает коммутатор 21 в состояние, при котором выход коммутатора соединен со вторым входом коммутатора, а значит, с выходом второго измерителя отношений, выходной сигнал которого в диапазоне энергий, больших E_n является высокоточной мерой энергии ускоренных электронов. Таким образом, выходной сигнал устройства является высокоточной мерой энергии ускоренных электронов во всем широком диапазоне энергий ускорения. превышающим более чем в 2 раза рабочий диапазон известного устройства, без замены элементов устройства. Этим достигается высокая оперативность измерения энергии с высокой точностью в широком диапазоне ее изменений. Устройство позволяет реализовать непрерывное мониторирование энергии ускоренных электронов терапевтического ускорителя в режиме программного облучения пучком с варьируемой в широком диапазоне энергией электронов и на оснoве такого мониторирования реализовать высокоточное мониторирование дозного распределения в облучаемом объеме.

Формула изобретения

Устройство для измерения энергии электронов в пучке, содержащее два коллиматора, два детектора обратно рассеянных торцом второго коллиматора электронов пучка, прошедшего через апертуру первого коллиматора, измеритель отношений выходных сигналов детекторов, в котором при этом коллиматоры расположены соосно и сопряжены торцами, апертура первого коллиматора больше апертуры второго, а диаметр торца первого коллиматора меньше диаметра торца второго, первый коллиматор имеет канал регистрации обратно рассеянных электронов, вышедших из области торца второго коллиматора, ограниченной апертурой первого коллиматора, первый детектор расположен против канала регистрации обратно рассеянных электронов первого коллиматора, второй детектор расположен против внешней поверхности первого коллиматора и поверхности торца второго коллиматора, первый детектор соединен через первый усилительный каскад с первым входом измерителя отношений, а второй детектор через второй усилительный каскад со вторым входом измерителя отношений, отличающееся тем, что, с целью повышения оперативности и точности измерения энергии электронов в пучке в широком диапазоне энергий, введены третий коллиматор, третий детектор, третий усилительный каскад, второй измеритель отношений, блок сравнения и коммутатор, третий коллиматор расположен соосно первому и второму коллиматорам, а его торец сопряжен с торцом второго коллиматора, третий детектор расположен против поверхности торца второго коллиматора и поверхности третьего коллиматора, первый вход второго измерителя соединен с одноименным входом первого измерителя отношений, выход третьего детектора соединен через третий усилительный каскад со вторым входом второго измерителя отношений, выходы измерителей отношений соединены с соответствующими входами блока сравнения и с соответствующими функциональными входами коммутатора, выход которого является выходом устройства, а управляющий вход соединен с выходом блока сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3