Устройство для комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик электронного и тормозного излучения ускорителей

Устройство относится к области дозиметрии и спектрометрии импульсных ионизирующих излучений ускорителей. Устройство содержит цилиндрический корпус-экран с размещенным в нем магнитоиндукционным преобразователем тока. Входное окно корпуса-экрана перекрыто первым слоем металлической мишени, непрозрачным для низкоэнергетических частиц катодной плазмы. Выходное окно перекрыто теплоизолированным от него вторым слоем мишени с толщиной, удовлетворяющей условию полного поглощения для ускоренных электронов, и снабжено измерительным преобразователем поглощенной энергии. Эта часть устройства размещена на выходе ускорительной трубки, соосно с пучком ускоренных электронов так, что первый слой мишени является анодом ускорителя. Первичный преобразователь мощности экспозиционной дозы (МЭД) располагается на оси пучка в формируемой ускорителем изодозовой плоскости облучения образца. Преобразователи тока пучка электронов, поглощенной энергии в мишени и МЭД ТИ соединены посредством линий связи с соответствующими регистраторами, которые соединены с электронно-вычислительной машиной. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 3 ил.

 

Изобретение относится к области дозиметрии и спектрометрии ионизирующих излучений, а точнее импульсного электронного и тормозного излучений. Наиболее эффективно оно может быть использовано для комплексного определения спектрально-энергетических характеристик электронного и тормозного излучений сильноточных импульсных ускорителей (СИУ), работающих в режиме генерации тормозного излучения (ТИ).

Известен способ определения энергетического спектра электронов в импульсе СИУ прямого действия, основанный на измерении тока в вакуумном диоде и ускоряющего напряжения на нем [1].

Недостатком способа является влияние на точность определения энергетического спектра электронов токов, обусловленных низкоэнергетическими частицами катодной и анодной плазмы как составляющих результирующего тока в ускоряющем промежутке. Существенно сказывается влияние электромагнитных наводок на первичном измерительном преобразователе напряжения вакуумного диода из-за электрической связи с генератором СИУ, обуславливающие большую погрешность в определении энергии ускоренных электронов и энергетического спектра электронов в импульсе излучения.

Наиболее близким, принятым за прототип устройством, является система мониторирования энергетических характеристик электронного пучка [2], содержащая цилиндрический корпус с входным окном и дном, а за входным окном в стенке корпуса размещен магнитоиндукционный преобразователь тока. По оси пучка, за преобразователем тока, теплоизолированно от корпуса, расположена мишень-конвертер полного поглощения из однородного металла. На всей ее тыльной к пучку поверхности нанесена двухслойная электроизолирующая пленка, между слоями которой расположен пленочный терморезисторный преобразователь поглощенной энергии в мишени, а на выбранном расстоянии от мишени за дном корпуса на оси пучка установлен преобразователь мощности экспозиционной дозы (МЭД) ТИ.

Устройство-прототип имеет измерительные каналы тока пучка электронов, поглощенной энергии в мишени и МЭД ТИ, сформированные посредством соединения линиями связи первичных преобразователей с соответствующими регистраторами и ПЭВМ. Устройство эффективно при использовании его на линейных импульсных ускорителях, где практически отсутствуют токи, обусловленные низкоэнергетическими частицами катодной плазмы.

Недостатком устройства-прототипа является высокая погрешность измерения токовых и, следовательно, спектрально-энергетических характеристик пучка электронов в плоскости мишени-конвертера СИУ прямого действия, обусловленная тем, что измеряется полный ток пучка электронов, т.е. включающий токи, обусловленные катодной и анодной плазмой. При использовании его на ускорителях прямого действия величина тока катодной и анодной плазмы может существенно превышать ток ускоренных электронов на определенных временных участках ускорительного процесса в зависимости от параметров формирующей линии ускорителя и вакуумного диода [3]. Устройство работоспособно при невозмущенном поле ТИ, т.е. не допускает совмещения облучения образцов в поле ТИ и определения спектрально-энергетических характеристик пучка ускоренных электронов в плоскости мишени-конвертера. Он не позволяет определять спектрально-энергетические характеристики ТИ в изодозовых плоскостях облучения образцов, которые могут быть сформированы за его дном, в поле ТИ нормально к оси транспортировки пучка электронов, на расстоянии от мишени-конвертера, определяемом требуемыми параметрами ТИ.

Предлагается устройство для комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик импульсного ЭИ и ТИ ускорителя, содержащее указанные признаки прототипа.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются следующие: магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов расположен в автономном экране внутри цилиндрического корпуса, мишень выполнена гетерогенной, в виде пространственно разнесенных по оси транспортировки пучка слоев, при этом входное окно экрана упомянутого магнитоиндукционного преобразователя перекрыто первым слоем мишени, выполненным из легкоатомного металла, а его выходное окно перекрыто теплоизолированным от упомянутого экрана вторым слоем мишени, выполненным из тяжелоатомного металла со встроенным преобразователем поглощенной энергии, причем слои мишени и экран конструктивно и электрически соединены между собой и расположены так, что положение первого слоя мишени обеспечивает величину ускоряющего промежутка ускорителя, а первичный преобразователь мощности экспозиционной дозы располагается в формируемой ускорителем изодозовой плоскости облучения образца.

Устройство, за исключением преобразователя МЭД ТИ, устанавливается на выходе ускоряющей трубки СИУ перед ее дном, прозрачным для ТИ, и одновременно выполняет функции трубки дрейфа ускорителя.

Первый слой мишени, с толщиной несколько десятков микрон, прозрачен для ускоренных электронов и непрозрачен для низкоэнергетических электронов и ионов катодной плазмы. Второй слой мишени удовлетворяет условию полного поглощения для ускоренных электронов.

Первый слой мишени выполняет функции анода в вакуумном диоде ускорителя, фильтра-поглотителя энергии и собирания заряда частиц катодной плазмы с их токоотводом, а также стенки и экрана трубки дрейфа одновременно. Он обеспечивает отделение от пучка низкоэнергетических электронов и ионов катодной плазмы с поглощением их энергии и вывод их заряда на землю без изменения характеристик ускоряющего промежутка между катодом и анодом, экранирует воздействие внешних электрических полей на пучок ускоренных электронов в межслойном пространстве мишени.

Энергия электронов и ионов катодной плазмы не превышает десятков электронвольт, поэтому они не дают практического вклада в ТИ, но создают ионизационный эффект и могут давать вклад в ток пучка относительно тока ускоренных электронов до 100% и более на отдельных временных участках ускорения.

Одновременно с помощью первого слоя мишени осуществляется компрессия пучка ускоренных электронов, обеспечиваемая за счет зануления радиальной составляющей электрического поля пучка и действия собственного продольного магнитного поля, создающего относительно небольшое изменение поперечной составляющей скорости электронов [3, 4].

Первый слой мишени, пространственно отделенный от второго слоя, снижает ударную тепловую нагрузку на него, способствуя стабилизации его свойств и характеристик конвертирования за счет уменьшения плотности ионизации в приповерхностном объеме, создаваемой частицами катодной плазмы, и эффекта образования анодной плазмы. Осуществляемая компрессия пучка электронов повышает как интенсивность ТИ в направлении «вперед», так и коэффициент использования ТИ при облучении образцов.

Магнитоиндукционный преобразователь, соединенный своим экраном по периметрам входного и выходного окон с соответствующими слоями мишени, образует трубку дрейфа, в которой транспортируется пучок ускоренных электронов с одновременным измерением его тока. Конструкция трубки дрейфа проявляет экранирующие свойства и защищает пучок ускоренных электронов от воздействия внешних электрических полей, что обеспечивает повышение точности и качества измерений токовых характеристик пучка ускоренных электронов и, как следствие, его спектрально-энергетических характеристик.

Второй слой мишени, помимо свойств конвертера ЭИ в ТИ и поглотителя энергии этих видов излучения, имеет конструктивно жесткую связь с экраном и первым слоем мишени, а также гибкую связь расстоянием с преобразователем МЭД ТИ, которые, в комплексе с изложенным ранее, обеспечивают новые функциональные связи и свойства устройства.

Первичный преобразователь МЭД ТИ находится в неизменном положении относительно второго слоя мишени-конвертера только на период градуировки устройства. После градуировки он может располагаться на различных расстояниях от второго слоя мишени-конвертера по оси транспортировки пучка электронов, в зависимости от формируемой плоскости изодозового облучения образца с прогнозируемыми характеристиками воздействующего фактора. Для данных условий проявляется новая форма связи между током пучка электронов I, энергией электронов Е и МЭД ТИ Р_γ по отношению к связям при градуировке, выражаемой в аналитическом виде

где К(х) - коэффициент ослабления пикового значения МЭД ТИ на расстоянии х от мишени-конвертера по оси транспортировки пучка электронов по отношению к градуировочной точке g;

Р_γ(х) - МЭД ТИ в плоскости испытуемого образца на расстоянии х от мишени-конвертера;

I, Е - ток и энергия электронов, соответственно

С, а, b, с - коэффициенты степенного ряда, определяемые как результат градуировки устройства.

На основе новых связей между преобразователями тока, МЭД ТИ и мишенью-конвертером проявляются новые свойства устройства как измерительного преобразователя энергии электронов в плоскости второго слоя мишени с одновременным измерением МЭД, экспозиционной дозы и определением энергетического спектра ТИ в плоскости исследуемого образца в импульсе излучения.

При известных физических параметрах слоев мишени (атомный номер вещества, толщина и т.п.) и свойствах устройства, заключающихся в определении энергии и тока электронов в заданный момент времени в пределах длительности импульса, а также измеренных в изодозовой плоскости исследуемого образца МЭД и экспозиционной дозы ТИ (как интеграл по времени от МЭД), представляется возможным определить мгновенный и интегральный за импульс энергетический спектр ТИ в плоскости исследуемого образца экспрессными расчетно-экспериментальными методами [5], заключающимися в разделении мишени на элементарные слои и оперировании усредненными характеристиками электронов в этих слоях или другими (например, методом Монте-Карло).

Между мгновенным энергетическим спектром ТИ ψ(Е_γ) и МЭД ТИ Р_γ в формируемой изодозовой плоскости облучения образца на расстоянии х от мишени в условиях электронного равновесия существует однозначная зависимость:

где: μ_в(E_γ) - массовый коэффициент поглощения фотонов в воздухе;

E_γ - энергия тормозного кванта;

e - заряд электрона.

Таким образом, выполнение условия (2) обеспечивает высокую достоверность численного определения энергетических спектров ТИ в плоскости облучения образца.

Новые функциональные возможности устройства позволяют совместно осуществлять дозиметрическое обеспечение радиационных исследований образцов в поле ТИ (определение МЭД, экспозиционной дозы, энергетического спектра ТИ в любое и за любое время длительности импульса ускорителя в плоскости облучения образца), а также диагностику режима работы ускорителя по измеряемым динамическим и интегральным спектрально-энергетическим и токовым характеристикам пучка электронов в плоскости мишени.

Получаемые данные о МЭД, экспозиционной дозе, энергетическом спектре ТИ в изодозовой плоскости облучения исследуемого образца обеспечивает полноту исходной информации для корректного прогнозирования распределения плотности ионизации и поглощенной дозы ТИ в чувствительных слоях образцов с особо сложными гетероструктурами (например, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы и т.п.).

Таким образом, при работе СИУ в режиме генерации ТИ с помощью предлагаемого устройства комплексно определяются как параметры воздействующих факторов на исследуемый образец (дозиметрическое сопровождение облучения), так и параметры пучка электронов в плоскости мишени-конвертера, обеспечивающие диагностику работы ускорителя.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показан характер изменения коэффициента ослабления пикового значения МЭД ТИ по оси транспортировки пучка электронов К(х) по отношению к градуировочной точке g размещения детектора МЭД ТИ, на фиг.3 показаны временные характеристики тока пучка электронов, падающего на второй слой мишени I(t), МЭД ТИ P_yx(t) в изодозовой плоскости испытуемого образца на расстоянии х от второго слоя мишени, принцип определения мгновенной энергии и энергетического спектра электронов в импульсе излучения.

Устройство состоит из цилиндрического полого экрана 1 с прямоугольным сечением 2 и азимутальной щелью 3, во внутренней полости которого установлен магнитоиндукционный преобразователь тока 4. Входное окно 5 экрана 1 перекрыто первым слоем мишени 6, а выходное окно 7 перекрыто вторым слоем мишени 8, которые конструктивно соединены между собой. Эта конструкция установлена на выходе ускорительной трубки 9 ускорителя перед дном 10, соосно с направлением транспортировки пучка электронов так, что первый слой мишени 6 является анодом и определяет величину ускорительного промежутка ускорителя. Экран магнитоиндукционного преобразователя 1, первый слой мишени 6, второй слой мишени 8, ускорительная трубка 9 электрически соединены между собой и заземлены, а второй слой мишени 8 крепится к экрану 1 на теплоизоляторах 11. На тыльной стороне второго слоя мишени 8, электроизолированно от нее по поверхности, расположен терморезисторный преобразователь поглощенной энергии 12 (термопарные преобразователи зачеканиваются в тело второго слоя мишени), а преобразователь МЭД ТИ 13 устанавливается за дном 10, прозрачным для ТИ, в формируемой изодозовой плоскости облучения образца 14, нормальной оси транспортировки пучка электронов. Первичные измерительные преобразователи 4, 12 и 13 посредством соответствующих линий связи 15 соединены с соответствующими регистраторами 16, соединенных с ПЭВМ 17.

Устройство работает следующим образом. Пучок электронов падает на первый слой мишени 6 в характерных условиях работы ускорителя. Низкоэнергетические электроны пучка катодной плазмы поглощаются первым слоем мишени 6, отдавая свою энергию и заряд. Высокоэнергетические электроны пучка без потери энергии проходят через входное окно 5 экрана 1 магнитоиндукционного преобразователя 4 и поглощаются во втором слое мишени 8. Установленный между слоями мишени магнитоиндукционный преобразователь 4 измеряет ток высокоэнергетических электронов пучка. Поглощенная во втором слое мишени 8 энергия пучка электронов определяется с помощью встроенного термопреобразователя 12. С помощью преобразователя МЭД ТИ 13, расположенного на оси транспортировки пучка в плоскости облучения образца 14, определяется амплитудно-временная характеристика МЭД ТИ. Получаемая с преобразователей 4, 12, 13 информация по соответствующим линиям связи 15 поступает на цифровые регистраторы 16 и в виде массивов в ПЭВМ 17 для дальнейшей обработки.

Устройство реализует свои функциональные возможности после проведения его градуировки в условиях исследуемого ускорителя. В процессе градуировки устанавливается зависимость между током пучка электронов I, энергией электронов Е в плоскости мишени-конвертера и МЭД ТИ Р_γ в выбранной точке поля ТИ на оси транспортировки пучка, представляющая собой статическую передаточную характеристику Р_Т(Е) мишени-конвертера ускорителя, представляемая аналитически в следующем виде:

В процессе градуировки устройства определяется характер изменения коэффициента ослабления пикового значения МЭД ТИ по оси транспортировки пучка электронов К(х) по отношению к градуировочной точке g размещения детектора МЭД ТИ (фиг.2), при номинальном режиме работы ускорителя, т.е.

где: Р_γ(х) - пиковое значение МЭД ТИ на расстоянии х от мишени по оси транспортировки пучка электронов;

P_γg - пиковое значение МЭД ТИ в градуировочной точке g поля.

При градуировке устройства в выбранной геометрии измерений в импульсе излучения производят синхронизированные измерения тока пучка электронов I(t) и МЭД ТИ P_γ(t) в точке g, а после импульса излучения определяют поглощенную энергию электронного и тормозного излучений W_n в мишени-конвертере, выражаемую в аналитическом виде:

где ΔR - приращение сигнала измерительного преобразователя поглощенной энергии за импульс излучения;

k - приведенный коэффициент преобразования измерительного канала поглощенной энергии, определяемый экспериментально.

Энергия пучка электронов W в импульсе излучения (в интересующем диапазоне энергии электронов до 12 МэВ) затрачивается, в основном, на нагрев мишени W_n (определяется экспериментально), уносится обратно рассеянным электронным излучением W_o и ТИ W_t. Энергия уносимая фотонейтронным и δ-электронным излучениями в рассматриваемом энергетическом диапазоне при известном веществе мишени-конвертера составляет не более 0,1% от W, соответственно, т.е. пренебрежимо мала на фоне погрешности измерения W, Р_γ, I, W_n, W_o и W_t. Составляющие энергии пучка в импульсе W_o, W_t, определяются как часть от полной энергии пучка W в следующем виде:

где k - коэффициент, МэВ^-1;

Z - атомный номер вещества мишени;

μ{E(t)} - массовый коэффициент поглощения фотонов в теле мишени-конвертера, усредненный по энергетическому спектру;

D, d{E(t)} - толщина мишени и слоя мишени до эффективного рождения фотонов, соответственно;

Q - эффективный угол падения электронов в пучке;

R(Q, E, Z) - полный коэффициент обратного рассеяния электронов.

Согласно закону сохранения энергии, с допустимым приближением для импульса излучения, справедливо уравнение

Для определения градуировочных коэффициентов С, а, b, с в условиях исследуемого ускорителя на нем производят серию из n импульсов излучения (n≥4), отличающихся между собой максимальной энергией электронов, и относительно этих коэффициентов решают систему нелинейных интегральных уравнений типа (7) с учетом (3).

При работе устройства в режиме измерения спектрально-энергетических характеристик электронного и тормозного излучений регистрируют синхронизированные временные характеристики тока пучка электронов, падающих на второй слой мишени I(t) и МЭД ТИ P_γx(t) в изодозовой плоскости испытуемого образца на расстоянии х от второго слоя мишени (фиг.3). По измеренным значениям P_γx(t) и I(t) и известном К(х) с помощью ПЭВМ определяют динамическую передаточную характеристику мишени ускорителя P_T(t)

Каждому текущему значению P_T(t) соответствует значение энергии электронов Е из градуировочной характеристики Р_T(Е) и величина тока I(t). Экстремальные значения P_T(t) позволяют определить диапазон изменения энергии электронов в импульсе излучения {Е_мин, Е_макс} и вид зависимости E(t). Разбивая энергетический диапазон [Е_мин, Е_макс} на равные энергетические группы ΔE_i (i=1, 2, ... n) со средней энергией в группах , определяется амплитудное значение спектра в i-ой группе по формуле

где j - номер временного интервала тока, вносящего вклад в амплитудное значение i-ой энергетической группы со средней энергией ;

ΔE_i - ширина i-ой энергетической группы;

I_ij(t) - временное распределение тока в j-ом интервале i-ой энергетической группы.

Мощность пучка электронов V в текущий момент времени выражается в следующем виде:

При известных физических параметрах второго слоя мишени энергии электронов E(t), тока пучка I(t) или энергетического спектра (9), расчетным методом определяется число квантов ТИ с энергией от Е_γ до E_γ+dE_γ, вылетевших под углом α из мишени в телесный угол d Ω¹ в следующем виде /6/:

где М - число элементарных слоев, на которые разбивается мишень-конвертер;

(N_эф)_i - эффективное число атомов в элементарном слое;

τ_i - вероятность электрона достичь i-го элементарного слоя (коэффициент трансмиссии);

, - азимутальный и аксиальный углы рассеяния электрона;

ω - угол между импульсом электрона и тормозного кванта;

η_i(E_γ,α) - коэффициент самопоглощения тормозного кванта;

- сечение образования ТИ, дифференциальное по энергии и углу вылета фотона;

- угловое распределение электронов в элементарном слое мишени.

Выражение (11) определяет амплитудное значение в мгновенном или интегральном энергетических спектрах ТИ при известных параметрах второго слоя мишени. Энергетические спектры ТИ (мгновенный, интегральный за импульс или за любой интервал времени в импульсе излучения) рассчитываются с помощью ПЭВМ.

Достоинством технического решения является то, что устройство позволяет осуществлять одновременно дозиметрическое обеспечение при исследовании воздействующих факторов на образец и диагностику работы ускорителя, автоматизировать измерения и обработку экспериментальных данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алтынцев А.Т., Коротеев В.И. Исследование пространственно-энергетических параметров релятивистского электронного пучка ускорителя «РИУС-5». - ЖТФ, 1974, т.44, в.6, с.1228-1231.

2. МОРДАСОВ Н.Г. и др. Система мониторирования энергетических характеристик электронного пучка в процессе формирования мощных импульсов тормозного излучения. Сборник «ВАНТ», серия ФРВРЭА, выпуски 3-4, 2004, стр.120-123.

3. Humphries S. Image charge focusing of relativistic electron beams. - J. Appl. Phys., 1988, v.63, p.583-585.

4. Adier R.J. Image-field focusing of intense ultra-relativistic electron beams in vacuum. - Part. Accelerators, 1982, v.l2, p.39-44.

5. Мордасов Н.Г., Иващенко Д.М., Членов А.М., Астахов А.А. Моделирование методов экспрессного определения энергетического спектра тормозного излучения ускорителей электронов. - ЖТФ, т.32, № 9, 2004, с.108-116.

Устройство для комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик импульсного электронного и тормозного излучения ускорителя, содержащее магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов, мишень-конвертер для преобразования электронного излучения в тормозное излучение, преобразователь мощности экспозиционной дозы тормозного излучения, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде двух слоев, устройство дополнительно содержит цилиндрический корпус, в котором расположен магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов, снабженный экраном с входным и выходным окнами для защиты пучка электронов от внешних электрических полей, при этом входное окно экрана перекрыто первым слоем мишени, выполненным из легкоатомного металла, а его выходное окно перекрыто теплоизолированным от упомянутого экрана вторым слоем мишени, выполненным из тяжелоатомного металла со встроенным преобразователем поглощенной энергии терморезисторното или термопарного типа, причем слои мишени и экран электрически соединены между собой, при этом магнитоиндукционный преобразователь тока, преобразователь поглощенной энергии в мишени и преобразователь мощности экспозиционной дозы соединены посредством линий связи с соответствующими регистраторами и электронно-вычислительной машиной, положение первого слоя мишени, являющегося анодом, образует ускоряющий промежуток ускорителя, а преобразователь мощности экспозиционной дозы располагается в формируемой ускорителем изодозовой плоскости облучения образца в поле тормозного излучения.