КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР МЯГКОГО ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для получения мощных импульсов тормозного излучения с высокой долей квантов в спектральном диапазоне рентгеновского излучения, т.е. с энергией квантов hν ниже 100 кэВ.

Известно устройство для получения импульсов тормозного излучения (см. а. с. N147262, кл. H0IJ 35/22,1961. "Двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка", авторы Зеленский К.Ф. Трошкин И.А. Цукерман В.А. опубл. БИ N 10, 1962), содержащее анодный электрод, подключенный к высоковольтному выводу источника высокого напряжения с амплитудой U_вд и заземленный катодный электрод, размещенный внутри металлического корпуса, соединенного с землей. На анодном электроде размещается мишень, изготовленная из материала с высоким атомным номером Z. При поглощении в мишени электронов, ускоренных в зазоре между катодом и мишенью до энергии E_e, образуется тормозное излучение с непрерывным спектром. Максимальная энергия квантов hν^max тормозного излучения
hν^max = E_e= qU_вд,
где q заряд электрона;
h постоянная Планка;
ν частота.

Минимальная энергия квантов hν^min в спектре зависит от материала и толщины мишени. От таких устройств требуется высокий выход W₁ мягкого тормозного излучения в спектральном диапазоне до 100 кэВ и большая доля (0,25 и более) мягкого излучения в полном выходе W_п тормозного излучения.

Недостатком этого устройства являются его ограниченные возможности, т.к. W₁ и его доля W₁/W_п в полном выходе противоположным образом связаны с E_е. Первый из них (W₁) растет, а вторая (W₁/W_п) уменьшается с ростом E_е и наоборот. Поэтому в таком устройстве U_вд ограничено значением 0,3 МВ. Мишень, находящаяся под высоким относительно земли потенциалом, удалена от облучаемого объекта на расстояние, превышающее величину зазора между катодом и мишенью, т.е. энергетические флюенсы от тормозного излучения здесь невелики.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство (см. а.с. СССР, кл. H05H 5/05, по заявке N3149990 от 17.07.86 г. "Устройство для получения импульсов мягкого тормозного излучения", авторы: Завада Н. И. Донской Е.Н. Комаров П.Л. Цукерман В.А.), содержащее катодный электрод, подключенный к высоковольтному выводу источника высокого напряжения, и заземленную анодную мишень, выполненную в виде плоского диска, между которыми и соосно с ними расположены один или несколько (N) промежуточных трехслойных электродов, образующих равные ускорительные промежутки, при этом первый слой каждого промежуточного электрода, обращенный к катодному электроду и выполненный из проводящего материала, электрически соединяется со своим третьим слоем, выполненным из проводящего материала, а второй слой выполнен в форме плоского диска из органического материала. В качестве материалов трехслойных промежуточных электродов используются: тантал толщиной менее 0,12 от длины (R_e) свободного пробега электронов в этом материале (первый слой), полиэтилен толщиной не менее 0,05R_e в этом материале (второй слой), проводящий материал с атомным номером менее 23, толщиной менее 0,05R_e в этом материале (третий слой). Промежуточные электроды совместно с катодом и мишенью образуют N+1 равный межэлектродный промежуток, в каждом из которых энергия ускоренных электронов уменьшена в N+1 раз по сравнению с аналогом. В устройстве снято верхнее ограничение на величину U_вд. Это позволило увеличить выход W₁ и W₁/W_п. При напряжении на каждом из N+1 ускорительных промежутков около 0,5 МВ и U_вд, равном 2 МВ, W₁/W_п достигает 0,25.

Недостатком известного технического решения является относительно малый выход W₁ и его доля в полном выходе W₁/W_п. При уменьшении напряжения на каждом из N+1 ускорительном промежутке ниже 0,5 МВ, ведущем к увеличению W₁/W_п, начинается существенный вынос излучения в поперечном по отношению к движению электронов направлении, т.е. часть излучения не попадает на облучаемый образец, располагаемый за мишенью.

Целью изобретения является увеличение выхода мягкого тормозного излучения и его доли в полном выходе при высоких значениях флюенса, создаваемого мягким излучением.

Поставленная цель достигается тем, что в каскадном генераторе мягкого тормозного излучения, содержащем катодный электрод и анодную мишень, выполненную в виде плоского диска, между которыми и соосно с ними расположены один или несколько (N) промежуточных трехслойных электродов, образующих равные ускорительные промежутки, при этом первый слой каждого промежуточного электрода, обращенный к катодному электроду, выполнен из проводящего материала, электрически соединен со своим третьим слоем, выполненным из проводящего материала, а второй слой выполнен в форме плоского диска из органического материла, причем третий слой первого от анодной мишени промежуточного электрода выполнен в виден диска, кольцевая пластина установлена на внутренней поверхности заземленного катодного электрода, ее внутренний и наружный диаметры равны соответственно внутреннему и наружному диаметрам первого слоя N промежуточного электрода, а диаметры слоев каждого промежуточного электрода в зависимости от их порядкового номера n находятся в соотношении

где D_o диаметр анодной мишени;
d₁, d₃ внутренние диаметры соответственно первого и третьего слоев;
D₁, D₂, D₃ наружные диаметры соответственно первого, второго и третьего слоев;
n=1,2.N порядковый номер промежуточного электрода.

Известно техническое решение, содержащее один из отличительных от прототипа признаков, а именно наличие кольцевого катода, соединенного с землей (см. а. с. N147262 от 17.06.61, кл. H0IJ 35/22). Но свойства заявляемого и известного решений, обусловленные наличием в них указанного признака, различны. Отличие состоит в следующем. В известном решении собственно катодом является узкая внутренняя поверхность кольца, катод расположен на внутренней цилиндрической поверхности катодного электрода, электроны движутся в радиальном направлении, а пучок тормозного излучения выводится вдоль оси устройства, т. е. в поперечном к движению электронов направлении, а расстояние до облучаемых образцов превышает величину ускоряющего промежутка. Такая геометрия выгодна только для относительно низких значений ускоряющего напряжения. В заявляемом решении кольцевой катодный электрод расположен на торце катодного электрода, электроны движутся вдоль оси генератора, тормозное излучение выводится вдоль оси в обратном направлении, а облучаемые образцы могут располагаться непосредственно за катодом, т.е. на расстоянии, близком к величине ускоряющего промежутка. Такая геометрия позволяет, с учетом диаграммы направленности выхода излучения, увеличить выход мягкого тормозного излучения за счет увеличения напряжения, т.к. выход мягкого излучения примерно пропорционален квадрату напряжения, и увеличить за счет меньшего расстояния от мишени флюенсы на облучаемых образцах.

Не обнаружено известных технических решений, которые содержат остальные отличительные от прототипа признаки, что позволяет сделать вывод о существенности отличий заявляемого технического решения.

Указанная совокупность признаков позволяет увеличить выход мягкого тормозного излучения и его долю в полном выходе при высоких значениях флюенса, создаваемого мягким излучением устройства с N+1 равным по току ускорительным промежутком, за счет того, что для излучения, выводимого в направлении, обратном движению электронов, и обладающего примерно в 1,5 раза более высоким значением W₁/W_п по сравнению с тормозным излучением, распространяющимся в направлении движения электронов, обеспечена высокая прозрачность электродов при максимальном удельном выходе из мишеней промежуточных электродов.

Расчетные обоснования по методу Монте-Карло показывают, что тормозное излучение, распространяющееся от мишени в сторону катода (задняя полуплоскость), имеет более высокие значения W₁ и W₁/W_п по сравнению с тормозным излучением, распространяющимся в направлении движения электронов (передняя полуплоскость). В первом случае объект облучения располагается за заземленным катодным электродом (заявляемое устройство), во втором за заземленной мишенью (прототип). В качестве мишени выбирается материал с высоким значением Z, т. к. выход излучения пропорционален Z. Оптимальные по выходу W₁ мягкого тормозного излучения толщины мишеней для задней полуплоскости в 4 10 раз выше, чем для передней, т.е. составляют 0,4 1 от длины свободного пробега электронов в этом материале.

При использовании излучения из заднего полупространства еще более выгодно применять каскад из N промежуточных электродов при условии их высокой прозрачности для мягкого излучения. Однако это условие нарушается при толщине первых слоев промежуточных электродов, равной 0,4 1 от длины свободного пробега электронов в этом материале. Положительный эффект может быть достигнут, если: в каждом из N+1 ускорительных промежутков расположенные друг против друга мишень и катод имеют одинаковые поперечные размеры (например, первый слой первого промежуточного электрода и третий слой второго промежуточного электрода и т.д.), что совместно с наличием второго слоя из органического материала (диэлектрик) позволяет сконцентрировать разряд только в зоне этих электродов; внутренние диаметры d₁, d₃ соответственно первого и третьего слоев, наружные диаметры D₁, D₂, D₃ соответственно первого, второго и третьего слоев промежуточных электродов по мере их удаления от мишени увеличиваются, что позволяет устранить на пути прохождения мягкого тормозного излучения сильнопоглощающие первые слои промежуточных электродов, т.е. обеспечить требуемую прозрачность и эффективное сложение W₁ из каждого N+1 автономного источника. Этому при равенстве по току ускорительных промежутков и требовании обеспечения максимальных флюенсов на облучаемых образцах отвечают следующие поперечные размеры слоев промежуточных электродов:

где: D_o диаметр анодной мишени,
n=1,2.N порядковый номер промежуточного электрода.

Нарушение этих соотношений ведет к уменьшению суммарного выхода мягкого тормозного излучения и создаваемых им флюенсов на облучаемых образцах.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема каскадного генератора мягкого излучения, на фиг. 2 пространственное распределение выхода W₁ мягкого тормозного излучения в спектральном диапазоне до 100 кэВ в равные плоские угловые интервалы, на фиг. 3 расчетные энергетические спектры тормозного излучения.

Каскадный генератор мягкого тормозного излучения (фиг. 1) содержит анодный электрод 1 с размещенной на торце мишенью 2 в виде плоского диска из тантала диаметром D_o, который подключен к импульсному источнику высокого напряжения 3, кольцевую пластину 4, укрепленную в центре внутренней поверхности заземленного катодного электрода 5, N промежуточных трехслойных электродов, расположенных соосно с генератором. Третий слой 6 первого от анодной мишени промежуточного электрода выполнен в виде диска диаметром D_o, а для второго и последующего промежуточных электродов он выполнен в виде кольца, внутренний d₃ и наружный D₃ диаметры которого равны соответственно Третий слой 6 промежуточных электродов и кольцевая пластина 4 изготавливаются из проводящего материала с атомным номером ниже 23. Второй слой 7 промежуточных электродов выполнен в виде плоских дисков из органического материала диаметром толщиной порядка пробега электронов в материале. Вторые слои 7 могут быть изготовлены и из других диэлектриков, например керамики, стекол. Первый слой 8 промежуточных электродов, обращенный к катодному электроду 5, выполнен в виде кольца из тантала, внутренний d₁ и наружный D₁ диаметры которых равны соответственно, где n=1,2,N порядковый номер промежуточного электрода. Внутренний и наружный диаметры кольцевой пластины 4 равны d₁ и D₁ соответственно последнему промежуточному электроду. Третьи слои 6 соединены с помощью перемычек 9 с первыми слоями 8 в каждом промежуточном электроде (промежуточные электроды, мишень 2 и кольцо 4 образуют равные ускорительные промежутки).

Каскадный генератор мягкого тормозного излучения работает следующим образом. При подаче импульса положительной полярности с амплитудой U_вд на анодный электрод 1, благодаря емкостному делению, разность потенциалов в каждом из N+1 промежутке устанавливается равной U_вд/N+1. При этом начинается эмиссия электронов катодов в каждом из N+1 промежутке. Их функции выполняют третьи слои 6 промежуточных электродов и кольцевая пластина 4. При торможении и полном поглощении ускоренных в промежутках электронов в мишенях 8 и 2 возникает тормозное излучение. (При объяснении работы кольцевая пластина 4, третьи 6 и первые 8 слои названы в соответствии с их функциональным назначением.)
Для эффективной работы заявляемого устройства необходимо: сохранить примерное равенство (по протекающему току и разности потенциалов) N+1 ускорительного промежутка; выбрать из условия наибольших значений W₁ и W₁/W_п толщину мишеней 2 и 8; достичь высокой прозрачности промежуточных электродов, обеспечивающих сложение выходов W₁ от каждой мишени 2 и 8. При выбранных соотношениях диаметров слоев промежуточных электродов в зависимости от их порядкового номера n, равенстве диаметров расположенных друг против друга катодов 6 и мишеней 8 обеспечивается равенство площадей первых 8 и третьих 6 слоев промежуточных электродов площадям анодной мишени 2 и кольцевой пластины 4. Следовательно, токи, протекающие в каждом из N+1 ускорительных промежутков, одинаковы. Второй слой 7 промежуточных электродов из органического материала (диэлектрик) толщиной около длины свободного пробега электронов в этом материале служит для локализации разряда в зоне катодов и мишеней N+1 промежутка. Заявляемое устройство представляет собой каскад последовательно соединенных диодов с автономными потоками электронов, соединение их в последовательную цепь достигается выполнением слоев 6 и 8 из проводящего материала и наличием между ними проводящих перемычек 9, а в каскаде с N+1 ускорительным промежутком ускоряется и тормозится в мишенях в N+1 раз большее количество электронов с энергией, равной q•U_вд/N+1. В заявляемом устройстве, как и в прототипе, амплитуда напряжения U_вд импульсного источника 3 составляет несколько мегавольт.

Нахождение оптимальных толщин мишеней из тантала производилось расчетом по методу Монте-Карло. На фиг. 2 представлены абсолютные значения выхода W₁ в одинаковые плоские угловые интервалы Δθ, равные 10^o, при энергии электронов, равной 0,5 МэВ. Отсчет углов q производился от оси устройства, совпадающей с направлением движения электронов. Пространственное распределение W₁ для мишеней толщиной 0,2 мм представлено на фиг. 2 кривой 1, толщиной 0,07 мм кривой 2, толщиной 0,02 мм кривой 3. Из расчетов и фиг. 2 следует, что в задней полуплоскости ( q больше 90) оптимальный выход W₁ соответствует диапазону толщин от 0,07 до 0,02 мм. Это в 4 10 раз выше по сравнению с передней полуплоскостью ( q меньше 90).

Из сравнения видно, что при оптимальных толщинах мишеней выход W₁ для задней полуплоскости выше, чем в передней, средняя энергия квантов в спектре тормозного излучения в 1,4 1,8 раза ниже, а W₁/W_п в задней полуплоскости может достигать 0,5 вместо 0,28 в передней полуплоскости. Уменьшать напряжение на ускоряющем промежутке ниже 0,5 МВ нецелесообразно из-за усиления выноса тормозного излучения в поперечном направлении. Таким образом, в заявляемом устройстве с заземленным катодом на облучаемых образцах, расположенных за катодом вне объема ускорительного промежутка, можно получать более высокие по сравнению с прототипом значения W₁ и W₁/W_п.

В каскадном устройстве на пути мягкого тормозного излучения от мишеней 8, 2 (фиг. 1) до облучаемого образца (на фиг. 1 не показан) располагаются промежуточные электроды. Доминирующий вклад в поглощение мягкого излучения вносят мишени 8 (фиг. 1). Поэтому для обеспечения высокой прозрачности промежуточных электродов мишени 8, как и катоды 6, выполнены в виде колец с увеличивающимися наружными и внутренними диаметрами по мере их приближения к катодному электроду 5 и, соответственно, увеличения порядкового номера. Кроме того, как и в прототипе, для исключения ослабления мягкого излучения ограничивается атомный номер третьих слоев 6 значением меньше 23, а толщина - величиной, не превышающей 0,05 R_e. В случае применения вместо полиэтилена другого диэлектрика по той же причине целесообразно использовать материал, состоящий из веществ с низким значением Z, например BeO, Al₂O₃, MgO, SiO₂, Na₂O и др. Это существенно расширяет технологические возможности таких устройств. Одинаковое значение напряжения и протекающего при разряде тока в каждом из N+1 промежутке обеспечивается при равной площади мишеней 8, 2, катодов 6, 4 и диаметрах, равных

где D_o диаметр мишени;
d₁, d₃ внутренний диаметр соответственно первого и третьего слоев;
D₁, D₂, D₃ наружный диаметр соответственно первого, второго и третьего слоев;
n=1,2.N порядковый номер промежуточного электрода.

Ограничение наружного диаметра слоев промежуточных электродов, вписывающееся в вышеприведенные соотношения, вытекает из стремления получить максимальные энергетические флюенсы от мягкого тормозного излучения на облучаемых образцах.

Методом Монте-Карло проведен полномасштабный расчет характеристик каскадного генератора мягкого тормозного излучения. Для сопоставления возможностей заявляемого устройства и прототипа условия их работы выбраны примерно одинаковыми, т.е. в заявляемом устройстве амплитуда импульса напряжения составляет 2 МВ, количество промежуточных электродов равно 3, а диаметр D_o мишени 2 (фиг. 1) равен 40 мм. Энергетический выход мягкого тормозного излучения рассчитан для образца, расположенного параллельно промежуточным электродам, на расстоянии, равном 2 см от кольцевой мишени 8 (фиг. 1) третьего промежуточного электрода. Суммарный выход W₁ в пятне радиусом 5 см составляет 7,7 кэВ/электрон или 7,7 кДж/Кл, а W₁/W_п достигает 0,4. В тех условиях прототип способен обеспечить соответственно 4,8 кэВ/электрон и W₁/W_п, равное 0,25, т.е. в заявляемом устройстве обе характеристики (W₁ и W₁/W_п) окажутся в 1,5 раза выше по сравнению с прототипом. Расчеты показывают, что максимальный выход достигается уже при толщинах мишеней 2,8 (фиг. 1), равных 0,07 мм тантала, и остается постоянным при дальнейшем увеличении толщины. Это позволяет увеличить производительность заявляемого устройства, т.к. срок службы мишеней толщиной 0,02 0,05 мм не превышает одного разряда.

Спектральные характеристики тормозного излучения из каскадного генератора мягкого тормозного излучения представлены на фиг. 3 гистограммой 1, а спектр тормозного излучения прототипа для одинаковых с заявляемым устройством условий гистограммой 2. Таким образом по всем своим характеристикам заявляемое устройство превосходит прототип.

В ряде случаев, например в сильноточных ускорителях, где амплитуда тока составляет 10⁵ А и более, для достижения устойчивой работы целесообразным является параллельная работа нескольких М генераторов. Каждый из них выполнен подобно фиг. 1. При этом мишени 8 и катоды 6, 4 монтируются на полиэтиленовых дисках, ось которых совпадает с осью вакуумного диода, а мишени 8 и катоды 6, 4 расположены симметрично относительно оси. В данном устройстве по существу имеются общие для всех параллельных каскадов подложки из полиэтилена (диэлектрика), на которых симметрично относительно оси BD расположены мишени 8, катоды 6, на нижнем полиэтиленовом диске соответствующим образом расположены кольцевые катоды 4, на высоковольтном электроде монтируются N электродов с мишенями 2 на торце диаметром D_o, расположенных напротив катодов 6 на верхнем полиэтиленовом диске.

Использование: получение мощных импульсов тормозного излучения с высокой долей квантов в спектральном диапазоне рентгеновского излучения, т.е. с энергией квантов ниже 100 кэВ. Сущность изобретения: каскадный генератор мягкого тормозного излучения содержит катодный электрод и анодную мишень в виде диска, между которыми соосно расположены на одинаковом расстоянии трехслойные промежуточные электроды. На внутренней поверхности катодного электрода, гальванически соединенного с корпусом генератора, установлена кольцевая пластина, внутренний и внешний диаметры которой равны внутреннему и внешнему диаметрам обращенного к катоду проводящего слоя ближайшего к нему промежуточного электрода. Геометрические размеры слоев каждого промежуточного электрода выбираются в соответствии с расчетной зависимостью. Изобретение позволяет увеличить выход мягкого тормозного излучения и его доли в полном выходе при высоких значениях флюенса. 3 ил.

Каскадный генератор мягкого тормозного излучения, содержащий вакуумно-плотный корпус, в котором соосно расположены катодный электрод и анодная мишень, выполненная в виде плоского диска, между которыми соосно им расположены на одинаковом расстоянии друг от друга n промежуточных трехслойных электродов, где n 1,2.N, первый и третий слои которого выполнены из проводящего материала и гальванически соединены между собой, второй слой выполнен в виде плоского диска из органического материала, а у ближайшего к анодной мишени промежуточного электрода обращенный к ней третий слой выполнен в виде диска из проводящего материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода мягкого тормозного излучения и его доли в полном выходе при высоких значениях флюенса, на внутренней поверхности катодного электрода, гальванически соединенного с корпусом, расположена кольцевая пластина, внутренний и внешний диаметры которой равны внутреннему и внешнему диаметрам обращенного к катоду проводящего слоя ближайшего к нему промежуточного электрода с порядковым номером N, при этом геометрические размеры слоев каждого промежуточного электрода выбраны согласно следующим выражениям:

где D_о диаметр анодной мишени, м,
d₁, d₃ внутренние диаметры соответственно первого и третьего слоев, м,
D₁, D₂, D₃ внешние диаметры соответственно первого, второго и третьего слоев, м.