УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H05G2/00 H01J35/02 

Изобретение относится к радиационной физике и может быть использовано при разработке мощных широкоапертурных излучателей мягкого рентгеновского изучения (МРИ) с энергией квантов 50 эВ - 5 кэВ для различных научных приложений.

Известно устройство для генерации рентгеновского и γ-излучения, содержащее ускоритель электронов в качестве драйвера, оптически тонкую тормозную мишень (фольгу) и магнитную систему разворота пучка [1] (Гришин В.К., Ишханов Б. С., "Эффективный источник тормозного излучения с многократным пересечением тонкой мишени электронным пучком", Вестник МГУ, сер. 3, 1996, 1, с. 83-86).

Недостатком этого устройства является низкий выход МРИ.

Известно также устройство для генерации МРИ, описанное в [2] (Sanford T. W. L, Halbein J.A., "Potential enhancement of warm X-ray dose from a reflexing bremsstrahluhg diode", IEEE Transactions on Nuclear Science, 1995, v. 42, 6, p. 1902-1909). Это устройство содержит последовательно расположенные электронный диод в качестве драйвера, оптически тонкую тормозную мишень (фольгу) и отражатель электронов в виде дополнительного электрода, обеспечивающего многократное прохождение электронов сквозь фольгу. Это устройство выбрано нами за прототип.

Однако известное устройство имеет физический предел по мощности генерации, так как при использовании электронного диода в качестве драйвера ток в последнем не может превышать значения, определяемого предельным током Чайльда-Ленгмюра, поэтому заявленные в [2] значения тока в диоде (60 МА при ускоряющем напряжении 5 MB) вряд ли могут быть достигнуты. Укажем, что увеличение ускоряющего напряжения помимо увеличения тока драйвера приводит к смещению спектра рентгеновского излучения в более высокоэнергетическую область, что в ряде случаев нежелательно.

В связи с этим техническая задача изобретения заключается в устранении ограничений на величину мощности драйвера.

Технический результат состоит в увеличении выходной мощности устройства для генерации МРИ за счет использования драйвера другого типа, не имеющего ограничений на величину мощности.

Этот результат достигается тем, что в устройстве для генерации МРИ, содержащем последовательно расположенные драйвер, оптически тонкую мишень тормозного излучения и отражатель электронов, в отличие от прототипа драйвер выполнен в виде источника излучения жестких γ-квантов. Дополнительным отличием может быть то, что отражатель электронов выполнен в виде источника магнитного поля, параллельного поверхности мишени тормозного излучения.

Действие предлагаемого устройства основано на выбивании жесткими γ-квантами драйвера из мишени потоков комптоновских электронов (КЭ) и электрон-позитронных пар (e^--e⁺-пap) и обеспечении их многократного прохождения сквозь мишень. При этом мишень одновременно с ролью источника тормозного МРИ играет роль γ-эмиттера КЭ и e^--e⁺-пap. Фактически предлагаемое устройство является конвертером-размножителем жесткого γ-излучения в МРИ, так как из одного КЭ или одной е^--е⁺-пары может рождаться большое количество квантов МРИ вследствие многократного взаимодействия заряженных частиц с мишенью.

Так как на жесткие γ-кванты не действуют никакие силы, то нет физических ограничений на мощность драйвера, чем и объясняется достижимость технического результата.

Для обеспечения многократного прохождения КЭ и e^--e⁺-nap сквозь мишень удобно воспользоваться устройством, создающим магнитное поле вблизи мишени, параллельное ей. Действительно, электростатические отражательные системы, подобные [2], затенили бы мишень для драйвера, и кроме того, для отражения, скажем, электронов с энергией 5 МэВ потребовалось бы подать на электростатические отражатели потенциал величиной, меньшей - 5 MB относительно мишени, в то время как магнитное поле величиной, например, всего в 1 кгс способно завернуть такие электроны всего на радиусе в несколько сантиметров. Таким образом, магнитную систему отражения электронов и позитронов использовать предпочтительно, однако использование электростатического или комбинированного отражения не исключается.

Чертеж представляет пример схемы выполнения устройства для генерации МРИ и поясняет принцип его действия.

На чертеже обозначено: 1 - драйвер, 2 - источник магнитного поля (показаны также замкнутые силовые линии магнитного поля), 3 - мишень тормозного излучения, большие волнистые стрелки - поток жестких γ-квантов, малые волнистые стрелки - поток МРИ, КЭ - траектория комптоновского электрона, е^--е⁺ - траектории пары электрона и позитрона.

Драйвер 1, являющийся источником жестких γ-квантов, может быть выполнен, например, в виде γ-радиоактивного элемента, в виде сильноточного ускорителя электронов, работающего в режиме генерации тормозного γ-излучения или в виде ядерного взрывного устройства, также являющегося источником жестких γ-квантов. Первый пример возможен, если предлагаемое устройство для генерации МРИ предполагается использовать в непрерывном режиме работы, два последних примера касаются импульсного режима работы.

Источник магнитного поля 2 может быть выполнен в виде постоянных магнитов для непрерывного режима работы или в виде соленоида, как это показано на чертеже, - для импульсного режима работы. Для питания соленоида необходим источник тока, в качестве которого может быть использована конденсаторная батарея с управляемой коммутацией (не показана).

В качестве оптически тонкой мишени 3 тормозного излучения используется металлическая фольга из материала с высоким атомным номером, например тантала. Толщина фольги выбирается в соответствии с необходимой величиной нижней границы в спектре МРИ.

Устройство (например, импульсное) для генерации МРИ работает следующим образом.

Сначала пропускают электрический ток по соленоиду 2, возбуждая магнитное поле, параллельное мишени 3. После достижения магнитным полем величины, необходимой для разворота заряженных частиц, запускают драйвер 1, испускающий импульс жестких γ-квантов.

Жесткие γ-кванты выбивают из мишени 3 поток заряженных частиц в виде КЭ и e^--e⁺-пap. Эти частицы заворачиваются магнитным полем соленоида 2, многократно проходя сквозь мишень 3 и генерируя множественное МРИ.

Применение: радиационная физика. Устройство может быть использовано при разработке мощных широкоапертурных излучателей мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с энергией квантов 50 эВ-5 кэВ для различных научных приложений. Сущность: в устройстве для генерации МРИ, содержащем последовательно расположенные драйвер, оптически тонкую мишень тормозного излучения и отражатель электронов, в отличие от прототипа драйвер выполнен в виде источника излучения жестких γ-квантов. Дополнительным отличием может быть то, что отражатель электронов выполнен в виде источника магнитного поля, параллельного поверхности мишени тормозного излучения. Техническим результатом является увеличение выходной мощности устройства для генерации МРИ за счет использования драйвера другого типа, не имеющего ограничений на величину мощности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для генерации мягкого рентгеновского излучения, содержащее последовательно расположенные драйвер, оптически тонкую мишень тормозного излучения и отражатель электронов, отличающееся тем, что драйвер выполнен в виде источника жестких γ-квантов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отражатель электронов выполнен в виде источника магнитного поля, параллельного поверхности оптически тонкой мишени тормозного излучения.