Источник ионизирующего излучения (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК G21G4/00 

2. Источник иопизируклцего излучения .содержащий источник релятивистских гзаряженпых частиц, входной и выходной коллиматоры и установленный на пути пучка заряженных частиц равномерно изогнутый кристалл, кристаллографические плоскости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения степени монохроматичности излучения, монокристалл вьшолнен из

10R8

57

.дпух частей с равномерным изгибом кристаллографических плоскостей., раз-, деленных регулируемым зазором, и каждая из частей ориентирована так, что касательная к выходной кристаллографической плоскости первой части кристалла совпадает с направлением касательной к входной кристаллографической плоскости второй части кристалла, а выходной коллиматор установлен вдоль- направления этой касательной.

1. Источник ионизирующего излучения , содержащий источник релятивистских заряженных частиц, входной и выходной коллиматоры и установленный на пути пучка заряженных частиц равномерно изогнутьй кристалл, кристаллографические плоскости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц, о т личающийс. я тем, что, с целью повьшения степени монохроматичности излучения, в кристалле выполнено прямоугольное отверстие, ориентированное вдоль продольной оси кристалла, размер в которого вдоль этой оси равен f 2гГ-4 /9у, где R - радиус изгиба кристалла, i : )f - Лоренц-фактор частищ., при этом ;кристалл деформирован так, что каса(Л iтельные к входной и выходной кристаллографическим плоскостям ПО обеим сторонам отверстия совпадают, а выходной коллиматор установлен вдоль касательной к выходной кристаллографической плоскости. 00. 00 ел СП

Изобретение относится к области . получения-потоков электромагнитного излучения и может быть использовано при создании источников ионизирующего излучения, применяемых в радиационной технологии и диагностике материалов и изделий.

Известно устройство для получения рентгеновского излучения на линейных ускорителях, согласно которому ускоренньй пучокэлектронов направляют на мишень, установленную на выходе ускорителя lj .

Известен также источник рентгеновского излучения, принцип действия которого заключается в том, что пучо релявистскйх электронов направляют на монокристаллический анод, ориентированный одним из главньк кристаллографических направлений параллельно пучку электронов zj , Общим недостатком для представленных устройств является получение излучения только в рентгеновском диапазоне дли волн и невозможность получения более жесткого гамма-излучения, так как в этих устройствах использован эффект генерации характеристического рентгеновского излучения, обусловленньй возбуждением электронным пучком атомов мишени. Рассматриваемые источники не позволяют обеспечить изменение частоты излучения без замены мишени и апавно регулировать частоту генерируемого ионизирующего излучения.

Наиболее близким техническим решением является источник ионизирующего излучения, содержащий источник релятивистских заряженных частиц,входной и вькодной коллиматоры и установленный на пути пучка заряженных частиц равномерйо изогнутый кристалл, , кристаллографические плоскости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц З Отбор получаемого излучения производят со стороны выходной поверхности монокристалла в растворе угла, образованного касательными к изогнутым кристаллографическим плоскостям в точках их пересечения с поверхностью монокристалла. Для этого служит выходной коллиматор. Такое устройство обладает рядом недостатков, основными из которых являются следующие. Частоту электромагнитного излучения в в рассматриваемом устройстве можно регулировать либо путем механического изменения радиуса изгиба кристалла, либо использованием набора кристаллических мишеней.с различной кривизной. Однако в первом случае необходимо использовать сложное и прецизионное устройство для дистанционного изменения радиуса кривизны кристалла, установленного в вакуумной камере на пути пучка заряженных частиц. Кроме того, в процессе многократного изгиба кристаллической пластины значительно ухудшаются ее механические свойства и нарушается кристаллическая структура, что приводит к ухудшению рабочих параметров пучков получаемого ионизирующего излучения. При изменении радиуса изгиба мишени или при замене кристаллических мишеней необходимо каждый раз заново ориентировать кристаллическую мишень так что пучок заряженных частиц входит по касательной к изогнутым крйсталл графическим плоскостям в точке выхр их на облучаемую (входную) поверхность. Излучение релятивистских части в таком устройстве происходит по типу синхротронного излучения при движении по круговой траектории и имеет широкое спектральное распреде ление, т. е. не обладает монохроматичностью, что ограничивает его использование, например, для атомной спектроскопии и материаловедения. Целью изобретения является повышение степени монохроматичности изЛ5гчения. Цель достигается тем, что в исто нике ионизирующего излучения, содер жащем источник релятивистских заряже ных частиц, входной и выходной коллиматоры -и установленный на пути пу ка заряженных частиц равномерно изогнутьй кристалл, кристаллографические плоскости которого ориентиро ваны под углом каналирования к пучку заряженных частиц, в кристалле выполнено прямоугольное отверстие, ориентированное вдоль продольной оси крис талла с размером отверстия вдоль этой оси t 2(i X 4iR/9jf, где R - радиус изгиба кристалла, jf - Лоренц-фактор частицы, при этом кристапл деформирован так, что касательные к входной и выходной кристаллов графическим плоскостям по обеим сто:ронам отверстия совпадают, а выходно коллиматор установлен вдоль касатель ной к выходной кристаллографической плоскости. Во втором варианте цель достигается тем, что в известном источнике ионизирукяцего излучения, содержащем источник релятивистских заряженных ча тиц, входной и выходной коллиматоры и установленный на пути пучка заря(кенных частиц равномерно изогнутый. . кристалл, кристаллографические плоскости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц, монокристалл выполнен .из двух равномерно изогнутых частей, разделенных регулируемым зазором, и каждая из частей ориентирована так, что касательная к выходной кристаллографической плоскости первой части кристалла совпадает с направлением касательной к входной кристаллографической плоскости второй части кристалла, а выходной коллиматор установлен вдоль направления этой касательной. На фиг. 1 показана конструкш я первого варианта устройства, на фиг. 2 - второй вариант устройства, на фиг. 3 - рассчитанные спектры квази-синхронного излучения позитронов с энергией Е 1,0 Гэв при движении в режиме каналйрования в сплошном изогнутом кристалле кремйия (для плоскости (100)) и спектр излучения в изогнутом кристалле с пря моугольным отверстием (зазором) с размером I 21 4R/9J. Устройство содержит источник пучка заряженных частиц 1, входной коллиматор 2, равномерно изогнутый кристалл 3 с прямоугольным отверстием 4, размер которого вдоль продольной оси кристалла 4R/9y и выходной коллиматор 5. Режим ка; налирования релятивистских частиц в кристалле обеспечивается тем, что угол входа пучка в кристалл У установлен меньше критического угла iff, (2Z() относительно заданно.го кристаллографического направления. Здесь iifj атомные номера частицы падающего пучка и атомов кристалла соответственноj d - межатомное расстояние в кристалле. Кристалл 3 для удобства ее ориентирования предварительно изготовлен так, что главные кристаллографические плоскости выходят нормально торцовьм поверхностям мишени. Радиус изгиба кристалла выбирается как R Зс ( из условия получения требуемой частоты максимума COj., чкс. спектра ионизирующего излучения. Здесь jf E/mc определяет энергию Е падающей части ць Кристалл в области отверстия 4 дополнительно деформирован путем приложения внешних сил F, согласно схеме на фиг. 1. При таком в целом равномерном изгибе компенсируются напряжения растяжения и сжатия на соответственно верхнем и нижнем тонких участках кристалла так, что касательные к входной и выходной кристаллографическим плоскостям по обеим сторонам отверстия 4 совпадают для участков 4 и Д {2 излучение с которых испускается в направлении 3-, Длины этих деформированных участков .равны &., У то обусловлено условием выполнения конструк тивной интерференции излучения. Отбор получаемого излучения может быть осуществлен коллиматором 5, установленным в направлении -7, в котором совпадают вышеупомянутые касательные, и Имеющим угловой раствор ле -T(I - v2/c2 . Второй вариант устройства показан схематично на фиг. 2 и содержит ис точник пучка релятивистских заряженнь частиц 1, входной коллиматор 2, два равномерно изогнутых кристалла 3 с регулируемым промежутком (зазором) 6между кристаллами, выходной коллиматор 5 и устройство 7 для регулиров ния ширины зазора. Принципиальные размеры и характеристики кристалла 3 и его расположение относительно пучка частиц 1. остаются те же, что и в первом варианте устройства. Дополнительно для плавного регулирования частоты получаемого использовано дистанционное устройство 7для плавного регулирования ширины зазора. Суть работы этого устройства 7 заключается в том, что оно обеспечивает взаимное перемещение двух изогнутых кристаллов так, что не нарушается совпадение касательных к . входной, и выходной кристаллографичес ким плоскостям по обеим сторонам зазора 6., Принцип работы предлагаемого устройства заключается в реализации явления каналирования релятивистских заряженных частиц в изогнутом кристалле. В устройстве по. первому вариа ту пучок частиц 1 направляют с помощью входного коллиматора 2 в режиме каналирования в изогнутый крис.тал 3 с прямоугольным отверстием 4 разме ром В 4И/9увдоль продольной оси изогнутого кристалла. Движение релятивистские частицы с энергией Е по искривленной.траектории в кристалле вызывает электромагнитное излучение квази-синхройного типа, частота которого определяется радиусом изгиба траектории Oi) - R . Дпя кристалла с постоянным радиусом изгиба движение частиц происходит по равномерным Искривленным траекториям и максимум спектрального распределения излучения приходится на частоту СО (J,дкc (m,c), где т - масса покоя частицы С - скорость света. При наличии разрыва в траекториях частиц величиной f 2iii АК/Э, за . счет выполнения прямоугольного отверстия 4 в кристалле 3 суммарное поле излучения определяется интерференцией волн, излучаемых с выходного и входного участков первой и второй части кристалла, в том случае, если касательные к входной и выходной кристаллографическим плоскостям по обеим сторонам отверстия 4 совпадают. Данное условие на ширину отверстия 1 определяет интерференцию волн квази-синхротронного излучения для частот в области максимума спектра излучения. Так как излучение релятивистской частицы с криволинейной траекторией направлено в каждый момент времени вдоль вектора скорости V в малый телесный угол с раотвором. 40(1 - . ) V излучение в точку наблюдения приходит с последовательных участков А и В изогнутого кристалла 3, примыкающих по обеим сторонам отверстия 4 и имекндих длины дВ, Излучение с этих участков А и В происходит последовательно, т. е. синхронизовано самой частицей. Как следствие имеется запаздывание поля излучения с участка В относительно излучения с участка А на время fit te Ьл, где te /V и t 1/с. Поэтому за счет интерференции излучения с этих участков в направлении наблюдения и выходного коллиматора.5 усиливаются волны с частотами Уп 2lin/&t, где п 1, 2, 3 ... - поря-. док интерференции. Или Wn- (te -t/ц) 4|ГпУу2{- Здесь множитель 2у учитывает эффект Допплера для движущегося излучателя. Потери интенсивности излучения за счет вырезания прямоугольного отверстия в кристалле не происходит, так как в точку наблюдения излучения принимается с длины ЙЁ i. , которая в точности равна длине формирования излучения в изогнутом кристалле без вьгрезанного промежутка. Описанный процесс интерференции приводит к улучшению моно- i хроматичности получаемого излучения. Для регулирования частоты излучения из изогнутого монокристалла достаточно использовать вместо одного сплошного кристалла два изогнутых кристалла,- установленных с зазо1 рм между ними. В этом втором варианте-устройства роль отверстия, которо.е было использовано в первом варианте, играет зазор 6 между двумя частями изогнутого кристалла 3, а плавное регулирование частоты излучения можно осуществлять, изменяя (увеличивая или уменьшая) это расстояние, так как частота излуче, ния связана с размером зазора f как С0 . При таком плавном изменении f осуществляется плавный |Сдвиг частоты главного интерференционного максимума по частотному спектру. В случае изменения расстояния зазора 6, кратном п1, где п целое натуральное число, происходит ступенчатое переключение частоты получаемого излучения с главного интерференционного максимума (п 0) на боковые максимумы излучения (п / 1, 2,.;). При движении в изогнутом кристалле, помимо рассмотренного квазисинхронного излучения, имеет место излучение при каналировании, имекйцее характер квазиондуляторного излучения. Формула, описывающая фотонный спектр, имеет вид для максиму ма спектральной плотности &тк10е2/и- 1зЬ2су2(1) число фотонов, излучаемых в единицу времени, равно Ng 15- Fy/2 1 R(2) Квазиондуляторное излучение при ка нал фовании характеризуется максимумо спектральной плотности фотонов. |||-Макс ЗРо/Ео7. где Р а) (Од и Хд/2 - частота и амплитуда осцилляции позитрона в канале. Полное число фотонов, излучаемых в единицу времени, равно N ЗРо/Е у (4) На фиг. 3 показаны рассчитанные по формулам (1-3) спектры квази-синх тронного излучения позитронов с энер гией Е 1,0 ГзВ при движении в режиме канапирования в сплошной изогну том кристалле кремния (для плоскости 10 78 (100) (кривая 8) и в изогнутом кристалле с прямоугольным отверстием (зазором) с размером I 2 f : 4R/9 у вдоль продольной оси кристалла (кривая 9). Кривая 10 представляет расчет спектра для квази-ондуляторного излучения в таком же Кристалле. Из условия нормировки следует, что площадь под кривыми должна быть одинаковой. Как вудно на фиг. 3, монохроматичность квази-синхронного излучения (&Ci).iwatc ) увеличивается более, чем в два раза, а интенсивность в максимуме спектрального распределения I gncвозрастает не менее чем в два раза для кристалла, имекнцего отверстие на пути движения заряженных частиц. При этом спектраль-, ная плотность в интерференционном максимуме квази-синхронного излучения более, чем на порядок превышает соответствующую спектральную плотность квази-ондуляторного излучения (кривая 10). Конкретная реализация предложенного устройства может быть .осущест влена на монокристалле кремния п - типа), с размерами (2 х 5 х 0,5) см, изогнутый по радиусу кривизны R 9 см, с прямоугольным отверстием с размером по продольной оси кристалла 1 0,66 X 10 см помещают на пути пучка,позитронов с энергией Е 1,0 ГэБ так что ось пучка позитронов совпадает с направлением касательной к изогнутому кристаллографическому направлению (110) в точке выхода его на облучаемую поверхность кристалла. При таких условиях пучок позитронов движется через кристалл в режиме каналирования вдоль изогнутого кристаллографического направления. Излучение отбирают за кристаллом в направлении касательной к изогнутому кристаллографическому направлению в месте отверстия. I С помощью внешнего электромеханического приспособления кристалл дополнительно деформируют в области отверстия до тех пор, пока касательHbie к входной и выходной кристаллографическим плоскостям не совпадут по обе стороны отверстия. В приведенном примере для кристалла кремния толщиной 0,5 см, изогнутого по радиу-. су кривизны К. 9 см и размере отверстия 66 MiKM, излучение суммируется с участков А 25 мкм по обеим

CTofxTiuiM отверстия. Согласно схемам yi.TpoiiiCTija на фиг. 1 н 2, прилагаются опорные усилия с внутренней выгнутой стороны кристалла на расстоянии ut 25 мкм от краев промежутка и активные усилия, деформирующие кристалл за счет сил F, приложенных на расстоянии около 5 мкм от краев. Путем постепенного наращивания усилий добиваются достижения максимал-ьного интерференционного эффекта. В данном случае получается интерференционный максимум излучения в максимуме его спектрального распределения с частотой СО с макс .

15о втором варианте предлагаемого источника на пути пучка позитронов с энергией Е 1,0 ГэВ помещают два монокристалла с размерами (2 к 2 х X 0,5) см, каждый равномерно изогнут по радиусу кривизны R 9 см. Расстояние между двумя кристаллами составляет 120 мкм. Кристаллы установлены так что ось пучка позитронов совпадает с направлением касательной к изогнутому кристаллографическому направлению в точке выхода его на облучаемую поверхность первого и второго кристалла. Для данного случая интерференционный максимум излучения получается на частоте COciwaicc 2-ЮС . Раздвинув с помощью дистанционного управляемого приспособления оба кристалла на расстояние зазора I 300 мкм, получаем монохроматизацию излучения на частоте WcMa.c 0, .

Использование предлагаемого источника ионизирующего излучения обеспечивает, по сравнению с извест-. ным , которое мы выбираем за базо вый объект, следующие преимущества за счет эффекта интерференции излучения: увеличение монохроматичности излучения более, чем в два раза,

увеличение интенсивности излучения в максимуме спектрального распределения до двух раз возможность регулирования частоты излучения без замены мишени и без изменения радиуса.

изгиба кристалла и энергии пучка частиц путем изменения величины зазора между двумя изогнутыми кристаллами .

Предлагаемое устройство при его использовании для проведения экспериментов в физике и прикладных работах приводит к снижению эксплуатационных энергетических затрат за счет

снижения времени, необходимого для проведения измерений и обработки результатов, так как по сравнению с базовым объектом предлагаемый источник ионизируклцего излучения имеет

более монохроматический спектр фотонов с большей спектральной плотностью. Конкретную сумму экономического эффекта рассчитать затруднивельно из-за отсутствия данных по базо- .

вому объекту, а.также потому, что разработанйое устройство в основном может быть использовано в научных целях.