Способ определения распределения плотности потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка Советский патент 1992 года по МПК G01T1/29 

2. Способ по п.I, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что, с целью повьше- ния точности и упрощения процесса обработки результатов определения, перед размещением детектора на пути пучка на него наносят координатную сетку, после завершения серии облучений и перемещений выступающие за пределы поверхности пластины части образовавшейся пористой массы удаляют а информацию о наборе распределений пористой массы с облученных участков пластины переносят на фотобумагу по- средЬтвом контактной печати.

1

Изобретение относится к ускори- , тельной технике, более конкретно - к .технике измерения параметров пучков заряженных частиц, выведенных из. ускорителей, и может быть использова- ко в различных областях народного хозяйства при применении ускорителей заряженных частиц для рещения технических, медицинских, агрохимических, радиобиологических научных и иных задап.

Цель изобретения - обеспечение возможности диагностики узких пучков электронных ускорителей и упрощение 15 процесса определения, повышение точности и упрощение процесса обработки результатов определения, а также получение об ьемной модели распределения плотности потока заряженньге час- 20 тиц в поперечном сечении пучка.

Предложенный способ основан на известном явлении образования и вьще- ления низкомолекулярных продуктов ра- диолиза полимеров, получившем в науч- 5 ной литературе название радиационного газовьщеления. Процесс обусловлен тем, что облучение пол1терньгх матери- ало.в приводит к отщеплению от макромолекул отдельных атомов или боковых 30 групп, последующей их взаимной рекомбинации и другим сложным реакциям. Как и все необратимые радиационные эффекты в полимерах, радиационное газовыделение определяется в основном, 35

3, Способ по п.I, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью получения объемной модели распределения плотности потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка, детектор прикрепляют к подложке из радиацион- ностойкого материала, например кера- ьшки, и размещают на пути пучка стороной, обращенной полимерным материалом к пучку.

А. Способ поп.1,отлича ю- щ и и с я тем, что в качестве прозрачного полимерного материала детектора используют органическое стекло или полистирол. 2 ил.

поглощенной дозой облучения. Установлено, что, если облучать блочный по- лиметилметакрилат (органическое стекло) при повышенных температурах, то внутри образца наблюдается выделение Пузырьков газа, часть массы вещества образца становится пористой и образец вспучивается.

Как показьгеают произведенные исследования с использованием пучка ускоренных электронов микротрона, процесс образования и выделения газа в полимерной пластине, размещенной на пути пучка, происходит в процессе облучения непрерывно. Прц этом большей поглощенной дозе соответствует больший объем радиационного газовыделения и пористой массы вещества, Однаг ко существует некоторое пороговое значение поглощенной дозы D, при достижении которого пузырьки газа и пористая масса вещества становятся видны невооруженным глазом. Величина D,, зависит от материала и толщины плас-- тины, параметров диагностируемого пучка (вида и энергии частиц и др.). Следовательно, если в процессе измерения указанные параметры не изменяются, то факт образования и визуально фиксированного появления пузырьков газа и пористой массы вещества в облученной полимерной пластине однозначно свидетельствует о достижении D. Использование прозрачного поли3

мера в качестве материала flererTr-p-i позполяет зрительно зафиксироп.тъ появление и распределение пузырьков газа и пористой массы внутри объема облученного участка пластины. В общем случае при появлении в облученном участке прозрачной полимерной пластины пористой массы любого размера и каждая точка на rpaim- це между пористой массой и остальной частью участка облучена до , следовательно, граничная зона между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины (или, в

перечном сг чеяии иучкп TKuiy iaciTrji При неремеиимшн пластины в плоткости, гюр пендикулярной направлению падения нуч ка. В случае, Koivia пучок падает нл 5 пластину с отклонением от нормали, для получения точной картины топографии плотности потока частиц необходимо воспроизвести условия, при которых пластина облучалась, т.е. необходимо, 10 чтобы направление взгляда наблюдателя бьшо параллельно направлению падет1ия пучка, что не всегда возможно точно воспроизвести. Кроме того, nfiH падении пучка на детектор под углом, отличным от прямого, возрастает число

случае наличия пузырька внутри объ- ема пластины, проекция контура пу- рассеянных частиц, что искажает кар- - на поверхность пластины) явзырька

ляется, по существу, изодозной кривой Ьц . Про.странственное положение

тину распределения плотности потока частиц.

Нанесение на пластину из прозрач7(1 ИЗОДОЗНОЙ кривой на облученном учает- ного полимерного материала координатке пластины соответствует линии равной плотности потока заряженных частиц.

Если последовательно подвергать некоторый участок прозрачной полимерной пластины облучению с произвольной длительностью т , затем, переместив пластину, подвергать облучению с длительностью t , большей с , другой участок, после чего, снова переместив пластину, подвергать облучению с длительностью , большей т , следуювшй участок и т.д., то, во-первых, будет обнаружена пороговая дли- тельноеть облучения т , на-чиная с которой пористая масса (или пузьфек газа) визуализируется, и, во-вторых, в результате фиксированных перемещений и облучений с длительностями t , большими 1„ , будет получен набор распределений пористой массы и соответствующих изодозных кривых LJ, на облученных участках пластин. Зная прост

ранственное положение пластины и дли- 45 материала, например из керамики, к

тельноеть облучения при получении каждой изодозной кривой и учитывая, что локальная плотность потока заряжен- иьгх частиц при одной и той же величина поглощенной дозы обратно пропорцио-50 алом к пучку, обеспечивают условия, иальна длительности облучения, путем при которых подложка и соседние с рас- графического наложения соответствую- тянутой массой участки пластины, общих изодозных кривых несложно оценить пространственное распределение плотлученные до дозы D, препятствуют ра- диационно-стимулированному изменению

ности потока заряженных частиц в попе-55 объема облученного участка пластины речном сечении пучка.по всем направлениям. В результате

Как показывают проведенные исследования, наиболее точная картина распределения плотности потока частиц в пообразованиё растянутой пористой мас (т.е. вспучивание, полимерной пластины) происходит ТОЛЬКО в одну сторо

92i69

перечном сг чеяии иучкп TKuiy iaciTrji При неремеиимшн пластины в плоткости, гюр- пендикулярной направлению падения нуч- ка. В случае, Koivia пучок падает нл 5 пластину с отклонением от нормали, для получения точной картины топографии плотности потока частиц необходимо воспроизвести условия, при которых пластина облучалась, т.е. необходимо, 10 чтобы направление взгляда наблюдателя бьшо параллельно направлению падет1ия пучка, что не всегда возможно точно воспроизвести. Кроме того, nfiH падении пучка на детектор под углом, отличным от прямого, возрастает число

рассеянных частиц, что искажает кар- рассеянных частиц, что искажает кар-

тину распределения плотности потока частиц.

Нанесение на пластину из прозрачного полимерного материала координат5

0 5 0

НОИ сетки перед размещением пластины на пути пучка, удаление выступающей за пределы поверхности пластины части образовавшейся (вследствие радиационного газовмделения) пористой массы, перенос информации о наборе распределений пористой массы с облученной пластины на фотобумагу посредством кон тактной печати - все эти операции способствуют удобству графического построения распределения изодозных кривых, уменьшению погрешностей и сокращению продолжительности обработки результатов. Благодаря этому точность повышается и упрощается процесс обработки результатов определения распределения плотности потока частиц в поперечном сечении пучка.

Образование растянутой пористой массы вследствие радиационного газовыделения происходит обычно в обе стороны от пластины. Введение твердой подложки ИЗ радиационностойкого

которой прикреплена пластина из прозг- рачного полимерного материала, и размещение пластины на пути пучка стороной, обращенной полимерным материалом к пучку, обеспечивают условия, при которых подложка и соседние с рас- тянутой массой участки пластины, облученные до дозы D, препятствуют ра- диационно-стимулированному изменению

образованиё растянутой пористой массы (т.е. вспучивание, полимерной пластины) происходит ТОЛЬКО в одну сторону, а именно в сторону, обращенную к пучку. Поскольку объем газа, выделившегося из каждого локального (элементарного) облученного i-ro участка пластины, пропорционален поглощенной этим участком дозе D. , то более рас- дянутому локальному участку пористой массы соответствует большая поглощенная доза. В случае однократного облучения данного участка пластины длительности облучения каждого, В том числе i-ro локального участка одинаковы- Поэтому высота растянутой побы грань 210x85 лежала в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов А,5 мкА, энергия электронов 10,5 МэВ, размер пучка непосредственно за фольгой выводного окна - эллипс с осями 12 мм по горизонтали и 7 мм по вертикали. Облучают произвольный участок пластины в течение 20 с. Затем, переместив пластину в той же плоскости снизу вверх На некоторое фиксированное расстояние, облучают в течение АО с другой участок пластины. После

ристой массы для каждого такого участка (в том числе ) будет пропорцио-15 этого подвергают облучению в течение нальна поглощенной этим участком до- t, 60 с следующий участок. (На зтот зе (для i-ro локального участка DJ), а следовательно, и плотности потока частиц в данной точке поперечного сечения пучка (для 1-го участка Ч. ) . 20 Таким образом, поверхность растянутой пористой массы над поверхностью пластины, являющаяся огибак1Щей совокупности высот локальных участков, пред- ставляет собой, по существу, объем- 25 ную модель распределения плотности .потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка.

раз пористая масса вещества, образо- вавщаяся вследствие радиационного газовыделения полимера, отчетливо видна йевооруженным глазом)« Вслед за зтим пластину подвергают аналогичной чередующейся серии фиксированных перемещений в той же плоскости и облучений с нарастающими длительностями 1,, 80 с, t, 120 с, г, 180 c,s 300 с, 1200 с. В результате

такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. При зтом граничные линии между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины представляют собой набор изодозных кривых L и

такой обработки на облученных участ ках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. При зтом граничные линии между распреде лением пористой массы и остальной п верхностью пластины представляют со бой набор изодозных кривых L и

Чl Ц

иs

Передвигают гра

Использование в качестве прозрач- JQ ного полимерного материала пластины орга нического стекла или полистирола связано с их щирокой доступностью и относительно низкой стоимостью.

На фиг.1, 2 в координатных осях X, Y изображен набор изодозных кривых, совмещенных с учетом фиксированных положений пластины при соответствующих облучениях, а в координатных

осях X, Z - один из возможных вариан- ..«

41) совмещенных изодозных кривых на потов графического построения распре35 фически каждую из кривых L

иг

LUJ , LUS „е вверх (в сторону кри И4

вой L

I,, ) на расстояние, равное пере мещению пластины при получении сойт ветствующей кривой. Получают набор

верхиости пластины, т.е. в попереч- .ном сечении пучка микротрона (см, фиг.1, координатные оси X, Y).

деления плотности потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона на основании набора совмещённых изодозных кривых.

Направление оси X характеризует расстояние в горизонтальной плоскости от частицы (электрона) до оси пучка, направление оси Y характеризует расстояние в вертикальной плоскости от электрона до оси пучка, направление оси Z параллельно направлению движения пучка электронов микротрона

Пример 1. Берут пластину из органического стекла длиной 210 мм, шириной 85 мм и толщиной 4 мм, закрепляют вертикально (т.е. гранью 85 X А) на подставке-держателе и разт.е. EgKj AgBj, и произвольной вы- 5Q сотой. После этого строят еще пять прямоугольников, основание каждогр из которых равно ширине площадки, ограничиваемой определенной изодозной кривой, а высота обратно пропорцио- нальна соответствующей длительности облучения. (Например, строят прямоугольник с основанием Е К, AjB и высотой E5Fj -.Д,. ).

мещают на пути пучка микротр она так,что- Поскольку реальное распределение плот

бы грань 210x85 лежала в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов А,5 мкА, энергия электронов 10,5 МэВ, размер пучка непосредственно за фольгой выводного окна - эллипс с осями 12 мм по горизонтали и 7 мм по вертикали. Облучают произвольный участок пластины в течение 20 с. Затем, переместив пластину в той же плоскости снизу вверх На некоторое фиксированное расстояние, облучают в течение АО с другой участок пластины. После

этого подвергают облучению в течение t, 60 с следующий участок. (На зтот

этого подвергают облучению в течение t, 60 с следующий участок. (На зтот

раз пористая масса вещества, образо- вавщаяся вследствие радиационного газовыделения полимера, отчетливо видна йевооруженным глазом)« Вслед за зтим пластину подвергают аналогичной чередующейся серии фиксированных перемещений в той же плоскости и облучений с нарастающими длительностями 1,, 80 с, t, 120 с, г, 180 c,s 300 с, 1200 с. В результате

этого подвергают облучению в течение t, 60 с следующий участок. (На зтот

такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. При зтом граничные линии между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины представляют собой набор изодозных кривых L и

Чl Ц

иs

Передвигают гра

фически каждую из кривых L

иг

LUJ , LUS „е вверх (в сторону кри И4

вой L

I,, ) на расстояние, равное перемещению пластины при получении сойт- ветствующей кривой. Получают набор

верхиости пластины, т.е. в попереч- .ном сечении пучка микротрона (см, фиг.1, координатные оси X, Y).

5 Затем в координатных осях X, Z

строят прямоугольник E,F,G,K, с осноо Ь 6 6

ванием, равным ширине площадки, ограничиваемой изодозной кривой L., ,

по «

т.е. EgKj AgBj, и произвольной вы- Q сотой. После этого строят еще пять прямоугольников, основание каждогр из которых равно ширине площадки, ограничиваемой определенной изодозной кривой, а высота обратно пропорцио- нальна соответствующей длительности облучения. (Например, строят прямоугольник с основанием Е К, AjB и высотой E5Fj -.Д,. ).

Поскольку реальное распределение плот

ности потока :- лектроион в поперечтюм сечении пучка удовлетпорительпо описывается гауссовой кривой с мaкcи fy- мом на оси пучка, строят ряд гауссовых кривых (т,, т;, т, т , т,), каж дая из которых опирается на основани определенного прямоугольника, ограничивает площадь, равную площади этого прямоугольника, и имеет максимум на оси пучка. Наконец, строят огибающую М семейства гауссовых кривых, которая и представляет собой распределение плотности потока электронов по оси X поперечного сечения пу.чка микротрона Как показывают проведенные исследования распределения плотности,потока электронов в поперечном сечении пучка кикротрона, толщина пластины из прозрачного полимерного материала 3- 6 мм является оптимальной. При толщине пластины более 6 мм точность полученных результатов снижается вследствие многократного рассеяния электро- нов при взаимодействии пучка с ве- ществом. При толщине пластины менее 3 мм для визуализации пористой массы требуется более длительное облучение, что ведет к увеличению продолжительности измерений.

При выборе числа чередующихся серий облучений и перемещений возможны два подхода. Представляется целесообразным считать диаметром электронного пучка такой диаметр, при котором плотность потока в радиальном направлении снижается в е раз по отношению к максимальной. Внутри пучка, которого определен подобным образом, протекает 68,3% всего тока пучка.При таком подходе, ставя задачу оценки распределения плотности потока электронов в поперечном сечении .пучка, внутри которого протекает 68,3% всего тока пучка, длительность завершаю- . щего облучения выбирают примерно в три раза большей пороговой дпительно- сти t, начиная с которой пористая масса визуализируется. Если же в задачу входит оценка распределения плот ности потока электронов в более широкой области поперечного.сечения пуч-. ка, то серию облучений и перемещений прекращают лишь тогда, когда распределение пористой массы при двух пос- ледовательных длительностях облучения остается практически неизменным.

Как показали проведенные исследования, фактические размеры пучка мик5

0

5 х п

У

0

ротрона в поперечном сечении (максимальный размер по горизонтали 32 мм и максимальный размер по вертикали 12 мм) значительно превосходят соответствующие размеры (12 и 7 мм) пучка непосредственно зс фольгой выводного окна ускорителя.

П р и м е р 2, Берут пластину из органического стекла длиной 210 мм, шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепляют горизонтально (т.е. гранью 210 X 5;5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, Чтобы грань 210x78 лежала в плос кости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов 5 мкА, энергия электронов 12,5 МэВ. Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастающими ;у1ительностями (30 с, 40 с, 50 с, 60 с, 300 с) и фиксированных перемещений слева направо в той же плоскости, В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. После этого части образовавшейся пористой массы, выступающие за пределы поверхности пластины, удаляют, а информацию о наборе распреде- лений пористой массы с облученных участков пластины переносят на фотобумагу контактным способом.

П р и м е р 3. Берут пластину из органического стекла длиной 207 мм, шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепляют горизонтально (т.е. гранью 207 X 5,5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грайь 207x78 лежала а плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов 6 мкА, энергия электронов 2,5 МэВо Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастагощи ми длительностями (25 с, 30 с, 35 с, 40 с) и фиксированных перемещений еле ва направо, затем облучают в течение А5 с, после чего поворачивают в той же плоскости на 180 и продолжают подвергать чередутощейся серии облучений с нарастающими длительностями (50 с, 55 с, 60 0/65 Cf 300 с) н фиксированных перемещений. Удаление части образовавшейся пористой массы и перенос информации о наборе распределения пористой массы с облученных

fO

.- 5

20

участков пластины на фотобумагу осуществляют так же, как в примере 2.

П р и м е р 4. Берут пластину из полистирола длиной 60 мм, шириной и толщиной 1 мм, закрепляют го- 5 ризонтально (т.е. гранью 160x1) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань лежала в плоскости, пер пендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов 6 МкА, энергия электронов 4,52 МэВ. Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (100 с, 125 с, 140 с, 300 с) и фиксированных,перемещений слева направо в той же плоскости, В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы.

Более высокие величины длительностей облучения, при которых визуализируется пористая масса, в данном 5 случае обусловлены как меньшей толщиной пластины по сравнению с примерами 1-3, так и существенно более низкой величиной радиационного выхода газа (числа образовавшиэЛя моле- , кул газа на 100 эВ поглощенной энергии) для полистирола по сравнению с органическим стеклом (0,07 и 1,11 1/100 эВ соответственно),

П. р и м е р 5. Здесь используют также параметры излучения микротрона и пластину из органического стекла, как и в примере 2./Пластину при помощи клея приклеивают к подложке в виде керамической облицовочной плитки Раз- мером 150 X 150 X 6 мм и закрепляют горизонтально на подставке-держателуе. Пластину (вместе с подложкой) размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань пластины 210 X 78 лежала в плоскости, перпендикулярйой направлению падения пучка, и была обращена органическим стеклом к пучку. Пластину подвергают такой же чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями и фиксированных перемещений, как и в примере 2. В результате такой обработки над поверхностью облучен1П.1Х участков пластины появляется растянутая пористая масса, поверхность которой дает информацию об объемной модели распределения плот45

50

fO

5

20

5 5, ,

.

45

50

мости потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона,

П р и м е р 6. Здесь используют такие же параметры излучения микротрона и пластину из органического стекла, как ив примере 3. Пластину приклеивают к подложке из керамики , закрепляют и размещают на пути пучк а ми- кротронл так же, как и в примере 5. Пластину подвергают такой же чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями и фиксированных перемещений, как и в примере 3. В результате завершающего облучения с . длительностью 300 с участка пластины над его поверхностью появляется растянутая пористая масса, представляющая собой объемную модель распределения плотности потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона. Поскольку реализация описываемого способа не обусловлена уносом материала детектора из зоны действия пучка, то способ делает возможным диагностику пучков, удельная поверхностная мощ-; кость которых ниже 10 Вт/см .

Простота способа, короткие экспозиции (30-300 с) при получении набора изодозйых кривых, возможность одновременного определения профиля и пространственного положения пучка, исключение необходимости сложных подготовительных операций (полировка поверхности детектора, вакуумирование и т.п.) и обеспечения аппаратурной (интерференционным микроскопом, усилителями и т.п.), возможность получения непрерывной по всему сечению пуч-- ка информации, нечувствительность к ,наводкам в сильных полях СВЧ-излуче- ния, возможность хранения и многократного съема полученной информации, доступность и относительно низкая . стоимость используемых материалов в сочетании с достаточной для проведения экспрессных оценок разрешающей способностью позволяют упростить и ускорить процесс оперативной диагной- тики пучков заряженных частиц и делают его пригодным дпя технологической дозимётр.ии. При всем этом обеспечивается возможность диагностики уз- пучков электронных ускорителей (линейных ускорителей, сильноточных бетатронов, никротронов)« широко используемых в народном хозяйстве.

Н1 Н2 М lf HS tf6

Фиг

Редактор Т.Иванова

Составитель С.Кондратенко .

Техред В .Кадар Корректор А.Обручар

-V- Заказ 564Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий fl3035, Москва,Ж-35, Раушская наЬ., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие г.Ужгород, .ул.Проектная,4

руча