Источник ионизирующего излучения (его варианты)

4 ц-ц САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ им ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики, электроники иавтоматики при Томском политехническом институте(56) 1. Патент Франции )( 2176505,кл. Н 05 Н 9/ОО, опублик. 1973.2, Патент США Иф 3160779,кл. 313-330, опублик. 1964.3. Авторское свидетельство СССРВ 758933, кл. 6 21 К 1/06, 1979(54) ИСТОЧНИК ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ)(57) 1. Источник ионизирующего излучения,содержащий источник релятивистских заряженных частиц, входной н выходной коллиматоры и установленный на пути пучка заряженных частиц равномерно изогнутый кристалл, кристаллографические плоскости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц, о т л и ч а ю щ и й с.я тем, что, с целью повьпнения степени монохроматичности излучения, в кристалле вы; полнено прямоугольное отверстие, .ф ориентированное вдоль продольной оси кристалла, размер 1 котороговдоль этой оси равен Р = 29 4 М/9 у, где 8 - радиус изгиба кристалла, "- Лоренц-фактор частицы, при этом Е кристалл деформирован так, что касательные к входной и выходной кристаллографическим плоскостям по обесторонам отверстия совпадают, а выходной коллиматор установлен вдоль касательной к выходной кристаллографической плоскости.Эевй1 ОЯЯ2. Источник ионизирующего излучения, содержащий источник релятивистских заряженных частиц, входной и выходной коллиматоры н установленный на пути пучка заряженных частиц равномерно изогнутый кристалл, кристал- лографические плоскости которого ори. ентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения степени монохроматичности излучения, монокристалл выполнен из.двух частей с равномерным изгибомкристаллографических плоскостей, раз,деленных регулируемым зазором, и каждая нз частей ориентирована так, чтокасательная к выходной кристаллографической плоскости первой части кристалла совпадает с направлением касательной к входной кристаллографической плоскости второй части кристалла,а выходной коллиматор установленвдоль направления этой касательной, Изобретение относится к области . полученияпотоков электромагнитного излучения и может быть использовано при создании источников ионизирующего излучения, применяемых в ра диационной технологии и диагностике материалов и изделий.Известно устройство для получения рентгеновского излучения на линейных ускорителях, согласно которому ускоренный пучбкэлектронов направляют на мишень, установленную на выходе ускорителя 1 .Известен также источник рентге. новского излучения, принцип действия 15 которого заключается в том, что пучок релявистских электронов направляют на монокристаллический анод, ориентированный одним из главных кристаллографических направлений параллель но пучку электронов 2, Общим недостатком для представленных устройств является получение излучения только в рентгеновском диапазоне длин волн и невозможность получения бо лее жесткого гамма-излучения, так как в этих устройствах использован эффект генерации характеристического рентгеновского излучения, обусловленный возбуждением электронным пуч- Зр ком атомов мишени. Рассматриваемые источники не позволяют обеспечить изменение частоты излучения без замены мишени и плавно регулировать частоту генерируемого ионизирующего излучения.Наиболее близким техническим решением является источник ионизирующе го излучения, содержащий источник релятивистских заряженных частиц, входной и выходной коллиматоры и установленный на пути пучка заряженных частиц равномерйо изогнутый кристалл, . кристаллографические плоскости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц 3.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 коллиматорТакое 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 испольэовать 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 ухудше. нию рабочих параметров пучков получаемого ионизирующего излучения. При изменении радиуса изгиба мишени илипри замене кристаллических мишеней необходимо каждый раз заново ориентировать кристаллическую мишень так, что пучок заряженных частиц входит по касательной к изогнутым кристалло графическим плоскостям в точке выхода их на облучаемую (входную) поверхность. Излучение релятивистских частиц в таком устройстве происходит по типу синхротронного излучения при движении по круговой траектории и имеет широкое спектральное распределение, т. е. не обладает монохроматичностью, что ограничивает его использование, например, для атомной спектроскопии и материаловедения.Целью изобретения является повышение степени монохроматичности излучения.Цель достигается тем, что в источнике ионизирующего излучения, содер-. жащем источник релятивистских заряжен ных 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, в кристалле выполнено прямоугольное отверстие, 30 ориентированное вдоль продольной оси кристалла с размером отверстия вдоль этой оси= 27 х 4 Ю 9, где Е - радиус изгиба кристалла,- Лоренц-фактор частицы, при этом крис- З 5 талл деформирован так, что касатель.ные к входной и выходной кристаллографическим плоскостям по обеим сторонам отверстия совпадают, а выходной коллиматор установлен вдоль касатель.40 ной к выходной кристаллографической плоскости.Во втором варианте цель достигается тем, что в известном источнике ионизирующего излучения, содержащем 45 источник релятивистских заряженных частиц, входной и выходной коллиматоры и установленный на пути пучка заряженных частиц равномерно изогнутый. кристалл, кристаллографические плос кости которого ориентированы под углом каналирования к пучку заряженных частиц, монокристалл выполнен .из двух равномерно изогнутых частей, разделенных регулируемым зазором, 55 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 конструкция 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 каналирования в сплошном изогнутом кристалле кремяия (для плоскости (100 и спектр излучения в изогнутом кристалле с прямоугольным отверстием (зазором) с размером 1 = 2 и4 В/9.Устройство содержит источник пучка заряженных частиц 1, входной коллиматор 2, равномерно изогнутый . кристалл 3 с прямоугольным отверстием 4, размер которого вдоль продольной оси кристалла ь = 24 М 9 Г и выходной коллиматор 5. Режим каналирования релятивистских частиц в кристалле обеспечивается тем, что угол входа пучка в кристалл 1 установлен меньше критического угла- (2 ЕЕ,12 /ЕЙ) относительно заданного кристаллографического направления. Здесь р,- атомные номера частицы падающего пучка и атомов кристалла соответственно, .Й - межатомное расстояние в кристалле. Крис. талл 3 для удобства ее ориентирования предварительно изготовлен так, что главные кристаллографические плоскости выходят нормально торцовым поверхностям мишени. Радиус изгиба кристалла выбирается как к = Зсз /2 И из условия получения требуемой частоты максимума Ю,щ спектра ионизирующего излучения. Здесь= Е/шс 2 определяет энергию Е падающей частицьнКристалл в области отверстия 4 дополнительно деформирован путем приложения внешних сил Р, 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 кристаллографичееким плоскостям по обеим сторонам отверстия 4 совпадают для участков Д У, и Ь , излучение с которых испускается в направлении 3,талл45 ти излучения моугольногоне происходит, юдения излучения.г ности равна лучения в изогырезанногопроцесс интер" лучшению моно- мого излучения. 0 длины этих деформированных участков равны А 1 = А 8 г = К, что обусловлено условием выполнения конструк тивной интерференции излучения. Отбор получаемого излучения может быть осуществлен коллиматором 5, установленным в направлении 2, в котором совпадают вышеупомянутые касательные и имеющим угловой растворД л 1 ф- Чг сг = )Второй вариант устройства показан схематично на Фиг. 2 и содержит источник пучка релятивистских заряженных частиц 1, входной коллиматор 2, два равномерно изогнутых кристалла 3 с регулируемым промежутком (зазором) 6 между кристаллами, выходной коллиматор 5 и устройство 7 для регулирова 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 излучения использовано дистанционное устройство 7 для 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 кристаллографическим плоскостям по обеим сторонам зазора 6.Принцип работы предлагаемого устройства заключается в реализации явления каиалирования релятивистских заряженных частиц в изогнутом кристалле. В устройстве по первому вариан ту пучок частиц 1 направляют с помощью входного коллиматора 2 в режиме каналирования в изогнутый крис 3 с прямоугольным отверстием 4 ра ром 2 = 24 В/9вдоль продольной оси изогнутого кристалла. Движение релятивистские частицы с энергией Е почискривленной .траектории в кристалле вызывает электромагнитное излучение квази-синхронного типа, частота которого определяется радиусом изгиба траектории ЙК . Для кристалла с постоянным радиусом изгиба движение частиц происходит по равномерным искривленным траекториям и максимум спектрального распределения излучения приходится на частоту Яс= 2 сЕз /ЗК(а сг) , где ш - масса покоя частицы С - скорость света.При наличии разрыва в траекториях 5 частиц величиной 1 = 29 4 К/9", за .счет выполнения прямоугольного отверс.тия 4 в кристалле 3 суммарное полеизлучения определяется интерференцией 0волн, излучаемых с выходного и входного участков первой и второй частикристалла, в том случае, если касательные к входной и выходной кристаллографическим плоскостям по обеим сторонам отверстия 4 совпадают,Данное условие на ширину отверстия1 определяет интерференцию волн квази-синхротронного излучения для частот .в области максимума спектраизлучения.1Так как излучение релятивистской"частицы с криволинейной траекториейнаправлено в каждый момент временивдоль вектора скорости Ч в малыйтелесный угол с раатвором ь 9 (1Чг /сг) 2,, то излучение вку наблюдения приходит с последовательных участков А и В изогнутогокристалла 3, примыкающих по.обеим 30сторонаы отверстия 4 и имеющих длины Ь= д 2 = К. Излучениес этих участков А и В происходитпоследовательно, т. е. синхронизовано самой частицей. Как следствиеимеется запаздывание поля излученияс участка В относительно излученияс участка А на время Ь= йе - С,где йе = ЮЧ и С = 1/с, Поэтомза счет интерференции излученияэтих участков в направлении наб ения и выходного коллиматора.5 усиливаются волны с частотами Я =л= 2 нп/ЬС, где и = 1, 2, 3- поря.док интерференции, Или Я= 2 п(йе -- й) = 41(пЧг 2, Здесь множительл2 г учитывает эффект Допплера длядвижущегося излучателя. Потери интенсивнос за счет вырезания пря отверстия в кристалле так как в точку набл принимается с длины-1 которая в точ длине Формирования из нутом кристалле беэ в промежутка. Описанный ференции приводит к у хроматичности получаеДля регулирования частоты излучения из изогнутого монокристалла достаточно использовать вместо одного сплошного кристалла два изогнутых кристалла, установленных с 5 зазором между ними. В этом втором варианте устройства роль отверстия, которое было использовано в первом варианте, играет зазор 6 между дву 10 мя частями изогнутого кристалла 3, а плавное регулирование частоты излучения можно осуществлять, изме-. няя (увеличивая или уменьшая) это расстояние, так как частота излуче, ния связана с размером зазоракак15 Я = 2 с /1, При таком плавном изменении 1 осуществляется плавный ,сдвиг частоты главного интерференционного максимума по частотному спектру, В случае изменения расстоя го ния зазора 6, кратном п 1, где и - целое натуральное число, происходит ступенчатое переключение частоты получаемого излучения с главного интерференционного максимума (и = О)25 на боковые максимумы излучения (и =1, 2;) . При движении в изогнутом кристалле, помимо рассмотренного квазисинхронного излучения, имеет место излучение при каналировании, имеющее характер квазиондуляторного излучения. Формула, описывающая фотонный спектр, имеет вид для максимума спектральной плотности35ДИ.мокс= 10 е/Я 43 Ь суДК,число фотонов, излучаемых в единицу ,времени, равно40И = 15 13 Р /2 К (2)Квазиондуляторное излучение при каналировании характеризуется максимумом спектральной плотности Фотонов. .45 сФкг Й= ЗР /Е у (4)На фиг. 3 показаны рассчитанные по формулам (1-3) спектры квази-синхро тронного излучения позитронов с энергней Е = 1,0 ГэВ при движении в режиме каналирования в сплошном изогнутом кристалле кремния (для плоскости(100) (кривая 8) и в изогнутом кристалле с прямоугольным отверстием (зазором) с размером 1 = 27 4 К/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 видно на фиг. 3, монохроматичность квази-синхронного излучения ( ЬЯ .масс увеличивается более, чем в два раза,интенсивность в максимуме спектрального распределения 1 максвозрастаетне менее чем в два раза для кристалла, имеющего отверстие на пути движения заряженных частиц, При этом спектральная плотность в интерференционноммаксимуме квази-синхронного излученияболее, чем на порядок превышает соответствующую спектральную плотность квази-ондуляторного излучения (кривая 10)Конкретная реализация предложенного устройства может быть .осуществле. на на монокристалле кремния и - типа с размерами (2 х 5 х 0,5) см, изогнутый по радиусу кривизны Н = 9 см, с прямоугольным отверстием с размером по продольной оси кристалла 1 = 0,66 х 10- см помещают на пути пучка, позитронов с энергией Е = - 1,0 ГэВ 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.1С помощью внешнего электромеханического приспособления кристалл дополнительно деформируют в области отверстия до тех пор, пока касательные 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 В = 9 см и размере отверс тия= 66 мкм, излучение суммируется с участков= 25 мкм по обеим 1сторонам отверстия, Согласно схемам устройства на Фиг. 1 и 2, прилагаются опорные усилия с внутренней выгнутой стороны кристалла на расстоянии Ь 7=. 25 мкм от краев промежутка и активные усилия, деформирующие кристалл за счет сил Е, приложенных на расстоянии около 5 мкм от краев, Путем постепенного наращивания усилий добиваются достижения максимального интерференционного эффекта. В данном случае получается интерференционный максимум излучения в максимуме его спектрального распределения с частотой Ис ,д = 410 С19 -1Во втором варианте предлагаемого источника на пути пучка позитронов с энергией Е = 1,0 ГэВ помещают два монокристалла с размерами (2 х 2 х х 0,5) см, каждый равномерно изогнут по радиусу кривизны В = 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 Яд - 2 10 С . Раздвинув с помощью дистанционного управляемого приспособления оба кристалла на расстояние зазора 1 = 300 мкм, получаем монохроматизацию излучения на частоте Использование предлагаемого источника ионизирующего излученияобеспечивает, по сравнению с известным Я, которое мы выбираем за базовый объект, следующие преимуществаза счет эффекта интерференции излучения: увеличение монохроматичностиизлучения более, чем в два раза, 1 О увеличение интенсивности излучения вмаксимуме спектрального распределения до двух раз, возможность регулирования частоты излучения без замены мишени и без изменения радиуса.15 изгиба кристалла и энергии пучкачастиц путем изменения величины зазора между двумя изогнутыми кристаллами. И Предлагаемое устройство при егоиспользовании для проведения экспериментов в физике н прикладных работах приводит к снижению эксплуатационных энергетических затрат за счетснижения времени, необходимого дляпроведения измерений и обработкирезультатов, так как по сравнению сбазовым объектом предлагаемый источник ионизирующего излучения имеет 30 более монохроматический спектр фотонов с большей спектральной плотностью. Конкретную сумму экономического эффекта рассчитать затруднительно из-за отсутствия данных по базовому объекту, а.также потому, чторазработанное устройство в основномможет быть использовано в научныхцелях.. ВНИИПИ Госуда по делам и 3035, Москва, ЖПодписноевенного комитета СССРретений и открытийРаушская наб., д. 4