Способ определения распределения плотности потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка

(51) ИЯ АНИ РЕТ АВТО МУ СВИД ЬСТВУ.Книжник ниско 212 1971. о ССС 70. ЛЕНИЯ РАСПРЕЗАРЯЖЕННЦХНИИ ПУЧКА с фигlФ+ъфлрф.": ..:,ц СОВХОЗ СОВЕТСКИХСОФЮ ЛИСТИНЕСНИХ . ,. :;Е -;. РЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(54)(57) 1.СПОСОБ ОПРЕДЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКАЧАСТИЦ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕ,БО 1292469 и мощью детектора излучения, о т л и"ч а ю щ и й с я тем, что; с цельюобеСпечения воэможности диагностикиузких пучков электронных ускорителейи упрощения процесса определения, детектор, выполненный в виде пластиныиэ прозрачного полимерного материала,последовательно подвергают чередуо"щейся серии облучений с дискретно нарастающими длительностями путем Фиксированных перемещений детектора вплоскости, перпендикулярной направ"лению падения пучка, и по полученному на облученных участках пластинынабору распределений пористой массы,образовавшейсявследствие радиационного газовыделения полимера, судято топограФии плотности потока частиц.1292469 2, Способ по п,1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности и упрощения процесса обработки результатов определения, перед размещением детектора па 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 пласгины переносят на фотобумагу посредством контактной печати. Изобретение относится к ускори- . тельной технике, более конкретно - к,технике измерения параметров пучков заряженных частиц, выведенных из, ускорителей, и может быть использова но в различных областях народного хозяйства при применении ускорителей заряженных частиц для решения технических, медицинских, агрохимических, радиобиологическнх, научных и иных задач. 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 обьемной модели распределения плотности потока заряженных час" 30 тиц в поперечном сечении пучка.Предложенный способ основан на из" вестном явлении образования и выделения низкомолекулярных продуктов радиолиза полимеров, получившем в научной литературе название радиационного газовыделенияПроцесс обусловлен тем, что облучение полимерных материалов приводит к отщеплению от макро- молекул отдельных атомов или боковых Зц групп, последующей их взаимной реком" бинации и другим сложным реакциям, Как и все необратимые радиационные эффекты в полимерах, радиационное га. эовыделение определяется в основном, 35 3. Способ по и,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью получения объемной модели распределения плотности потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка, детектор прикрепляют к подложке иэ радиационностойкого материала, например керамики, и размещают на пути пучка стороной, обращенной полимерным материалом к пучку.4. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве прозрачного полимерного материала детектора используют органическое стекло или полистирол. 2 ил.2поглощенной дозой облучения. Установлено, что, если облучать блочный полиметилметакрилат (органическое стекло) при повышенных температурах, то внутри образца наблюдается выделение пузырьков газа, часть массы вещества образца становится пористой и образец вспучивается. Как показывают произведенные исследования с использованием пучка ус" коренных электронов микротрона, процесс образования и выделения газа в полимерной пластине, размещенной на пути пучка, происходит в процессе облучения непрерывно. При этом большей ф поглощенной дозе соответствует больший объем радиационного газовыделения и пористой массы веществаОдна"ко существует некоторое пороговоезначение поглощенной дозы 0, при достижении которого пузырьки газа и пористая масса вещества становятся видны невооруженным глазом. Величина 0зависит от материала и толщины пластины, параметров диагностируемого,пучка (вида и энергич частиц и др.).Следовательно, если в процессе измерения указанные параметры не изменяются, то факт образования и визуальноФиксированного появления пузырьковгаза и пористой массы вещества в облученной полимерной пластине однозначно свидетельствует о достижении0 . Использование прозрачного поли 1 .92669мера в качестве материала дете .т. г позволяет зрительно зяфинсироцл .ь появление и распределение пузырьков газа и пористой массы внутри объема облученного участка пластины. В об щем случае при появлении в облученном участке прозрачной полимерной пластины пористой массы любого размера и формы каждая точка на границе между пористой массой и остальной частью участка облучена до Р . следовательно, граничная зона между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины (или, в случае наличия "пузырька" внутри объема пластины, проекция контурапузырька на поверхность пластины) является, по существу, иэодозной кривой Ь. Пространственное положение иэодозной кривой на облученном участке пластины соответствует линии равной плотности потока заряженных частиц.Если последовательно подвергать 25 некоторый участок прозрачной полимерной пластины облучению с произ-.вольной длительностью Т , затем, переместив пластину, подвергать облучению с длительностью 1" , большей ъ , 30 другой участок, после чего, снова переместив пластину, подвергать облучению с длительностью т", большей ", следующий участок и т.д., то, во-первых, будет обнаружена пороговая длительность облучения 7 , начиная с которой пористая масса (или пузырек газа) визуализируется, и, во-вторых, в результате фиксированных перемещений и облучений с длительностями Г , 40 большими, будет получен набор рас" лределений пористой массы и соответствующих изодоэных кривых Е на облученных участках пластин. Зная прост- ранственное положение пластины и дли тельность облучения при получении каждой изодозной кривой и учитывая, что локальная плотность потока заряженным частиц при одной и той же величине поглощенной дозы обратно пропорцио 50 нальна длительности облучения, путем графического наложения соответствующих иэодоэных кривых несложно оценить пространственное распределение плотности потока заряженных частиц в попе-у речном сечении пучка.Как показывают проведенные исследования, наиболее точная картина распре деления плотности потока частиц в пои е р е ч ц Р м с Ре ц ц цу ч к л т 1 о с 1 у ч л с т Гиперемеиецци пластины в цпокос ти, гер. пендикулярсой .няцрлвлеццю пллецц пучка, В случае, когда пучок плдлет цл пластину с отклонением от цормали, для цолучеция точной картины топографии плотности потока частиц необходимо воспроизвести условия, при которых пластина облучалясь, т.е. необходимо, чтобы направление взгляда наблюдателя было параллельно направлению падения пучка, что не всегда возможно точно воспроизвести Кроме того, при падении пучка на детектор под углом, отличным от прямого, возрастает число рассеянных частиц, что искажает картину распределения плотности потока частиц.Яанесение на пластину из прозрачного полимерного материала координатной сетки перед размещением пластины на пути пучка, удаление выступающей за пределы поверхности пластины части образовавшейся (вследствие радиационного газовделения) пористой массы, перенос информации о наборе распределений пористой массы с облученцой пла. стины ца фотобумагу посредством кон . тактной печати - все эти операции способствуют удобству графического построения распределения изодозных кривых, уменьшению погрешностей и сокращению продолжительности обработки результатов. Благодаря этому точцость повышается и упрощается процесс обработки результатов определения распределения плотности потока частиц в поперечном сечении лучка. Образование растянутой пористой массы вследствие радиационного газовыделения происходит обычно в обе стороны от пластины. Введение твердой подложки из радиационностойкого материала, например иэ керамики, к которой прикреплена пластина нэ прозрачного 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 П, препятствуют радиационно"стимулированному изменению объема облученного участка пластины по всем направлениям. В результате образование растянутой пористой массы (т.е. вспучивание,полимерной пластины) происходит только в одну сторо129246 ну, а именно в сторону, обращенную к пучку. Поскольку объем газа, выделившегося иэ каждого локального (ээлементарного) облученного 1-го участка пластины, пропорционален поглощенной этим участком дозе О то более растянутому локальному участку пористой массы соответствует большая поглощенная доза. В случае однократного облу-, чения данного участка пластины дли тельности облучения каждого, в том числе 1-го локального участка одина" ковы. Поэтому высота растянутой пористой массы для каждого такого участка (в том числе Н;) будет пропорцио нальна поглощенной этим участком до" эе (для 1-го локального участка 0,), а следовательно, и плотности потока частиц в данйой точке поперечного сечения пучка (для -го участка Ч, ). 20 Таким образом, поверхность растянутой пористой массы над поверхностью пластины, являющаяся огибающей совокупности высот локальных участков, представляет собой, по существу, объем ную модель распределения плотности ,потока заряженных частиц в поперечном сечении пучка. Использование в качестве прозрачного полимерного материала пластины органического стекла или полистирола связано с их широкой доступностью и относительно низкой стоимостью.На фиг. 1, 2 в координатных осях Х, 7 изображен набор изодозных кри" вых, совмещенных с учетом фиксированных пополнений тйастины при соответствующих облучениях, а в координатных осях Х, Е - один из возможных вариан тов графического построения распределения плотности потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона на основании набора совмещенных иэодозных кривых. 45Направление оси Х характеризует расстояние в горизонтальной плоскости от частицы (электрона) до оси пучка, направление оси У характеризует расстояние в вертикальной плоскости от электрона до оси пучка, направление оси Е параллельно направлению движения пучка электронов микротрона.П р и м е р . Берут пластину из органического стекла длиной 210 мм, шириной 85 мм и толщиной 4 мм, закрепляют вертикально (т.е, гранью 85 х 4) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, что 96бы грань 210 х 85 лежала в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка. Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов 4,5 мкА, энергия электронов 10,5 МзВ, 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 40 с другой участок пластины. После этого подвергают облучению в течение , = 60 с следующий участок. (На этот раз пористая масса вещества, образовавшаяся вследствие радиационного газовыделения полимера, отчетливо видна йевооруженным глазом). Вслед за этим пластину подвергают аналогичной чередующейся серии фиксированных перемещений в той же плоскости и облучений с нарастающими длительностями80 с, = 120 с, т, =80 с,300 с, Т = 1200 с. В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. При этом граничные линии между распреде" пением пористой массы и остальной поверхностью пластины представляют собой набор изодозных кривых 1, ,1. Ь Ь 1. Ь. Передвигают гра фически каждую из кривых Ь 1, Ь, Ь Ь, вверх (в сторону кривой Ь, ) на расстояние, равное перемещению пластины при получении соОтветствующей кривой. Получают набор совмещенных изодозных кривых на поверхности пластины, т.е. в поперечном сечении пучка микротрона (см, фиг.1, координатные оси Х, У). Затем в координатньгх осях Х, Е строят прямоугольник Е Р С К с осноБ б б б ванием, равным ширине площадки, ограничиваемой изодоэной кривой Ь т.е. Е КАВ , и произвольной высотой. После этого строят еще пять прямоугольников, о"нование каждогр из которых равно ширине площадки, ограничиваемой определенной изодозной кривой, а высота обратно пропорциональна соответствующей длительности облучения. (Например, строят прямоугольник ЕР,С К с основанием Е К =А В и высотой Е Р = Е Р ;/75 5 б б ф 5 Поскольку реальное распределение плот 1292469ности потока электрацон н поперечном сечении пучка удовлетворительно описывается гауссоной кривой с максимумом ца оси пучка, строят ряд гауссовых кривых (в тпгп , т , ш,), каж дая из которых опирается ца основание определенного прямоугольника, ограничивает площадь, равную площади этого прямоугольника, и имеет максимум на оси пучка. Наконец, строят огибающую 0 М семейства гауссовых криных, которая и представляет собой распределение плотности потока электронов по оси Х поперечного сечения пучка микротрона.Как показывают пронеденные иссле 5 дования распределения плотности. потока электроцон н поперечном сечении пучка микротрона, толщина пластины из прозрачного полимерного материала 3- 6 мм является оптимальной. При толщине пластины более 6 мм точность полу" ченных результатон снижается нследствие многократного рассеяния электро" нов при взаимодействии пучка с.веществом. При толщине пластины менее 3 мм для визуализации пористой массы требуется более длительное облучение, что ведет к увеличению продолжитель- ности 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 раэ по отношению к максимальной. Внутри пучка, диаметр которого определен подобным образам, протекает 68,3 всего тока пучка,При 0 таком подходе,. ставя задачу оценки распределения плотности потока электронов в поперечном сечении .пучка, внутри которого протекает 68,3 всего тока пучка, длительность завершаю" . 45 .щего облучения выбирают примерно в три раза большей пороговой длительности, начиная с которой пористая .имасса визуализируется. Если же в задачу входит оценка распределения плот д ности потока электронов в более широкой области поперечного. сечения пучка, то серию облучений и перемещений прекращают лишь тогда, когда распределение пористой массы при. двух пос- у ледовательных длительностях облучения остается практически неизменным.Как показали проведенные исследования, фактические размеры пучка мик" ротроца и поперечном сечении (макеимальцый размер по горизонтали 32 мми максимальцюй размер па вертикали12 мм) эцачительно превосходят соответствующие размеры (12 мм и 7 мм)лучка непосредственно з," фольгой выводного окна ускорителя.П р и и е р 2. Берут пластину иэорганического стекла длиной 2 О мм,шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепляют горизонтально (т,е, гранью210 х 5;5) на подставке-держателе иразмещают на пути пучка микротронатак, чтобы грань 2 Ох 78 лежала в плоскости, перпендикулярной направлениюпадения пучка. Параметры излучениямикротрона: средний ток пучка элек"тронов 5 мкА, энергия электронов12,5 МэВ. Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (30 с 40 с, 50 с, 60 с, ЗОО с) и фиксированных переме-, щений слева направо в той же плоскос"ти. В результате такой обработки наоблученных участках пластины визуализируется набор распределений пористой массы. После этого части образовавшейся пористой массы, выступающиеза пределы поверхности пластины, удаляют, а информацию о наборе распределений пористой массы с облученныхучастков 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 х 5,5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань 207 х 78 лежала в плоскости, перпендикулярной направлению падения пучка, Параметры излучения микротрона: средний ток пучка электронов 6 мкА, энергия электронов 12,5 ИэВ. Пластину подвергают чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (25 с, 30 с, 35 с, 40 с) и фиксированных перемещений сле ва направо, затем облучают в течение 45 с, после чего поворачивают в тойоже плоскости на 80 н продолжают подвергать чередующейся серии облучений с нарастающими длительностями (50 с, 55 с, 60 с, 65 с 300 с) и фиксированных перемещений. Удаление части образовавшейся пористой массы и перенос информации о наборе распре" деления пористой массы с облученных9 1292469 10 участков пластины на фотобумагу осу- ности потока электронов в поперечном ществляют так же, как в примере 2. сечении пучка микротрона,П р и м е р 4. Берут пластину из П р и м е р 6. Здесь используют полистирола длиной 160 мм, шириной такие же параметры излучения микро мм и толщиной 1 мм, закрепляют. го трона и пластину из органического ризонтально (т,е, гранью 160 х 1) на стекла, как и в примере 3. Пластину подставке-держателе и размещают на приклеивают к подложке из керамики, пути пучка микротрона так, чтобы закрепляют и размещают на пути пучка мигрань 160 х 10 лежала .в плоскости, пер- кротрона так же, как и в примере 5, пендикулярной направлению падения Пластину подвергают такой же череду 10пучка, Параметры излучения микротро- ющейся серии облучений с нарастаюна: средний ток пучка электронов шими длительностями и фиксированных 6 МкА, энергия электронов 4,52 МэВ. перемещений, как и в примере 3. В реПластину подвергают чередующейся се- эультате завершающего облучения с рии облучений с нарастающими длитель- - длительностью 300 с Участка пластины15ностями (100 с, 125 с, 140 с, 300 с) над его поверхностью появляется раси фиксированных, перемещений слева на- тянутая пористая масса, представляю- право в той же плоскости. В результа" щая собой объемную модель распреде 3 те такой обработки на облученных уча- ления плотности потока электронов в стках пластины визуализируется набор поперечном сечении пучка микротрона,20распределений пористой массы. Поскольку реализация описываемогоБолее высокие величины длительнос- способа не обусловлена уносом материтей облучения, при иоторых виэуали- ала детектора иэ эоны действия пучка, эируется пористая масса, в данном то способ делает возможным диагностислучае обусловлены как меньшей тол- . ку пучкове Удельная поверхностнаямощ 3 щиной пластины по сравнению с приме- ность которых ниже 10 Втсм рами 1-3, так и существенно более Простота способа, короткие экспо- низкой величиной радиационного выхо- зиции (30-300 с) при получении набора да газа (числа образовавшився моле- З 0 изодозйых кривых, возможность однокул газа на 100 эВ поглощенной энер- временного определения профиля и прогии) для полистирола по сравне- странственного положения пучка, иснию с органическим стеклом ключение необходимости сложных под(007 и 1,11 1/100 эВ соответственно), готовительных операций (полировкаП. р и м е р 5. Здесь используютповерхности детектора, .вакуумированиетакже параметры излучения микротрона и т.п.) и обеспечения аппаратурной35и пластину из органического стекла, (интерференционным микроскопом, усикак и в примере 2.,Пластину при помо- лителями и т.п.), возможность получещи клея приклеивают к подложке в видения непрерывной по всему сечению пучкерамической облицовочной плитки раз ка информации, нечувствительность кмером 150 х 150 х 6 мм и закрепляют наводкам в сильных полях СВЧ-иэлучегоризонтально на подставке-держателе. ния, воэможность хранения и иногоПластину (вместе с подложкой) разме" кратного съема полученной информации,щают на пути пучка микротрона так, доступность.и относительно низкая .чтобы грань пластины 2 О х 78 лежала стоимость используемых материалов вв плоскости, перпендикулярйой напРав- сочетании с достаточной для проведелению падения пучка, и была обращена ния экспрессных оценок разрешающейорганическим стеклом к пучку. Пласти- способностью позволяют упростить ину подвергают такой же чередующейся ускорить процесс оперативной диагноссерии облучений с нарастающими дли- тики пучков заряженных частиц н де 50тельностями и фиксированных переме- лают его пригодным для технологичесщений, как и в примере 2. В результа- кой дозииетрии. При всем этом обеспете такой. обработки над поверхностью чивается воэможность диагностики уэоблученньм участков пластины появля- ких пучков электронных ускорителейется растянутая пористая масса, по- (линейньм ускорителей, сильноточныхверхность которой дает информацию об бетатронов, микротронов), широко ис-объемной модели распределения плот" Польэуемых в народном хозяйстве.ТиражГосударственногоелам изобретенийМосква,Ж, Ра омитета СССР открытий скал наб., д.4/