Исследование возможностей генерации высокоэнергетического рентгеновского излучения при пучково-плазменном нагреве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Биман Танвир Ахмед

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОМ НАГРЕВЕ

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2003 г.

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики факультета физико-математических и естественных наук Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор Андрей Акимович Иванов

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., Юрий Григорьевич Калинин к.т.н., Владимир Алексеевич Обухов

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт

Защита диссертации состоится "Л?' ноября 2003 г. В 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета К 212.203.01 в Российском университете дружбы народов по адресу; 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 3, зал № 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6.

Автореферат диссертации разослан 'Я?-' октября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного сове' доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В последние годы возобновился интерес к созданию генераторов излучения в рентгеновском диапазоне без использования систем питания на высокие напряжения. Несмотря на то, что в настоящее время существуют технология создания промышленных рентгеновских аппаратов с широким диапазоном мощностей (1 - 100 кВт). Тем не менее, проблемы, возникающее при работе с высоким постоянным напряжением, заставляют обратиться к альтернативным источникам рентгеновского излучения. Одним из таких источников, казалось бы, мог быть источник на основе делящихся радиоактивных материалов. Однако трудности, возникающие при работе, хранении и последующем захоронении радиоактивных материалов, сводят на нет кажущееся достоинство, - отсутствие необходимости в питающем напряжении. Другой широко распространенный метод, находящийся в стадии интенсивной разработки, - нагрев электронов в разряде на основе явления циклотронного резонанса и взаимодействия высоко энергичных электронов с мишенью. Относительная простота и компактность разработок последнего типа позволяют ставить вопрос о применении этих установок для радиотерапии. Особенно привлекательными эти устройства оказываются при применении постоянных магнитов, в результате они становятся более компактными, и в настоящий момент, ставится вопрос о внедрении этих установок в медицину. Однако, интенсивность излучения и предельные энергии, полученные на этих системах, в ряде случаев оказываются недостаточными, и возникает вопрос о создании более мощных источников рентгеновского излучения с ре1улируемой энергией рентгеновских квантов. В этом отношении оказывается незаслуженно забытым результат, полученный в 1963 г. Алексьевым для пучково-плазменного разряда, а затем рассмотрен неоднократно в работах, как в импульсных, так и в стационарных системах.

Цель работы

Исследование возможности генерации высокоэнергетичных рентгеновских квантов при пучково-плазменном разряде и выявление влияния параметров разряда на выходную мощность генерируемого рентгеновского излучения в стационарном режиме, а также возможность осуществления последующего адиабатического сжатия плазмы для получения рентгеновских квантов с большей энергией.

Для того чтобы более рельефно выделить основные условия нагрева электронов в пучково-плазменном разряде в зеркальной ловушке, а также более ясно представить перспективы использования данного явления для создания источников рентгеновского излучения, а возможно, и для других приложений, таких, например, как источники многозарядных ионов или коллективные ускорители протонов была выбрана установка «Оратория-10» и разработана программа экспериментов, которая включала в себя два метода регистрации рентгеновского излучения: люминесцентный и сцинтилляционный.

Научная новизна работы

На защиту выносятся следующие положения и результаты, определяющие новизну диссертационной работы:

1. Было найдено, что для поддержания ППР в аргоновой плазме достаточно мощности электронного пучка 1,5 кВт (энергии электронов пучка 3 кэВ и тока пучка 0,5 А) при магнитном поле 600 Гс в центре ловушки.

2. Разряд устойчиво горит в водородной плазме при тех же параметрах пучка и при магнитном поле в центре ловушки 300 Гс.

3. Эффект адиабатического сжатия при стационарной инжекции электронного пучка в плазму не проявляется, т.к. при изменении магнитного поля имеет место изменение резонансных условий ускорения электронов в разряде, т.е. в процессе увеличения магнитного поля одновременно

меняются и начальные условия для сжатия. Поэтому, эффект адиабатического сжатия обнаруживается только после выключения пучка.

4. Были зарегистрированы рентгеновские кванты с энергией 250 - 280 кэВ для водородной плазмы и кванты с энергией 320 - 350 кэВ для аргоновой плазмы при стационарной инжекции электронного пучка в плазму 111 IP.

5. Эксперименты по измерению спектров рентгеновского излучения плазмы разных газов при одинаковых параметрах разряда показали явную зависимость энергии «горячих» электронов от массы газа (атомной или молекулярной), что объясняется существованием зависимости времени поперечной диффузии горячих электронов от вида ионов в плазме (отношения массы к заряду).

Научная и практическая ценность

Полученные результаты исследований позволили найти условия нагрева электронов при пучково-плазменном разряде в зеркальной магнитной ловушке:

1. Эффект адиабатического сжатия не наблюдается при стационарной инжекции электронного пучка в плазму 111 IP, и проявляется только при выключении пучка.

2. Электроны и ионы, покидая ловушку через магнитную пробку в процессе распада плазмы, могут принимать участие в коллективных процессах расширения плазмы в вакуум. При этом может наблюдаться ускорение ионов до скоростей, близких к скоростям электронов.

3. Наблюдаемая зависимость энергии рентгеновских квантов при нагреве электронов от вида плазмообразующего газа дает нам ещё одну степень свободы для регулирования нагрева электронов в пучково-плазменном разряде.

Выше перечисленные результаты исследований нагрева электронов в 111 IP, открывают широкую перспективу применения данного явления: в таких областях как медицина, научные исследования и технология. Были

предложены два варианта источника рентгеновского излучения на основе пучково-плазменного разряда с регулируемыми параметрами, которые могут использоваться в рентгеновской терапии.

Полученный устойчивый разряд при стационарной инжекции электронного пучка в водородную плазму при магнитном поле 300 Гс в центре ловушки, открывает перспективу получения «горячей» компоненты при последующем адиабатическом сжатии до энергии порядка одного МэВ.

Эффект коллективного ускорения частиц при нагреве в 111 IP, наблюдаемый в экспериментах, открывает перспективу к созданию источника многозарядных ионов на основе пучково-плазменного разряда.

Плазма, полученная на основе ППР, содержащая высокоэнергичные электроны и многозарядные ионы может быть использована для создания импульсных ионных двигателей с большой реактивной силой.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры экспериментальной физики РУДН, на научных семинарах отдела прикладных исследований РНЦ «Курчатовский Институт», на научных семинарах кафедры распространения радиоволн МФТИ.

Публикации

Материалы диссертации были неоднократно использованы в докладах на международных конференциях ("VI межгосударственный семинар, Харьков,2000", "The 16-th International Symposium on Plasma Chemistry, Taormina, Italy- June 22-27, 2003","VII межгосударственный семинар, Харьков,2003").

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и ¡писка литературы из 41 наименования. Работа изложена на 115 страницах, одержит 44 рисунков (в тексте), 7 таблиц и приложения.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной аботы, формулируется цель работы, а также описывается структура иссертации.

В первой главе рассмотрено современное состояние исследований в бласти нагрева электронов в плазме и генерации рентгеновского излучения. 1 начале главы были выбраны два разряда из изложенного обзора по разрядам точки зрения возможности генерации рентгеновских квантов. Были ассмотрены экспериментальные работы по двум разрядам - по ЭЦР и ППР. »сновные результаты, полученные в ЭЦР, сводятся тому, что при нагреве меет место существование «горячих» электронов со средней энергией от 15 -О кэВ с плотностью 104 см"3. Экспериментальные работы на основе ППР оказали существование «горячих» электронов со средней энергией 32 кэВ с лотностыо 1011 см"3 и были обнаружены рентгеновские кванты с энергией плоть до 250 кэВ при стационарной инжекции электронного пучка в плазму, аботы на импульсном режиме инжекции электронного пучка в плазму оказали зависимость энергии «горячих» компонентов от магнитного поля и жсывалась бесстолкновительная модель нагрева электронов в ППР, эгласно которой, энергичные электроны, вовлеченные в процесс ускорения, збирают энергию и диффундируют от пучка к внешней стенке ловушки, нергия, набираемая электроном, определяется временем его жизни в звушке. Коллективом украинских ученых в работе для стационарного зжима ППР был предложен другой механизм нагрева электронов, который эъясняется тем, что, в области входа пучка осуществляется разделение

зарядов в плазме, которое в свою очередь, при взаимодействии с пучком возбуждают низкочастотные и высокочастотные колебания. Перекачка энергии осуществляется из одного рода колебаний в другой. В этой главе описаны работы по адиабатическому сжатию в пучково-плазменном разряде, рассмотрены физические основы и взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Наконец, были описаны существующие устройства рентгеновского излучения. В результате была сформулирована программа экспериментов исследований.

Вторая глава посвящена описанию механизма нагрева электронов в пучково-плазменном разряде, а также сравнению ППР с ЭЦР. Когда электронный пучок вводится в зеркальную магнитную ловушку, наблюдается сильное пучково-плазменное взаимодействие, в результате чего увеличивается поперечный радиус плазмы, и происходит сильный нагрев электронов, удерживаемых ловушкой. Электронный пучок возбуждает ленгмюровские колебания при взаимодействии с плазмой. Нагрев горячих электронов происходит вследствие их взаимодействия с электронными ленгмюровскими колебаниями при а>ре)соНе. Ширина пучка в пространстве скоростей Ду становится порядка начальной скорости пучка и на расстоянии 20 - 30 см от входа пучка в систему. Характерный инкремент неустойчивости - у ~ со¡хПоь/Щ ■ Электронный пучок возбуждает колебания, главным образом, с волновыми векторами, параллельными его оси. Спектр ленгмюровских колебаний существенно неизотропен. Если электроны при взаимодействии с шумами не уходят в конус потерь в пространстве скоростей, они диффундируют в обычном пространстве к периферии установки и их энергия медленно увеличивается. Конус потерь в пространстве скоростей - функция пробочного отношения Я. Таким образом, чтобы получить горячие электроны, необходимо удовлетворить ряду условий для удержания электронов в зеркальной магнитной ловушке и их нагрева до высоких энергии, а именно:

(Оре > (¡¡Не (1)

у ~арепоь/по (2)

В

Л> 1/ со$2в0, (3)

где агс1£в =Ы к/, и Оп - некоторый предельный угол. Спектральная плотность ленмюровских колебаний убывает при увеличении 9. Было проведено сравнение ППР и ЭЦР с точки зрения ограничения энергии электронов и механизмов передачи энергии возбужденных колебаний к электронам.

В третьей главе представлено описание экспериментальной установки «Оратория -10» и диагностических методов для осуществления исследования.

Рис.1. Схема установки «Оратория-Ю»: 1 — вакуумная камера: 2 — магнитные катушки; 3 — электронная пушка; 4 — приемник электронного пучка; 5 — диафрагмы; 6 — вакуумные насосы; 7 — рентгеновская диагностика; 8 — пьезоэлектрический натекатель

Установка «Оратория-10» позволяет проводить исследования с неравновесной плазмой с плотностью Ю10 - 10° см"3, полученной в пучко-плазменном разряде. Рабочая вакуумная камера (1) диаметром 0,5 м. и длинной 1 м выполнена из нержавеющей стали. Вся камера находится в поле магнитных катушек (2). Магнитная конфигурация установки «Оратория-10» представляет собой систему типа «зеркальная магнитная ловушка» и позволяет получать магнитное поле с напряженностью 600 Гс в середине ловушки и пробочным отношением 11«3,5. Величина магнитного поля может варьироваться от 0 до 600 Гс. В течение короткого времени может поддерживаться значение магнитного поля 800 - 900 Гс. Электронный пучок цилиндрической геометрии диаметра до 4 см сформирован посредством электронной пушки (3) с током пучка до 2 А и энергией до 6 кэВ.

Электронный пучок инжектируется в рабочую камеру (1) по оси магнитного поля через диафрагмы (5) системы дифференциальной откачки. Система дифференциальной откачки используется для обеспечения вакуумных условий,, необходимых для работы электронной пушки. Необходимые вакуумные условия обеспечиваются диффузионными вакуумными насосами с охлаждаемыми водной ловушками. Остаточное давленое - не более 3x10"6 Topp. Максимальное рабочое давление - 10"3 Topp. Система напуска газа на базе пьезоэлектрического натекателя (8) обеспечивает непрерывную и импульсную подачу рабочего газа в камеру. Электроны с высокой энергией, нагретые пучково-плазменным взаимодействием в разряде, производят рентгеновские кванты при кулоновском рассеивании в плазме и при столкновениях со стенками. В экспериментах исследований были применены два метода регистрации рентгеновских квантов: сцинтилляционный и люминесцентный. В первом случае кванты рентгеновского излучения достигают сцинтилляционного датчика (7), проходя через тонкую бериллиевую диафрагму и отверстие (с диаметром 1 мм) в свинцовом коллиматоре. Кванты излучения регистрируются датчиком на основе кристалла калий-йод. Для определения спектра использовался 1024-каналный амплитудный анализатор. Во втором случае дозы рентгеновского измерялись с помощью термолюминесцентных таблеток через алюминиевый фильтр толщиной 1,4 мм.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментов и обсуждению, полученных результатов во входе экспериментов. Для исследования процессов нагрева электронов в плазме пучково-плазменного разряда в качестве основного метода контроля энергий электронов был выбран метод измерения энергетических спектров рентгеновского излучения из плазмы разряда. Параметры горячих компонентов (температура, плотность, функция распределения) определялись из спектра рентгеновского излучения, испускаемого при ППР разряде.

На установке «Оратория-10» были выполнены следующие эксперименты:

I. На первом этапе с помощью термолюминесцентного метода были исследованы интегральные характеристики рентгеновского излучения из плазмы пучково-плазменного разряда для двух основных газов: аргона и водорода.

!. На втором этапе с помощью сцинтилляционного метода были выполнены исследования для поиска оптимальных условий (по интенсивности и магнитному полю) нагрева электронов в неравновесной плазме разных газов в пучково-плазменном разряде на установке «Оратория-10». Были получены значения энергии электронов пучка, тока пучка, магнитного поля, начального давления рабочего газа, при которых обеспечивается нагрев электронов и генерация рентгеновского излучения. !. Далее были выполнены исследования влияния параметров ППР (энергия электронов и ток пучка, напряженность магнитного поля, начальное давление рабочего газа) на распределение рентгеновских квантов по энергиям в спектре при непрерывной инжекции электронного пучка в магнитную ловушку. Кроме того, на установке «Оратория-Ю» был выполнен эксперимент с адиабатическим сжатием неравновесной аргоновой плазмы.

В пятой главе описаны возможные применения полученных результатов исследования в разных областях и предложены два варианта источника рентгеновского излучения с рабочими диаграммами.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе:

I. С помощью термолюминесцентного метода были измерены дозы рентгеновского излучения для двух газов, которые оказались различными при одинаковых параметрах разряда. Кроме того, были зафиксированы такие результаты как:

> Для зажигания ППР в аргоне достаточно мощности электронного пучка в 1,5 кВт.

• Использование в качестве рабочего газа водорода позволяет зарегистрировать существенно больший поток рентгеновских квантов, чем при использовании аргона, что может объясняться тем, что для водорода большая часть энергии пучка используется на ионизацию газа и нагрев электронов, а также лучшей замагниченностью ионов водорода в зеркальной магнитной ловушке.

• При использовании в качестве рабочего газа водорода разряд поддерживается при магнитном поле 300 Гс в центре ловушки. Однако, в этом случае поток рентгеновских квантов меньше, что также может объясняться снижением та, т.е. преобладанием процесса ухода «горячих» электронов в конус потерь.

• Использование матрицы термолюминесцентных таблеток внутри камеры показало существование рентгеновских квантов с разными длинами волн.

2. С помощью сцинтилляционного метода были изучены зависимости спектра рентгеновского излучения от параметров разряда в стационарном режиме:

• От давления рабочего газа, мощности пучка, магнитного поля и вида газа.

3. С помощью сцинтилляционного метода были зарегистрированы рентгеновские кванты с энергией 250...280кэВ для водородной плазмы и 320.. ,350кэВ для аргоновой плазмы.

4. Использование вольфрамовой мишени, расположенной в центре магнитной ловушки ближе к стенке камеры, позволило зарегистрировать рентгеновские кванты с энергией 450...480кэВ для водородной плазмы и 520...550кэВ для аргоновой плазмы, т.к. атомный номер вольфрама превосходит атомный номер нержавеющей стали, из которой сделана рабочая камера.

5. Эффект адиабатического сжатия аргоновой плазмы изучался при изменении магнитного поля от 570 до 900 Гс за 0,5 с после выключении пучка в стационарном режиме разряда. Было установлено увеличение интенсивности рентгеновского излучения до 2,5 раз.

6. Эксперименты по измерению спектров рентгеновского излучения плазмы разных газов при одинаковых параметрах разряда показали явную

зависимость энергии «горячих» электронов от массы газа (атомной или молекулярной), что объясняется существованием зависимости времени поперечной диффузии горячих электронов от вида ионов в плазме (отношения массы к заряду).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Atamanov V.M., Biman Т.A., Elizarov L.I. et al. Hot electrons in beam-plasma discharge. - ВАНТ. Сер.. Плазменная электроника и новые методы ускорения, 2000, № 1, с.46-49.

2. Переславцев A.B., Пальтов М.В., Биман Т.А. Рентгеновская диагностика пучково-плазменного разряда. Сборник материалов, т.2, 3-й международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново, 2002,

с.405-407.

3. В.М.Атаманов, Т.А.Биман, Л.И.Елизаров, Ал.А.Иванов, М.А. Каракин, A.B.Переславцев, Н.Н.Шубин."Генерация рентгеновского излучения в плазме пучково-плазменного разряда в стационарных условиях", Вопросы атомной науки и техники, 2001.№ 3.Серия: Термоядерный синтез, с. 30-36.

4. V.M. Atamanov , Т.А. Biman , L.I. Elizarov , A.A. Ivanov , AI.A. Ivanov , A.O. Livadniy ,M.V. Paltov, A.V.Pereslavtsev . "Experimental study of electron heating in beam-plasma discharge". Proceedings of the 16-th International Symposium on Plasma Chemistry, Taormina, Italy- June 22-27, 2003, ISPC-141.

5. В.М.Атаманов, Т.А.Биман, Л.И.Елизаров, A.A. Иванов, Ал.А.Иванов, А.О.Ливадный, М.В.Пальтов "Экспериментальное исследование нагрева электронов в пучково-плазменном разряде в зеркальной магнитной ловушке". Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускорения», Украина, Харьков, 2003, № 4, с. 208-212.

Биман Танвир Ахмед (Бангладеш)

Исследование возможности генерации высокоэнергетичного рентгеновского излучения в пучково-плазменном разряде

Выполнено экспериментальное исследование нагрева электронов в пучково-плазменном разряде в зеркальной магнитной ловушке. Показано, что существуют условия, при которых происходит нагрев электронов до высоких энергий.

На установке «Оратория-10» выполнены эксперименты по генерации рентгеновского излучения в неравновесной плазме ППР. Была измерена мощность дозы рентгеновского излучения с использованием термолюминесцентного метода.

Также, при помощи сцинтилляционного метода, были измерены спектры рентгеновских квантов. Полученные результаты могут быть использованы для создания источника рентгеновского излучения на основе пучково-плазменного разряда.

Biman Tanvir Ahmed (Bangladesh)

Research on possibilities to generate high energized X-rays by beam-plasma discharge

The experimental researches of heating electrons in the beam-plasma discharge in a mirror magnetic trap are executed. It is shown, that there are conditions at which there is a heating electrons up to high energy.

On installation "Oratorio -10" are executed experiments on generation of x-ray radiation from non-equilibrium plasma in the beam-plasma discharge. Capacity of a doze of x-ray radiation has been measured by using of the thermo-luminescence method.

Also, with the help of the method of scintillation, have been measured spectra of x-ray quanta. The received results can be used for creation of a source of x-ray radiation on the basis of the beam-plasma discharge.