Источники терагерцового и узкополосного рентгеновского излучения с использованием электронных сгустков большой яркости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Тарас Владимирович

ИСТОЧНИКИ ТЕРАГЕРЦОВОГО И УЗКОПОЛОСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ БОЛЬШОЙ ЯРКОСТИ

01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

А]

005549329

МОСКВА 2014

005549329

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ДИДЕНКО - член-корреспондент РАН,

Андрей Николаевич доктор физико-математических наук, профессор

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

САВИЛОВ — доктор физико-математических наук,

Андрей Владимирович ведущий научный сотрудник

Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород СУМБАЕВ - кандидат физико-математических наук,

Анатолий Павлович начальник научно-экспериментального отдела ускорительных систем, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна ВЕДУЩАЯ — Федеральное государственное образовательное

ОРГАНИЗАЦИЯ учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Университет», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «30» июня 2014 года в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 при НИЯУ МИФИ. Адрес: 115409, Россия, г. Москва, Каширское ш., д. 31, тел. (495) 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ и на сайте Ьйп://о<Ь.терЫ.ги.

Автореферат разослан « /'4 » 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

И.С. Щедрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень проработанности работы

В последнее десятилетие наблюдается резкий рост числа фундаментальных и прикладных работ в области генерации и применения электромагнитного излучения (ЭМИ) в интервале длин волн от 1 мм до 30 мкм, что соответствует частотному диапазону 300 ГГц - 10 ТГц. Эта область лежит между фотоникой и электроникой, перекрываясь с длинноволновым далеким инфракрасным излучением и высокочастотными миллиметровыми волнами.

В отличие от последних, ТГц область электромагнитных волн до последнего времени оставалась практически неизученной, что связано с крайне малым количеством как достаточно мощных источников терагерцового излучения, так и приёмников, способных зарегистрировать излучение в данной области спектра. В настоящее время существует целое семейство компактных источников электромагнитного излучения малой мощности (от микроватт до сотен милливатт), которые могут работать в субмиллиметровом диапазоне. Сюда относятся лампы бегущей волны, карсинотроны, клинотроны, оротроны и излучатели на основе эффекта Смита-Парселла. Твердотельные приборы (резонансно-туннельные диоды, органические структуры, OLED диоды) и ТГц-лазеры являются также приборами непрерывной генерации, которым присущи жесткие ограничения по максимальной мощности. Подобные уровни мощности позволяют обеспечивать работу в системах томографов, микроскопов, фармацевтических интроскопов.

ЭМИ ТГц диапазона в настоящее время перспективно для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической томографии с разрешением во времени (T-ray imaging). ТГц томография и спектроскопия в настоящее время - особо востребованные области применения ТГц излучения в виду неугасающего интереса в разработке простых устройств обнаружения взрывчатых и наркотических веществ. Так как большинство доступных материалов прозрачны в терагерцовом диапазоне частот диапазоне - ТГц спектроскопия и томография с разрешением во времени могут стать оптимальным средством дистанционного зондирования. Использование терагерцового излучения в

медицине, микроскопии, а также в системах неразрушающего контроля поверхности также является предметом научных исследований.

Широкий класс приложений, в том числе задачи интроскопии крупногабаритных грузов и разработки перспективных видов нелетального воздействия на живые объекты требуют разработки и создания источников излучения терагерцового диапазона с импульсной мощностью, на несколько порядков более высокой, чем разработанные на настоящий момент. Единственными мощными источниками электромагнитного излучения ТГц диапазона долгое время были лишь синхротронные комплексы и лазеры на свободных электронах [1]. За последние годы появились разработки новых типов источников терагерцового излучения высокой мощности, к которым относятся гиротроны и системы генерации ТГц излучения при воздействии сверхмощных лазерных импульсов на твердотельные мишени. Однако источник ТГц излучения, основанный на использовании лазерных импульсов сверхвысокой мощности [2], является крайне крупногабаритным, и не может быть использован в системах, которые требуют компактного источника ЭМИ. Гиротроны [3] же в свою очередь являются компактными, однако работают в режиме одиночных импульсов и не подходят для систем, в которых необходимо получение достаточно высокой частоты повторения. Эти факты говорят об актуальности разработок компактного источника мощного ТГц излучения.

Другим направлением, широко развивающимся в настоящее время, является генерация узкополосного рентгеновского излучения с энергией 2040 кэВ. Множество важных современных медицинских рентгенологических технологий требуют использования яркого и узкополосного (квазимонохроматического) рентгеновского источника. Такими технологиями являются фазово-контрастная визуализация, визуализация с использованием дифракции когерентного рентгеновского излучения, ангиография, дихромография, времяпролетная визуализация, маммография и другие. Использование именно диапазона 20-40 кэВ объясняется тем, что в ангиографии в качестве контрастного вещества используется йод, пик поглощения которого равен 33 кэВ. Соответственно, для исследования необходимо излучение с энергией, равной пику поглощения контраста.

Использование узкополосного рентгеновского источника приводит к снижению дозы, получаемой пациентом и медицинским персоналом и в дополнение к этому к повышению качества изображения. К примеру, при

проведении процедуры ангиографии пациент получает дозу в 180-240 раз выше, чем при радиографии грудной клетки. Основная проблема заключается в широкополосности спектра рентгеновского источника.

Квазимонохроматический спектр рентгеновского излучения не может быть сгенерирован, используя стандартные высоковольтные рентгеновские трубки, спектр которых всегда наряду с монохроматическим характеристическим излучением содержит большой процент некогерентного тормозного излучения. Для проведения медицинских исследований с использованием монохроматического рентгеновского излучения на настоящий момент предложено четыре различных метода: синхротронное и ондуляторное излучение, Комптоновское рассеяние, характеристическое излучение и излучение в кристаллах: излучение при каналировании (КИ), когерентное тормозное излучение, параметрическое рентгеновское излучение и другие [4]. При генерации узкополосного рентгеновского излучения для нужд маммографии, могут быть использованы мозаичные кристаллы, однако эффективность использования такой технологии находится на уровне единиц процентов. Таким образом, генерация узкополосного рентгеновского излучения для нужд медицинской интроскопии является в настоящее время актуальной задачей.

Обе рассматриваемые задачи - генерация излучения терагерцового диапазона и узкополосного рентгеновского излучения - могут быть решены с использованием релятивистских пучков электронов высокой яркости, получаемых в ускорителях. Излучение ТГц диапазона может генерироваться при пролете сгустков квазирелятивистских электронов через черенковские замедляющие капиллярные структуры. Узкополосное рентгеновское излучение генерируют электроны при пролете в ориентированных кристаллах.

Цель диссертации

Целью диссертации является разработка источников электромагнитного излучения ТГц диапазона частот и источников узкополосного рентгеновского излучения.

В рамках разработки источника ТГц излучения рассматриваются следующие вопросы:

- обоснование принципиальной схемы установки;

- разработка электродинамической модели ускоряющей системы;

- расчет динамики яркого электронного пучка в ускоряющей и замедляющей системах;

- анализ спектральных характеристик источника излучения;

- расчет излучающей системы ЭМИ ТГц диапазона.

В рамках разработки источника узкополосного рентгеновского излучения:

- разработка принципиальной схемы установки;

- исследование динамики электронов в кристаллической мишени;

- разработка принципиальной схемы рентгеновской оптической системы;

- анализ спектральных характеристик источника излучения;

- анализ дозовых нагрузок, получаемых от источника, с использованием тканеэквивалентных фантомов.

Научная новизна

1. Обоснована схема установки для генерации мощных пикосекундных импульсов электромагнитного излучения ТГц диапазона частот электронным пучком в капиллярных замедляющих структурах.

2. Исследована динамика электронного пучка высокой яркости и пикосекундной длительности в ускоряющей структуре с учетом пространственного заряда пучка и эффекта нагрузки током.

3. Впервые разработана схема установки для генерации узкополосного рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией излучения, основанная на применении излучения при каналировании электронов в кристаллах и поликапиллярной рентгеновской оптики.

4. В рамках классической электродинамики описана динамика электронов в кристаллической мишени, рассчитан спектр излучения, генерируемого пучком электронов в процессе каналирования внутри кристаллической мишени.

Научная и практическая ценность

На основе полученных результатов предложены варианты установок для генерации излучения ТГц диапазона и медицинской установки для ангиографии с использованием узкополосного рентгеновского излучения.

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были использованы при выполнении научно-исследовательской работы в рамках договора с открытым акционерным обществом «Московский Радиотехнический Институт Российской Академии Наук».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты расчетов электродинамических характеристик и геометрии ускоряющих структур установки для генерации ЭМИ ТГц диапазона.

2. Результаты анализа динамики электронных пучков большой яркости в ускоряющей системе генератора ЭМИ ТГц диапазона с учетом влияния поля пространственного заряда и эффекта нагрузки током пучка.

3. Методы и результаты анализа электродинамических характеристик излучающей капиллярной системы установки и результаты оценки параметров генерируемого излучения.

4. Результаты расчетов направленных рупорных антенн, работающих в ТГц диапазоне частот.

5. Компоновочная схема установки дня генерации узкополосного рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией излучения.

6. Результаты анализа динамики электронов с энергиями 21 и 23 МэВ в кристаллической мишени и результаты исследования характеристик рентгеновского излучения, полученного в процессе каналирования электронов в кристаллической мишени и его фильтрации рентгеновской оптической системой.

Достоверность научных результатов и методы исследования

Достоверность научных результатов обоснована применением современных и общепризнанных программ для анализа электродинамических характеристик ускоряющих структур, излучающего капилляра и ТГц антенн. При исследованиях динамики электронов в ускоряющих структурах и кристаллической мишени были использованы методы, основанные на общепризнанных аналитических моделях. Также достоверность результатов была подтверждена применением как аналитических, так и численных методов, а также верификацией с экспериментальными данными.

Апробация результатов работы

Основные результаты и положения диссертации были представлены на конференциях:

• II Международная конференция по ускорителям заряженных частиц 1РАС10, Сан-Себастьян, Испания, 2011,

• XXVI Международная конференция по линейным ускорителям заряженных частиц ЬШАС' 12, Тель-Авив, Израиль, 2012,

• Семинар XLIV ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness hadron Beams, НВ'Ю, Моршах, Швейцария, 2010,

• Северо-Американская Конференция по ускорителям заряженных частиц NA-PAC'13, Пасадена, США,

• XXIII Российская конференция по ускорителям заряженных частиц RuPAC'12, Санкт-Петербург, 2012,

• XXII, XXIII Международные совещания по ускорителям заряженных частиц IWCPA, Алушта, Украина, 2011, 2013,

• X Международный симпозиум по излучению релятивистских электронов в периодических структурах RREPS'13, Чамбарак, Армения, 2013,

. «Научная сессия НИЯУ МИФИ», Москва, 2011, 2012, 2013, 2014,

• XIV, XV, XVI, XVII Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов «Молодежь и наука», Москва, 2010-2014.

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту результаты и положения диссертации получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором лично были разработаны модели всех макетов ускоряющих структур, капиллярных структур и излучающих антенн. Также автор непосредственно принимал участие в разработках принципиальных схем установок и методов анализа динамики заряженных частиц в ускоряющих структурах и кристаллических мишенях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка литературы, включающего 171 наименование. Общий объем диссертации составляет 182 страницы, включая 102 рисунка и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность выбора темы и состояние исследуемой научной области в настоящий момент времени, также формулируются основные цели и задачи диссертации. Описывается новизна результатов, и приводятся положения, выносимые на защиту.

Первый раздел включает в себя описание общего принципа работы источника электромагнитного излучения ТГц диапазона, основанного на принципе генерации с использованием релятивистского электронного пучка высокой яркости в черенковском излучающем капилляре. Приводится описание основных узлов и элементов установки, перечисляются их ключевые параметры. Общая компоновочная схема установки представлена на рисунке 1:1- фотокатод, 2 - фотоинжектор (первая ускоряющая секция), 3 - траектория движения пучка, 4 - ввод СВЧ мощности от системы питания в фотоинжектор, 5 - лазерная система, б - лазерный луч, 7 - ввод лазерного луча с системой отклоняющих зеркал, 8 — вторая ускоряющая секция, 9 -ввод мощности от системы питания во вторую ускоряющую секцию, 10 -коллиматор, 11 - излучающий черенковский капилляр, 12 - терагерцовое излучение, 13 - коллектор электронов, 14 - излучающая антенна, 15 -магнитная фокусирующая система, 16 - нагрузка для отраженного лазерного луча.

Принцип работы системы основан на следующей идее: пучок фотоэлектронов генерируется лазерным импульсом с поверхности катода, расположенного в торцевой стенке фотоинжектора. Лазерный импульс вводится в фотоинжектор через оптическую систему посредством системы зеркал, расположенных под углом к траектории движения пучка и смещенных относительно оси структуры. Отраженная от катода часть излучения с помощью симметричного зеркала отводится к поглощающей нагрузке. Эмитированный пучок ускоряется до релятивистских энергий в двух ускоряющих секциях, питающихся от СВЧ источника, основанного на магнетроне, и попадает в излучающий капилляр, пройдя предварительно через коллиматор, отсекающий части пучка, не проходящие по поперечным размерам в капилляр. В излучающем капилляре сгусток, имеющий субмиллиметровый поперечный размер, малую расходимость и пикосекундную длительность генерирует излучение Вавилова-Черенкова за счет того, что его скорость движения больше скорости распространения электромагнитной волны в капилляре. Наведенное электромагнитное

излучение излучается с помощью рупорной антенны, а пучок осаждается на коллекторе. При этом эмитированный пучок электронов обладает высокой яркостью благодаря высоким значениям импульсных токов и микрометровых поперечных размеров.

Далее описывается ускоряющая структура генератора излучения ТГц диапазона. Предложено использовать схему ускоряющей структуры, состоящую из двух секций: фотоинжектора на основе 1,6 ячейки круглого диафрагмированного волновода на стоячей волне и ускоряющей структуры на бегущей или стоячей волне в качестве второй секции. Все ускоряющие структуры были рассчитаны при помощи пакета CST Studio Suite ® вначале в виде резонансных макетов, а затем с учетом конструкции вводов СВЧ мощности в структуры. Обе ускоряющие структуры рассчитаны на рабочую частоту 3 ГГц.

5

10 11 12

Рисунок 1 - Компоновочная схема генератора излучения ТГц диапазона

Фотоинжектор (рисунок 2 а) представляет собой широко распространенную ускоряющую систему, состоящую из 1,6 ускоряющих ячеек. Исследовано два варианта ввода мощности в структуру: с подключением прямоугольного волновода от системы питания во вторую ячейку фотоинжектора и система коаксиального ввода мощности через апертуру диафрагмы второй ячейки. Как показали результаты расчета электродинамических характеристик, второй вариант ввода мощности обеспечивает большую равномерность поперечного распределения электрического поля в целой ячейке и обеспечивает больше возвожностей для охлаждения ячеек.

Было рассмотрено несколько вариантов исполнения второй ускоряющей секции. В частности рассмотрены структуры, работающие в режиме бегущей волны: круглый диафрагмированный волновод (КДВ), КДВ с магнитными окнами связи, резонатор бегущей волны (РБВ), основанный на КДВ с магнитными окнами связи. Все структуры были рассмотрены на рабочем виде колебаний 2л/3. Исследована бипериодическая ускоряющая структура (БУС), работающая в режиме стоячей волны:

Результаты расчетов показали, что при переходе от стандартного КДВ к структуре КДВ со связью между ячейками по магнитному полю удается повысить погонное шунтовое сопротивление структуры до 105,1 МОм/м, а коэффициент связи структуры до 4,2 % при идентичных значениях амплитуды ускоряющего поля.

б) РБВ

а) Фотоинжектор

в) Фазовращатель кольца РБВ г) БУС

Рисунок 2 - Электродинамические модели ускоряющих структур

Дальнейшее усовершенствование ускоряющей структуры с магнитной связью заключалось в преобразовании её в РББ (рисунок 2 б). В основе работы этой структуры лежит идея многократного прохождения и аккумуляции СВЧ мощности в кольце, образованном ускоряющей

11

структурой (1) и волноводом, замыкающим ее ввод и вывод мощности (3). При этом мощность вводится в кольцо РБВ через волноводный направленный ответвитель (2) с мальм коэффициентом направленности. Существенной особенностью РБВ является жесткое условие на равенство длины кольца РБВ четному числу полудлин волн генератора, чего невозможно достичь без фазовращателя. Для выполнения этого условия была разработана модель волноводного фазовращателя, позволяющая работать с высокими уровнями СВЧ мощности, циркулирующей в РБВ. Фазовращатель (рисунок 2 в) располагается в волноводном переходе кольца РБВ (1), возмущающим элементом является стеклянная пластина (2) с фторопластовыми ножками, к которым присоединена пластина с рисками (6), которую приводит в движение шаговый двигатель (4) с помощью зубчатого колеса. Благодаря применению РБВ удается повысить уровень амплитуды ускоряющего поля в 4,4 раза для ускоряющей структуры КДВ с магнитной связью. Ускоряющая секция на стоячей волне, выполненная на основе БУС, (рисунок 2 г) была рассмотрена, так как представляет собой хорошо зарекомендовавшую себя ускоряющую структуру с высокой эффективностью. Ячейки связи БУС расположены между ускоряющими ячейками. Ввод мощности осуществляется в центральную ячейку структуры для уменьшения количества возбуждаемых видов колебаний и, соответственно, увеличения коэффициента связи.

Результаты расчетов электродинамических характеристик ускоряющих структур представлены в таблице 1.

Таблица 1. ЭДХ настроенных ускоряющих структур

гш, МОм/м Q К, % Ргр,% Еуск, МВ/м (2,5 МВт)

ПЕРВАЯ СЕКЦИЯ

КДВ 64,0 (гшэфф) 15760 0,20 о 18,97

ВТОРАЯ СЕКЦИЯ

КДВ с окнами связи 105,1 11601 4,21 3,01 21,02

РБВ 105,1 11601 4,21 3,01 21,02

БУС 74,0 (гш „м) 13840 9,71 7,50 15,80

Во втором разделе представлены результаты численного моделирования динамики электронного пучка высокой яркости и пикосекундной длительности в ускоряющих секциях.

Описывается код ВЕАМЭиЬАС-ВЬ, разработанный для анализа динамики пучков электронов с учетом влияния пространственного заряда пучка и эффекта нагрузки током пучка [5]. Динамика электронного пучка описывается самосогласованным решением уравнения движения совместно с уравнением Пуассона и уравнением возбуждения ускоряющей структуры.

Была исследована динамика пучков электронов с параметрами, соответствующими длительностям лазерного импульса от 0,1 до 10 пс и импульсным током от 0,1 до 20 А. Результаты исследования динамики пучков электронов в ускоряющей системе демонстрируют возможность ускорения пучков электронов с током 20 А до энергии 5 МэВ в РБВ и в БУС (таблица 2).

Таблица 2. Результаты анализа динамики пучка электронов в структурах

Фотоинжектор РБВ | БУС

Ток пучка, А 20

Длительность лазерного импульса, пс 10

Фазовая длина, Ю'^рад/я 2,0 9,3 8,3

Радиус пучка после ускорения, 10°-см 20,0 76,1 83,1

У 3,1 11,3 14,4

&1, % 8,2 0,4 0,3

Третий раздел включает в себя описание результатов аналитического расчета мощности ТГц излучения, наводимого в излучающем капилляре и численного моделирования ЭДХ излучающих капилляров и антенн. Рассматриваются результаты моделирования двух вариантов излучающих черенковских капилляров и двух типов направленных антенн. Рассматриваемые замедляющие системы основываются на двух типах капилляров: капиллярах с диэлектрическим покрытиям стенок (см. рис. 3 а: 1 - вакуум, 2 - диэлектрик (фторопласт, тетротитанат бария, сапфир и т.д.), 3 - металлическая стенка) и капиллярах с гофрированными стенками (рис. 3 б). Были определены параметры структур, позволяющих генерировать излучение в полосе частот 0,9-1 ТГц, соответствующей одному из окон прозрачности ТГц излучения в атмосфере.

Для капилляров с диэлектрическим покрытием радиус составляет 300 мкм и более в зависимости от типа покрытия и его толщины, которая не превышает 50 мкм. Ширина полосы пропускания для капилляров с покрытием составляет не более 1,5 %, групповая скорость находится в диапазоне (0,8-0,9)с, отношение погонного шунтового сопротивления к добротности r/Q= 1-18 кОм/м. При расчете капилляров с гофрированными стенками радиус составляет порядка 250 мкм, период равен длине волны основного вида колебаний, отношение радиуса диафрагмы к радиусу капилляра изменялось в диапазоне 0,5-0,8. Ширина полосы пропускания для этого типа капилляров составила не более 0,2 %, групповая скорость равна (0,043-0,6)с, r/g=12,6-48,4 кОм/м. Ширина полосы пропускания капилляра характеризует собой ширину полосы генерируемого ТГц излучения.

Расчет мощности ТГц излучения, наводимого пучком электронов в капиллярной структуре, является задачей, смежной с рассмотрением полей, наводимых пучком в ускоряющих структурах. Исходя из проведенного анализа, ширина полосы пропускания для капилляров в 1 ТГц частотном диапазоне не превышают единиц процентов от резонансной частоты, что позволяет рассматривать исключительно основной вид колебаний при расчете мощности наведенного излучения.

Оба типа излучающих структур позволяют обеспечить широкий диапазон рабочих параметров при различных геометрических размерах. Однако капилляры, покрытые диэлектриком, обеспечивают несколько меньшие значения параметра r/Q и более высокие значения групповых скоростей при соразмерных поперечных размерах структур. Также, гофрированные капилляры необходимо выполнять с меньшей апертурой, чем каналы, покрытые диэлектриком, для достижения одинаковых значений ЭДХ. Этот факт, а также техническая сложность изготовления капилляров с гофрированными стенками, делает их менее привлекательными, чем капилляры, покрытые диэлектриком.

Мощность излучения, генерируемого в капиллярах на частоте 0,96 ТГц пучком электронов с энергией 5 МэВ, током 20 А и длительностью импульса 10 пс варьируется от сотен Вт до единиц МВт в зависимости от геометрии излучающего капилляра. Мощность излучения увеличивается при повышении значений шунтового сопротивления структуры и уменьшении разницы между скоростью распространения волны в капилляре и скорости пучка электронов. Максимальная мощность 1,52 МВт наводится в капилляре

с радиусом 300 мкм, покрытом 31 мкм слоем фторопласта. При этой геометрии КПД генерации излучения составляет 1,52% от мощности пучка.

Для обеспечения высокой степени согласования капилляра с внешним пространством была рассчитана рупорная антенна. Два варианта электродинамических моделей рупоров круглого и прямоугольного сечения на резонансную частоту 0,96 ТГц, подключаемых к капилляру с диэлектрическим покрытием, изображены на рисунке 3 (в, г). Расчеты ЭДХ рупоров поводились в дальней зоне излучения с помощью пакета CST Studio Suite ®.

Диаграммы направленности рупорных антенн двух типов, настроенных на максимальные значения направленности, приведены на рисунке 3 (д, е). Оба рассмотренных типа антенн позволят получать значения направленности вплоть до -20 дБ, обеспечивают низкий коэффициент отражения мощности (менее -20 дБ) на рабочей частоте генерации излучающего капилляра. Ширина основного лепестка излучения для антенны круглого сечения может варьироваться от 5 до 24 градусов, а для прямоугольного сечения от 11 до 26 градусов. Для приложений, в которых отсутствует необходимость в облучении объектов, находящихся непосредственно на центральной оси линзы, может быть применена антенна с круглым сечением, так как она позволяет получать направление основного лепестка, отклоненное от центральной оси на 1-24 градуса. Если требуется максимальная направленность антенны вдоль центральной оси, необходимо использовать антенну с прямоугольным сечением, так как направление основного лепестка излучения в ней соответствует центральной оси рупора.

Четвертый раздел посвящен разработке источника узкополосного рентгеновского излучения. Принципиальная схема узкополосного рентгеновского источника, основанного на излучении при каналировании электронов в кристаллах и рентгеновском оптическом фильтре, представлена на рисунке 4. Основными компонентами источника являются: линейный ускоритель электронов (3), кристаллическая мишень (4) с гониометром (12), система фильтрации рентгеновского излучения (10) и две нагрузки - одна для пучка электронов (11), вторая для высокоэнергетичного рентгеновского излучения (6). Ускоренный пучок электронов (2), проходя через кристалл, зафиксированный в гониометре, генерирует в нем КИ и тормозное излучение. Затем пучок отклоняется магнитной системой (5) на нагрузку для того, чтобы не облучать оптическую систему, что могло бы привести к ее выходу из

строя. Рентгеновское излучение проходит через оптическую систему и излучение (10) с энергией 30-40 кэВ отклоняется в сторону пациента (7), и попадает на детектор (8), а высокоэнергетическое излучение проходит без отклонения на нагрузку для рентгеновского излучения.

2

\__

а) капилляр, покрытый диэлектриком

б) гофрированный капилляр

в) рупор круглого сечения

г) рупор прямоугольного сечения

Ггмрепсу » 0.95 МгпШж тздлсжк » 21.0 481 Нал ЬЬе Йгесаоп » -4.2 йвв-АлвиЬг (3 «) - 5.0 ¿ее-&йе ЬЬе » -4.4 <!8

д) диаграмма направленности рупора круглого сечения

Гге^иепсу » 0.96 Мал Ых тгдплкч * 22-* <» Наг» !оЬс йг*а»п » 0.0 бед. М^иЫ л«*Ъ (3 <В) - 11.3 <кд. !«е 1оЬ* 1<г*«'« -22.71»

/ж Рге^иегсу « 0.96

Нал ЬЬс твв^Ме • 22.<<Ю Нал ЪЬ« <1г«а»п я 0.0 *л$иI» *Ш\ О ЙЗ) = 14.6 4ед. 5Л: Мл « -22.7«»

е) диаграммы направленности рупора прямоугольного сечения Рисунок 3 - Излучающие капилляры и рупорные антенны

КИ в кристалле традиционно исследуется с использованием квантового подхода или в рамках классической электродинамики с упрощенным представлением потенциала. В диссертации использовалась классическая модель. Было выполнено численное моделирование динамики электронов с энергиями до 23 МэВ в кристаллах и проанализирован процесс генерации КИ.

6

\ \ \

%

у \

/ / / ' ю

12

Рисунок 4 - Принципиальная схема установки для генерации узкополосного рентгеновского излучения

С использованием классической модели рассматривалось движение частиц в поперечном потенциале кристалла. При плоскостном каналировании в кристалле частица может двигаться вдоль различных кристаллографических плоскостей. На рисунке 5 (а) показано распределение потенциала вдоль плоскости <110> в кристалле алмаза, вдоль которой исследовалась динамика электронов, и его аппроксимация полиномом восьмой степени. Моделирование проводилось для кристалла алмаза толщиной 55 мкм и энергии пучка электронов 21-23 МэВ. Численное исследование динамики частиц производилось с помощью специально разработанной версии программы ВЕАМОиЬАС-СЯ [6]. Результаты численного моделирования сравнивались с полученными ранее аналитическими результатами и экспериментальными данными, показано их хорошее согласие.

Спектры КИ, полученные при моделировании динамики электронов в поперечном потенциальном поле кристалла алмаза, изображены на рисунке 5 (б). Количество эмитированных фотонов было рассчитано исходя из параметров, типичных для медицинских линейных ускорителей: (длительность импульса 10 мкс и ток 10 мА), и составляет -2,5 109 фотонов для энергии электронов 21 МэВ и -2,9-109 фотонов для энергии 23 МэВ в пике вероятности излучения. Положение пика вероятности излучения КИ для

17

случая 21 МэВ равно 33 кэВ, для 23 МэВ равно 37 кэВ, а энергетический разброс на полувысоте составляет 4,8 и 5,8 кэВ соответственно. Для ангиографической процедуры, к примеру, минимальный поток фотонов должен составлять 104 фотон/мм2-кадр.

Траектории частиц для электронного пучка с энергией 23 МэВ и расходимостью 10 и 30 мрад представлены на рисунках 5 (в, г). Видно, что при расходимости пучка в 10 мрад, все частицы движутся внутри каналов, в то время, как при 30 мрад, частицы переходят из канала в канал (деканалируют), что подтверждает аналитическую модель.

Исходя из результатов проведенных исследований характеристик КИ в диапазоне 30-40 кэВ, были сформулированы требования к пучку электронов и мишени. Максимальная толщина кристалла в этом случае составляет 55 мкм, так как в более толстых кристаллах становится существенным многократное рассеяние электронов, подтвержденное в экспериментальных работах. При этом требуется иметь достаточно узкий спектр энергии электронов (АЕ/Е-1 %), а угловой разброс пучка должен оставаться меньше критического угла каналирования (-10 мрад). Эти требования значительно менее жесткие, чем предъявляемые к пучку, используемому в генераторе ТГЦ излучения. Тем не менее, для генерации квазимонохроматического излучения яркость пучка должна бьггь достаточно высокой, он должен иметь малую угловую расходимость для эффективного захвата электронов в режим каналирования в кристалле.

Спектры излучения, генерируемого пучком электронов в кристаллах, также включают в себя также некогерентное тормозное излучение, которое подлежит фильтрации для снижения уровня дозы, получаемой пациентом и медицинским персоналом. Для фильтрации низкоэнергетической части спектра используются бериллиевые и алюминиевые фильтры. Для фильтрации высокоэнергетической части спектра применяется рентгеновская оптика, основанная на поликапиллярных структурах. При энергии излучения ниже 40 кэВ, угле захвата излучения 2 градуса, диаметре канала капилляра около 1 мкм, длине линзы 10 см и угле поворота 10-15 градусов, такие структуры позволяют добиться эффективности передачи излучения не ниже 40% [7].

-1.0 -0,5 0,0

Поперечный размер, А

а) распределение потенциала в канале кристалла алмаза

А 23 МэВ

21 МэВ

И 5 1

1 '

? 1 о*».

> ч ч

! : V V

е 1

.1 .,

0 510' 1010''

кой

б) количество фотонов, излученное пучками электронов разных энергий

г/а 0

в) траектории пучка электронов с расходимостью 10 мрад в алмазе

г/а о

г) траектории пучка электронов с расходимостью 30 мрад в алмазе

Рисунок 5 - Результаты исследования процесса каналирования электронов в

кристалле

Для того, чтобы ускоренный пучок электронов не повредил поликапиллярную рентгеновскую оптику, в схеме установки предусмотрено использование отклоняющего магнита. Его задача сводится к отклонению пучка электронов с траектории движения на несколько сантиметров и отводу его на поглощающую нагрузку. Для отклонения пучка с энергией 23 МэВ на \|/=45 градусов от начальной оси при поперечных размерах полюсов магнита 5x5 см достаточно иметь магнитное поле в 24 мТл. При отклонении пучка магнитным полем возникает синхротронное излучение, так как пучок начинается двигаться по круговой траектории. Частота синхротронного излучения составляет у=5,6-1013 Гц, что позволяет ему без потерь проходить внутри поликапиллярной оптики. Мощность излучения в конусе, имеющем

ту же направленность, что и КИ, составляет лишь 10,7 Вт и оно может быть отфильтровано с помощью стандартного рентгеновского фильтра.

Была исследована дозовая нагрузка и контрастность изображения при облучении тканеэквивалентного фантома с контрастным веществом излучением генератора. Рассмотрено три вида источников -ангиографическая рентгеновская трубка и генератор на основе использования КИ при энергии электронов 21 и 23 МэВ. С помощью пакета программ РуРЕМ^ЬОРЕ [8] были исследованы спектры тормозного излучения для всех источников и проведена оценка дозовых нагрузок от обоих источников на тканеэквивалентный фантом. Снижение дозы излучения от источника КИ за счет использования поликапиллярной оптики составило 54 раза при энергии электронов 21 МэВ и 30 раз при энергии 23 МэВ. Полученные результаты показали, что контрастность изображения при использовании источника КИ с энергией пучка электронов 23 МэВ в три раза превышает контрастность изображения от рентгеновской трубки, а при использовании пучка с энергией 21 МэВ, контрастность изображения оказывается ниже на 20%.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Обоснована компоновочная схема генератора черенковского излучения терагерцового диапазона на основе ускорителя с фотоинжектором и капиллярной замедляющей системы.

2. Разработаны электродинамические модели ускоряющих структур генератора ТГц излучения (фотоинжектора, КДВ, резонатора бегущей волны, основанного на КДВ с окнами магнитной связи и бипериодической ускоряющей структуры) на частоту 3 ГГц и оптимизированы их ЭДХ.

3. Исследована динамика пучков электронов в ускоряющих секциях генератора ЭМИ ТГц диапазона (в фотоинжекторе, РБВ и БУС). При питании каждой секции от магнетрона с мощностью 2,5 МВт, пучок электронов с током 20 А ускоряется в фотоинжекторе до энергии 1,05 МэВ, а затем в РБВ до энергии 5,15 МэВ или до энергии 6,7 МэВ в БУС.

4. Разработаны модели излучающих черенковских капилляров и рупорных антенн. Исследован процесс генерации излучения релятивистскими пучками электронов. Ширина полосы пропускания капилляров с диэлектрическим покрытием составляет не более 1,5 %, групповая скорость находится в диапазоне (0,8-0,9)с, г/2=1-18 кОм/м.

Ширина полосы пропускания гофрированных капилляров составляет не более 0,2 %, групповая скорость равна (0,043-0,6)с, /-/0=12,6-48,4 кОм/м. Рассчитанные рупорные антенны обеспечивают направленность до 20 дБ, коэффициент отражения мощности ниже -20 дБ на рабочей частоте генерации излучающего капилляра 0,96 ТГц.

5. Разработана схема медицинского источника узкополосного рентгеновского излучения, в котором используется излучение ультрарелятивистского пучка электронов при каналировании в кристаллах. Фильтрация высокоэнергетичной части излучаемого спектра предлагает производить с помощью поликапиллярной рентгеновской оптики.

6. Рассчитано положение пика вероятности излучения КИ из алмазной мишени: для энергии пучка электронов 21 МэВ максимум находится при 33±4,8 кэВ, для 23 МэВ при 37±5,8 кэВ, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источнику. При фильтрации рентгеновского излучения с энергией ниже 40 кэВ поликапиллярной оптикой удается достичь эффективности передачи излучения не ниже 40%. Снижение дозы излучения от источника КИ за счет использования поликапиллярной оптики составило 54 раза при энергии электронов 21 МэВ и 30 раз при энергии 23 МэВ. Контрастность изображения при использовании источника КИ с энергией пучка электронов 23 МэВ в три раза превышает контрастность изображения от рентгеновской трубки, а при 21 МэВ, контрастность изображения оказывается ниже на 20%.

Список цитируемых работ

1. Murphy J.B., Pellegrini С. Introduction to the physics of the free electron laser. Laser handbook, vol. 6, p. 9. North-Holland, Amsterdam, 1990.

2. Диденко A.H., Ращиков В.И., Фортов B.E. О возможности генерации мощного излучения терагерцового диапазона частот при воздействии мощных лазерных импульсов на мишень // Письма в ЖТФ, 2011, том 37, вып. 6, с. 27-32.

3. Bratman V.L., Bogdashov A.A., Denisov G.G., GIyavin M.Yu., Yu. et al. Gyrotron development for high power THz technologies in IAP RAS // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (2012), 33, 7, p. 715-723.

4. Тер-Микаелян M.JI. Радиационные электромагнитные процессы при высоких энергиях в периодических средах // УФН, 171:6 (2001), с. 597-624.

5. Masunov E.S., Polozov S.M. BEAMDULAC code for numerical simulation of 3D beam dynamics in high-intensity undulator linac // NIM A Vol. 558, Issue 1, March 2006, p. 184-187.

6. Bashmakov Yu.A., Polozov S.M. // Problems of Atomic Science and Technology. Series "Nuclear Physics Investigations", 2014 (в печати).

7. Gibson W.M., MacDonald C.A.; Kumakhov M.S. The Kumakhov lens; a new X-ray and neutron optics with potential for medacalapplications/ Technology requirements for biomedical imaging, 1991. Proceedings, p. 43-48.

8. Costa E., Liovet X., Salvat F. Monte Carlo simulation of bremsstrahlung emission by electrons // Appl. Phys. Lett. 80, Issue 17, (2002), p. 3228-3230.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в журналах, включённых в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК РФ:

1. Bashmakov Yu.A., Bondarenko T.V., Komarov D.A., et al. RF photogun and Cherenkov decelerating system for a high power radiation source in sub-mm region // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations, 2012. №3 (79), p. 92-95. (Web of Science и Scopus)

2. Bondarenko T.V., Polozov S.M. Photoinjector accelerating system for sub-mm high-power pulse source // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations, 2012. №3(79), p. 53-57. (Web of Science и Scopus)

3. Bondarenko T.V., Shchedrin I.S. Phase tuning system for traveling wave resonator // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations, 2013. №6 (88), p. 82-85. (Web of Science и Scopus)

4. Bondarenko T.V., Masunov E.S., Polozov S.M. BEAMDULAC-BL code for 3D simulation of electron beam dynamics taking into account beam loading and coulomb field // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations, 2013. №6 (88), p. 114-118. (Web of Science и Scopus)

5. Бондаренко Т. В., Диденко А. Н., Полозов С. М. Ускоряющая система генератора электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот

// Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, № 8, с. 719-728.

Публикации в научных трудах российских и международных конференций:

6. Bondarenko T.V., Masunov E.S., Polozov S.M. BEAMDULAC-BL code for 3D simulation of electron beam dynamics taking into account beam loading and

coulomb field // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations, 2013. №6 (88), p. 114-118. (Scopus)

7. Bondarenko T.V., Voronkov A.V., Masunov E.S., et al. Beam Loading Effect Simulation in Linacs / Proceedings of HB'10, Morschach, Switzerland,

2010, p. 123-125. (Scopus)

8. Bondarenko T.V., Masunov E.S., Polozov S.M., et al. High intensity transient beam dynamic study in traveling wave electron accelerators with accounting of beam loading effect / Proceedings of IP AC' 11, San Sebastian, Spain,

2011, p. 682-684. (Scopus)

9. Bondarenko T.V., Polozov S.M., S-band ps pulse photoinjector for THz radiation source / Proceedings of IPAC'll, San Sebastian, Spain, 2011, p.1078-1080. (Scopus)

10. Bondarenko T.V., Tatsyuk O.A., Polozov S.M. RF self-consistent electron beam dynamics simulation in THz generator based on photoinjector and Cherenkov decelerating system / Proceedings of RuPAC'12, 2012, p. 328-330. (Scopus)

11. Bashmakov Yu.A., Bondarenko T.V., Polozov S.M., Sharkov G.B. Angiography X-ray monochromatic source based on radiation from crystals

/ Proceedings ofRuPAC'12, Saint-Petersburg, Russia, 2012, p. 406-408. (Scopus)

12. Bondarenko T.V., Polozov S.M. RF photoinjector parameters optimization / Proceedings ofRuPAC'12, Saint-Petersburg, Russia, 2012, p. 535-537. (Scopus)

13. Bondarenko T.V., Polozov S.M. RF photoinjector and radiating structure for high-power THz radiation source / Proceedings of LINAC'12, Tel-Aviv, Israel,

2012, p. 86-88.

14. Bondarenko T.V., Polozov. S.M., Smirnov A.Yu. THz band horn antennas design / Proceedings ofNA-PAC'13, Pasadena, USA, 2013, p. 1400-1402.

15. Бондаренко T.B. Исследование дозовой нагрузки при использовании источника каналированного излучения для ангиографии / XVII Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов «Молодежь и наука». Тезисы докладов. М.: НИЯУ МИФИ, - 2012.

- с. 101-102.

16. Боцдаренко Т.В. Источник рентгеновского излучения для ангиографии, основанный на принципе каналирования / XVII Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов «Молодежь и наука». Тезисы докладов. М.: НИЯУ МИФИ, - 2012.

- с. 103-104.

Подписано в печать:

29.04.2014

Заказ № 10008 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

04201459676 пРавахРУкописи

Бондаренко Тарас Владимирович

Источники терагерцового и узкополосного рентгеновского излучения с использованием электронных сгустков большой

яркости

Специальность 01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН д.ф.-м.н., профессор Диденко А.Н.

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Источник электромагнитного излучения терагерцового диапазона 19

1.1 Общее описание установки 19

1.1.1 Фотокатод 21

1.1.2 Лазерная система 28

1.1.3 Система СВЧ питания 31

1.2 Ускоряющая структура 32

1.2.1 Фотоинжектор 34

1.2.2 Ускоряющая секция на бегущей волне на основе круглого диафрагмированного волновода 45

1.2.3 Ускоряющая секция на основе круглого диафрагмированного волновода с магнитной связью 50

1.2.4 Резонатор на бегущей волне 60

1.2.5 Бипериодическая ускоряющая структура 78

2. Моделирование динамики электронов в ускоряющей структуре генератора электромагнитного излучения терагерцового диапазона 83

2.1. Программа ВЕАМОиЬАС-ВЬ для расчета динамики электронов 83

2.2. Учет поля излучения 86

2.3. Учет собственного поля объемного заряда пучка 87

2.4. Анализ динамики электронов в ускоряющих структурах генератора терагерцового излучения 91

3. Излучающая система генератора электромагнитного излучения терагерцового диапазона 105

3.1. Аналитический расчет излучения, наведенного сгустком 105

3.2. Капиллярная замедляющая структура 110

3.3. Излучающая антенная система 120

4. Источник узкополосного рентгеновского излучения для

рентгенографии 134

4.1. Общее описание установки 134

4.2. Каналирование электронов и генерация излучения 136

4.3. Рентгеновская оптика 148

4.4. Отклоняющий магнит 154

4.5. Расчет дозовых нагрузок от источника 157 Заключение 166 Литература 168

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень проработанности работы

В последнее десятилетие наблюдается резкий рост числа фундаментальных и прикладных работ в области генерации и применения излучения в интервале длин волн от 1 мм до 30 мкм, что соответствует частотному диапазону 300 ГГц -10 ТГц. Эта область лежит между фотоникой и электроникой, перекрываясь с длинноволновым далеким инфракрасным излучением и высокочастотными миллиметровыми волнами.

В отличие от последних, ТГц область электромагнитного излучения (ЭМИ) до последнего времени оставалась практически неизученной, что связано с отсутствием как достаточно мощных источников терагерцового излучения, так и приёмников, способных зарегистрировать излучение в данной области спектра. За последние годы появился целый ряд новых типов источников терагерцового излучения: от милливаттных генераторов субпикосекундных импульсов широкополосного излучения на основе фемтосекундных лазеров до лазеров на свободных электронах, генерирующих перестраиваемое узкополосное когерентное излучение со средней мощностью до сотен ватт.

Интерес к терагерцовому излучению обусловлен наличием у него свойств, выгодно выделяющих его среди других диапазонов ЭМИ. Основными особенностями ТГц излучения являются следующие его свойства:

- ТГц излучение неионизирующее (энергия фотонов 0,004 - 0,04 эВ);

- ТГц излучение хорошо проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния (1/А-4);

- ТГц диапазон - область вращательных спектров молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков, колебаний твердотельной плазмы;

- ТГц диапазон - область водородных связей и Ван-дер-Ваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия;

- энергия фотонов терагерцового излучения лежит в области энергетической щели сверхпроводников.

Ультракороткие ТГц оптические импульсы в настоящее время перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической томографии с разрешением во времени (T-ray imaging) [1]. ТГц томография и спектроскопия в настоящее время являются особо востребованной областью применения ТГц излучения в виду неугасающего интереса в разработке простых устройств обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, а так как большинство доступных материалов прозрачны в терагерцовом диапазоне частот диапазоне, ТГц спектроскопия и томография с разрешением во времени могут стать оптимальным средством дистанционного зондирования. Использование терагерцового излучения в медицине [2], микроскопии [3, 4], а также в системах неразрушающего контроля поверхности также является предметом научных исследований.

В медицине терагерцовое излучение может быть использовано для создания ТГц томографов для обследования и определения злокачественных новообразований [5]. Для визуализации опухоли с использованием позитронно-эмиссионных или однофотонных эмиссионных томографов пациенту вводится радиофарм препарат, который негативно влияет на организм человека. В случае терагерцовой томографии введение радиофарм препарата не требуется благодаря тому, что все вещества имеют в терагерцовом диапазоне свои маркеры поглощения и существует возможность получения визуализации злокачественных новообразований за счет информации, полученной в ТГц диапазоне. По

сравнению с компьютерной томографией отсутствует дозовая нагрузка на пациента.

Аналогичным образом терагерцовое излучение находит применение в фармацевтике для определения составов лекарственных препаратов, открывая возможность проверки процентного содержания того или иного вещества в составе фармацевтических препаратов без нарушения целостности упаковки в конвейерном режиме работы [6 - 8].

Среди возможных областей применения излучения терагерцового диапазона высокой мощности интерес представляет досмотр крупногабаритных объектов, таких как железнодорожные и морские контейнеры, вагоны, автопоезда. В настоящее время системы интроскопии могут быть реализованы только на основе достаточно мощного источника излучения. При этом использование источника у излучения требует наличия в системе мощного ускорителя электронов с возможностью регулировки энергии в 3-5 раз для реализации возможности онлайн идентификации плотности и атомных номеров объектов системой регистрации излучения и распознавания [9]. Регулировка энергии пучка электронов в широком диапазоне является технически сложной задачей. Некоторые производители инспекционных систем решают ее с использованием нескольких установок, позволяющих ускорять электроны до различных энергий. Другим возможным вариантом является использование источника нейтронов, однако здесь регулировка энергии в широком диапазоне является еще более проблематичной. Кроме того, оба описанных способа интроскопии используют мощные потоки ионизирующего излучения и требуют применения систем защиты персонала от него, причем в обоих случаях не удается ограничиться только локальной защитой ускорителя.

В настоящее время существует целое семейство компактных источников электромагнитного излучения малой мощности (от микроватт до сотен милливатт и единиц ватт), которые могут работать в субмиллиметровом диапазоне. Сюда

относятся лампы бегущей волны [10], карсинотроны [11], клинотроны [12], оротроны [13] и излучатели на основе эффекта Смита-Парселла [14 - 15]. Твердотельные приборы (резонансно-туннельные диоды, органические структуры, OLED диоды) и ТГц-лазеры являются также приборами непрерывной генерации, которым присущи жесткие ограничения по максимальной мощности. Подобные уровни мощности позволяют обеспечивать работу в системах томографов, микроскопов, фармацевтических интроскопов.

Также одним из вариантов генерации маломощного ТГц излучения является методика освещения фотополупроводников сверхкороткими лазерными импульсами. В начале 90-х годов было показано, что при освещении некоторых фотополупроводников фемтосекундными импульсами света поверхность образцов излучает когерентные сверхкороткие широкополосные импульсы в дальнем ИК диапазоне спектрах [16 - 19]. ТГц излучение также может генерироваться в процессе коллективного оптического возбуждения электронов в гетероструктурах и квантовых ямах [20 - 22]. Генерация терагерцового излучения путем умножения частоты на полупроводниковых структурах рассматривается в настоящее время в Институте физики микроструктур РАН. В работах рассматривается умножение частоты от различных СВЧ генераторов на основе матрицы планарных диодов Шоттки. Каждый элемент матрицы состоит из двух встречно включенных торцевых диодов Шоттки, интегрированных с широкополосной щелевой антенной. Умножительная матрица имеет около 50000 элементов на 1 см2 площади подложки. Исследована зависимость интенсивности сигнала третьей гармоники накачки импульсного гиротрона с частотой 130 ГГц от размеров умножительной матрицы. Установлено синфазное включение отдельных элементов при генерации третьей гармоники (390 ГГц). Максимальная мощность третьей гармоники составила 60мВт [23 - 24].

Газовые лазеры могут использоваться в ТГц диапазоне только с дополнительным устройством, предназначенным для понижения частоты.

Излучение С02 лазера направляют на объем, заполненный газом, который излучает в ТГц диапазоне. Частота вторичного излучения зависит от выбранного состава газовой смеси и давления, мощность излучения в ТГц диапазоне может достигать нескольких десятков мВт при КПД порядка 0,1 % [25]. В работе [26] приведена таблица, содержащая информацию о возможности получения излучения в диапазоне от 144 ГГц (СГУ4^) до 7919 ТГц (СНгОН) при использовании более 800 различных газов. Возможно также построение лазера по такой схеме с возможностью перестройки частоты [27].

Между тем широкий класс приложений, в том числе задачи разрушающего воздействия мощных ТГц импульсов на электронику, интроскопии крупногабаритных грузов и разработки перспективных видов не летального воздействия на биологические объекты, требуют разработки и создания источников излучения терагерцового диапазона с импульсной мощностью, на несколько порядков более высокой, чем разработанные на настоящий момент. Единственными мощными источниками электромагнитного излучения ТГц диапазона долгое время были лишь синхротронные комплексы и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) [28].

В настоящее время во многих лабораториях мира разрабатываются мощные источники терагерцового диапазона, которые основаны на использовании лазеров на свободных электронах [28- 31]. Это большие установки, включающие довольно громоздкие магнитные ондуляторы и электронные ускорители (электростатические или высокочастотные) на энергию от 10 МэВ с хорошими спектральными характеристиками электронного пучка на выходе из ускорителя [32 - 34]. В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — в ЛСЭ источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов — ондулятор, заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию и

генерируя поток фотонов. Далее излучение, как и в прочих лазерах, собирается и усиливается системой зеркал, установленных на концах ондулятора. Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (индукцию магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту излучения, вырабатываемого ЛСЭ, что является главным отличием ЛСЭ от лазеров других систем. Исследования по получению излучения терагерцового диапазона частот на установках с лазерами на свободных электронах проводятся во многих ускорительных центрах.

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН создан самый мощный в мире лазер на свободных электронах на ускорителе-рекуператоре. Он позволяет получать излучение со средней мощностью до 400 Вт в диапазоне длин волн 120 - 200 мкм [35]. Ускоряющая система обеспечивает ондулятор с периодом 120 мм пучком электронов энергией 12 МэВ и средним током 20 мА. При этом частота следования импульсов 11,75 МГц, а длительность составляет десятки пикосекунд. Ширина генерируемого спектра терагерцового излучения составляет не более десятых долей процента.

На источнике Metrology Light Source в Берлине в сотрудничестве с Helmholtz-Zentrum Berlin также проводятся исследования по генерации и использованию излучения от ЛСЭ с длиной волны 100 мкм - 7 мм в спектрометрии [36]. Используется пучки электронов с энергиями 630 и 450 МэВ, среднее значение мощности генерируемого излучения оказывалось равным 60 мВт, импульсной - 35 Вт [37 - 39].

В ускорительном комплексе DELTA в Дортмунде для генерации ТГц излучения на ЛСЭ применена схема генерации когерентных гармоник [40]. Метод заключается в модуляции энергии электронов пучка лазерным лучом фемтосекундной длительности с энергией 1,5 мДж, распространяющимся сонаправленно с пучком в первой части ондулятора U250, которая затем переходит в микро сгустковое распределение электронов в центре ондулятора.

Сформированные микро сгустки испускают когерентное электромагнитное излучение на гармониках частоты лазера во второй части ондулятора [41 - 42]. Частота получаемого излучения может варьироваться в диапазоне 0,2 - 8 ТГц. В установке используется пучок электронов с энергией 1,5 ГэВ.

Кроме того, к настоящему времени опубликовано большое число работ по изучению других способов генерации ЭМИ субмиллиметрового диапазона на больших физических установках: прямое или обратное Комптоновское или Томсоновское излучение, использование вигглеров совместно с линейными индукционными ускорителями и другие варианты механизмов генерации [43 - 45].

За последние годы появились разработки новых типов источников терагерцового излучения высокой мощности, к которым относятся в частности гиротроны - СВЧ генераторы, основанные на стимулированном циклотронном излучении электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном магнитном поле и поле открытого резонатора. В гиротронах электроны взаимодействуют с быстрыми волнами и поэтому для их реализации нет необходимости в электродинамических системах с мелкомасштабными элементами, а электроны могут двигаться вдали от стенок электродинамической системы [46]. Благодаря этому в гиротронах получены импульсные мощности излучения до 1 МВт на частоте 0,17 ТГц [47]. В исследованиях гиротронов уже удавалось продвигаться довольно далеко в субмиллиметровый диапазон. Так, в Институте прикладной физики РАН в начале 1970-х годов с помощью гиротрона было получено излучение мощностью 1,5 кВт в непрерывном режиме на частоте 330 ГГц на второй гармонике [48], а в начале 1980-х - 40 кВт на частоте 0,65 ТГц в импульсном режиме при длительности импульсов 50 мкс на основной гармонике [49]. В настоящее время разработаны гиротроны с большой орбитой на частоту излучения 0,55 ТГц и кВт уровни мощности, ведутся работы по созданию гиротрона на энергию 0,67 ТГц с мощностью 200 кВт [50]. Так же в гиротронах были получены частоты 1,3 ТГц и 1 ТГц на основной и третьей гармониках

Другим направлением, широко развивающимся в настоящее время, является генерация узкополосного рентгеновского излучения с энергией от 20 до 40 кэВ. Множество важных современных медицинских рентгенологических технологий требуют использования яркого и узкополосного рентгеновского источника. Такими технологиями являются фазово-контрастная визуализация, визуализация с использованием дифракции когерентного рентгеновского излучения, ангиография, дихромография, времяпролетная визуализация, маммография и другие [54, 55]. Использование именно диапазона 20-40 кэВ объясняется тем, что для ангиографии в качестве контрастного вещества при исследованиях чаще всего используется йод, пик поглощения которого равен 33 кэВ, соответственно для исследования необходимо излучение с энергией, равной пику поглощения контраста. Использование узкополосного рентгеновского источника приводит к повышению качества изображения и в дополнении к этому к снижению дозы, получаемой пациентом и медицинским персоналом. К примеру, при проведении процедуры ангиографии пациент получает дозу в 180-240 раз выше, чем при радиографии грудной клетки. Основная проблема заключается в широкополосности спектра рентгеновской трубки.

Как известно, узкополосный спектр рентгеновского излучения не может быть сгенерирован при использовании станда