Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей

Вагнер, Александр Рудольфович

Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Вагнер, Александр Рудольфович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей»

Автореферат диссертации на тему "Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей"

На правах рукописи

Вагнер Александр Рудольфович

Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2009

003479150

Работа выполнена на кафедре Прикладной физики ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Потылицын Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Внуков Игорь Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор

Найден Евгений Петрович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова

Защита состоится "27" октября 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДС 212.025.01 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 30, ауд. 228 (10 корпус ТПУ)

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан "25" сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

О.Ю. Долматов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Среди практических применений рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновскими трубками, следует отметить системы диагностики в медицине и системы анализа и контроля в науке, энергетике и транспорте. Однако современный уровень требований к параметрам источников рентгеновского излучения на основе рентгеновских трубок в раде случаев не может быть достигнут. Во многих приложениях можно существенно понизить предъявляемые требования при использовании монохроматического излучения. Особенно актуальным является вопрос о создании нового источника рентгеновского излучения для медицинских целей, который должен обладать достаточной интенсивностью излучения с одной стороны и монохроматичностью с другой. Использование узконаправленных монохроматических пучков рентгеновского излучения с регулируемым положением линии в спектре позволяет улучшить контраст изображения и снизить дозовые нагрузки на организм, за счет «выделения» из непрерывного спектра излучения линии определенной энергии. Подобные установки, реализованные на базе синхротронного излучения, в полной мере подтвердили свое преимущество. Однако в силу высокой стоимости и больших размеров источников синхротронного излучения возможности их широкого использования, как в медицинских, так и других целях весьма ограничены.

Таким образом, исследование методов генерации монохроматического излучения и методов увеличения интенсивности источников монохроматического излучения на базе электронных ускорителей средних энергий (£50МэВ) является весьма актуальной задачей. Подобные установки могут заполнить «нишу» между традиционными рентгеновскими трубками и источниками синхротронного излучения.

Цели и задачи работы

Целью настоящей работы является экспериментальные и теоретические исследования методов монохроматизации пучков излучения электронных ускорителей средних энергий и разработка схемы источника монохроматического рентгеновского излучения с перестраиваемой длиной волны на базе бетатрона с перспективой использования в медицине.

В соответствии с общей целью работы в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Разработка компьютерной программы для моделирования генерации тормозного излучения электронов средних энергий с учетом реальных условий эксперимента.

2. Экспериментальное и теоретическое исследование двух механизмов генерации монохроматического рентгеновского излучения: параметрического рентгеновского излучения и дифракционного тормозного излучения в геометрии Брэгга, сравнение этих механизмов по эффективности генерации для электронных ускорителей средних энергий, а также проверка адекватности разработанной компьютерной программы при сравнении результатов моделирования с экспериментальными данными.

3. Исследование характеристик источника монохроматического излучения на основе механизма дифракции тормозного излучения микротрона и сравнение с возможностями рентгеновской трубки.

4. Исследование процесса многократной генерации тормозного излучения в тонкой мишени бетатрона, как механизма увеличения интенсивности.

5. Разработка системы цифровой рентгенографии для импульсного источника монохроматического рентгеновского излучения.

6. Разработка схемы монохроматического источника рентгеновского излучения на базе малогабаритного электронного ускорителя электронов средних энергий - бетатроне.

Научная новизна

Основные результаты, полученные в работе, являются новыми.

1. В работе предложена новая схема источника монохроматического рентгеновского излучения на базе бетатрона на энергию 18 МэВ.

2. Предложена оригинальная методика определения кратности прохождения электронов через тонкую мишень при генерации тормозного излучения в бетатроне.

3. Экспериментально исследованы спектральные характеристики дифракционного тормозного и параметрического рентгеновского излучений на пучке электронов с энергий 5,7 МэВ.

4. Проведены экспериментальные измерения и получены результаты численного моделирования для сравнения интенсивностей монохроматического излучения рентгеновской трубки и ускорителей электронов средних энергий;

5. Разработана импульсная система цифровой рентгенографии на основе арсенид галлиевых детекторов сканирующего типа.

Теоретическая и практическая ценность работы

В диссертации рассмотрена возможность создания источника монохроматического рентгеновского излучения с регулируемой длиной волны на основе дифракции рентгеновского излучения от электронов средних энергий. Исследованы спектральные характеристики предложенного источника на базе малогабаритного ускорителя - бетатрона с энергией 18 МэВ. В результате сравнения предложенного источника с рентгеновской

трубкой выявлено преимущество первого по следующим параметрам: монохроматичность; уменьшение дозовой нагрузки на исследуемый объект, которая может быть снижена на порядок; перекрываемый энергетический диапазон от 5 до 130 кэВ. Предложенная в диссертации схема источника на базе серийно выпускаемых бетатронов имеет меньшую стоимость (два - три порядка) по сравнению с источниками синхротронного излучения и источниками, реализованными на механизме параметрического излучения.

Разработанная программа численного моделирования позволяет исследовать характеристики рентгеновского пучка полученного на основе механизма дифракции тормозного излучения электронов, как от средних, так и от релятивистских энергий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных измерений и численного моделирования характеристик параметрического и дифракционного рентгеновского излучений от электронов средних энергий.

2. Результаты экспериментальных измерений многократной генерации тормозного излучения в бетатроне и методика определения кратности прохождения электронов через тонкую мишень.

3. Программа численного моделирования процесса генерации тормозного излучения электронов средних энергий с учётом многократного рассеяния электронов, конечных размеров и расходимости электронного пучка, апертуры детектора, потерь энергии на ионизацию и поглощения излучения в мишени, реализованная методом Монте-Карло.

4. Схема источника рентгеновского монохроматического излучения с перестраиваемой длиной волны на базе бетатрона с тонкой внутренней мишенью и механизма дифракции «мягкого» тормозного излучения.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методов и алгоритмов для их решения, проведении экспериментальных исследований, создании программы для моделирования исследуемых процессов, обработке данных, формулировке выводов в статьях, докладах и диссертации. Результаты, опубликованные в работах [9-19], получены при основном участии автора.

Апробация диссертации и публикации

Результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях:

1. XXth Russian conference on charged particle accelerators «RUPAC'06», 2006, Novosibirsk;

2. V конференция по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям, 2007, Харьков;

3. XXXVII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 2007, Москва;

4. VII International symposium «RREPS-07», 2007, Prague, Czech Republic;

5. IV Международная научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики», 2007, Томск;

6. 4 International Summer School on Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine, 2007, Prague, Czech Republic;

7. Российская научно-практическая конференция (с международным участием) «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения», 2007, Томск;

8. XXI Russian conference on charged particle accelerators «RUPAC'08», 2008, Zvenigorod;

9. 3rd International Conference on Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena (Channeling - 2008), 2008, Erice, Italy;

10. Научная сессия МИФИ, 2009, Москва.

По теме диссертации опубликовано 5 статей в отечественной и зарубежной научной печати, а также 6 тезисов докладов на международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, четырёх приложений, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 116 библиографических ссылки. Общий объем диссертации составляет 110 страниц. Работа содержит 56 рисунков и 9 таблиц.

Краткое содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены историческая справка, краткий обзор литературы по проблеме, состояние исследований к моменту начала работы. Дано описание структуры диссертации и сформулированы цель и основные задачи, решаемые в ней, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации кратко описаны классическая теория и основные результаты квантовой теории тормозного излучения (ТИ) заряженными частицами, представлены рабочие формулы для расчета спектрально-углового распределения. Приведены основные выводы кинематической теории параметрического рентгеновского излучения и дифракции рентгеновского излучения на кристаллах. Разработана компьютерная программа в среде Mathematica для численного моделирования спектров тормозного излучения при генерации пучком

электронов с энергиями от 500 кэВ до 50 МэВ. Программа основана на моделировании методом Монте-Карло. Программа позволяет учитывать геометрические размеры пучка и его распределение в объеме, расходимость и энергетический разброс для мишени из любого материала и толщины. Для учета многократного рассеяния электронов в толстых мишенях применяется распределение Мольера [1]. На рис. 1 для иллюстрации приведены треки электронов с энергией 6 МэВ в вольфраме (\У) толщиной 1,5 мм и меди (Си) толщиной 1,5 мм.

аху =1,5 мм; расходимость ас1су =5мрад.

Во второй главе диссертации описаны экспериментальные исследования двух различных механизмов генерации монохроматического рентгеновского излучения - параметрического рентгеновского излучения (ПРИ) в кристаллах вольфрама и пиролитического графита и дифракции тормозного излучения (ДТИ) при рассеянии тормозного излучения на тех же кристаллах в той же геометрии. Измерения были выполнены на пучке электронов с энергией 5,7 МэВ микротрона НИИ ЯФ ТПУ.

На установке было выполнено два типа спектральных измерений, в которых кристаллическую мишень либо пересекает пучок электронов (измеряется спектр ПРИ в присутствии вклада ДТИ), либо через кристалл проходит пучок тормозного излучения (регистрируется только спектр ДТИ). Спектры излучения регистрируются в совершенно одинаковых условиях (с использованием одних и тех же детектирующей аппаратуры, мишеней, геометрии измерений).

На рис. 2.а и 2.6 приведены схемы размещения экспериментального оборудования по регистрации ПРИ и ДТИ.

Измерения проводились путём набора спектров излучения для различных углов наклона кристалла к оси пучка электронов 0 в диапазоне от пороговой энергии (5 кэВ) до максимальной (45 кэВ). На рис. 3 приведен измеренный спектр ПРИ электронов в пиролитическом графите (ПГ) для угла ориентации кристалла в=вА=30°.

Рис. 2.а. Схема эксперимента по регистрации ПРИ.

Рис, 2.6. Схема эксперимента по регистрации ДТИ.

1 - алюминиевый конвертор (125 мкм), 2 - датчик тока, 3 - отклоняющий магнит, 4 - поток тормозного излучения, 5 - кристалл (W, С) закрепленный в гониометре, 6 - ПРИ (ДТИ), 7 - выходное окно (каптун, 150 мкм), 8 - ППД, 9 - свинцовая защита, 10 - видиокамера, 11 - коллиматор.

и 12 и

"Ь. | 10

S s

б « •Э"

*10н

С(002)

10 20 30 40 Энергия фотонов Е,, кэВ

Рис. 3. Спектр ПРИ электронов на кристалле ПГ.

На рисунке отчетливо видны максимумы дифракции виртуальных фотонов, соответствующие (п = 2, 3,...6) порядкам дифракции и энергиям (7,46; 11,10;... 22,11 кэВ). Первый порядок дифракции не был зарегистрирован т.к. находится вне области чувствительности детектирующей аппаратуры. Ширина линии второго дифракционного максимума (п = 2) на полувысоте составляет Д = 450 эВ. Выход фотонов ПРИ

из кристалла ПГ составляет 8-10"6 фотонДэлектрон ср) (с поправкой на ослабление излучения на пути к детектору и с вычитанием фона). Фоновая подложка в спектре объясняется вкладом диффузионного рассеянного тормозного излучения электронов.

На рис. 4 представлен спектр дифракции реальных фотонов тормозного излучения электронов на кристалле ПГ, измеренный при угле ориентации кристалла 0=0^=30'. Наблюдаемые пики соответствуют порядкам дифракции (п = 2,3,..Л0) и энергиям (7,29; 10,83;... 35,97 кэВ)

Эмерпм фотонов Еу, кэВ

Рис. 4. Спектр ДТИ на кристалле ПГ.

Ширина линии второго порядка дифракции на полувысоте составляет д = 340эВ. Выход ДТИ из кристалла ПГ составляет в максимуме (п=2) 8,5-10^ фотонДэлектрон ср). Если сравнить измеренные спектры ПРИ и ДТИ на ПГ (рис. 3 и рис. 4), то последний демонстрирует значительно более высокое отношение пик/фон (?/,„>„ = Ю,г].т, =100), причём здесь практически отсутствует фоновая подложка, вызванная диффузным рассеянием тормозного излучения. Процесс ДТИ обеспечивает более узкую линию излучения по сравнению с ПРИ, что связано с влиянием процесса многократного рассеяния электронов в кристалле, а также с более широким конусом, а также с более широким конусом начального пучка виртуальных фотонов.

На рис. 5 приведён спектр дифракции тормозного излучения в кристалле вольфрама W(lll), измеренный при угле ориентации кристалла &=вА =30'. Пик 3 (£г =13,61 кэВ) соответствует первому разрешённому рефлексу ДТИ, пики 1 (£г = 8,39кэВ) и 2 (£,, = 9,67 кэВ) соответствуют линиям характеристического излучения вольфрама La и Lp. Зарегистрированные пики ХРИ представляют интерес для независимой калибровки и абсолютизации выхода фотонов ДТИ.

Ширина линии ДТИ на полувысоте составляет д=350 эВ. Спектрально-угловая плотность ДТИ на кристалле вольфрама составляет 7-10"6 фотонДэлектрон ср кэВ).

На кристалле вольфрама также были проведены измерения спектров излучения при прохождении через кристалл электронов (поиск ПРИ). Однако однозначно выделить ожидаемый пик ПРИ на фоне линий ХРИ и тормозного фона не удалось. Вероятная причина этого в относительно большой толщине кристалла. Так в работе [2] указывается, что оптимальная толщина вольфрама для энергии ПРИ £^=15x38 составляет 3,8 мкм.

Е,.к>В

Рис. 5. Спектр излучения на кристалле (111). Пики 1 и 2 - ХРИ, пик 3 - ДТИ.

Измеренные спектры ПРИ и ДТИ на кристалле пиролитического графита показывают, что механизмы дифракции виртуальных и реальных фотонов обеспечивают эффективную генерацию рентгеновского излучения с квазимонохроматическим спектром. Анализируя полученные экспериментальные результаты, можно сделать вывод о том, что на базе механизма ДТИ можно создать рентгеновский источник с более контрастным линейчатым спектром, и более высоким (на порядок) отношением 11 (пик/фон), чем на основе ПРИ.

Одной из поставленных задач в работе является доказательство адекватности реализованной компьютерной программы расчета выхода ДТИ в сравнении с экспериментом. В данных экспериментах результаты расчета согласуются с экспериментальными не хуже 15 %, что подтверждает пригодность использования программы численного моделирования для поставленной цели.

В третьей главе диссертации для сравнения параметров источника монохроматического излучения, основанного на базе электронных ускорителей (микротрон, бетатрон), с параметрами монохроматического пучка излучения рентгеновской трубки, были проведены эксперименты по монохроматизации поля излучения последнего. Эксперименты проведены на источнике рентгеновского излучения рентгенофлуоресцентной установки дифракционного типа ИРИС - 6.

Для сравнения с результатами, полученными во второй главе, в таб. 1 представлены выходы монохроматического рентгеновского излучения для «близких» параметров геометрии. Из представленных данных видно, что

выход излучения в расчете на один электрон и в единицу телесного угла для микротрона превышает выход излучения рентгеновской трубки на 5 порядков.

Таблица 1. Параметры источников и монохроматического излучения.

Источник первичного излучения Микротрон Рентгеновская трубка

Средний ток 0,3 мА 10 мА

Энергия ускоренных электронов 5,6 МэВ 40 кэВ

Кристалл - монохроматор Пиролитический графит (002)

Угол ориентации кристалла 30 градусов 49 градусов

Порядок дифракции 2 3

Энергия дифракционной линии 7,29 кэВ 7,9 кэВ

Выход монохроматического излучения, фотон/(электрон ср) 8,5-10-* 1.3-10-"

Это связано с тем, что угловое распределение тормозного излучения микротрона за счет высокой энергии электронов распределено в узком (~5') телесном угле и практически полностью дифрагирует на кристалле и регистрируется детектором. Угловое распределение излучения рентгеновской трубки значительно шире (-60°) и дифрагирует, следовательно, регистрируется детектором, только малая её часть. Второй фактор, который вносит свой вклад в выход излучения - это толщина мишени. В случае эксперимента на микротроне (см. рис. 2.) мишень была тонкой (125 мкм), что позволило сместить спектральный максимум тормозного излучения в области энергий 5-10 кэВ.

Если провести сравнение этих источников для систем рентгенографии, например, в коронарной ангиографии, где требуются поля рентгеновского излучения (в нашем случае монохроматического) в короткие интервалы времени - 1 мс, то источник, реализованный на базе микротрона, имеет еще одно значительное преимущество. Поскольку микротрон работает в импульсном режиме (с частотой следования импульсов 25 Гц, 0,6 мкс) за время 1 мс (один цикл ускорения) возможно получить выход монохроматического рентгеновского излучения -1,6-Ю10 фотон/ср. Рентгеновская трубка, которая работает в непрерывном режиме (ток 10 мА) за время 1 мс способна обеспечить выход монохроматического рентгеновского излучения -1,5-Ю3 фотон/ср, что на семь порядков ниже по сравнения с источником на базе микротрона.

Основной проблемой при создании источников рентгеновского монохроматического излучения является относительно небольшой выход излучения. Одним из способов увеличения выхода тормозного излучения электронных ускорителей и, как следствие, монохроматического рентгеновского излучения является использование тонкой мишени для генерации ТИ в циклических ускорителях, что может обеспечить кратность прохождения электронов через мишень более единицы [3].

В качестве инжектора может быть использован любой ускоритель электронов на средние энергии, в том числе и линейный ускоритель [4]. Мишень для генерации тормозного излучения устанавливается на равновесную орбиту. Если мишень достаточно тонкая (составляет десятки мкм для малых Ъ, и единицы для средних Т), то в силу малых ионизационных и радиационных потерь энергии электрона на столкновение и излучение происходит многократное прохождение пучка электрона через мишень и, как следствие, увеличение выхода ТИ. В работе [5] было экспериментально показано, что кратность прохождения электронов через мишень (среднее количество проходов одного электрона через мишень) в бетатроне на энергию 33 МэВ может достигать 200. В четвертой главе диссертации исследуются характеристики тормозного излучения при многократном прохождении электронного пучка через тонкую мишень бетатрона на энергию 33 МэВ бетатронной лаборатории НИИ Интроскопии ТПУ. В отличие от схем [3,4] использование бетатрона с тонкой мишенью приводит к существенному удешевлению конструкции при некоторой потере в интенсивности излучения ускоренного электронного пучка. Отличие данного эксперимента от [5] заключается в том, что используются спектральные, а не интегральные характеристики поля излучения для определения кратности прохождения электронов.

Рис. 6. Схема эксперимента по многократной генерации ТИ. На рис. 6 приведена схема эксперимента с расположением экспериментального оборудования. Инжекция электронов в ускорительную камеру осуществляется инжектором, расположенном во фланце И (см.

рис. 6). Затем происходит ускорение электронов на равновесной орбите ^ до энергии 33 МэВ. Число ускоренных электронов в каждом цикле составляет около 10ю электронов, частота следования импульсов излучения составляет 50 Гц. Мишень генерации ТИ расположена в точке М на орбите сброса. В данной схеме в отличие от схем, предложенных в работах [3,4] ускорение и генерация происходит в одной камере, но на разных орбитах движения электронов.

В эксперименте использовался мишенедержатель с двумя медными мишенями. Первая имела толщину 6 мкм, вторая 1,6 мм. ТИ выходит из ускорительной камеры через фланец Ф2. В эксперименте проводились измерения дозового поля излучения для разных мишеней в двух точках А и В (рис. 6). Для измерения дозовых распределений использовали терапевтический дозиметр UNIDOS Е [6]. В точке В измерения проводились ионизационной камерой PTW 30013 Waterproof Farmer chamber [6], имеющей высокую энергетическую чувствительность в диапазоне от 30 кэВ до 50 МэВ. В точке А были проведены измерения мощности поглощенной дозы поля тормозного излучения ионизационной камерой 23342 Soft X-ray chamber, 0.02 см3 [6], имеющей высокую энергетическую чувствительность в диапазоне от 15 до 100 кэВ. Мощность дозы, усредненная по 10 измерениям, составила 10 мкГр/с для толстой мишени (1.6 мм) и 16 мкГр/с для тонкой мишени (6 мкм).

Для интерпретации полученных экспериментальных данных была использована разработанная программа моделирования генерации ТИ с использованием метода Монте-Карло.

Для оценки выхода ТИ из толстой и тонкой мишеней в точке А был промоделирован спектр тормозного излучения, соответствующий апертуре реального детектора. Результат моделирования представлен на рисунке 7.а для толстой мишени и 7.6 для тонкой.

А Б

Рис. 7. Спектры тормозного излучения для толстой мишени (а) и тонкой мишени (б).

Разброс кривых на графиках объясняется сравнительно небольшой статистикой (104 электронов). На графиках не приведены линии характеристического излучения меди, поскольку они лежат вне чувствительной области детектора. В случае тонкой мишени наблюдается

увеличение выхода фотонов в мягкой части спектра (й<у<40 юВ), тогда как в схеме от толстой мишени наблюдается самопоглащение фотонов с £<50 кэВ.

Как отмечалось ранее, в точке А была измерена мощность дозы поля ТИ. Зная спектральный состав излучения в заданном диапазоне можно определить радиационные потери в единицу времени в заданную апертуру:

£= (1) * йН(о

где йш - энергия квантов тормозного излучения, фотонный спектр

излучения в единицу времени (рис. 7.), а и Ь минимальный и максимальный порог чувствительности детектора, р(На) - массовый коэффициент поглощения.

Мощность дозы Ь можно определить из (1):

д = К-п-Ё-м(Ьа) (2)

где п - кратность прохождения электронов через мишень, коэффициент К учитывает геометрию облучения, объем камеры, количество электронов и т.д.

Коэффициент пропорциональности к можно оценить для обоих случаев (тонкой и толстой мишени):

-->

п-Ктш** =_Т~у7-^-= 137.2-10-'

п\ ^"Ью-^НшШНю) (3)

; (¡Нт к '

"•«и*«*. =-—г.--= 1-3'Ю-7

{ <1Ьа>

Так как все параметры (геометрия, количество электронов и т.д.) в обоих случаях были одинаковы то = КШЛшеа. Полагая, что кратность

прохождения электронов через толстую мишень не превышает 1, из (3) можно определить кратность прохождения электронного пучка через тонкую

мишень из отношения л = —ТЬш1"г°| ■ = 102.

1 . V

В случае использования бетатрона в качестве источника тормозного излучения подтверждена возможность многократного прохождения электронов через тонкую мишень, что позволяет увеличить интенсивность пучка ТИ и монохроматического рентгеновского излучения, если на выходе излучения установить кристалл-монохроматор. Необходимо подчеркнуть, что использование тонких мишеней позволяет сместить спектральный максимум излучения в мягкую часть спектра.

В перспективе полученные в работе результаты демонстрируют возможность создания источника монохроматического рентгеновского

излучения с регулируемой длиной волны, основанного на бетатроне, который имеет преимущества источников монохроматического СИ и значительно отличатся по стоимости установки и эксплуатации.

К источникам рентгеновского излучения, которые могут быть использованы в рентгенографии, предъявляется ряд требований, одним из которых является их интенсивность. Плотность потока излучения не должна быть менее 107 фотон/мм2 [7]. Поэтому сейчас медицина испытывает недостаток в новых системах рентгенографии способных быстро и с хорошим разрешением отобразить аномалии строения внутренних органов человека или какого-либо другого объекта. Помимо этого дефектоскопия нуждается в системах рентгенографии для выявления дефектов материалов и определения качества сварочных соединений. Для снижения необходимой интенсивности излучения целесообразно развивать современные системы цифровой рентгенографии. В настоящее время особое внимание уделяется системам, чувствительный элемент которых, представляет собой линейку или матрицу полупроводниковых детекторов.

В пятой главе представлена разработка системы цифровой рентгенографии основанной на СаАв детекторах. Этот прототип в течение нескольких лет разрабатывается в ГНЦ ИФВЭ (г. Протвино МО). В этих системах используются детекторы прямого преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал. Детекторы изготавливаются на компенсированном хромом СэАб резистивного типа [8]. Они имеют высокую эффективность регистрации излучения (близкую к 100%) для используемых в медицине энергий рентгеновского излучения (менее 200 кэВ). Кроме того, ваЛв детекторы обладают высокой радиационной стойкостью, по сравнению с газонаполненными приборами и кремниевыми фотодиодами.

Линейка детекторов состоит из пяти микростриповых сборок по 128 чувствительных элементов длиной 25,6 мм, и представляет 640 чувствительных элементов, общей продолжительностью 128 мм и шириной 200 мкм. В главе представлены технические характеристики регистрирующего модуля и результаты измерения, выполненные на рентгеновской трубке в стационарном режиме, для настройки и отладки режимов работы модуля, а также в импульсном режиме на источнике тормозного излучения - индукционном ускорителе электронов - бетатроне МБ-6.

Полученные результаты демонстрирует, что разработанная система цифровой рентгенографии способна работать в импульсном режиме в условиях низкой плотности потока рентгеновского излучения. Качество полученных изображений удовлетворяют необходимым требованиям в дефектоскопии. Для повышения чувствительности системы необходима модернизация электронных схем синхронизации модуля с источником рентгеновского излучения.

Для удешевления стоимости источника монохроматического рентгеновского излучения, что может являться основным конкурентным

преимуществом, в работе было предложено рассмотреть схему на базе бетатрона.

В шестой главе диссертации рассмотрена новая схема источника монохроматического рентгеновского излучения с регулируемой длиной волны на основе дифракции тормозного излучения бетатрона. Результаты представленные в настоящем разделе и параметры схемы были получены с помощью численного моделирования описанного в разделе 1.4.

Рис. 8. Схема источника На рис. 8 представлена схема источника монохроматического рентгеновского излучения на базе бетатрона. Таблица 2. Параметры бетатрона Б-18

Тип бетатрона 6 - стоечный

Максимальная энергия электронов 18 МэВ

Средний ток 0.55 мкА

Количество захваченных в ускорение электронов Ю10

Частота следования импульсов 150 Гц

Время ускорения 2 мс

Время генерации излучения 2 МКС

Радиус равновесной орбиты, Яд 128 мм

Радиус орбиты сброса, Я, 110 мм

Напряжение инжекции 60 кВ

Доза излучения на расстоянии 1 м 100 сГр/мин

В качестве источника тормозного излучения предлагается использовать серийно-выпускаемый бетатрон Б-18 (НИИ Интроскопии ТПУ) на максимальную энергию электронов 18 МэВ. Основные параметры бетатрона представлены в таб. 2. На рис. 8 представлена камера ускорителя, где К0 -равновесная орбита, И, - орбита сброса электронов на мишень, И - фланец размещения инжектора электронов, Ф1 - фланец размещения мишени (генератора ТИ), М место установки мишени, Ф2 - фланец выхода ТИ из камеры бетатрона. На выходном пучке ТИ устанавливается кристалл-монохроматор (К-М), затем дифрагированное тормозное излучение коллимируется коллиматором (К), который имеет возможность перемещаться в перпендикулярном направлении относительно направления ДТИ, за коллиматором расположен исследуемый объект (О), прошедшие через объект кванты ДТИ регистрируются линейкой ОаАв детекторов (ССЭ).

Мишень для генерации ТИ выбрана таким образом, что бы максимум ТИ был расположен в области 20 - 30 кэВ и толщина составляет 70 - 90 мкм для молибдена. Молибден выбран потому, что в спектре ТИ будет присутствовать характеристическое рентгеновское излучение соответствующее Ага,_2=17,4кэВ и Кр1г =19,7кэВ, что позволит увеличить

выход излучения в этом энергетическом диапазоне. На рис. 9 показан

Рис. 9. Рассчитанный спектр ТИ и ХРИ молибдена На рисунке приведена интенсивность излучения в расчете на электрон и апертуру детектора в 1 мм2 на расстоянии 20 см от мишени (место расположения кристалла-монохроматора). Моделирование было проведено для относительно небольшой статистики электронов (104). Спектр

монохроматического рентгеновского излучения после дифракции на кристалле пиролитического графита (0 0 2), ориентированным под углом (угол Брэгга) 6 градусов представлен на рис. 10.

Среднее количество электронов захваченных в ускорение в бетатроне Б18 составляет Ю10 электронов. Выход монохроматического излучения на один электрон на кристалле пиролитического графита для энергии 17,5 кэВ составляет 0,523-10^ фотон/(электрон-мм2) и одного цикла ускорения 5,23-Ю3 фотон/мм2. Одним из основных преимуществ бетатрона заключается в относительно высокой частоте следования импульсов излучения, т.о. за 1 сек можно получить поток квантов монохроматического излучения 0,810бфотонов/мм2. При использовании систем цифровой рентгенографии, например, на основе ОаАв детекторов, предоставляется возможность получать высококачественные рентгеновские снимки при плотности потока рентгеновского излучения на один, два порядка ниже, чем для стандартной рентгеновской пленки.

1 °'5 я

0,4

0,3

•е-

0,2

g 0,1

В £

Я "

КГ6

HOPG (0 0 2)

еБ=б°

П=1

Энергия фотонов, кэВ Рис. 10. Спектр монохроматического рентгеновского излучения

Из сравнения предложенного источника со стандартной рентгеновской трубкой следует, что первый будет обладать рядом преимуществ: монохроматичность излучения, что позволит увеличить контрастность исследуемого объекта и снизить дозовую нагрузку два порядка [11].

В заключении излагаются основные результаты диссертации.

В Приложении I Приведены основные параметры кристаллов, используемых в рентгеновской дефектоскопии.

В Приложении П приводятся характеристики детектора БДЕР-КИ-11 К, использовавшегося для регистрации параметрического рентгеновского дифракционного тормозного и характеристического излучений.

В Приложении III приводятся характеристики детектора UNIDOS-E, использовавшегося для измерения мощности дозы.

В Приложении IV приводится методика численной обработки результатов измерения, полученных системой цифровой рентгенографии на базе СаАэ детекторов.

Основные результаты работы

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана программа для моделирования процесса генерации тормозного излучения и характеристик поля излучения электронов с энергией 0,5 - 50 МэВ с учётом многократного рассеяния электронов, конечных размеров и расходимости пучка, апертуры детектора, потерь энергии на ионизацию и поглощения излучения в мишени, кристалле. Продемонстрировано хорошее согласие результатов численного моделирования с результатами экспериментов.

2. Исследованы методы монохроматизации излучения на основе механизмов параметрического рентгеновского излучения и дифракции рентгеновского излучения в кристаллах. Проведены измерения, позволяющие сравнить эти механизмы и параметры источников, реализованных на разных электронных ускорителя (микротрон, бетатрон, рентгеновская трубка). Показано, что для энергий электронов < 15 МэВ дифракция ТИ является предпочтительным механизмом по сравнению с ПРИ.

3. Исследован механизм многократной генерации тормозного излучения в бетатроне, предложена оригинальная методика определения кратности прохождения электронов через мишень, показана возможность достижения 102 кратности.

4. Апробирована система цифровой рентгенографии на основе линейки СаАэ детекторов для работы на импульсном пучке бетатрона.

5. Предложена и обоснована новая схема источника рентгеновского монохроматического излучения с перестраиваемой длиной волны на базе серийного бетатрона Б-18. Интенсивность источника и ширина спектральной линии при использовании кристалла пиролитического графита, составляют 105 ф/с и 0,6 кэВ, соответственно. Проведён сравнительный анализ этого источника и рентгеновской трубки, который показал ряд преимуществ, позволяющих увеличить пространственное разрешение изображений и на порядок уменьшить дозовую нагрузку на объект. В сравнении с источниками, основанными на СИ и ПРИ предложенная схема является более дешевой, что может быть решающим фактором при создании новой линии рентгеновских источников, занимающих нишу между рентгеновскими аппаратами и мощными источниками монохроматического рентгеновского излучения на основе СИ.

Цитируемая литература:

1. В.И. Беспалов. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом// Томск: ТПУ - 2007.

2. Danon Y., Sones В., Block R.C. Production and application of a novel, energy-tunable x-ray source at the RPI LINACV/ Proceedings. CAARI. Fort Worth. Texas. 2006.

3. H. Yamada // NIM В - 2003 - V. 199 - P. 509.

4. B.K. Гришин, B.C. Ишханов, С.П. Лихачев. Высокоэффективные источники широко-спектрального и монохроматического рентгеновского и гамма-излучения// Известия высших учебных заведений. ФИЗИКА. - 2000 -Т. 44 - 3 - С. 88.

5. V.V. Kaplin, S.R. Uglov, et.alЛ Review of Scientific Instruments -2002 - V. 73 - N 1 - P. 63

6. http://www.cpce.ru/tools/rtad_unidos.shtinl

7. E. B. Podgorsak et al. Radiation oncology physics// International Atomic Energy Agency, Vienna - 2005.

8. G.I. Ayzenshtat, E.A. Babichev, S.E. Baru, V.R. Groshev, G.A. Savinov, O.P. Tolbanov, A.P. Vorobiev//NIM A - 2003 - V. 509 - P. 268 Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

9. A.R. Wagner, А.Р. Potylitsyn, V.V. Kashkovskiy, Y.N. Adishev, S.A. Gorokhov, M.K. Polkovnikov, Yu.V. Rodnov, A.P. Vorobiev, R.E. Rydenko, G.I. Ayzenshtat, O.P. Tolbanov. The use of betatron gamma-beam for digital radiographic technique// Proceedings of the RUPAC 2006, Novosibirsk, Russia (September 2006) http://rupac2006.inp.nsk.su/readv/molpl7.pdf

10. Забаев B.H., Разин C.B., Углов C.P., Вагнер А.Р., Потылицын А.П., Кузнецов С.И. Монохроматический рентгеновский источник, основанный на дифракции реальных и виртуальных фотонов в кристаллах //Известия вузов. Физика, 2007 - т. 50, - № 10/3. - с. 139-146

11. Vagner A.R., Potylitsyn А.Р., Kuznecov S.I., Uglov S.R., Zabaev V.N., Razin S.V. Parametric X-Ray Radiation and Diffraction Bremsstrahlung from Moderately Relativistic Electrons in Pyrolytic Graphite Crystal //Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine-2007: American Institute of Physics Conference Proceedings - Prague, Czech Republic, July 8-19,2007. - New York: American Institute of Physics (API), 2007 - т. 958. - p. 250-252

12. Wagner A.R., Kuznetsov S.I., Potylitsyn A.P., Razin S.V., Uglov S.R., Zabaev V.N. Monochromatic X-ray sources based on a mechanism of real and virtual photon diffraction in crystals //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В., 2008 - v. 226.17- P. 3893

13. A.P. Potylitsyn, Yu. A. Popov, A.V. Vukolov, I.V. Zaitsev, A.R. Wagner, V.N. Zabaev. The comparison of monochromatic X-ray sources based on X-ray tube and 5 MeV microtron for possible application in medicine// Proceedings of the RUPAC 2008, Zvenigorod, Russia (September 2008) http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/r08/papers/WEAAU03.pdf

Тезисы докладов, опубликованные по теме диссертации:

14. Kashkovskiy V.V., Potylitsyn А.Р., Wagner A.R. The use of betatron gamma-beam for digital radiographic technique //Abstracts of XXth Russian conference on charged particle accelerators - Novosibirsk, Russia, 10-14 September 2006. - Novosibirsk: BINP, 2006. - P. 106

15. Вагнер A.P., Забаев B.H., Кузнецов С.И., Потылицын А.П., Разин С.В. Дифракция виртуальных и реальных фотонов в кристаллах при их генерации пучком 5,7 МэВ электронов //Тезисы докладов V конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям - Харьков, 26 февраля-2 марта 2007. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2007. - с. 97

16. Забаев В.Н., Разин С.В., Углов С.Р., Кузнецов С.И., Птылицын А.П., Вагнер А.Р. Источник рентгеновского излучения на основе механизма дифракции тормозного излучения пучка микротрона в кристалле //Физико-технические проблемы атомной энергетики: Сборник тезисов докладов IV Международной научно-практической конференции - Томск, 7-8 июня 2007. - Томск: ТПУ, 2007. - с. 38

17. Zabaev V.N., Razin S.V., Uglov S.R., Gogolev A.S., Potylitsyn A.P., Vagner A.R. MONOCHROMATIC X-RAY SOURCES BASED ON MECHANISM OF REAL AND VIRTUAL PHOTON DIFFRACTION IN CRYSTALS //International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-07): Book of Abstracts - Prague, Czech Republic, September 24-28,2007. - Prague: Czech Technical University, 2007. - P. 20

18. Gogolev A.S., Kuznetsov S.I., Potylitsyn A.P., Popov Yu.A., Uglov S.R., Vukolov A.V., Wagner A.R., Zabaev V.N., Zaitsev I.V. The comparison of monochromatic X-ray sources based on X-ray tube and 5 MeV microtron //3rd International Conference on Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena (Channeling - 2008): Book of abstracts - Erice, Italy, October 25-November 1, 2008. - Erice, Italy: INFN, 2008. - P. 118

19. Вагнер A.P., Потылицын А.П., Попов Ю.А., Вуколов А.В., Зайцев И.В., Забаев В.Н. Сравнение источников монохроматического рентгеновского излучения, основанных на рентгеновской трубке и микротроне //Научная сессия МИФИ-2009: Аннотации докладов - Москва, 26-30 января 2009. - Москва: МИФИ, 2009 - т. 1. - с. 128

Тираж 100. Заказ № 896. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 53-30-18.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Вагнер, Александр Рудольфович

Введение.

Глава I. Излучение заряженных частиц, движущихся в веществе.

§1.1. Теория тормозного излучения.

§1.1.1. Классическая теория тормозного излучения.

Введение диссертация по физике, на тему "Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей"

В настоящее время практически во всех сферах деятельности человека используются достижения атомной и ядерной физики, которые получили бурное развитие во второй половине XX века. Толчком к этому послужило зарождение ядерной физики и электродинамики в конце XIX века, а затем их развитие в начале XX века [1]. После открытия в 1895 году рентгеновского излучения, человек получил мощный инструмент для исследования свойств микрообъектов и изучения возможности их использования в науке и технике. Интерес к процессам, происходящим при прохождении заряженных частиц через аморфные и кристаллические структуры, остается повышенным как у теоретиков, так и экспериментаторов и в настоящее время. Это вызвано общим прогрессом физических исследований, который стимулировал постановку целого ряда задач по обнаружению новых эффектов в физике электромагнитных процессов [см. обзор 2]. Помимо научного интереса, практическое использование ряда характеристик электромагнитных процессов в кристаллах является весьма перспективным в современной физике.

Исследование свойств различных веществ с помощью электромагнитного излучения является наиболее распространенным физическим методом, который основан на анализе процессов рассеяния и поглощения излучения молекулами, атомами и ядрами, входящими в состав этих веществ. Излучение при этом должно обладать подходящей длиной волны, поляризацией, интенсивностью и другими свойствами. Например, вакуумное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение с длинами волн от 100 до 0,1 нм эффективно применяется при исследовании электронной структуры твердых тел, жидкостей и газов [3]. Еще одна важная область применения рентгеновского излучения — это анализ структуры упорядоченных или частично упорядоченных систем: кристаллов, макромолекул и т.д. [4,5]. Среди технологических применений рентгеновского излучения можно отметить производство микросхем с субмикронными размерами элементов литографическим методом [см. обзор 6,7], дефектоскопию пайки BGA чипов в современной малогабаритной аппаратуре, и многое другое.

Увеличение спектрально-угловой плотности интенсивности существующих источников рентгеновского и у -излучения, а также поиск новых источников представляют собой актуальную задачу [8,9]. Повышение интенсивности излучения сокращает необходимое время для взаимодействия исследуемых объектов с излучением и тем самым позволяет изучать не только их статические свойства, но и динамику различных атомно-молекулярных взаимодействий химических и биологических процессов, фазовых переходов и т. п.

Поиск новых источников интенсивного электромагнитного излучения в разных диапазонах длин волн способствовал в последние десятилетия развитию теоретических и экспериментальных исследований различных типов электромагнитного излучения релятивистскими электронами в веществе и во внешних полях [см., например, 10-18]. В этом случае может быть использовано общее свойство релятивистских частиц - излучение в узкий конус углов у'1 (где у - Лоренц-фактор) вокруг направления их движения [3].

С другой стороны, ряд задач можно существенно упростить при использовании монохроматичного излучения, которое возможно получить выбором подходящих для формирования спектра условий, например, таких, при которых частица или переносимое ею электромагнитное поле испытывает строго периодические воздействия со стороны вещества или внешнего поля.

Особенно актуальным является вопрос о создании нового источника рентгеновского излучения для медицинских целей, который должен обладать достаточной интенсивностью излучения с одной стороны, и монохроматичностью с возможностью регулировки длины волны с другой [19, 20]. В настоящее время основным источником рентгеновского излучения, который используется в медицинских учреждениях, остается рентгеновская трубка. Однако в силу непрерывности испускаемого спектра традиционная диагностика с использованием рентгеновских трубок сталкивается с рядом проблем, основными из которых являются: низкий контраст получаемых изображений, значительная дозовая нагрузка на организм пациента и, как следствие, радиационные риски для последнего. Согласно официальному документу «Санитарные правила и нормы "Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских аппаратов и проведению рентгенологических исследований. СанПиН 2.6.1.1192-03»: «.пределы доз облучения пациентов с диагностическими целями не устанавливаются.». Так же существует постановление Главного Санитарного врача «Об ограничении облучения населения при проведении рентгенологических медицинских исследований». В нем, в частности, отмечается, что: «.проведенная в Российской Федерации радиационно-гигиеническая паспортизация и анализы доз облучения, получаемых населением, позволяют сделать вывод о неблагополучной ситуации в этой сфере.». В этом постановлении предписывается всем санитарным врачам субъектов РФ принять действенные меры по уменьшению дозовых нагрузок при медицинских исследованиях.

Одним из возможных решений данной проблемы может заключаться в использовании «яркого» источника рентгеновского излучения с непрерывным спектром, например рентгеновской трубки и кристалла-монохроматора, что позволит «выделить» из пучка монохроматическое излучение. В этом случае происходит снижение дозовой нагрузки на пациента за счет «выделения» из непрерывного спектра рентгеновской трубки определенной дифракционной линии излучения. Использование узконаправленных монохроматических пучков рентгеновского излучения с регулируемым положением линии в спектре позволяет улучшить контраст изображения и снизить дозовые нагрузки на организм. Однако даже на современных трубках невозможно получить поток монохроматических фотонов с интенсивностью требуемой для медицинской диагностики. Для обеспечения высококачественных рентгеновских снимков с высоким контрастом для систем диагностики требуется плотность потока рентгеновского излучения - 107 фотон/мм2 [21].

Как уже было отмечено, в современном научном сообществе чрезвычайно актуальной проблемой является разработка рентгеновских источников различных типов и приложений (медицина, электроника, наука, энергетика, системы анализа и контроля). Для примера ниже рассмотрены наиболее интересные и перспективные источники: монохроматизация синхротронного излучения и рентгеновский лазер на свободных электронах, параметрическое рентгеновское излучение и монохроматизация тормозного излучения электронных ускорителей.

Одним из наиболее перспективных направлений, на сегодняшний день, является монохроматизация синхротронного излучения (СИ). Синхротронным называют излучение, возникающее при отклонении частицы от прямолинейного пути магнитным полем. Такое отклонение происходит, в частности, в синхротронах - циклических ускорителях частиц высоких энергий. СИ в последнее время стало важнейшим инструментом исследования свойств вещества и используется сегодня практически во всех областях современной науки. Достоинство синхротронных источников заключается не только в высокой интенсивности, но малой угловой расходимости, благодаря высокой энергии ускоренных электронов. Свойства СИ хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально. Они описаны во многих работах, среди которых отметим монографию [22], где подробно изложены результаты классической и квантовой теории синхротронного излучения, обзоры [23, 24, 25] и монографию [26], посвященные применениям синхротронного излучения. В этих работах можно найти также обширную библиографию по этой проблеме.

Впервые синхротронное излучение релятивистских электронов было рассмотрено в 1938 г. И.Я. Померанчуком в работе [27]. Магнитотормозное излучение заинтересовало И.Я. Померанчука как возможная причина ограничения энергии электронов и позитронов, доходящих до Земли из космоса, которая могла заключаться в потере ими энергии на магнитотормозное излучение при прохождении магнитосферы. В последующих работах И.Я. Померанчука с соавторами [28, 29], посвященных влиянию магнитотормозного излучения на работу циклического ускорителя -бетатрона, было показано, что это излучение приводит к установлению предела энергии электронов, ускоряемых в бетатроне. Кроме того, в совместной работе И.Я. Померанчука и JI.A. Арцимовича [29] изучены угловое и спектральное распределения магнитотормозного излучения, впервые получены в простом виде основные формулы для излучения релятивистских электронов.

Создание ускорителей электронов на высокие энергии стало возможным после того, как В.И. Векслер [30] и независимо от него Е. McMillan [31] сформулировали принцип автофазировки, что позволило использовать высокочастотное ускорение заряженных частиц, движущихся по окружности с постоянным радиусом, в ускорителях, которые получили - название синхротроны. Поскольку излучение релятивистских электронов в магнитном поле впервые наблюдалось в синхротроне, то его стали называть синхротронным, хотя в учебнике Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица [32] этот тип излучения называется, может быть, физически более правильно -"Магнитотормозное излучение".

Последующий прогресс в создании источников СИ связан с предложением о создании накопителей электронов и позитронов [33] для постановки экспериментов на встречных пучках. Одним из основоположников этого направления был Г.И. Будкер [34], который первым предложил использовать радиационное затухание для накопления и получения долгоживущих, имеющих малый размер и большую интенсивность пучков электронов и позитронов.

Одним из основных элементов современных источников СИ являются ондуляторы и вигглеры - периодические магнитные структуры, предложение об использовании которых впервые было рассмотрено в работе B.JL Гинзбурга, а спустя несколько лет первый ондулятор создал и испытал на пучке линейного ускорителя H.Motz [35].

В России в настоящее время функционируют два источника синхротронного излучения в Новосибирске (Институт ядерной физик им. Г.И. Будкера СО РАН) [36] и в Москве (Российский научный центр «Курчатовский институт») [37]. Единственным в России источником монохроматического рентгеновского излучения на базе синхротрона является станция «Медиана», реализованная в Российском научном центре «Курчатовском институте» [38], на котором, кроме обычного метода поглощения, для получения изображений реализована рефракция (преломление) или рассеяние фотонов на границах раздела сред. При этом оказывается, что рефракция более чувствительна к изменению плотности среды, чем поглощение [39, 40]. Благодаря этим уникальным параметрам использование СИ весьма эффективно в различных диагностических процедурах, например в ангиографии, маммографии, денситометрии, - то есть там, где требуется высокое качество снимков. В результате становится возможной диагностика онкологических заболеваний на ранней стадии их развития.

В мире подобные работы ведутся в Европейском центре синхротронного излучения (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF, Франция) [41] и Большом центре синхротронного излучения (Spring-8, Японии) [42]. В последнем реализована диагностическая станции на основе монохроматизации синхротронного излучения кристаллами-монохроматорами, которая в полной мере подтвердила свои преимущества, например, в цифровой коронарной ангиографии при диагностике ишемической болезни сердца, где требуется субмиллиметровое пространственное разрешение. Получение изображения с улучшенным пространственным разрешением на станции при значительном уменьшении дозовых нагрузок на организм пациента осуществляется при двух экспозициях исследуемой части тела на рентгеновском пучке с различным значением энергии монохроматической линии. Если в качестве контрастирующего элемента используется йод (где «скачок» сечения фотопоглощения соответствует энергии 33 кэВ), то при цифровом вычитании изображений, полученных, например, для энергий линии в спектре 32 кэВ и 34 кэВ, результирующее изображение будет обладать очень высоким контрастом [43].

Существенным недостатком такого метода является высокая стоимость накопительного электронного кольца, порядка 3-5 млрд. руб., и существенные затраты при его эксплуатации, что делает невозможным широкое распространение данного источника для повседневного использования в медицинских центрах.

В настоящее время интенсивно развиваются новые методы генерации электромагнитных волн от СВЧ до рентгеновского диапазона, с помощью устройств, которые называются Лазерами на Свободных Электронах (ЛСЭ). Их принцип основан на том, что движущаяся в ондуляторе заряженная частица приводится в колебательное движение в направлении, перпендикулярном среднему импульсу. Электронный сгусток с энергией Е = утс2 пролетает через ондулятор, генерируя под нулевым углом ондуляторное излучение с длиной волны Я =

V 2 , где К = еВЛ0/(2ятс)

2У2 параметр ондуляторности [25]. При движении электронного сгустка вдоль ондулятора на начальном участке интенсивность ондуляторного излучения увеличивается пропорционально числу частиц в сгустке и пройденному им расстоянию в ондуляторе. Если заселенность электронного сгустка достаточно высока, а эмиттанс пучка удовлетворяет определенным условиям, то существенным становится действие излучения на электроны. Несмотря на то, что вдоль ондулятора распространяется плоская электромагнитная волна (вектор Е перпендикулярен оси ондулятора), благодаря синусоидальной траектории движения электронов вдоль ондулятора взаимодействие приводит к модуляции энергии электронов по продольной координате. Также благодаря синхронизму движения волны и электронов в ондуляторе (на каждом периоде ондулятора электронный сгусток отстает от электромагнитной волны точно на длину волны излучения) модуляция энергии становится достаточной, чтобы привести к модуляции плотности вдоль сгустка [44]. В результате электронный сгусток оказывается сгруппированным ("нарезанным" на микросгустки, отстоящие друг от друга на длину волны излучения). Если в сгустке длиной 1сг имеется Ие ~ 109 -10ш электронов, то в каждом микросгустке находится Ы = НеЛИсг ~104 -106 электронов. Все микросгустки излучают когерентно, поэтому интенсивность излучения из ЛСЭ по сравнению с интенсивностью обычного некогерентного излучения из ондулятора увеличивается в 104 -10б раз.

Преимущества ЛСЭ перед другими типами лазеров заключаются в следующем: можно генерировать излучение с любой наперед заданной длиной волны, от 1 мм до 1 А (диапазон 1 мм-130 А уже реализован [45]), возможна оперативная плавная перестройка длины волны монохроматического излучения посредством изменения магнитного поля в ондуляторах или энергии электронов из ускорителя; рабочей средой в ЛСЭ является релятивистский электронный пучок, способный генерировать излучение с высокой средней мощностью, до 10б Вт.

Основными недостатками ЛСЭ являются большой размер и высокая стоимость. Поэтому адекватными для ЛСЭ областями применения являются те, которые недоступны обычным лазерам. Одной такой интересной областью является создание рентгеновских ЛСЭ ( Я = 1 -н 20 А ) с высокой средней яркостью (В1 ~ 1023 -1024 фотонов в 1 с на 1 мм2 мрад2 (Ю-3 АЛ/1)), с коротким жестко синхронизованным импульсом (10 — 100 фс) и фантастической пиковой мощностью (10—100 ГВт) [46]. Рентгеновские ЛСЭ создаются на базе линейных ускорителей, рассчитанных на энергию Е = 5-20 ГэВ, с большим импульсным током (/пнк -3-10 мА ), ДГ, ~ 10!0,

-ЮОмкм. О первом запуске лазера на свободных электронах в далёкой ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях было сообщено в работе [47] в исследовательском центре DESY в Гамбурге. Лазер, получивший название VUV-FEL (vacuum-ultraviolet free-electron laser), покрывает спектральный диапазон 6 - 30 им и генерирует импульсы длительностью 10 -50 фс. Тем самым он является первым в мире действующим лазером, в котором объединяются такие важнейшие характеристики, как коротковолновое излучение (6-30 нм) и малая длительность импульса, что обеспечивает исключительно высокую для этого спектрального интервала интенсивность излучения. Дается качественная оценка интенсивности -пиковая яркость в 107 раз превышает яркость большинства других источников синхротронного излучения. Затраты на создание лазера VUV-FEL (линейный ускоритель, ондулятор длиной 260 м и т.п.) составили 117 миллионов евро.

В лазере VUV-FEL осуществлен режим SASE (Self Amplified Spontaneous Emission — самоусиливающая спонтанная эмиссия). Качественно суть режима SASE поясняется в [48]. Обсуждение режима SASE содержится также в [49]. Идеология режима SASE была апробирована в результате проведения в DESY эксперимента на установке TTF (TESLA Test Facility) в феврале 2000 г., в котором был продемонстрирован ЛСЭ в однопроходном режиме и получено при длительности импульсов излучения около 50 фс усиление вплоть до насыщения в области 80 - 120 нм. Мощность в максимуме составила ~ 1 ГВт (-2-1013 фотонов в импульсе) [49].

Центр DESY планирует использовать лазер VUV-FEL помимо научной программы также в качестве макетного стенда для отработки проекта следующего лазера XFEL (X-ray free-electron laser), создание которого предполагается завершить в 2013 г. Этот лазер с общей длиной 3,4 км (сверхпроводящий ускоритель на 20 ГэВ в туннеле длиной 2 км) должен давать когерентное излучение в еще более коротковолновой области, 0,1-6 нм, нежели VUV-FEL, и иметь, кроме того, лучшее временное разрешение [48, 49].

Планируется, что два лазера VUV-FEL и XFEL в течение определенного периода времени будут работать совместно в целях проведения различного типа экспериментов [47].

Создание и введение в строй лазера XFEL, как полагают его разработчики, значительно расширит число применений коротковолновых когерентных источников излучения в физике, химии и биологии. По оценкам разработчиков стоимость создания лазера XFEL должна составить примерно 900 млн евро [47].

Центр DESY не является единственным исследовательским центром, ведущим работы по продвижению ЛСЭ в далекую ультрафиолетовую и рентгеновскую области спектра. Стэнфордский центр линейных ускорителей планирует создание к 2009 г. ЛСЭ для области спектра 0,15 - 6 нм, LCLS (Linac Coherent Light Source), стоимость которого оценивается в 380 млн долларов [50], о пробном запуске которой недавно сообщили СМИ [51]. В Брукхейвенской национальной лаборатории ведутся очень перспективные работы по модификации режима SASE для коротковолновых ЛСЭ на установке NSLS (National Synchrotron Light Source) [52, 53].

Сравнивая изложенные выше подходы к генерации когерентного излучения в далекой ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра, следует отметить, что ЛСЭ по совокупности параметров и широким возможностям применения являются безусловными лидерами, однако отличаются также очень высокой стоимостью и большими размерами. Для многих практических целей необходим компактный источник излучения, отличающийся небольшой стоимостью и размерами.

Как было отмечено выше, другие перспективные направлениея для создания источника монохроматического электромагнитного излучения с регулируемой длиной волны основаны на механизмах генерации излучения в кристаллических структурах.

До работ П.А. Вавилова и С.И. Черенкова [54, 55] в 1934 г. предполагалось, что электромагнитное излучение генерируется только ускоренной заряженной частицей. После этих работ и совместной работы И.Е. Тамма и И.М. Франка [56] началось детальное изучение нового класса механизмов генерации излучения заряженными частицами, которые могут возникать при их движении с постоянной скоростью в веществе. Наиболее известный подобный механизм в изотропном веществе — излучение Вавилова-Черенкова [56]. Данный тип излучения относится к так называемому поляризационному излучению и не зависит от массы начальной частицы, а определяется только её скоростью и зарядом.

В монографии М.Л. Тер-Микаеляна [57] детально рассматривалось излучение заряженной частицы, движущейся с постоянной скоростью через периодически неоднородную среду, где впервые было получено спектрально-угловое распределение интенсивности излучения в рамках теории возмущений. Автор назвал данный тип электромагнитного излучения «резонансным». Этот механизм будет рассмотрен в первой главе настоящей работы. В рассматриваемом процессе длина волны излучения по порядку величины будет совпадать с периодом структуры. Таким образом, в кристаллах, являющихся трёхмерными периодическими структурами с периодом порядка нескольких ангстрем, может возникать коротковолновое (рентгеновское) излучение.

Дальнейшее развитие теории рентгеновского излучения релятивистских частиц в кристаллах было продолжено в работах [58, 59], где исследовалось влияние динамических эффектов на рентгеновское излучение заряженными частицами в толстых кристаллах. В цитируемых работах были проведены оценки интенсивности монохроматического рентгеновского излучения, из которых следует, что в направлениях Брэгга, т.е. под углом, намного превышающим характерный угол у"1, должно генерироваться монохроматическое излучение, причём спектрально-угловое распределение интенсивности излучения должно обладать высокой плотностью.

Указанные работы, а также ряд других теоретических работ [10-13], стимулировали проведение экспериментов по изучению характеристик квазимонохроматического рентгеновского излучения, генерируемого релятивистскими электронами в кристаллах.

Первая попытка экспериментального обнаружения квазимонохроматического рентгеновского излучения, предпринятая в 1985 году на Корнельском синхротроне, не увенчалась успехом [60]. Авторы исследовали спектр излучения под малыми углами в ~ у"1 на пучке электронов с энергией 2,7? 11 ГэВ. Использовались поликристаллические мишени LiF. Отрицательный результат эксперимента объяснялся заведомо недостаточным разрешением детекторов. Выход переходного излучения, имеющего непрерывный спектр, и которое является фоновым, в направлении прямо вперед на два порядка превышал ожидаемую интенсивность искомого монохроматического излучения для используемых в данном эксперименте детекторов с разрешением Аа>/а> ~ 10%.

В эксперименте [61], проведенном на электронном синхротроне «Сириус» НИИЯФ ТПУ в 1985 г., впервые наблюдался описываемый тип излучения. Авторы работы, назвали наблюдаемый эффект параметрическим рентгеновским излучением (ПРИ). В дальнейшем этот термин стал общеупотребительным (в английской транскрипции - parametric Х-гау radiation, PXR). В данной работе рентгеновское излучение генерировалось электронами с энергией 900 МэВ в монокристалле алмаза. Спектры измерялись для угла излучения в = 7г/2 в условиях дифракции псевдофотонов на плоскостях кристалла с индексами Миллера (400). Максимум в спектре излучения наблюдался при энергии фотонов Й&>«10кэВ. Результаты эксперимента оказались в хорошем согласии с теоретическими предсказаниями. После первых экспериментов в Томске, Харькове и Ереване началось детальное изучение свойств ПРИ во многих ускорительных лабораториях мира (США, Японии, Германии и др.) на различного рода установках и широком диапазоне энергий электронов (см. обзор [62] и монографию [63]). Важной особенностью, отличающей процесс генерации ПРИ, является независимость от массы частицы, т.е. тяжёлые частицы также могут генерировать ПРИ в кристаллах. Т.к. поле ядер в Z раз выше, чем для электронов выход ПРИ для ядер должен возрасти в Z2 раз. Эта и другие особенности ПРИ релятивистских ядер впервые рассмотрены в работе [64], позднее в [65], а первое экспериментальное наблюдение этого эффекта было получено в работе [66].

Первый результативный эксперимент по обнаружению ПРИ на пучке тяжёлых частиц (протонов с энергией 70 ГэВ) был проведён в Институте физики высоких энергий (г. Протвино) в 1991 г. [67]. Однако энергетическое разрешение использовавшегося спектрометра было низким, что не позволило разрешить линии ПРИ в измеренных спектрах. Позднее в 2005 г. был проведён эксперимент с целью обнаружения ПРИ в кристалле кремния от умеренно релятивистских протонов [68]. Эксперимент проводился на пучке протонов с кинетической энергией £к1П = 5 ГэВ Нуклотрона Лаборатории Высоких Энергий Объединённого Института Ядерных Исследований (ЛВЭ ОИЯИ, Дубна), в котором впервые были зарегистрированы линии ПРИ от тяжёлых заряженных частиц.

Логическим продолжением исследований свойств ПРИ является ряд работ посвященных использованию данного типа излучения в качестве монохроматического источника рентгеновского излучения. В работах [8, 6972] приводятся результаты по оптимизации условий (выбор материала, толщины мишени и др.) для создания источника с регулируемой длинной волны. В этих работах проводились исследования ПРИ с использованием ультрарелятивистских электронов (у »1). Однако использование данного типа излучения для прикладных целей может быть перспективным только для умеренно релятивистских электронов. Можно отметить несколько экспериментов, которые были проведены на умеренно релятивистских пучках [73-77].

Эффективным источником монохроматического рентгеновского излучения (ИМРИ) с перестраиваемой длиной волны на основе эффекта ПРИ может являться разработка MIRRORCLE (Photon Production Laboratory, LTD, Япония) [78]. В качестве источника электронов служат микротроны на энергии электронов: 4, 6 и 20 МэВ [79 - 81]. Затем ускоренные электроны инжектируют в накопительное кольцо с постоянным магнитным полем с радиусом равновесной орбиты ~ 8 — 15 см. На равновесном радиусе закреплен кристалл углерода или бериллия, при взаимодействии электронного пучка с которым происходит генерация ПРИ и тормозного излучения. С помощью гониометра можно изменять угол ориентации кристалла (относительно пучка электронов), что позволяет изменять энергию генерируемого ПРИ. Пучок квазимонохроматического рентгеновского излучения с яркостью ~ 1012 -1014 фотонов/с/мрад2/мм2/1%А проходит через щелевой коллиматор, затем переотражается от второго кристалла-монохроматора в направлении исследуемого объекта. Измерения проводят с помощью CCD - камеры. В работах [82 - 84] представлены результаты измерений выполненных на установках MIRRORCLE на разные энергии ускоренных электронов, которые демонстрируют высокую эффективность данной установки в различных областях её применения: медицина, биология, неразрушающий контроль, системы безопасности и досмотра. Ориентировочная цена такой установки авторами работ оценивается в несколько миллионов долларов.

Другим методом получения монохроматического рентгеновского излучения является дифракция тормозного излучения (ДТИ) на кристаллических структурах в геометрии Брэгга и Лауэ, известная уже на протяжении почти 100 лет [85]. В работе [86] была рассмотрена концепция ИМРИ реализованного на базе линейного ускорителя и циклической магнитной структуры, в которой генерируется ПРИ и дифрагированное тормозное излучение.

Схема реализации описанных выше источников, выполненных из двух модулей: ускорителя и генератора, является достаточно громоздкой, если удастся совместить эти два модуля в один, это будет способствовать снижению стоимости такой установки. В качестве такой ускорительной установки можно предложить, не рассматриваемый ранее, бетатрон, поскольку как источник тормозного излучения он незначительно уступает микротрону и линейному ускорителю из-за высокой частоты следования импульсов. Так же рассмотрению такой схемы способствует наличие в Томском политехническом университете ведущего разработчика и производителя бетатронов НИИ Интроскопии [87].

Целью настоящей работы является экспериментальные исследования методов монохроматизации пучков излучения электронных ускорителей средних энергий и разработка схемы источника монохроматического рентгеновского излучения с перестраиваемой длинной волны на базе бетатрона с перспективой использования в медицине.

В рамках основной цели диссертации на первый план выходит задача разработки простой модели генерации тормозного излучения пучком электронов средних энергий, которая позволит ответить на ряд вопросов связанных с выбором оптимальных параметров установки (геометрия, параметры кристаллов, конверторов и т.д.). Данная задача может быть решена с помощью компьютерной программы, для разработки которой использовались модели излучения электронов в твердотельной мишени. В первой главе рассмотрены теория тормозного излучения, параметрического рентгеновского излучения, дифракция рентгеновского излучения на кристаллических структурах.

Следующая решаемая в диссертации задача - проверка адекватности разработанного кода сравнением результатов расчёта с экспериментальными данными. Во второй главе описаны эксперименты, которые проводились на ускорителе электронов — микротроне с энергией 5,7 МэВ по монохроматизации излучения с использованием кристаллов пиролитического графита и вольфрама. В работе рассмотрены механизмы и приведены экспериментальные результаты обнаружения ПРИ и дифрагированного тормозного излучения. Полученные экспериментальные данные позволяют провести сравнение источников, основанных на двух близких по природе механизмах - ПРИ и дифракции тормозного излучения.

Далее в диссертации проводится сравнительный анализ ИМРИ, основанных на электронных ускорителях и рентгеновской трубке. В третьей главе приведены результаты экспериментов по монохроматизации пучка рентгеновской трубки и сравнение с результатами, полученными на микротроне, приведенными во второй главе.

Как уже было отмечено, основной проблемой монохроматических источников является их «яркость». Поэтому в четвертой главе рассмотрена возможность увеличения интенсивности излучения за счёт режима многократного прохождения электронов через тонкую тормозную мишень, установленную внутри ускорительной камеры бетатрона.

Одной из основных задач разрабатываемой концепции является система получения цифровых рентгеновских изображений на пучке монохроматического рентгеновского излучения. Для решения этой задачи в пятой главе рассмотрена система цифровой рентгенографии на основе полупроводниковых детекторов арсенида галлия (ваАз), разработанная в ГНЦ Институте физики высоких энергий (г. Протвино, М.О.) и НИИ ПП. Система выполнена в виде линейки ваАв детекторов состоящей из 640 чувствительных элементов с размерами 128мм ? 200мкм.

В шестой главе представлена схема реализации источника монохроматического рентгеновского излучения с перестраиваемой длинной волны излучения на базе бетатрона и приведены основные технические параметры установки.

В заключении излагаются основные результаты диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук состоит из введения, шести глав, 4 приложений, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 116 библиографических ссылок. Общий объем диссертации составляет 110 страниц.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Выводы по главе:

Рассмотрена принципиальная схема источника монохроматического рентгеновского излучения на базе бетатрона на энергию 18 МэВ. Теоретические оценки интенсивности источника дают величину порядка 105 ф/с.

Из сравнения предложенного источника со стандартной рентгеновской трубкой следует, что первый будет обладать рядом преимуществ: монохроматичность излучения, что позволит увеличить контрастность исследуемого объекта и дозовая нагрузка на пациента может быть снижена на два порядка [115].

Заключение

4. Апробирована система цифровой рентгенографии на основе линейки ваАз детекторов для работы на импульсном пучке бетатрона.

Результаты диссертации опубликованы в работах [112-116].

В заключение я хотел бы выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Потылицыну Александру Петровичу за многочисленные обсуждения различных аспектов данной работы и постоянную помощь в работе, кандидату физико-математических наук Забаеву Виктору Николаевичу и кандидату физико-математических наук Углову Сергею Романовичу за приобретенный неоценимый опыт физика-экспериментатора.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Вагнер, Александр Рудольфович, Томск

1. Левин М.Л., Миллер М.А. Максвелловский «трактат об электричестве и магнетизме». //УФН. 1981. - Т.135. - №3. - с. 425 - 440.

2. Базылев В.А., Жеваго Н.К. Генерация интенсивного электромагнитного излучения релятивистскими частицами. //УФН. 1982. - Т. 137. - №4. -с. 605 - 662.

3. Базылев В.А., Жеваго Н.К., Излучение быстрых частиц в веществе и во внешних полях. М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит. - 1987. - 272 с.

4. Вайнштейн Б.К. Современная кристаллография. М.: Наука. - 1981.

5. Пинскер З.Г. Рентгеновская кристаллооптика. М.: Наука. - 1982.

6. Кошелев К.Н., Банин В.Е., Салащенко Н.Н. Работы по созданию источников коротковолнового излучения для нового поколения литографии. //УФН. 2007. - Т. 177. - №7. - с. 777 - 780.

7. Станция глубокой рентгеновской литографии http://www.kcsr.kiae.ru/stations/k6.3.php

8. Arkadiev V., Brauninger Н., Burkert W., Bzhaumikhov A., Gorny H.-E., Langhoff N., Oppitz A., Rabe J. Monochromatic X-ray source for calibrating X-rav telescopes. //NIM A. 2000 - V.455. - p. 589-595.

9. Петин B.K., Шляхтун C.B., Орешкин В.И., Ратахин Н.А. Источник рентгеновского излучения для облучения объектов большой площади. //ЖТФ. 2008. - Т. 78. - №6. - с. 103-109.

10. Baryshevsky V.G., Feranchuk I.D. The X-ray radiation of ultrarelativistic electrons in a crystal. //Phys. Lett. A. 1976. - V. 57. - p. 183 - 185.

11. Baryshevsky V.G., Feranchuk I.D. Ultrarelativistic particle radiation in a crystal and observation of the y-y correlations. //Phys. Lett. A. 1980. — V. 76. - p. 452 - 454.

12. Гарибян Г.М., Ян Ши. Рентгеновское переходное излучение. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1983. - 320 с.

13. Baryshevsky V.G., Feranchuk I.D. A comparative analysis of various mechanisms for the generation of X-rays by relativistic particles. //NIM A. —1985.-V. 228.-p. 490-495.

14. Гоголев A.C., Потылицын А.П. Источник параметрического рентгеновского излучения с регулируемой длиной волны //ЖТФ. 2008. — Т. 78. — №11. — с. 64-71.

15. Гоголев A.C., Потылицын А.П. Сравнение источников рентгеновского излучения на основе тормозного и параметрического. //Известия ТПУ. -2007.-Т. 311.-№2.-с. 57-62.

16. Feigl Т., Heber J., Gatto A., Kaiser N. Optics developments in the VUV-soft X-ray spectral region. //NIM A. 2002. - V. 483. - p. 351 - 356.

17. Шульга Н.Ф., Добровольский С.Н. К теории переходного излучения релятивистских электронов в тонкой металлической мишени. //ЖЭТФ.-2000. Т.117 -№4. - с. 668 - 672.

18. Freudenberger J., Hell Е., Knupfer W. Perspectives of medical X-ray imaging. //NIM A.-2001.-V. 466.-p. 99- 104.

19. Taibi A., Baldeiii P., Tuffanelli A., Gambaccini M. Comment on "Perspectives of medical X-ray imaging". //NIM A. 2002. - V. 487.p. 685.

20. Podgorsak E. B. et al. Radiation oncology physics International Atomic Energy Agency. Vienna - 2005.

21. Соколов A.A., Тернов И.М. Релятивистский электрон. М. Наука. — 1974.

22. Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы. //УФН. 1977. - Т. 122. - №3. - с. 369 -418.24,25.