Высокоэффективные источники жесткого электромагнитного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ. в. 1 источники жесткого электромагнитного излучения (ижи). Традиционные и новые схемы

В.З Краткое содержание.

ГЛАВА 1. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЖЕСТКОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.1. Постановка задачи.

1.1.1 Современное состояние проблематики.

1.1.2. Традиционные схемы, достоинства и недостатки.

1.1.3. Новые источники. Пассивные и активные рециркуляционные схемы.

1.2 Метод исследования - компьютерное моделирование.

1.2.1. Программный код с использованием библиотеки GEANT — численная имитация реального эксперимента

1.2.2. Этапы моделирования. Магнитная система.

1.2.3. Проблема достоверности численного эксперимента.

1.2.4 Проверка достоверности результатов ЧЭ.

1.3 Аксиально-симметричная конфигурация магнитной системы.

1.4 Дополнительные замечания.

ГЛАВА 2 ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ

ИСТОЧНИК ОСТРОНАПРАВЛЕННОГО ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

2Л Основные требования к высокоэффективному остронаправленному сильноточному ИЖИ.

2.2 Высокоэффективный ИЖИ с однородной фокусировкой и смещением электронного пучка.

ГЛАВА 3. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЖЕСТКОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ.

ЗЛ Рециркуляционные схемы ИЖИ с подкачкой энергии.

3.2 Схема ИЖИ на основе индукционного рециркуляционного ускорителя.

3.3 Результаты моделирования.

ГЛАВА 4 ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ МОНОХРОМАТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БАЗЕ УСКОРИТЕЛЯ С УМЕРЕННОЙ

РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ.

4Л Источники параметрического рентгеновского излучения (ПРИ).

4.2 Практическая схема. Магнитная система.

4.3 Компьютерное моделирование. Расчет выхода излучения.

4.3 Результаты моделирования.

В. 1 Источники жесткого электромагнитного излучения.

Традиционные и новые схемы ИЖИ

В настоящее время в промышленности и научных исследованиях широко применяются пучки жесткого электромагнитного излучения (ИЖИ) на энергии от нескольких кэВ до десятков МэВ. ИЖИ служат основой многих радиационных технологий в научной деятельности, медицине [1-3], дефектоскопии, химической промышленности, сельском хозяйстве и т.д.

Так, в научных исследованиях потоки жестких излучений на такие энергии незаменимы при изучении широкого класса фотоядерных реакций. ИЖИ могут применяться как основа для производства вторичных нейтронов для трансмутации радиоактивных отходов [4], для инициирования в субкритической урановой сборке управляемой ядерной реакции [5-8] и т.п.

В промышленности, во многих случаях эти источники не редко оказываются более полезными, чем потоки заряженных частиц. Например, в процессе радиационной обработки материалов, благодаря большой проникающей способности, у-излучения могут обрабатываться материалы с толщиной существенно большей, чем это возможно при непосредственном облучении электронным пучком.

Известно несколько способов получения жесткого рентгеновского и у-излучения: тормозное излучение электронов, синхротронное, на основе эффекта Комптона, в ядерных реакциях, от радиоактивных источников и др. Тормозное излучение электронов — один из наиболее распространенных источников мощного рентгеновского и у-излучения. Источники жестких излучений на основе тормозного излучения электронов [9-14]- одни из наиболее простых в реализации и эксплуатации и на настоящий момент наиболее широко распространены в практике научных и прикладных работ.

Однако эти ИЖИ обладают рядом существенных недостатков, и один из самых серьезных - это низкая эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию излучения, особенно для тормозных источников (ТИ). Так, в одной из наиболее интересных для промышленности областей энергий электронов менее 1-5 МэВ эффективность преобразования мощности электронного пучка в мощность тормозного пучка фотонов не превышает 3-8% [13]. Следовательно, необходимо искать способы, позволяющие использовать в излучение большую долю энергии электронов при столкновении с тормозной мишенью. Чрезвычайно важно также улучшить спектральные и угловые характеристики потока тормозных фотонов, заметно отличающиеся от идеальных (спектра Шиффа) из-за сильного рассеяния в мишени излучающих электронов.

Главный недостаток существующих ТИ заключается в том, что на практике удается использовать лишь малую часть тех возможностей, которые заключены в самом механизме тормозного излучения. Во многом это объясняется противоречивостью требований, предъявляемым к традиционным ТИ. В традиционном способе генерации тормозного у-излучения мишень из тяжелого металла (W, Au, Pt и т.п.) определенной толщины облучается ускоренными электронами. Для данного материала мишень оптимизируется по толщине [9,13,14], поскольку при малых толщинах мишени выход мал, а при большой толщине происходит поглощение генерируемых фотонов в самой мишени [12-16]. В итоге, оптимальная толщина тормозной мишени составляет примерно 0.4-0.5 длины полной длины пробега электронов в веществе [14, 15]. Но даже для оптимальной мишени выход ТИ составляет всего одну треть от полного потока генерируемых в мишени фотонов. При этом существенная доля начальной энергии электронов не используется (прошедшие мишень электроны поглощаются в специальном поглотителе из легкого материала).

Кроме того, происходят существенные искажения спектральных и угловых характеристик излучения. В фотонном выходе отсутствует низко-энергетичная часть, а также понижен выход фотонов в области верхней границы спектра [13]. Это объясняется поглощением фотонов и тем обстоятельством, что из-за ионизационных потерь средняя энергия частиц при излучении оказывается меньше их начальной энергии. В результате практический спектр существенно отличается от предельного спектра Шиффа.

Еще большее ухудшение характеристик тормозного излучения возникает за счет заметного расширения эффективного угла излучения, что обусловлено заметным рассеянием излучающих частиц в мишени. Вследствие этого излучение фотонов происходит в конусе с раствором, существенно больше электродинамического предела, равного ае(Я «—, где уе релятивистский фактор электрона. у,

В то же время угол рассеяния электронов esc« —, t - толщина

Ye выхода излучения сохраняется лишь при весьма малых толщинах порядка 10 мкм (для вольфрамовой мишени), что заметно меньше оптимальной величины. Поэтому в реальных устройствах тормозные фотоны излучаются в существенно более широком угловом диапазоне. Помимо снижения общей эффективности это обстоятельство вызывает усложнение в конструкции источника жесткого излучения, поскольку здесь необходимо добавить устройство для отвода выходящего из мишени электронного пучка, либо для его поглощения.

Следовательно, повышение эффективности источников жесткого электромагнитного излучения - достаточно остро стоящая задача, поскольку промышленные, медицинские и другие приложения таких источников предъявляют, как правило, высокие требования по энергопотреблению установок, и к тому же это оказывает влияние на такой существенный для любого устройства фактор, как стоимость.

Другая важная задача - создание монохроматических источников жесткого электромагнитного излучения, основанных, как правило, на использовании механизмов когерентных процессов, в частности, параметрического рентгеновского излучения электронов (ПРИ). ПРИ источники, позволяя получать рентгеновское излучение в узком спектральном диапазоне, имеют низкий КПД преобразования энергии электронов, что заставляет искать методы повышения их эффективности.

Отмеченные противоречия и недостатки тормозных ИЖИ во многом устраняются, если использовать предлагаемую в диссертации циркуляционную схему. В диссертации рассмотрены новые перспективные схемы высокоэффективных ИЖИ с многократной рециркуляцией электронного пучка через тонкую мишень (около 0.1 длины пробега электронов в веществе мишени), помещенную в магнитное поле. В тонких мишенях поглощение фотонов минимально. Благодаря этому такие ИЖИ по сравнению с традиционными могут иметь в несколько раз больший общий КПД, лучшие характеристики излучаемого спектра и возможность управлять угловыми характеристиками излучения. В итоге, циркуляционные схемы позволяют использовать возможности для улучшения спектральных и угловых характеристик излучения, которые заключены в следующем.

Восстановление низкочастотной части спектра за счет использования тонких мишеней.

Восстановление жесткой части спектра в режиме с подкачкой энергии (индукционный режим) в процессе рециркуляции, так что средняя энергия излучения оказывается порядка начальной.

Снижение угловой расходимости излучения при использования тонких мишеней и обеспечении многократной рециркуляции через мишень (приближение к электродинамическому пределу), хотя последнее предполагает особые требования к фокусирующей системе.

Впервые рециркуляционный источник был предложен в работе [17], где проведены предварительные аналитические оценки его энергетических характеристик. Предложенные высокоэффективных ИЖИ активно разрабатывались при непосредственном участии автора, и первые результаты были опубликованы в [18,19].

Вслед за этими работами другими исследователями были предложены близкие по идеологии варианты способов увеличения эффективности источников жесткого электромагнитного излучения. В частности, в работе [20] описана экспериментальная установка, по сути очень сходная с тем, что было раньше и независимо предложено в работах [18-19], детально описанных ниже. Параметры выходного излучения установки, описанной в работе [20], примерно соответствовали тому, что было рассчитано автором данной работы для того же материала мишени и энергии пучка. Однако, свойства и характеристики магнитной системы, использованной авторами [20], были описаны недостаточно подробно. Поэтому для сравнительных с [20] расчетов автором данной работы бралась магнитная система, предложенная автором в Главе 2 настоящей работы. В результате, по такому важному параметру как повышение выхода излучения из мишени, расчеты проведенные автором, и представленные в работе [21] результаты эксперимента дают сходные значения (отметим, что это говорит о высокой степени достоверности результатов, описываемых в настоящей работе). Хотя физически ясных, в плане оценок, результатов в [21] представлено не было, однако несомненна практическая реализуемость предлагаемой схемы.

Кроме того, этой же группой была предложена и другая схема [21,22], основанная на пересечении электронным пучком множества тонких мишеней. При этом магнитное поле лишь стабилизирует дрейф пучка в камере, а мишени расположены так, что каждая последующая находится на пути уже рассеянного (деформированного) после прохождения предыдущей мишени пучка. Излучение выходит в одном направлении достаточно широким в поперечном сечении потоком.

В работе [23] была показана возможность достаточно устойчивой циркуляции в магнитном поле при многократном пересечении тонкой мишени. В [23] динамика частиц представлялась сугубо аналитически: задавалось аналитически движение частиц в некоем фокусирующем потенциале и приближенно отслеживалась динамика и характеристики пучка после последовательных многократных пересечений пучком тонкой мишени. Полученные наборы угловых и спектральных характеристик пучка после определенного числа раз пересечений поочередно кремниевых мишеней нескольких фиксированных толщин были использованы для аналитического расчета выхода параметрического рентгеновского излучения. Затем в работах [24,25] экспериментально прослеживалась устойчивая циркуляция электронов с многократным пересечением тонкой мишени (в синхротроне и бетатроне).

В работах [26-29] исследовалась динамика синхротронного пучка при многократном прохождении через тонкую мишень и рассматривались выходы ПРИ в такой схеме.

Следует отметить, что во всех отмеченных работах, выполненных другими авторами, фактически не ставилась задача получить высокоэффективный источник жесткого электромагнитного излучения в целом. В работах [24] шла речь о том, чтобы повысить выход излучения определенного вида и тем самым более подробно исследовать сам эффект ПРИ. При этом вопросы устойчивости самого пучка в процессе рециркуляции не были достаточно подробно исследованы. А в работах [21,22] были предложены несколько возможных схем повышения эффективности собственно тормозных источников, но подробного устройства магнитных систем представлено не было. Кроме того, параметры, на основе которых была проведена оценка эффективности предлагаемых авторами работ [21,22] источников, физически не очень ясна, что не позволяет провести достоверное сравнение с результатами работ других авторов.

Результаты, полученные в цитированных работах, подтверждают перспективность новых схем. Но следует отметить, что лишь в работах, выполненных с участием автора настоящей диссертации, обращается внимание на достоверную оценку эффективности новых устройств. Достоверная оценка эффективности рециркуляционных схем впервые была получена автором благодаря использованию специального программного кода, описываемого ниже.

Основной задачей представляемой работы являлось детальное исследование характеристик и оптимизация предлагаемых перспективных схем высокоэффективных источников широкоспектрального (на основе тормозного излучения) и квазимонохроматических (на основе параметрического рентгеновского излучения) жесткого электромагнитного излучения, работа которых основана на многократном пересечении мишени. Исследование проводилось методом компьютерного моделирования.

Основное внимание уделялось рассмотрению источников с использованием электронов умеренных (до десятков МэВ энергий) энергий с целью последующей разработки достаточно компактных ИЖИ.

Все основные результаты диссертации, выносимые на защиту, получены лично автором или при его непосредственном участии.

Данная работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 9602-17109, 00-02-17734.

Решение поставленной общей задачи осуществлялось путем решения следующих конкретных задач:

1. Разработка схем перспективных источников жесткого электромагнитного излучения с рециркуляцией и оценка необходимых физических условий для их работы. Анализ возможностей различных схем рециркуляции.

2. Выработка требований к магнитным системам и расчет необходимых магнитных конфигураций для удержания электронов в процессе рециркуляции.

3. Разработка программного кода на основе библиотеки GEANT для физически достоверного моделирования процессов прохождения электронов через мишени разных типов, излучения фотонов и транспортировки электронов в магнитных полях.

4. Моделирование (компьютерная симуляция) работы предлагаемых схем высокоэффективных источников жесткого излучения различных типов (активных с дополнительным ускорением излучающих электронов и без до-ускорения, т.е. пассивных) с использованием различных типов (тормозных и на основе параметрического рентгеновского излучения) мишеней

5. Выработка критериев оценки эффективности предлагаемых источников и анализ их функционирования. Поиск способов и условий оптимизации и оптимизация их работы.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые получены следующие результаты:

1. Предложены и детально исследованы высокоэффективные схемы источников жесткого излучения, генерирующие излучение разных типов (тормозное и параметрического рентгеновского излучения), на основе рециркуляции пучка электронов через мишень-радиатор.

2. Предложена и смоделирована оптимальная конфигурация пассивной схемы остронаправленного рециркуляционного источника, реальная практическая эффективность которого для относительно малых начальных энергий электронного пучка (до нескольких десятков МэВ) превышает эффективность традиционных источников на один-два порядка за счет резкого уменьшения угла выхода основной доли излучения. При генерации гамма-пучков с широкой апертурой общий КПД излучения повышается в два-четыре раза.

3. Предложена и смоделирована оптимальная конфигурация активной схемы рециркуляционного источника (с дополнительным до-ускорением электронов), эффективность которого для широкого диапазона начальных энергий электронного пучка (до нескольких десятков МэВ) сравнима с эффективностью традиционных источников, но с начальными энергиями электронов, в два-три раза больших, чем у источников с рециркуляцией.

4. Предложена и смоделирована оптимальная конфигурация схемы рециркуляционного источника параметрического рентгеновского излучения, эффективность которого на порядок превышает эффективность традиционного источника параметрического рентгеновского излучения.

5. В процессе выполнения работы непосредственно автором разработан программный код, позволяющий моделировать работу таких источников в широком диапазоне начальных параметров и различных конфигурациях рециркуляционных схем предлагаемых источников. высокоэффективные источники жесткого электромагнитного излучения, представляющие большой практический интерес для широкого круга фундаментальных и прикладных задач.

При этом, имеющаяся возможность управлять качеством излучения таких источников жесткого излучения существенно расширяет круг решаемых задач. Кроме того, применение таких источников позволит существенно снизить энергоемкость установок, а в некоторых случаях и начальную энергию электронного пучка, необходимого для работы, что, в свою очередь, позволит улучшить такие важные потребительские свойства установок, как уровень фона, размеры, материалоемкость и, как результат, общую стоимость установки.

В частности, созданный программный код позволяет создавать и оптимизировать схемы высокоэффективных рециркуляционных источников жесткого излучения, исходя из предполагаемых условий эксперимента или стоящей технологической и производственной задачи.

Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных и отечественных научных конференциях, в том числе на 14-th International Conference on the Application of Accelerators in Research & Industry, Denton 1996, на конференциях по ускорителям заряженных частиц РАС'97(Vancouver, Canada, 1997), РАС'1999 (New York, USA, 1999), EPAC2000 (Vienna, Austria, 2000), PAC'2001 (Chicago, USA, 2001), EPAC'2002 (Paris, France, 2002), на XXIX и XXXII международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллам (Москва), на научных конференциях МГУ им. М.В. Ломоносова, "Ломоносовские чтения" (Москва, 2001, 2002), на школе-семинаре научно-образовательного центра по подготовке специалистов по проблеме «Концентрированные потоки энергии и их воздействие на материалы" (Москва, 2000 г.), на межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г.) и других.

Результаты работы неоднократно докладывались на научных семинарах, а также были опубликованы в периодических изданиях (статьи в журналах «Известия Академии Наук, Серия физическая», «Вестник Московского Университета», «Известия высших учебных заведений, ФИЗИКА», препринты НИИИЯФ МГУ) и трудах указанных конференций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, заключения, приложений и перечня цитируемой литературы. Она изложена на 121 странице, содержит 42 рисунка и 3 приложения. Список литературы содержит 61 ссылку.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложены и детально исследованы схемы высокоэффективных источников жесткого излучения на основе пассивных рециркуляционных схем с разными конфигурациями магнитных систем, обеспечивающих рециркуляцию.

2. Предложена и смоделирована рециркуляционная схема с магнитной фокусировкой, на порядок повышающей интенсивность остронаправленного фотонного пучка и до минимума снижающая влияние негативных факторов (объемный заряд пучка и вторичных электронов и пр.). Общий КПД генерации излучения широкоапертурных у-пучков повышается в четыре раза.

3. Предложена и смоделирована схема активного рециркуляционного источника, в котором можно получить выход тормозных фотонов повышенных энергий, сравнимый с выходом излучения из традиционных источников, но в 2-3 раза большей начальной энергией электронов.

4. Создана магнитная рециркуляционная схема источника параметрического рентгеновского излучения, в которой выход квазимонохроматических фотонов по отношению к традиционным источникам на порядок выше.

В.З Краткое содержание.

В Главе 1 настоящей диссертации обсуждается состояние проблемы создания источников жесткого электромагнитного излучения в их традиционном варианте с прямым прохождением пучка электронов через тормозную мишень с толщиной, сравнимой с длиной свободного пробега электронов в веществе мишени при данной энергии. Подчеркивается, что эффективность преобразования энергии электронов в излучение является довольно низкой (3-8%). К тому же, энергетический спектр оказывается обеднен в своей верхней части и значительная доля фотонов излучается в значительно более широкий угловой диапазон по сравнению с электродинамическим пределом —. длины свободного пробега в данном веществе) толщины, помещенной в магнитное поле.

В качестве реализации этого способа предложены несколько различных схем перспективных высокоэффективных источников жесткого излучения. Предложены пассивные (без подкачки энергии в процессе рециркуляции) и активные (с подкачкой энергии) схемы функционирования таких источников. Поставлена задача возможно наиболее полно исследовать характеристики предлагаемых схем и дать рекомендации по их практическому созданию.

Произведена предварительная (исходя из общих соображений) аналитическая оценка возможной эффективности таких схем. Показано, что схемы с рециркуляцией могут дать выход излучения, в несколько раз превышающий выход излучения для традиционных источников. Однако, для более точной оценки характеристик предлагаемых схем аналитические расчеты являются весьма приближенными ввиду комплексного характера проблемы. В качестве метода исследования выбран метод компьютерного моделирования на основе пакета GEANT, позволяющего с высокой достоверностью моделировать на основе метода Монте-Карло основные ядерно-физические процессы и процессы взаимодействия заряженных частиц и жесткого излучения с веществом. Создан код с использованием GEANT'a, позволяющий, по сути, провести широкомасштабный численный эксперимент. Показано, что данный метод исследования в достаточной степени отвечает требованиям достоверности и надежности, предъявляемым в этом случае.

Сформулированы требования к условиям функционирования рециркуляционных источников и указаны наиболее важные особенности их работы.

Получены характерные особенности эволюции электронных спектров в процессе рециркуляции электронного пучка. Приведены сравнительные характеристики угловых распределений традиционных тормозных источников и источников с рециркуляцией электронов.

Отмечено, что для обеспечения рециркуляции электронов через тормозную мишень необходимо создать магнитную систему, обладающую необходимыми фокусирующими свойствами. Предложены и обсуждены несколько таких систем и в процессе моделирования уточнены требования к ним. Исследованы их эффективность и способы оптимизации параметров таких систем. Рассмотрены схемы на основе однородного магнитного поля, создаваемого в камере, и поля с аксиальной симметрией, где фокусировка обеспечивается рассеянными магнитными полями (аналогично фокусировке в классических циклических ускорителях).

Смоделированы угловые и спектральные характеристики таких источников для начальных энергий электронного пучка 5 и 10 МэВ.

Показано что суммарный КПД таких источников в 2-4 раза превышает эффективность традиционных.

В Главе 2 настоящей диссертации обсуждаются возможность создания сильноточного рециркуляционного источника остронаправленного излучения высокой интенсивности. Предложен высокоэффективный источник жесткого излучения со смещением циркулирующих электронов вдоль мишени, схема которого приведена.

Описывается конфигурация магнитного поля с плоскостной симметрией, обеспечивающая однородные условия фокусировки для циркулирующих частиц разных энергий и позволяющая решать поставленную задачу. Оптимизируются фокусирующие свойства системы, при которых электроны возвращаются к мишени под углом, близким к исходному. При этом магнитная система должна быть способной обеспечить равные условия контроля колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях одновременно. Неизбежное при этом, в силу сохранения поперечных эмиттансов, расширение площади пересечения мишени является скорее положительным фактором, поскольку в реальных условиях это может снизить точечную тепловую нагрузку мишени. Такая схема позволяет фактически практически полностью использовать энергию электронов, а также освободить пространство циркуляции от частиц, которые после потери определенной части своей энергии и свертывания орбит выпадают из режима оптимальной фокусировки.

Приведено изображение результата моделирования типичной траектории и взаимодействия с мишенью электрона для случая обсуждаемой магнитной конфигурации. Показано, что ввиду высокого качества фокусирующих свойств магнитной системы, в источнике существенно сужается угловая расходимость генерируемого излучения, что на практике означает соответствующее увеличение реальной эффективности источника еще более чем на порядок величины. Приведены спектры и их интегральные характеристики излучения для таких источников.

В Главе 3 диссертации предложена активная схема рециркуляционного источника жесткого тормозного излучения с дополнительным ускорением электронов в процессе рециркуляции. Целью создания такого источника является обеспечение рециркуляционного излучения электронов в пролонгированном режиме с энергией, близкой к начальной. Благодаря этому повышается общий КПД, а спектр излучения существенно обогащается жесткими фотонами.

Используется циклотронная схема с индукционным ускорением, которая позволяет совместить ускорение электронов до определенной энергии и пролонгированный режим ускорения. Показано, что несмотря на большие возмущения траекторий циркуляции при пересечении мишени, магнитная фокусировка обеспечивает устойчивую циркуляцию в течение нескольких сотен оборотов (фактически, наблюдаемое ограничение числа оборотов обусловлено имеющимися вычислительными ресурсами). Приводятся спектральные и угловые характеристики излучения.

Показывается, что эффективность такого источника будет существенно выше (как минимум, в несколько раз, что связанно с возможностью регулировать количество энергии, подкачиваемой в процессе рециркуляции), чем у традиционного. За счет компенсации энергии в процессе рециркуляции растет средняя энергия электронов в мишени, что приводит к существенно большему выходу фотонов в средней и верхней части спектра для данной рабочей энергии электронов.

В Главе 4 диссертации предлагается новая схема высокоэффективного, компактного, перестраиваемого, квазимонохроматического источника рентгеновского излучения электронов с умеренно релятивистской энергией (2-5 МэВ) в тонкой кристаллической мишени.

В указанной схеме электронный пучок через специальный канал инжектируется в рабочий объем вакуумной камеры, где размещена кристаллическая мишень. Электроны циркулируют в магнитном поле, неоднократно пересекая мишень, и одновременно смещаются вдоль мишени. Затем они выводятся через канал. ПРИ, генерируемое в результате рассеяния под углом Брэгга собственного поля электрона на кристаллических плоскостях мишени, выходит через фотонный канал.

Здесь используется магнитная конфигурация, аналогичная описанной в Главе 2. Методом компьютерного моделирования показывается практическая возможность создания циркуляционного устройства, обеспечивающего стабильную циркуляцию с угловым отклонением электронов в пределах —.

Уе

Кроме того, используется сверхтонкая мишень (порядка 30 мкм для кремния) с целью уменьшения рассеяния электронов при ее пересечении. В результате, электроны совершают в рабочем объеме несколько десятков оборотов и не менее десятка циркуляций имеют требуемые характеристики.

Приводятся рассчитанные спектральные характеристики предлагаемого источника. Показано, что эффективность рециркуляционного источника параметрического рентгеновского излучения на порядок превышает эффективность традиционного.

В Приложении 1 диссертации приведены данные по оптимизации выхода тормозного излучения из тормозной мишени в диапазоне от 5 до 70 МэВ с шагом 5 МэВ. Эти данные используются при расчетах проводимых в Главах 1, 2 и 4 настоящей работы.

В Приложении 2 приведены данные зависимостей удельного выхода фотонов и энергии фотонов в традиционном ТИ от

В Приложении 3 приведена формула спектральной плотности ПРИ, используемая при расчетах в Главе 4.

Автор данной работы выражает свою глубокую благодарность своему научному руководителю профессору физического факультета МГУ В.К.Гришину за осуществление научного руководства в исследованиях и при написании данной диссертации. Автор выражает свою глубокую благодарность профессору, заведующему кафедрой общей ядерной физики физического факультета МГУ и Отделом ЭПВАЯ НИИЯФ МГУ Б. С. Ишханову за всемерную помощь в процессе исследований и ценные консультации, профессору Белгородского Государственного Университета Н.Н. Насонову за плодотворное сотрудничество в научной деятельности, сотрудникам ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ В.В. Варламову и В.И. Шведунову за ценные консультации, а также всем сотрудникам ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ за дружескую поддержку во время работы над диссертацией.

Основные результаты диссертации получены, по существу, впервые.

Таким образом, показана возможность создания нескольких типов источников жесткого электромагнитного излучения повышенной по сравнению с традиционными эффективности. Подобные источники позволят существенно снизить уровень энергетических, материальных и финансовых затрат. Это открывает широкие перспективы в дальнейшем исследовании, разработке и применении предлагаемых высокоэффективных источников жесткого излучения.

Заключение

1. В. Nordell, U. Wagenbach, Production of 1.23 by Photonuclear Reaction on Xenon// E.L. Sattler, Int. J. Appl. Isot. Vol. 33 pp.183 to 187, 1982

2. M. Van Der Leij, B.W. Van Der Halteren, G.A. Brinkman Photonuclear production of 18F from F, Ne and (metallic) Na. // Int. J. Appl. Isot., Vol. 36, No 9, pp. 717-719, 1985

3. M.J. Welch, Production of radioisotopes for biomedical sudies using photonuclear reactions// Rad. Res. 36, 580, 1968

4. B.C. Ишхаиов, С.П. Лихачев, В.И. Мокеев Возможности использования фотоядерных реакций для получения энергии в процессах деления.// Препринт НИИЯФ МГУ 99-30/588. Москва. 1999

5. D.J.S. Findlay, Applications of photonuclear reaction// Nucl. Instrum. Meth. B50 (1990). P. 314.

6. P.M. Brown// Global 99'International Conference on Future Nuclear Systems Au^ist 29-September 3. P. 1

7. С.С. Бородина, Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Д.А. Родионов, Б.А. Юрьев, Расчеты оптимальных толщин мишеней-конвертеров для генерации интенсивных пучков тормозного у-излучения.// Препринт НИИЯФ МГУ 9628/435. Москва. 1996

8. M.Ya. Amusia, У.М. Buimistrov, et al. Polarization bremsstrahlung of particles and atoms // Plenum Press, New York, 1992.

9. Ишханов B.C., Капитонов И.М. Взаимодействие излучения с атомными ядрами// Издательство Московского Университета 1979 г.

10. Ковалев В.П., Харин В.П., Гордеев В.В., Борисов М.С. Зависимость выхода тормозного излучения электронов с энергией 12-22 МэВ от толщины и атомного номера мишени.// "Атомная энергия", 1971, т.31, вып.З, с. 289

11. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов.// Москва, 1979.

12. M.J. Berger and S.M. Seltzer, Bremsstrahlung and Photoneutrones from Thick Tungsten and Tantalum Targets// Phys. Rev. C2 (1970) 621.

13. M.J. Berger and S.M. Seltzer, Tables of energy losses and ranges of electrons and positrons, Washington// NASA , 1964

14. Grishin V.K., Ishkhanov B.S., Likhachev B.S., Rodionov D.A. The high efficiency Bremsstrahlung source: is it possible to handle quality of the X-ray Bremsstrahlung sourse (computer simulation).// Preprint INP MSU 97-24/475. Moscow, 1997.

15. Bogdanovich В., Kudinov V., Nesterovich A., Pomasan Yu., Tsygankov E., Janenko V. // Proceeding of "PAC'97" (Vancouver, 1997), 1998 IEEE, P. 276

16. Алферов П.В., Богданович Б.Ю., Кудинов В.В., Минаев С.А., Нестерович А.В., Помазан Ю.В. Повышение плотности энергии тормозного излучения в периодической магнитной системе с тонкими мишенями.// Научная сессия МИФИ, 1999 год, том 4, С. 114-115.

17. Алферов П.В., Богданович Б.Ю., Кудинов В.В., Помазан Ю.В. Источник интенсивного остронаправленного излучения.// Научная сессия МИФИ. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2000, т. 7, с. 165-166.

18. Kaplin V.V., Lombardo L.W., Mihalchuk A.A. et al.// Nucl. Iitstr. and Meth. in Phys.Res.1998. В 145. P. 244.

19. Andreyashkin M.Yu., Kaplin V.Y., Uglov S.R., Zabaev V.N., Piestrup M.A. X-ray emission by multiple passes of electrons through periodic and crystalline targets mounted inside a synchrotron.// Appl. Phys. Lett., Vol. 72, No. 11, 1998

20. Kaplin V.V., Lombardo L.W., Mihal'chuk A.A., Piestrup M.A., Uglov S.R. X-ray production simulation of an electron beam recycled through a betatron's internal target.// NIM, Sect. B, 145(1998), P. 244-252.

21. Koch H., Motz I., Bremsstrahlung cross-section formulas and related data. -"Revs. Mod. Phys.", 1959, v. 31, P. 920.

22. Hisdal E. Bremsstrahlung spectra corrected for multiple scattering in the target. "Phys. Rev.", 1948

23. Findlay D.J.S., Applications of photonuclear reaction// Nucl. Instrum. Meth. B50 (1990), H. 314.

24. Andreyashkin M.Yu., Kaplin Y.Y., etc. X-ray generation produced by relativistic electrons in compound "multifoil structure + crystal" targets.// NIM, Sect. B. 119. 1996. P. 108-114.

25. Shiff L.I., Energy-angle distribution of thin target bremsatrahlung. "Phys. Rev.", 1951, V. 83, P. 252-253

26. Гайтлер В., Квантовая теория излучения. Москва, Изд-во инстр. лит., 1956.

27. Brun R., Bruyant F., Maire M., McPherson A.C., and Zanarini P., GEANT3.21 (User's Guide), CERN Geneva, 1998

28. Физические величины: Справочник // Под ред. И.С. Григорьева. Москва; 1991.-1232 с.

29. Коломенский А.А., Физические основы методов ускорения заряженных частиц. Москва, Изд. МГУ, 1980, 302 с

30. Гришин В.К., Ишханов Б.С., Лихачев С.П., Родионов Д.А. Высокоэффективный источник тормозного излучения. Можно ли управлять качеством излучения тормозного источника?// Вестник Московского Университета. СЕР.З., 1998. N3., С. 56.

31. Grishin V.K., Ishkhanov B.S., Likhachev S.P., Rodionov D.A. High Efficiency Bremsstrahlung Source. Is It Possible to Control Quality of Source?// IEEE, Proceeding of international Conference PAC'97 (Vancouver, Canada, 1997). 1997. P. 3866.

32. Grishin У.К., Likhachev S.P. High efficiency hard source radiation with sliding of circling electrons.// Proceeding of international Conference EPAC2002 (Paris, 3-7 June). P.2789. (http:/jacow.web.cern.ch/JACoW/).

33. Варламов В.В., Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Кочарова Ж.Л.,. Шведунов В.И, Исследование протонного канала распада гигантского резонанса ядра 32S.// Ядерная физика, т. 28, вып. 3(9), 1978.

34. Seltzer S.M., Berger M.J.// Nucl. Instr. Meth., B12-95, 1985

35. Мухин K.H., Экспериментальная ядерная физика: Учебник для вузов., Москва, Энергоатомиздат, 1983.

36. Ter-Mikaelian М. High energy electromagnetic processes in condensed media// Wiley-Interscience. New-York, 1972.

37. Базылев В.К., Жеваго Н.К. Излучение бысрых частиц в веществе и внешних полях. М.: Наука. 1987.

38. Барышевский В., Феранчук И.// ЖЭТФ, 61 (1971) 944.

39. Гарибян Г., Ши И.// ЖЭТФ, 61 (1971) 930.

40. N.Nasonov, A.Safronov// Proc.Int.Symp. RREPS-93, Oct. 1993, Tomsk, Russia.

41. Внуков И.Е., Калинин Б.Н., Науменко Г.А., Падалко Д.В., Потылицын А. П. Параметрическое рентгеновское излучение электронов в мозаичных кристаллах// Известия высших учебных заведений, ФИЗИКА, Т. 44, 3, С. 53-65

42. Гришин В.К., С.П. Лихачев, Н.Н. Насонов Эффективный квазимонохроматический рентгеновский источник на основемногократного пересечения излучающей частицей кристаллической мишени.// Известия Академии Наук, Серия физическая, Т.64, 11, стр. 2147-2152

43. Grishin V.K., Likhachev S.P., Nasonov N.N. High efficiency compact source of monochromatic tunable X-ray on base of electron accelerator with moderate particle energy.// Proceeding of nternational Conference PAC'99 ( New York, June, 1999). 1999. P.160.

44. Гришин В.К., Лихачев С.П., Насонов Н.Н. Эффективный квазимонохроматический перестраиваемый источник рентгеновского излучения слаборелятивистских электронов// Вестник Московского университета. Серия 3. 1999.N 6.С.61.

45. Гришин В.К., Лихачев С.П. Эффективные источники жесткого электромагнитного излучения. Новые схемы.// Труды Школы-семинара "Концентрированные потоки энергии и их воздействие на материалы". М.: Изд. МГУ. 2000. С. 76.

46. Fiorito R., Rule D.W., Piestrup М.А., et. al.// NIM B. 1993. У.79. P. 758-761

47. Buelow В., Forkman B. Photo cross-sections.// Handbook on nuclear cross-section. IAEA, Vienna., 1974. P. 475.

48. Варламов В.В., Ишханов Б.С., Руденко Д.С., Степанов М.Е.// Препринт НИИЯФ МГУ 2002-19/703, 2002

49. Nasonov N.// Phys. Lett. A. 1998. У. 246. P. 148.

50. Abramowitz, Milton, and Irene A. Stegun (editors) (1964), Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, National Bureau of Standards, Washington.

51. Градшдштейн И.С., Рыжик И.М. Таблица интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Изд-во Физ.-мат. лит-ры, 1962.