RU1292469C - Способ определени распределени плотности потока зар женных частиц в поперечном сечении пучка - Google Patents

Description

2. Способ по п.I, о т л и ч а ю - щ и и с   тем, что, с целью повьше- ни  точности и упрощени  процесса обработки результатов определени , перед размещением детектора на пути пучка на него нанос т координатную сетку, после завершени  серии облучений и перемещений выступающие за пределы поверхности пластины части образовавшейс  пористой массы удал ют а информацию о наборе распределений пористой массы с облученных участков пластины перенос т на фотобумагу по- средЬтвом контактной печати.

1

Изобретение относитс  к ускори- , тельной технике, более конкретно - к .технике измерени  параметров пучков зар женных частиц, выведенных из. ускорителей, и может быть использова- ко в различных област х народного хоз йства при применении ускорителей зар женных частиц дл  рещени  технических , медицинских, агрохимических, радиобиологических научных и иных задап.

Цель изобретени  - обеспечение возможности диагностики узких пучков электронных ускорителей и упрощение 15 процесса определени , повышение точности и упрощение процесса обработки результатов определени , а также получение об ьемной модели распределени  плотности потока зар женньге час- 20 тиц в поперечном сечении пучка.

Предложенный способ основан на известном  влении образовани  и вьще- лени  низкомолекул рных продуктов ра- диолиза полимеров, получившем в науч- 5 ной литературе название радиационного газовьщелени . Процесс обусловлен тем, что облучение пол1терньгх матери- ало.в приводит к отщеплению от макромолекул отдельных атомов или боковых 30 групп, последующей их взаимной рекомбинации и другим сложным реакци м. Как и все необратимые радиационные эффекты в полимерах, радиационное газовыделение определ етс  в основном, 35

3, Способ по п.I, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью получени  объемной модели распределени  плотности потока зар женных частиц в поперечном сечении пучка, детектор прикрепл ют к подложке из радиацион- ностойкого материала, например кера- ьшки, и размещают на пути пучка стороной , обращенной полимерным материалом к пучку.

А. Способ поп.1,отлича ю- щ и и с   тем, что в качестве прозрачного полимерного материала детектора используют органическое стекло или полистирол. 2 ил.

поглощенной дозой облучени . Установлено , что, если облучать блочный по- лиметилметакрилат (органическое стекло ) при повышенных температурах, то внутри образца наблюдаетс  выделение Пузырьков газа, часть массы вещества образца становитс  пористой и образец вспучиваетс .

Как показьгеают произведенные исследовани  с использованием пучка ускоренных электронов микротрона, процесс образовани  и выделени  газа в полимерной пластине, размещенной на пути пучка, происходит в процессе облучени  непрерывно. Прц этом большей поглощенной дозе соответствует больший объем радиационного газовыделени  и пористой массы вещества, Однаг ко существует некоторое пороговое значение поглощенной дозы D, при достижении которого пузырьки газа и пориста  масса вещества станов тс  видны невооруженным глазом. Величина D,, зависит от материала и толщины плас-- тины, параметров диагностируемого пучка (вида и энергии частиц и др.). Следовательно, если в процессе измерени  указанные параметры не измен ютс , то факт образовани  и визуально фиксированного по влени  пузырьков газа и пористой массы вещества в облученной полимерной пластине однозначно свидетельствует о достижении D. Использование прозрачного поли3

мера в качестве материала flererTr-p-i позпол ет зрительно зафиксироп.тъ по вление и распределение пузырьков газа и пористой массы внутри объема облученного участка пластины. В общем случае при по влении в облученном участке прозрачной полимерной пластины пористой массы любого размера и кажда  точка на rpaim- це между пористой массой и остальной частью участка облучена до , следовательно , гранична  зона между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины (или, в

перечном сг че ии иучкп TKuiy iaciTrji При неремеиимшн пластины в плоткости, гюр пендикул рной направлению падени  нуч ка. В случае, Koivia пучок падает нл 5 пластину с отклонением от нормали, дл  получени  точной картины топографии плотности потока частиц необходимо воспроизвести услови , при которых пластина облучалась, т.е. необходимо, 10 чтобы направление взгл да наблюдател  бьшо параллельно направлению падет1и  пучка, что не всегда возможно точно воспроизвести. Кроме того, nfiH падении пучка на детектор под углом, отличным от пр мого, возрастает число

случае наличи  пузырька внутри объ- ема пластины, проекци  контура пу- рассе нных частиц, что искажает кар- - на поверхность пластины)  взырька

л етс , по существу, изодозной кривой Ьц . Про.странственное положение

тину распределени  плотности потока частиц.

Нанесение на пластину из прозрач7 (1 ИЗОДОЗНОЙ кривой на облученном учает- ного полимерного материала координатке пластины соответствует линии равной плотности потока зар женных частиц .

Если последовательно подвергать некоторый участок прозрачной полимерной пластины облучению с произвольной длительностью т , затем, переместив пластину, подвергать облучению с длительностью t , большей с , другой участок, после чего, снова переместив пластину, подвергать облучению с длительностью , большей т , следуювшй участок и т.д., то, во-первых , будет обнаружена порогова  дли- тельноеть облучени  т , на-чина  с которой пориста  масса (или пузьфек газа) визуализируетс , и, во-вторых, в результате фиксированных перемещений и облучений с длительност ми t , большими 1„ , будет получен набор распределений пористой массы и соответствующих изодозных кривых LJ, на облученных участках пластин. Зна  прост

ранственное положение пластины и дли- 45 материала, например из керамики, к

тельноеть облучени  при получении каждой изодозной кривой и учитыва , что локальна  плотность потока зар жен- иьгх частиц при одной и той же величина поглощенной дозы обратно пропорцио-50 алом к пучку, обеспечивают услови , иальна длительности облучени , путем при которых подложка и соседние с рас- графического наложени  соответствую- т нутой массой участки пластины, общих изодозных кривых несложно оценить пространственное распределение плотлученные до дозы D, преп тствуют ра- диационно-стимулированному изменению

ности потока зар женных частиц в попе-55 объема облученного участка пластины речном сечении пучка.по всем направлени м. В результате

Как показывают проведенные исследовани , наиболее точна  картина распределени  плотности потока частиц в пообразованиё раст нутой пористой мас ( т.е. вспучивание, полимерной пластины ) происходит ТОЛЬКО в одну сторо

92i69

перечном сг че ии иучкп TKuiy iaciTrji При неремеиимшн пластины в плоткости, гюр- пендикул рной направлению падени  нуч- ка. В случае, Koivia пучок падает нл 5 пластину с отклонением от нормали, дл  получени  точной картины топографии плотности потока частиц необходимо воспроизвести услови , при которых пластина облучалась, т.е. необходимо, 10 чтобы направление взгл да наблюдател  бьшо параллельно направлению падет1и  пучка, что не всегда возможно точно воспроизвести. Кроме того, nfiH падении пучка на детектор под углом, отличным от пр мого, возрастает число

рассе нных частиц, что искажает кар- рассе нных частиц, что искажает кар-

тину распределени  плотности потока частиц.

Нанесение на пластину из прозрачного полимерного материала координат5

0 5 0

НОИ сетки перед размещением пластины на пути пучка, удаление выступающей за пределы поверхности пластины части образовавшейс  (вследствие радиационного газовмделени ) пористой массы, перенос информации о наборе распределений пористой массы с облученной пластины на фотобумагу посредством кон тактной печати - все эти операции способствуют удобству графического построени  распределени  изодозных кривых, уменьшению погрешностей и сокращению продолжительности обработки результатов. Благодар  этому точность повышаетс  и упрощаетс  процесс обработки результатов определени  распределени  плотности потока частиц в поперечном сечении пучка.

Образование раст нутой пористой массы вследствие радиационного газовыделени  происходит обычно в обе стороны от пластины. Введение твердой подложки ИЗ радиационностойкого

которой прикреплена пластина из прозг- рачного полимерного материала, и размещение пластины на пути пучка стороной , обращенной полимерным материалом к пучку, обеспечивают услови , при которых подложка и соседние с рас- т нутой массой участки пластины, облученные до дозы D, преп тствуют ра- диационно-стимулированному изменению

образованиё раст нутой пористой массы (т.е. вспучивание, полимерной пластины ) происходит ТОЛЬКО в одну сторону , а именно в сторону, обращенную к пучку. Поскольку объем газа, выделившегос  из каждого локального (элементарного ) облученного i-ro участка пластины, пропорционален поглощенной этим участком дозе D. , то более рас- д нутому локальному участку пористой массы соответствует больша  поглощенна  доза. В случае однократного облучени  данного участка пластины длительности облучени  каждого, В том числе i-ro локального участка одинаковы- Поэтому высота раст нутой побы грань 210x85 лежала в плоскости, перпендикул рной направлению падени  пучка. Параметры излучени  микротрона: средний ток пучка электронов А,5 мкА, энерги  электронов 10,5 МэВ, размер пучка непосредственно за фольгой выводного окна - эллипс с ос ми 12 мм по горизонтали и 7 мм по вертикали . Облучают произвольный участок пластины в течение 20 с. Затем, переместив пластину в той же плоскости снизу вверх На некоторое фиксированное рассто ние, облучают в течение АО с другой участок пластины. После

ристой массы дл  каждого такого участка (в том числе ) будет пропорцио-15 этого подвергают облучению в течение нальна поглощенной этим участком до- t, 60 с следующий участок. (На зтот зе (дл  i-ro локального участка DJ), а следовательно, и плотности потока частиц в данной точке поперечного сечени  пучка (дл  1-го участка Ч. ) . 20 Таким образом, поверхность раст нутой пористой массы над поверхностью пластины ,  вл юща с  огибак1Щей совокупности высот локальных участков, пред- ставл ет собой, по существу, объем- 25 ную модель распределени  плотности .потока зар женных частиц в поперечном сечении пучка.

раз пориста  масса вещества, образо- вавща с  вследствие радиационного газовыделени  полимера, отчетливо видна йевооруженным глазом)« Вслед за зтим пластину подвергают аналогичной чередующейс  серии фиксированных перемещений в той же плоскости и облучений с нарастающими длительност ми 1,, 80 с, t, 120 с, г, 180 c,s 300 с, 1200 с. В результате

такой обработки на облученных участках пластины визуализируетс  набор распределений пористой массы. При зтом граничные линии между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины представл ют собой набор изодозных кривых L и

такой обработки на облученных участ ках пластины визуализируетс  набор распределений пористой массы. При зтом граничные линии между распреде лением пористой массы и остальной п верхностью пластины представл ют со бой набор изодозных кривых L и

Чl Ц

иs

Передвигают гра

Использование в качестве прозрач- JQ ного полимерного материала пластины орга нического стекла или полистирола св зано с их щирокой доступностью и относительно низкой стоимостью.

На фиг.1, 2 в координатных ос х X, Y изображен набор изодозных кривых , совмещенных с учетом фиксированных положений пластины при соответствующих облучени х, а в координатных

ос х X, Z - один из возможных вариан- ..«

41) совмещенных изодозных кривых на потов графического построени  распре35 фически каждую из кривых L

иг

LUJ , LUS „е вверх (в сторону кри И4

вой L

I,, ) на рассто ние, равное пере мещению пластины при получении сойт ветствующей кривой. Получают набор

верхиости пластины, т.е. в попереч- .ном сечении пучка микротрона (см, фиг.1, координатные оси X, Y).

делени  плотности потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона на основании набора совмещённых изодозных кривых.

Направление оси X характеризует рассто ние в горизонтальной плоскости от частицы (электрона) до оси пучка , направление оси Y характеризует рассто ние в вертикальной плоскости от электрона до оси пучка, направление оси Z параллельно направлению движени  пучка электронов микротрона

Пример 1. Берут пластину из органического стекла длиной 210 мм, шириной 85 мм и толщиной 4 мм, закрепл ют вертикально (т.е. гранью 85 X А) на подставке-держателе и разт .е. EgKj AgBj, и произвольной вы- 5Q сотой. После этого стро т еще п ть пр моугольников, основание каждогр из которых равно ширине площадки, ограничиваемой определенной изодозной кривой, а высота обратно пропорцио- нальна соответствующей длительности облучени . (Например, стро т пр моугольник с основанием Е К, AjB и высотой E5Fj -.Д,. ).

мещают на пути пучка микротр она так,что- Поскольку реальное распределение плот

бы грань 210x85 лежала в плоскости, перпендикул рной направлению падени  пучка. Параметры излучени  микротрона: средний ток пучка электронов А,5 мкА, энерги  электронов 10,5 МэВ, размер пучка непосредственно за фольгой выводного окна - эллипс с ос ми 12 мм по горизонтали и 7 мм по вертикали . Облучают произвольный участок пластины в течение 20 с. Затем, переместив пластину в той же плоскости снизу вверх На некоторое фиксированное рассто ние, облучают в течение АО с другой участок пластины. После

этого подвергают облучению в течение t, 60 с следующий участок. (На зтот

этого подвергают облучению в течение t, 60 с следующий участок. (На зтот

раз пориста  масса вещества, образо- вавща с  вследствие радиационного газовыделени  полимера, отчетливо видна йевооруженным глазом)« Вслед за зтим пластину подвергают аналогичной чередующейс  серии фиксированных перемещений в той же плоскости и облучений с нарастающими длительност ми 1,, 80 с, t, 120 с, г, 180 c,s 300 с, 1200 с. В результате

этого подвергают облучению в течение t, 60 с следующий участок. (На зтот

такой обработки на облученных участках пластины визуализируетс  набор распределений пористой массы. При зтом граничные линии между распределением пористой массы и остальной поверхностью пластины представл ют собой набор изодозных кривых L и

Чl Ц

иs

Передвигают гра

фически каждую из кривых L

иг

LUJ , LUS „е вверх (в сторону кри И4

вой L

I,, ) на рассто ние, равное перемещению пластины при получении сойт- ветствующей кривой. Получают набор

верхиости пластины, т.е. в попереч- .ном сечении пучка микротрона (см, фиг.1, координатные оси X, Y).

5 Затем в координатных ос х X, Z

стро т пр моугольник E,F,G,K, с осноо Ь 6 6

ванием, равным ширине площадки, ограничиваемой изодозной кривой L., ,

по «

т.е. EgKj AgBj, и произвольной вы- Q сотой. После этого стро т еще п ть пр моугольников, основание каждогр из которых равно ширине площадки, ограничиваемой определенной изодозной кривой, а высота обратно пропорцио- нальна соответствующей длительности облучени . (Например, стро т пр моугольник с основанием Е К, AjB и высотой E5Fj -.Д,. ).

Поскольку реальное распределение плот

ности потока :- лектроион в поперечтюм сечении пучка удовлетпорительпо описываетс  гауссовой кривой с мaкcи fy- мом на оси пучка, стро т р д гауссовых кривых (т,, т;, т, т , т,), каж да  из которых опираетс  на основани определенного пр моугольника, ограничивает площадь, равную площади этого пр моугольника, и имеет максимум на оси пучка. Наконец, стро т огибающую М семейства гауссовых кривых, котора  и представл ет собой распределение плотности потока электронов по оси X поперечного сечени  пу.чка микротрона Как показывают проведенные исследовани  распределени  плотности,потока электронов в поперечном сечении пучка кикротрона, толщина пластины из прозрачного полимерного материала 3- 6 мм  вл етс  оптимальной. При толщине пластины более 6 мм точность полученных результатов снижаетс  вследствие многократного рассе ни  электро- нов при взаимодействии пучка с ве- ществом. При толщине пластины менее 3 мм дл  визуализации пористой массы требуетс  более длительное облучение, что ведет к увеличению продолжительности измерений.

При выборе числа чередующихс  серий облучений и перемещений возможны два подхода. Представл етс  целесообразным считать диаметром электронного пучка такой диаметр, при котором плотность потока в радиальном направлении снижаетс  в е раз по отношению к максимальной. Внутри пучка, которого определен подобным образом, протекает 68,3% всего тока пучка.При таком подходе, став  задачу оценки распределени  плотности потока электронов в поперечном сечении .пучка, внутри которого протекает 68,3% всего тока пучка, длительность завершаю- . щего облучени  выбирают примерно в три раза большей пороговой дпительно- сти t, начина  с которой пориста  масса визуализируетс . Если же в задачу входит оценка распределени  плот ности потока электронов в более широкой области поперечного.сечени  пуч-. ка, то серию облучений и перемещений прекращают лишь тогда, когда распределение пористой массы при двух пос- ледовательных длительност х облучени  остаетс  практически неизменным.

Как показали проведенные исследовани , фактические размеры пучка мик5

0

5 х п

У

0

ротрона в поперечном сечении (максимальный размер по горизонтали 32 мм и максимальный размер по вертикали 12 мм) значительно превосход т соответствующие размеры (12 и 7 мм) пучка непосредственно зс фольгой выводного окна ускорител .

П р и м е р 2, Берут пластину из органического стекла длиной 210 мм, шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепл ют горизонтально (т.е. гранью 210 X 5;5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, Чтобы грань 210x78 лежала в плос кости, перпендикул рной направлению падени  пучка. Параметры излучени  микротрона: средний ток пучка электронов 5 мкА, энерги  электронов 12,5 МэВ. Пластину подвергают чередующейс  серии облучений с нарастающими ;у1ительност ми (30 с, 40 с, 50 с, 60 с, 300 с) и фиксированных перемещений слева направо в той же плоскости , В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируетс  набор распределений пористой массы. После этого части образовавшейс  пористой массы, выступающие за пределы поверхности пластины, удал ют , а информацию о наборе распреде- лений пористой массы с облученных участков пластины перенос т на фотобумагу контактным способом.

П р и м е р 3. Берут пластину из органического стекла длиной 207 мм, шириной 78 мм и толщиной 5,5 мм, закрепл ют горизонтально (т.е. гранью 207 X 5,5) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грайь 207x78 лежала а плоскости, перпендикул рной направлению падени  пучка. Параметры излучени  микротрона: средний ток пучка электронов 6 мкА, энерги  электронов 2,5 МэВо Пластину подвергают чередующейс  серии облучений с нарастагощи ми длительност ми (25 с, 30 с, 35 с, 40 с) и фиксированных перемещений еле ва направо, затем облучают в течение А5 с, после чего поворачивают в той же плоскости на 180 и продолжают подвергать чередутощейс  серии облучений с нарастающими длительност ми (50 с, 55 с, 60 0/65 Cf 300 с) н фиксированных перемещений. Удаление части образовавшейс  пористой массы и перенос информации о наборе распределени  пористой массы с облученных

fO

.- 5

20

участков пластины на фотобумагу осуществл ют так же, как в примере 2.

П р и м е р 4. Берут пластину из полистирола длиной 60 мм, шириной и толщиной 1 мм, закрепл ют го- 5 ризонтально (т.е. гранью 160x1) на подставке-держателе и размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань лежала в плоскости, пер пендикул рной направлению падени  пучка. Параметры излучени  микротрона: средний ток пучка электронов 6 МкА, энерги  электронов 4,52 МэВ. Пластину подвергают чередующейс  серии облучений с нарастающими длительност ми (100 с, 125 с, 140 с, 300 с) и фиксированных,перемещений слева направо в той же плоскости, В результате такой обработки на облученных участках пластины визуализируетс  набор распределений пористой массы.

Более высокие величины длительностей облучени , при которых визуализируетс  пориста  масса, в данном 5 случае обусловлены как меньшей толщиной пластины по сравнению с примерами 1-3, так и существенно более низкой величиной радиационного выхода газа (числа образовавшиэЛ  моле- , кул газа на 100 эВ поглощенной энергии ) дл  полистирола по сравнению с органическим стеклом (0,07 и 1,11 1/100 эВ соответственно),

П. р и м е р 5. Здесь используют также параметры излучени  микротрона и пластину из органического стекла, как и в примере 2./Пластину при помощи кле  приклеивают к подложке в виде керамической облицовочной плитки Раз- мером 150 X 150 X 6 мм и закрепл ют горизонтально на подставке-держателуе. Пластину (вместе с подложкой) размещают на пути пучка микротрона так, чтобы грань пластины 210 X 78 лежала в плоскости, перпендикул рйой направлению падени  пучка, и была обращена органическим стеклом к пучку. Пластину подвергают такой же чередующейс  серии облучений с нарастающими длительност ми и фиксированных перемещений , как и в примере 2. В результате такой обработки над поверхностью облучен1П.1Х участков пластины по вл етс  раст нута  пориста  масса, поверхность которой дает информацию об объемной модели распределени  плот45

50

fO

5

20

5 5 , ,

.

45

50

мости потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона,

П р и м е р 6. Здесь используют такие же параметры излучени  микротрона и пластину из органического стекла, как ив примере 3. Пластину приклеивают к подложке из керамики , закрепл ют и размещают на пути пучк а ми- кротронл так же, как и в примере 5. Пластину подвергают такой же чередующейс  серии облучений с нарастающими длительност ми и фиксированных перемещений, как и в примере 3. В результате завершающего облучени  с . длительностью 300 с участка пластины над его поверхностью по вл етс  раст нута  пориста  масса, представл юща  собой объемную модель распределени  плотности потока электронов в поперечном сечении пучка микротрона. Поскольку реализаци  описываемого способа не обусловлена уносом материала детектора из зоны действи  пучка, то способ делает возможным диагностику пучков, удельна  поверхностна  мощ-; кость которых ниже 10 Вт/см .

Простота способа, короткие экспозиции (30-300 с) при получении набора изодозйых кривых, возможность одновременного определени  профил  и пространственного положени  пучка, исключение необходимости сложных подготовительных операций (полировка поверхности детектора, вакуумирование и т.п.) и обеспечени  аппаратурной (интерференционным микроскопом, усилител ми и т.п.), возможность получени  непрерывной по всему сечению пуч-- ка информации, нечувствительность к ,наводкам в сильных пол х СВЧ-излуче- ни , возможность хранени  и многократного съема полученной информации, доступность и относительно низка  . стоимость используемых материалов в сочетании с достаточной дл  проведени  экспрессных оценок разрешающей способностью позвол ют упростить и ускорить процесс оперативной диагной- тики пучков зар женных частиц и делают его пригодным дп  технологической дозимётр.ии. При всем этом обеспечиваетс  возможность диагностики уз- пучков электронных ускорителей (линейных ускорителей, сильноточных бетатронов, никротронов)« широко используемых в народном хоз йстве.

Н1 Н2 М lf HS tf6

Фиг

Редактор Т.Иванова

Составитель С.Кондратенко .

Техред В .Кадар Корректор А.Обручар

-V- Заказ 564Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий fl3035, Москва,Ж-35, Раушска  наЬ., д.4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие г.Ужгород, .ул.Проектна ,4

руча