RU2281532C1 - Device for complex measurements of spectral and power characteristics of accelerator electron emission and bremsstrahlung - Google Patents
Device for complex measurements of spectral and power characteristics of accelerator electron emission and bremsstrahlung Download PDFInfo
- Publication number
- RU2281532C1 RU2281532C1 RU2005104228/28A RU2005104228A RU2281532C1 RU 2281532 C1 RU2281532 C1 RU 2281532C1 RU 2005104228/28 A RU2005104228/28 A RU 2005104228/28A RU 2005104228 A RU2005104228 A RU 2005104228A RU 2281532 C1 RU2281532 C1 RU 2281532C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- energy
- accelerator
- transducer
- bremsstrahlung
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области дозиметрии и спектрометрии ионизирующих излучений, а точнее импульсного электронного и тормозного излучений. Наиболее эффективно оно может быть использовано для комплексного определения спектрально-энергетических характеристик электронного и тормозного излучений сильноточных импульсных ускорителей (СИУ), работающих в режиме генерации тормозного излучения (ТИ).The invention relates to the field of dosimetry and spectrometry of ionizing radiation, and more specifically pulsed electronic and bremsstrahlung. It can be most effectively used for the complex determination of the spectral-energy characteristics of electronic and bremsstrahlung emissions of high-current pulsed accelerators (SIUs) operating in the bremsstrahlung (TI) generation mode.
Известен способ определения энергетического спектра электронов в импульсе СИУ прямого действия, основанный на измерении тока в вакуумном диоде и ускоряющего напряжения на нем [1].There is a method of determining the energy spectrum of electrons in a pulse SIU direct action, based on measuring the current in a vacuum diode and the accelerating voltage on it [1].
Недостатком способа является влияние на точность определения энергетического спектра электронов токов, обусловленных низкоэнергетическими частицами катодной и анодной плазмы как составляющих результирующего тока в ускоряющем промежутке. Существенно сказывается влияние электромагнитных наводок на первичном измерительном преобразователе напряжения вакуумного диода из-за электрической связи с генератором СИУ, обуславливающие большую погрешность в определении энергии ускоренных электронов и энергетического спектра электронов в импульсе излучения.The disadvantage of this method is the influence on the accuracy of determining the energy spectrum of electron currents due to low-energy particles of the cathode and anode plasma as components of the resulting current in the accelerating gap. The influence of electromagnetic interference on the primary measuring voltage transducer of a vacuum diode is significantly affected due to electrical communication with the SIU generator, which cause a large error in determining the energy of accelerated electrons and the energy spectrum of electrons in a radiation pulse.
Наиболее близким, принятым за прототип устройством, является система мониторирования энергетических характеристик электронного пучка [2], содержащая цилиндрический корпус с входным окном и дном, а за входным окном в стенке корпуса размещен магнитоиндукционный преобразователь тока. По оси пучка, за преобразователем тока, теплоизолированно от корпуса, расположена мишень-конвертер полного поглощения из однородного металла. На всей ее тыльной к пучку поверхности нанесена двухслойная электроизолирующая пленка, между слоями которой расположен пленочный терморезисторный преобразователь поглощенной энергии в мишени, а на выбранном расстоянии от мишени за дном корпуса на оси пучка установлен преобразователь мощности экспозиционной дозы (МЭД) ТИ.The closest device adopted for the prototype is a system for monitoring the energy characteristics of an electron beam [2], which contains a cylindrical body with an input window and a bottom, and a magneto-induction current transducer is placed behind the input window in the wall of the body. Along the axis of the beam, behind the current transducer, thermally insulated from the housing, there is a target-converter of complete absorption of a homogeneous metal. A double-layer electrically insulating film is deposited on its entire back surface to the beam, between the layers of which there is a film thermistor transducer of absorbed energy in the target, and a TI exposure dose converter (DER) is installed on the axis of the beam at a selected distance from the target.
Устройство-прототип имеет измерительные каналы тока пучка электронов, поглощенной энергии в мишени и МЭД ТИ, сформированные посредством соединения линиями связи первичных преобразователей с соответствующими регистраторами и ПЭВМ. Устройство эффективно при использовании его на линейных импульсных ускорителях, где практически отсутствуют токи, обусловленные низкоэнергетическими частицами катодной плазмы.The prototype device has measuring channels for the current of the electron beam, the absorbed energy in the target, and the DER TI, formed by connecting the primary converters with the corresponding recorders and a personal computer via communication lines. The device is effective when used on linear pulse accelerators, where there are practically no currents due to low-energy particles of the cathode plasma.
Недостатком устройства-прототипа является высокая погрешность измерения токовых и, следовательно, спектрально-энергетических характеристик пучка электронов в плоскости мишени-конвертера СИУ прямого действия, обусловленная тем, что измеряется полный ток пучка электронов, т.е. включающий токи, обусловленные катодной и анодной плазмой. При использовании его на ускорителях прямого действия величина тока катодной и анодной плазмы может существенно превышать ток ускоренных электронов на определенных временных участках ускорительного процесса в зависимости от параметров формирующей линии ускорителя и вакуумного диода [3]. Устройство работоспособно при невозмущенном поле ТИ, т.е. не допускает совмещения облучения образцов в поле ТИ и определения спектрально-энергетических характеристик пучка ускоренных электронов в плоскости мишени-конвертера. Он не позволяет определять спектрально-энергетические характеристики ТИ в изодозовых плоскостях облучения образцов, которые могут быть сформированы за его дном, в поле ТИ нормально к оси транспортировки пучка электронов, на расстоянии от мишени-конвертера, определяемом требуемыми параметрами ТИ.The disadvantage of the prototype device is the high measurement error of the current and, therefore, spectral-energy characteristics of the electron beam in the plane of the target converter of the SIU direct action, due to the fact that the total current of the electron beam is measured, i.e. including currents due to cathodic and anodic plasma. When using it on direct-acting accelerators, the current value of the cathode and anode plasma can significantly exceed the current of accelerated electrons in certain time sections of the accelerator process, depending on the parameters of the forming line of the accelerator and the vacuum diode [3]. The device is operable with an unperturbed field TI, i.e. It does not allow combining the irradiation of samples in the field of the TI and determining the spectral and energy characteristics of the accelerated electron beam in the plane of the target converter. It does not allow determining the spectral-energy characteristics of the TI in the isodose planes of irradiation of samples that can be formed behind its bottom, in the TI field normal to the axis of electron beam transport, at a distance from the converter target, determined by the required TI parameters.
Предлагается устройство для комплексного измерения спектрально-энергетических характеристик импульсного ЭИ и ТИ ускорителя, содержащее указанные признаки прототипа.A device is proposed for the complex measurement of the spectral-energy characteristics of a pulsed EI and TI accelerator, containing the indicated features of the prototype.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются следующие: магнитоиндукционный преобразователь тока пучка электронов расположен в автономном экране внутри цилиндрического корпуса, мишень выполнена гетерогенной, в виде пространственно разнесенных по оси транспортировки пучка слоев, при этом входное окно экрана упомянутого магнитоиндукционного преобразователя перекрыто первым слоем мишени, выполненным из легкоатомного металла, а его выходное окно перекрыто теплоизолированным от упомянутого экрана вторым слоем мишени, выполненным из тяжелоатомного металла со встроенным преобразователем поглощенной энергии, причем слои мишени и экран конструктивно и электрически соединены между собой и расположены так, что положение первого слоя мишени обеспечивает величину ускоряющего промежутка ускорителя, а первичный преобразователь мощности экспозиционной дозы располагается в формируемой ускорителем изодозовой плоскости облучения образца.The distinguishing features of the proposed device are as follows: the magneto-induction current transducer of the electron beam is located in a stand-alone screen inside the cylindrical body, the target is made heterogeneous in the form of layers spatially spaced along the axis of transport of the beam, while the input window of the screen of the said magnetic induction transducer is covered by the first target layer made of a light-atom metal, and its exit window is blocked by a second target layer insulated from the said screen, made of a heavy atomic metal with a built-in converter of absorbed energy, and the target layers and the screen are structurally and electrically connected to each other and positioned so that the position of the first target layer provides the accelerating gap of the accelerator, and the primary exposure dose rate converter is located in the isodose plane of sample irradiation generated by the accelerator .
Устройство, за исключением преобразователя МЭД ТИ, устанавливается на выходе ускоряющей трубки СИУ перед ее дном, прозрачным для ТИ, и одновременно выполняет функции трубки дрейфа ускорителя.The device, with the exception of the DER TI converter, is installed at the output of the accelerating tube of the SIU in front of its bottom, transparent to the TI, and at the same time performs the functions of the accelerator drift tube.
Первый слой мишени, с толщиной несколько десятков микрон, прозрачен для ускоренных электронов и непрозрачен для низкоэнергетических электронов и ионов катодной плазмы. Второй слой мишени удовлетворяет условию полного поглощения для ускоренных электронов.The first layer of the target, with a thickness of several tens of microns, is transparent for accelerated electrons and opaque for low-energy electrons and cathode plasma ions. The second layer of the target satisfies the condition of complete absorption for accelerated electrons.
Первый слой мишени выполняет функции анода в вакуумном диоде ускорителя, фильтра-поглотителя энергии и собирания заряда частиц катодной плазмы с их токоотводом, а также стенки и экрана трубки дрейфа одновременно. Он обеспечивает отделение от пучка низкоэнергетических электронов и ионов катодной плазмы с поглощением их энергии и вывод их заряда на землю без изменения характеристик ускоряющего промежутка между катодом и анодом, экранирует воздействие внешних электрических полей на пучок ускоренных электронов в межслойном пространстве мишени.The first layer of the target acts as an anode in the vacuum diode of the accelerator, an energy-absorbing filter and collecting the charge of the particles of the cathode plasma with their current collector, as well as the wall and screen of the drift tube at the same time. It ensures the separation of low-energy electrons and ions of the cathode plasma from the beam with the absorption of their energy and the removal of their charge to the ground without changing the characteristics of the accelerating gap between the cathode and the anode, screens the effect of external electric fields on the beam of accelerated electrons in the interlayer space of the target.
Энергия электронов и ионов катодной плазмы не превышает десятков электронвольт, поэтому они не дают практического вклада в ТИ, но создают ионизационный эффект и могут давать вклад в ток пучка относительно тока ускоренных электронов до 100% и более на отдельных временных участках ускорения.The energy of electrons and ions of the cathode plasma does not exceed tens of electron-volts; therefore, they do not make a practical contribution to the TH, but they create an ionization effect and can contribute to the beam current relative to the current of accelerated electrons up to 100% or more in separate time sections of acceleration.
Одновременно с помощью первого слоя мишени осуществляется компрессия пучка ускоренных электронов, обеспечиваемая за счет зануления радиальной составляющей электрического поля пучка и действия собственного продольного магнитного поля, создающего относительно небольшое изменение поперечной составляющей скорости электронов [3, 4].At the same time, the beam of accelerated electrons is compressed using the first layer of the target, which is ensured by the vanishing of the radial component of the electric field of the beam and the action of its own longitudinal magnetic field, which creates a relatively small change in the transverse component of the electron velocity [3, 4].
Первый слой мишени, пространственно отделенный от второго слоя, снижает ударную тепловую нагрузку на него, способствуя стабилизации его свойств и характеристик конвертирования за счет уменьшения плотности ионизации в приповерхностном объеме, создаваемой частицами катодной плазмы, и эффекта образования анодной плазмы. Осуществляемая компрессия пучка электронов повышает как интенсивность ТИ в направлении «вперед», так и коэффициент использования ТИ при облучении образцов.The first layer of the target, spatially separated from the second layer, reduces the thermal shock load on it, helping to stabilize its properties and conversion characteristics by reducing the ionization density in the near-surface volume created by the cathode plasma particles and the effect of the formation of the anode plasma. The ongoing compression of the electron beam increases both the TI intensity in the forward direction and the TI utilization coefficient when irradiating the samples.
Магнитоиндукционный преобразователь, соединенный своим экраном по периметрам входного и выходного окон с соответствующими слоями мишени, образует трубку дрейфа, в которой транспортируется пучок ускоренных электронов с одновременным измерением его тока. Конструкция трубки дрейфа проявляет экранирующие свойства и защищает пучок ускоренных электронов от воздействия внешних электрических полей, что обеспечивает повышение точности и качества измерений токовых характеристик пучка ускоренных электронов и, как следствие, его спектрально-энергетических характеристик.A magneto-induction converter, connected by its screen along the perimeters of the input and output windows with the corresponding layers of the target, forms a drift tube in which a beam of accelerated electrons is transported with simultaneous measurement of its current. The design of the drift tube exhibits shielding properties and protects the accelerated electron beam from external electric fields, which improves the accuracy and quality of measurements of the current characteristics of the accelerated electron beam and, as a consequence, its spectral-energy characteristics.
Второй слой мишени, помимо свойств конвертера ЭИ в ТИ и поглотителя энергии этих видов излучения, имеет конструктивно жесткую связь с экраном и первым слоем мишени, а также гибкую связь расстоянием с преобразователем МЭД ТИ, которые, в комплексе с изложенным ранее, обеспечивают новые функциональные связи и свойства устройства.The second target layer, in addition to the properties of the EI to TI converter and the energy absorber of these types of radiation, has a structurally rigid connection with the screen and the first layer of the target, as well as flexible distance coupling with the TED DER converter, which, in combination with the foregoing, provide new functional relationships and device properties.
Первичный преобразователь МЭД ТИ находится в неизменном положении относительно второго слоя мишени-конвертера только на период градуировки устройства. После градуировки он может располагаться на различных расстояниях от второго слоя мишени-конвертера по оси транспортировки пучка электронов, в зависимости от формируемой плоскости изодозового облучения образца с прогнозируемыми характеристиками воздействующего фактора. Для данных условий проявляется новая форма связи между током пучка электронов I, энергией электронов Е и МЭД ТИ Рγ по отношению к связям при градуировке, выражаемой в аналитическом видеThe primary transducer DER TI is in the same position relative to the second layer of the target converter only for the calibration period of the device. After graduation, it can be located at various distances from the second layer of the converter target along the axis of electron beam transport, depending on the generated plane of isodose irradiation of the sample with the predicted characteristics of the acting factor. For these conditions, a new form of the relationship appears between the electron beam current I, electron energy E and DER TI R γ with respect to the bonds during calibration, expressed in analytical form
где К(х) - коэффициент ослабления пикового значения МЭД ТИ на расстоянии х от мишени-конвертера по оси транспортировки пучка электронов по отношению к градуировочной точке g;where K (x) is the attenuation coefficient of the peak DER TI value at a distance x from the converter target along the axis of electron beam transport with respect to the calibration point g;
Рγ(х) - МЭД ТИ в плоскости испытуемого образца на расстоянии х от мишени-конвертера;P γ (x) - DER TI in the plane of the test sample at a distance x from the target converter;
I, Е - ток и энергия электронов, соответственноI, E - current and electron energy, respectively
С, а, b, с - коэффициенты степенного ряда, определяемые как результат градуировки устройства.C, a, b, c - power series coefficients, defined as the result of the calibration of the device.
На основе новых связей между преобразователями тока, МЭД ТИ и мишенью-конвертером проявляются новые свойства устройства как измерительного преобразователя энергии электронов в плоскости второго слоя мишени с одновременным измерением МЭД, экспозиционной дозы и определением энергетического спектра ТИ в плоскости исследуемого образца в импульсе излучения.On the basis of new connections between current transducers, TED DER and the target converter, new properties of the device are revealed as a measuring electron energy converter in the plane of the second target layer with simultaneous measurement of DER, exposure dose and determination of the TI energy spectrum in the plane of the sample under study in the radiation pulse.
При известных физических параметрах слоев мишени (атомный номер вещества, толщина и т.п.) и свойствах устройства, заключающихся в определении энергии и тока электронов в заданный момент времени в пределах длительности импульса, а также измеренных в изодозовой плоскости исследуемого образца МЭД и экспозиционной дозы ТИ (как интеграл по времени от МЭД), представляется возможным определить мгновенный и интегральный за импульс энергетический спектр ТИ в плоскости исследуемого образца экспрессными расчетно-экспериментальными методами [5], заключающимися в разделении мишени на элементарные слои и оперировании усредненными характеристиками электронов в этих слоях или другими (например, методом Монте-Карло).With the known physical parameters of the target layers (atomic number of the substance, thickness, etc.) and the properties of the device, consisting in determining the energy and current of electrons at a given point in time within the pulse duration, as well as measured in the isodose plane of the studied sample of DER and exposure dose TI (as the time integral of the DER), it seems possible to determine the instantaneous and integral over the pulse energy spectrum of the TI in the plane of the sample under study by express calculation and experimental methods [5], 3 consists in dividing the target into elementary layers and operating with the averaged characteristics of electrons in these layers, or other (e.g., Monte Carlo method).
Между мгновенным энергетическим спектром ТИ ψ(Еγ) и МЭД ТИ Рγ в формируемой изодозовой плоскости облучения образца на расстоянии х от мишени в условиях электронного равновесия существует однозначная зависимость:There is an unambiguous dependence between the instantaneous energy spectrum of TI ψ (E γ ) and DER TI P γ in the generated isodose plane of irradiation of the sample at a distance x from the target under conditions of electronic equilibrium:
где: μв(Eγ) - массовый коэффициент поглощения фотонов в воздухе;where: μ in (E γ ) is the mass absorption coefficient of photons in air;
Eγ - энергия тормозного кванта;E γ is the energy of the bremsstrahlung quantum;
e - заряд электрона.e is the electron charge.
Таким образом, выполнение условия (2) обеспечивает высокую достоверность численного определения энергетических спектров ТИ в плоскости облучения образца.Thus, the fulfillment of condition (2) ensures high reliability of the numerical determination of the energy spectra of thermoelectric radiation in the irradiation plane of the sample.
Новые функциональные возможности устройства позволяют совместно осуществлять дозиметрическое обеспечение радиационных исследований образцов в поле ТИ (определение МЭД, экспозиционной дозы, энергетического спектра ТИ в любое и за любое время длительности импульса ускорителя в плоскости облучения образца), а также диагностику режима работы ускорителя по измеряемым динамическим и интегральным спектрально-энергетическим и токовым характеристикам пучка электронов в плоскости мишени.The new functionality of the device allows for the joint dosimetric support of radiation studies of samples in the field of TI (determination of DER, exposure dose, energy spectrum of TI at any and at any time of the accelerator pulse duration in the irradiation plane of the sample), as well as diagnostics of the accelerator operating mode using measured dynamic and integrated spectral-energy and current characteristics of the electron beam in the target plane.
Получаемые данные о МЭД, экспозиционной дозе, энергетическом спектре ТИ в изодозовой плоскости облучения исследуемого образца обеспечивает полноту исходной информации для корректного прогнозирования распределения плотности ионизации и поглощенной дозы ТИ в чувствительных слоях образцов с особо сложными гетероструктурами (например, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы и т.п.).The obtained data on the EDR, exposure dose, and energy spectrum of TI in the isodose plane of irradiation of the test sample provides completeness of the initial information for correctly predicting the distribution of ionization density and absorbed dose of TI in sensitive layers of samples with especially complex heterostructures (for example, large and ultra-large integrated circuits, etc.). P.).
Таким образом, при работе СИУ в режиме генерации ТИ с помощью предлагаемого устройства комплексно определяются как параметры воздействующих факторов на исследуемый образец (дозиметрическое сопровождение облучения), так и параметры пучка электронов в плоскости мишени-конвертера, обеспечивающие диагностику работы ускорителя.Thus, when the SIU is operating in the mode of generating TI with the help of the proposed device, both the parameters of the influencing factors on the sample under study (dosimetric tracking of radiation) and the parameters of the electron beam in the plane of the converter target, which provide diagnostics of the accelerator, are comprehensively determined.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показан характер изменения коэффициента ослабления пикового значения МЭД ТИ по оси транспортировки пучка электронов К(х) по отношению к градуировочной точке g размещения детектора МЭД ТИ, на фиг.3 показаны временные характеристики тока пучка электронов, падающего на второй слой мишени I(t), МЭД ТИ Pyx(t) в изодозовой плоскости испытуемого образца на расстоянии х от второго слоя мишени, принцип определения мгновенной энергии и энергетического спектра электронов в импульсе излучения.Figure 1 shows the functional diagram of the proposed device, figure 2 shows the nature of the attenuation coefficient of the peak value of DER TI along the axis of transport of the electron beam K (x) with respect to the calibration point g of the placement of the detector MED TI, figure 3 shows the time characteristics the current of the electron beam incident on the second layer of the target I (t), DER TI P yx (t) in the isodose plane of the test sample at a distance x from the second layer of the target, the principle of determining the instantaneous energy and energy spectrum of electrons in impulses all radiation.
Устройство состоит из цилиндрического полого экрана 1 с прямоугольным сечением 2 и азимутальной щелью 3, во внутренней полости которого установлен магнитоиндукционный преобразователь тока 4. Входное окно 5 экрана 1 перекрыто первым слоем мишени 6, а выходное окно 7 перекрыто вторым слоем мишени 8, которые конструктивно соединены между собой. Эта конструкция установлена на выходе ускорительной трубки 9 ускорителя перед дном 10, соосно с направлением транспортировки пучка электронов так, что первый слой мишени 6 является анодом и определяет величину ускорительного промежутка ускорителя. Экран магнитоиндукционного преобразователя 1, первый слой мишени 6, второй слой мишени 8, ускорительная трубка 9 электрически соединены между собой и заземлены, а второй слой мишени 8 крепится к экрану 1 на теплоизоляторах 11. На тыльной стороне второго слоя мишени 8, электроизолированно от нее по поверхности, расположен терморезисторный преобразователь поглощенной энергии 12 (термопарные преобразователи зачеканиваются в тело второго слоя мишени), а преобразователь МЭД ТИ 13 устанавливается за дном 10, прозрачным для ТИ, в формируемой изодозовой плоскости облучения образца 14, нормальной оси транспортировки пучка электронов. Первичные измерительные преобразователи 4, 12 и 13 посредством соответствующих линий связи 15 соединены с соответствующими регистраторами 16, соединенных с ПЭВМ 17.The device consists of a cylindrical
Устройство работает следующим образом. Пучок электронов падает на первый слой мишени 6 в характерных условиях работы ускорителя. Низкоэнергетические электроны пучка катодной плазмы поглощаются первым слоем мишени 6, отдавая свою энергию и заряд. Высокоэнергетические электроны пучка без потери энергии проходят через входное окно 5 экрана 1 магнитоиндукционного преобразователя 4 и поглощаются во втором слое мишени 8. Установленный между слоями мишени магнитоиндукционный преобразователь 4 измеряет ток высокоэнергетических электронов пучка. Поглощенная во втором слое мишени 8 энергия пучка электронов определяется с помощью встроенного термопреобразователя 12. С помощью преобразователя МЭД ТИ 13, расположенного на оси транспортировки пучка в плоскости облучения образца 14, определяется амплитудно-временная характеристика МЭД ТИ. Получаемая с преобразователей 4, 12, 13 информация по соответствующим линиям связи 15 поступает на цифровые регистраторы 16 и в виде массивов в ПЭВМ 17 для дальнейшей обработки.The device operates as follows. A beam of electrons falls on the first layer of target 6 under the characteristic operating conditions of the accelerator. The low-energy electrons of the cathode plasma beam are absorbed by the first layer of the target 6, giving up their energy and charge. High-energy beam electrons without energy loss pass through the input window 5 of the
Устройство реализует свои функциональные возможности после проведения его градуировки в условиях исследуемого ускорителя. В процессе градуировки устанавливается зависимость между током пучка электронов I, энергией электронов Е в плоскости мишени-конвертера и МЭД ТИ Рγ в выбранной точке поля ТИ на оси транспортировки пучка, представляющая собой статическую передаточную характеристику РТ(Е) мишени-конвертера ускорителя, представляемая аналитически в следующем виде:The device realizes its functionality after graduating in the conditions of the accelerator under study. During the calibration process, a relationship is established between the electron beam current I, the electron energy E in the plane of the converter target, and the ED TI R γ at a selected point in the TI field on the beam transport axis, which is the static transfer characteristic P T (E) of the accelerator converter target, represented analytically in the following form:
В процессе градуировки устройства определяется характер изменения коэффициента ослабления пикового значения МЭД ТИ по оси транспортировки пучка электронов К(х) по отношению к градуировочной точке g размещения детектора МЭД ТИ (фиг.2), при номинальном режиме работы ускорителя, т.е.In the process of calibrating the device, the nature of the change in the attenuation coefficient of the peak DER TI value along the axis of electron beam transport K (x) with respect to the calibration point g of the placement of the DER TI detector (Fig. 2) is determined at the accelerator’s nominal operating mode, i.e.
где: Рγ(х) - пиковое значение МЭД ТИ на расстоянии х от мишени по оси транспортировки пучка электронов;where: P γ (x) is the peak value of the DER TI at a distance x from the target along the axis of transport of the electron beam;
Pγg - пиковое значение МЭД ТИ в градуировочной точке g поля.P γg is the peak value of DER TI at the calibration point g of the field.
При градуировке устройства в выбранной геометрии измерений в импульсе излучения производят синхронизированные измерения тока пучка электронов I(t) и МЭД ТИ Pγ(t) в точке g, а после импульса излучения определяют поглощенную энергию электронного и тормозного излучений Wn в мишени-конвертере, выражаемую в аналитическом виде:When calibrating the device in the selected measurement geometry in the radiation pulse, synchronized measurements of the electron beam current I (t) and DER TI P γ (t) are made at point g, and after the radiation pulse, the absorbed electron and bremsstrahlung energy W n is determined in the converter target, expressed in analytical form:
где ΔR - приращение сигнала измерительного преобразователя поглощенной энергии за импульс излучения;where ΔR is the increment of the signal of the measuring transducer of absorbed energy per radiation pulse;
k - приведенный коэффициент преобразования измерительного канала поглощенной энергии, определяемый экспериментально.k is the reduced conversion coefficient of the measuring channel of the absorbed energy, determined experimentally.
Энергия пучка электронов W в импульсе излучения (в интересующем диапазоне энергии электронов до 12 МэВ) затрачивается, в основном, на нагрев мишени Wn (определяется экспериментально), уносится обратно рассеянным электронным излучением Wo и ТИ Wt. Энергия уносимая фотонейтронным и δ-электронным излучениями в рассматриваемом энергетическом диапазоне при известном веществе мишени-конвертера составляет не более 0,1% от W, соответственно, т.е. пренебрежимо мала на фоне погрешности измерения W, Рγ, I, Wn, Wo и Wt. Составляющие энергии пучка в импульсе Wo, Wt, определяются как часть от полной энергии пучка W в следующем виде:The energy of the electron beam W in the radiation pulse (in the electron energy range of interest up to 12 MeV) is spent mainly on heating the target W n (determined experimentally), carried away by the scattered electron radiation W o and TI W t . The energy carried away by photoneutron and δ-electron radiation in the considered energy range with the known substance of the converter target is not more than 0.1% of W, respectively, i.e. is negligible against the background of the measurement error W, P γ , I, W n , W o and W t . The components of the beam energy in the pulse W o , W t are determined as a part of the total beam energy W in the following form:
где k - коэффициент, МэВ-1;where k is the coefficient, MeV -1 ;
Z - атомный номер вещества мишени;Z is the atomic number of the target substance;
μ{E(t)} - массовый коэффициент поглощения фотонов в теле мишени-конвертера, усредненный по энергетическому спектру;μ {E (t)} is the mass absorption coefficient of photons in the body of the converter target, averaged over the energy spectrum;
D, d{E(t)} - толщина мишени и слоя мишени до эффективного рождения фотонов, соответственно;D, d {E (t)} is the thickness of the target and the target layer before the effective production of photons, respectively;
Q - эффективный угол падения электронов в пучке;Q is the effective angle of incidence of electrons in the beam;
R(Q, E, Z) - полный коэффициент обратного рассеяния электронов.R (Q, E, Z) is the total electron backscattering coefficient.
Согласно закону сохранения энергии, с допустимым приближением для импульса излучения, справедливо уравнениеAccording to the law of conservation of energy, with an acceptable approximation for the radiation pulse, the equation
Для определения градуировочных коэффициентов С, а, b, с в условиях исследуемого ускорителя на нем производят серию из n импульсов излучения (n≥4), отличающихся между собой максимальной энергией электронов, и относительно этих коэффициентов решают систему нелинейных интегральных уравнений типа (7) с учетом (3).To determine the calibration coefficients C, a, b, c under the conditions of the accelerator under study, a series of n radiation pulses (n≥4) differing from each other with the maximum electron energy is produced on it and a system of nonlinear integral equations of type (7) is solved with these coefficients taking into account (3).
При работе устройства в режиме измерения спектрально-энергетических характеристик электронного и тормозного излучений регистрируют синхронизированные временные характеристики тока пучка электронов, падающих на второй слой мишени I(t) и МЭД ТИ Pγx(t) в изодозовой плоскости испытуемого образца на расстоянии х от второго слоя мишени (фиг.3). По измеренным значениям Pγx(t) и I(t) и известном К(х) с помощью ПЭВМ определяют динамическую передаточную характеристику мишени ускорителя PT(t)When the device is operating in the mode of measuring the spectral-energy characteristics of electron and bremsstrahlung, the synchronized time characteristics of the current of the electron beam incident on the second layer of the target I (t) and DER TI P γx (t) are recorded in the isodose plane of the test sample at a distance x from the second layer target (figure 3). From the measured values of P γx (t) and I (t) and the known K (x) using a PC, the dynamic transfer characteristic of the accelerator target P T (t) is determined
Каждому текущему значению PT(t) соответствует значение энергии электронов Е из градуировочной характеристики РT(Е) и величина тока I(t). Экстремальные значения PT(t) позволяют определить диапазон изменения энергии электронов в импульсе излучения {Емин, Емакс} и вид зависимости E(t). Разбивая энергетический диапазон [Емин, Емакс} на равные энергетические группы ΔEi (i=1, 2, ... n) со средней энергией в группах 
где j - номер временного интервала тока, вносящего вклад в амплитудное значение i-ой энергетической группы со средней энергией 
ΔEi - ширина i-ой энергетической группы;ΔE i is the width of the i-th energy group;
Iij(t) - временное распределение тока в j-ом интервале i-ой энергетической группы.I ij (t) is the temporary distribution of current in the j-th interval of the i-th energy group.
Мощность пучка электронов V в текущий момент времени выражается в следующем виде:The power of the electron beam V at the current time is expressed as follows:
При известных физических параметрах второго слоя мишени энергии электронов E(t), тока пучка I(t) или энергетического спектра (9), расчетным методом определяется число квантов ТИ с энергией от Еγ до Eγ+dEγ, вылетевших под углом α из мишени в телесный угол d Ω1 в следующем виде /6/:Given the physical parameters of the second layer of the target, the electron energy E (t), the beam current I (t), or the energy spectrum (9) are known, the number of TI quanta with energies from E γ to E γ + dE γ emitted at an angle α from targets in a solid angle d Ω 1 in the following form / 6 /:
где М - число элементарных слоев, на которые разбивается мишень-конвертер;where M is the number of elementary layers into which the target converter is divided;
(Nэф)i - эффективное число атомов в элементарном слое;(N eff ) i is the effective number of atoms in the elementary layer;
τi - вероятность электрона достичь i-го элементарного слоя (коэффициент трансмиссии);τ i is the probability of an electron reaching the ith elementary layer (transmission coefficient);
ω - угол между импульсом электрона и тормозного кванта;ω is the angle between the electron momentum and the bremsstrahlung quantum;
ηi(Eγ,α) - коэффициент самопоглощения тормозного кванта;η i (E γ , α) is the self-absorption coefficient of the bremsstrahlung quantum;
Выражение (11) определяет амплитудное значение в мгновенном или интегральном энергетических спектрах ТИ при известных параметрах второго слоя мишени. Энергетические спектры ТИ (мгновенный, интегральный за импульс или за любой интервал времени в импульсе излучения) рассчитываются с помощью ПЭВМ.Expression (11) determines the amplitude value in the instantaneous or integral energy spectra of the TI with the known parameters of the second layer of the target. The energy spectra of TI (instantaneous, integral for a pulse or for any time interval in a radiation pulse) are calculated using a personal computer.
Достоинством технического решения является то, что устройство позволяет осуществлять одновременно дозиметрическое обеспечение при исследовании воздействующих факторов на образец и диагностику работы ускорителя, автоматизировать измерения и обработку экспериментальных данных.The advantage of the technical solution is that the device allows for simultaneous dosimetric support in the study of the influencing factors on the sample and diagnostics of the accelerator, automate measurements and processing of experimental data.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Алтынцев А.Т., Коротеев В.И. Исследование пространственно-энергетических параметров релятивистского электронного пучка ускорителя «РИУС-5». - ЖТФ, 1974, т.44, в.6, с.1228-1231.1. Altyntsev A.T., Koroteev V.I. Investigation of the spatial and energy parameters of the relativistic electron beam of the RIUS-5 accelerator. - ZhTF, 1974, v. 44, v.6, p. 1228-1231.
2. МОРДАСОВ Н.Г. и др. Система мониторирования энергетических характеристик электронного пучка в процессе формирования мощных импульсов тормозного излучения. Сборник «ВАНТ», серия ФРВРЭА, выпуски 3-4, 2004, стр.120-123.2. MORDASOV N.G. et al. A system for monitoring the energy characteristics of an electron beam in the process of generating powerful pulses of bremsstrahlung. The collection "VANT", a series of FRVREA, issues 3-4, 2004, pp. 120-123.
3. Humphries S. Image charge focusing of relativistic electron beams. - J. Appl. Phys., 1988, v.63, p.583-585.3. Humphries S. Image charge focusing of relativistic electron beams. - J. Appl. Phys., 1988, v. 63, p. 583-585.
4. Adier R.J. Image-field focusing of intense ultra-relativistic electron beams in vacuum. - Part. Accelerators, 1982, v.l2, p.39-44.4. Adier R.J. Image-field focusing of intense ultra-relativistic electron beams in vacuum. - Part. Accelerators, 1982, v.l2, p. 39-44.
5. Мордасов Н.Г., Иващенко Д.М., Членов А.М., Астахов А.А. Моделирование методов экспрессного определения энергетического спектра тормозного излучения ускорителей электронов. - ЖТФ, т.32, № 9, 2004, с.108-116.5. Mordasov N. G., Ivashchenko D. M., Chlenov A. M., Astakhov A. A. Modeling of methods for express determination of the energy spectrum of bremsstrahlung of electron accelerators. - ZhTF, t.32, No. 9, 2004, p.108-116.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005104228/28A RU2281532C1 (en) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | Device for complex measurements of spectral and power characteristics of accelerator electron emission and bremsstrahlung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005104228/28A RU2281532C1 (en) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | Device for complex measurements of spectral and power characteristics of accelerator electron emission and bremsstrahlung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2281532C1 true RU2281532C1 (en) | 2006-08-10 |
Family
ID=37059695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005104228/28A RU2281532C1 (en) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | Device for complex measurements of spectral and power characteristics of accelerator electron emission and bremsstrahlung |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2281532C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2581728C1 (en) * | 2015-02-16 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Foil charged spectrograph |
-
2005
- 2005-02-16 RU RU2005104228/28A patent/RU2281532C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| МОРДАСОВ Н.Г. и др.: Система мониторирования энергетических характеристик электронного пучка в процессе формирования мощных импульсов тормозного излучения, сборник «ВАНТ», серия ФРВРЭА, выпуски 3-4, 2004, стр.120-123. АЛТЫНЦЕВ А.Т. и др.: Исследование пространственно-энергетических параметров релятивистского электронного пучка ускорителя «РИУС-5», ЖТФ, 1974, т.44, вып.6, стр.1228-1231. HUMPHRIES S. Image charge focusing of relativistic electron beams. - J. Appl. Phys., 1988, v.63, p.583-585. ADLER R.J. Image-field focusing of intense ultra-relativistic electron beams in vacuum. - Part. Accelerators, 1982. v.l2, p.39-44. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2581728C1 (en) * | 2015-02-16 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Foil charged spectrograph |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gramegna et al. | A telescope with microstrip gas chambers for the detection of charged products in heavy-ion reactions | |
| US20110284757A1 (en) | Apparatus, method and system for measuring prompt gamma and other beam-induced radiation during hadron therapy treatments for dose and range verification purposes using ionization radiation detection | |
| Nakamura et al. | Electron beam charge diagnostics for laser plasma accelerators | |
| Esposito et al. | Runaway electron measurements in the JET tokamak | |
| Meadowcroft et al. | High-energy bremsstrahlung diagnostics to characterize hot-electron production in short-pulse laser-plasma experiments | |
| Scuderi et al. | TOF diagnosis of laser accelerated, high-energy protons | |
| Zhou et al. | Measurement of wide energy range neutrons with a CLYC (Ce) scintillator | |
| Park et al. | Characteristics of high energy Kα and Bremsstrahlung sources generated by short pulse petawatt lasers | |
| Gordienko et al. | Experimental characterization of hot electron production under femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities | |
| Cancelli et al. | Development of a ceramic double thick GEM detector for transmission measurements at the VESUVIO instrument at ISIS | |
| Balovnev et al. | Spectrometry of impulse high-current discharge-plasma X-rays | |
| US20120126135A1 (en) | Dosimeter and method for determining an energy dose of a pulsed radiation field | |
| CN108267775B (en) | A kind of pulse gamma-rays spectral measurement system and method based on nuclear fluore scence | |
| CN102109606B (en) | Compensation type pulse X-ray detecting device with double scintillators | |
| Pershing et al. | Calibrating the scintillation and ionization responses of xenon recoils for high-energy dark matter searches | |
| Sabharwal et al. | Multiple backscattering on monoelemental materials and albedo factors of 279, 320, 511 and 662 keV gamma photons | |
| RU2281532C1 (en) | Device for complex measurements of spectral and power characteristics of accelerator electron emission and bremsstrahlung | |
| Vampola | Measuring energetic electrons—What works and what doesn't | |
| Volkov et al. | Dependence of the yield of hard incoherent X-rays from femtosecond laser plasma on the atomic number of a target material | |
| RU2581728C1 (en) | Foil charged spectrograph | |
| Ablesimov et al. | Correlation of the neutron yield anisotropy with the electrical characteristics of a plasma focus discharge | |
| Ekdahl | Neutron diagnostics for pulsed high‐density thermonuclear plasmas | |
| Belyakov-Bodin et al. | Calorimetric-time-of-flight technique for determination of energy spectra of particles from a high intensity pulsed proton target | |
| Weber et al. | Technique to Determine Intense Electron Beam Parameters and X-Ray Spectra From Dose-Rate Measurements at Different Angles | |
| Lelièvre et al. | A Comprehensive Characterization of the Neutron Fields Produced by the Apollon Petawatt Laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070217 |