Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ФОКУСНОГО ПЯТНА ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ УСКОРИТЕЛЯ

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для использования при разработке источников тормозного излучения на основе ускорителей электронов и при контроле их параметров при использовании в дефектоскопии и промышленной томографии толстостенных объектов.

Известно устройство для определения размеров фокусных пятен источников тормозного излучения [SU 313185 А1, МПК 6 H01J 35/14, опубл. 01.01.1971], состоящее из стойки, направляющей каретки, движущейся вдоль направляющей с помощью электродвигателя и установленных на каретке блоков из тяжелого металла, между которыми имеется калиброванная щель, и съемной наперстковой ионизационной камеры, перемещающейся с помощью электродвигателя в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. На направляющую каретку установлен механизм вращения, выполненный из двух стоек, в которых с помощью двух опор укреплена рамка с калиброванной щелью, приводимая во вращательное движение относительно своей продольной оси.

Известно устройство для определения размера фокусного пятна тормозного излучения ускорителя [Gambaccini М., Cardarelli P., Taibi A., at all. Measurement of focal spot size in a 5.5 MeV linac. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, v. 269 (2011), p. 1157-1165.], взятое за прототип, которое содержит щелевой коллиматор, выполненный в виде двух блоков из материала с высоким атомным номером и большой плотностью с регулируемым расстоянием между их поверхностями, ограничивающими пространство щели, и детектор излучения. Детектор излучения расположен за щелевым коллиматором и выполнен в виде сцинтилляционного экрана, оптической системы и видеорегистратора изображения на экране.

Детектор фиксирует распределение квантов тормозного излучения в плоскости положения экрана независимо от энергии квантов.

Однако распределение в фокусном пятне тормозного излучения квантов высокоэнергетической части спектра отличается от распределения квантов низкоэнергетической части спектра. При этом значительное преобладание квантов низкой энергии в спектре тормозного излучения приводит фактически к измерению фокусного пятна низкоэнергетической части спектра тормозного излучения, а не практически важной для контроля толстостенных объектов высокоэнергетической части спектра.

Задачей настоящего изобретения является определение размеров фокусного пятна высокоэнергетической части спектра тормозного излучения.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство для определения размеров фокусного пятна тормозного излучения ускорителя, также как и в прототипе, содержит щелевой коллиматор, выполненный в виде двух блоков из материала с высоким атомным номером и большой плотностью с регулируемым расстоянием между их поверхностями, ограничивающими щель, детектор излучения, расположенный за щелевым коллиматором.

Согласно изобретению щелевой коллиматор закреплен на основании, на котором закреплены направляющие платформы перемещения. На платформе перемещения установлен электромагнит постоянного тока в виде магнитопровода с обмоткой и полюсными наконечниками. Направляющие платформы перемещения расположены перпендикулярно поверхностям блоков, ограничивающих щель коллиматора, а полюсные наконечники - параллельно направляющим и перпендикулярно входным поверхностям блоков щелевого коллиматора. На полюсных наконечниках перпендикулярно им закреплен конвертер тормозного излучения в позитронное излучение, выполненный из проволоки из материала с высоким атомным номером. Детектор позитронов закреплен между полюсными наконечниками.

Поскольку выход позитронного излучения из конвертера является пороговой функцией энергии кванта тормозного излучения, то сигнал детектора определяется только квантами тормозного излучения с энергией выше пороговой, равной 1.02 МэВ, и значит по сигналу детектора определяется размер фокусного пятна высокоэнергетической части спектра тормозного излучения.

Неопределенность координат точек выхода позитронов из конвертора этого устройства в плоскости перемещения магнита не превышает диаметра проволочного конвертера.

Перемещение электромагнита с закрепленными в пространстве между его полюсными наконечниками проволочным конвертером и детектором позитронов позволяет получить распределение сигналов детектора позитронов, выходящих из проволочного конвертера и рожденных квантами высокоэнергетической части спектра тормозного излучения, от координат направления перемещения, а значит распределение квантов высокоэнергетической части спектра тормозного излучения по этому направлению, прошедших через щелевой коллиматор.

Устройство позволяет на основе зависимости энергии позитронов от энергии рождающих их квантов и зависимости движения позитронов в магнитном поле от напряженности магнитного поля получать распределения сигналов детектора позитронов от координат положения конвертора, соответствующие различным энергетическим интервалам высокоэнергетической части спектра тормозного излучения, а значит определять соответствующие фокусные пятна тормозного излучения.

На фиг. 1 показана схема устройства для определения размеров фокусного пятна тормозного излучения ускорителя.

На фиг. 2 показаны распределения сигнала детектора позитронов по координате X при различных размерах щели щелевого коллиматора.

На фиг. 3 показана зависимость ширины на полувысоте распределений сигналов детектора позитронов по координате X от размера щели коллиматора.

Устройство для определения размеров фокусного пятна тормозного излучения ускорителя содержит основание 1 (фиг. 1), вдоль которого закреплен щелевой коллиматор, выполненный, например, в виде рамки 2 и закрепленных в ней двух блоков 3 из вольфрама с регулируемым расстоянием между их поверхностями, ограничивающими пространство щели с регулируемым размером d_i в диапазоне, например, от 0,1 до 1,0 мм.

На основании 1 закреплены направляющие 4 платформы перемещения 5, которые расположены перпендикулярно поверхностям блоков 3, ограничивающих пространство щели щелевого коллиматора. На платформе перемещения 5 установлен электромагнит постоянного тока в виде магнитопровода 6 с обмоткой 7 и полюсными наконечниками 8, поверхности которых параллельны направляющим 4 и перпендикулярны входным поверхностям 9 блоков 3 щелевого коллиматора.

Конвертер 10 тормозного излучения в позитронное излучение, выполненный, например, из платиновой проволоки диаметром 0,1 мм, расположен перпендикулярно поверхностям полюсных наконечников 8 электромагнита и закреплен на них. Между полюсными наконечниками 8 закреплен детектор позитронов 11, выполненный, например, в виде сцинтилляционного детектора с пластмассовым сцинтиллятором.

В стартовом положении платформы перемещения 5 относительно основания 1 устройство ориентируют относительно мишени 12 ускорителя 13, например бетатрона, так, чтобы ось пучка тормозного излучения ускорителя находилась в середине щели между блоками 3 щелевого коллиматора и в середине проволочного конвертера. L₁ - расстояние между щелевым коллиматором 2 и конвертером 8. L₂ - расстояние между мишенью 11 ускорителя 12 и щелевым коллиматором 2.

В каждом импульсе работы ускорителя 12 пучок электронов падает на мишень 11. Выходящее из мишени 12 тормозное излучение создает на расстоянии от мишени, равном (L₁+L₂), в плоскости положения конвертера 3 поле тормозного излучения, возмущенное щелевым коллиматором 2. Кванты тормозного излучения взаимодействуют с конвертером 8 с образованием выходящих из конвертера 8 электронов, позитронов и вторичных квантов, причем поток позитронов создается только квантами с энергией, превышающей пороговую энергию образования электронно-позитронных пар, равную 1,02 МэВ. Через обмотку электромагнита 7 пропускают постоянный ток от источника постоянного тока и устанавливают его величину, соответствующую, например, максимальному выходному сигналу детектора позитронов 11. В магнитном поле между полюсными наконечниками 8 поток частиц анализируется и на детектор позитронов 11 попадают позитроны с энергией, задаваемой напряженностью магнитного поля (током в обмотке 7 электромагнита), положением детектора позитронов 10 и его размерами. Сигнал детектора позитронов 11 благодаря высокой эффективности регистрации позитронов и низкой эффективности регистрации квантов практически определяется падающими на конвертер 8 квантами тормозного излучения, имеющими энергию более 1,02 МэВ.

Путем перемещения электромагнита вместе с конвертером 10 и детектором позитронов 11 на платформе перемещения 5 вдоль направляющих 4 относительно стартового положения измеряют распределение сигналов детектора позитронов 11 в зависимости от координат положения конвертера 10 по направлению перемещения X, которое соответствует распределению квантов тормозного излучения с энергией, превышающей 1,02 МэВ, вдоль направления перемещения X.

Измеряют распределения D_i (i=1, 2, 3, …, n) сигналов детектора позитронов 11 в зависимости от координат положения конвертера 10 по направлению перемещения X при разных размерах d_i щели коллиматора, например, d_i=1=0,1 мм, d_i=2=0,2 мм, d_i=3=0,3 мм, …, d_i=6=1,0 мм.

Распределения сигналов детектора позитронов 11 в зависимости от координаты положения конвертера 10 по направлению X при размерах щели коллиматора в диапазоне от 0.1 до 1 мм показаны на фиг. 2.

Зависимость ширины распределений на полувысоте FWHM от размера щели d приведена на фиг. 3. Экстраполяция зависимости к нулевому размеру щели дает ширину на полувысоте нормального распределения квантов по поверхности мишени - эффективный размер фокусного пятна высокоэнергетической части тормозного излучения ускорителя (FWHM_γ).

При необходимости определения размера фокусного пятна в направлении, отличном от X, получают распределение сигнала детектора позитронов 10 при соответствующей ориентации устройства относительно мишени ускорителя.

Предлагаемое устройство дает возможность определять размер фокусного пятна с практически одинаковой достоверностью для всей высокоэнергетичной части спектра тормозного излучения благодаря возрастанию с энергией квантов вероятности рождения электронно-позитронных пар, что компенсирует уменьшение количества квантов с возрастанием их энергии в спектре тормозного излучения.