Монохроматизация пучков рентгеновского излучения электронных ускорителей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

V 2, где К = еВЛ0/(2ятс).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В заключении излагаются основные результаты диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

Выводы по главе:

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

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

Заключение

.

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

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

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

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

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

Результаты диссертации опубликованы в работах [112−116].

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