источники гамма-излучения с широкоугольным полем облучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УДК 539.17

ИСТОЧНИКИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ШИРОКОУГОЛЬНЫМ

ПОЛЕМ ОБЛУЧЕНИЯ

В. К. Гришин, Б. С. Ишханов, С. П. Лихачев, В. И. Шведу нов

Сниияф)

E-mail: grishin@depni.npi.msu.su

Рассматриваются системы, обеспечивающие создание однородного фотонного поля для облучения объектов больших угловых размеров. Показано, что подобные системы могут быть созданы на базе тормозного излучения пучка электронов с определенным угловом распределением.

Введение

Создание источников, обеспечивающих равномерное поле 7-излучения, является насущной потребностью для многих приложений в промышленности, медицине и т.п. Одно из актуальных приложений, рассматриваемое далее в качестве примера, — использование широких равномерных полей жесткого 7-излучения для быстрого бесконтактного контроля грузовых и морских контейнеров на таможенных терминалах [1]. В работе рассматривается возможность создания компактного высокоинтенсивного источника 7-излучения, обеспечивающего получение широкоугольного однородного поля с использованием тормозного излучения электронов с энергией Е ^ 10 МэВ.

На рис. 1 представлено схематическое изображение прототипа подобной установки, предназначенной для радиационного контроля с полем облучения 3 х 0.2 м2; там же представлен вид коллиматора со стороны детектора. Входное окно коллиматора имеет размеры 6x6 мм2, а выходное — такие, что обеспечивают выход излучения в угол ±1.5° и ±20° по осям X и У соответственно. Расстояние между

мишенью-радиатором и детектором 4 м. Начальная энергия электронов выбрана равной 7 МэВ.

Традиционный способ генерации тормозного 7-излучения заключается в облучении пучком ускоренных электронов мишени определенной толщины из вещества тяжелых металлов (Ш, и т. п.). Излучение фотонов в случае тонкой мишени происходит преимущественно в конус с раствором §ет и 1 , где 7е — релятивистский фактор электрона. Хотя в реальных источниках излучение фотонов происходит в больший угол, поскольку при прохождении через мишень электроны дополнительно рассеиваются, применение традиционной схемы возможно лишь при увеличении расстояния между источником и объектом до величины около 20 м [1]. Это приводит к существенному увеличению размеров установки и резкому снижению интенсивности 7-излучения на облучаемом объекте.

Отметим, что наиболее употребительные в настоящее время способы управления пространственным распределением тормозного 7-излучения [2] — сканирование узким пучком электронов мишени-радиатора и применение фильтров, выравнивающих

Коллиматор

Y

е

Мишень-^-Т радиатор

I liu in III гель

Коллиматор

4 м

-N—

yi

k

х

н

о ■в

Выходное окно

8

\ Входное окно

i

Вид коллиматора со стороны детектора

Рис. 1. Схематическое изображение геометрии установки

поле 7-излучения, — не позволяют решить поставленную задачу полностью. При реализации первого из упомянутых способов возникают значительные технические трудности при анализе движущихся объектов (например, морских и ж/д контейнеров на таможенных терминалах) и интерпретации результатов измерений.

Использование выравнивающих фильтров, с помощью которых «срезается» интенсивность излучения в приосевой области конуса излучения и повышается доля излучения при больших углах, также не приводит к удовлетворительному результату, поскольку процесс перераспределения 7-квантов сопровождается их сильным поглощением (см. далее).

Возможность создания источника жесткого излучения с равномерным полем излучения в большом диапазоне углов (9 ^ 20°) была показана путем использования для генерации 7-квантов пучков электронов с определенным угловым распределением.

Результаты исследования

Исследование проводилось методом компьютерного моделирования с помощью программного кода, созданного на основе библиотеки GEANT [3].

Координата, см

Рис. 2. Числа фотонов (а) и средние энергии фотонов 0.1 мм. Кривые X и У соответствуют данным, взятым е геометрический центр детектора. Е = 7 МэВ. 1<

Для анализа пространственного и энергетического распределения фотонов, падающих на поверхность детектора, данные представлялись в следующем виде. Детектор был разделен на площадки размером 10 х 10 см, в каждой из которых считались полное число падающих фотонов и их средняя энергия. Во всех расчетах количество упавших на мишень электронов составляло N = 106.

С целью исследования влияния коллиматора на формирование поля облучения при использовании остронаправленного потока фотонов была выбрана «тонкая» для энергии электронов 7 МэВ мишень толщиной 0.1 мм, соответствующая примерно 0.04 длины пробега электронов в вольфраме.

На рис. 2 приведены пространственное и энергетическое распределения фотонов на поверхности детектора вдоль линий, проходящих через геометрический центр детектора горизонтально и вертикально (соответственно вдоль осей X и ¥, см. рис. 1). Из рис. 2 видно, что интенсивность излучения монотонно спадает, уменьшаясь в два раза уже под углом примерно ±10°, что соответствует расстоянию ±40 см от центра детектора в координатах рис. 2.

Для анализа возможности выравнивания распределения потока 7-квантов с помощью специальных

Координата, см

для случая вольфрамовой мишени-радиатора толщиной > горизонтальной и вертикальной осей, проходящих через тество упавших на мишень электронов N = 10е

Координата, см Координата, см

Рис. 3. Числа фотонов (а) и средние энергии фотонов (б) для случая вольфрамовой мишени-радиатора толщиной 2.5 мм. Кривые X и У соответствуют данным, взятым вдоль горизонтальной и вертикальной осей, проходящих через геометрический центр детектора. Е = 7 МэВ. Количество упавших на мишень электронов N = 10е

фильтров была выполнена серия расчетов с использованием «толстых» радиаторов. Так, на рис. 3 представлены кривые, аналогичные рис. 2, для толщины мишени-радиатора 2.5 мм, равной длине пробега электронов с энергией 7 МэВ. Из рис. 3 видно, что область, в которой интенсивность 7-фотонов уменьшается в два раза, расширяется и достигает примерно ±80 см (в координатах рисунка) по поверхности детектора, что соответствует угловому раствору ±10°. Однако при этом интенсивность излучения существенно (в несколько раз) падает. Средняя энергия фотонов возрастает примерно в 1.5 раза.

Анализ полей излучения в источниках с использованием радиаторов различных толщин, форм и материалов показал, что наиболее эффективным методом получения пространственного распределения фотонов с заданными характеристиками является метод, когда заранее (перед столкновением с мишенью-радиатором) формируется определенное угловое распределение электронного пучка вдоль оси У. Избегая потери заметной доли излучения, эту задачу

можно решить путем применения системы магнитных линз.

При моделировании этого случая электронный пучок с диаметром 1 см развертывался вдоль оси У, так что падающие на мишень электроны оказывались равномерно распределенными в интервале углов ±30° вдоль оси У. На рис. 4 приведены данные для вольфрамового радиатора толщиной 0.5 мм. Как следует из рис. 4, формируя пространственное распределение электронного пучка и используя коллиматор, вырезающий нужную часть пространственного распределения фотонов, можно получить однородное широкоугольное (в пределах ±20°) поле жесткого излучения и постоянную (в пределах ±10%) энергию фотонов во всей заданной области облучения.

Было проведено исследование зависимости числа фотонов и средней энергии излучения для равномерного распределения электронов в угол ±30° для различных толщин мишени-радиатора (рис. 5). Видно, что, варьируя толщину мишени, можно получить источник с однородным полем облучения в заданной геометрической области и с «регулируемой»

—о— у

- - А' /*-а\ 2.7 МэВ

-У Е-Ау = 2.8 МэВ

0:. _ ^ ¿у - --• - у ^

-50 0 50

Координата, см

-50 0 50

Координата, см

Рис. 4. Числа фотонов (а) и средние энергии фотонов (б) для случая вольфрамовой мишени-радиатора толщиной 0.5 мм. Падающие на мишень электроны распределены в интервале углов ±30° вдоль оси ¥. Е = 7 МэВ. Количество

упавших на мишень электронов N = 10е

14000

■Ё 12000

н о

§ 10000

о

8000 Н

о

и к ¡г

6000

4000

0,00

0,05

0,10

0,15 0,20

^, СМ

0,25

0,30

О

•е-

к я

я

ч

сх

и

0,15 0,20

К, см

0,25

Рис. 5. Зависимость числа фотонов (а) и средней энергии фотонов (б) от толщины вольфрамовой мишени-радиатора. Падающие на мишень электроны распределены в интервале углов ±30° вдоль оси У. Е = 7 МэВ. Количество

упавших на мишень электронов N = 10е

энергией излучения. Это открывает дополнительные возможности для анализа структуры облучаемого изделия.

Заключение

Показана возможность создания компактного высокоинтенсивного источника, формирующего однородное широкоугольное поле излучения с пространственными и энергетическими характеристиками, требуемыми для облучения движущихся объектов.

Литература

1. Dönges G., Geus G., Henkel R. et al. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1992. B68. P. 68.

2. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. М„ 1979.

3. Brun R., Bruyant F., Maire M. et al. GEANT3.21 (User's Guide). Geneva, CERN, 1993.

Поступила в редакцию 18.09.03