СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МНОГОКАДРОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ
METHOD OF GENERATING X-RAYS FOR MULTI-FRAME PULSE X-RAY

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно, к устройству мишенного узла ускорителя, предназначенного для преобразования энергии ускоренных электронов в энергию рентгеновского (тормозного плюс линейчатого) излучения в импульсных рентгенографических комплексах, обеспечивающих возможность многокадровой регистрации быстропротекающих процессов.
При проектировании мишенного узла ускорителей многокадровых рентгенографических комплексов, предназначенных для исследования быстропротекающих процессов, остро встает проблема мишенной плазмы, когда на одну и ту же мишень требуется сфокусировать несколько последовательных импульсов ускорителя.
Требования к разрешающей способности комплексов заставляют стремиться к уменьшению размеров источника рентгеновского излучения (поперечный размер области мишени, в которой генерируются кванты рентгеновского излучения, относительно направления максимального выхода излучения), используя пучки с миллиметровыми размерами на мишени, что приводит к увеличению плотности энергии, выделяемой в мишени, и переходу ее в плазменное состояние. Взаимодействие электронного пучка последующего импульса с плазмой приводит к ухудшению его фокусировки на мишени и ухудшению разрешающей способности комплекса. Вследствие этого до настоящего времени способ генерирования последовательности импульсов рентгеновского излучения в импульсных рентгенографических комплексах, обеспечивающих возможность многокадровой регистрации быстропротекающих процессов в течение временного интервала порядка десятков микросекунд, остается нерешенной проблемой.
Известен способ генерирования рентгеновского излучения в ускорителях прямого действия с использованием стержневого пинч-диода (Сорокин С.А. Источник жесткого рентгеновского излучения на основе низкоимпедансного стержневого пинч-диода. Журнал технической физики. 2016, том. 86, вып. 9, стр. 56-61). Стержневые пинч-диоды находят применение при создании точечных источников тормозного излучения для радиографических приложений, в частности, для получения серии коротких последовательных импульсов излучения. Стержневой пинч-диод состоит из стержневого анода, который проходит сквозь кольцевой катод по его оси. При протекании тока в таком диоде эмитированные с катода электроны достигают анода по касательной траектории и фокусируются на кончике анодного стержня, вследствие чего размер источника излучения существенно определяется формой (размером) кончика анодного стержня, размер которого обычно составляет порядка 1 мм, что и является основным преимуществом данного метода. Вместе с тем, как показали эксперименты увеличение плотности электронного тока на поверхность анода сопровождается взрывом материала анода и, как следствие, увеличением эффективного размера источника излучения. При высоком уровне мощности электронного пучка на поверхности электродов диода образуется плотная плазма материала электродов, которая расширяется в межэлектродный зазор и в конечном итоге закорачивает межэлектродный зазор, препятствуя образованию следующего импульса.
Таким образом, использование стержневого пинч-диода обладает существенными ограничениями при генерировании последовательности мощных рентгеновских импульсов вследствие фокусировки пучка ускоренных электронов на кончике анодного стержня и сравнительно низких значений (несколько МэВ) энергии ускоренных электронов, достижимых с помощью ускорителей прямого действия.
Известен способ генерирования рентгеновского излучения в мишени многоимпульсной радиографической установки на базе линейного ускорителя (Pincosy, P. A. and Back, N. and Bergstrom, P. M. and Chen, Yu-Jiuan and Poulsen, P., Multiple pulse electron beam converter design for high power radiography, Review of Scientific Instruments, 72, 2599-2604 (2001)), основанный на облучении так называемой распределенной мишени. В отличие от традиционной компактной плоской мишени распределенная в пространстве мишень может быть выполнена на основе многофольговой сборки, состоящей из набора равноудаленных друг от друга тонких фольг в цилиндрической оболочке, либо в виде полого цилиндра (лайнера), заполненного танталовой пеной, при этом массовая толщина распределенной мишени равна массовой толщине плоской мишени. Использование такой мишени не исключает образование мишенной плазмы, однако ограничивает ее движение в радиальном направлении и позволяет сгенерировать четыре последовательных импульса рентгеновского излучения в течение короткого времени, пока плазма заполняет ограничивающий цилиндр.
Данный подход работает только на длительности в несколько микросекунд с учетом скорости распространения плазмы в осевом направлении, и проблема конвертора для более длительного периода времени, по мнению авторов статьи, решается только динамической сменой мишени.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является способ генерирования рентгеновского излучения для многоимпульсной радиографии (п. США №6560314, МПК H01J 35/08, опубл. 2003 г.), заключающийся в том, что облучают распределенную мишень пучком ускоренных электронов, сфокусированных на торце мишени.
В распределенной мишени традиционный плоский конвертор заменяется набором фольг или пеной с той же массовой толщиной, но распределенных на длине, примерно в десять раз превышающей толщину традиционного конвертора и помещенных в трубку. Различие в величине удельной поглощенной энергии электронов пучка в традиционной и распределенной мишени незначительно, что не исключает образование мишенной плазмы и разлет материала распределенной мишени. В радиальном направлении разлет материала ограничивается лайнером-трубкой, причем толщина трубки выбирается так, чтобы она выдерживала давление разлетающегося материала. Длина трубки больше длины мишени, но не больше нескольких сантиметров, поэтому в течение нескольких микросекунд массовая толщина разлетающейся мишени сохраняется, что позволяет, в принципе, получить в течение этого времени последовательность импульсов рентгеновского излучения с близкими параметрами. Обоснование возможности реализации предложенного способа проводится, в основном, с использованием гидродинамических расчетов в сочетании с расчетами методом Монте-Карло. В экспериментах на ускорителе FXR (Flash X-Ray Induction Linear Accelerator) проводились измерения размера пучка в фокусе, влияющего на размер рентгеновского источника, на многофольговой распределенной мишени, при этом было показано, что в пределах погрешности измерений размер пучка в фокусе совпадает для традиционной и распределенной мишеней, последующий разлет мишени и выход рентгеновского излучения также моделировался с помощью численных расчетов. Основной недостаток данного способа заключается, как уже было сказано выше, в том, что он не может быть использован на временном интервале, превышающем несколько микросекунд с учетом скорости распространения плазмы в осевом направлении, и не решает проблему конвертора для многокадровой регистрации для больших времен.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, - получение последовательности идентичных импульсов рентгеновского излучения для временного интервала порядка десятков микросекунд.
Технический результат, полученный при использовании предлагаемого технического решения, - существенное уменьшение удельного энерговыделения (энерговыделение в единице массы материала) в материале мишени.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно заявляемому способу генерации рентгеновского излучения для многокадровой импульсной рентгенографии, по которому облучают мишень из материала с большим атомным номером пучком ускоренных электронов, особенность способа генерации заключается в том, что облучают равномерно распределенным пучком ускоренных электронов боковую поверхность стержневой мишени из тугоплавкого материала с длиной, значительно превышающей пробег ускоренных электронов в материале мишени.
Всей совокупностью перечисленных признаков достигается возможность существенного уменьшения удельного энерговыделения в материале мишени: взаимодействие электронов и генерация излучения происходят равномерно вдоль всей длины мишени, что позволяет равномерно вдоль длины мишени распределить энергию электронов, поглощенную в мишени, и значительно (обратно пропорционально длине мишени) уменьшить удельную поглощенную энергию в материале мишени, исключив тем самым образование мишенной плазмы и разрушение мишени. Что в свою очередь обеспечивает получение последовательности идентичных импульсов рентгеновского излучения для временного интервала порядка десятков микросекунд за счет сохранения целостности мишени.
Для получения импульсов рентгеновского излучения с преимущественным направлением вылета квантов вдоль оси мишени облучают боковую поверхность стержневой мишени распределенным пучком ускоренных электронов под малым углом к оси мишени.
При этом, в отличие от прототипа в предлагаемом способе существует ограничение не на длительность сеанса многокадровой съемки, а на количество импульсов в одном сеансе в том случае, если суммарная величина удельной поглощенной энергии ускоренных электронов в мишени приведет к плавлению мишени и последующему разрушению за счет снижения динамической прочности. Оценка для, например, танталовой мишени диаметром 1 мм и длиной 60 мм для тех же параметров пучка, что и в прототипе, дает предельное количество импульсов в серии примерно 4-7 импульсов в зависимости от угла падения электронов на мишень.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема реализации предложенного способа.
На фиг. 2 представлено полученное в расчетах угловое распределение квантов, вылетающих вперед из Та стержневой мишени диаметром 1 мм и длиной 60 мм и из мишени-диска толщиной 1 мм.
На фиг. 3 представлены расчетные спектры квантов, вылетающих вперед из Та мишени в виде диска толщиной 1 мм и из стержневой мишени диаметром 1 мм и длиной 60 мм.
Согласно предлагаемому способу облучают равномерно боковую поверхность стержневой мишени 1 распределенным пучком ускоренных электронов (фиг. 1). Мишень выполнена из тугоплавкого материала с большим атомным номером длиной, значительно превышающей пробег ускоренных электронов в материале мишени. При этом боковую поверхность мишени облучают распределенным пучком ускоренных электронов под малым углом 0 к оси 2 мишени 1.
Для обоснования возможности реализации предложенного способа были проведены расчеты взаимодействия распределенного пучка ускоренных электронов со стержневой мишенью методом Монте-Карло. Взаимодействие ускоренных электронов с мишенью в расчетах моделировалось с использованием параметров пучка электронов, близких к параметрам пучка ускорителя, описанного в прототипе (ускоритель DARHT-2), энергия ускоренных электронов 20 МэВ, ток пучка 2 кА, длительность импульса 30 нс. Пучок электронов равномерно облучал боковую поверхность стержневой мишени из Та диаметром 1 мм под углом 1° и 5° к оси стержня. Проведен расчет пространственного распределения удельной поглощенной энергии ускоренных электронов в танталовой мишени-стержне диаметром 1 мм, а также спектрального и углового распределения тормозного излучения, генерируемого в мишени пучком электронов. Для сравнения аналогичные расчеты были проведены для плоской танталовой мишени толщиной 1 мм с диаметром пучка сфокусированных на мишень электронов 1 мм.
Сравнительный анализ интегральных характеристик мишени-диска (плоской мишени) и мишени-стержня показывает, что полный выход квантов вперед из мишени-диска почти в 2 раза превышает выход квантов вперед из мишени-стержня. Но, как показывают результаты расчета радиального распределения квантов, вылетающих вперед из мишени-диска, при диаметре пучка электронов 1 мм примерно половина от общего количества вылетающих вперед квантов, то есть столько же, сколько вылетает вперед из стержневой мишени, выходит из приосевой области плоской мишени с диаметром 2 мм. Таким образом, увеличение полного выхода квантов из плоской мишени обусловлено генерацией тормозных квантов рассеянными электронами пучка за пределами приосевой области мишени, равной диаметру пучка, что приводит к увеличению размера пятна источника излучения в плоской мишени и ухудшению пространственного разрешения границ теневого изображения объекта.
Другими словами, размер источника тормозного излучения в плоской мишени с сопоставимым выходом квантов из стержневой мишени в два раза превышает размер пучка электронов, в то время как размер источника для мишени-стержня, видимый под сравнительно небольшими углами в направлении оси, определяется диаметром стержня, что хотя и накладывает более жесткие требования на юстировку мишени-стержня (ось мишени-стержня должна проходить через центр исследуемого объекта), однако позволяет строго фиксировать как размер пятна источника, так и его положение.
Длина стержневой мишени определяется из условия, что величина удельной поглощенной энергии электронов пучка в мишени-стержне, обратно пропорциональная длине мишени, исключает разрушение мишени за счет динамических напряжений, возникающих при быстром нагреве мишени. Откольная прочность Та имеет величину 7-10 ГПа. На основании проведенных расчетов пространственного распределения удельной поглощенной энергии электронов в мишени можно утверждать, что стержневая мишень длиной 60 мм и диаметром 1 мм не будет разрушена при данных параметрах распределенного источника ускоренных электронов, поскольку величина давления в приповерхностном слое толщиной 0,1 мм (область максимального энерговыделения) лежит в диапазоне 5-8 ГПа для углов падения электронов 1°-5°.
Теплота испарения с учетом нагрева и плавления Та составляет 5,3 кДж/г.В плоской мишени величина удельного энерговыделения электронов превышает теплоту испарения в сечении пучка почти на всю глубину мишени. Расслоение плоской мишени в виде набора фольг, разделенных зазорами, или использование вспененного материала не изменяют величины поглощенной энергии в единице массы материала мишени и не исключают образование мишенной плазмы.
Максимальное значение удельной поглощенной энергии электронов в плоской мишени 12 кДж/г. В мишени стержневого типа поглощенная энергия электронов равномерно распределена по длине, а ее величина обратно пропорционально длине мишени. Максимальное значение удельной поглощенной энергии электронов в мишени-стержне диаметром 1 мм и длиной 60 мм находится на поверхности (в остальном объеме мишени энерговыделение уменьшается примерно вдвое) и для угла падения электронов 5° имеет величину 0,35 кДж/г (для угла 1° еще меньше - 0,26 кДж/г), т.е., в 34 раза меньшую, чем в плоской мишени и почти в 15 раз меньше теплоты испарения, что исключает, если учитывать только один фактор, образование мишенной плазмы в серии из 15 последовательных импульсов. В действительности, как отмечалось выше, предельное количество импульсов в серии следует уменьшить примерно вдвое, если учесть разрушение мишени за счет снижения динамической прочности в результате плавления.
На основании полученных расчетных данных построены графики углового распределения квантов, вылетающих вперед из Та стержневой мишени диаметром 1 мм и длиной 60 мм и из мишени-диска толщиной 1 мм (фиг. 2): кривая 1 - стержневая мишень, угол падения электронов 1°; кривая 2 стержневая мишень, угол падения электронов 5°; кривая 3 - мишень-диск, выход из приосевой области диаметром 1 мм, диаметр пучка 1 мм.
Анализ полученных в расчетах угловых распределений показывает, что выход квантов вперед в направлении оси мишени-стержня слабо зависит от длины мишени. Для стержневой мишени зависимость выхода из мишени от угла падения электронов для квантов, вылетающих вперед под малыми углами <5° к оси мишени, заметно выражена, причем наибольший выход вперед имеет место для угла 1° (на 16% меньше выхода из приосевой области плоской мишени), для 5° (на 36% меньше). По-видимому, угол падения электронов на мишень-стержень больше 5° использовать нежелательно.
Также построены графики расчетных спектров квантов, вылетающих вперед из Та мишени в виде диска толщиной 1 мм и из стержневой мишени диаметром 1 мм и длиной 60 мм (фиг. 3): кривая 1 - мишень-диск; кривая 2 - стержневая мишень.
Анализ результатов расчета показывает, что спектры квантов, выходящих вперед из стержневой мишени, не зависят от длины мишени и угла падения электронов и практически совпадают со спектром квантов мишени-диска.
Несущественное различие в характеристиках тормозного излучения этих двух типов мишеней, при обеспечении одинакового пространственного разрешения, в сочетании с результатами расчетов, подтверждающих возможность сохранения стержневой мишени в серии последовательных импульсов позволяет, в принципе, использовать мишень стержневого типа в линейном ускорителе, предназначенном для получения многокадровых теневых изображений.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании способа по заявляемому изобретению следующей совокупности условий:
- процесс, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в ускорительной технике, в частности, в импульсных рентгенографических комплексах, обеспечивающих возможность многокадровой съемки быстропротекающих процессов;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».