Генерация параметрического рентгеновского излучения заряженными частицами Гоголев Алексей Сергеевич «Томский политехнический университет» sin B gv 2 c d 1 0 cos 1 0 n* v / c Кинематическая теория ПРИ Эксперимент Моделирование процесса генерации ПРИ умеренно релятивистскими частицами c d2N dL d ( )1 2 R (EPXR ( ) ECBS ( )) d L z v / c 2 g 2 e2 3 0 g n* , n* , (k * g)2 k *2 2 03 / 2 c 4 (1 0 n* v / c) g 2 me z 2 ( Z F (g)) v n* g 1 2 g . 0 * c gv c g F (g)(1 0 n v / c) m 0 Кинематическая группировка рефлексов On-line монитор качества кристаллического дефлектора g (110) g (004) Dechanneling beam Beam n0 h R a Focus «Томский политехнический университет» b 1 n n Ch an bea nelin m g Цель: исследование свойств ПРИ, генерируемое умеренно релятивистскими частицами в кристаллах, и возможности его применения при создании дефлекторов ускоренных пучков на основе изогнутых монокристаллов. усовершенствование модели ПРИ от умеренно релятивистских частиц и создание кода для расчёта характеристик ПРИ с учётом реальных условий эксперимента; проведение экспериментов и проверка адекватности разработанной модели при сравнении результатов моделирования с экспериментальными данными; обоснование создания источника ПРИ на основе эффекта кинематической группировки с возможностью изменения энергии линии ПРИ в широких пределах [2;130]сравнениемв первую очередь, за ] кэВ обоснование возможности использования ПРИ для контроля и мониторирования качества изогнутых монокристаллических дефлекторов. «Томский политехнический университет» Кинематическая теория ПРИ Энергия квантов ПРИ: sin B gv 2 c d 1 0 cos 1 0 n* v / c Угловая плотность квантов излучения на единицу длины с учётом интерференции с когерентным тормозным излучением: c 0 ( ) 1 d2N 2 R ( E ( ) E ( )) d PXR CBS dL d L z v / c 2 g 2 e 2 3 0 n* , n* , g (k * g ) 2 k *2 2 03 / 2 c 4 (1 0 n* v / c) g 2 2 * me z ( Z F (g)) vn g 1 g . 0 2 * m c gv c g F (g)(1 0 n v / c) ПРИ от электронов с энергией 1,5 МэВ в кристалле Si B 20o «Томский политехнический университет» Моделирование процесса генерации ПРИ умеренно релятивистскими частицами Основа – кинематическая теория ПРИ Реализация – метод Монте-Карло Возможности: учёт влияния на характеристики излучения таких факторов, как размеры пучка, расходимость, мозаичность, многократное рассеяние и конечная апертура детектора. Потери энергии учитываются в приближении непрерывного замедления. Поглощение рентгеновского излучения в мишени рассматривается в рамках классической теории дисперсии. p( ) d f M ( ) d f 0 ( ) B 1 f (1) ( ) B 2 f (2) ( ) ... d моделирование траекторий электронов в кремние, параметры пучка: энергия 5,6 МэВ; поперечные размеры 0,1 мм; расходимость 5 мрад. «Томский политехнический университет» Эксперимент Эксперименты проводились на выведенных из Нуклотрона ЛВЭ ОИЯИ (г. Дубна) пучках протонов и полностью ионизированных ядер углерода с энергией 5 ГэВ и 2,2 ГэВ/нуклон, соответственно, с целью обнаружения и исследования ПРИ. B = 22,5˚ p: 5 ГэВ B = 20˚ p: 5 ГэВ Схема эксперимента. S – ионизационный монитор пучка, В – угол ориентации кристалла, D, y – углы детектирования «Томский политехнический университет» Результаты экспериментов и расчёта для протонов Угловая плотность ПРИ: n r N /( N p d ) где N – число фотонов под пиком , Np – полное число протонов, прошедшие через кристалл, и dΩ – телесный угол детектора. Угловая плотность ПРИ на выходе из кристалла равна: n n r /( K r Pd ) где Kr – коэффициент определяющий поглощение излучения на пути мишеньдетектор (воздух 48 см, окно детектора – бериллий 25 мкм), Pd – эффективность детектора. «Томский политехнический университет» Результаты экспериментов и расчёта для ядер углерода Измеренные спектры излучения от ядер углерода с энергией 2,2 ГэВ/нуклон, взаимодействующие с кремниевым кристаллом (001) для углов падения B = 20˚ (а), 22,5˚ (б) и 25˚ (в) коллиматор: 1) свинцовый кирпич 150×100×50 мм; 2) кадмиевая втулка толщиной 12 мм; 3) набор диафрагм из Al, Cd и Cu; 4) дюралевая трубка-вставка толщиной 1, 2 или 3 мм и диаметром 12 мм. «Томский политехнический университет» Абсолютизация экспериментальных данных по характеристическому излучению изотропность ХРИ не накладывает ограничений на размещение регистрирующей аппаратуры; монохроматичность ХРИ обеспечивает необходимую точность, поскольку ХРИ легко «выделяется» на непрерывном фоне; в приложении к задаче по изучению ПРИ, ХРИ будет регистрироваться одновременно с исследуемым излучением, что позволит сэкономить время и средства. Cu протоны с энергией 4,88 ГэВ «Томский политехнический университет» Результаты экспериментов по ХРИ от протонов и ядер углерода . ф/(pср) ф/(pср) ф/(pср) ф/(pср) ХРИ Cu от протонов с энергией 5 ГэВ ХРИ Cu от ядер углерода с энергией 2,2 ГэВ «Томский политехнический университет» Калибровочные измерения ХРИ показали расхождение с теоретическими результатами на 70 % и 20 % для протонов и ядер углерода, соответственно. Аналогичная разница наблюдается и для выхода ПРИ. Опираясь на результаты экспериментальных и теоретических работ по изучению флюоресценции с Куровней [49, 51, 55] можно выдвинуть гипотезу о том, что теоретические оценки выхода ХРИ являются достаточно точными, и полученная большая ошибка обусловлена только за счет фоновой перегрузки детектора. Таким образом, следуя данной гипотезе, истинные величины угловой плотности ПРИ составят величины: Интенсивность ПРИ на одну частицу наблюдаемая от ядер углерода примерно в 25 раз выше, чем от протонов, что согласуется с законом Z^2. Наблюдение параметрического излучения от ядер на пучках Нуклотрона открывает возможности использования его для диагностики пучков ядер на имеющихся и строящихся ускорителях. «Томский политехнический университет» Кинематическая группировка рефлексов Необходимое условие g1v ≈ g2v Расчётный спектр ПРИ ядер углерода с энергией 2,2 ГэВ/нуклон от кристалла кремния (001), во всех случаях спектр свёрнут с аппаратурной линией – функция Гаусса с полушириной 320 эВ. Угол Брэгга B = 20o, угол наблюдения = 44o Спектры ПРИ от электронов с энергией 5,6 на выходе из кристалла W (111) толщиной 100 мкм «Томский политехнический университет» Глобальная кинематическая группировка (global plane effect) Угловое распределение ПРИ = 3: а) кремний (111) 100 мкм; б) вольфрам (111) 100 мкм. Кристалл перпендикулярен пучку (большая грань кристалла параллельна кристаллографическим плоскостям (111)) Расчётные спектры ПРИ в геометрии глобальной кинематической группировки, = 3, толщина мишеней 100 мкм «Томский политехнический университет» Обнаружение ПРИ в кристалле вольфрама от умеренно релятивистских ядер <111> 45 4 Pb Схема эксперимента: 1-детектор; 2-магниты; 3-мишень; 4-ионизационная камера С6 3 2 1 Спектры ПРИ, полученные в эксперименте и расчетные, вольфрам (111). Расчётная полуширина линии на энергии 13,17 кэВ составила величину 1,0 кэВ. «Томский политехнический университет» Спектры ПРИ, полученные в эксперименте и расчетные, вольфрам (110). Расчётная полуширина линии на энергии 16,0 кэВ 1,2 кэВ. В предложенной геометрии, когда пучок направлен вдоль кристаллографических осей типа <111> или <110>, условие (4.1) выполняется для всех разрешённых рефлексов ПРИ. В итоге, на выходе получаем значительное увеличение интенсивности линии ПРИ. Согласно расчёту увеличение выхода в выбранном направлении (рис. 4.12) составило ~ 800% и 600% относительно самого сильного рефлекса типа (11-1) для кристалла W(111) и (02-2) в случае с W(110), соответственно. «Томский политехнический университет» Источник монохроматического рентгеновского излучения с регулируемой длинной волны Интенсивность линии ПРИ от мишеней из Si и W толщиной 100 μm для случаев Брэгга, Лауэ и геометрии глобальной кинематической группировки, индексы В, L и N, соответственно. Энергия электронов 5,6 МэВ Если интенсивность линии ПРИ составляет величину > 10-5 ф/e-/ср, то при среднем токе пучка 100 мкА и телесном угле коллиматора 10-4 ср интенсивность источника будет > 6,25·105 ф/с. «Томский политехнический университет» Результаты моделирования формы линии ПРИ Расчётный спектр ПРИ от электронов с энергией 5,6 МэВ в кристалле вольфрама (111) толщиной 100 мкм при угле наблюдения = 45о (объемом выборки 103). Параметры пучка: размер 1 мм; расходимость 5 мрад. Апертура детектора 1 см2, расстояние между кристаллом и детектором 1 м. Сплошная линия – самый сильный рефлекс, штрихованная линия с учётом эффекта глобальной кинематической группировки. «Томский политехнический университет» Сравнение характеристик источников рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки и компактного электронного ускорителя Нормированные спектры ПРИ (сплошные линии), возбуждаемое электронами с энергией 5,6 МэВ в кристалле вольфрама, и ТИ (штрихованная линия) из вольфрама от электронов с энергией 100 кэВ. В расчёте предполагалось, что разрешение детектора 300 эВ и апертура 10-6 ср Y BR 2,37 106 17,7 PXR 5 Ymax 1,34 10 «Томский политехнический университет» On-line монитор качества кристаллического дефлектора g (110) g (004) Dechanneling beam Beam n0 h R 1 n n Ch an bea nelin m g a Focus b Слева – схема on-line монитора, где R – радиус изгиба дефлектора, h – расстояние между центром дефлектора и плоскостью детектора. Справа – расчётные зависимости интенсивности и полуширины линии ПРИ от радиуса изгиба вольфрамового дефлектора при доли отклонённых частиц 50% и h = 40 см, сплошная кривая и штрихованная, соответственно. «Томский политехнический университет» «Томский политехнический университет» ионизационные потери и температурное поле в вольфраме На рис. представлены результаты моделирования распределения ионизационных потерь и температурного поля в вольфраме за проход одного банча протонов с энергией 50 ГэВ и интенсивностью 3,3·1012. 3,3·1012 – один процент от банча в J-PARC. Моделирование проводилось в пакете программ Geant 4. Согласно оценкам, кристалл вольфрама с размерами 4×1×0.1 мм будет нагревается до 57 оС при мгновенном прохождении пучка протонов интенсивностью 3,3·1012 частиц. В начальном состоянии дефлектор находится при температуре 20 оС. Принимая во внимание, что температура Дебая вольфрама 127 оС, можно надеяться на сохранность кристаллической структуры дефлектора при длительном воздействии пучка J-PARC. «Томский политехнический университет» Результаты Разработана численная модель генерации параметрического рентгеновского излучения (ПРИ) умеренно релятивистскими частицами в кинематическом приближении с учётом многократного рассеяния, конечных размеров пучка и апертуры детектора, расходимости пучка, потерь энергии на ионизацию, мозаичности, интерференцией ПРИ с когерентным тормозным излучением и поглощения излучения в кристалле-мишени. Проведены эксперименты по обнаружению ПРИ от умеренно релятивистских ядер, в которых впервые наблюдалось ПРИ от ядер в кристаллах кремния и вольфрама. Результаты экспериментов показали хорошее согласие с расчётом. Исследованы спектральные характеристики ПРИ от умеренно релятивистских заряженных частиц. Показана возможность глобальной кинематической группировки рефлексов ПРИ для кристаллов с кубической элементарной ячейкой. «Томский политехнический университет» Впервые проведён эксперимент по наблюдению эффекта глобальной кинематической группировки ПРИ, который позволил наблюдать впервые ПРИ от ядер в кристаллах вольфрама. Исследованы возможности использования ПРИ от умеренно релятивистских частиц для создания монохроматического рентгеновского излучения с регулируемой длиной волны. Оценены интенсивность источника на основе малогабаритного ускорителя с энергией электронов 5,6 МэВ и ширина спектральной линии, порядка 10-5 ф/е-/ср и 1 кэВ, соответственно. Проведён сравнительный анализ подобного источника со стандартной рентгеновской трубкой, который показал ряд преимуществ такого источника перед рентгеновской трубкой: во-первых, монохроматичность и возможность плавно изменять энергию излучения позволит увеличить разрешение исследуемого объекта; во-вторых, дозовая нагрузка на объект уменьшается на порядок; в-третьих, интенсивность излучения такого же порядка что и у рентгеновской трубки при значительно сниженных энергозатратах. Предложена методика on-line мониторинга качества кристаллических дефлекторов на основе параметрического рентгеновского излучения. Результаты моделирования демонстрируют следующие возможности методики: во-первых, мониторинг состояния кристаллической структуры дефлектора (по наличию линии ПРИ); во-вторых, определение радиуса изгиба кристалла (по ширине линии ПРИ); в-третьих, оценка доли отклонённых частиц (по интенсивности линии ПРИ); в-четвёртых, оценка радиационного нагрева дефлектора (по отношению интенсивности различных рефлексов). «Томский политехнический университет»