Рентгеновский гамма- пучок на протонном ускорителе

Абазалиева М.А., Бавижев М.Д. Гошоков Р.М., Скубарев В.В. (skubarev1@mail.ru)

Карачаево - Черкесская государственная технологическая академия

Новый тип рентгеновского излучения релятивистских заряженных частиц в ориентированном кристалле, был предсказан в работе [1].

Данный вид излучения - параметрическое рентгеновское излучение Вавилова- Черенкова (ПРИ) возникает при одновременном выполнении двух

условий: условия черенковского изучения (П=с=1у)

1-vncos 0у =0(1)

и условия возникновения брэговской дифракции

Соотношение (2) приводит к тому, что даже в жестком рентгеновском диапазоне частот показатель преломления n становится больше единицы (V-скорость частицы, 0у -угол испускания фотона с импульсом k и частотой СО, Т- вектор обратной решетки кристалла). Фотоны ПРИ испускаются вдоль направления движения частицы 0у=0о (центральный рефлекс) и в направление 0у =20о (боковой рефлекс -рис.1).

Частота излучения определяется типом и ориентацией кристалла относительно скорости заряда

сов = лсп/dsin 0о ,(3)

где П=1,2,3,...-порядок дифракции , d-межплоскостное расстояние,

00-угол между импульсом частицы и кристаллографической плоскостью.

Рис.1. Геометрия углового распределения рентгеновских фотонов в боковом

дифракционном рефлексе ПРИ.

Теоретические и экспериментальные исследования данного явления для случая электронов различной энергии проведены в работах [2-6]. Свойства параметрического излучения не зависят от знака заряда и массы частицы, это обстоятельство определило интерес к исследованию ПРИ протонов. Кроме того, для ряда практических задач, в частности для создания специализированных источников рентгеновского излучения применение протонных пучков представляется более предпочтительным. Так в работе [7] обсуждалась возможность практического использования ПРИ протонов на синхрофазотроне У- 70 Института физики высоких энергий (ИФВЭ), в том числе и для организации гамма- пучка. Для этого предлагается использовать ориентированный относительно циркулирующего пучка монокристалл кремния. Расчетные спектрально- угловые характеристики ПРИ протонов с энергией 70 ГэВ, указывают на его преимущества перед ПРИ электронов в плане фоновых условий канала и возможности использования более протяженных кристаллов. Последнее обстоятельство представляется особенно важным так как интенсивность формируемого рентгеновского пучка зависит от длины кристаллического дефлектора.

Первое успешное экспериментальное исследование ПРИ протонов с энергией 5 ГэВ было реализовано на нуклотроне Объединенного института ядерных исследований [8]. Зарегистрированные в спектрах линии [8], положение которых согласуется с расчетными для исследованных кристаллов при разной ориентации их на пучке, однозначно свидетельствуют о наблюдении авторами ПРИ умеренно релятивистских протонов. Результаты эксперимента подтверждают выводы теории о не зависимости спектральных характеристик излучения от знака заряда и массы частиц и открывают широкие перспективы практического применения ПРИ заряженных частиц.

На рис. 2 представлена одна из возможных схем организации гамма-пучка на протонном ускорителе. Рассмотрим в качестве примера вариант организации рентгеновского канала на ускорителе ИФВЭ (ЕР =70ГэВ).

Рис. 2 Схема организации гамма-пучка.

Мишень из кристалла кремния длинной до 10 см может размещяться в периферийной части циркулирующего пучка, внутри вакуумной камеры ускорителя. Тогда, по данным работы [7], полный выход фотонов в боковой (2 2 0) рефлекс кристалла в асимметричной геометрии облучения составит 3,8 10-4 ф/р. Даже, если наводить на кристалл- дефлектора лишь галло- пучок, состоящий из 1% частиц циркулирующего пучка (около 1010 частиц), интенсивность получаемого гамма- излучения составит 10 фотонов за цикл ускорителя, а с учетом многократного прохождения частиц через кристалл-1010- 1011 ф/с. Данная схема выгодно отличается от других схем значительно большим углом между направлением первичного пучка протонов и направлением генерируемого гамма -пучка. Кроме того данный гамма-пучок обладает хорошей направленностью и монохроматичностью.

Учитывая малое поглощение фотонов в асимметричной геометрии по сравнению с геометрией Лауэ, возможно использование более протяженных кристаллов, сравнимых с ядерной длиной Ья вещества дефлектора (для кремния Ья= 30 см.). При незначительном поглощении фотонов темп роста спектральной, угловой и спектрально- угловой плотности ПРИ существенен пока среднеквадратичный угол многократного рассеяния протонов сравним с расходимостью генерируемого гамма- пучка, дальнейшее увеличение длины кристалла приводит к эффективному увеличению ширины углового и спектрального распределений и, как следствие, к насыщению роста этих характеристик излучения.

Дальнейшее улучшение спектральных и угловых характеристик генерируемого гамма-пучка может быть достигнуто путем фокусировки излучения за счет изгиба кристалла. Такая геометрия позволит в несколько раз увеличить спектральную плотность гамма- пучка в «фокусе» кристалла-дефлектора.

Математическое моделирование ПРИ протонов в изогнутом кристалле было осуществлено с помощью доработанной модели, применявшейся ранее в работе [9].