Разработка и применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка

Введение …………………………………………………………………………………………………………… 5

Глава 1. Методы регистрации энергетического распределения ионизирующего
излучения в попречном сечении пучков …………………………………………………………… 15

1.1 Люминесцентные детекторы ………………………………………………………………… 15

1.2 Сканирующие детекторы ……………………………………………………………………… 18

1.3 Оптические методы детектирования пучков ионизирующего излучения .. 22

1.4 Методы регистрации энергетического распределения излучения в
поперечном сечении пучков относительно больших размеров …………………………. 25

1.5 Применение методов реконструкции для определения параметров пучков
заряженных частиц ………………………………………………………………………………………….. 26

Глава 2. Исследование возможности регистрации энергетического распределения
излучения в поперечном сечении пучка методом многоуглового сканирования .. 28

2.1. Концепция метода многоуглового сканирования для регистрации
энергетического распределения излучения в поперечном сечении пучка………….. 28

2.2. Математическая реконструкция и определение критерия оценки
реконструированных изображений ………………………………………………………………….. 29

2.3. Поиск оптимального количества проекций для реализации метода
многоуглового сканирования пучка …………………………………………………………………. 32

2.3.1. Реконструкция распределения с одним максимумом и одним
минимумом …………………………………………………………………………………………………… 33
2.3.2. Реконструкция распределения с несколькими максимумами и
минимумами………………………………………………………………………………………………….. 36
Глава 3. Разработка экспериментальной установки для регистрации
энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении
пучка ………………………………………………………………………………………………………………. 42
3.1. Регистрация энергетического распределения электронов в поперечном
сечении пучка с помощью металлического сканирующего детектора ………………. 43

3.1.1 Проведение эксперимента на основе металлического сканирующего
детектора ………………………………………………………………………………………………………. 43
3.1.2 Результаты эксперимента, проведенного с использованием
сканирующего металлического детектора………………………………………………………. 47
3.1.3 Анализ результатов экспериментов, проведенных с использованием
сканирующего металлического детектора………………………………………………………. 53
3.2. Регистрация энергетического распределения электронов в поперечном
сечении пучка с помощью излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого в
диэлектрическом материале …………………………………………………………………………….. 55

3.2.1 Проведение эксперимента по построчному торцевому сканированию
электронного пучка с помощью диэлектрического фибера …………………………….. 55
3.2.2 Результаты эксперимента построчного торцевого сканирования
электронного пучка, полученные с помощью оптоволоконного кабеля ………….. 61
3.2.3 Анализ результатов экспериментов построчного торцевого
сканирования электронного пучка, проведенных с использованием
оптоволоконного кабеля ………………………………………………………………………………… 65
3.2.4 Исследование возможности регистрации энергетического
распределения электронов в поперечном сечении пучка с помощью
диэлектрического фибера методом многоуглового сканирования …………………… 68
3.3. Регистрация энергетического распределения электронов в поперечном
сечении пучка с помощью сцинтилляционного проволочного детектора ………….. 69

3.3.1 Проведение эксперимента на основе сцинтилляционного элемента . 69
3.3.2 Результаты эксперимента, полученные с помощью сцинтилляционного
сканирующего детектора ……………………………………………………………………………….. 73
3.3.3 Анализ результатов экспериментов, проведенных с использованием
сцинтилляционного сканирующего детектора ……………………………………………….. 77
3.4 Сравнение результатов, полученных с помощью всех разработанных
детекторов ………………………………………………………………………………………………………. 80

Глава 4. Регистрация энергетического распределения ионизирующего излучения в
поперечном сечении пучка методом многоуглового сканирования …………………… 82

4.1. Применение метода многоуглового сканирования на импульсном
рентгеновском пучке ……………………………………………………………………………………….. 83

4.1.1 Проведение эксперимента на импульсном рентгеновском пучке …… 83
4.1.2 Результаты эксперимента на импульсном рентгеновском пучке ……. 85
4.1.3 Анализ результатов эксперимента на импульсном рентгеновском
пучке …………………………………………………………………………………………………………….. 89
4.2. Применение метода многоуглового сканирования на электронном пучке 90

4.2.1 Проведение эксперимента на электронном пучке бетатрона………….. 90
4.2.2 Результаты эксперимента на электронном пучке бетатрона …………… 92
4.2.3 Анализ результатов эксперимента на электронном пучке бетатрона 93
4.3. Применение метода многоуглового сканирования на рентгеновском пучке
постоянного действия ……………………………………………………………………………………… 94

4.3.1 Проведение эксперимента на рентгеновском пучке постоянного
действия………………………………………………………………………………………………………… 95
4.3.2 Результаты эксперимента на рентгеновском пучке постоянного
действия………………………………………………………………………………………………………… 97
4.3.3 Анализ результатов эксперимента на рентгеновском пучке
постоянного действия ……………………………………………………………………………………. 99
Заключение …………………………………………………………………………………………………… 101

Список литературы ……………………………………………………………………………………….. 103

Приложение 1 ……………………………………………………………………………………………….. 117

Приложение 2 ……………………………………………………………………………………………….. 118

В результате диссертационной работы был разработан и эффективно
применен метод многоуглового сканирования для регистрации энергетического
распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка. По
полученным результатам можно изложить основные выводы:
1. Обратное преобразование Радона позволят реализовать и эффективно
применить метод многоуглового сканирования для регистрации
пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в
поперечном сечении пучка.
2. Получено выражение для поиска оптимального количества проекций
для достоверной регистрации пространственного распределения пучка за
минимальное время, которое равно 10 для проведенного численного эксперимента
и 18 для экспериментов, проведенных с помощью сцинтилляционного
проволочного детектора.
3. Применение металлического проволочного сканера для регистрации
пространственного распределения электронного пучка, которое позволяет с
приемлемой точностью (до 2 мм) определить размер и положение «горячего пика»
в поперечном сечении пучка, должно выполняться с учётом выявленных эффектов
генерации электромагнитных наводок в металле, оказывающих влияние на
результаты измерений.
4. Симметричное увеличение интенсивности зарегистрированного
оптоволоконным кабелем излучения на краях коллимированного электронного
пучка круглой формы обусловлено тем, что эффективность генерации излучения
Вавилова-Черенкова в оптоволокне зависит от угла влета электронов в рабочую
область.
5. Применение сцинтилляционного проволочного сканера позволяет
проводить регистрацию пространственного энергетического распределения
рентгеновского и электронного пучков в поперечном сечении с разрешением не
хуже 2х2 мм2.
В качестве практических рекомендации для эффективного применения
метода многоуглового сканирования можно отметить следующее:
 для получения достоверных результатов по полученному в работе
выражению можно определить оптимальное количество проекций для реализации
метода многоуглового сканирования на конкретной экспериментальной установке;
 использование сцинтилляционного материала позволяет избежать
влияния электромагнитных наводок, генерирующихся в теле детектора;
 использование сетчатого проволочного детектора позволит
существенно сократить время детектирования;
 метод может быть реализован путем модернизации уже
использующихся сканирующих детекторов в ускорительных установках, что
позволит при минимальных доработках регистрировать не только профиль пучка,
но и его пространственное энергетическое распределение.
Автор диссертации выражает глубокую признательность и благодарность
своему научному руководителю кандидату физико-математических наук, доценту
Стучеброву С.Г. за помощь и поддержку на всех этапах работы и многочисленные
обсуждения аспектов исследования. Автор искренне благодарна сотрудникам
Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Инженерной
школы ядерных технологий и Инженерной школы неразрушающего контроля и
безопасности Томского политехнического университета Милойчиковой И.А.,
Черепенникову Ю.М., Потылицыну А.П., Вуколову А.В., Науменко Г.А.,
Шевелеву М.В., Чахлову С.В., Маликову Е.Л. за неоценимую помощь при
выполнении данной работы.