Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Протонная микроскопия в радиографических методах исследования вещества. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Е.Е. Барминова
ПРОТОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
В РАДИОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДАХ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА
Учебное пособие
Москва 2018
УДК: 539.1.07:620.183.6
ББК: 22.31
Б25
Барминова Е.Е. Протонная микроскопия в радиографических методах
исследования вещества: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2018. 20 с.
В пособии рассмотрена возможность применения высокоэнергетичной
протонной радиографии для диагностики вещества. Описаны принципы
разработки ионно-оптических схем для протонной микроскопии и факторы,
влияющие на пространственное и временное разрешение метода протонной
радиографии. Приведены результаты проектирования ионно-оптических систем
для радиографических установок на пучках протонов с энергией 1 и 9 ГэВ с
оценкой пространственного разрешения установок, обусловленного
хроматическими аберрациями.
При написании пособия использованы материалы лекций по курсу “Физика
пучков заряженных частиц”, которые автор читала на факультете
экспериментальной и теоретической физики НИЯУ МИФИ в 2012-2015 гг.
Предназначено для магистрантов и аспирантов, специализирующихся в
области физики конденсированного состояния вещества, физики плазмы и
физики ускорителей, а также может быть полезно специалистам, занятым в
междисциплинарных исследованиях, требующих применения современных
радиографических методов.
Рецензент профессор, доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник ГНЦ ВЭИ А.С. Чихачев
ISBN 978-5-7262-2469-5 © Национальный исследовательский
ядерный университет “МИФИ”, 2018
3
СОДЕРЖАНИЕ
1.
ПРОТОННЫЕ
МИКРОСКОПЫ
2.
СХЕМА
ПРОТОННОГО
МИКРОСКОПА
ВВЕДЕНИЕ…......................................................................................4
ДЛЯ ПРОТОНОГРАФИЧЕСКИХ УСТАНОВОК........................5
НА ЭНЕРГИЮ 9 ГэВ.......................................................................9
3. ПРОТОННЫЙ МИКРОСКОП НА ЭНЕРГИЮ
1 ГэВ ДЛЯ СИНХРОЦИКЛОТРОНА ПИЯФ..............................15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…...............................................................................18
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-ИСТОЧНИКОВ…........19
4
ВВЕДЕНИЕ
Радиографические методы широко применяются в
фундаментальных и прикладных исследованиях, в частности в
исследованиях в области физики экстремальных состояний
вещества, медицине, машиностроении, системах контроля в
режиме реального времени (таможенный контроль,
технологический контроль и т.д.). По характеру воздействия на
объект исследования радиографический метод контроля относится
к методам неразрушающей диагностики. Область применения и
возможности метода, а именно диапазон контролируемых
плотностей вещества, пространственное и временное разрешение,
габаритные размеры объекта, зависят от типа и характеристик
применяемого излучения. Комбинация методов с различным
типом излучения позволяет проводить многопараметрическую
диагностику вещества. Так, в машиностроении для контроля
качества, дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии
применяются комбинации методов с использованием пучков
электронов, позитронов, мюонов, протонов, нейтронов,
электромагнитного излучения γ- и рентгеновского диапазона, что
позволяет получать чувствительность порядка 0,1-2 % при
диагностике слоистых изделий с сильно различающимися
величинами зарядового числа Z.
Методы исследования с помощью пучков заряженных частиц
на сегодняшний день оказываются наиболее перспективными для
диагностики высокотехнологичных изделий (аэрокосмическая и
медицинская техника, нанотехнологии, биотехнологии, микро- и
наноэлектроника), что обусловлено развитием ускорительных
технологий и возможностью гибкого управления параметрами
пучков заряженных частиц, в частности возможностью получать
пучки с требуемыми пространственными характеристиками и
достаточно большими энергиями. Чувствительность таких методов
составляет доли процента, что выше, чем у методов с
применением электромагнитного излучения и нейтронной
диагностики, чувствительность которых составляет порядка 2-3 %.
В частности, метод электронной дефектоскопии имеет
чувствительность 0,2 %.
5
Пучки протонов для диагностики вещества стали применяться
1.
ПРОТОННЫЕ
МИКРОСКОПЫ
относительно недавно [1]. С энергией протонов в диапазоне от
нескольких мегаэлектронвольт до десятков гигаэлектронвольт
метод может быть использован как для радиографии, так и для
интроскопии. Особенность метода протонной радиографии
обусловлена характером энерговыделения протонов при
взаимодействии с веществом. В частности, наличие пика Брэгга
позволяет использовать метод для локализации положения
дефектов в веществе.
Эта же особенность кривой энерговыделения используется в
медицине (протонолучевая терапия), где протонные пучки служат
не только для разрушения опухолей в различных схемах
облучения, но и для диагностики и контроля в режиме реального
времени (метод протонолучевой диагностики).
Основой протонографической установки служит протонный
микроскоп (ионно-оптическая система), задача которого облучить
требуемую область на мишени, сформировать прошедший через
вещество поток частиц и направить его на детектор. Параметры
протонного микроскопа в большой степени определяют
чувствительность метода протонной радиографии.
ДЛЯ ПРОТОНОГРАФИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Возможность применения того или иного метода радиографии,
в том числе протонной радиографии, определяется
пространственным и временным разрешением метода [2, 3].
Временное разрешение метода зависит от временных параметров
пучка (длительности импульса тока, скважности). Временное
разрешение не существенно для статических экспериментов, но
служит определяющим фактором для диагностики быстротекущих
процессов.
Пространственное разрешение одинаково важно для
статических и динамических исследований. Пространственное
разрешение определяется тремя факторами: аберрациями
ионно-оптической системы, которая формирует и управляет
пучком, процессами многократного кулоновского рассеяния и
ядерного взаимодействия протонов пучка с веществом мишени
6
(исследуемого объекта) и приборной функцией детектора
σ
Z
v
p
(регистрирующей системы). Искажение изображения, связанное с
множественным кулоновским рассеянием протонов в объекте,
можно охарактеризовать выражением
－
дисперсия;
пучка; p
l
длина исследуемого объекта в направлении входа
－
импульс пучка. Искажение, вызванное
2/3
, где
pl /~σ
－
хроматическими аберрациями микроскопа, может быть
представлено как
2/13
, а размытость, вызванная
)/(~σ pl
процессами внутри детектора, может быть охарактеризована
как
det
2/1
pll /~σ
, где
l
det
условная «глубина» детектора. При
－
фиксации искажений, вызванных кулоновским и ядерным
рассеянием внутри объекта и в детекторе, внешними факторами,
определяющими размытие изображения, являются энергия пучка и
линейный размер исследуемого объекта [4, 5].
Очевидно, что с ростом энергии пучка размытие изображения
уменьшается: для заряженной частицы с атомным номером
эффект рассеяния примерно пропорционален
скорость пучка,
импульс), и это является основанием для
－
pvZ /~
(
－
создания радиографических установок на пучках с энергией в
диапазоне гигаэлектронвольт [6-8]. Первая установка на пучке
протонов с высокой энергией (800 МэВ) была построена в
Лос-Аламос, США (LANSCE) [2], и в настоящий момент
прорабатывается возможность ее модернизации до энергии пучка
3 ГэВ. Установка PRIOR в ГСИ-ФАИР разработана для
исследований на пучке с энергией 3,6 ГэВ [9]. PRIOR использует
схему микроскопа, аналогичную схеме установки в LANL
(Лос-Аламос). В России уникальная радиографическая установка
создана на базе Серпуховского ускорителя в ИФВЭ (Протвино) [10,
11]. В установке ИФВЭ используется оригинальная оптическая
схема на пучках протонов с энергией от 50 до 70 ГэВ с
беспрецедентным пространственным разрешением 10-20 мкм при
плотности мишени 450 г/см2.
Радиографические эксперименты на пучках высокой энергии
ведутся также во ВНИИЭФ (Саров).
Применение пучка с энергией в диапазоне гигаэлектронвольт
позволяет не только улучшить пространственное разрешение, но
7
также расширяет возможности применения метода в режиме
оптика
интроскопии.
Помимо желательной продольной “однородности”,
необходимой для ряда физических задач, которая может быть
достигнута при использовании кривой Брэгга до “пика”, часто
желательно также иметь равномерную поперечную засветку
пучком мишени. В отличие от продольной “однородности”,
которая определяется начальными параметрами пучка (энергией,
длительностью импульса) и плотностью объекта, поперечная
однородность может быть частично управляемой с помощью
системы линз и коллиматоров.
Общая схема протонного микроскопа с формирующей оптикой
представлена на рис. 1.
Протонный
пучок
Формиру
ющая
оптика
Рис. 1. Базовая схема протоного микроскопа протонографической установки
Протонный микроскоп
“Облучаю
щая”
оптика
Мишень
“Измери
тельная”
Основу протонного микроскопа составляют магнитные
квадрупольные линзы (рис. 2), которые сгруппированы в две
ионно-оптические подсистемы
формирующую (или
－
облучательную) и измерительную. Магнитные квадрупольные
линзы позволяют эффективно манипулировать протонным пучком
с высокой энергией.
8
Рис. 2. Модель квадрупольной линзы с цилиндрическими полюсами
Система облучающей оптики (см. рис. 1) в простейших случаях
представляет собой дублет (ФОДО) или триплет (ФОДОФО)
электромагнитных линз. Такая система позволяет легко
настраивать пучок для обеспечения необходимого “поля зрения”
или пятна “засветки” на мишени и при определенных параметрах
оптики обеспечивать равномерную плотность облучения мишени в
поперечном сечении. Измерительная оптика представляет собой
ионно-оптическую систему магнитных квадрупольных линз,
которая в простейшем случае формируется в виде квадруплета
(ФОДОФОДО) или квадруплета в конфигурации “Русский
квадруплет” [12].
Измерительная оптика представляет собой телескопическую
систему, которая позволяет получать изображение на регистраторе
(детекторе) с коэффициентом преобразования, зависящим от
параметров ионной оптики измерительной части микроскопа. В [1]
было установлено, что при выборе коэффициента преобразования
изображения большем, чем 1 (с увеличением изображения),
пространственное разрешение может быть улучшено. Однако
выбор коэффициента преобразования зависит от условий
эксперимента, в частности от размеров экспериментального зала и
инструментальных ресурсов (линз). При этом для ряда
экспериментов коэффициент преобразования изображения может
быть выбран отрицательным, с зеркальным отражением
изображения.
Включение в систему измерительной части микроскопа
коллиматоров увеличивает контрастность за счет поглощения
9
протонов, рассеянных на углы, превышающие критическую
2.
СХЕМА
ПРОТОННОГО
МИКРОСКОПА
величину [13].
НА ЭНЕРГИЮ 9 ГэВ
Приведем расчет схемы протонного микроскопа на пучке с
энергией 9 ГэВ, которая была предложена для реализации на
ускорителе ТВН-ИТЭФ (проект не реализован из-за прекращения
работы ускорителя) [4, 5]. Экспериментальный зал для
радиографических экспериментов имел ограничение на размер, так
что длина линии пучка должна быть не более 60 м. Параметры
исходного пучка протонов с энергией 9 ГэВ, выходящего с кольца
ускорителя, приведены ниже и представлены на рис. 3 и 4.
Параметры пучка
Энергия протонов, ГэВ
Энергетический разброс
Нормализованный x-эмиттанс (rms),
π мм мрад
Нормализованный y-эмиттанс (rms),
π мм мрад
Интенсивность, частиц/пучок
Длина сгустка, нс
Длительность импульса, нс
Число сгустков
5×10-4–10
32
11
10
60
800
На рис. 3 изображена временная структура пучка,
инжектируемого с кольца ускорителя в линию радиографической
установки. Диаграммы поперечного эмиттанса пучка,
соответствующие пучку на входе в линию радиографической
установки, представлены на рис. 4.
9
-3
10
4
10
Рис. 3. Временная структура пучка протонов
a
Рис. 4. Поперечные эмиттансы на входе в первую линзу предварительной
формирующей оптики: а－горизонтальный, б－вертикальный
б
Для протонного микроскопа на 9 ГэВ было предложено два
варианта ионно-оптических схемы [4, 5]. Компоновка первой
ионно-оптической схемы показана на рис. 5. Микроскоп в этом
случае образован дублетом формирующей оптики и квадруплетом
измерительной оптики в конфигурации “Русский квадруплет” [12].
Моделирование динамики пучка в линии микроскопа было
проведено в программе COSY Infinity [14], результаты
моделирования показаны на рис. 5 и 6.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]