Помощь студентам в учебе
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
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
Актуальность темы. Постоянное расширение области применения пучков ионизирующего излучения, а также развитие способов их генерации приводит к необходимости разработки новых усовершенствованных методов для диагностики характеристик пучков. Развитие диагностических методов позволяет увеличивать точность определения параметров пучка, оптимизировать режимы работы ускорительной установки и получать востребованные и конкурентоспособные экспериментальные результаты фундаментальных исследований, а также решать прикладные задачи. Осуществлять контроль параметров пучков ионизирующего излучения необходимо при различной работе с ускорительной техникой, такой как ввод в эксплуатацию нового или усовершенствованного ускорителя, в ходе регулярной работы, а также для оптимизации или поиска необходимых параметров пучка в соответствии с поставленной задачей.
Одним из важных пространственных параметров пучков ионизирующего излучения является энергетическое распределение излучения в поперечном сечении пучка. В физическом эксперименте для регистрации данной характеристики могут использовать люминофорные экраны. Недостатком таких датчиков является их непрозрачность и недолговечность. Также используются вторично-эмиссионные детекторы, например, сетчатый датчик или детектор, основанный на проволочном сканировании. Такие детекторы позволяют определять только характерные размеры пучков при минимальных потерях заряженных частиц с разрешением равным толщине детектирующей проволоки. Помимо этого, могут использоваться методы детектирования, основанные на измерении переходного излучения, которое генерируется при пересечении пучком границы сред с разными диэлектрическими свойствами. Такой метод является возмущающим. Другой тип детекторов для определения пространственных характеристик пучков основан на использовании интерферометров. Такой детектор представляет собой сложную оптическую систему, которая требует постоянного прецизионного контроля ее параметров.
Как и при проведении физических экспериментов, контроль пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения очень важен и при решении прикладных задач, например, при использовании пучков в лучевой терапии. В клинической практике для регистрации энергетического распределения излучения в поперечном сечении пучка используют матричные детекторы, состоящие из набора ионизационных камер или полупроводниковых детекторов. Повсеместное применение таких систем обусловлено, прежде всего, простотой использования и мгновенным получением значений доз в абсолютных величинах. Однако, распределение интенсивности излучения, полученное при помощи матричных детекторов, имеет низкое разрешение. Кроме матричных детекторов для проведения клинической дозиметрии используют пленочные дозиметры, которые позволяют регистрировать энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с высоким разрешением. К недостаткам использования пленок можно отнести необходимость применения расходных материалов, которое повышает эксплуатационную стоимость данных устройств, необходимость контроля параметров сменных детекторов, а также трудоемкость процесса обработки облученных пленочных дозиметров. Описанные методы получения пространственных параметров пучков оказывают на него слишком большое воздействие, в большинстве случаев полностью его поглощая, что делает невозможным регистрацию энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка в процессе ускорения частицу или облучения.
В связи с этим существует необходимость разработки метода, позволяющего создавать устройства, которые будут регистрировать энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с высоким пространственным разрешением в режиме реального времени, с минимальными потерями ионизирующего излучения в рабочем теле детектора. Такой метод не должен предполагать использование расходных материалов, которые необходимо заменять после одного или нескольких измерений, при этом система должна быть устойчива к внешнему электромагнитному излучению, которое генерируется при работе ускорительной техники.
Объектами исследования являются пучки ионизирующих излучений и их пространственные характеристики.
Предметом исследования являются методы и устройства для измерения пространственных характеристик пучков ионизирующих излучений.
Целью диссертационной работы является разработка и эффективное применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
В соответствии с общей целью работы в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. разработка концепции метода многоуглового сканирования пучка
ионизирующего излучения на основе обратного преобразования Радона;
2. определение критериев количественной оценки точности результатов, полученных методом многоуглового сканирования пучка;
3. определение оптимального количества сканирований, необходимого для получения достоверных результатов реконструкции данных, полученных методом многоуглового сканирования пучка;
4. разработка и создание экспериментальных установок для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка;
5. сравнение экспериментальных результатов, полученных методом многоуглогого сканирования пучка ионизирующего излучения на созданных установках;
6. эффективное применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Научная новизна.
1. Предложен метод многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка и создана установка, реализующая этот метод.
2. Получено выражение для определения оптимального количества проекций, позволяющего получать достоверные пространственные энергетические распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка за минимальное время.
3. Впервые реализована регистрация профилей пучка под разными углами с помощью сцинтилляционного проволочного детектора, на основе которых с помощью интегральных преобразований получено пространственное энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработанный метод многоуголового сканирования позволяет получить пространственное энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с помощью обратного преобразования Радона.
2. Полученное выражение для поиска оптимального количества проекций позволяет оптимизировать процесс сбора данных при реализации метода многоуглового сканирования.
3. Созданный макет экспериментальной установки позволяет эффективно применять метод многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Многоугловое сканирование с интегральным преобразованием (обратным преобразованием Радона) его результатов обеспечивают достоверную регистрацию пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
2. Без учета погрешностей узлов экспериментальной установки оптимальное количество проекций для достоверной регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка за минимальное время равно 10.
3. Методом многоуглового сканирования на основе сцинтилляционного проволочного детектора при оптимальном количестве проекций 18 с разрешением не хуже 2х2 мм2 регистрируется пространственное энергетическое распределение в поперечном сечении пучков электронов, пучков импульсных рентгеновских источников и рентгеновских источников непрерывного действия.
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современных программных пакетов и аппаратуры, согласием результатов измерений, полученных разными методами и устройствами, и непротиворечивостью полученных результатов ранее опубликованным работам других авторов.
Апробация.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
1. International conference on Electron, Positron, Neutron and X-ray Scattering under External Influences, г. Ереван, Армения, 2019.
2. 14th International Forum on Strategic Technology «IFOST-2019», г. Томск, Россия, 2019.
3. XIII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-19), г. Белгород, Россия, 2019.
4. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, Россия, 2019.
5. I Trans-Siberian school on High Energy Physics, г. Томск, Россия, 2019.
6. The 8th International Conference «Channeling 2018 - Charged & Neutral Particles Channeling Phenomena», о. Искья, Италия, 2018.
7. RACIRI Summer School 2018, о. Рюген, Германия, 2018.
8. VII Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2018.
9. II Trans-Siberian School on High Energy Physics, г. Томск, Россия, 2019.
10. XII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-17), г. Гамбург, Германия, 2017.
11. XII Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева, г. Алушта, Россия, 2017.
12. IX Международная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию исследовательского ядерного реактора ТПУ «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине», г. Томск, Россия, 2017.
13. VII Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2016.
Личный вклад.
Личный вклад автора состоит в выборе методов исследований, разработке программного обеспечения для сбора данных, разработке экспериментальных установок, проведении экспериментальных исследований, интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке научных публикаций по теме исследования. Постановка задач исследования и анализ полученных результатов проводились совместно с научным руководителем. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад соавторов в основные публикации не превышал 30% от общего объема работы.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, из них 1 статья в изданиях, включенных в список ВАК, 5 статей в зарубежных изданиях, индексируемых базами Scopus и Web of Science, 7 материалов конференций. В рамках выполнения работы получен акт о внедрении результатов научных исследований и свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы, содержащего
132 библиографические ссылки. Общий объем диссертации составляет 118 страниц и включает 68 рисунков и 10 таблиц.
Краткое содержание диссертации
В первой главе проведен литературный обзор по тематике исследования. Были рассмотрены как общепринятые методы регистрации пространственных характеристик пучков ионизирующего излучения, так и современные исследования в данной области. Описаны широко используемые методы детектирования, основанные на процессе люминесценции вещества под воздействием ионизирующего излучения, на вторичной эмиссии заряженных частиц, на комптоновском рассеянии фотонов при взаимодействии с пучком заряженных частиц, на когерентности синхротронного излучения, которое генерируется в процессе ускорения электронов, на переходном излучении, которое генерируется при прохождении заряженной частицы на границе раздела двух сред с разной диэлектрической проницаемостью. Рассмотрены преимущества и недостатки существующих методов. Рассмотрены современные исследования в области диагностики характеристик пучков ионизирующего излучения, в том числе для медицинских приложений. Рассмотрены исследования по использованию метода обратного преобразования Радона данных в области диагностики пучков ионизирующего излучения.
В результате проведенного литературного обзора была обозначена цель диссертационного исследования: разработка и эффективное применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Во второй главе диссертационной работы описывается концепция метода многоуглового сканирования для регистрации энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка. Для восстановления двумерного распределения из набора данных, полученных в процессе многоуглового сканирования пучка, используются методы томографической реконструкции, основные принципы которых описаны в разделе 2.2. Также в данном разделе были выбраны критерии оценки реконструированных изображений - среднеквадратичное отклонение, представленное в дискретном виде, и евклидово расстояние. На основе математического пакета MatLab проведен расчетный эксперимент, в котором получены реконструкции распределений характерных для энергетических распределений ионизирующего излучения в поперечном сечении при разных количествах проекций. Было получено выражение для поиска оптимального количества измерений профиля пучка под разными углами для достоверной реконструкции энергетического распределения излучения в поперечном сечении пучка за минимальное время.
Третья глава описывает процесс разработки и испытания экспериментальных установок для регистрации энергетического распределения электронов в поперечном сечении пучка методом многоуглового сканирования. На первом этапе разработано устройство в виде металлического проволочного детектора с тонкими полосками, расположенными под разными углами относительно друг друга. С помощью данного устройства проведен эксперимент, который показал возможность применения данного метода. Однако, высокие электромагнитные наводки, генерируемые в металле, привели к возникновению большого количества артефактов при реконструкции и полученные результаты позволили лишь оценить наличие «горячих» и «холодных» пятен, а не полноценное энергетическое распределение электронов в поперечном сечении пучка электронного пучка. Во избежание данного фактора было предложено использовать оптический детектор. Первоначально, в качестве детектирующего элемента, был выбран оптоволоконный кабель, в теле которого под действием высокоэнергетичных электронов генерируется вторичное излучение (излучение Вавилова-Черенкова, переходное излучение, тормозное излучение). На основе такого детектора было проведено экспериментальное исследование по регистрации энергетического распределения электронов в поперечном сечении пучка. Полученные результаты показали, что преимущественно при таком измерении в оптоволокне генерируется излучение Вавилова-Черенкова, интенсивность которого возрастает в случае, когда электроны входят в материал детектора под углом близким к черенковскому. В связи с этим, интенсивность излучения Вавилова-Черенкова увеличивается на краях пучка. Далее была разработана детектирующая система на основе сцинтилляционной полоски, в теле которой под действием ионизирующего излучения генерируются световые фотоны. В эксперименте на выведенном электронном пучке Микротрона ТПУ были получены результаты, которые позволяют измерить размеры пучка и оценить форму. В заключении главы было проведено сравнение среднеквадратичных отклонений и евклидовых расстояний, полученных в экспериментах с разными детектирующими системами, и принято решение о дальнейшем использовании детектора на основе сцинтиллятора.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям по апробации метода многоуглового сканирования с помощью экспериментальной установки, основанной на применении сцинтилляционного элемента. Для оценки работоспособности метода было принято решение использовать «стабильные» пучки. В данной работе пучок считался «стабильным», если энергетическое распределение ионизирующего излучения в его поперечной плоскости меняется за время проведения измерения не более чем на 5%. Помимо того, что в данной главе использовались «стабильные» пучки, они также имели сложную форму, так как в третьей главе было показано, что энергетическое распределение излучения в поперечном сечении коллимированного пучка круглой формы можно измерить даже с учетом множества факторов, оказывающих негативный эффект на результат измерения. Было определено оптимальное количество проекций для экспериментальной установки на основе сцинтилляционного проволочного детектора. Эксперименты проводились на импульсном рентгеновском пучке с характерными размерами 20х20 мм2, на электронном пучке с характерными размерами 50х50 мм2, на рентгеновском пучке постоянного действия с характерными размерами 20х20 мм2. Результаты экспериментов показали возможность регистрации энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с разрешением обусловленным толщиной сцинтилляционной полоски, которое составило 2х2 мм2.
В Заключении приводятся основные результаты работы.
Одним из важных пространственных параметров пучков ионизирующего излучения является энергетическое распределение излучения в поперечном сечении пучка. В физическом эксперименте для регистрации данной характеристики могут использовать люминофорные экраны. Недостатком таких датчиков является их непрозрачность и недолговечность. Также используются вторично-эмиссионные детекторы, например, сетчатый датчик или детектор, основанный на проволочном сканировании. Такие детекторы позволяют определять только характерные размеры пучков при минимальных потерях заряженных частиц с разрешением равным толщине детектирующей проволоки. Помимо этого, могут использоваться методы детектирования, основанные на измерении переходного излучения, которое генерируется при пересечении пучком границы сред с разными диэлектрическими свойствами. Такой метод является возмущающим. Другой тип детекторов для определения пространственных характеристик пучков основан на использовании интерферометров. Такой детектор представляет собой сложную оптическую систему, которая требует постоянного прецизионного контроля ее параметров.
Как и при проведении физических экспериментов, контроль пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения очень важен и при решении прикладных задач, например, при использовании пучков в лучевой терапии. В клинической практике для регистрации энергетического распределения излучения в поперечном сечении пучка используют матричные детекторы, состоящие из набора ионизационных камер или полупроводниковых детекторов. Повсеместное применение таких систем обусловлено, прежде всего, простотой использования и мгновенным получением значений доз в абсолютных величинах. Однако, распределение интенсивности излучения, полученное при помощи матричных детекторов, имеет низкое разрешение. Кроме матричных детекторов для проведения клинической дозиметрии используют пленочные дозиметры, которые позволяют регистрировать энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с высоким разрешением. К недостаткам использования пленок можно отнести необходимость применения расходных материалов, которое повышает эксплуатационную стоимость данных устройств, необходимость контроля параметров сменных детекторов, а также трудоемкость процесса обработки облученных пленочных дозиметров. Описанные методы получения пространственных параметров пучков оказывают на него слишком большое воздействие, в большинстве случаев полностью его поглощая, что делает невозможным регистрацию энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка в процессе ускорения частицу или облучения.
В связи с этим существует необходимость разработки метода, позволяющего создавать устройства, которые будут регистрировать энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с высоким пространственным разрешением в режиме реального времени, с минимальными потерями ионизирующего излучения в рабочем теле детектора. Такой метод не должен предполагать использование расходных материалов, которые необходимо заменять после одного или нескольких измерений, при этом система должна быть устойчива к внешнему электромагнитному излучению, которое генерируется при работе ускорительной техники.
Объектами исследования являются пучки ионизирующих излучений и их пространственные характеристики.
Предметом исследования являются методы и устройства для измерения пространственных характеристик пучков ионизирующих излучений.
Целью диссертационной работы является разработка и эффективное применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
В соответствии с общей целью работы в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. разработка концепции метода многоуглового сканирования пучка
ионизирующего излучения на основе обратного преобразования Радона;
2. определение критериев количественной оценки точности результатов, полученных методом многоуглового сканирования пучка;
3. определение оптимального количества сканирований, необходимого для получения достоверных результатов реконструкции данных, полученных методом многоуглового сканирования пучка;
4. разработка и создание экспериментальных установок для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка;
5. сравнение экспериментальных результатов, полученных методом многоуглогого сканирования пучка ионизирующего излучения на созданных установках;
6. эффективное применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Научная новизна.
1. Предложен метод многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка и создана установка, реализующая этот метод.
2. Получено выражение для определения оптимального количества проекций, позволяющего получать достоверные пространственные энергетические распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка за минимальное время.
3. Впервые реализована регистрация профилей пучка под разными углами с помощью сцинтилляционного проволочного детектора, на основе которых с помощью интегральных преобразований получено пространственное энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработанный метод многоуголового сканирования позволяет получить пространственное энергетическое распределение ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с помощью обратного преобразования Радона.
2. Полученное выражение для поиска оптимального количества проекций позволяет оптимизировать процесс сбора данных при реализации метода многоуглового сканирования.
3. Созданный макет экспериментальной установки позволяет эффективно применять метод многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Многоугловое сканирование с интегральным преобразованием (обратным преобразованием Радона) его результатов обеспечивают достоверную регистрацию пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
2. Без учета погрешностей узлов экспериментальной установки оптимальное количество проекций для достоверной регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка за минимальное время равно 10.
3. Методом многоуглового сканирования на основе сцинтилляционного проволочного детектора при оптимальном количестве проекций 18 с разрешением не хуже 2х2 мм2 регистрируется пространственное энергетическое распределение в поперечном сечении пучков электронов, пучков импульсных рентгеновских источников и рентгеновских источников непрерывного действия.
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современных программных пакетов и аппаратуры, согласием результатов измерений, полученных разными методами и устройствами, и непротиворечивостью полученных результатов ранее опубликованным работам других авторов.
Апробация.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
1. International conference on Electron, Positron, Neutron and X-ray Scattering under External Influences, г. Ереван, Армения, 2019.
2. 14th International Forum on Strategic Technology «IFOST-2019», г. Томск, Россия, 2019.
3. XIII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-19), г. Белгород, Россия, 2019.
4. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, Россия, 2019.
5. I Trans-Siberian school on High Energy Physics, г. Томск, Россия, 2019.
6. The 8th International Conference «Channeling 2018 - Charged & Neutral Particles Channeling Phenomena», о. Искья, Италия, 2018.
7. RACIRI Summer School 2018, о. Рюген, Германия, 2018.
8. VII Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2018.
9. II Trans-Siberian School on High Energy Physics, г. Томск, Россия, 2019.
10. XII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-17), г. Гамбург, Германия, 2017.
11. XII Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева, г. Алушта, Россия, 2017.
12. IX Международная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию исследовательского ядерного реактора ТПУ «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине», г. Томск, Россия, 2017.
13. VII Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2016.
Личный вклад.
Личный вклад автора состоит в выборе методов исследований, разработке программного обеспечения для сбора данных, разработке экспериментальных установок, проведении экспериментальных исследований, интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке научных публикаций по теме исследования. Постановка задач исследования и анализ полученных результатов проводились совместно с научным руководителем. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад соавторов в основные публикации не превышал 30% от общего объема работы.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, из них 1 статья в изданиях, включенных в список ВАК, 5 статей в зарубежных изданиях, индексируемых базами Scopus и Web of Science, 7 материалов конференций. В рамках выполнения работы получен акт о внедрении результатов научных исследований и свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы, содержащего
132 библиографические ссылки. Общий объем диссертации составляет 118 страниц и включает 68 рисунков и 10 таблиц.
Краткое содержание диссертации
В первой главе проведен литературный обзор по тематике исследования. Были рассмотрены как общепринятые методы регистрации пространственных характеристик пучков ионизирующего излучения, так и современные исследования в данной области. Описаны широко используемые методы детектирования, основанные на процессе люминесценции вещества под воздействием ионизирующего излучения, на вторичной эмиссии заряженных частиц, на комптоновском рассеянии фотонов при взаимодействии с пучком заряженных частиц, на когерентности синхротронного излучения, которое генерируется в процессе ускорения электронов, на переходном излучении, которое генерируется при прохождении заряженной частицы на границе раздела двух сред с разной диэлектрической проницаемостью. Рассмотрены преимущества и недостатки существующих методов. Рассмотрены современные исследования в области диагностики характеристик пучков ионизирующего излучения, в том числе для медицинских приложений. Рассмотрены исследования по использованию метода обратного преобразования Радона данных в области диагностики пучков ионизирующего излучения.
В результате проведенного литературного обзора была обозначена цель диссертационного исследования: разработка и эффективное применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка.
Во второй главе диссертационной работы описывается концепция метода многоуглового сканирования для регистрации энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка. Для восстановления двумерного распределения из набора данных, полученных в процессе многоуглового сканирования пучка, используются методы томографической реконструкции, основные принципы которых описаны в разделе 2.2. Также в данном разделе были выбраны критерии оценки реконструированных изображений - среднеквадратичное отклонение, представленное в дискретном виде, и евклидово расстояние. На основе математического пакета MatLab проведен расчетный эксперимент, в котором получены реконструкции распределений характерных для энергетических распределений ионизирующего излучения в поперечном сечении при разных количествах проекций. Было получено выражение для поиска оптимального количества измерений профиля пучка под разными углами для достоверной реконструкции энергетического распределения излучения в поперечном сечении пучка за минимальное время.
Третья глава описывает процесс разработки и испытания экспериментальных установок для регистрации энергетического распределения электронов в поперечном сечении пучка методом многоуглового сканирования. На первом этапе разработано устройство в виде металлического проволочного детектора с тонкими полосками, расположенными под разными углами относительно друг друга. С помощью данного устройства проведен эксперимент, который показал возможность применения данного метода. Однако, высокие электромагнитные наводки, генерируемые в металле, привели к возникновению большого количества артефактов при реконструкции и полученные результаты позволили лишь оценить наличие «горячих» и «холодных» пятен, а не полноценное энергетическое распределение электронов в поперечном сечении пучка электронного пучка. Во избежание данного фактора было предложено использовать оптический детектор. Первоначально, в качестве детектирующего элемента, был выбран оптоволоконный кабель, в теле которого под действием высокоэнергетичных электронов генерируется вторичное излучение (излучение Вавилова-Черенкова, переходное излучение, тормозное излучение). На основе такого детектора было проведено экспериментальное исследование по регистрации энергетического распределения электронов в поперечном сечении пучка. Полученные результаты показали, что преимущественно при таком измерении в оптоволокне генерируется излучение Вавилова-Черенкова, интенсивность которого возрастает в случае, когда электроны входят в материал детектора под углом близким к черенковскому. В связи с этим, интенсивность излучения Вавилова-Черенкова увеличивается на краях пучка. Далее была разработана детектирующая система на основе сцинтилляционной полоски, в теле которой под действием ионизирующего излучения генерируются световые фотоны. В эксперименте на выведенном электронном пучке Микротрона ТПУ были получены результаты, которые позволяют измерить размеры пучка и оценить форму. В заключении главы было проведено сравнение среднеквадратичных отклонений и евклидовых расстояний, полученных в экспериментах с разными детектирующими системами, и принято решение о дальнейшем использовании детектора на основе сцинтиллятора.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям по апробации метода многоуглового сканирования с помощью экспериментальной установки, основанной на применении сцинтилляционного элемента. Для оценки работоспособности метода было принято решение использовать «стабильные» пучки. В данной работе пучок считался «стабильным», если энергетическое распределение ионизирующего излучения в его поперечной плоскости меняется за время проведения измерения не более чем на 5%. Помимо того, что в данной главе использовались «стабильные» пучки, они также имели сложную форму, так как в третьей главе было показано, что энергетическое распределение излучения в поперечном сечении коллимированного пучка круглой формы можно измерить даже с учетом множества факторов, оказывающих негативный эффект на результат измерения. Было определено оптимальное количество проекций для экспериментальной установки на основе сцинтилляционного проволочного детектора. Эксперименты проводились на импульсном рентгеновском пучке с характерными размерами 20х20 мм2, на электронном пучке с характерными размерами 50х50 мм2, на рентгеновском пучке постоянного действия с характерными размерами 20х20 мм2. Результаты экспериментов показали возможность регистрации энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка с разрешением обусловленным толщиной сцинтилляционной полоски, которое составило 2х2 мм2.
В Заключении приводятся основные результаты работы.
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.
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.