Secondary X-ray Radiation from the High Current Repetitively-pulsed Accelerant CINUS-350

Повышенный радиационный фон является одной из проблем при эксплуатации источников ионизирующих излучений. Особенно актуальна эта проблема там, где персонал вынужден находиться в непосредственной близости от работающей установки. Параметры радиационного фона зависят от типа установки, а также типа и энергии ускоряемых частиц. К таким установкам можно отнести источники СВЧ-излучения на основе сильнотоного импульсно-периодического ускорителя электронов. Для генерации СВЧ-излучения ускоренные электроны проходят процедуру замедления, а затем утилизируются и становятся источником вторичного рентгеновского излучения.

Как правило, энергия ускорения в таких установках составляет несколько сотен кэВ. В связи с особенностями конструкции генератора, энергия отработанных электронов может значительно превышать энергию ускорения. Это, в свою очередь, способствует увеличению энергии вторичных гамма-квантов, проникающих за пределы генератора. Очевидно, что детальная информация о параметрах вторичного рентгеновского излучения необходима как для методов радиационной защиты, так и для дозиметрии. Например, выбор модели дозиметра сильно зависит от энергетического спектра гамма-квантов. Толщина защитного экрана напрямую зависит от верхней границы энергетического диапазона вторичных гамма-квантов. Получить информацию об энергетическом спектре можно двумя методами: прямыми измерениями энергетического спектра и расчетным путем. Первый метод требует наличия соответствующего гамма-спектрометра. Второй – точной модели, в которой учтены как геометрия и материалы установки, так и возможные процессы взаимодействия электронов и гамма-квантов с веществом. Такой метод стал осуществим после появления инструментов для моделирования прохождения разного типа излучения с веществом. К настоящему времени наиболее удобным инструментом для такого рода задач является пакет GEANT4 [1].

В представленной работе проведено исследование вторичного рентгеновского излучения с применением GEANT4 для сильноточного импульсно-периодического ускорителя электронов СИНУС-350. Подробное описание этого генератора, а также принцип его работы приведено в работах [2], [4], [7], [9]. Основная задача данной работы – получение информации об энергетическом спектре вторичного рентгеновского излучения. Наиболее необходимые к получению результаты в нашем случае – это границы энергетического диапазона. Эта информация необходима для наиболее точной дозиметрии исследуемого объекта.

Для решения поставленной задачи мы использовали модель, созданную с применением пакета GEANT4. Подробное описание этой модели можно найти в работе [10]. Данная модель достаточно точно учитывает технические особенности генератора и хорошо проявила себя при расчете радиационных доз на расстоянии до двух метров от ускорителя. Как показано в работе [10], результаты расчетов и измерения доз отличаются не более, чем на 15%. При этом, результаты моделирования адекватно описывают зависимость полученной дозы от координат. На рисунке 1 представлена модель исследуемого генератора. Слева – общий вид и положение системы координат. Справа детально показана та часть установки, в которой происходит ускорение и утилизация электронов. Упрощенно, схема генерации СВЧ излучения выглядит следующим образом: электроны проходят процедуру ускорения между катодом и замедляющей структурой (ЗС), далее проходят через ЗС для генерации СВЧ, оставляя часть энергии, и затем осаживаются на коллекторе. Материалом, из которого изготовлен коллектор, является углерод. Отметим, что применение карбонового коллектора позволяет значительно увеличить поглощение электронов и, тем самым, значительно снизить интенсивность вторичных рентгеновских гамма-квантов.

Рисунок 1 - Модель установки СИНУС-350

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.61.1

Поскольку целью работы является исследование вторичного рентгеновского излучения, то мы моделировали только утилизацию электронов на внутренней стенке ускорителя. Большая часть электронов утилизируется на коллекторе (примерно 87%), остальные высаживаются на внутренней стенке замедляющей структуры. Несмотря на то, что ускоряющее напряжение составляет 400 кВ, среди электронов находится примесь с энергиями до 840 кэВ. Это объясняется индивидуальными особенностями установки, в частности, относительно небольшой длиной замедляющей структуры. Более подробную информацию о начальных параметрах электронов можно найти в работе [10].

Результаты моделирования энергетического спектра вторичного рентгеновского излучения показаны на рисунке 2. Как видно, результаты приведены для разных координат x и z в плоскости X0Z (y=0). Все графики нормированы на одинаковое число утилизированных электронов, или, другими словами, на одно время работы ускорителя. Это сделано для того, чтобы показать, как меняется интенсивность облучения рентгеновскими гамма-квантами в зависимости от расстояния от ускорителя. Из приведенных результатов видно, что энергетический спектр гамма-квантов меняется очень слабо в зависимости от положения относительно ускорителя, диапазон изменения энергии лежит в пределах (0-400) кэВ. Средняя энергия гамма-квантов меняется в пределах (120-140) кэВ. Также четко прослеживается зависимость количества гамма-квантов от расстояния до ускорителя. Для z>0 количество гамма-квантов заметно уменьшается с увеличением расстояния от ускорителя. Для z=-1 м – слабо меняется. Это можно объяснить следующим: вторичное гамма-излучение имеет выраженное направление в сторону оси z, поскольку электроны перед утилизацией движутся преимущественно в этом направлении. Конечно, угол падения электронов к внутренней стенке ускорителя зависит от различных модельных неопределённостей, которые связаны с индивидуальной конструкцией ускорителя. В используемой модели угол падения распределен равномерно в диапазоне (10-90) градусов. Средний угол падения электронов к внутренней стенке ускорителя составляет 40 градусов. Также область z<0 частично экранируется самим ускорителем.

Рисунок 2 - Результаты моделирования энергетического спектра вторичных гамма-квантов для разных положений относительно ускорителя

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.61.2

Проведено исследование вторичного рентгеновского излучения для сильноточного импульсно-периодического ускорителя источника СИНУС-350. Для получения результатов использована модель, разработанная с применением пакета GEANT4. Результаты моделирования энергетического спектра вторичного рентгеновского излучения приведены для разных положений относительно исследуемой установки, на расстоянии от одного до трёх метров. Показано, что форма спектра слабо меняется в зависимости от положения относительно ускорителя, энергетический диапазон гамма-квантов составляет (0-400) кэВ. Средняя энергия гамма-квантов лежит в пределах (120-140) кэВ и уменьшается с увеличением расстояния до ускорителя.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что для дозиметрии генератора СИНУС-350 можно использовать дозиметр с одинаковой чувствительностью по энергии гамма-квантов до 400 кэВ. По таким параметрам хорошо подходят дозиметры семейства Arrow-Tech 138.

В заключении следует отметить, что используемый в работе подход с применением программного пакета GEANT4 полностью себя оправдал. Разработанная модель позволяет получать информацию как об энергетическом спектре вторичного рентгеновского излучения, так и об его относительной интенсивности.