авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Генерация позитронов и квазимонохроматических фотонов от аннигиляции позитронов на лету для исследований гигантских резонансов в атомных ядрах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Джилавян Леонид Завенович

Генерация позитронов и

квазимонохроматических фотонов от

аннигиляции позитронов на лету для

исследований гигантских резонансов

в атомных ядрах

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор, В.Г. Недорезов

доктор физико-математических наук, профессор, И.М. Капитонов;

доктор технических наук, Б.А. Бенецкий

Учреждение Российской академии наук Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН

Защита диссертации состоится «

»

2011 г. в ча-

сов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН, по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября, д. 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН.

Автореферат разослан «

»

2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01,

кандидат физико-математических наук

Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследование фотоядерных реакций в области гигантских резонансов (ГР) актуальная задача. Однако для наиболее освоенного источника фотонов от торможения ускоренных электронов (e) есть две проблемы, связанные с точным определением спектров фотонов и с решением обратной задачи – извлечением из измеренных с такими спектрами выходов информации о сечениях фотоядерных реакций. Эти проблемы затрудняют исследования структуры ГР. Возможный путь для частичной альтернативы исследованиям с тормозными фотонами и для проверки корректности решений указанных проблем при применении тормозных фотонов – использование квазимонохроматических фотонов («моно-») от аннигиляции позитронов (e+) на лету в тонких мишенях с низким атомным номером Z. К сожалению, при этом улучшение качества фотоядерных исследований достается ценой снижения интенсивности используемых частиц на много порядков при конверсии и (ee+), и (e+«моно-»), а также значительного обострения фоновой обстановки. Требуются тщательные изучение и оптимизация аспектов методики генерации e+ и «моно-», а также использование достаточно сильноточных и высокоэнергичных доступных ускорителей e (прежде всего, импульсных). Сложность вовлеченных задач делает обязательными их экспериментальные исследования в условиях работающей установки, реализующей такую методику. Для проявления существенных возможностей применения этой методики нужен выбор адекватных экспериментов с такими пучками (с учётом параметров последних) и для изучения связанных с ГР проблем, и для прикладных исследований. Таким образом, создание установки получения прецизионных пучков e, e+ и «моно-» при характерных для ГР энергиях, изучение на ней особенностей генерации этих пучков, а также выбор и освоение оптимальных адекватных исследований как ГР, так и прикладных представляет собой актуальное научное направление.



Цель диссертационной работы экспериментальное изучение генерации пучков позитронов и квазимонохроматических аннигиляционных фотонов на импульсных ЛУЭ на бегущей волне (на базе ускорителя ЛУЭ-100 ИЯИ РАН с

3

энергией ускоренных электронов E до ~100 МэВ), выбор оптимальных адекватных и актуальных экспериментов на этих пучках для исследований фотоядерных реакций в области ГР, а также прикладных применений.

Научная новизна.

  1. Впервые измерен для оптимальных конвертеров дифференциальный коэффициент (ee+) конверсии при энергии электронов E(2560) МэВ. Показано: для генерации интенсивного пучка позитронов оптимальная энергия электронов в пучке с фиксированной мощностью составляет (6090) МэВ.
  2. Разработана модель динамики дополнительного ускорения позитронов в ЛУЭ, результаты которой хорошо согласуются с полученными нами данными экспериментов. Показано, что «доускорение» позитронов целесообразно при их конечной энергии (E+)к>30 МэВ, а при более низких (E+)к (практически соответствующих энергиям электрических дипольных (E1) и квадрупольных (E2) ГР) e+ выгоднее получать без их «доускорения».
  3. Впервые на квазимонохроматических аннигиляционных фотонах на ЛУЭ-100 при энергии фотонов E 10 МэВ и её разбросе E 300 кэВ измерено с прямой регистрацией осколков деления в поликарбонатных плёнках при автоматическом счёте протравленных треков сечение реакции 238U(,F).

Практическая значимость.

  1. Разработана методика оптимальной генерации позитронов и квазимонохроматических аннигиляционных фотонов на ЛУЭ-100 ИЯИ РАН, которая может быть использована на других ускорителях электронов.
  2. На пучках позитронов с энергиями E+ (1060) МэВ на ЛУЭ-100 проведён цикл измерений функций отклика и эффективностей регистрации черенковских и сцинтилляционных детекторов частиц, включая использованный на искусственных спутниках Земли спектрометр СЭЗ-8МА.
  3. Показана перспективность наработки в фотоядерных реакциях медицинских радиоизотопов для исследований, диагностики и терапии (включая однофотонную и позитронно-эмиссионную томографии и радиоиммунотерапию).

4

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

  1. Установка для генерации на импульсном линейном ускорителе электронов на бегущей волне ЛУЭ-100 прецизионных пучков позитронов и квазимонохроматических аннигиляционных фотонов («моно-») для исследований ГР в ядрах, включающая в себя систему транспортировки, формирования и анализа пучков электронов и позитронов с её наиболее функционально нагруженной частью – поворотно-анализирующей системой.
  2. Магнитный спектрометр позитронов.
  3. Результаты измерений дифференциального коэффициента конверсии (ee+) для оптимальных конвертеров при e энергиях E (2560) МэВ.
  4. Полученные полные коэффициенты (ee+) конверсии (I+/I для средних токов для e+ и e) на созданной на ЛУЭ-100 системе генерации позитронов.
  5. Результирующие потоки и спектры квазимонохроматических аннигиляционных фотонов, образуемых при конверсии (e+«моно-») на ЛУЭ-100.
  6. Измеренные на квазимонохроматических аннигиляционных фотонах сечения реакций 63Cu(,n) и 238U(,F) с разработанной методикой прямой регистрации осколков деления в поликарбонатных плёнках при автоматическом счёте протравленных треков.
  7. Разработанную методику и результаты измерений функций отклика и эффективностей регистрации черенковских и сцинтилляционных детекторов частиц с использованием для этого «одиночных» позитронов.
  8. Расчёты наработки на ускорителях электронов радиоизотопов для медицины.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

  1. VIII итоговой конференции Центра ядерных исследований (Харьков, 1971).
  2. Научной конференции МИФИ (М. 1971).
  3. Всесоюзной конференции «Разработка и практическое применение электронных ускорителей» (Томск, 1972).

5

  1. Международной конференции по физике электромагнитных взаимодействий (Германия, Майнц, 1979).
  2. Трех совещаниях-конференциях по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978; Дубна, 1980; Протвино, 1994).
  3. Трех совещаниях-конференциях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Рига, 1979; Ленинград, 1980; Санкт-Петербург 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 21 публикации.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общее количество страниц составляет 140, включая 45 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 168 наименований.

Личный вклад автора в выносимые на защиту результаты определяющий.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, показаны научная новизна и практическая значимость проведённых исследований, приведены выносимые на защиту основные результаты и положения.

В первой главе рассматривается получение на ЛУЭ-100 (импульсном, на бегущей волне) прецизионных пучков электронов и позитронов для генерации квазимонохроматических аннигиляционных фотонов с целью исследований ядер в области ГР. При этом была создана соответствующая установка (см. рис. 1) с основными частями: собственно сам ЛУЭ; система транспортировки, формирования и анализа получаемых пучков (СТФА, с 3 дипольными электромагнитами (М1М3) и 12 квадрупольными электромагнитами-линзами (Л1Л12)) с подчастью – поворотно-анализирующей системой (ПАС); системой четырех узлов конвертерных мишеней и на самом ЛУЭ, и на СТФА (КМ1КМ4); системой мониторирования пучков электронов и позитронов. Работы по сооружению и развитию ЛУЭ, созданию и развитию других частей этой установки (прежде всего, СТФА) шли параллельно и влияли друг на друга, ведя к улучшению достижимых параметров пучков электронов и позитронов. Пучок электронов ЛУЭ позволяет проверять свойства и юстировку магнитных элементов ЛУЭ и СТФА.

6

СТФА же совместно со своими мониторами позволяет измерять и настраивать различные существенные параметры пучков ЛУЭ (в частности, при генерации позитронов), благодаря чему были проведены исследования и настройки как целиком ЛУЭ, так и отдельных его систем. Такое параллельное развитие ЛУЭ и СТФА способствовало получению прецизионных пучков электронов и позитронов. Исследования, моделирование, реконструкция, юстировки и настройки этого ЛУЭ обеспечили пучки ускоренных электронов с: пучковой наработкой в несколько тысяч часов в год и несколько сотен часов в сеансе; более чем удвоенными максимальными средними токами до ~17 мкА; почти удвоенными максимальными энергиями до ~100 МэВ; расширенным диапазоном доступных энергий ~(6100) МэВ; разбросами по энергии до ~(±0,4)%.

В настоящей работе на СТФА накладываются жесткие требования анализа и проводки на десятки метров (для снижения фона от ЛУЭ целиком и (ee+) конвертера) без потерь полезных пучков позитронов, обладающих на порядки бльшими эмиттансами по сравнению с таковыми у электронов. Особенно важно отсутствие потерь на участке пучкопровода СТФА «90°» в области аннигиляционной мишени (из-за низкого допустимого коэффициента конверсии (e+«моно-»). Согласно проделанным расчетам оптимально выбрана и сооружена наиболее функционально нагруженная часть СТФА – ахроматическая ПАС с зеркальной симметрией, состоящая из двух секторных магнитов (245°) и четырёх линз между ними и обладающая разрешением до ~0,1% и аксептансами горизонтальным ~1,60103 мрад и вертикальным ~0,57103 мрад.

Для измерений дифференциального коэффициента конверсии K{E,E+} = I+/(IE++) разработан спектрометр e+ с захватываемыми относительным разбросом энергий (E+/E+) 1,3% и телесным углом + 0,5104 ср и низким фоном. При разных токах пучков e и e+ для измерений их распределений (поперечных, энергетических, фазовых, временных) разработаны мониторы (цилиндры Фарадея; магнитно-индукционные; вторичной эмиссии; люминесцентные; переходного или черенковского излучения; ионизационные и др.).

7

8

Имеются два подварианта методики генерации позитронов: без и с дополнительным их ускорением (для образуемых позитронов при (ee+) конверсии в толстых мишенях-конвертерах с большими Z и толщинами T). Для обоих подвариантов существенны, прежде всего, параметры пучка позитронов из конвертера, которые, к сожалению, плохо поддаются расчётам, так что нужны экспериментальные данные, которые для наиболее важного из этих параметров – дифференциального коэффициента конверсии K(E+,E) отсутствовали в нужной области энергий.

 Зависимости K(E+) при различных E для-1





Рис. 2. Зависимости K(E+) при различных E для Ta конвертеров толщиной T=1,3Xo.

a) b)

Рис. 3. Зависимости a) K(E+=(E+)i) и b) K(E+=(E+)i)/E от E для (E+)i=1=(E+)макс (сплошные кривые) и (E+)i=2=20 МэВ (штриховые кривые) при 9 МэВ E 220 МэВ. При E(2560) МэВ данные наши; при E25 МэВ данные из [1], нормированные на наши данные при E25 МэВ; при E60 МэВ данные из [2], нормированные на наши данные при E60 МэВ.

9

С помощью созданного спектрометра позитронов при E (2560) МэВ для оптимального по Z и T конвертера мы измерили K(E+,E) при нормальных падении электронов и испускании позитронов (см. рис. 2). «Сшивка» с данными работ [1,2] дала K для E(9220) МэВ (см. рис. 3 a) и b)), охватывая практически всю интересную для генерации позитронов область E и E+. Без дополнительного ускорения позитронов полученные K(E+,E) дают ход зависимостей конечных токов позитронов от их энергий (I+)к=f{(E+)к}. Оказывается, что при фиксированной мощности пучка электронов на конвертере, их оптимальные энергии (E)оптим (6090) МэВ (см. рис. 3 b)).

 Зависимости (I+)к макс при н опт и-4

Рис. 4. Зависимости (I+)к макс при н опт и w=20 см от (E+)к макс. 1– расчет для (E+)к=±150 кэВ и аксептанс СТФА (Vа) > e+ эмиттанса (Vэ); 2– расчет для (E+)к/(E+)к макс=±0,5% и Vа>Vэ; 3 и 4 – расчет и эксперимент для (E+)к/(E+)к макс=±0,5% и Vа<Vэ соответственно.

Для подварианта с дополнительным ускорением позитронов удалось, используя измеренные нами зависимости K(E+,E), развить реалистичную модель динамики дополнительного ускорения позитронов. Рассчитанные по этой модели зависимости: (I+)к=f{(E+)к}; (I+)к макс= f{(E+)к макс} (при некой неизменной напряженности СВЧ поля в «доускорителе» e+ и при разных её значениях соответственно (для последнего см. рис. 4)); (I+)к макс=f{н}, где начальный сдвиг фазы СВЧ волны в «доускорителе» н связан с фазовым скольжением позитронов в нем, хорошо согласуются с нашими экспериментальными результатами. Указанная модель позволила выявить эффективный диапазон начальных энергий (E+)н захватываемых в дополнительное ускорение e+ с конвертера, важный для проектирования согласующих и фокусирующих магнитных устройств

10

на части ЛУЭ – «доускорителе» e+, и дать рекомендации для оптимальных для «доускорения» позитронов фазовращателей в многосекционных ЛУЭ.

Описаны методические приёмы и результаты получения прецизионных пучков позитронов на ЛУЭ-100. На ЛУЭ-100 с и без дополнительного ускорения позитронов созданы их прецизионные пучки: 1) основные (с максимально достижимыми (I+)к при малых поперечном эмиттансе и разбросе ((E+)к/(E+)к); 2) калибровочные «одиночные». Доступные выходные параметры пучков позитронов: (E+)к(670) МэВ; ((E+)к/(E+)к)(12)%; (I+)к до ~109 e+/с. При этом максимальные полные коэффициенты конверсии (ee+) находятся на лучшем достигнутом мировом уровне при близких условиях.

 a) b) a) (I+)к/(I) от (E+)к для разных-5

a) b)

Рис. 5. a) (I+)к/(I) от (E+)к для разных конвертеров (номер на кривой – номер конвертера) на ЛУЭ-100 ИЯИ РАН, 2 максимумы кривых 2 от (E+)к при разном «доускорении» e+;

b) (I+)к от (E+)к из Saclay без «доускорения» e+ (кривая 1 [3]) и Giessen с «доускоренем» e+ (кривая 2 [4]) для ЛУЭ с близкими параметрами (на полных ускорителях E~70 МэВ; I~100 мкА; кривые 1 и 2 взяты для одинаковых значений (E+)к/(E+)к = 1%; в обоих случаях из пучков полученных позитронов выделяются с помощью практически одинаковых СТФА части с малыми и близкими друг другу поперечными эмиттансами).

Из проведенных расчетов и экспериментов на ЛУЭ-100, а также из анализа данных из Saclay и Giessen (см. соответственно рис. 5 a) и b) ) следует: для исследований ГР в атомных ядрах при E+~30 МэВ выгоднее получать позитроны

11

без их дополнительного ускорения, используя внешний по отношению к ЛУЭ конвертер (ee+).

Полученные на ЛУЭ-100 результаты по генерации позитронов пригодны и для иных импульсных резонансных ускорителей электронов при получении на них прецизионных пучков позитронов с возможным применением при этом освоенных на ЛУЭ-100 методик настройки и мониторирования таких пучков и, в частности, на импульсном разрезном микротроне РАМ-55 ФИАН [5].

Во второй главе рассмотрены свойства и оптимальные условия получения в мишенях с низкими Z фотонов от аннигиляции позитронов на лету с электронами мишени. Проведен анализ свойств сечений образования коллимированных квазимонохроматических фотонов от аннигиляции позитронов на лету («моно-»), важный для выбора конкретных вариантов методики использования аннигиляционных фотонов и определения их потоков и спектров. Подчеркнуто: в отличие от случая тормозных фотонов существующая теория позволяет проводить расчеты с высокой точностью, что особенно важно при прецизионных исследованиях структуры ГР в атомных ядрах. Для превалирующей двухфотонной аннигиляции в лабораторной системе вперёд под углами a по отношению к направлению движения падающего на мишень позитрона испускаются «жёсткие» аннигиляционные фотоны, энергия которых E зависит от a и при a=0 составляет (E++/2), где E+ и – полные энергии падающего позитрона и покоящегося электрона соответственно. Полная ширина по E распределения сечения образования таких фотонов на половине высоты (FWHM) составляет /2, что и задаёт масштаб монохроматичности, которую можно без значительной потери достижимой интенсивности ожидать в используемой методике получения «моно-». Различие угловых распределений образуемых в мишени аннигиляционных и тормозных фотонов позволяет менять соотношение между ними при внеосевом коллимировании в пользу первых (правда с существенным снижением интенсивностей этих фотонов). С другой стороны, использование мечения при регистрации совпадений с «мягким» фотоном от двухфотонной

12

аннигиляции – ещё один путь подавления этого фона (а также и иных фонов, хотя в этом случае имеет место сильная конкуренция со стороны методики мечения тормозных фотонов при совпадениях с испустившими их e).

 Зависимости полного коэффициента-7

Рис. 6. Зависимости полного коэффициента конверсии e+«моно-» от E+=+ для Be мишеней толщиной 1– T=0,5 мм и 2– T=1,0 мм при углах приосевого коллиматора c: a) 0,40102 рад; b) 0,97102 рад; c) 1,74102 рад; d) 2,88102 рад. Крестики – Монте-Карло расчет [6].



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.