книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

Фи г . 7. Позитронный конвертер.

катуш ки'п ерв ого соленоида (вес 18 кг)-, 2 — железо; 3 — коллиматор; 4 — привод конвертера; 5 — ка туш ки второго соленоида (вес 2,4 /сг); 6 — волновод ускорителя.

дается, испуская нейтрон. Обычно энергетический порог фотона для этой реакции составляет 8—12 Мэе. Если энергия пучка электронов превышает 30 Мэз, то толстая мишень из урана-238 дает (3-^-7)-1012 нейтронов на 1 кет мощности пучка электронов. Этот выход был уве­ личен примерно в 50 раз при использовании подкритиче­ ской сборки. Можно полагать, что коэффициент умноже­ ния 1000 также принципиально достижим. Эмиссия ней­ тронов относительно изотропна. Распределение энергий имеет максимум интенсивности при энергии нейтронов менее 1 Мэе. Если для получения эффективного тормоз­ ного излучения вслед за тонкой мишенью из тяжелого ме­ талла расположить толстую мишень из такого легкого материала, как двуокись кремния, то с помощью фотоядерного резонанса можно вызвать эмиссию нейтронов с пиковой интенсивностью в диапазоне 5—7- Мэе.

4. Конвертер пионов. Если в ядро попадает обладаю­ щий большой энергией фотом, то возбудившееся ядро может распасться и испустить отрицательный пи-мезон (хг) при реакции типа у + п -*■ р+ + лг или положитель­ ный пи-мезон (я+) при реакции типа у -1- р+ п + я+ Пусть для получения тормозного излучения пучок элек­ тронов с энергией 400 Мэе и мощностью 40 кет проникает в мишень из тяжелого металла на Г/Урадиационной длины (например, 3 мм для вольфрама), а для у — я-превра- щения используется стержень из бериллия с малым диа­ метром, равным радиационной длине. Тогда можно полу­ чить поток 106 п~-частиц/(см2•сек), характеризующийся максимальной энергией пионов 50 ± 8 Мэе на расстоя­ нии 30 см от конвертера. Ниже описано применение тако­ го пучка л-частиц для лечения рака.

В. Измерения. Часто требуется измерять интенсив­ ность и определять положение пучка электронов, не пре­ рывая его. Для мощных пучков используются индуктив­ ные и емкостные зонды итороидальные импульсные транс­ форматоры тока. Чтобы увеличить чуствительность изме­ рений интенсивности, применяют объемные резонаторы, работающие на ТМ010-виде, а для измерения положе­ ния — на ГМцо-виде. Если в пучок поместить тонкую металлическую фольгу, то по вторичным электронам, вылетевшим из нее, можно судить об интенсивности пер­

вичного пучка и о его положении. Величина вторично­ эмиссионного тока, получаемого с поверхности фольги, составляет 1,75% первичного тока. На фиг. 5 выходное окно расположено ниже анализирующего магнита, откло­ няющего на 90°, так что положение пучка является функ­ цией энергии пучка. Вторичные электроны, излученные с поверхности окна обратно, собираются двумя коллек­ торными пластинами и ток этих пластин сравнивается. Если токи равны, значит, энергия основного пучка, за­ фиксированная 90°-магнитом, концентрируется на окне. Если есть возможность остановить пучок электронов или ослабить его в мониторе, то при малых токах можно вос­ пользоваться ионизационными камерами, полупровод­ никовыми детекторами или сцинтилляторами, а при лю­ бых токах — цилиндрами Фарадея. Для измерения об­ щей дозы облучения пользуются химическими дозимет­ рами, пластмассами и фотопленкой.

Если пучок рентгеновских лучей сильно затухает, то пользуются тонкостенными ионизационными камерами. Входная стенка, где это допустимо, делается толще, что увеличивает чувствительность за счет превращения ча­ сти потока рентгеновских лучей во вторичные электроны, интенсивнее ионизующие газ камеры. Если поток рент­ геновских лучей можно произвольно ослаблять, то для большей точности измерений ионизационную камеру окружают материалом, который наращивается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Это значит, что число излученных вторичных электронов равно числу остановленных и поток вторичных электронов через ка­ меру постоянен. Для измерения интенсивности потока используются также полупроводниковые мониторы, на­ пример из сульфида кадмия. Для измерения энергии фо­ тонов применяются сцинтилляторы из йодистого натрия и детекторы из легированного литием германия или крем­ ния.

Г. Защита и оборудование. Первоочередной проблемой для ускорителей с энергией меньше 20 Мэе является за­ щита от тормозного рентгеновского излучения в направ­ лении движения пучка электронов. При энергиях выше 20 Мэе главной задачей становится уже экранирование от быстрых нейтронов, испускаемых в направлениях, не

совпадающих с осью первичного пучка, а для энергий выше 1000 Мэе — экранирование от мезонов.

Например, пучок электронов с энергией 25 Мэе и мощностью 10 кеш, попадая на тяжелую металлическую мишень, образует направленный вперед лепесток рент­ геновского излучения с мощностью дозы 50 000 р/мин на расстоянии 1 м, что соответствует 3- Ю7 мр/нас на расстоя­ нии 10 м. Чтобы ослабить этот пучок на расстоянии 10 м от источника рентгеновских лучей до безопасного для обращения с ним уровня, требуется экран толщиной при­ мерно в семь слоев десятикратного ослабления. Для тормозного рентгеновского излучения с такой энергией толщина слоя десятикратного ослабления для обычного бетона составляет ^ 6 0 см.

Таким образом, экран из обычного бетона должен иметь толщину 4,2 м. Эту толщину можно уменьшить на один или два слоя десятикратного ослабления, т. е. свести к 3 м или 3,6 м в зависимости от того, сколько времени пучок распространяется в данном направлении и какое время обслуживающий персонал находится в экранируе­ мой области.

Количество быстрых нейтронов составляет приблизи­ тельно 3* 1013 нейтронкек и 2 - 107 нейтрон1см2-сек на расстоянии Юм. Для защиты от нейтронов, испускаемых не в направлении пучка, ускоритель потребовалось бы окружить экраном толщиной в семь слоев десятикратно­ го ослабления, что соответствует 2,2 м обычного бетона.

Интенсивность неосевых рентгеновских лучей мень­ ше и составляет ^ 3 % интенсивности лучей в прямом на­ правлении, а энергия их фотонов не выходит за пределы 2—3 Мэе. В этом случае толщина слоя десятикратного ослабления для обычного бетона составляет около 30 см. Таким образом, экранировка от нейтронов обеспечивает надежную защиту и от неосевых рентгеновских лучей. Местная экранировка мишени свинцом и железом может уменьшить требуемую толщину стенок экрана до двух или трех толщин слоя десятикратного ослабления.

Что касается организации промышленного процесса облучения, то проникновение излучения в экранирующие стенки при движении конвейера и продукции выдвигает серьезную проблему обеспечения достаточного, затухания

в экранирующей системе. Фотоны рентгеновского излу­ чения, отраженного от бетонной стенки, обладают энер­ гией около 0,5 Мэе и интенсивностью ^ 1 % интенсивности падающего излучения. Троекратное отражение в общем случае уменьшит неосевое излучение до уровня ниже 10~7 уровня излучения в прямом направлении.

Для установки с энергией 6 Мэе, используемой для терапии рака, типична номинальная мощность дозы 350 р/мин на расстоянии 1 м в поле обработки и 0,1% указанного значения вне этой области. Для поглощения первичного пучка используется железо толщиной 30 см и слой бетона толщиной 60 см. Остальную часть стенок и потолок выполняют из бетона толщиной 60—90 см.

IV. Применение в научных исследованиях

А. Физика элементарных частиц. Физику элементар­

всевозможные взаимодействия, комбинации и возбужден­ ные состояния. Обычно для их исследования использу­ ются ускорители с энергией выше 1000 Мэе. В этом диапа­ зоне энергий ЛУЭ работают непосредственно, а в диапа­ зоне от 20 до 500 Мэе их используют в качестве инжекто­ ров для электронных синхротронов с энергиями до 10 000 Мэе. В качестве инжекторов с энергией 300— 500 Мэе ЛУЭ служат для накопительных колец со встреч­ ными пучками с энергией до 3000 Мэе. Во всех этих слу­ чаях представляет интерес ускорение как позитронов, так и электронов. Например, при аннигиляции пучка позитронов в легкой металлической мишени могут воз­ никнуть фотоны с почти одинаковой энергией. В электрон­ но-позитронном накопительном кольце энергия всех столк­ новений выражается в лабораторной системе координат. Таким образом, энергии 1500 Мэе на пучок достаточно, чтобы вызвать образование пар частица — античастица

снаибольшей известной массой покоя.

Б.Физика ядра. Физика ядра изучает структуру атомных ядер, состав и движение протонов и нейтронов внутри ядра и ядериые силы, действующие между этими нуклонами. Чтобы зондирование ядра электронами было

точным, длина волны де Бройля для электрона должна быть меньше диаметра нуклона. Для этого энергия элек­ трона должна быть достаточной, но не чрезмерно большой. Уровень 400 Мэе оказывается приемлемым с точки зре­ ния получаемой разрешающей способности. При гораздо более высоких энергиях вместо зондирования происходит ядерный распад и в конечном продукте эксперимента на­ чинают преобладать мезоны.

Существующие мощные ЛУЭ обеспечивают длитель­ ность импульса пучка 1—2 мксек при частоте повторения 50—60 имп/сек, а в отдельных случаях 1000 имп/сек, что соответствует коэффициенту заполнения 0,01—0,1%1. На фиг. 8 показан электронно-позитронный линейный ускоритель с энергией 100 Мэе и коэффициентом запол­ нения 0,1%. В экспериментах с неупругим рассеянием электронов требуется точно измерять (по совпадению) энергию электрона, входящего в ядро, и энергию и угол электрона и всех других частиц, вылетающих из ядра. Для того чтобы уровень сигнала был выше фона, созда­ ваемого тормозным излучением, важно, чтобы электрон­ ный пучок работал в режиме с большим коэффициентом заполнения. Отношение полезного счета к счету случай­ ных совпадений пропорционально коэффициенту запол­ нения в первой степени для двойного совпадения и его квадрату для тройного. Так, например, уже созданы ЛУЭ для исследований в области физики строения ядра с коэффициентом заполнения 1—3%; ускоритель с коэф­ фициентом заполнения 10% находится в стадии разработ­ ки, а получение коэффициента заполнения 100% является задачей, решение которой связано с созданием криоген­ ных ускорителей.

В. Химия. Свободным радикалом является атом или молекула с нечетным числом электронов, так что спин лишнего электрона не имеет лары. Свободный радикал обладает высокой химической активностью, так как лег­ ко связывается с другим атомом или молекулой и образует пары спинов электронов. В качестве примера свободного

1 Электронно-позитронный линейный ускоритель в Сакле (Фран­ ция) имеет более высокие показатели: длительность импульсов 10 мксек, частота повторения 1000—2000 имп}сек и соответственно коэффициент заполнения 1—2 % .— Прим. ред.