Общая характеристика работы (стр. 12 )

Несомненный интерес и важность представляет использование в межпланетном полете и на лунной базе методов акустотермометрии и радиотермометрии для оценки и контроля состояния человека, в частности, перед выполнением тяжелой физической работы (выход в открытый космос, на поверхность планеты и т. п.).

Крайне желательно, на наш взгляд, применение методов и средств измерения глубинной температуры для оценки и контроля состояния организма (например, температуры головного мозга) и физической работоспособности при работе в экстремальных условиях, характеризующихся сложным тепловым режимом. Целесообразно их использование также в спортивной медицине.

Методы корреляционной термометрии (акустической и радио) открывают достаточно широкие возможности в других областях деятельности (вплоть до поисковых работ в чрезвычайных ситуациях).

Глава 4. посвящена вопросам метрологического обеспечения радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц применительно к межпланетным и околоземным космическим полетам. При подготовке межпланетного полета необходимо проведение широкого круга радиационно-физических и радиобиологических исследований с использованием ускорителей заряженных частиц. При этом потребуются неразрушающие пучок высокоточные методы диагностики.

Во Введении к главе 4 рассматриваются вопросы измерения спектрального распределения по скорости ускоренных заряженных частиц (электронов, тяжелых ионов большой энергии и др.) в пучках ускорителей, что представляется весьма важным для контроля облучения. Кратко обсуждаются недостатки существующих методов измерения распределения по скорости частиц на ускорителях ионов (по времени пролета, по пробегу, активационным методом). Кроме того, эти методы не являются не разрушающими пучок и не применимы для постоянного контроля работы ускорителей, что важно в эксперименте.

Использование магнитных спектрометров пучков электронов высокой энергии также связано с известными из литературы трудностями. Эти трудности возрастают, если от ускорительной установки требуется компактность. Метод не является неразрушающим.

Давно известны методы определения спектра частиц по скорости и, соответственно, по энергии на основе измерения угла раствора излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) или диаметра колец света в фокусирующей оптической системе. Однако рассеяние заряженных частиц в радиаторе, в котором генерируется ИВЧ, а также дисперсия его вещества, т. е. зависимость показателя преломления и, соответственно, угла раствора ИВЧ от длины волны, снижают точность метода. Рассеяние серьезно затрудняет или даже делает невозможным применение классических черенковских методов в случае замедления и рассеяния пучка с помощью поглотителей для снижения его энергии и увеличения сечения. Такой прием является довольно обычным, особенно, в радиобиологических экспериментах.

Что же касается использования классических черенковских методов для пучков ускорителей электронов, в частности, пучков высокой интенсивности, то оно затруднено тем, что электроны в них обладают заметной поперечной скоростью. Это существенно «смазывает» угловое распределение ИВЧ. Кроме того, переходное излучение (ПИ), возникающее на входном и выходном окнах черенковского датчика, накладывается на угловое распределение ИВЧ и дополнительно усложняет анализ.

Вот почему разработка более эффективных и к тому же неразрушающих методов измерения скорости (энергии) заряженных частиц и их спектрального распределения в пучках ускорителей по-прежнему является актуальной и важной задачей. Разумеется, область возможного применения неразрушающих методов диагностики и контроля пучков ускорителей намного шире – от ускорителей в промышленности, используемых для радиационно-технологических процессов, и до ускорителей электронов и ионов для радиационной терапии и хирургии. Целесообразна разработка методов, которые были бы в известной мере универсальны

Нами обоснована возможность определения распределения скоростей частиц в пучках с использованием нелинейного участка зависимости интенсивности ИВЧ пучка заряженных частиц от фазовой скорости электромагнитных волн.

Предлагаемые методы пригодны для определения скоростей частиц при их произвольном угловом распределении, что абсолютно исключено в классических черенковских методах. Они являются практически неразрушающими и могут оказаться особенно удобными для определения энергии и энергетического распределения частиц в пучках ускорителей и вообще в импульсных радиационных полях большой мощности, возникающих, например, в критических экспериментах. В принципе методы могут «работать» и в оптическом, и в радиочастотном диапазоне. Ниже рассматриваются методы, развитые для оптического диапазона.

В п. 4.1 рассматривается метод определения средней скорости монохроматического пучка электронов по зависимости интенсивности ИВЧ оптическом диапазоне от давления газообразного радиатора, предложенный еще в 50-х годах прошлого столетия в работах (Bhidey et al., 1958, Jennings et al., 1960). Он основан на следующем. Если постепенно повышать давление p газообразного радиатора ИВЧ, то после того, как пройден черенковский порог для электронов с минимальной энергии в пучке, интенсивность ИВЧ в некотором диапазоне давлений начинает зависеть от p линейно. В точке пересечения экстраполированной прямой зависимости интенсивности ИВЧ от давления газа с фоновым значением интенсивности определяется показатель преломления газа n*. Величина 1/n* соответствует средней скорости частиц пучка в единицах скорости света.

Метод использовали для определения средней скорости пучка электронов микротрона. Ширина распределения пучка с помощью магнитной фокусирующей системы, установленной перед камерой с газом - радиатором, была снижена до ± 4 кэВ по сравнению с ± 50 кэВ на выходе микротрона. Имелся очень короткий нелинейный участок по n из-за дополнительной немонохроматичности пучка, которая была обусловлена рядом причин, в том числе, потерями энергии во входном окне и в газе – радиаторе. Чтобы снизить влияние дисперсии света в радиаторе, перед фотоумножителем был установлен фильтр с полосой пропускания 10 нм. В работе (Jennings et al., 1960) было сделано важное усовершенствование: показатель преломления находили не по давлению газа, как в работе 1958 г., а непосредственно контролировали встроенным интерферометром Жамена.

На возможность определения распределения частиц по скоростям по участку нелинейной зависимости интенсивности излучения от давления, авторы упомянутых работ не обратили внимания. В работе (De Almeida et al., 1974), в которой спустя полтора десятилетия был предложен тот же метод для определения распределения скорости (энергии) электронов на выходе ускорителей медицинского назначения, но без ссылок на работы (Bhidey et al., 1958, Jennings et al., 1960), наличие нелинейного участка даже не отмечено.

В 4.2 рассматривается метод нахождения спектра скорости частиц в пучке по зависимости интенсивности ИВЧ в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора.

В работах (Trukhanov et al., 1977, Вайнер, Труханов, 1979, Труханов, 1990, Trukhanov, Shvedunov, 2004, Trukhanov, Poliektov, Shvedunov 2004) соискателя и др. было показано, что именно нелинейный участок зависимости интенсивности ИВЧ в координатах I(n-2) позволяет находить уже не среднюю скорость частиц в пучке, а их распределение по скорости. Если потребовать, чтобы оптическая система собирала на фотоприемник одну и ту же долю ИВЧ, испускаемую частицами независимо от места и направления их пролета через радиатор, то спектр по скорости можно найти даже в случае произвольного и неизвестного углового распределения частиц, что совершенно исключено в других методах.

При измерении спектра пучка ускорителя указанное выше условие светособирания выполняется элементарно. В случае произвольного углового распределения частиц оно реализуется, например, в шаровом черенковском детекторе.

Рассмотрим случай оптического диапазона. Если показатель преломления равен n(ν), то число фотонов Nph частоты ν в единичном частотном диапазоне, достигающих фотоприемника (фотоумножителя), можно записать как (Труханов, 1990):

(4.1),

где f(β) - распределение частиц в пучке по скорости, m – длина пути частицы в радиаторе, g – некоторый множитель. Уравнение (4.1) представляет по отношению к интересующей функции f(β) интегральное уравнение Вольтерра первого рода, правая часть которого задана с погрешностью. Его решение относится к так называемым некорректно поставленным (или плохо-обусловленным) задачам. Однако в последние десятилетия были развиты новые эффективные подходы к ним, позволяющие получать устойчивые решения.

Преобразуем уравнение (4.1) в уравнение типа свертки (Труханов, 1990). Введем переменные:

(4.2)

Имеем:

(4.3)

Последовательно дифференцируя (4.3), получим решение:

. (4.4)

В работах (Trukhanov et al., 1977, Вайнер, Труханов, 1979, Труханов, 1990) решение уравнения (4.1) было выражено через первую и вторую производные интенсивности ИВЧ. В п. 4.2 обращается внимание также на то, что уравнение (4.1) было записано в работе (Труханов, 1990) не для числа фотонов, а для интенсивности. Запись через число фотонов в наших последующих работах (Trukhanov, Shvedunov, 2004а, Trukhanov, Poliektov, Shvedunov 2004б) и в настоящей работе более соответствует специфике фотоприемников.

По измерениям I(n) при 1/n < β min , т. е. по линейному участку зависимости I(1/n2), найти вид спектра нельзя. Действительно, преобразуем уравнение (4.1), считая, что функция f(β) нормирована к 1:

(4.1а)