Шраменко Борис Іванович. Електромагнітне випромінювання, що генерується пучками електронів та позитронів високих енергій в монокристалах та аморфному середовищі: дисертація д-ра фіз.-мат. наук: 01.04.20 / Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний ін-т". - Х., 2003.
Анотація до роботи:
Шраменко Б.І. Електромагнітне випромінювання, що генерується пучками електронів та позитронів високих енергій в монокристалах та аморфному середовищі.– Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.20.– фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 2003.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми, пов`язаної з експериментальним пошуком можливостей підвищення ефективності перетворення енергії заряджених частинок високих енергій у g-випромінювання на основі комплексного вивчення процесів взаємодії електронів та позитронів з орієнтованими монокристалами та аморфним середовищем. Вивчено багатократне розсіяння електронів, повні радіаційні втрати енергії електронами, спектральні та кутові характеристики g-випромінювання електронів та позитронів та інші процеси. Проведено аналіз експериментальних даних та порівняння їх з теоретичними моделями, з`ясовано вклад різних механізмів взаємодії частинок з монокристалами у випромінювання електронів та позитронів. Визначено оптимальні параметри монокристалу як джерела квазімонохроматичного та гостроспрямованого g-випромінювання високої інтенсивності. Одержано на ЛПЕ-2 ГеВ пучок квазімонохроматичних g-квантів шляхом аннігіляції позитронів як в аморфній мішені, так і в орієнтованих монокристалах кремнію та германію. Сформульовано пропозиції з практичного застосування здобутих результатів для вирішення фундаментальних та прикладних задач.
В дисертаційній роботі вирішена важлива проблема фізики електромагнітної взаємодії релятивістських частинок з упорядкованим середовищем – підвищення ефективності перетворення енергії заряджених частинок високих енергій у g-випромінювання шляхом застосування монокристалічного конвертора. Вирішення цієї проблеми вперше здійснено на основі комплексного вивчення процесів розсіювання й випромінювання заряджених частинок в монокристалах та оптимізації умов взаємодії електронів та позитронів з орієнтованими монокристалами для одержання інтенсивного, квазімонохроматичного та гостроспрямованого g-випромінювання. Основні експериментальні дані отримано з використанням лінійного прискорювача електронів з енергією до 2 ГеВ, а також потужних технологічних прискорювачів електронів Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”. Установлено основні механізми випромінювання електронів та позитронів з енергією @ 1 та 10 ГеВ в монокристалах та знайдено оптимальні параметри монокристалічного конвертора. Сформульовано пропозиції з практичного застосування одержаних результатів для вирішення фундаментальних та прикладних задач.
1. На "прямому" виході лінійного прискорювача електронів ЛПЕ-2 ГеВ створено експериментальну базу, яка включає установки та методики вимірювань для проведення досліджень з взаємодії електронів та позитронів з енергією @ 1 ГеВ з монокристалами: фотонні канали під різними кутами q до напрямку прямого пучка (2.10-2 рад; 5, 30 та 45о); спектрометричне обладнання на основі детекторів повного поглинання с високим енергетичним розділенням в інтервалі 0,13000 МеВ; установку та методику вимірювання спектрів g-випромінювання в інтервалі 0,1< w < 600 МеВ з застосуванням комптонівського розсіювання g-квантів на заданий кут ( » 5о), що дало змогу позбутися викривлень спектру, зумовлених “множинним” народженням кількох g-квантів одним електроном, та одержати дані з “істиних” спектрів випромінювання заряджених частинок в мішенях довільної товщини.
Cтворення експериментальної бази на прямому виході прискорювача ЛПЕ-2 ГеВ (додатково до існуючої за “паралельним переносом пучка”) забезпечило проведення досліджень з взаємодії електронів та позитронів з монокристалами та дозволило також значно розширити можливості використання ресурсу пучкового часу ЛПЕ-2 ГеВ.
2. Вивчено багатократне розсіяння електронів як функцію товщини орієнтованих монокристалів кремнію та показано, що відношення середньок-вадратичних кутів розсіяння орієнтований / розорієнтований кристал - Rscat= < q 2 >1/2<111> / < q 2 >1/2randomзбільшується по мірі зменшення товщини кристалу.
Отримані експериментально кількісні дані з багатократного розсіяння електронів орієнтованими монокристалами вперше показали, що динаміка негативно заряджених частинок зазнає найбільших змін на товщинах, які складають декілька десятків мікрометрів, що необхідно ураховувати в теоретичних моделях, що описують процес.
3. Проведено систематичні дослідження залежності повних радіаційних втрат (DW) електронів з енергією 1,2 ГеВ від товщини орієнтованих (вісь <111 >) монокристалів кремнію (в широкому інтервалі товщин від 10-4до
0,7 рад. довжини). Вивчено вплив атомного номера (Z) монокристалу та початкової енергії електронів (Ео) на повні радіаційні втрати енергії: визначено коефіцієнти перетворення енергії електронів в енергію g-квантів h = DW/Eо (в %) та їх залежність від товщини кристалів; показано, що яскравість g-випромінювання (DW/DW) електронів з енергією 1,2 ГеВ в монокристалі кремнію змінюється зі зміною енергії електронів в інтервалі
0,3 - 1,75 ГеВ згідно закону ~ Ео3. На основі даних з повних радіаційних втрат електронів вдалося визначити один з головних параметрів — оптимальну товщину монокристалу, що забезпечує найбільш ефективне перетворення енергії прискорених електронів в g-випромінювання.
4. Виконано цикл досліджень спектральних характеристик випромінювання позитронів з енергією @ 1 ГеВ, які рухаються в монокристалах кремнію та діаманту у режимах осьового та площинного каналювання, внаслідок чого вперше експериментально виявлено ефект значного перевищення інтенсивності (в низькоенергетичній частині спектру) випромінювання канальованих позитронів в порівнянні з їх випромінюванням в аморфній мішені; вперше виявлено тонку структуру спектру випромінювання позитронів з енергією @ 1 ГеВ, канальованих в площинних та осьових каналах монокристалів діаманту (80 мкм) та кремнію (180 мкм).
Показано, що отримані експериментально дані при енергії позитронів 1 та 10 ГеВ узгоджуються з розрахунками згідно формул, які описують процес у дипольному наближенні, та з урахуванням недіпольності, підтверджують правильність теоретичних положень про переважаючий механізм випромінювання позитронів в орієнтованих монокристалах - "випромінювання при каналюванні", коли позитрони захоплюються у зв’язані стани в осьових або площинних каналах монокристалів.
5. Виконано цикл досліджень спектральних характеристик випромінювання електронів з енергією 1,2 ГеВ в орієнтованих монокристалах кремнію, діаманту та вольфраму. Проведено систематичні дослідження впливу товщини монокристалів кремнію на інтенсивність та спектральні характеристики випромінювання електронів у широкому інтервалі ідентичних по досконалості монокристалів кремнію, одержані абсолютні значення виходу
g-квантів на електрон; показано, що для гостроспрямованого ( в кут @ mc2/Ео ) g-випромінювання електронів з енергією 1,2 ГеВ в орієнтованому кристалі кремнію (вісь <111>) форма спектру та положення максимуму інтенсивності практично не залежать від товщини кристалів. Виявлено 26-кратне збільшення інтенсивності g-випромінювання (середньої по інтервалу
10 25 МеВ) в орієнтованому монокристалі кремнію оптимальної товщини по відношенню до аморфної мішені; указане збільшення зберігається достатньо високим (»20 ) аж до товщин монокристалів @ 0,7 рад. довжини.
Отримані результати з спектральних характеристик g-випромінювання електронів в орієнтованих монокристалах (підтвердивши дані про оптимальну товщину монокристалу, що витікають з повних радіаційних втрат електронів) дозволили визначити оптимальну товщину монокристалічного конвертора, що забезпечує максимальне перевищення над рівнем аморфної мішені інтенсивності g-випромінювання в “ядерно-активній” області спектру випромінювання, яка особливо важлива при створенні джерел g-випромінювання для практичного застосування.
6. Досліджено кутові розподіли g-випромінювання електронів з енергією 1,2 ГеВ в широкому інтервалі товщин орієнтованих монокристалів кремнію двома методиками: методом “наведеної активності” та шляхом безпосередньої реєстрації g-випромінювання спектрометром повного поглинання. Виявлено, що для орієнтованих монокристалів кремнію(з товщинами, близькими до оптимальної) ширини кутових розподілів g-квантів (з енергією, характерною для максимуму в спектрі випромінювання @ 15 МеВ) більш, ніж у 2 рази менші ширини кутових розподілів g-квантів з аморфних мішеней. На основі узгодження експериментальних даних (кутових розподілів) з розрахунками згідно моделі, яка ураховує випромінювання надбар’єрних частинок, показано, що головним механізмом випромінювання електронів в орієнтованих монокристалах середніх та великих товщин є випромінювання "надбар’єрних частинок".
Ефект звуження конусу g-випромінювання електронів дає додаткові переваги для практичного застосування орієнтованих монокристалів кремнію в якості джерела інтенсивного, квазімонохроматичного g-випромінювання з високим ступенем гостроспрямованості (включаючи застосування таких джерел в задачах спеціального призначення ).
Виявлено "ефект відхилення" просторового положення пучка електронів з енергією 1,2 ГеВ шляхом відхилення осі <111> монокристалу кремнію, що відкриває можливість його застосування в радіаційних технологіях, як засобу управління просторовим положенням пучка електронів при скануванні об`єкту опромінення.
7. Отримано пучок квазімонохроматичних g-квантів високої енергії (720 МеВ) шляхом аннігіляції "на льоту" позитронів з енергією 1 ГеВ в аморфній мішені берилію та досліджено особливості аннігіляції позитронів в орієнтованих монокристалах. Вивчено вплив каналювання позитронів з енергією 1 ГеВ в монокристалі кремнію на процес аннігіляції; показано, що при проходженні позитронів через кристал в режимі осьового каналювання відношення числа аннігіляційних g-квантів до гальмових — Ngан/ Ngгальм (яке є однією з головних характеристик аннігіляційного квазімонохроматичного g-випромінювання) збільшується більш ніж у 5 разів; виявлений ефект захищено авторським свідоцтвом.
Цей метод монохроматизації g-випромінювання дозволяє підвищити точність вимірювань в дослідженнях електромагнітних процесів в фізиці середніх та високих енергій.
8. Проведено аналіз сукупності експериментальних даних з радіаційних втрат енергії електронів та позитронів різних енергій в орієнтованих монокристалах.
Установлено закономірності і основні фізичні механізми випромінювання заряджених частинок в орієнтованих монокристалах та фактори, які відповідають за ефективність генерації g-випромінювання, визначено оптимальні параметри монокристалічного конвертору, які забезпечують максимальне перевищення інтенсивності g-випромінювання з орієнтованого монокристалу над рівнем випромінювання з аморфної мішені та максимальний коефіцієнт перетворення енергії електронів в інтенсивне, квазімонохроматичне та гостроспрямоване g-випромінювання і, тим самим, показані переваги монокристалів як конверторів електронів у гамма-випромінювання.
9. На інтенсивних g-пучках (з аморфних радіаторів) технологічних прискорювачів електронів з потужністю 10-20 КВт типу "ЕПОС" та "КУТ" НДК "Прискорювач" ННЦ ХФТІ (паралельно з основними радіаційними програмами) реалізовано напрацювання надкоротковічних (УКЖ)-ізотопів 11C, 13N, 15O та 18F для ядерної медицини з питомими активностями, достатніми для подальшого виготовлення на їх основі діагностичних фармпрепаратів для позитрон-емісійної томографії.
Запропоновано варіант створення на базі прискорювачів ННЦ ХФТІ Центра позитрон-емісійної томографії (ПЕТ).
10. Сукупність викладених в дисертації експериментальних даних (зокрема, багаторазове – у 26 разів – збільшення спектральної щільності g-випромі-нювання з орієнтованого монокристалу оптимальної товщини, а також більш ніж дворазове звуження ширини кутового розподілу g-квантів та ін.) свідчить про те, що на основі взаємодії пучків заряджених частинок з орієнтованими монокристалами можливе створення унікальних джерел інтенсивного, гостроспрямованого, квазімонохроматичного та поляризованого g-випромі-нювання з характеристиками, що суттєво перевищують характеристики випромінювання з аморфних мішеней.
11. Отримані результати відкривають нові можливості практичного застосування орієнтаційних ефектів в монокристалах для вирішення задач фундаментального та прикладного характеру, пов`язаних з підвищенням інтенсивності, монохроматичності та гостроспрямованності g-випромінювання: підвищення виходу продуктів електро- та фотоядерних реакцій (нейтронів, протонів та ін.); контроль наявності матеріалів, що поділяються або вибуховонебезпечних матеріалів; підвищення ефективності впливу g-випромі-нювання на матеріали та об`єкти в радіаційних технологіях; підвищення ефективності методів елементного аналізу речовини; трансмутація матеріалів та радіоактивних відходів та інше.
Публікації автора:
Экспериментальные исследования электромагнитных процессов в монокристаллах / Бочек Г.Л., Витько В.И., Коваленко Г.Д., Шраменко Б.И.-Харьков. –ННЦ ХФТИ. -1998. -112с. (монографія).
Shramenko B.I. Advantages of a single crystall as an electron-photon converter for various applications // Nuclear Instrum.and Meth.in Physics Research В.- 1998.- Vol.139.- P.537-540.
Шраменко Б.И. Монокристалл как конвертор для преобразования энергии релятивистских электронов в гамма-излучение // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение.- 1992.- Вып. 1(58), 2(59).- С.116-125.
Шраменко Б.И., Витько В.И., Гришаев И.А. Влияние спектра излучения электронов высокой энергии в монокристалле на выход фотонейтронов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента.- 1978.- Вып. 1(1).- С.50-51.
Гришаев И.А., Коваленко Г.Д., Шраменко Б.И. Увеличение выхода фотонейтронов из аморфных мишеней, вызванное излучением ультрарелятивистских электронов в монокристалле // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента.- 1979.- Вып. 1(3).- С.50-53.
Автоматизация измерения спектров гамма-квантов с помощью ЭВМ / Борискин В.Н., Бочек Г.Л., Витько В.И., Гришаев И.А., Кулибаба В.И., Мельниченко В.В., Шраменко Б.И. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Автоматизация и математическое обеспечение физического эксперимента.- 1975.- Вып. 1(5).- С.37-38.
Излучение релятивистских электронов в монокристаллах алмаза / Бочек Г.Л., Витько В.И., Гришаев И.А., Жебровский Ю.В., Коваленко Г.Д., Колесников Л.Я., Кулибаба В.И., Рубашкин А.Л., Шраменко Б.И. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента.- 1979.- Вып. 2(4).- С.44-47.
Бочек Г.Л., Кулибаба В.И., Шраменко Б.И. Сцинтилляционный гамма-спектрометр на основе кристалла CsI(Tl)150х275 мм // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента.- 1980.- Вып. 2(6).- С.46-48.
Исследование особенностей аннигиляции каналирующих позитронов высокой энергии в монокристаллах кремния / Бочек Г.Л., Гришаев И.А., Кулибаба В.И., Шраменко Б.И. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента.- 1980.- Вып. 1(5).- С.57-60.
Исследование аннигиляционного и тормозного излучений позитронов с энергией 1 ГэВ в монокристаллах кремния и германия / Бочек Г.Л., Гришаев И.А., Кулибаба В.И., Шраменко Б.И. // УФЖ.- 1983.- № 1.- С.114-116.
Measurement of frequencies in phonon-photon conversion by 1035 MeV positrons in diamond / Antipenko A.P., Adejshvili D.I., Bochek G.L., Vit`ko V.I., Gorbenko V.G., Zhebrovskij Yu.V., Kolesnikov L.Ya., Rubashkin A.L., Shramenko B.I. // Radiation Effects.- 1986.- Vol. 91.- P.249-252.
Ориентационный эффект в реакции Si30(e,e`p)Al29 на монокристалле кремния / Адейшвили Д.И., Антипенко А.П., Бочек Г.Л., Витько В.И., Касилов В.И., Коваленко Г.Д., Лапин Н.И., Нога В.И., Ранюк Ю.Н., Шраменко Б.И., Щербак С.В. // ЖТФ.- 1985.- Т.55, вып. 1.- С.220-222.
Расщепление максимума спектральной плотности излучения релятивистских позитронов при прохождении через монокристалл вблизи кристаллографической оси / Адейшвили Д.И., Ануфриев О.В., Бочек Г.Л., Витько В.И., Коваленко Г.Д., Николайчук Л.И., Хижняк Н.А., Шраменко Б.И. // УФЖ.- 1986.- Т.31, № 10.- С. 1460-1467.
Зависимость полных радиационных потерь электронов с энергией 300, 1200 и 1750 МэВ от толщины ориентированных кристаллов кремния / Антипенко А.П., Блажевич С.В., Бочек Г.Л., Кулибаба В.И., Маслов Н.И., Трутень В.И., Шраменко Б.И. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (Теория и эксперимент).- 1990.- Вып. 3(11).- С.33-35.
Спектрально-угловая плотность излучения электронов с энергией 1.2 ГэВ в монокристаллах кремния различной толщины / Антипенко А.П., Блажевич С.В., Бочек Г.Л., Кулибаба В.И., Маслов Н.И., Шраменко Б.И. // Письма в ЖТФ.- 1990.- Т.16, вып. 9.- С.73-76.
Features of the spectral-angular distribution of gamma-quanta emitted by GeV electrons in a thick crystal / Antipenko A.P., Bochek G.L., Blazhevich S.V., Kulibaba V.I., Maslov N.I., Nasonov N.N., Ovchinnik V.D., Fomin S.P., Shramenko B.I., Shul`ga N.F. // Phys. Letters.- 1991.- Vol. A158.- P.176-180.
Установка для измерения спектрально-угловых распределений гамма-квантов на выходе линейного ускорителя ЛУЭ-2000 / Адейшвили Д.И., Антипенко А.П., Блажевич С.В., Бочек Г.Л., Каплий А.А., Кулибаба В.И., Маслов Н.И., Овчинник В.Д., Шраменко Б.И. // ПТЭ.- 1991.- № 2.- С.62-65.
1.2 GeV electron radiation spectra in thick tungsten single crystals and total radiation losses in tungsten, germanium and silicon single crystals / Bochek G.L., Kulibaba V.I., Maslov N.I., Ovchinnik V.D., Shramenko B.I. //Nuclear Instrum.and Meth.in Physics Research.B- 1998.-Vol.145.-P.146-149.
Dovbnja A.N., Zadvorny A.S., Shramenko B.I. Production of short- lived radionuclides on the electron linac for PET. // Вопросы атомной науки и техники Серия: Ядерно-физические исследования. 1999.- Вып. 3(34).- С.105-107.
Gamma-radiation characteristics of 1.2 GeV electrons in thick silicon single crystals./ Bochek G.L.,KulibabaV.I., Maslov N.I., OvchinnikV.D., Shramenko B.I. // Nuclear Instrum. and Methods in Physics Research В. 2001.- Vol.173.- N.1-2.- P.121-125.
Angular distribution of gamma-radiation of 1,2 GeV electrons in silicon monocrystals of great thickness. / Bochek G.L., Fomin S.P., Kulibaba V.I., Lapko V.P., Maslov N.I., Shramenko B.I., Shul`ga N.F. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования.2001.-Вып. (39).- С.211-213.
Маслов Н.И., Шраменко Б.И. О возможности применения интенсивных источников когерентного гамма-излучения в радиационных технологиях // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 1997.- Вып. 1(65), 2(66).- Харьков: ХФТИ.- С.199-210.
Проект Північно-Східного регіонального Центру позитрон-емісійної томографіi / Довбня А.М., Дикий М.П., Задворний А.С., Коновалов О.Г., Пилипенко М.І., Сорокін П.В., Шраменко Б.І. // Український радіологічний журнал. - 1999.- № 3.- С.316-317.
Витько В.И., Гришаев И.А., Шраменко Б.И. О возможном интенсивном источнике g-квантов в диапазоне энергий 10 кэВ - 10 МэВ : Препр./ ХФТИ; 77-25.- Харьков.- 1977. - 30 с.
Состояние и перспективы исследований процессов взаимодействия релятивистских электронов и позитронов с монокристаллами. Болдышев В.Ф., Гришаев И.А., Шраменко Б.И., Шульга Н.Ф.: Препр./ ХФТИ; 79-24.- Харьков.- 1979.- 32 с.
Гришаев И.А., Шраменко Б.И. Состояние и перспективы применения монокристаллов на ускорителе релятивистских частиц // Труды 6-го Всесоюзного совещания по ускорителям релятивистских частиц .Т.2.- Дубна ОИЯИ.- 1979.- С.154-161.
The influence of crystal thickness on sсattering and radiation of high energy electrons in oriented сrystals / Antipenko A.P., Bochek G.L., Blazhevich S.V., Kulibaba V.I., Maslov N.I., Truten` V.I., Shramenko B.I., Shul`ga N.F. // 3rd Soviet Japanese Symposium on the interaction of fast charged particlеs with crystals.- Труды НИИЯФ МГУ. Т.II.- Москва.- 1988.- С.250 - 269.
Shramenko B.I. Relativistic electron energy transformation into g-radiation in aligned single crystals // Book of abstracts the IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids.- Moscow. - 1990. - C.146.
Параметры рассеяния ультрарелятивистских электронов в монокристаллах кремния различной толщины / Антипенко А.П., Блажевич С.В., Бочек Г.Л., Кулибаба В.И., Маслов Н.И., Шраменко Б.И. // Материалы XVIII Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.- М.- Изд. МГУ.- 1989.- С.96-98.
Спектральные характеристики g-излучения и полные радиационные потери энергии ультрарелятивистских электронов в кристаллах кремния различной толщины / Блажевич С.В., Бочек Г.Л., Кулибаба В.И., Маслов Н.И., Овчинник В.Д., Шраменко Б.И // Материалы XXI Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.- М.- Изд. МГУ.- 1992.- С.97-99.
Шраменко Б.И. О соотношении ширин угловых распределений электронов с энергией 1,2 ГэВ, прошедших через кристалл, и гамма-квантов, генерируемых электронами в кристалле // Тезисы докладов XV Международного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц.- Алушта, Крым.- Харьков.- 1997.- С.103.
Довбня А.Н., Задворный А.С., Шраменко Б.И. Производство короткоживущих радионуклидов на электронном ускорителе для ПЭТ // Труды XI Межнационального совещания "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь, 1999).-т.I I / Под ред. Проф. Г.Г.Бондаренко.-М.- 1999.- С.951-958.
Сравнительные характеристики g-излучения электронов с энергией 1.2 ГэВ в монокристаллах кремния и вольфрама большой толщины / Бочек Г.Л., Кулибаба В.И., Маслов Н.И., Овчинник В.Д., Шраменко Б.И. // Тезисы докладов XXIX Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.- М.- Изд. МГУ.- 1999.- С.67.
