Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 9, стр. 1270-1272

ВВЕДЕНИЕ

Ускорители электронов серии ЛУЭ-8-5 разработки НИИЭФА имени Д.В. Ефремова предназначены, главным образом, для использования в решении прикладных задач из области физики твердого тела, изучения радиационной стойкости материалов и радиокомпонентов, обработки разного рода сырья, материалов и изделий для медицинских целей и т.д. Они успешно применяются в задачах активационного анализа различных элементов. Ускоритель из этой серии в модификации ЛУЭ-8-5РВ [1] работает в институте ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН, Москва). Его номинальные параметры: энергия электронов 8 МэВ с возможностью регулировки в пределах 6–10 МэВ при ширине энергетического спектра 10% (FWHM).

1. ФИЗИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС

В настоящее время для развития перспективных направлений фундаментальных и прикладных исследований, включая решение проблем ядерного нераспространения и борьбы с терроризмом, активно развиваются фотоядерные исследования при малых энергиях вблизи порога вылета нуклонов. Работы ведутся, как правило, на источниках гамма-излучения нового поколения с использованием новых типов электронных ускорителей (таких как родотрон, накопительное кольцо с обратным комптоновским рассеянием, мощный фемтосекундный лазер). Эти работы получили название “ядерная фотоника”. Для подготовки к новым экспериментам в лаборатории ядерных реакций ИЯИ РАН отрабатываются методики на базе ЛУЭ-8.

Среди фундаментальных планируемых исследований можно отметить исследования коллективных мод колебаний в ядрах (пигми-резонансы, гигантские резонансы различной мультипольности, приложения к астрофизике). Среди прикладных – глубокая томография массивных объектов, в том числе ядерного топлива, с использованием метода резонансной флюоресценции, неразрушающий досмотр крупнотоннажных контейнеров с целью обнаружения ядерных и взрывчатых материалов на новом технологическом уровне, радиационная медицина, наработка изотопов и рентгеновская диагностика.

За последние годы на базе линейного ускорителя электронов ЛУЭ-8 разработаны и апробированы новые методы квазимонохроматизации тормозных гамма-пучков на основе моделирования [2]. Совместно с международным учебно-научным лазерным центром (МЛЦ МГУ) ведутся исследования фотоядерных реакций на фемтосекундном лазерном комплексе [3].

Следует отметить, что наряду с совершенствованием параметров пучков электронов и фотонов расширяется перечень методик, пригодных в настоящее время для применения при исследованиях в этом диапазоне энергий. В основном результаты получают в экспериментах по измерению сечений упругого и неупругого рассеяний фотонов с помощью гамма-спектрометров высокого разрешения. Следует, однако, рассматривать и другие возможности, в частности – прямое измерение полных сечений методом полного поглощения и измерение зависимости выходов спиновых изомеров от энергии фотонов [4].

2. СУЩНОСТЬ РАБОТЫ

Упомянутый выше активный интерес к исследованиям фотоядерных реакций вблизи порогов реакций с вылетом нуклонов, т.е. при энергиях электронов и фотонов ниже 10 МэВ, потребовал создания пучков электронов с улучшенными характеристиками. Ниже описаны результаты работы, позволившей получить на ускорителе ЛУЭ-8-5РВ пучок электронов с характеристиками, приведенными в табл. 1.

Исходная форма спектра электронов на прямом пучке, типичная для ускорителей этого класса, показана на рис. 1. Высокое энергетическое разрешение, требуемое для упомянутых выше исследований, достигнуто в данной работе за счет значительного продольного расширения электронного сгустка вследствие различия длин траекторий электронов разных энергий и последующего выделения части спектра электронов. Для этого использована магнитооптическая система – растяжитель [5] с двумя магнитами с радиусами равновесных траекторий 150 мм, поворачивающими пучок на 135° каждый. Измеренные энергетические распределения электронов во всем диапазоне энергий показаны на рис. 2, из которого видно, что контролируемый шаг изменения энергии электронов может составлять менее 100 кэВ.

Рис. 1.

Типичный спектр электронов на выходе ускорителя (прямой пучок).

Рис. 2.

Спектры электронов после прохождения элементов магнитной системы. Два широких спектра – после поворота пучка на 135°. Их максимумы соответствуют 3.6 и 9.9 МэВ. Узкие линии под ними – после поворота на 270°. Видны отчетливо разрешенные линии с энергиями (слева направо): 3.5 и 3.7 МэВ; 9.4, 9.8, 10.1 и 10.3 МэВ. Интенсивность в максимуме около 1 мкА.

Медленная регулировка тока пучка осуществляется за счет изменения тока накала, быстрая – регулировкой высокого напряжения на источнике электронов. Изменение энергии пучка в пределах 4–10 МэВ достигается путем изменения напряжения на катоде магнетрона и, существенным образом, за счет изменения частоты СВЧ-излучения магнетрона. Этот метод реализуется с помощью примененного нами нестандартного комплекса контрольно-измерительной аппаратуры, позволяющего постоянно отслеживать, регулировать и поддерживать оптимальные для каждого режима работы магнетрона частоту и спектр излучения. Оснащение комплекса ЛУЭ-8-5РВ ИЯИ РАН магнитооптической системой растяжки пучка и применяемым набором контрольной СВЧ-аппаратуры для данного типа ускорителей представляется уникальным и позволяет обеспечить необходимые условия для проведения высокоточных современных экспериментов, в том числе и в области ядерной фотоники.

Для получения абсолютных значений величин, измеряемых в эксперименте, непременной процедурой является нормирование аппаратурных данных. С этой целью на ускорителе обеспечена возможность контроля основных параметров процесса облучения, их запись и запоминание для дальнейшей обработки.

На действующем радиационном комплексе выполнен ряд экспериментов по делению ядер актинидов вблизи порога, возбуждению ядер-изомеров в области пигми-резонанса и измерению электрон-позитронной конверсии для ряда ядер вблизи порога реакций с вылетом нуклонов. Следует отметить, что наличие реальной возможности использования в эксперименте пучка электронов в диапазоне 4–10 МэВ с разрешением не хуже 100 кэВ и интенсивностью в импульсе порядка 10¹³ электронов за 3 мкс является, с одной стороны, уникальной, а с другой стороны – даже избыточной для обычно применяемых детекторов. Добавим, что эта избыточность дает экспериментатору возможность широкого применения различных дополнительных фильтров и методик для повышения качества получаемого экспериментального материала.

Работа выполнена при поддержке РНФ, грант 16-12-10039.