Influence of beam electron kinetic energy spectrum on the effective adsorbed depth dose distribution.pdf Введение Интенсивное развитие импульсных схем формирования ускоряющего напряжения привело к появлению компактных импульсных ускорителей с эксплуатационными характеристиками, подходящими для решения практических задач [1-3]. Импульсные электронные ускорители могут составить конкуренцию непрерывным источникам электронных пучков при их средней мощности порядка единиц киловатт и уровне напряжения до 1 МэВ за счет более компактных размеров и более низких требований к вакуумным условиям в электронном диоде. Для моноэнергетических пучков непрерывных ускорителей распределение поглощенной энергии электронного пучка имеет характерный максимум на некоторой глубине от поверхности объекта [4-6], что делает невозможным равномерное распределение поглощенной дозы по глубине и требует применения дополнительных средств расположения объектов обработки при облучении [7, 8]. Для импульсных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов максимальная поглощенная доза достигается, как правило, в приповерхностном слое [9], что необходимо учитывать при решении прикладных задач, прежде всего, связанных с поверхностной обработкой электронным пучком, когда глубина облучения не превышает геометрического размера образца в направлении распространения пучка. Это является важным, в частности, при обработке электронным пучком биологических материалов, например зерновых культур [10, 11]. При высаживании необходимо радиационное воздействие преимущественно на поверхностную оболочку семени. Указываемая поглощенная энергия (Дж/кг) характеризует режим работы установки, но не отражает реальных значений поглощенных доз (кГр), которые приводят к требуемому эффекту именно на поверхности зерна. Разность доз в поверхностном слое материала и на глубине особо характерна для импульсных электронных пучков с широким энергетическим спектром. Это также имеет важное значение при обработке металлических и полупроводниковых материалов с целью их очистки, удаления поверхностных примесей. Таким образом, можно предположить, что эффективное значение вложенной энергии существенно зависит от спектра кинетических энергий электронов пучка [12], определяющего распределение поглощенной дозы по глубине объекта обработки облучением. Исходя из этого, для прикладных задач возникает необходимость оценки и управления распределением поглощенной дозы по глубине объекта обработки, однако универсальных подходов не выработано. Цель настоящей работы - установление влияния спектра кинетических энергий электронов пучка на эффективное распределение поглощенной дозы по глубине облучаемого объекта. В качестве примера рассмотрим модель облучения зерна пшеницы с учетом характеристик слоев, определяющих условия распределения энергии электронного пучка по глубине для оценки поглощенных доз. Методика и экспериментальное оборудование Экспериментальные исследования были проведены на импульсном электронном ускорителе Астра [2], амплитуду импульса ускоряющего напряжения которого можно варьировать в диапазоне 200-350 кВ. Изменение амплитуды импульса напряжения приводит к изменению спектра кинетических энергий электронов в пучке. Применение ускорителя Астра для обработки семян пшеницы при 200 и 300 кВ (далее по тексту 200 и 300 кВ обозначают режимы работы ускорителя с соответствующей амплитудой импульса ускоряющего напряжения) выявило высокую степень влияния кинетической энергии электронов пучка на показатели всхожести семян [12]. Оценка спектра кинетических энергий электронов выведенного в атмосферу пучка, полученная методом отсечных фольг [13] для режимов 200 и 300 кВ, приведена на рис. 1. Рис. 1. Спектры кинетических энергий электронов пучка, выведенного в атмосферу, ускорителя Астра-М при амплитудах ускоряющего напряжения 200 и 300 кВ Сравнение спектров показывает преобладание числа низкоэнергетических электронов (~ 30 кэВ) в пучке для применяемых режимов работы. Для режима 200 кВ можно выделить значимое количество электронов с энергиями порядка 45 и 120 кэВ, а для режима 300 кВ - порядка 77 и 120 кэВ. Кроме того, в спектре режима 300 кВ присутствует значимое количество электронов с энергией 200-290 кэВ. Такой характер спектров кинетических энергий электронов в пучке объясняется особенностями формирования и вывода в атмосферу пучка электронов в ускорителе на основе импульсного трансформатора и вакуумного электронного диода с запаздыванием эмиссии электронов [2]. Для оценки поглощенных доз на основе общепринятого строения зерна пшеницы [14] были определены характеристики слоев, подвергаемых облучению (таблица). Зародыш зерна защищен плодовой и семенной оболочками толщиной 50 мкм (среднее значение) [15], поглощающими часть энергии электронного пучка. Следует отметить, что характеристики слоев могут отличаться для других сортов пшеницы, что требует уточнения исходных данных при организации их облучения. При глубине облучения более 50 мкм выделение энергии будет также производиться в зародыше, что может отразиться на всхожести семян. Обработка семян пшеницы импульсным рентгеновским излучением [16] позволила установить значение дозы 1.5 кГр, при которой наблюдается существенное снижение показателей всхожести семян. Учитывая проникающую способность тормозного рентгеновского излучения (~ 300 кэВ) и геометрические размеры семян (2-3 мм в диаметре), поглощенная доза принималась одинаковой во всем объеме семени в пределах погрешности доступных средств измерения. Данные таблицы использовались для оценки массовой толщины слоев облучения. При этом учитывалось, что разница состава оболочек и зародыша зерна минимальна [17]. Части зерна (от внешнего к внутреннему) Плотность, г/см3 Масса, % Содержание, % сухого веса Зола Крахмал Клетчатка Белки Жиры Сахар Пентозаны Эндосперм 1.48 78-84 0.4 80 0.1 14.0 0.7 2.3 1.5 Плодовые и семенные оболочки 1.09 2.8 4.8 4.2 3.1 3.9 3.3 3.3 3.3 Зародыш 1.27 2.8 4.8 4.2 3.1 3.9 3.3 3.3 3.3 Принимая во внимание, что химический состав слоев может отличаться в зависимости от сорта и урожая пшеницы, в текущей работе для качественной оценки характера распределения поглощенной дозы электронного пучка было проведено экспериментальное исследование распределения дозы в материале с близкой плотностью (полиэтилен ρ0 = 0.97 г/см3) при сравнимых массовых толщинах. Ток электронного пучка и его энергия фиксировались с помощью цилиндра Фарадея и калориметра полного поглощения [18, 19]. Толщина мишени определялась количеством слоев пленки 7-10 мкм из полиэтилена. Каждая экспериментальная точка является результатом статистической обработки пяти опытов. Измерения производились в центральной области сечения пучка диаметром 3 см с разбросом плотности энергии электронного пучка менее 10 %. Далее для приведенных плотностей частей по глубине зерна пшеницы (таблица) и результатов экспериментальных исследований [12] были рассчитаны поглощенные дозы электронного пучка для каждой части зерна. На основании полученных значений доз был проведен анализ показателей всхожести семян пшеницы. Результаты и их обсуждение Распределение поглощенной дозы электронного пучка по глубине полиэтилена получено для режимов работы ускорителя 200 и 300 кВ (рис. 2, а). Рис. 2. Распределение поглощенной дозы за импульс электронного пучка по глубине полиэтиленовой мишени (а) и по мишени зерна пшеницы (б) Полученные данные на рис. 2, а согласуются с данными, полученными в других работах [20]. Сопоставление данных плотностей слоев зерна (таблица) с распределением дозы электронного пучка по глубине (рис. 2, а) при учете принятых допущений позволило смоделировать распределение поглощенной дозы электронного пучка в зерне пшеницы (рис. 2, б). Полученные данные использовались для пересчета значений поглощенных доз в выделенных слоях зерна (рис. 3) для проведенных ранее экспериментов [8]. Рис. 3. Влияние поглощенной дозы электронного пучка в зародыше (кр. 1, 2) и оболочках (кр. 3, 4) зерна на всхожесть семян пшеницы при режимах работы ускорителя 200 кВ (кр. 2, 4) и 300 кВ (кр. 1, 3) Критерием эффективности при анализе результатов обработки электронным пучком семян пшеницы выступало найденное ранее значение летальной дозы (1.5±0.3) кГр [14], при котором наблюдалось критическое снижение всхожести семян. Значение летальной дозы было получено при обработке зерна пшеницы импульсами рентгеновского излучения (300 кэВ), проникающая способность которого обеспечивала одинаковую поглощенную дозу во всем объеме зерна в пределах погрешности средств измерений. Анализ кривых 1, 3 рис. 3 подтвердил для режимов 200 и 300 кВ с учетом точности измерений 1.2-1.5 кГр ранее установленное значение летальной дозы для зародыша. Сокращение летальной дозы для режима 300 кВ относительно установленной ранее [14] может быть объяснено рядом факторов, а именно: различием биологического воздействия электронного пучка и рентгеновского излучения, принятыми упрощениями и усреднениями модели облучения (структуры и состава зерна), погрешностями средств измерения поглощенной дозы. Анализ кривых для режима 200 кВ (рис. 3, кривая 4) позволяет предположить, что поглощенная доза до 4 кГр в оболочках зерна существенного влияния на всхожесть семян не оказывает. Таким образом, в прикладном значении режим 200 кВ может быть использован для предпосевной обработки семян. Режим 300 кВ обеспечивает сравнимую поглощенную дозу как для оболочек, так и для зародыша, что приводит к угнетению всхожести семян при меньших значениях суммарной поглощенной дозы. При этом изменением энергетического спектра электронного пучка можно повлиять на интенсивность обработки отдельных слоев, например семенной оболочки (рис. 3, б). Исходя из анализа полученных результатов, можно сделать вывод, что изменение спектра кинетических энергий электронов пучка, задающего распределение поглощенной дозы по глубине объекта облучения, приводит к изменению эффекта обработки на примере облучения зерна пшеницы. Показано влияние спектра кинетических энергий электронов применяемого пучка при разной величине ускоряющего напряжения на эффект изменения всхожести семян. Заключение При облучении объектов импульсным электронным пучком для достижения требуемого эффекта часто необходимо обеспечение конкретной величины поглощенной дозы на определенной глубине облучаемого материала. При этом распределение поглощенной дозы определяется энергетическим спектром электронного пучка и облучаемым материалом. Эффект изменения распределения поглощенной дозы по глубине обработки показан на примере облучения электронным пучком зерна пшеницы с изменением энергетического спектра пучка в разных режимах работы ускорителя. Облучение зерна пшеницы рассматривалось с учетом плотности слоев, определяющих условия распределения поглощенной энергии электронного пучка по глубине. Оценка поглощенных доз в структурных частях зерна (оболочках и зародыше) при разных энергетических спектрах электронного пучка показала возможность достижения различных эффектов обработки.

Скачать электронную версию публикации