Расчёт параметров излучения лазерно-электронных гамма-источников на основе томсоновского рассеяния методом монте-карло

Введение 4
Глава 1. Общие соотношения и формулы 7
Глава 2. Моделирование томсоновского рассеяния фотонов на релятивистских электронных пучках 19
Глава 3. Моделирование прохождения гамма-излучения через коллиматорную щель 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
Список литературы 40

Весь текст будет доступен после покупки

Для эффективного решения как фундаментальных, так и прикладных исследовательских задач, где требуется использование жёсткого рентгеновского излучения, необходимы компактные источники излучения, которые способны генерировать яркие, монохроматичные и перестраиваемые пучки. Создание нового типа компактных рентгеновских источников, основанных на томсоновском (обратном комптоновском) рассеянии лазерного излучения на ультрарелятивистских электронных пучках, представляется привлекательным с этой точки зрения.
Строительство томсоновских источников гамма излучения с энергией фотонов более 1 МэВ для исследования реакций фотовозбуждения атомных ядер началось в Италии в шестидесятых годах XX века и продолжается до сих пор. Например, Шанхайский лазерно-электронный гамма-источник, введённый в эксплуатацию в 2021 году, обеспечивает потоки до 107 фотонов в секунду с энергией гамма квантов от 0,25 до 21,7 МэВ.
В Румынии также строится гамма-источник по проекту ELI-NP (VEGA), который имеет энергию фотонов до 19,5 МэВ и поток до 2?108 фотон?с-1 [3]. Стоит отметить, что сейчас существует только одна томсоновский (комптоновский) источник для генерации рентгеновского излучения с меньшей энергией фотонов - Munich Compact Light Source (MuCLS), который создала компания Lyncean Technology, Inc. [5]. При разработке MuCLS возникла серьезная техническая проблема - изготовление компактного ускорителя электронов с энергией до 50 МэВ, который бы обеспечивал низкий эмиттанс электронного пучка, высокую частоту следования сгустков электронов и достаточно высокий заряд сгустка.

Весь текст будет доступен после покупки

Глава 1. Общие соотношения и формулы
На рисунке 1.1 показана кинематическая схема обратного комптоновского (томсоновского) рассеяния лазерного фотона с энергией E_ph на электроне с энергией E_e.

Рисунок 1.1 - Кинематическая схема процесса комптоновского рассеяния лазерного фотона на электроне
Связь энергии рассеянного фотона с энергиями лазерного фотона и электрона дается выражением [12]:

E_??(2?^2 E_ph)/(1+?^2 ?^2 ) (1+cos?? ) (1.1а)

где
? – угол рассеяния,
? – угол столкновения,
?=((E_e+m_0 c^2 ))/(m_0 c^2 ),
m_0 – масса покоя электрона,
c – скорость света в вакууме.
Максимальная энергия рассеянного фотона достигается при ? =1800 и ? =0:

E_?^max?4?^2 E_ph (1.1б)

Связь энергии рассеянных фотонов с углом рассеяния, рассчитанная по формуле (1.1а), показана на рисунке 1.1 для случая лобового столкновения (? =1800), E_ph=1,2 эВ. и энергий электронов 50 МэВ и 500 МэВ. Как следует из формулы (1.1а), существует однозначная связь энергии рассеянных фотонов и угла рассеяния, что позволяет получать монохроматический пучок рассеянных фотонов за счет коллимации излучения.

(а) (б)
Рисунок 1.2 - Связь энергии рассеянных фотонов с углом рассеяния для лобового столкновения (? =1800) и энергий электронов (а) 50 МэВ и (б) 500 МэВ
Различные применения требуют плавного или дискретного изменения энергии монохроматического рентгеновского и гамма-излучения. Энергия рассеянных фотонов может плавно варьироваться за счет изменения энергии электронного пучка и дискретно переключаться за счет использования гармоник лазерного излучения. На рисунке 1.3 показана связь энергии рассеянных фотонов с энергией электронов для различных гармоник лазерного излучения, энергии основной гармоники 1,2 эВ и лобового столкновения (? =1800).

Весь текст будет доступен после покупки

1. Paterno G. et al. Inverse Compton radiation: a novel x-ray source for K-edge subtraction angiography? //Physics in Medicine & Biology. – 2019. – Т. 64. – №. 18. – С. 185002.
2. Wang H. W. et al. Commissioning of laser electron gamma beamline SLEGS at SSRF //Nuclear Science and Techniques. – 2022. – Т. 33. – №. 7. – С. 87.
3. Soderstrom P. A., Kusoglu A., Testov D. Prospect for measurements of (?, n) reaction cross-sections of p-nuclei at ELI-NP //Frontiers in Astronomy and Space Sciences. – Т. 10. – С. 1248834.
4. Bazzani A. et al. BoCXS: A compact multidisciplinary X-ray source //Physics Open. – 2020. – Т. 5. – С. 100036.
5. Gradl R. et al. In vivo dynamic phase-contrast X-ray imaging using a compact light source //Scientific Reports. – 2018. – Т. 8. – №. 1. – С. 6788.
6. Jacquet M. High intensity compact Compton X-ray sources: Challenges and potential of applications //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2014. – Т. 331. – С. 1?5.
7. Faillace L. et al. Status of compact inverse Compton sources in Italy: BriXS and STAR //Advances in Laboratory-Based X-ray Sources, Optics, and Applications VII. – SPIE, 2019. – Т. 11110. – С. 14?21.
8. Hornberger B. et al. Inverse Compton scattering X-ray source for research, industry and medical applications //International Conference on X-Ray Lasers 2020. – SPIE, 2021. – Т. 11886. – С. 51?60.
9. Deitrick K. et al. Intense monochromatic photons above 100 keV from an inverse Compton source //Physical Review Accelerators and Beams. – 2021. – Т. 24. – №. 5. – С. 050701.
10. Petrov V. Parametric down-conversion devices: The coverage of the mid-infrared spectral range by solid-state laser sources //Optical Materials. – 2012. – Т. 34. – №. 3. – С. 536?554.
11. Majewski M. R., Woodward R. I., Jackson S. D. Dysprosium mid-infrared lasers: current status and future prospects //Laser & Photonics Reviews. – 2020. – Т. 14. – №. 3. – С. 1900195.

Весь текст будет доступен после покупки