Application of PENELOPE system to support the radiation technologies based on LU-10 linac

A new code based on the PENELOPE system has been worked out for simulation and optimization of product processing modes on LU-10 technological accelerator (8...18 MeV, 12 kW) with scanned electron beam. The results of simulation of 3D absorbed dose distributions in objects of rectangular shape and similar to real plant geometry and irradiation parameters are presented. Influence of object size, its composition and density, walls, energy spectrum of the beam and other factors are studied. The causes of the dose distribution irregularity as well as the methods of its decreasing are discussed.Для моделювання й оптимізації режимів опрацювання продукції на технологічному прискорювачі ЛУ-10 (8...18 МеВ, 12 кВт) пучком електронів, який сканується, розроблено пакет на основі програмної системи PENELOPE. Наведено результати моделювання 3D розподілів поглиненої дози в об'єктах прямокутної форми при близьких до реальних геометрії установки й умовам опромінення. Розглядається вплив на отримані розподіли розмірів об'єкта, його складу і щільності, стінок, енергетичного розкиду електронів, а також інших факторів. Досліджуються причини нерівномірності розподілу поглиненої дози і способів її зниження.Для моделирования и оптимизации режимов обработки продукции на технологическом ускорителе ЛУ-10 (8...18 МэВ, 12 кВт) со сканируемым пучком электронов разработан пакет на основе программной системы PENELOPE. Приведены результаты моделирования 3D распределений поглощенной дозы в объектах прямоугольной формы при близких к реальным геометрии установки и условиям облучения. Рассматривается влияние на получаемые распределения размеров объекта, его состава и плотности, стенок, энергетического разброса электронов, а также других факторов. Исследуются причины неравномерности распределения поглощенной дозы и пути ее снижения

Measuring channel of electron radiation absorbed power

The measuring channel of absorbed power of the electron radiation in the range 0.1...100 kW using a flow-type calorimetric absorber is described in the paper. The measuring circuit of the channel performs determination of cooling liquid temperature at the input and output of the absorber and also makes measurement of the flow rate of a cooling liquid. The absorbed power is calculated from the measured parameters and then is displayed and stored into the channel memory. The measured and calculated parameters are transferred to the external computer by means of serial interface of RS-232 type. The measuring channel has been made as a stand-alone module with a LCD display and control keypad. The measurement process is carried out both in off-line mode, and under control of the external computer.Описані склад і принцип роботи вимірювального каналу поглиненої потужності електронного випромінювання в діапазоні 0.1...100 кВт із використанням проточного калориметричного перетворювача. Вимірювальний тракт каналу здійснює контроль температури охолоджувальної рідини на вході і виході перетворювача, а також вимірювання її витрати. По цих параметрах визначається поглинена потужність електронного випромінювання з подальшим її відображенням на дисплеї і накопиченням у пам'яті каналу. При необхідності всі контрольовані й обчислені параметри передаються на зовнішню ЕОМ по послідовному інтерфейсові RS-232. Вимірювальний канал виконано у вигляді окремого пристрою з LCD-дисплеєм і клавіатурою для керування. Це дозволяє проводити вимірювання як в автономному режимі, так і під керуванням ЕОМ.Описан состав и принцип работы измерительного канала поглощенной мощности электронного излучения в диапазоне 0.1...100 кВт с использованием проточного калориметрического преобразователя. Измерительная цепь канала производит контроль температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе преобразователя, а также измерение ее расхода. По этим параметрам производится определение поглощенной мощности электронного излучения с последующим ее отображением на дисплее и накоплением в памяти канала. При необходимости все контролируемые и вычисленные параметры передаются на внешнюю ЭВМ по последовательному интерфейсу RS-232. Измерительный канал выполнен в виде отдельного устройства с LCD-дисплеем и клавиатурой для управления. Это позволяет проводить измерения как в автономном режие, так и под управлением ЭВМ

Operation of an industrial electron accelerator in a double-beam e,X-mode

Analysis of mixed e,X-radiation formation in output devices of an industrial electron accelerator is conducted. The possibility is demonstrated to obtain an extra radiation channel on the basis of a practically free source of Xrays simultaneously with the main channel of product processing with electron beam. The conditions of production of the secondary radiation in the state of electronic equilibrium at product treatment with scanning electron beam in the main radiation channel are studied by means of computer simulation. The dependence of spatial radiant characteristics of the X-ray radiation on the spectrum of a primary electron beam and surface density of a treated load has been established. For an industrial accelerator LU-10 of NSC KIPT, the regime of object processing in the extra radiation channel is examined. The results of calculation of the X-ray dose rate and its spatial distribution are in good agreement with the experimental data. The comparative capacity of both radiation channels of the plant is analyzed. The extra radiation source can be used for the execution of non-commercial programs like sanitation of cultural artefacts.Проведено аналіз умов формування змішаного е,Х-випромінювання у вихідних пристроях промислового прискорювача електронів. Показана можливість отримання одночасно з основним каналом опромінювання продукції пучком електронів додаткового радіаційного каналу на основі практично безкоштовного джерела гальмівних фотонів. Методом комп'ютерного моделювання вивчені умови отримання вторинного випромінювання в стані електронної рівноваги при проведенні обробки продукції скануючим пучком електронів в основному радіаційному каналі. Отримана залежність просторово-енергетичних характеристик гальмівного випромінювання від спектра первинного пучка електронів і поверхневої щільності оброблюваного ним вантажу. Для промислового прискорювача ЛУ-10 ННЦ ХФТІ досліджені умови обробки об'єктів у додатковому радіаційному каналі. Результати розрахунку потужності дози гальмівного випромінювання та її просторового розподілу задовільно узгоджуються із зміряними в експерименті. Отримані дані з порівняльної продуктивності установки в обох радіаційних каналах. Додаткове джерело випромінювання може бути використане для проведення некомерційних програм (наприклад, санітарної обробки об'єктів культурної спадщини).Проведен анализ условий формирования смешанного е,Х-излучения в выходных устройствах промышленного ускорителя электронов. Показана возможность получения одновременно с основным каналом облучения продукции пучком электронов дополнительного радиационного канала на основе практически бесплатного источника тормозных фотонов. Методом компьютерного моделирования изучены условия получения вторичного излучения в состоянии электронного равновесия при проведении обработки продукции сканирующим пучком электронов в основном радиационном канале. Получена зависимость пространственноэнергетических характеристик тормозного излучения от спектра первичного пучка электронов и поверхностной плотности обрабатываемого им груза. Для промышленного ускорителя ЛУ-10 ННЦ ХФТИ исследованы условия обработки объектов в дополнительном радиационном канале. Результаты расчета мощности дозы тормозного излучения и ее пространственного распределения удовлетворительно согласуются с измеренными в эксперименте. Получены данные по сравнительной производительности установки в обоих радиационных каналах. Дополнительный источник излучения может быть использован для проведения некоммерческих программ (например, санитарной обработки объектов культурного наследия)

Optimization of a Compton direct-charge detector for monitoring high-energy bremsstrahlung radiation

The conditions of application of a Compton direct-charge detector (DCD) for monitoring of intensity of the highenergy bremsstrahlung (X-ray) radiation are studied. A method is described for calculation of characteristics of the secondary е,Х-radiation at exit of an electron accelerator, and also for providing the conditions of the electronic equilibrium. By means of computer simulation, the processes of charge generation in a DCD monitor comprising two plates of different thickness from various metals are analyzed. On the basis of the obtained results, the requirements imposed on DCD composition for providing the maximum of its sensitivity are formulated. It is shown, that within the suggested DCD geometry, the monitor sensitivity reveals a weak dependence on the atomic number of its material at Z>29, and also on the end-point energy of X-rays in the span of 20…100 MeV.Досліджені умови застосування комптонівського ДПЗ для моніторингу високоенергетичного гальмівного випромінювання. Описаний метод розрахунку характеристик вторинного е,Х-випроміннюваня на виході прискорювача електронів, а також забезпечення умови електронної рівноваги. Методом комп'ютерного моделювання вивчені процеси формування зарядів у детекторі, що складається з двох пластин різної товщини з різних металів. На основі отриманих результатів сформовані вимоги до складу ДПЗ для забезпечення максимуму його чутливості. Показано, що у запропонованій геометрії ДПЗ вона слабо залежить від атомного номера матеріалу в області Z > 29 і граничної енергії гальмівного випромінювання в діапазоні 20…100 МеВ.Исследованы условия применения комптоновского детектора прямого заряда (ДПЗ) для мониторинга высокоэнергетического тормозного излучения. Описан метод расчета характеристик вторичного е,Хизлучения на выходе ускорителя электронов и обеспечения условия электронного равновесия. Методом компьютерного моделирования изучены процессы формирования зарядов в ДПЗ, состоящем из двух пластин разной толщины из различных металлов. На основе полученных результатов сформулированы требования к составу ДПЗ для обеспечения максимума его чувствительности. Показано, что в предложенной геометрии ДПЗ она слабо зависит от атомного номера его материала в области Z > 29, а также от граничной энергии тормозного излучения в диапазоне 20…100 МэВ

Subsystem for control of isotope production with linear electron accelerator

One of advanced ways of isotope production for medicine is using of bremsstrahlung of the electron accelerator [1]. Therewith, this technology requires development of special target units, that can be operated under high radiation energy flow (up to 10 kW and more) and absorbed doze up to 10¹⁰ Gy. The conditions of high efficiency of the nuclide production and an isotope purity of them define requirements to the control and diagnostic systems. In this report the high-current LINAC subsystem for diagnostic and monitoring the basic technological parameters of isotope production (energy flux of bremsstrahlung photons and absorbed doze in the target, target activity, temperature and consumption of water cooling the converter and target) is described. The parallel printer port (LPT) of the personal computer is proposed to use as an interface with the measurement channels

Analysis of a double-beam e,X-mode at an idustrial accelerator “EPOS”

The main assignment of industrial plant with an accelerator “EPOS” providing the electron energy up to 30 MeV is radiation dyeing of gemstones. At treatment of them, the part of the electron energy is transformed into bremsstrahlung (X-) radiation. The energy characteristics of the electron beam were measured by a dosimetry wedge technique. On the basis of obtained results, the parameters of the mixed e,X-flux (the energy conversion coefficient and the factor of secondary radiation) along the path of radiation formation were alculated using a transport code GEANT4. The conditions for production of X-ray radiation in the state of electronic equilibrium have been determined. The spectrum of the X-ray photons as well as the dose rate and its distribution behind a target device for gemstone irradiation were calculated. A measured dose profile is satisfactory agreed with the data of the simulation. Implementation of a double-beam mode enables to conduct the extra radiation programs in the field of the bremsstrahlung radiation (modification of semiconductors and polymers, radiation tests, photonuclear activation of samples, etc.).Основним призначенням технологічної установки з прискорювачем «ЕПОС», що забезпечує енергію електронів пучка до 30 МеВ, є радіаційне фарбування ювелірних каменів. У процесі їх обробки частина енергії електронів трансформується в гальмівне випромінювання. За допомогою дозиметричного клину зміряні енергетичні характеристики пучка. На основі одержаних даних методом моделювання з використанням транспортного коду GEANT 4 розраховані параметри змішаного е,Х-випромінювання (енергетичний коефіцієнт конверсії і показник вторинного випромінювання) уздовж тракту його формування. Визначені умови отримання на виході тракту гальмівного випромінювання в стані електронної рівноваги. Розраховано спектр фотонів, а також потужність поглинутої дози гальмівного випромінювання та її розподіл. Результати вимірювання останнього задовільно узгоджуються з даними моделювання. Реалізація двопучкового режиму забезпечує можливість, разом з опромінюванням продукції електронами в основному радіаційному каналі, проводити також додаткові програми в полі гальмівного випромінювання (радіаційні випробування, фотоядерну активацію зразків, модифікацію напівпровідників і полімерів, тощо).Основным назначением технологической установки с ускорителем «ЭПОС», обеспечивающим энергию электронов пучка до 30 МэВ, является радиационное окрашивание ювелирных камней. В процессе их обработки часть энергии электронов трансформируется в тормозное излучение. С помощью дозиметрического клина измерены энергетические характеристики пучка. На основе полученных данных методом моделирования с использованием транспортного кода GEANT 4 рассчитаны параметры смешанного е,Х-излучения (энергетический коэффициент конверсии и фактор вторичного излучения) вдоль тракта его формирования. Определены условия получения тормозного излучения в состоянии электронного равновесия. Рассчитаны спектр фотонов, а также мощность поглощенной дозы тормозного излучения и ее распределение. Результаты измерения последнего удовлетворительно согласуются с данными моделирования. Реализация двухпучкового режима обеспечивает возможность, наряду с облучением продукции электронами в основном радиационном канале, проводить также дополнительные программы в поле тормозного излучения (радиационные испытания, фотоядерную активацию образцов, модификацию полупроводников и полимеров и т. д.)

Dinamics of amorphous dielectrics lyuminescence induced by pulse electron beam

A method has been developed and experimental investigation conducted on time dependence of intensity of the cathodoluminescence (CL) induced in technical dielectric materials by high-energy pulse electron beam. At a LU-10 accelerator, the optical path and measuring channel were designed for remote recording CL signal. As optical sensor, a SFH203P photodiode was used with an amplifier on the basis of a HS special-purpose op amps. Preliminary study of conditions of CL registration was performed at a bench. For a number of materials, coincidence of signals of the beam current and CL, as well as dependence of CL amplitude from thickness of the CL radiator have been established. Possibility is shown to use CL signal induced by scanned electron beam for on-line monitoring the beam current density and absorbed dose distributions on the surface of a processed object.Розроблено методику і проведено експериментальне дослідження залежності від часу інтенсивності катодолюмінесценції (КЛ), що збуджується високоенергетичним імпульсним пучком електронів у технічних діелектричних матеріалах. Для дистанційної реєстрації сигналу КЛ на прискорювачі ЛУ-10 розроблені оптичний і вимірювальний тракти. Як фотоприймач використаний фотодіод типа SFH203P зі спеціально розробленим підсилювачем. Попереднє дослідження умов реєстрації КЛ проведено на стенді. Для ряду технічних матеріалів встановлено збіг сигналів пучка і КЛ, а також отримано залежність амплітуди сигналу КЛ від товщини радіатора. Показано можливість використання сигналу КЛ, індукованого скануючим пучком електронів, для on-line моніторингу розподілу щільності струму пучка та поглинутої дози на поверхні об’єкту, що оброблюється.Разработана методика и проведено экспериментальное исследование зависимости от времени интенсивности катодолюминесценции (КЛ), возбуждаемой высокоэнергетичным импульсным пучком электронов в технических диэлектрических материалах. Для дистанционной регистрации сигнала КЛ на ускорителе ЛУ-10 разработаны оптический и измерительный тракты. В качестве фотоприемника КЛ использован фотодиод типа SFH203P со специально разработанным усилителем. Предварительные исследования условий регистрации КЛ проведены на стенде. Для ряда материалов установлено совпадение сигналов пучка и КЛ, а также получена зависимость амплитуды сигнала КЛ от толщины радиатора. Показана возможность использования сигнала КЛ, возбуждаемого сканируемым пучком электронов, для on-line мониторинга распределения плотности тока пучка и поглощенной дозы на поверхности обрабатываемого объекта

An estimate of ⁴⁷Sc photonuclear yield in a production target

⁴⁷Sc is considered as a promising beta-emitter for cancer immunotherapy. For its carrier-free production, the ⁴⁸Ti(γ,p) ⁴⁷ Sc reaction in the field of bremsstrahlung radiation of an electron accelerator can be used. On the basis of developed analytical model and a double-foil activation technique, the main characteristics of the photonuclear isotope production and optimal dimensions of a production target have been established. The measured photonuclear yield of ⁴⁷Sc and dominant scandium admixtures in thin foils of natural titanium in the electron energy range of 35 to 95 MeV enabled to specify the available data on the cross-section of the ⁴⁸Ti(γ,p)⁴⁷Sc reaction. Using those results, the gross and specific activity of ⁴⁷Sc in the cylindrical titanium targets of optimal size were calculated by a simulation technique. The comparison of capacity of the photonuclear method of the ⁴⁷Sc production with other techniques is carried out.⁴⁷Sc вважається перспективним бета-емітером в імунотерапії раку. Для виробництва ізотопу без носія може бути використана реакція ⁴⁸Ti (γ,p)⁴⁷Sc у полі гальмівного випромінення прискорювача електронів. На основі розробленої аналітичної моделі і методу сумісної активації двох фольг встановлені основні характеристики фотоядерного виробництва ізотопів та оптимальні розміри технологічної мішені. Одержані експериментальні дані щодо виходу ⁴⁷Sc і основних домішкових ізотопів скандію в тонких фольгах з природного титану в діапазоні значень енергії електронів 35…95 МеВ дозволяють уточнити наявні дані щодо перетину реакції ⁴⁸Ti(γ,p)⁴⁷Sc. На основі цих результатів методом моделювання розраховані загальна і питома активність ⁴⁷Sc у циліндричних мішенях з титану оптимального розміру. Проведено порівняння продуктивності фотоядерної технології виробництва ⁴⁷Sc з іншими методами.⁴⁷Sc считается перспективным бета-эмиттером в иммунотерапии рака. Для производства изотопа без носителя может быть использована реакция ⁴⁸ Ti (γ,p)⁴⁷ Sc в поле тормозного излучения ускорителя электронов. На основе разработанной аналитической модели и метода совместной активации двух фольг установлены основные характеристики фотоядерного производства изотопов и оптимальные размеры технологической мишени. Полученные экспериментальные данные по выходу ⁴⁷Sc и основных примесных изотопов скандия в тонких фольгах из природного титана в диапазоне значений энергии электронов 35…95 МэВ позволяют уточнить имеющиеся данные по сечению реакции ⁴⁸Ti(γ,p)⁴⁷Sc. На основе этих результатов методом моделирования рассчитаны общая и удельная активность ⁴⁷Sc в цилиндрических мишенях из титана оптимальных размеров. Проведено сравнение производительности фотоядерной технологии производства ⁴⁷Sc с другими методами

A РС-controlled beam scanning system at the technological electron LINAC

The regulatory documents for a number of technological processes (sterilization and others) require that a continuous control and archiving of beam scanning regime should be provided. To meet these conditions at the radiation-technological facility with the electron linear accelerator LU-10 (10 MeV, 10 kW), an automated complex of scanner control was designed and put into operation. The complex is a CAMAC-based autonomous system controlled by a computer. It provides a programmed control of the beam scanning zone width proceeding from the assigned dimensions of the object under treatment, within 20 to 60 cm, with an automatic setting of the center of the zone in the middle of the object. The complex control also includes the possibility of correcting the position of the beam-scanning center in order to compensate the angle of beam entrance into the scanner electromagnet.Нормативные документы на ряд технологических процессов (стерилизация и др.) требуют обеспечения непрерывного контроля и архивирования режима сканирования пучка. Для выполнения этих условий на радиационно-технологической установке с линейным ускорителем электронов ЛУ-10 (10 МэВ, 10 кВт) разработан и введен в эксплуатацию автоматизированный комплекс управления сканером. Комплекс является основанной на стандарте КАМАК автономной системой под управлением РС. Он обеспечивает программное управление шириной зоны сканирования пучка, исходя из заданных размеров обрабатываемого объекта, в пределах 20…60 см с автоматическим выставлением центра зоны в середине объекта. Управление комплексом включает также возможность корректировки положения центра развертки пучка для компенсации угла его входа в электромагнит сканера.Нормативні документи на ряд технологічних процесів (стерилізація та ін.) вимагають забезпечення безперервного контролю й архивування режиму сканування пучка. Для виконання цих умов на радіационо- технологічній установці з лінійним прискорювачем електронів ЛУ-10 (10 МеВ, 10 кВт) розроблений і введений в експлуатацію автоматизований комплекс управління сканером. Комплекс є заснованою на стандарті КАМАК автономною системою під керуванням РС. Він забезпечує програмне управління шириною зони сканування пучка, виходячи з заданих розмірів оброблюваного об'єкта, у межах 20...60 см з автоматичним виставленням центра зони в середині об'єкта. Керування комплексом включає також можливість коректування положення центра розгортки пучка для компенсації кута його входу в електромагніт сканера

On possibility of alpha-radioactive thick-layer waste analysis using high-vacuum technique methods

A practical possibility of specific alpha-activity measurement of the radioactive waste (RAW) as much as thousands tons placed in the 4-th Chornobyl wrecking unit is demonstrated by means of determination of the helium content (on the account of Pu, Am decay) in the hermetic containers filled with the RAW. The method using application of helium filter is acceptable but filterless one seems to be more economical. The latter is based on a constraint of all gases into choused gaseous medium but helium. The appraisal of necessary time for passive helium accumulation up to partial pressure of ~10⁻⁷ Pa (a value to be measured by mass-spectrometer) is of ~1000 hours using a scheme with real helium filter and of ~10 hours in the case without filter for specific alpha-activity of ~10⁵ Bq/kg. (a threshold level for the RAW disposition)