Analytical method for estimation isotope yield under photonuclear production

The heuristic model for description space-energy characteristics of the high-energy bremsstrahlung has been developed. On its basis the method for analytical estimation photonuclear yield of isotopes in wide range of atomic number (Z=20-80) and size of a target as well as of the electron energy (40…100 MeV) is proposed. The analysis of validity of the model assumptions has been executed by means of it comparison with the results of simulation using the program package PENELOPE/2006 [1] supplemented with database on the cross-sections of photonuclear reactions. It has been shown earlier that such simulation method provides close fit with the experimental results. As an example the reactions of practical interest 48Ti(γ,p)47Sc, 68Zn(γ,p)67Cu and 187Re(γ,n)186Re are presented.Разработана эвристическая модель для описания пространственно-энергетических характеристик высокоэнергетичного тормозного излучения. Предложен метод с ее использованием для аналитической оценки фотоядерного выхода изотопов в широком диапазоне значений атомного номера (Z=20-80) и размеров мишени, а также энергии электронов (40…100 МэВ). Проведен анализ обоснованности допущений модели путем ее сопоставления с результатами моделирования на основе программной системы PENELOPE/2006, дополненной базой данных по сечениям фотоядерных реакций. Ранее было показано, что такой метод моделирования дает хорошее согласие с результатами эксперимента. В качестве примера рассмотрены представляющие практический интерес реакции 48Ti(γ,p)47Sc, 68Zn(γ,p)67Cu и 187Re(γ,n)186Re.Розроблено евристичну модель для опису просторово-енергетичних характеристик високоенергетичного гальмівного випромінювання. Запропоновано метод з її використанням для аналітичної оцінки фотоядерного виходу ізотопів у широкому діапазоні значень атомного номера (Z=20-80) і розмірів мішені, а також енергії електронів (40…100 МеВ). Проведено аналіз обґрунтованості припущень моделі шляхом її порівнювання з результатами моделювання на основі програмної системи PENELOPE/2006, доповненої базою даних з перетинів фотоядерних реакцій. Раніше було показано, що такий метод моделювання дає добре погодження з результатами експерименту. Як приклад розглянуто реакції 48Tі(γ,p)47Sc, 68Zn(γ,p)67Cu і 187Re(γ,n)186Re, що мають практичний інтерес

A method for analysis and optimization of electron accelerator exit devices under bremsstrahlung generation mode

The method of the analysis of a mixed е,X-radiation field along a path of the output target devices of the electron accelerator is proposed. The concept of stopping length of a path and representation of a real path as multicomponent layered target with infinite cross-section size lays at the heart of a method. A set of basic characteristics of the е,X-radiation is formulated. It is shown, that the description of target devices in terms of stopping length allows to reduce the basic characteristics of radiation to unified form in the range of initial electron energy 5…60 МeV at a value of the nuclear number of target material 6…73. As a result, three stages of the е,X-radiation formation differing by a ratio of its component intensity are established. Procedure of optimisation of a path in order to receive the specified values of basic characteristics is described.Предложен метод анализа поля смешанного е,Х-излучения вдоль тракта выходных устройств ускорителя электронов. В основе метода лежит концепция тормозной длины тракта и представление реального тракта как слоистой многокомпонентной мишени с бесконечно большими поперечными размерами. Сформулирован набор базовых характеристик е,Х-излучения. Показано, что базовые характеристики излучения как функции тормозной длины можно привести к унифицированному виду в диапазоне энергии первичных электронов 5…60 МэВ при значении атомного номера материалов выходных устройств 6…73. В результате установлены три стадии формирования е,Х-излучения, отличающиеся соотношением интенсивности его компонент. Описана процедура оптимизации тракта для получения требуемых значений базовых характеристик.Запропоновано метод аналізу поля мішаного е,Х-випромінювання уздовж тракту вихідних пристроїв прискорювача електронів. У основі методу лежить концепція гальмівної довжини тракту і представлення реального тракту як багатокомпонентної шаруватої мішені з нескінченно великими поперечними розмірами. Сформульовано набір базових характеристик е,Х-випромінювання. Показано, що опис вихідних пристроїв у термінах гальмівної довжини дозволяє привести базові характеристики випромінювання до уніфікованого вигляду в діапазоні енергії первинних електронів 5...60 МеВ при значенні атомного номера матеріалів вихідних пристроїв 6…73. В результаті встановлено три стадії формування е,Х-випромінювання, що розрізняються співвідношенням інтенсивності його компонент. Описана процедура оптимізації тракту для здобуття необхідних значень базових характеристик

Estimation of medical radionuclide yields in photonuclear production

The present paper reports the results from computer simulation of the processes of radionuclide production, namely, Sc-47, Co-57, Cu-67, Mo-99, Pd-103, In-111, W-181 and Ir-192. Consideration was given to a simplified 2D-geometry version of the target device that includes a 4 mm thick tungsten bremsstrahlung converter and a cylindrical target of natural isotopic composition that follows the converter. Radionuclide yields (gross and specific activities) were obtained as functions of electron energies (30 to 100 MeV) at an accelerator current of 200 μA.В сообщении приведены результаты компьютерного моделирования процессов фотоядерной наработки радионуклидов Sc-47, Co-57, Cu-67, Mo-99, Pd-103, In-111, W-181 и Ir-192. Рассмотрен упрощенный вариант 2D-геометрии мишенного устройства, включающий конвертер тормозного излучения из вольфрама толщиной 4 мм и размещенную за ним цилиндрическую мишень природного изотопного состава. Получены зависимости выхода радионуклидов от энергии электронов (30…100 МэВ) при величине тока ускорителя 200 мкА.У повідомленні приведені результати комп'ютерного моделювання процесів фотоядерного напрацювання радіонуклідів Sc-47, Co-57, Cu-67, Mo-99, Pd-103, In-111, W-181 і Ir-192. Розглянуто спрощений варіант 2D-геометрії мішеного пристрою, що включає конвертер гальмівного випромінювання з вольфраму товщиною 4 мм і розміщену за ним циліндричну мішень природного ізотопного складу. Отримано залежності виходу радіонуклідів (загальна і питома активність) від енергії електронів (30… 100 МеВ) при величині струму прискорювача 200 мкА

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

The method for analysis and optimization of the e,X-beam path of electron linac-based radiation installations

A method is proposed for numerical analysis of radiation characteristics of output devices of the electron linac. The method enables an optimum arrangement of the objects irradiated in the field of electron radiation and bremsstrahlung. Results are reported from the analysis of equipment location at the exit of one of the NSC KIPT electron linacs. The results were obtained by the mathematical simulation method with the use of the PENELOPE code system.Предложен метод численного анализа радиационных характеристик выходных устройств ускорителя электронов. Метод позволяет оптимально расположить объекты, облучаемые в поле электронного и тормозного излучения. Приводятся результаты анализа размещения оборудования на выходе одного из линейных ускорителей ННЦ ХФТИ. Результаты получены методом математического моделирования с помощью программной системы PENELOPE.Пропонується метод чисельного аналізу радіаційних характеристик вихідних пристроїв прискорювача електронів. Метод дозволяє оптимально розмістити об’єкти, що опромінюються в полі електронного і гальмівного випромінювань. Приводяться результати аналізу розміщення устаткування на виході одного з лінійних прискорювачів ННЦ ХФТІ. Результати одержані методом математичного моделювання за допомогою програмної системи PENELOPE

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

Methods of bremsstrahlung monitoring for photonuclear technologies

The paper describes the methods and devices proposed for measuring the main parameters of high-power highenergy bremsstrahlung sources. It has been suggested that space-energy characteristics of radiation should be investigated by the method of combined (γ, n) activation of a set of foils that have different energy thresholds of the reaction. In each energy range, the geometrical characteristics of the radiation field are reconstructed from the foil surface activity distributions. The last ones are determined through one-dimensional scanning of the foils by a specially designed detecting head that includes a linear matrix from collimated CdZnTe-base detectors. For a continuous monitoring of the bremsstrahlung power flow it is suggested that the method of feed-free secondary emission should be used, with a plane-parallel detector having two plates of different thickness as the base. A preliminary analysis of the geometry and applicability conditions of each of the detector systems was performed by the method of computer simulation based on the PENELOPE software systemОписаны предложенные авторами методы и средства измерения основных параметров мощных источников высокоэнергетичного тормозного излучения. Исследование пространственно-энергетических характеристик излучения предлагается выполнять методом совместного (γ,n)-активирования набора фольг из материалов, имеющих различный энергетический порог реакции. Геометрические характеристики поля излучения в каждом энергетическом диапазоне восстанавливают из распределений поверхностной активности фольг. Последние определяются путем одномерного сканирования фольг специально разработанной детекторной головкой, включающей линейную матрицу из коллимированных детекторов на основе CdZnTe. Для непрерывного мониторинга потока мощности тормозного излучения предложено использовать метод вторичной эмиссии без питания на основе плоскопараллельного детектора из двух пластин с различной толщиной. Предварительный анализ геометрии и условий применения каждой из детекторных систем выполнен методом компьютерного моделирования на основе программной системы PENELOPE/2001.Описані запропоновані авторами методи і засоби вимірювання основних параметрів потужних джерел високоенергетичного гальмівного випромінювання. Дослідження просторово-енергетичних характеристик випромінювання пропонується виконувати методом спільного (γ,n) - активування набору фольг з матеріалів, що мають різний енергетичний поріг реакції. Геометричні характеристики поля випромінювання в кожному енергетичному діапазоні визначають з розподілів поверхневої активності фольг. Останні визначаються шляхом одномірного сканування фольг спеціально розробленою детекторною голівкою, що включає лінійну матрицю з колімованих детекторів на основі CdZnTe. Для безперервного моніторингу потоку потужності гальмівного випромінювання запропоновано використовувати метод вторинної емісії без живлення на основі плоскопаралельного детектора з двох пластин з різною товщиною. Попередній аналіз геометрії і умов застосування кожної з детекторних систем виконаний методом комп'ютерного моделювання на основі програмної системи PENELOPE/2001

Real-time system for processing regime diagnostic on accelerator

A continuous mode of product transportation into the radiation zone of the electron accelerator with a scanned beam is attained by means of a remote loading of the conveyor. To keep an assigned distribution of the absorbed dose, it is necessary to provide a continuous monitoring of process parameters such as the beam current (average and pulse values), the electron energy, the linear density distribution of beam current, and also the conveyor speed. The automatic real-time system operating at the LU-10 linac and providing measurements of the mentioned parameters is described in the paper.На прискорювачі електронів з пучком, що сканується, для обробки продукції в безупинному режимі застосовують її подачу в зону опромінення за допомогою конвеєра який завантажується дистанційно. Для підтримки заданого розподілу поглиненої дози необхідно здійснювати безупинний контроль таких параметрів процесу, як струм пучку (середнє й імпульсне значення), енергія електронів, розподіл лінійної щільності току пучка, а також швидкість конвеєра. У роботі описано автоматизовану систему, що працює на прискорювачі ЛУ-10 у режимі real-time і дозволяє проводити вимірювання зазначених параметрів.На ускорителе электронов со сканируемым пучком для обработки продукции в непрерывном режиме применяют ее подачу в зону облучения с помощью дистанционно загружаемого конвейера. Для поддержания заданного распределения поглощенной дозы необходимо осуществлять непрерывный контроль таких параметров процесса, как ток пучка (среднее и импульсное значение), энергия электронов, распределение линейной плотности тока пучка, а также скорость конвейера. В работе описана автоматизированная система, работающая на ускорителе ЛУ-10 в режиме real-time и позволяющая проводить измерение указанных параметров

On a possibility of nondisturbing monitoring of electron-radiation absorbed dose in radiation-technological processes

Great deals of present-day radiation technologies that use electron accelerators involve the procedure of transporting the products under treatment across the irradiation zone normally to the beam scanning plane. The main controlled characteristic of the process is the electron radiation dose absorbed in the object under treatment. The present paper offers the method of nonperturbing real-time dose and electron energy monitoring. The method is based on the analysis of distribution of currents from the plates of a sectionalized beam charge absorber. The absorber is placed behind the conveyor and is periodically shut off from the beam by the object under irradiation. The method was preliminarily analyzed through computer simulation.Значительная часть современных радиационных технологий с использованием ускорителей электронов включает процедуру перемещения продукции через зону облучения нормально плоскости сканирования пучка. Основной контролируемой характеристикой такого процесса является поглощенная в обрабатываемом объекте доза электронного излучения. В сообщении предложен метод невозмущающего мониторирования поглощенной дозы, а также энергии электронного излучения в режиме реального времени. Метод основан на анализе распределения токов с пластин секционированного поглотителя заряда пучка. Поглотитель размещен за конвейером и периодически перекрывается от пучка облучаемым объектом. Предварительный анализ метода выполнен при помощи компьютерного моделирования.Значна частина сучасних радіаційних технологій з використанням прискорювачів електронів включає процедуру переміщення продукції через зону опромінення нормально площині сканування пучку. Основною контрольованою характеристикою такого процесу є поглинена в оброблюваному об'єкті доза електронного випромінювання. У повідомленні запропонований метод незбурюючого моніторування поглиненої дози та енергії електронного випромінювання в режимі реального часу. Метод заснований на аналізі розподілу струмів із пластин секційованого поглинача заряду пучка. Поглинач розміщений за конвеєром і періодично перекривається від пучка об'єктом, що опромінюється. Попередній аналіз методу виконаний за допомогою комп'ютерного моделювання

Distributed converter for high-brightneess bremsstrahlung generation

The novel type of the converter to transform a high-density electron beam into bremsstrahlung has been developed and investigated. To increase the thermal stability of the converter by means of a growth of the heat-exchange effectiveness in the area of the bremsstrahlung generation a braking media has been performed as the shot evenly distributed in the cooling water. The results of the computer simulation, thermophysical analysis and experimental study of the converter version on the basis of Pb shot are represented. The possibility of essential increase of the permissible electron beam density as well as reduction of the induced activity and water discharge in comparison with plate- type converter from tantalum is shown.Разработан и исследован принципиально новый тип конвертера плотного пучка электронов в тормозное излучение. Для повышения тепловой стойкости конвертера путем увеличения эффективности теплообмена в области генерации излучения тормозящая среда выполнена в виде дроби, равномерно распределенной в охлаждающей воде. Приведены результаты компьютерного моделирования, теплофизического анализа и экспериментальных исследований варианта конвертера на основе свинцовой дроби. Показана возможность существенного увеличения допустимой плотности пучка электронов, а также снижения наведенной активности и расхода охлаждающей воды по сравнению с пластинчатым конвертером из тантала.Розроблено і досліджено принципово новий тип конвертера щільного пучка електронів у гальмівне випромінення. Для підвищення теплової стійкості конвертера шляхом збільшення ефективності теплообміну в області генерації випромінення гальмуюче середовище виконане у вигляді дробу, рівномірно розподіленого у воді, що охолоджує. Приведені результати комп'ютерного моделювання, теплофізичного аналізу і експериментальних досліджень варіанту конвертера на основі свинцевого дробу. Показана можливість істотного збільшення допустимої щільності пучка електронів, а також зниження наведеної активності і витрати води, що охолоджує, в порівнянні з пластинчастим конвертером з танталу