Ионизирующее излучение неизбежно возникает при работе любых современных ускорительных комплексов. Его природа связана как с фундаментальными процессами взаимодействия ускоренных частиц с веществом, так и с особенностями электродинамики при движении заряженных частиц в электромагнитных полях. Понимание механизмов образования ионизирующего излучения, а также его характеристик, играет ключевую роль в проектировании ускорителей, обеспечении радиационной безопасности и разработке методов диагностики пучков.
1. Тормозное излучение (Bremsstrahlung). При прохождении ускоренных электронов или позитронов через вещество (мишени, остаточный газ, элементы конструкции) они взаимодействуют с кулоновским полем атомных ядер. Резкое замедление или отклонение траектории приводит к излучению фотонов широкого энергетического диапазона — от мягкого рентгеновского до жесткого гамма-излучения. Тормозное излучение является основным источником радиации в электронных ускорителях при столкновении пучка с материалами.
2. Синхротронное излучение. Заряженные частицы, двигаясь по криволинейной траектории в магнитных полях диполей и вигглеров, излучают электромагнитные волны. Это излучение охватывает широкий спектр — от инфракрасного до жесткого рентгена. В современных электронных кольцевых ускорителях синхротронное излучение становится доминирующим видом радиации, определяющим как полезное применение (световые источники), так и радиационные нагрузки на оборудование.
3. Излучение при взаимодействии с остаточным газом. Даже при высоком вакууме в камере ускорителя всегда присутствуют остаточные атомы газа. Столкновения пучка с ними вызывают ионизацию и генерацию вторичных электронов, что сопровождается рентгеновским излучением. Этот процесс усиливается при больших токах пучка и ограниченном вакууме.
4. Ядерные реакции. Высокоэнергетические протоны и тяжелые ионы, взаимодействуя с ядрами материала мишеней, коллиматоров или конструкционных элементов, вызывают каскад ядерных реакций. В результате возникают гамма-кванты, нейтроны и осколки деления, формирующие сложное радиационное поле.
5. Нейтронное излучение. Нейтроны в ускорителях образуются как побочный продукт ядерных реакций при облучении мишеней протонными и ионными пучками, а также при генерации каскадов в тяжелых материалах (вольфрам, свинец, уран). Нейтронное поле отличается высокой проникающей способностью и сложной энергетической структурой, что делает его особенно опасным и требующим тщательной защиты.
6. Вторичное и переходное излучение. Кроме основных процессов, в ускорителях наблюдается черенковское излучение, переходное излучение при прохождении границ раздела сред, а также флуоресцентное рентгеновское излучение при возбуждении атомных оболочек материалами пучка. Эти процессы вносят дополнительные компоненты в спектр ионизирующего излучения.
Электронные ускорители. Наиболее мощным источником излучения здесь является синхротронное и тормозное излучение. В линейных ускорителях доминирует тормозное излучение на мишенях, а в накопительных кольцах — синхротронное. Также возникает интенсивное рентгеновское излучение при ударах частиц в остаточный газ и элементы конструкции.
Протонные ускорители. Для протонных и ионных машин характерно образование нейтронного и гамма-излучения в результате ядерных взаимодействий. Радиация здесь носит смешанный характер: первичные гамма-кванты, нейтроны различных энергий, вторичные электроны и протоны. В отличие от электронных ускорителей, синхротронное излучение практически не играет роли из-за большой массы протонов.
Лазеры на свободных электронах. В таких установках электромагнитное излучение специально генерируется для исследовательских целей. Однако сопутствующее тормозное и остаточное рентгеновское излучение также присутствует и требует экранирования.
Ионизирующее излучение в ускорителях имеет ярко выраженную анизотропию.
Эти особенности учитываются при проектировании систем радиационной защиты.
Основные эффекты излучения:
Для контроля применяются: