Ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» провели виртуальный эксперимент, чтобы разобраться с одним из «побочных эффектов» работы мощных синхротронов — установок, которые разгоняют электроны почти до скорости света для получения яркого рентгеновского излучения. Оказалось, что даже в почти идеальном вакууме остаётся немного газа, и когда электронный пучок врезается в эти молекулы, возникает так называемое газовое тормозное излучение — поток высокоэнергетических фотонов, электронов и даже нейтронов. Это как если бы вы ехали на велосипеде в пустом тоннеле, но периодически задевали несколько случайных молекул воздуха, каждая из которых звенела, как колокольчик.
Исследователи смоделировали ситуацию для перспективного российского ускорителя СИЛА и его французского «коллеги» ESRF, где электроны разгоняются до энергии 6 ГэВ. С помощью метода Монте-Карло и программы GEANT4 они проследили, как рождаются и путешествуют эти незваные частицы внутри вакуумной камеры и вокруг неё, особенно рядом с массивными дипольными магнитами из железа и меди. Эти магниты, с одной стороны, экранируют часть излучения, а с другой — сами становятся источником вторичных частиц, включая характерные рентгеновские «отпечатки» металлов и даже фотоны с энергией 511 кэВ от аннигиляции позитронов — настоящее мини-представление в мире элементарных частиц.
Но самое практическое значение работы — в расчёте радиационной защиты. Учёные выяснили, что даже на расстоянии нескольких метров от ускорителя мощность эффективной дозы можно снизить до безопасного уровня с помощью комбинации свинцовой плиты и толстой бетонной стены. Например, защита из 10 см свинца и 1 метра специального бетона позволяет безопасно работать рядом с установкой даже при её максимальной мощности. Так что, несмотря на то, что синхротрон иногда напоминает гостеприимную вечеринку для разного рода частиц, учёные точно знают, как не допустить их к людям — с помощью надёжного «свинцового плаща» и точных расчётов. Это исследование — важный шаг к созданию не только мощных, но и безопасных исследовательских установок будущего, где можно будет изучать структуру материалов, не беспокоясь о собственном «просвечивании».
Исследование опубликовано в журнале «Ядерная физика и инжиниринг»
