Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner
In this article, the formation of given distributions of electron fluxes on the surfaces of irradiated objects using magnetic fields of one-dimensional and two-dimensional scanners was studied. The types of time-dependences of the change in the magnetic field was determined, providing both uniform a...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2022 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2022
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/195398 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner / V.G. Rudychev, V.T. Lazurik, Y.V. Rudychev // Problems of Atomic Science and Technology. — 2022. — № 3. — С. 87-90. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-195398 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Rudychev, V.G. Lazurik, V.T. Rudychev, Y.V. 2023-12-05T09:47:19Z 2023-12-05T09:47:19Z 2022 Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner / V.G. Rudychev, V.T. Lazurik, Y.V. Rudychev // Problems of Atomic Science and Technology. — 2022. — № 3. — С. 87-90. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.25.-t, 29.85.-c, 52.59.-f, 24.10.Lx https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/195398 In this article, the formation of given distributions of electron fluxes on the surfaces of irradiated objects using magnetic fields of one-dimensional and two-dimensional scanners was studied. The types of time-dependences of the change in the magnetic field was determined, providing both uniform and given distributions of the electron density on the irradiated surface. The influence of the energy and angular spread in the electron beam on the change in the density of particles on the surface was analyzed. The influence of these factors can be compensated by changing the magnetic field. For (X,Y)-scanner that generates electron beams: the main one (incident perpendicular to the object) and additional (incident angles of 60…75° from the perpendicular to the object), a significant effect of the energy spread on the incident angles of the additional beam was shown. Досліджено формування заданих розподілів потоків електронів на поверхнях опромінених об’єктів за допомогою магнітних полів одновимірного та двовимірного сканерів. Визначено види залежностей зміни магнітного поля від часу, що забезпечують як однорідні, так і задані розподіли щільності електронів на поверхні, що опромінюється. Проаналізовано вплив енергетичного та кутового розкидів у пучку електронів що до зміни щільності частинок на поверхні. Вплив цих факторів може компенсуватися зміною магнітного поля. Для (X,Y)-сканера, що створює пучки електронів: основний (падає перпендикулярно об’єкту) і додатковий (кути падіння 60…75° від перпендикуляра до об'єкта), показано значний вплив енергетичного розкиду на кути падіння додаткового пучка. Исследовано формирование заданных распределений потоков электронов на поверхностях облучаемых объектов при помощи магнитных полей одномерного и двумерного сканеров. Определены виды зависимо-стей изменения магнитного поля от времени, обеспечивающие как однородные, так и заданные распределения плотности электронов на облучаемой поверхности. Проанализировано влияние энергетического и углового разбросов в пучке электронов на изменение плотности частиц на поверхности. Влияние этих факторов может быть компенсировано изменением магнитного поля. Для (X,Y)-сканера, создающего пучки электро-нов: основной (падающий перпендикулярно объекту) и дополнительный (углы падения 60…75° от перпендикуляра к объекту), показано существенное влияние энергетического разброса на углы падения дополнительного пучка. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Beam dynamics Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner Формування пучків електронів з заданим просторовим розподілом за допомогою сканера Формирование пучков электронов с заданным пространственным распределением с помощью сканера Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner |
| spellingShingle |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner Rudychev, V.G. Lazurik, V.T. Rudychev, Y.V. Beam dynamics |
| title_short |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner |
| title_full |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner |
| title_fullStr |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner |
| title_full_unstemmed |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner |
| title_sort |
formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner |
| author |
Rudychev, V.G. Lazurik, V.T. Rudychev, Y.V. |
| author_facet |
Rudychev, V.G. Lazurik, V.T. Rudychev, Y.V. |
| topic |
Beam dynamics |
| topic_facet |
Beam dynamics |
| publishDate |
2022 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Формування пучків електронів з заданим просторовим розподілом за допомогою сканера Формирование пучков электронов с заданным пространственным распределением с помощью сканера |
| description |
In this article, the formation of given distributions of electron fluxes on the surfaces of irradiated objects using magnetic fields of one-dimensional and two-dimensional scanners was studied. The types of time-dependences of the change in the magnetic field was determined, providing both uniform and given distributions of the electron density on the irradiated surface. The influence of the energy and angular spread in the electron beam on the change in the density of particles on the surface was analyzed. The influence of these factors can be compensated by changing the magnetic field. For (X,Y)-scanner that generates electron beams: the main one (incident perpendicular to the object) and additional (incident angles of 60…75° from the perpendicular to the object), a significant effect of the energy spread on the incident angles of the additional beam was shown.
Досліджено формування заданих розподілів потоків електронів на поверхнях опромінених об’єктів за допомогою магнітних полів одновимірного та двовимірного сканерів. Визначено види залежностей зміни магнітного поля від часу, що забезпечують як однорідні, так і задані розподіли щільності електронів на поверхні, що опромінюється. Проаналізовано вплив енергетичного та кутового розкидів у пучку електронів що до зміни щільності частинок на поверхні. Вплив цих факторів може компенсуватися зміною магнітного поля. Для (X,Y)-сканера, що створює пучки електронів: основний (падає перпендикулярно об’єкту) і додатковий (кути падіння 60…75° від перпендикуляра до об'єкта), показано значний вплив енергетичного розкиду на кути падіння додаткового пучка.
Исследовано формирование заданных распределений потоков электронов на поверхностях облучаемых объектов при помощи магнитных полей одномерного и двумерного сканеров. Определены виды зависимо-стей изменения магнитного поля от времени, обеспечивающие как однородные, так и заданные распределения плотности электронов на облучаемой поверхности. Проанализировано влияние энергетического и углового разбросов в пучке электронов на изменение плотности частиц на поверхности. Влияние этих факторов может быть компенсировано изменением магнитного поля. Для (X,Y)-сканера, создающего пучки электро-нов: основной (падающий перпендикулярно объекту) и дополнительный (углы падения 60…75° от перпендикуляра к объекту), показано существенное влияние энергетического разброса на углы падения дополнительного пучка.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/195398 |
| citation_txt |
Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner / V.G. Rudychev, V.T. Lazurik, Y.V. Rudychev // Problems of Atomic Science and Technology. — 2022. — № 3. — С. 87-90. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT rudychevvg formationofelectronbeamswithgivenspatialdistributionsbythescanner AT lazurikvt formationofelectronbeamswithgivenspatialdistributionsbythescanner AT rudychevyv formationofelectronbeamswithgivenspatialdistributionsbythescanner AT rudychevvg formuvannâpučkívelektronívzzadanimprostorovimrozpodílomzadopomogoûskanera AT lazurikvt formuvannâpučkívelektronívzzadanimprostorovimrozpodílomzadopomogoûskanera AT rudychevyv formuvannâpučkívelektronívzzadanimprostorovimrozpodílomzadopomogoûskanera AT rudychevvg formirovaniepučkovélektronovszadannymprostranstvennymraspredeleniemspomoŝʹûskanera AT lazurikvt formirovaniepučkovélektronovszadannymprostranstvennymraspredeleniemspomoŝʹûskanera AT rudychevyv formirovaniepučkovélektronovszadannymprostranstvennymraspredeleniemspomoŝʹûskanera |
| first_indexed |
2025-11-25T10:59:06Z |
| last_indexed |
2025-11-25T10:59:06Z |
| _version_ |
1850510663054524416 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2022. №3(139) 87
BEAM DYNAMICS
https://doi.org/10.46813/2021-139-087
FORMATION OF ELECTRON BEAMS
WITH GIVEN SPATIAL DISTRIBUTIONS BY THE SCANNER
V.G. Rudychev
1
, V.T. Lazurik
1
, Y.V. Rudychev
1,2
1
V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine;
2
National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkiv, Ukraine
E-mail: vrudychev@karazin.ua
In this article, the formation of given distributions of electron fluxes on the surfaces of irradiated objects using
magnetic fields of one-dimensional and two-dimensional scanners was studied. The types of time-dependences of
the change in the magnetic field was determined, providing both uniform and given distributions of the electron den-
sity on the irradiated surface. The influence of the energy and angular spread in the electron beam on the change in
the density of particles on the surface was analyzed. The influence of these factors can be compensated by changing
the magnetic field. For (X,Y)-scanner that generates electron beams: the main one (incident perpendicular to the
object) and additional (incident angles of 60…75 from the perpendicular to the object), a significant effect of the
energy spread on the incident angles of the additional beam was shown.
PACS: 29.25.-t, 29.85.-c, 52.59.-f, 24.10.Lx
In work [1], in order to ensure the minimum dose in-
homogeneity under polyethylene layer irradiation, we
proposed double-sided irradiation by electron beams at
different angles, the main beam and additional beam.
Fig. 1 shows a possible scheme of using (X,Y)-scanner
for irradiating the surface of the polyethylene layer by the
main electrons beam incident perpendicular to the surface
of the irradiated object and additional beam incident at
angle Θ ≠ 0 relative to the normal of the object surface. In
[1], the influence of the energy spread of electron beam
on dose distributions for double-sided irradiation under
the main and additional beams was studied. However, the
influence of the energy and angular spreads of the initial
electron beam on the fluxes distribution from the main
and additional electron beams on the irradiated objects
surface has not been studied.
Fig. 1. Possible scheme of using (X,Y )-scanner
for irradiating the surface of the polyethylene layer
by electron beam at different angles
Let a scan magnet field area is rectangular parallele-
piped in which a magnetic field is directed vertically,
homogeneous and varying in time [2]. Width of a mag-
netic field area in initial beam direction is marked h and
a distance between field area and an object is L (Fig. 2).
Let electrons of E0 energy fly into a field area perpen-
dicularly to intensity vector and to a field bound line
and the intensity amplitude is H = H(t).
As the electron velocity at few megaelectronvolt en-
ergy is approximately c, than a field intensity does not
change during the particles pass the field area. There-
fore the electron arrived to magnetic field in time t
moves along circumference that radius can be evaluated
from the relation
2 2 2( ) ( )eE m c R H t . (1)
From a magnetic field area electron flies out at the
angle = arcsin(h/R) (see Fig. 2) to a drift space. A
transverse electron displacement y(t) from its initial
position is determined by
2 2
2 2
( ) (1 1 / )
1 /
h L
y t R h R
R h R
, (2)
where R=R(t) can be obtained from (1).
Introduce into consideration a dimensionless variable
χ(t) = h/R(t) which is equal to sine of electron entrance
angle, so that -1< χ < 1. Let rewrite (2) in dimensionless
values where u(t) = y(t)/h and η = l/h, so we can obtain
2
2
1 ( )
( ) (1 1 ( ))
( ) 1 ( )
t
u t t
t t
. (3)
A particle number corresponding to u length of ir-
radiated object is proportional to t time and a particle
density on the object can be determined up to a factor as
1
( )
t du
t
u dt
. (4)
Using (3) and (4) and setting a law for magnetic
field change in time we can obtain a particle density
distribution on the object.
Let solve an inverse problem and find the law for
magnetic field change in time χ(t) needed for obtaining
a given density distribution. We can rewrite an equation
(4) in a form:
1
1
( )
d du
dt t d
. (5)
Taking into account (3) the differential equation for
an arbitrary (t) is nonlinear and has no solution in gen-
eral case. As a rule, for the most applications the uni-
form beam distribution is needed, that is (t) = const.
mailto:vrudychev@karazin.ua
88 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2022. №3(139)
Fig. 2. To inference of displacement equation
into scanner field
For (t) = 1 and taking into account that |χ| < 1, after
substituting (3) into (5) and expanding in a series in χ,
we obtain an approximate value of χ(t) in the form:
= A tanh t B t . (6)
Fig. 3,a shows the dependences of the magnetic field
varying in time for the following options: χ(t) – optimal
((t) = 1), χ(t) = k·t – sawtooth change, χ(t) – optimal +
field jump at large angles of deflection. Fig. 3,b shows
varying in the particle density on the irradiated object
with time for the following options: χ(t) – optimal,
χ(t) = k·t – sawtooth change, χ(t) – optimal + field jump.
a
b
Fig. 3. The dependences of the magnetic field varying
in time for the following options:
χ(t) – optimal ((t) = 1), χ(t) = k·t – sawtooth change,
χ(t) – optimal + field jump (а);
varying in the particle density on the irradiated object
with time for the following options:
χ(t) – optimal, χ(t) = k·t – sawtooth change,
χ(t) – optimal + field jump (b)
Fig. 4,a,b shows the dependences of the magnetic
field varying and the density of particles on the irradiat-
ed object, similar to Fig. 3, but instead of varying the
magnetic field, the optimal + field jump, the optimal
+ stepwise varying in the magnetic field and the corre-
sponding particle density are used.
a
b
Fig. 4. The dependences of the magnetic field varying
in time for the following options:
χ(t) – optimal ((t) = 1), χ(t) = k·t – sawtooth change,
χ(t) – optimal + stepped field (а);
varying in the particle density on the irradiated object
with time for the following options:
χ(t) – optimal, χ(t) = k·t – sawtooth change,
χ(t) – optimal + stepped field (b)
Fig. 5. The dependences of the particle density
varying in time of the irradiated object taking
into account the deviations in energy δ
The influence of the energy spread in the electron
beam on the particle density varying on the surface is
analyzed. Assuming that the initial energy of the elec-
trons is E0, the deviation of the energy is δ, then the
energy of the electrons is E = E0·(1+δ). Then, taking
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2022. №3(139) 89
into account relation (1), the relation for the magnetic
field has a simple form:
, = A tanh 1t B t . (7)
Using (7) and (5), the dependences on the particle
density varying in time of the irradiated object were
obtained, taking into account the deviations in energy δ,
shown in Fig. 5.
The influence of the energy spread in the electron
beam on the change in the electron beam incidence an-
gles of the irradiated object is determined by the follow-
ing relation:
2 2 2
1 2 2 2
1
( )
sin( ) sin( )
( )
e
e
E m c
E m c
, (8)
where is the incidence angle of the initial electron
with energy E, 1 is the incidence angle of electron with
energy E1.
In [1], the calculations of dose distributions for elec-
tron energies in the range 0.9E0 < E < 1.025E0 where
E0 = 2, 6, 10 MeV for angles = 0 (main beam) and
an additional beam = 65 and = 1 (option scan-
ner + Panovsky lenses). For angles = 15, 30, 45
and 65 and energies E0 = 2, 6, 10 MeV with energy
range of 0.9E0 < E <1.025E0 using relation (8), the val-
ues of the angles 1, given in Table 1, were obtained.
Table 2 shows the relative deviations of the angle 1
from when the electron energy deviates from the
nominal value.
Table 1
Values of angles 1 for different deviations of the electron energy from the nominal values
, degree
2 6 10
15 30 45 65 15 30 45 65 15 30 45 65
E0 1, degree 1, degree 1, degree
0.9 16.9 34.1 52.4
16.7 33.8 51.8
16.7 33.8 51.8
0.925 16.3 32.9 50.3 80.3 16.3 32.7 49.9 78.6 16.3 32.7 49.9 78.5
0.95 15.9 31.9 48.3 73.3 15.8 31.8 48.1 72.6 15.8 31.8 48.1 72.6
0.975 15.4 30.9 46.6 68.6 15.4 30.9 46.5 68.4 15.4 30.9 46.5 68.4
1 15.0 30.0 45.0 65.0 15.0 30.0 45.0 65.0 15.0 30.0 45.0 65.0
1.025 14.6 29.1 43.5 62.0 14.6 29.2 43.6 62.1 14.6 29.2 43.6 62.1
Table 2
Relative deviations of the angle 1 from when the electron energy deviates from the nominal value
2 6 10
15 30 45 65 15 30 45 65 15 30 45 65
(1-)·100/, % (1-)·100/, % (1-)·100/, %
0.9 12.4 13.6 16.4 >100 11.5 12.6 15.2 >100 11.5 12.5 15.1 >100
0.925 9.0 9.8 11.7 23.5 8.4 9.1 10.9 21.0 8.3 9.1 10.8 20.8
0.95 5.8 6.3 7.4 12.7 5.4 5.9 6.9 11.7 5.4 5.9 6.9 11.7
0.975 2.8 3.0 3.6 5.6 2.6 2.9 3.3 5.2 2.6 2.8 3.3 5.2
1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
1.025 -2.7 -2.9 -3.3 -4.7 -2.5 -2.7 -3.1 -4.4 -2.5 -2.7 -3.1 -4.4
CONCLUSIONS
The types of time dependences of magnetic fields
are determined, which provide the specified distribu-
tions of electron fluxes on the surfaces of irradiated ob-
jects and on converters of bremsstrahlung. The influ-
ence of the energy and angular spread in the electron
beam on the change in the particle density on the sur-
face is analyzed. The influence of these factors can be
compensated for magnetic field varying. For (X,Y)-
scanner that produces electron beams: the main (inci-
dent perpendicular to the object) and additional (inci-
dent at angles of 60…75 relative to the normal of the
object), a significant influence of the energy spread on
the additional beam incidence angles is shown.
REFERENCES
1. V.G. Rudychev, V.T. Lazurik, Y.V. Rudychev. In-
fluence of the electron beams incidence angles on
the depth-dose distribution of the irradiated object //
Rad. Phys. Chem. 2021, v. 186, p. 109527, https:
//doi.org/10.1016/j.radphyschem.
2. S. Pismenesky, G. Popov, V. Rudychev. Reproduc-
tion of a given particle distribution by means of
scanner // Rad. Phys. Chem. 2002, 63, issue 3-6,
p. 601-604.
3. A. Lisitsky, S. Pismenesky, G. Popov, V. Rudychev.
Quality improvement of irradiating technique //
Radiat. Phys. Chem. 2002, v. 63, p. 591-594.
4. J. McKeown, S.T. Craig, N.H. Drewell, et al. Beam
scanning for dose uniformity // Radiat. Phys. Chem.
1995, v. 46, p. 1363-1372.
5. Y. Yuri, M. Fukuda, T. Yuyama. Transverse profile
shaping of a charged-particle beam using multipole
magnets // Formation of hollow beams, Journal of
Physics: Conference Series. 2019, 1350, p. 012115,
IOP Publishing doi:10.1088/1742-6596/1350/1/
012115.
6. M. Cleland, R. Galloway, F. Genin, et al. The Use of
Dose and Charge Distributions in Electron Beam
Processing // Radiat. Phys. Chem. 2002, v. 63, № 3-
6, p. 729-733.
Article received 25.04.2022
file:///F:/Egor/2022/VANT/186
https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109527
https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109527
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0969806X01006703#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0969806X01006703#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0969806X01006703#!
90 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2022. №3(139)
ФОРМУВАННЯ ПУЧКІВ ЕЛЕКТРОНІВ З ЗАДАНИМ ПРОСТОРОВИМ
РОЗПОДІЛОМ ЗА ДОПОМОГОЮ СКАНЕРА
В.Г. Рудичев, В.Т. Лазурик, Є.В. Рудичев
Досліджено формування заданих розподілів потоків електронів на поверхнях опромінених об'єктів за
допомогою магнітних полів одновимірного та двовимірного сканерів. Визначено види залежностей зміни
магнітного поля від часу, що забезпечують як однорідні, так і задані розподіли щільності електронів на
поверхні, що опромінюється. Проаналізовано вплив енергетичного та кутового розкидів у пучку електронів
що до зміни щільності частинок на поверхні. Вплив цих факторів може компенсуватися зміною магнітного
поля. Для (X,Y)-сканера, що створює пучки електронів: основний (падає перпендикулярно об'єкту) і
додатковий (кути падіння 60…75 від перпендикуляра до об'єкта), показано значний вплив енергетичного
розкиду на кути падіння додаткового пучка.
ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ЗАДАННЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ СКАНЕРА
В.Г. Рудычев, В.Т. Лазурик, Е.В. Рудычев
Исследовано формирование заданных распределений потоков электронов на поверхностях облучаемых
объектов при помощи магнитных полей одномерного и двумерного сканеров. Определены виды зависимо-
стей изменения магнитного поля от времени, обеспечивающие как однородные, так и заданные распределе-
ния плотности электронов на облучаемой поверхности. Проанализировано влияние энергетического и угло-
вого разбросов в пучке электронов на изменение плотности частиц на поверхности. Влияние этих факторов
может быть компенсировано изменением магнитного поля. Для (X,Y)-сканера, создающего пучки электро-
нов: основной (падающий перпендикулярно объекту) и дополнительный (углы падения 60…75 от перпен-
дикуляра к объекту), показано существенное влияние энергетического разброса на углы падения дополни-
тельного пучка.
|