ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 85-88
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 533.9.082.7.76+533.9.16
ИСТОЧНИК СЕЛЕКТИВНОГО МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ /-ПИНЧА
© 2004 г. В. И. Зайцев, Г. С. Волков
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Троицк Московской области Поступила в редакцию 03.12.2003 г.
Описан стенд для метрологических измерений в области энергий квантов рентгеновского излучения 50-1000 эВ. Источником рентгеновского излучения служит микросекундный z-пинч. Селекция излучения по энергиям квантов производится с помощью многослойных рентгеновских зеркал в сочетании со специально подобранными рентгеновскими фильтрами. Для определения плотности потока излучения на калибруемый детектор в каждом энергетическом интервале наряду с исследуемым детектором используется в качестве опорного абсолютно калиброванный детектор АХиУ-5. Приводятся результаты исследования характеристик некоторых детекторов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Различные области физических исследований, как, например, физика высокотемпературной плазмы, анализ атомных спектров, связаны с измерениями в области мягкого рентгеновского излучения и требуют соответствующего метрологического обеспечения. В данной работе описывается достаточно простой стенд на основе z-пинча и приводятся примеры его применения для абсолютной калибровки детекторов в области мягкого рентгеновского излучения.
2. АППАРАТУРА
Основными элементами стенда являются газовый z-пинч в качестве источника импульсного рентгеновского излучения, монохроматоры рентгеновского излучения на основе многослойных рентгеновских зеркал для спектральной селекции излучения, изготовленных, в частности, в Институте прикладной физики РАН (Н. Новгород), и полупроводниковый кремниевый детектор импульсного рентгеновского излучения АХиУ-5 [1] с известной чувствительностью в широком диапазоне энергий квантов.
Схема стенда приведена на рис. 1. Накопителем энергии служит конденсаторная батарея С емкостью 8 мкФ, состоящая из четырех соединенных параллельно низкоиндуктивных импульсных конденсаторов емкостью 2 мкФ. Батарея коммутируется управляемым вакуумным разрядником Р с пробоем по поверхности изолятора из оргстекла. Вакуумная коаксиальная линия (внутренний токопровод - катод, внешний - анод) передает ток от разрядника к плоскому разрядному промежутку, в который предварительно инжектируется газовая струя. Струя создается протеканием газа
через быстрый электромагнитный клапан со сверхзвуковым соплом [2]. Количество газа, впрыскиваемого в зазор между катодом и анодом установки, регулируется задержкой запуска разрядника батареи относительно запуска разрядника электромагнитного клапана, а также изменением давления газа в клапане в диапазоне от 2 до 5 атм.
Напряжение на пинче измеряется с помощью высоковольтного омического делителя, соединенного с катодом коаксиала в непосредственной близости от пинча. Одновременно делитель поддерживает потенциал "земли" на катоде и, соответственно, на одном из электродов разрядника в процессе зарядки конденсаторной батареи. Ток пинча измеряется магнитной петлей, расположенной на расстоянии 4.5 см от оси пинча.
Параметры установки:
• зарядное напряжение конденсаторной батареи до 25 кВ (энергозапас 2.5 кДж);
• период разряда 4 мкс, длительность нарастания тока на нагрузке ~1 мкс;
• полная индуктивность цепи ~50 нГн;
• волновое сопротивление контура р = 0.08 Ом.
Амплитуда тока при зарядном напряжении 25 кВ составляла 320 кА при работе на закорачивающий металлический стержень (диаметр 8 мм, длина 1.5 см).
Сепарация излучения пинча по энергиям квантов производится в отдельных каналах с помощью многослойных рентгеновских зеркал по схеме 6-26. Дополнительную фильтрацию излучения обеспечивают подобранные рентгеновские фильтры. Нужная энергия квантов обеспечивается подбором параметров зеркала, угла падения излучения 6 и типа фильтра [3].
С = 8 мкФ и = 25 кВ
Рис. 1. Схема установки. 1 - вакуумная камера; 2 - вакуумный разрядник; 3 - газовая струя; 4 - импульсный газовый клапан; 5 - магнитная петля; 6 - высоковольтный омический делитель напряжения; 7 - рентгеновские фильтры; 8 -многослойные рентгеновские зеркала; 9 - рентгеновские детекторы; 10 - вакуумная коаксиальная линия.
На рис. 2 приведены типичные осциллограммы тока через пинч в струе азота, напряжения на пинче и сигнала мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов вблизи 65 эВ. Пробой газа ограничивает начальное напряжение на пинче величиной 1-2.5 кВ. Момент максимального сжатия газа приходится на время, несколько меньшее времени достижения током максимума. В момент, соответствующий максимуму рентгеновского излучения, напряжение на пинче резко возрастает, а производная тока изменяет свой знак. Длительность импульса излучения с энергией квантов Екх ~ 65 эВ (излучение, ¿-оболочки азота)
Рис. 2. Типичные осциллограммы производной тока через пинч dB|dt, напряжения на пинче и и сигналов мягкого рентгеновского излучения /¿5, соответствующего энергии квантов вблизи 65 эВ. Осциллограф ТБ8-224 с полосой регистрации 100 МГц.
составляет 40-50 нс и уменьшается до 20 нс для канала 576 эВ. Изменению напряжения зарядки батареи от 15 до 22.5 кВ соответствует повышение напряжения на пинче в момент сжатия от 11 до 19 кВ.
Полный выход рентгеновского излучения измерялся с помощью термопарного калориметра чувствительностью ~35 мкВ|мДж и площадью чувствительной области 5 = 0.63 см2. При расстоянии от пинча до калориметра ~25 см и уровне зарядки конденсаторной батареи 22.5 кВ амплитуда сигнала с калориметра составляла 60 мВ, что соответствует полному выходу излучения ~45 Дж. Таким образом, к.п.д. источника такого типа (азотный 7-пинч) при данной энергетике составляет ~2%. Повышение зарядного напряжения от 17.5 до 22.5 кВ увеличивает выходной сигнал калориметра с 40 до 60 мВ, что соответствует росту полного выхода излучения с 30 до 45 Дж. Значительно существеннее возрастает жесткая часть спектра излучения. Так сигнал с детектора ЛХиУ-5 в канале монохроматора с энергией квантов 576 эВ (излучение, ^-оболочки азота) увеличивается с 200 до 700 мВ. Это означает, что большая часть радиационных потерь пинча при данном уровне энергии заряда приходится на излучение ¿-оболочки. Полученные результаты по абсолютному выходу мягкого рентгеновского излучения с азотного 7-пинча близки к данным работ [4-6], где детально исследовались спектральные характеристики микросекундного азотного пинча при энергозапасе конденсаторной батареи установки 4.3 кДж.
ИСТОЧНИК СЕЛЕКТИВНОГО МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 87
Энергия, эВ Тип зеркала Коэффициент отражения, % Угол скольжения, град Тип фильтра Пропускание фильтра Разрешение, эВ
65 576 Mo/Si W/Si 22 12.4 56 20.1 А1, 0.4 мкм + сетка Си, 0.3 мкм + сетка 0.43 0.2 7.65 11
3. КАЛИБРОВКА ДЕТЕКТОРОВ
Методика калибровки основана на сравнении сигнала калибруемого детектора с сигналом опорного детектора, характеристики которого известны, для чего используются два одинаковых канала выхода излучения, настроенные на одну и ту же энергию квантов (рис. 1). В состав каждого из каналов входят: фильтр для дополнительной селекции излучения и для отсекания ультрафиолетового и видимого излучений, плоское многослойное рентгеновское зеркало, установленное под углом Брэгга для данной длины волны, и детектор излучения. Каждой энергии канала соответствуют определенные параметры схемы - тип и наклон зеркала, тип фильтра.
Примеры элементов схем для каналов моно-хроматора, значительно отличающихся энергиями квантов (65 эВ и 576 эВ), приведены в таблице. Для канала полихроматора 65 эВ использовался фильтр А1 толщиной 0.4 мкм (граница Ь-края поглощения 72 эВ), а для канала 576 эВ фильтр Си 0.3 мкм (граница Ь-края поглощения 930 эВ). Эти фильтры обеспечивали также эффективное подавление второго порядка отражения многослойного зеркала.
На рис. 3 приведены кривые пропускания этих фильтров. Замена при калибровке рентгеновских фильтров на более толстые, с меньшим коэффициентом пропускания (А1 0.75 мкм и Си 0.6 мкм) приводит к ожидаемому для данной энергии квантов уменьшению сигналов с детекторов.
Пропускание
0.9
0.8 _v_
0.7
0.6 0.5 * • - 1 ф
0.4 -j
0.3
0.2
0.1
0 200
Направление дисперсии многослойных зеркал было перпендикулярно оси пинча. В качестве опорного используется детектор АХИУ-5, чувствительность которого известна и изменяется от 0.2 до 0.27 А/Вт в диапазоне энергий квантов от 30 до 10 кэВ (рис. 4). Так как характеристики каналов могут несколько отличаться (неточность геометрии, различия в фильтрах и зеркалах), сначала проверяется степень их идентичности, для чего собираются идентичные каналы с одинаковыми фильтрами, рентгеновскими зеркалами и приемными детекторами. Каналы настраиваются на один и тот же спектральный интервал и юстируются на г-пинч с помощью лазерного прицела.
После измерения абсолютной интенсивности излучения г-пинча в каждом из каналов с помощью детекторов АХИУ-5 детектор в одном из них заменяется на калибруемый. Второй канал остается неизменным и служит для мониторинга выхода рентгеновского излучения данной энергии от пуска к пуску установки. Такой алгоритм калибровок не требует точного знания абсолютного пропускания рентгеновских фильтров, и, более того, коэффициенты пропускания фильтров, установленных на разных каналах, могут отличаться друг от друга.
В качестве примера рассмотрим результаты калибровки рентгеновского детектора на основе микроканальных пластин (м.к.п.-детектор) в области энергий квантов 576 эВ. Заметим, что детекторы данного типа обладают рекордными параметрами (чувствительность, временное разрешение, габариты) в области мягкого рентгеновского излучения. Однако зависимость характеристик от многих факторов, в том числе и от технологии производства, приводит к необходимости калибровки детекторов. На рис. 5 приведены осциллограммы сигналов с детекторов кана-
Чувствительность, А/Вт
0.30 г
400
600
800 1000 Энергия, кэВ
0.25 0.20 0.15
0
0.5
1.0
1.5
2.0 2.5 Энергия, кэВ
Рис. 3. Кривые п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.