ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 124-127
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
ФОТОХРОНОГРАФИЧЕСКИИ РЕГИСТРАТОР ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. А. Г. Кравченко, Д. Н. Литвин, В. М. Муругов, А. В. Сеник
РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: litvin@otd13.vniief.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Прибор разработан на основе быстрого сцинтиллятора и э.о.п. для продвижения высокоскоростной регистрации в область жесткого рентгеновского и у-излучения (>10 кэВ). Применение сцинтиллятора позволяет получить слабо изменяющуюся спектральную чувствительность в диапазоне энергий квантов 40-1000 кэВ. Временное разрешение регистратора определяется временем высвечивания сцинтиллятора и составляет 100-150 пс. Прибор используется для регистрации импульсов жесткого рентгеновского излучения на установке "Искра-5".
ВВЕДЕНИЕ
Для диагностики лазерной плазмы на установках ВНИИЭФ используется рентгеновский фотохронограф РФР-4 [1]. Прибор позволяет регистрировать рентгеновское излучение в спектральном диапазоне квантов 0.1—30 кэВ с временным разрешением >10 пс. Для продвижения высокоскоростной регистрации в область более жесткого излучения можно использовать детектор на основе быстрого сцинтиллятора с регистрацией свечения с помощью оптической стрик-камеры [2, 3]. Быстродействие регистраторов такого типа ограничивается временем высвечивания сцинтиллятора и составляет ~100 пс. Такой уровень временного разрешения несколько ниже обычного для фотохронографической аппаратуры (<10 пс), но данный тип детекторов обладает рядом преимуществ с точки зрения их применения для диагностики лазерной плазмы:
1. Прибор позволяет регистрировать практически любой тип ионизирующего излучения лазерной плазмы (электромагнитное излучение в широком спектральном диапазоне, быстрые ионы, нейтроны).
2. Сцинтиллятор может иметь малые размеры и располагаться на малом (> 3 см) расстоянии от мишени. Свечение сцинтиллятора может транспортироваться на стрик-камеру [2] с помощью линзовой или волоконной оптики. Стрик-камера при этом располагается за пределами мишенной камеры, где может быть защищена от фонового излучения.
3. Используемая стрик-камера позволяет реги-
стрировать также и лазерное излучение, что об-
легчает задачу временной привязки рентгенов-
ского излучения к моменту прихода лазерного импульса на мишень.
СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГИСТРАТОРА
В разработанном нами приборе используется быстрый сцинтиллятор СПС-Б18 с паспортным временем высвечивания 80 пс. Регистрация свечения сцинтиллятора осуществляется с помощью разработанного во ВНИИЭФ оптического фотохронографа СЭР-4М, построенного на базе широко известного времяанализирующего э.о.п. ПИМ-103 [4], сочлененного с усилителем яркости ПМУ-401 на основе микроканальных пластин (м.к.п.). В зависимости от цели измерений выбирается э.о.п. с соответствующим типом фотокатода: для достижения максимальной чувствительности к свечению сцинтиллятора применяется мультищелочной фотокатод; если одновременно со свечением сцинтиллятора необходимо регистрировать излучение лазера, используется инфракрасный фотокатод. Для достижения предельной чувствительности методики, необходимой при регистрации слабых световых потоков сцинтиллятора, в фотохронографе предпринят ряд мер: возможность регулировки коэффициента усиления вплоть до 105; импульсное питание м.к.п.-уси-лителя яркости; запирание входного э.о.п. через < 2 мкс после окончания развертки.
Принятые меры позволили надежно регистрировать отдельные электроны, вылетающие с фотокатода, при полном подавлении фонового сигнала на используемых длительностях развертки ~5 нс на экран. Каждый фотоэлектрон дает на фотопленке, регистрирующей выходное изобра-
Рис. 1. Относительная спектральная чувствительность регистратора.
жение, пятно 070 мкм с плотностью почернения Э = 1-1.5.
Временное разрешение регистратора определяется временем высвечивания сцинтиллятора (~80 пс) и временным разрешением фотохронографа, которое для исключения потерь чувствительности за счет применения соответствующей ширины времяанализирующей щели также составляло 80 пс. В итоге временное разрешение прибора оценивается величиной ~120 пс. Экспериментальная оценка временного разрешения, составившая 100-150 пс, была сделана на основании сопоставления результатов одновременного измерения на установке "Искра-5" длительности импульса жесткого рентгеновского излучения из мишени и длительности воздействующего лазерного импульса, о чем сказано ниже.
Эффективность сцинтиллятора при регистрации жесткого рентгеновского излучения зависит от его толщины, которая для исключения потери временного разрешения за счет конечного времени пролета рентгеновского излучения в объеме сцинтиллятора не должна превышать ~30 мм. Уровни потоков жесткого рентгеновского излучения на установке "Искра-5" позволяют использовать сцинтилляторы существенно меньшей толщины - до 3 мм. Спектральная чувствительность регистратора (рис. 1) слабо изменяется в диапазоне энергий квантов 40-1000 кэВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Регистратор использовался в экспериментах на установке "Искра-5" для решения задачи временной привязки импульса жесткого рентгеновского
Рентгеновское Рентгеновские
излучение фильтры Сцинтиллятор
излучение ИКС, НС
Рис. 2. Схема методики одновременной регистрации
лазерного и жесткого рентгеновского излучений.
излучения, рождающегося в плазменной короне, к импульсу лазерного излучения. Эта привязка необходима для ряда методик измерения параметров плазмы, в частности, для измерения задержки момента генерации нейтронов относительно момента прихода лазерного излучения на мишень. В соответствии с современными представлениями о процессах взаимодействия лазерного излучения с плазмой временная форма импульса жесткого рентгена должна повторять форму лазерного импульса, однако в конкретных условиях эксперимента это положение требует экспериментального подтверждения.
Схема измерений представлена на рис. 2. Рентгеновское излучение регистрируется с помощью сцинтиллятора СПС-Б18 толщиной 3 мм, расположенного на расстоянии 1 м от мишени. Для выделения жесткой компоненты и ранжирования применялись ступенчатые титановые фильтры. Регистрировались кванты в ^-окне Т со средней энергией ~4.5 кэВ. Излучение сцитиллятора с помощью объектива проецировалось на верхнюю половину входной щели фотохронографа. На нижнюю половину с помощью того же объектива перепроецировалось рассеянное в мишени лазерное излучение, предварительно отфильтрованное и ослабленное. Результат регистрации показан на рис. 3. Фронты импульсов в пределах погрешности совпадают. Отсюда следует, что при использовании импульса рентгеновского излучения погрешность временной привязки к моменту прихода лазерного импульса на мишень не превышает 30 пс.
Длительность зарегистрированного рентгеновского импульса 0.40 нс несколько превышает длительность лазерного импульса 0.37 нс. Если принять, что разница обусловлена временным разрешением прибора при регистрации рентгеновского излучения, то временное разрешение регистратора оценивается величиной 100-150 пс.
126
КРАВЧЕНКО и др.
(а)
(а)
Л.и.
3 4
Время, нс
Рис. 3. Результат одновременной регистрации рентгеновского (р.и.) и лазерного (л.и.) излучений.
РЬ-фильтр РЬ-стекло
Мишень Сцинтиллятор
щ
13 см
Объектив П6-М
»Стенка камеры
Рис. 4. Схема измерительного канала методики регистрации длительности реакций синтеза.
Эффективность, отн. ед. 9 8 7 6 5 4 3 2 1
101
102
103
Е, кэВ
Эффективность, отн. ед. 1.0
0.4 0.2 0
0 0.2 0.4 0.6 0
1.0 1.2 1.4 г, нс
Рис. 5. Зависимость спектральной чувствительности регистратора с РЬ-фильтром толщиной 200 мкм.
Рис. 6. Результат регистрации импульса жесткого рентгеновского излучения сцинтилляционным детектором: а - фотохронограмма; б - результат восстановления импульсной характеристики (1 - форма лазерного импульса (входной сигнал), 2 - выходной рентгеновский импульс, 3 - результат восстановления импульсной характеристики, 4 - контрольная свертка).
О РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ
Регистратор со сцинтиллятором в качестве приемника чувствителен практически к любому типу ионизирующего излучения, в том числе и к нейтронам. А возможность расположения сцинтиллятора на малом расстоянии от мишени делает удобным применение регистратора для измерения кинетики термоядерных реакций, так как малая пролетная база позволяет исключить потерю временного разрешения за счет расширения пакета нейтронов за время пролета до детектора из-за конечной ширины их спектра. Возможная схема измерительного канала для такой методики приведена на рис. 4.
Толщина сцинтиллятора 3 мм ограничивает время пролета нейтронов в его объеме до 60 пс. Размеры сцинтиллятора составляют 10 х 0.4 см2. Для устранения разброса времен пролета нейтронов до разных частей сцинтиллятора последний выгнут по сфере с центром в месте постановки мишени. Расстояние между сцинтиллятором и ми-
0
шенью составляет 13.5 ± 0.2 см, ослабление импульса жесткого рентгеновского излучения до требуемого уровня осуществляется с помощью свинцового фильтра.
Изображение сцинтиллятора строится на фотокатоде фотохронографа с помощью объектива с относительным отверстием 1.6 и масштабом 1 : 7. Для защиты фотохронографа от рассеянного рентгеновского излучения установлено свинцовое стекло с эквивалентной толщиной РЬ 2.5 мм, ослабляющее свечение сцинтиллятора в 2 раза.
С помощью генератора нейтронов ТГИ-111 (14 МэВ) были проведены измерения эффективности регистрации измерительного канала. Измерения показали, что порог обнаружения канала (регистрация 102 нейтронов) в условиях измерений на установке "Искра-5" составляет ~10п нейтрон/импульс из мишени. Эта величина превышает достигнутый в настоящее время на установке нейтронный выход, поэтому для регистрации нейтронов в экспериментах методика не использовалась.
Временное разрешение регистратора, кроме времени высвечивания сцинтиллятора и временного разрешения фотохронографа, зависит также от оптической системы переноса излучения на фотокато
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.