ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 133-138
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
МЕТОДИКИ КАЛИБРОВОК РЕНТГЕНОВСКИХ ФОТОХРОНОГРАФОВ И ЭЛЕМЕНТОВ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ
© 2004 г. В. П. Лазарчук, А. Н. Мунтян, В. М. Муругов, С. И. Петров, А. В. Сеник
РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: petrov@otd13.vniief.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Описываются стенды, разработанные для калибровки рентгеновских фотохронографов и элементов рентгеновских измерительных схем. Приводятся методики и результаты калибровок абсолютной спектральной чувствительности, пространственного разрешения, дисторсионных искажений, неоднородности чувствительности по экрану, скорости и нелинейности развертки рентгеновского фотохронографа, а также фильтров и зеркал, используемых при регистрации рентгеновского излучения лазерной плазмы. Погрешность абсолютной калибровки фотохронографа ±10%, погрешность калибровки фильтров и зеркал ±2%. Описаны методы обработки фотохронограмм, позволяющие по результатам калибровок устранять искажения, вносимые фотохронографом.
Для проведения абсолютных измерений выходов рентгеновского излучения из лазерной плазмы с временным разрешением в различных спектральных диапазонах используются преимущественно полупроводниковые детекторы, а в области сверхмягкого рентгеновского излучения (<1 кэВ) - вакуумные рентгеновские диоды. Работы, проводимые на мощной лазерной установке "Ис-кра-5", требуют знания абсолютных потоков рентгеновского излучения как с пространственным, так и с высоким временным разрешением (<10-10 с), что невозможно осуществить с помощью вышеуказанных детекторов.
В связи с этим возникла задача разработки методик абсолютных измерений потоков рентгеновского излучения лазерной плазмы с помощью рентгеновских фотохронографов. Одна из основных проблем при проведении таких измерений -абсолютная калибровка фотохронографа и элементов измерительной схемы.
Во ВНИИЭФ разработан и широко используется рентгеновский фотохронограф РФР-4 [1]. В его состав входят времяанализирующий рентге-ночувствительный электронно-оптический преобразователь (р.э.о.п.) с внешней откачкой и сменным фотокатодным узлом, один-два усилителя яркости и п.з.с.-камера. Во времяанализирующем р.э.о.п. фотоэлектроны, выбитые рентгеновским излучением из фотокатода, ускоряются и фокусируются электронной оптикой на выходной экран. Видимое изображение на выходе р.э.о.п. усиливается усилителями яркости и регистрируется п.з.с.-камерой.
Как р.э.о.п., так и усилители яркости имеют неоднородную чувствительность по фотокатоду
и экрану и, кроме того, вносят дисторсионные искажения. В результате на выходном экране последнего усилителя яркости формируется изображение с интенсивностью
Р(X,у ) = 11х_гау(Н V, г, Хк)Тподл (Н V)Тподсл(^)Х
0
ху(Нv, Ер, б, фД„ Нк, 8)х (1)
Х Кр.э.о.п( ик)Кпвэ (Хк, Х, у, ик, / 1, /2, 5) Х х О (X к, X, у) Кус (х, у, и ус) К разв( V, х, у) dщdНv.
Здесь Р(х, у) Дж/см2 - распределение интенсивности видимого света на выходном экране фотохронографа; Ix-ray(hv, хк, фотон/кэВ ■ см2с -спектральное распределение интенсивности падающего на фотокатод рентгеновского излучения по входной шели фотокатода в зависимости от времени; тподл(^), тподсл(^) - пропускание подложки и подслоя фотокатода; Y(hv, Ер, б, ф, Х5, Нк, 8), электрон/фотон - квантовый выход рабочего слоя фотокатода, который зависит от hv - энергии кванта рентгеновского излучения, Ер - параметров материала слоя, б - угла падения рентгеновского излучения на фотокатод, ф - угла выхода фотоэлектрона из него, - глубины выхода фотоэлектронов, hк - толщины рабочего слоя фотокатода, 8 - качества (шероховатости) поверхности слоя; Кр.эо.п.(ик), Дж/электрон - эффективность конверсии энергии электронов, падающих на выходной экран р.э.о.п., в световой поток с экрана в зависимости от рабочего напряжения на р.э.о.п.; Кпвэ(хк, х, у, ик, д, у2, 5) - коэффициент потерь вторичных фотоэлектронов, зависящий от
хк, хэ, уэ-координат на фотокатоде и на выходном экране р.э.о.п. и от ик, л л - напряжений на электродах р.э.о.п.; Э(хк, х, у) - коэффициент, учитывающий дисторсионные искажения; Кус(х, у, Ц,) - коэффициент усиления усилителей яркости, зависящий от координаты на выходном экране и напряжения питания; Кразв(^ х, у), с/см - коэффициент, учитывающий скорость развертки и ее нелинейность; ^Щ, см - ширина входной щели фотохронографа.
В выходном изображении координате х соответствует точка хк на фотокатоде, а координата у соответствует времени г.
Конечная задача абсолютных измерений - по регистрируемой величине Р(х, у) восстановить сначала величину Ix-ray(Нv, г, хк), а затем учесть влияние компонент схемы регистрации и найти параметры рентгеновского излучения из мишени.
Последние шесть членов в формуле зависят от параметров фотохронографа и описывают преобразование электронного изображения в видимое, а предыдущие три члена - только от параметров фотокатода.
В результате совместного действия последних шести членов на выходном экране появляется искаженное дисторсией и нелинейностью развертки изображение, причем суммарный коэффициент преобразования из электронов в видимый свет для каждой точки на экране имеет свою величину. Задачу восстановления количества выбитых из фотокатода фотоэлектронов по интенсивности света с выходного экрана можно разбить на три части:
1) учет влияния дисторсионных искажений: необходимо найти соответствие каждой координате на фотокатоде ее местоположению на выходном экране в зависимости от напряжения на отклоняющих пластинах (через скорость временной развертки, жестко связанную со временем г) - хк = =Л(х, у) и г = /2(х, у);
2) учет неоднородности чувствительности по экрану фотохронографа: сюда входят Кпвэ(хк, х, у), Кус(х, у), вклад дисторсионных искажений и собственно неоднородности чувствительности экрана;
3) учет влияния скорости и нелинейности временной развертки (ее можно учитывать независимо, так как скорость развертки определяет только время экспозиции каждого участка экрана).
При таком подходе
Кр.э.о.п.(ик)Кпвэ(хк, х, у, ик,/1,/2, s) Х
х £(хк, х, у)Кус(х, у, иуС) =
= К
центр
Оо у0) -^неоднСх У),
Здесь и в дальнейшем предполагается, что ускоряющие напряжения на электронно-оптических преобразователях, входящих в состав фотохронографа, фиксированы. Реально эти напряжения изменяются во времени в пределах ±1% [2], что может привести к изменению величины Кцентр(х0, у0) на (2.5-3.5)%.
Спектральная зависимость чувствительности фотохронографа целиком определяется квантовым выходом фотокатода:
У(Н^) = Тподл(МтПодсл(Му(йу, Ер, 0, Ф, Нк, 5).
Если спектральное пропускание различных слоев фотокатода можно рассчитать с погрешностью 3-5% [3, 4], то полной модели расчета квантового выхода из рабочего слоя на данный момент нет. Имеется полуэмпирическая модель расчета вторичного квантового выхода, предложенная Хенке [5-7] и разработанная в предположении однородного фотокатода с идеальной поверхностью. Согласно этой модели квантовый выход вторичных фотоэлектронов для фотокатодов, работающих на прострел, составляет:
у( hv) = К' рН Н V ехр Н V )р Нк ]х х [ 1 - ехр(-Нк/Х5)] для металлов и
у( Н V) = КрН Н V ехр [ц( hv )р Нк ]х х tg (Нк/2Х5) ] для изоляторов,
(2)
(3)
где Кцентр(х0, у0) - коэффициент преобразования электронного изображения в видимый свет в центре экрана, а Кнеодн(х, у) описывает изменение этого коэффициента по экрану.
где К и К' - константы, зависящие от материала катода, у^(Н^) - сечение фотопоглощения, р -плотность материала.
Для фотокатодов, исследованных Хенке, совпадение экспериментов с расчетом было достаточно хорошим. Анализ результатов Хенке и других опубликованных результатов измерения квантового выхода, проведенный в [8], показал, что для Аи-фотокатода отличие не превышает 20-30% при изменении энергии квантов в пределах 20-10 000 эВ.
В результате работы фотохронографа на экране формируется видимое изображение с распределением интенсивности Р(х, у) по экрану, которое регистрируется п.з.с.-камерой. Камера, являясь полупроводниковым прибором, может служить достаточно стабильным детектором видимого излучения. Спектральный состав излучения с выходного экрана фотохронографа стабилен, а количество электронов, рождающихся в самой п.з.с.-матрице, линейно зависит от величины падающего потока излучения.
Камера монохроматора
<Ь И "Т [ .т ш г
Измерительная камера
Пропорциональные счетчики Рис. 1. Схема калибровочного стенда РЭКС.
В итоге сигнал на выходе фотохронографа составит
P ( X, у ) = J Ix _ray( hv, t, Хк ) Y( h V ) K центр (xo, Уо)x
X K неодн ( X, У ) K ( V, X, у) d щ dhv.
(4)
Следовательно, решение задачи использования фотохронографа как абсолютного детектора, можно разбить на следующие части.
1. Разработка методики калибровки и учета: скорости и нелинейности развертки Кразв(у, х, у); дисторсионных искажений хк = /1(х, у) и г = /2(х, у); неоднородности чувствительности фотохронографа по выходному экрану ^неодн(х, у).
2. Измерение абсолютной спектральной чувствительности фотохронографа в центре экрана
1о, уо) = Щу)КценТр(хо, уо).
3. Отработка технологии изготовления фотокатодов со стабильным качеством поверхности.
Абсолютная калибровка фотохронографа проводилась на трех линиях характеристического рентгеновского излучения - 0.279, 0.930 и 1.486 кэВ. Калибровка проводилась на стенде, схема которого приведена рис. 1.
Стенд состоит из двух камер: камеры монохроматора и измерительной. В камере монохроматора размещены рентгеновская трубка Хенке [9] со сменными анодами и система выделения линии характеристического излучения. Трубка работает на линиях излучения анодов из углерода, меди и алюминия. Выделение линий осуществляется с помощью многослойного зеркала и краевых фильтров. Измерение характеристик выходного потока производится проточным пропорциональным счетчиком с обработкой сигналов на спект-роанализаторе. Выделенное линейчатое излучение сквозь коллиматор подается или в измерительную камеру, в которой калибруются элементы рентгеновских схем (фильтры, з
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.