Методы
экологмеескмх
исследований
УДК 539.12
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ КОМПАКТНОГО ИСТОЧНИКА КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Б. С. Ишханов, А. С. Кубанкин, Н. Н. Насонов, В. И. Сергиенко
НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына при МГУ им. М. В. Ломоносова Лаборатория радиационной физики, Белгородский государственный университет Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН
Рассматривается возможность создания компактной установки для рентгено-флуоресцентного анализа в экологических исследованиях на основе использования когерентных механизмов излучения нерелятивистских электронов в неоднородных диспергирующих средах.
The paper considers a possibility of creating a compact source for the x-ray-fluorescent analysis in the environmental studies using coherent emission mechanisms from non-relativist electrons moving through heterogeneous dispersive media.
Одна из актуальных задач экологического мониторинга объектов в быстро изменяющихся условиях связана с обеспечением экспресс-анализа проб в непосредственной близости от проблемной территории, что предполагает создание переносных источников зондирующего излучения «tabletop source». В настоящей работе рассматривается возможность создания компактной установки для рентгено-флуоресцентного анализа на основе использования когерентных механизмов излучения нерелятивистских электронов в неоднородных диспергирующих средах. Переход в область нерелятивистских энергий решает проблему реализации малых размеров источника электронов, однако при этом возникает проблема получения достаточной интенсивности излучения. В работе конкретно изучается черенковский механизм в окрестности края фотопоглощения материала мишени [1], где проявляется сильная дисперсия диэлектрической восприимчивости вещества.
Ранее была показана экспериментально возможность эффективной генерации черенковских рентгеновских квантов в окрестности K-края углерода
и L-края кремния электронами с энергиями порядка сотен МэВ [2, 3]. Недавно были получены уникальные результаты (интенсивность излучения из кремниевой мишени порядка 0,001 фотон/электрон) с использованием пучка электронов с энергией всего 5 МэВ [4]. В настоящей работе показана реальная возможность создания черенков-ского источника в области вакуумного ультрафиолета с уникальной интенсивностью излучения порядка 0,01 фотон/электрон и шириной линии порядка 1 эВ. Существенно, что данный результат может быть достигнут на основе использования источника электронов нерелятивистских энергий.
Ясно, что столь резкое снижение черенковского порога возможно только за счет аномально высоких значений диэлектрической восприимчивости вещества мишени в рентгеновском диапазоне. Негативное следствие большой величины восприимчивости в области генерации заключается в увеличении
угла раствора черенковского конуса, что приводит к значительному снижению угловой плотности излучения. В работе проводится анализ возможности резкого увеличения угловой плотности излучения в схеме скользящего вылета излучающих электронов из мишени. Ранее эффективность такого подхода в случае релятивистских электронов была показана в работе [5].
Рассмотрим черенковское излучение быстрого электрона, пересекающего диэлектрическую пленку. Толщина пленки предполагается большей длины фотопоглощения, так что задача сводится к нахождению спектрально-углового распределения энергии излучения электрона, вылетающего из поглощающего полупространства (геометрия процесса излучения показана на рисунке 1). Решение данной задачи хорошо известно (см., например, [5]), поэтому мы приводим без вывода формулу, описывающую спектрально-угловое распределение выхода излучения:
(Ш
00
2 2
а
г ~+х
п2
1
(кй(К1 л2 ПЦ (/-,7 г -г /):+г:/": ((/-„гУ-г-^г)
X
2 2 2
- +
¥п) п2 -ИцУцУ
/2 f
(1)
где Щ = Щ = Их^х+Иу^у — единичный вектор в направлении распространения
излучения, V — скорость излучающего электрона, X' и X" — реальная и мнимая части диэлектрической восприимчивости материала мишени соответственно.
Рассмотрим вначале простейший ла упрощается и принимает вид клас-случай нормального вылета электрона сической формулы Гинзбурга —Франка: из мишени, когда приведенная форму-
со ■
(Ш с/ик/О.
2 2 2 е п±п,.
Г2+Г2
{-у2-у/)2+у2!"2
(1 -v/•')2+v2/"2 ^-У2«!)2 Ф+х'К+/')2+(х'Ч+/")2'
Формула учитывает вклады переходного и черенковского механизмов в полный выход излучения.
В рентгеновском диапазоне частот реальная часть диэлектрической восприимчивости, как правило, отрицательная, что закрывает канал черенковских потерь. Однако в окрестности краев фотопоглощения для ряда веществ х' может принимать положительные значения. Проведенный нами анализ экспериментальных данных показал возможность черенковской генерации электронами нерелятивистских энергий в области вакуумного ультрафиолета с использованием мишени из скандия. Кривые зависимости диэлектрической восприимчивости скандия от частоты приведены на рисунке 2. Из него непосредственно видна возможность генерации в окрестности частоты 34 эВ.
Согласно (2), черенковский порог определяется условием (3):
Г Ш1 + Х') + Х"2 + (?1 + х')
Легко видеть, что наименьшее значение скорости электрона, необходимое для генерации, достигается для фотонов, распространяющихся в направлении движущегося электрона (п^= 1).
В области эффективной генерации, в которой мнимая часть диэлектрической восприимчивости много меньше реальной части, т. е. слева от края фотопоглощения (см. рис. 2) условие (3) принимает простой вид
Используя значения х' из рисунка 2, находим пороговую величину энергии электрона £ = 220 КэВ , показывающую возможность создания эффективного источника рентгеновских квантов на основе простых ускорительных устройств.
На рисунке 3 приведены кривые углового распределения полного излучения, построенные по формуле (2) для различных значений энергии излучающих электронов. Виден преобладающий вклад переходного излучения
при высоких энергиях электрона. Данное обстоятельство обусловлено большой величиной черенковского угла в рассматриваемом случае, что приводит к увеличению длины пути черенков-ского фотона в мишени по сравнению с переходным фотоном и, соответственно, к большему поглощению. Напротив, в области нерелятивистских энергий наблюдается малый вклад переходного излучения. Основной вывод, следующий из приведенных кривых, заключается в доказательстве сравнительно небольшого преимущества релятивистских электронов в задаче получения коллимированного пучка фотонов с большой локальной угловой плотностью.
Рис. 1. Геометрия процесса излучения
П — единичный вектор в направлении излучения, V/ — скорость излучающего электрона
0.5
1 - xj lililí
-0.5
25 30
35 40 45 50 55 60 65 70
со(эВ)
Рис. 2. Зависимость диэлектрической восприимчивости скандия от частоты
X' — реальная часть восприимчивости, X" — мнимая часть восприимчивости, параметры скандия: Z = 21, плазменная частота шр = 34 э:^ Х'тах = °-924,
X"
= 0.098
Рис. 3. Угловое распределение излучения при нормальном вылете электрона из мишени р = 0, с = 34,9 эВ. 1 — £ = 5 МэВ, 2 — £ = 1 МэВ, 3 —£ = 300 КэВ
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
со(эВ)
Рис. 4. Полный выход излучения
при нормальном вылете 1 —£ =5 МэВ, 2 —£ = 1 МэВ, 3 —£ = 300 КэВ
100
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
0 (Рад.)
Рис. 5. Угловое распределение излучения при различных углах вылета электрона р = 0, с = 34,9 эВ. 1 —£ = ^/2, 2 — £ = ^/3, 3 — £ = ^/6.
Спектральное распределение некол-лимированного излучения, следующее из (2), показано на рисунке 4. Согласно приведенным кривым, полный выход излучения может быть весьма существенным. Например, при энергии электронов £ = 1000 КэВ выход составляет величину порядка 0,003 фо-
тон/электрон, что превышает аналогичную величину для других типов источников, основанных на взаимодействии быстрых электронов с веществом.
Обратимся теперь к общей формуле (1) для выяснения возможности увеличения угловой плотности черенков-ского излучения нерелятивистских электронов в схеме скользящего вылета излучающего электрона из мишени. Этот вопрос имеет исключительную важность с точки зрения создания эффективного источника мягких рентгеновских квантов с высокой угловой плотностью излучения, поскольку структура черенковского рефлекса (полый конус) и большая величина углового раствора этого конуса являются причиной относительно невысокой средней угловой плотности черенковс-кого излучения. Как показано ранее [5], указанная проблема может быть решена в случае релятивистских энергий излучающих электронов за счет резкой перестройки структуры черенко-вского конуса в условиях скользящего вылета электронов из мишени. Анализ, проведенный на основе (1), показывает возможность резкого увеличения угловой плотности излучения предлагаемым методом и в случае нерелятивистских электронов. Данный вывод иллюстрируется кривыми углового распределения черенковского излучения в плоскости реакции, рассчитанными по формуле (1). Кривые показывают существенное увеличение угловой плотности с уменьшением угла вылета электрона относительно плоскости мишени.
Таким образом, в настоящей работе показана возможность создания весьма интенсивного источника мягкого рентгеновского излучения на основе черенко-вского механизма излучения нерелятивистских электронов в скандии. Особенностью исследуемого источника является его компактность, что связано именно с возможностью использования нерелятивистских электронов, которые обеспечивают, тем не менее, достаточно высокую плотность излучения.
Работа выполнена при поддержке Программы «Развитие научного потенциала высшей школы», проект 6/8.
Библиографический список
1. Базылев В. А., Глебов В. И., Денисов Е. И., Жеваго Н. К., Хлебников А. С. Рентгеновское черенковское излучение в окрестности края фотопоглощения вещества // Письма в ЖЭТФ. — 1976. — Т. 24. — С. 371 — 374.
2. Базылев В. А., Глебов В. И., Денисов Е. И., Жеваго Н. К., Кумахов М. А., Хлебников А. С., Циноев В. Г. Исследование рентгеновского черенковского излучения релятивистских лектронов // Письма в ЖЭТФ. —
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.