ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 128-132
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
РЕНТГЕНОВСКИЙ ФОТОХРОНОГРАФ РФР-4
© 2004 г. В. П. Лазарчук, Д. Н. Литвин, В. М. Муругов, С. И. Петров, И. Г. Прянишников*, А. В. Сеник
РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики" Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 E-mail: petrov@otd13.vniief.ru *ФГУПНИИ импульсной техники, Россия, 115304, Москва, ул. Луганская, 9
E-mail: lnz@niiit.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Описывается рентгеновский фотохронограф РФР-4 с щелевой разверткой, созданный на основе рентгеночувствительного э.о.п. откачиваемого типа, с регистрацией полученных изображений на п.з.с.-камере. Основные параметры рентгеновского фотохронографа: спектральный диапазон регистрации от 0.1 кэВ, временное разрешение до 30 пс, пространственное 5 пар линий/мм (при коэффициенте контраста 0.5), динамический диапазон регистрации до 2000, обнаружительная способность 2 ■ 105 квантов/(см2 нс) (при энергии квантов ~1.5 кэВ). Приводятся описание прибора, назначение и работа его составных частей. Фотохронограф оснащен блоком вакуумных затворов с автономной системой откачки, что позволяет использовать его на установках с давлением в рабочей камере, динамически нарастающим до 0.1 Торр. Описана работа прибора в режиме "острой фокусировки", позволяющем на порядок увеличить его чувствительность без потери временного разрешения. Фотохронограф использовался для регистрации рентгеновского излучения в экспериментах с мишенями различных типов, проводимых на лазерных установках "Искра-4", "Искра-5" и установке Z-пинча "Сигнал-2".
Значительную часть информации о процессах, происходящих в высокотемпературной лазерной плазме, получают при помощи диагностики рентгеновского излучения, эмитируемого плазмой. Разработан широкий круг аппаратуры и методик, позволяющих проводить измерения рентгеновского излучения со спектральным, временным и пространственным разрешениями. В качестве детекторов рентгеновского излучения используются вакуумные рентгеновские диоды, фотопленки, п.з.с.-линейки и матрицы, сцинтиляционные детекторы и т.п. Но все эти приборы обладают либо только пространственным, либо только временным разрешением, причем временное разрешение не лучше долей наносекунд. И только приборы на базе рентгеночувствительных электронно-оптических преобразователей (р.э.о.п.) обладают как пространственным, так и временным разрешениями, причем временное разрешение может достигать долей пикосекунд. Созданные на их основе рентгеновские фотохронографы широко используются в экспериментах с лазерной плазмой с 70-х годов. К настоящему времени разработан широкий круг фотохронографической аппаратуры, в том числе с фотокатодами "на прострел", с массивными фотокатода-
ми, с фотокатодами на микроканальных пластинах (м.к.п.), на базе электронно-оптических преобразователей с различными типами фокусирующей оптики, с разными типами и числом дополнительных усилителей яркости, в том числе встроенных усилителей на м.к.п. [1].
ВНИИЭФ начал разработку рентгеновских фотохронографов с 1982 г. С этого времени создано несколько модификаций приборов. В данной работе представлена последняя - фотохронограф РФР-4, созданный на основе разработанного в НИИ импульсной техники (Москва) р.э.о.п СРПЭ7 [2].
Разрабатываемые во ВНИИЭФ фотохронографы предназначены для регистрации рентгеновского излучения плазмы на лазерных установках "Искра-4", "Искра-5" [3-5], а также на установках типа 2-пинч ("Сигнал-2", "Пирит") [6].
Для проведения измерений на таких установках фотохронограф должен: быть работоспособным в условиях жестких электромагнитных помех (в частности, на установке "Искра-5" во время опыта срабатывает конденсаторная батарея, заряженная до 50 кВ с запасаемой энергией 67 МДж); обеспечивать абсолютные пространственно-временные измерения рентгеновского потока; регис-
Рис. 1. Внешний вид (а) и блок-схема (б) рентгеновского фотохронографа РФР-4. 1 - р.э.о.п., 2 - усилитель яркости, 3 - п.з.с.-камера, 4 - высоковольтный делитель, 5 - временная развертка, 6 - блок управления, 7 - импульсная схема питания, 8 - источник питания -15 кВ, 9 - источник питания ±500 В, 10 - дистанционный пульт управления, 11 - электрический пуск, 12 - оптический пуск.
трировать предельно низкие потоки линейчатого рентгеновского излучения; обеспечивать динамический диапазон регистрации >103; быть работоспособным в условиях плохого вакуума в мишенной камере при работе на установках 2-пинч.
Внешний вид и блок-схема фотохронографа РФР-4 приведены на рис. 1. Конструктивно он состоит из четырех блоков: основного модуля, дополнительного модуля, п.з.с.-камеры и блока затворов с автономной откачкой р.э.о.п.
Основные технические характеристики фотохронографа РФР-4: режим работы - щелевая развертка; размер фотокатода 15 х 1 мм; ширина времяанализирующей щели 100 мкм; тип фотокатода - Ли, С81; спектральный диапазон регистрации 0.1-30 кэВ; предельное временное разрешение 30 пс; пространственное разрешение 5 пар штрихов/мм (при К = 0.5); порог обнаружения (hv = 0.28 кэВ): Ли-фотокатод —4 • 106 квантов/см2, С$1-фотокатод ~4 ■ 105 квантов/см2; временная развертка (сменные блоки) 3, 5, 10, 30, 100 нс/экран; задержка пуска (световой пуск, развертка 3 нс) <5 нс; разброс задержки пуска (световой пуск) <50 пс; динамический диапазон до 2000; рабочий вакуум р.э.о.п. <10-5 Торр; габариты 210 х 190 х х 540 мм; масса (13 кг); напряжение питания -постоянное 24 В.
Основной модуль прибора состоит из время-анализирующего р.э.о.п. СРПЭ7 с щелевой разверткой, усилителя яркости, контактно сочлененного с э.о.п., трех высоковольтных источников питания, высоковольтного блока делителя, сменных блоков временной развертки, блока гашения обратного хода развертки и блока управления.
Электронно-оптическая система р.э.о.п. (рис. 2) построена по пятиэлектродной схеме: фотокатод, ускоряющий электрод (сетка), первый и второй фокусирующие электроды, анод. Рабочее напря-
жение на фотокатоде - 15 кВ, напряженность поля в прикатодной области - 1.3 кВ/мм. На первый фокусирующий электрод подается отрицательный относительно сетки потенциал для запирания потока электронов, эмитируемых сеткой под воздействием входного рентгеновского излучения, прошедшего сквозь фотокатод.
Особенностью системы является уменьшенный коэффициент переноса изображения M = 1.2, что позволило использовать входную времяана-лизирующую щель длиной до 15 мм при размере выходного экрана 040 мм. В итоге пространственное разрешение р.э.о.п. вдоль щели составило >102 штрихов/экран при коэффициенте контраста 0.5. Вторая особенность - малая неравномерность свечения по выходному экрану - <20% по диагонали.
Р.э.о.п. имеет две пары отклоняющих пластин: первая является времяанализирующей, вторая
Рис. 2. Электронно-оптическая схема р.э.о.п. 1 - фланец; 2 - сильфон; 3 - фотокатод; 4 - ускоряющий электрод (сетка); 5, 6 - 1-й и 2-й фокусирующие электроды; 7 - анод; 8 - пластины временной развертки; 9 — блок диафрагм; 10 - калибровочные пластины; 11 - электронная ловушка; 12 - экран на волоконно-оптической пластине.
предназначена для подачи калибровочных меток. Люминесцентный экран желто-зеленого свечения выполнен на волоконно-оптической пластине.
Фотокатодный узел р.э.о.п. выполнен сменным. В нем смонтирована входная щель, а также при необходимости могут устанавливаться входные рентгеновские фильтры. Для предотвращения прямой засветки рентгеновским излучением выходного экрана р.э.о.п. через входную щель, последняя смещена в сторону относительно оси прибора на 3 мм.
Используются Аи- и Сз1-фотокатоды, сформированные на органических пленках толщиной 0.2-2 мкм. Фотокатоды С$1 имеют проводящую подложку из Аи толщиной 200 А. Они обладают наибольшей чувствительностью, но нестабильны во времени и гигроскопичны, что требует хранения р.э.о.п. с установленным в нем С$1-фотокато-дом постоянно в вакууме. Аи-фотокатоды стабильны во времени и устойчивы к воздействию атмосферы, однако по сравнению с Сз1-фотока-тодами имеют на порядок худшую чувствительность, а также более широкий спектр начальной энергии фотоэлектронов, что снижает пространственное и временное разрешения р.э.о.п.
В экспериментах, где необходима максимально возможная чувствительность прибора, фотохронограф может использоваться в специальном режиме "острой фокусировки". В этом режиме ширина щели фотокатода увеличена до 1 мм, а ее изображение сжимается на выходном экране в 6-7 раз, чем достигается соответствующее увеличение чувствительности без ухудшения временного разрешения. Режим сжатия щели достигается использованием фотокатода со специальной маской, формирующей у фотокатода небольшую цилиндрическую линзу. В итоге, при использовании фотокатода Сз1 получен порог обнаружения фотохронографа ~2 • 105 квантов/см2 нс при энергии квантов ~1.5 кэВ [7].
Физическое временное разрешение р.э.о.п. определяется процессом растягивания пакета одновременно эмитированных фотокатодом электронов при их пролете до отклоняющих пластин. В результате дисперсии времени пролета электроны отклоняются пластинами в различной степени и создают на выходном экране "штрих", протяженность которого и определяет минимальный временной интервал регистрации. Расчетно получено, что физическое временное разрешение р.э.о.п. при использовании Аи-фотокатода составляет 10 пс, Сз1-фотокатода - 6 пс.
Корпус р.э.о.п. выполнен из стекла. Стыковочный фланец р.э.о.п. соединен с катодным узлом через сильфон, позволяющий осуществить мягкое соединение корпуса р.э.о.п. с корпусом фотохронографа.
Стабилизированные источники питания выполнены по схеме индуктивного накопителя и обеспечивают стабилизацию высокого напряжения в пределах ~1% при напряжении питания на входе 19-27 В [8].
Блок делителя содержит высоковольтный делитель напряжения, подающий нужные потенциалы на электроды времяанализирующего э.о.п., дополнительные емкости, сглаживающие пульсации напряжения, и схему гашения электронного пучка на обратном ходе временной развертки.
Блок временной развертки при поступлении сигнала запуска подает на первую пару откл
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.