ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 119-123
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
--ТЕХНИКА
ВАКУУМНЫЙ ФОТОЭМИССИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ НА УСТАНОВКЕ ITER
© 2004 г. И. А. Барыков*, Ю. В. Готт, М. М. Степаненко
РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182 Москва, пл. И В. Курчатова, 1 E-mail: gott@nfi.kiae.ru *Московский физико-технический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
После доработки 17.09.2003 г.
Описан вакуумный фотоэмиссионный детектор, предназначенный для томографии плазмы на установке ITER в рентгеновском диапазоне. Такие детекторы позволяют регистрировать рентгеновское излучение в присутствии больших потоков нейтронов и у-квантов. Приводятся результаты испытаний образца прибора на 60Со-источнике у-излучения, его калибровка по излучению рентгеновской трубки и проверка работоспособности на установке Т-10. Дана оценка величины полезного сигнала и отношения сигнал/шум для параметров установки ITER. Обсуждается выбор количества приборов и их размещение на установке ITER для обеспечения необходимого пространственного разрешения диагностики.
ВВЕДЕНИЕ
Томография плазмы с использованием ее собственного мягкого рентгеновского излучения дает весьма важную информацию о магнитогидро-динамической активности плазмы в ее различных пространственных областях. Применение полупроводниковых, сцинтилляционных и газовых детекторов, широко используемых для этой цели на современных установках, будет абсолютно исключено на термоядерных установках с D-Т-плазмой, таких, например, как проектируемый международный токамак-реактор ITER. Это связано с тем, что в установках, в которых идет D-Т-термоядер-ная реакция, возникает много нейтронов и у-кван-тов, которые либо выводят из строя обычно используемые детекторы, либо генерируют паразитный сигнал, делающий невозможным проведение измерений.
Для томографии плазмы по тепловому рентгеновскому излучению было предложено применить вакуумный фотоэмиссионный детектор (в.э.д.) [1, 2]. Приборы такого типа давно применяются в ядерной физике для измерения дозы у-излучения [3].
Для установки ITER необходимо было разработать такой в.э.д., который был бы достаточно чувствительным к квантам с энергией <100 кэВ (тепловое излучение) и слабо чувствительным к квантам с энергией >500 кэВ (у-излучение).
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Принцип действия в.э.д. заключается в том, что в детекторе поток квантов при взаимодействии с фотокатодом преобразуется в поток электронов. На рис. 1 представлены распределения по энергиям электронов, выбитых из фотокатода детектора. Обычно такие электроны делятся на две группы - медленные с энергией <50 эВ (кривая 1 на рисунке) и быстрые с энергией >50 эВ. Группа быстрых электронов состоит из оже-элект-ронов (2) и фотоэлектронов, выбитых с различ-
Интенсивность, произв. ед.
Рис. 1. Распределение по энергиям выбитых из фотокатода электронов. 1 - медленные электроны, 2 -оже-электроны, 3 - фотоэлектроны.
к, 10 3 электрон/фотон 101
100
10-
10
100 МэВ
Рис. 2. Зависимость абсолютной эффективности регистрации от энергии квантов для электродов, изготовленных из разных материалов. 1 - 13А1-79Аи
(Д2 = 66); 2 - Си-Аи (Д2 = 50); 3 - 48Сё-/9Аи (Д2 = 31).
ных оболочек атомов материала катода (3). При увеличении энергии квантов доля быстрых электронов в спектре увеличивается. Количество медленных электронов увеличивается при увеличении атомного номера X материала мишени [3].
Если облучать два электрода - катод и анод, то возникнет два потока электронов - с катода на анод и обратно. Если эффективность преобразования квантов в электроны на этих электродах будет разная, то между ними потечет ток даже при отсутствии между электродами электрического поля. На рис. 2 изображена зависимость абсолютной эффективности регистрации от энергии фотонов для электродов, сделанных из различных материалов. Оценки сделаны по данным работы [3]. Из рисунка видно, что при увеличении энергии квантов эффективность уменьшается, и для электродов 13А1-79Аи при энергии квантов 1 МэВ его величина в ~100 раз меньше, чем при энергии квантов в 30 кэВ. Ток уменьшается также и при уменьшении разницы в атомных номерах материалов электродов.
Следует также иметь в виду, что медленные электроны выходят из приповерхностного слоя толщиной в несколько десятков ангстрем, а быстрые электроны выходят со значительно большей глубины. С учетом этих зависимостей была предложена следующая конструкция элементарной ячейки в.э.д. (рис. 3). Аноды 2 изготовлены из Ве толщиной 100 мкм.о Катодами 3 служат два слоя Та толщиной 150 А, нанесенные на Ве-под-ложку толщиной 100 мкм. Измерительный прибор 4 включается между анодами и катодами. Для устранения влияния потоков частиц перезарядки и ультрафиолетового излучения на входе в прибор установлен Ве-фильтр 1 толщиной
2
Рис. 3. Конструкция элементарной ячейки в.э.д. 1 -фильтр, 2 - аноды, 3 - катоды, 4 - измерительный прибор.
200 мкм. Потоки быстрых электронов из анодов и катодов должны компенсировать друг друга, а разность потоков медленных электронов должна создавать ток. Так как у-излучение создает, в основном, потоки быстрых электронов, то можно ожидать, что сигнал от у-излучения будет заметно меньше, чем полезный сигнал от теплового рентгеновского излучения. Рабочий прибор состоит из 29 ячеек. Размеры электродов 20 х 100 мм2, расстояние между ними 1 мм. На установке прибор размещается таким образом, чтобы магнитное поле было направлено примерно перпендикулярно плоскости электродов. При работе не требуется создания между анодами и катодами электрического поля.
КАЛИБРОВКА
Для испытания и калибровки в.э.д. использовалась рентгеновская трубка. Зависимость эффективности регистрации от энергии определялась методом фильтров. Для фильтров различной толщины сигнал с детектора определяется соотношением
= А|Ет(Е)Еф(Е, й)к(Е)йЕ, (1)
где А - численный коэффициент, Е - энергия кванта, й - толщина фильтра, Ет - зависимость интенсивности излучения трубки от энергии, Еф -коэффициент пропускания излучения с энергией Е фильтром толщиной й. Задача решения этого уравнения является некорректной. Часто в этом случае решение ищется в некотором выбранном классе функций. Мы предположили, что
к (Е)~ Еа.
(2)
На рис. 4 приведена зависимость амплитуды сигнала в.э.д. от толщины А1-фильтра. Зависимость интенсивности излучения трубки от энергии Ет определялась сцинтилляционным детектором. Видно, что наилучшее согласие между расчетными и экспериментальными данными достигается при а = = -0.75. Расчеты проведены для 4 < Е < 25 кэВ.
1
2
о
Амплитуда, отн. ед. 1.0 -
0.8
0.6
0.4
0.2
к, электрон/фотон
2
а •.
к(Е) = 0.67Е 0 электрон/фотон.
(3)
0.20
0.15
0.10
0.05
к = 0.67/Е-°'75
|| = ц(90°)/81п9эф
0 100 200 300 400 500 600 700
¿Л\, мкм
Рис. 4. Зависимость амплитуды сигнала в.э.д. от толщины Л1-фильтра. Точки - экспериментальные значения; 1 - расчет с а = -0.5; 2 - а = -1; сплошная кривая - а = -0.75.
На рис. 5 приведена зависимость абсолютной эффективности регистрации в.э.д. от энергии фотонов в предположении, что найденная зависимость от энергии справедлива до Е = 100 кэВ. Полученные результаты могут быть представлены в виде
Точки на рисунке - данные, взятые с рис. 2 для электродов 13Л1-79Ли = 66) (в нашем случае = = 69) с учетом того факта, что эффективность регистрации обратно пропорциональна синусу угла падения фотона на фотокатод. Кроме того, в данной конструкции в.э.д. электроды практически прозрачны для большей части теплового излучения плазмы, и поэтому при пересечении нескольких фотокатодов вероятность образования электрона оказывается несколько большей, чем при взаимодействии с одним фотокатодом. Этот факт также приводит к увеличению эффективности регистрации. Оба эти эффекта можно описать при помощи эффективного угла падения фотона 9эф на фотокатод
|1(а)~|1( 90 °)/яп 9эф.
(4)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Бкхг, кэВ
Рис. 5. Зависимость абсолютной эффективности ре-
гистрации в.э.д. от энергии фотонов. Сплошная кривая - расчет с а = -0.75. Точки - данные для электродов 13Л1-79Ли (М = 66).
Если предположить, что 9эф ~ 6°, то видно, что определенная нами эффективность регистрации неплохо соответствует оценкам по данным работы [3].
ИСПЫТАНИЕ НА УСТАНОВКЕ Т-10
Дальнейшие испытания в.э.д. проводились на установке Т-10. На рис. 6 приведена схема расположения в.э.д. и двух полупроводниковых детекторов (Д1 и Д2) на установке. На рис. 6 видно, что в.э.д. просматривал только внешнюю, относительно центра камеры, часть области, занятой плазмой, Д1 "видел" всю плазму, а Д2 - небольшую часть внутренней области. Штриховкой обозначены места, где происходит резонансный нагрев электронов с.в.ч.-излучением гиротронов.
На рис. 7 приводится сравнение сигналов с в.э.д. (1) и с детектора Д1 (2) во время омического разряда в Т-10. Пунктиром отмечено время, когда отключаются обмотки управления, плазма теряет равновесие, начинает смещаться к наружной стенке вакуумной камеры и гибнет. Видно, что во время разряда сигналы с обоих детекторов практически одинаковы.
На рис. 8 представлены сигналы со всех трех детекторов, полученные в разряде с дополнительным нагревом электронов, внизу показано изменение во времени с.в.ч.-мощности, вводимой в плазму. Видно, что сигналы в.э.д. и Д2 очень близки друг к другу, а амплитуда сигнала Д1 во время нагрева электронов превышает амплитуду двух других сигналов. Этот эффект может быть объяснен тем, что в.э.д. и Д2, в отличие от Д1, не полно-
В.э.д.
I, произв. ед.
60
Рис. 6. Схема расположения в.э.д. и двух полупроводниковых детекторов (Д1 и Д2) на установке Т-10.
стью "видят" области, в которых происходит нагрев электронов. Следует добавить, что все три детектора регистрируют кванты с энергиями >2-3 кэВ, т.е. надтепловую часть рентгеновского излучения (Те - 1 кэВ).
На рис. 9 приведены сигналы пилообразных колебаний, зарегистрированные в.э.д. (1) и Д2 (2). Форма сигналов несколько искажена из-за недостаточного временного разрешения регистрирующей аппаратуры. Так как в
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.