Спектральные характеристики рентгеновского источника на основе диода с лазерно-плазменным катодом

УДК 533.951

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РЕНТГЕНОВСКОГО ИСТОЧНИКА НА ОСНОВЕ ДИОДА С ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ

А. А. Ерохин, Ю. В. Коробкин, И. В. Романов, В. М. Романова, А. А. Рупасов, А. С. Шиканов

Представлены результаты экспериментов по исследо ванию спектральных характеристик рентгеновского ис точника на основе лазерно-плазменного катода. Экспериментально установлено, что при соответствующем подборе ускоряющего напряжения спектр излучения является практически монохроматическим и сосредото чен в характеристических линиях материала анода. В частности, для титанового анода количество фотонов излучения в К-линиях составило 1011 фотонов за один импульс излучения.

Предложенный и изученный в работах [1-4] источник рентгеновского излучения на основе вакуумного диода с лазерно-плазменным катодом, по нашему мнению, явля ется перспективным прибором для тех направлений исследования, в которых требуется квазиточечный источник рентгеновского монохроматического излучения наносекунднон длительности со спектральной яркостью до 1021 ф отонов/(см2  с  ср • кэВ). В данных работах были изучены электрические, могцностные и временные характеристики источника, выбрана оптимальная конфигурация и расположение анода и плоской мишени. Однако исследователей данного источника всегда интересовал вопрос и степени монохроматичности рентгеновского излучения.

Рентгеновский диод с лазерно-плазменным катодом обладает следующими преимуществами по сравнению с традиционными источниками жесткого рентгеновского излучения наносекундной длительности (в частности, со взрывной эмиссией электронов):

1) Высокая эмиссионная способность лазерно-плазменного катода, наблюдающаяся даже при малых значениях рабочего напряжения. В частности, при и = (3 — 4)£/о (¿/о порог возбуждения характеристического излучения материала анода) достигается максимум отношения интенсивности характеристического излучения к интенсивности тормозного излучения. С увеличением напряжения интенсивность излучения в Л'-линиях насыщается или даже начинает уменьшаться [5]. В то же самое время интенсивность тормозного излучения с ростом напряжения только увеличивается. Следовательно, наибольший контраст излучения в К-линиях получается при приложении оптимального напряжения, что легко осуществить в наших экспериментах, поскольку источником электронов является лазерная плазма.

2) Использование анода в виде острия позволяет осуществить режим точечного источника.

3) Изменение ускоряющего напряжения и использование различных материалов для изготовления анода позволяет получить монохроматическое рентгеновское излучение в достаточно широком спектральном диапазоне.

4) Излучение диода с л азерно-плазменным катодом начинается при малых энергиях лазерного излучения в импульсе, что объясняется тем, что лазерная плазма используется только как источник электронов.

5) Исследуемый источник с лазерно-плазменным катодом имеет токовые характеристики на несколько порядков превышающие аналогичные характеристики рентгеновских трубок со взрывной эмиссией электронов. Это объясняется существенно большей плотностью электронов лазерной плазмы и ее более высокими скоростями разлета.

6) Стабильность выходных характеристик, простая синхронизация с диагностической аппаратурой, низкая операционная стоимость.

Исследования спектральных характеристик проводились с помощью установки, опи санной ниже. Для создания плазмы на поверхности катода использовался лазер на нео-димовом фосфатном стекле со следующими параметрами: длительность импульса 10 не, энергия излучения 0.2 Дж, максимальная плотность потока на мишени

10й Вт/см2. В качестве спектрографа в области К-линий Тг использовался кристаллический спектрограф (2с/ = 19.9 А) с дополнительной фокусировкой, описанный в [6]. Преимуществом данного спектрографа является большая светосила, а также высокое пространственное рарешение. Спектр регистрировался на рентгеновскую пленку УФВР.

Для измерения пространственных распределений рентгеновского излучения лазер-

ной плазмы (катода) и титанового анода использовалась камера - обскура с увеличением Г л; 4. Излучение выделялось фильтрами: 10 мкм бериллия или 10 мкм бериллия и 15 мкм титана и регистрировалось на рентгеновскую пленку УФВР.

Anode, Ti

Laser beam, 1,06 ЦП!

Ti Ktt1 TiK„

Анод (Ti) Катод (Ti) ж4 мм у

17« 17« 2,750 1752 17» 1758

Л.А

Рис. 1. Геометрия источника рентгеновского излучения с титановым анодом и лазерно-плазменным титановым катодом; спектрограмма и денситограмма излучения линий дублета Ка1(2.749А) и Ка2[2ЛЪ2А) титанового анода. Спектрограмма получена за 30 выстрелов лазера. Энергия импульса фср — 0.27Дж, длительность г — 10 нс, диаметр лазерного пучка на мишении - 150 мкм, плотность мощности Р = 1.5 • 1011 Вт/см2.

Рис. 2. Изображения, полученные с помощью камеры - обскуры. Рабочее напряжение источника 22 кВ, энергия лазерного импульса = 0.33Дж, длительность импульса т = Юме. Расстояние от источника до отверстия камеры - обскуры 1 см, увеличение Г = 4. Изображения получены за 15 выстрелов лазера, (а) Пленка УФВР, Ве фильтр толщиной 10 рт, отверстие камеры ф 130 //то, диаметр лазерного пучка на мишени 180 цт, I = 1.3-1011 Вт/см2; (Ъ) УФВР, 10 цтВе, камера фШрт, пучок фШ цт, I = 4.2-1011 Вт/см2; (с, д) 10цВе + 15¡хтТг, камера 0130/¡га, пучок 0100р,тп, I = 4.2 • 1011 Вт/см2, УФВР (с), пленка Б ЕР позади УФВР (¿).

Схема эксперимента приведена на рис. 1. Излучение лазера фокусировалось асфери-

ческой линзой на поверхность плоской титановой мишени, являющейся катодом. Выбор мишени обусловлен необходимостью сравнить спектральные яркости в исследуемых рентгеновских диапазонах: лазерной плазмы и титанового анода. Спектры регистрировались на кристаллическом слюдяном (2с? = 19.94 А) спектрографе с двойной фокусировкой в VII порядке отражения. Радиус сферической поверхности кристалла Я. = 100 мм; а= 111.5 мм, Ь — 96.6 мм - расстояния от центра изгиба кристалла до источника и фотопленки (УФВР) соответственно. Линейная дисперсия Ох — 7.373 • 10~3 А/мм.

Диаметр лазерного пятна на мишени не превышал 200 мкм, расстояние между мишенью (катодом) и анодом в большинстве экспериментов составляло % 0.2 см. Титановый анод был выполнен в виде конуса с диаметром острия яз 250 мкм. Между катодом и анодом прикладывалось постоянное напряжение в области 3 - 26 кВ. Электроны, вытягиваемые из лазерной плазмы, ускоряются электрическим полем по отношению к аноду и вызывают характеристическое в К- и ¿-линиях и тормозное, с максимумом при Атах = 1.86/17 нм (и - в кВ), излучения материала анода. При протекании тока по цепи катод-анод разряжается конденсатор емкостью 5 нФ, включенный в цепь.

Квантовый выход рентгеновского излучения в А'-линиях анода (Х(Ка) = 2.75 Л и А(А'(д) = 2.51 Л) определялся с помощью кремниевого р-г-п-диода типа С^иап^ас! 100-РШ-250 с фильтрами из алюминия толщиной б мкм и 100 мкм бериллия (граница пропускания ~ 3.44 Л), исходя из известной величины отклика р-г-п-диода 0.2 К л/Дж. Токовые характеристики диода определялись с помощью пояса Роговского.

В результате проведения эксперимента были исследованы пространственные и спек тральные характеристики рентгеновского источника на основе лазерно-плазменного диода с длительностью импульса 20 не и спектральной яркостью в А-линиях титана « 1021 ф отонов/(см2  с  ср  кэВ). Излучение источника состояло из дублета А'а1(2.749 А), А'а2(2.752А) и линии А^(2.514 А). Фотометрические исследования пока зали, что тормозное излучение в области (2.4 - 3) А пренебрежимо мало по сравнению с характеристическим излучением, что указывает на монохроматичность источника в данной области спектра при соответствующем подборе ускоряющего напряжения (рис. 1). Изображения, полученные с помощью камеры - обскуры, указывают на то,

о

что рентгеновское излучение прикатодной титановой плазмы в области < 3.5 Л пренебрежимо мало по сравнению с эмиссией титанового анода при лазерных интенсивно-стях < 1011 Вт/см2 (рис. 2). Необходимо отметить, что такие параметры источника, как расстояние между электродами, плотность лазерного излучения на катоде-мишени, размер фокального пятна и приложенное напряжение были оптимизированы в соответ-

ствии с результатами работы [4].

Из экспериментальных данных, можно сделать следующие выводы:

1) При использовании титанового анода и плотностях лазерного потока на катоде ~ 1011 Вт/см2 спектральная яркость эмиссии анода в А-линиях достигает величины ~ 1021 ф отонов/(см2  с  ср  кэВ) при общем количестве фотонов w 1011.

2) Исследование пространственного распределения рентгеновского излучения для ка тода и анода, выполненных из титана, показало, что при плотностях потока лазерного излучения на катода менее, чем 5 • 1011 Вт/см2, излучение прикатодной плазмы много меньше по сравнению с характеристическим и тормозным излучением анода. Этот ре зультат находится в согласии с оценкой электронной температуры плазмы при данных плотностях лазерного излучения (Те < 10 эВ).

3) Поперечные размеры источника при использовании игольчатого анода не превы шали 250 мкм.

4) Измерение спектральных характеристик источника в области (2.4 — 3.0) А, соответствующей длинам волн линий A'ai(2.749 А), А'а2(2.752А) и А,з(2.514 А) характери стического излучения титана, показало отсутствие мощного тормозного излучения при выбранном ускоряющем напряжении, что указывает на высокую степень монохрома тичности источника в данной области спектра.

5) Интенсивность монохроматичного рентгеновского излучения при фиксированном приложенном напряжении практически не изменяется в широкой области (2 — 300) мДж энергий лазерного импульса. Этот результат важен с точки зрения создания компакт ного монохроматического рентгеновского источника для практических целей.

6) Интенсивность рентгеновского излучения зависит от состояния поверхности като да. Как правило, при повторных выстрелах в одно и то же место катода интенсивность рентгеновского излучения уменьшалась.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исседова-ний, проекты N 98-02-17386-а, 97-02-17852-а, 98-02-17385а, 99-02-18499а.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Д м и т р и е в М. В., Захаренков Ю. А., Шиканов А. С. Препринт ФИАН N 91, М., 1989.

[2] К о г о b k i п Yu. V., Rozanov V. В., S h i с a no v A. S., and Vergunova G. A. Preprint N 27, Lebedev Physical Institute, Moscow, 1995.

[3] К о г о b к i n Yu. V., Rozanov V. В., S h i с а п о v A. S., and Vergunova G. A. The Russian J. of Laser Research, 19, 101 (1998).

[4] К о г о b к i n Yu. V., Romanov I. V., R u p a s о v A. A. et al. Physica Scripta, 60, 76 (1999).

[5] H e n к e B. L. and T e s 1 e r M. A. Techniques of low energy X-ray spectroscopy in 0.1 — 2 keV region, Advances in X-ray analysis, 18, Plenum Press, 1975.

[6] Б e л я e в Л. M., Гильварг А. Б., Михайлов Ю. А. и др. Квантовал электроника, 4, 129 (1977).

Поступила в редакцию 17 декабря 1999 г.