УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В НЕСКОЛЬКИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНАХ
DEVICE TO MEASURE ENERGY OF SOFT X-RAY RADIATION IN SEVERAL SPECTRAL RANGES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения энергии импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с получением информации о спектральном распределении падающего излучения.
Известен болометрический приемник, представленный в работе [1. П.Б. Репин, И.М. Маркевцев, С.Ю. Корнилов // Приборы и техника эксперимента, 2014, №2, с. 97-102 - аналог], содержащий в качестве чувствительного к излучению элемента термочувствительный элемент, в частности из никеля толщиной 2 мкм. Термочувствительный элемент предназначен для измерения интегральной энергии импульсов МРИ. В данном устройстве не предусмотрено измерение энергии в нескольких спектральных диапазонах излучения пинча.
В статье [2. С.А. Сорокин, С.А. Чайковский // Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 4, с. 78-81 - прототип] приведено описание диагностического комплекса на базе болометра и вакуумных рентгеновских диодов (ВРД), содержащего 6 диагностических каналов. Диагностический канал на основе болометра с применением фильтров, формируемых импульсным напуском газа, позволяет измерять интегральную энергию импульсов МРИ. Остальные пять вакуумных диагностических каналов, в которых установлены пять датчиков ВРД (по одному в каждом) с чувствительными к излучению элементами, настроенными на различные спектральные диапазоны излучения, с помощью рентгеновских фильтров (средство выбора соответствующего спектрального диапазона) позволяют измерять энергию в различных спектральных диапазонах излучения пинча. Особенность ВРД состоит в том, что их габариты не позволяют обеспечить возможность измерений в одном диагностическом канале.
В данном комплексе импульсы МРИ генерировались сжатием криптоновых лайнеров. Спектр излучения восстанавливался по сигналам пяти оснащенных тонкопленочными фильтрами ВРД с частично перекрывающимися спектральными функциями отклика, образующими средство выбора спектрального диапазона.
Основными недостатками данного комплекса являются его сложность и громоздкость, что связано с использованием для спектральных измерений пяти диагностических каналов с установленным в них набором датчиков. Следствием этого является усложнение процесса восстановления спектра излучения лайнерной плазмы. Необходимо вычислить функции отклика пяти ВРД по квантовой эффективности фотокатодов, а также коэффициенты пропускания для применяемых фильтров. При этом состояние плазмы отличается в различных зонах измерений, соответствующих положению каналов диагностирования, что тоже необходимо учитывать при измерении параметров плазмы. Данный недостаток приводит к погрешности измерений.
На мощных Z-пинч установках формируются импульсы МРИ при осевом магнитном сжатии цилиндрической лайнерной плазмы. Диагностика импульсов МРИ включает в себя измерение их полной энергии и мощности, а также спектра излучения. Для этого применяются различные детекторы и методики измерений. Сложность и громоздкость измерительного комплекса приводит к неудобству эксплуатации, а также серьезно влияет на получение достоверного результата по восстановлению спектра. Задача восстановления спектра излучения по сигналам набора датчиков может быть существенно упрощена при использовании предлагаемого устройства, позволяющего в конечном итоге проводить более точные измерения спектрального распределения излучения. Данная задача также актуальна при проведении сложных дорогостоящих опытов, где предложенный подход позволит более рационально использовать диагностические возможности комплекса, в частности, освобождая диагностические каналы для других методик измерения.
Технический результат состоит в создании устройства, характеризующегося упрощенной конструкцией и компактностью.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства для измерения энергии мягкого рентгеновского излучения в нескольких спектральных диапазонах, содержащего по крайней мере два чувствительных к излучению элемента, соединенных с источником питания, а также средство выбора спектрального диапазона, в заявляемом устройстве в качестве чувствительных к излучению элементов использованы термочувствительные элементы, а средство выбора спектрального диапазона определяется подбором толщины и материала термочувствительного элемента из условия поглощения излучения в различных спектральных диапазонах, при этом подобранные термочувствительные элементы установлены с возможностью перекрытия всего спектрального диапазона.
Кроме того, по крайней мере перед одним термочувствительным элементом может быть расположен фильтр излучения, причем фильтр выполнен из тонкой пленки и выбран из условия пропускания им определенного диапазона спектра излучения.
То есть, по сравнению с прототипом, где диагностический комплекс в части спектральных измерений содержит набор ВРД, установленных в пяти диагностических каналах, в предлагаемом устройстве вместо пяти используется один диагностический канал с установленным в нем многоканальным устройством для измерения энергии мягкого рентгеновского излучения в нескольких спектральных диапазонах, которое, по сути, является многоканальным болометрическим приемником излучения. Это оказалось возможным за счет выбора в качестве чувствительных к излучению элементов термочувствительных элементов, которые в силу своих габаритов могут быть расположены в компактном едином корпусе. При этом возможность охвата всего спектра излучения довольно просто реализуется в средстве выбора спектрального диапазона, где осуществляется подбор толщины и материала термочувствительного элемента из условия поглощения им излучения в различных спектральных диапазонах, при этом подобранные термочувствительные элементы установлены с возможностью перекрытия всего спектрального диапазона. Достоверность измерений в прототипе во многом определяется точностью определения массовой толщины рентгеновских фильтров и верным определением функций отклика в отдельных спектральных интервалах, что вызывает определенные сложности. Все это в совокупности приводит к возможности упрощенной и компактной реализации измерений.
Подбор материала и его толщины для термочувствительных элементов проводился с использованием данных по полному сечению взаимодействия квантов излучения с веществом. Были рассчитаны коэффициенты пропускания потока излучения для различных металлов при заданной толщине.
К=exp(-ρ·σ·d), где
К - коэффициент пропускания, в относительных единицах;
2
σ[см/г] - полное сечение взаимодействия фотонов на единицу массы материала;
3
ρ[г/см] - плотность материала;
d[см] - толщина материала.
Данные о полном сечении взаимодействия фотонов взяты из EPDL 97 [Callen D.E., Hubbel J.H., Kissel L. EPDL 97: The Evaluated Photon Data Library 97′ Version // Lawrence Livermore National Laboratory, Report UCRL-50400. 1997. V. 6. Rev. 5].
Дополнительное использование фильтра в виде тонкой пленки позволяет более точно выделять низкоэнергетические диапазоны излучения импульса МРИ.
Таким образом, конструктивно упрощен комплекс и, как следствие, упростилась обработка результатов при повышении точности измерений.
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство.
На фиг. 2 приведены графики пропускания излучения через материалы термочувствительных элементов и серебряного фильтра.
Реализовано устройство следующим образом.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для измерения энергии мягкого рентгеновского излучения в нескольких спектральных диапазонах, представляющее собой диэлектрическое основание (1) с закрепленными на связанных с источником питания (6) контактных выводах (3) четырьмя термочувствительными элементами (2) (средство выбора спектрального диапазона), один из которых закрыт фильтром (4), заключенными в общий корпус (5).
При подаче управляющего импульса включается источник питания (6) термочувствительных элементов, генерирующий одновременно стабилизированные импульсы тока 10 А длительностью 100 мкс для каждого термочувствительного элемента. При поглощении термочувствительными элементами (2) импульса мягкого рентгеновского излучения они нагреваются, их сопротивление повышается, при этом изменение напряжений на термочувствительных элементах фиксируется на осциллографе. Разъемы для управляющего импульса и регистрации сигналов с термочувствительных элементов расположены на поверхности общего корпуса (5) (на фиг. 1 не показаны). Далее по полученным сигналам восстанавливаются значения излучаемой пинчем энергии в отдельных спектральных диапазонах.
Упрощенность конструкции реализована посредством размещения в едином корпусе нескольких (четырех) термочувствительных элементов (ТЭ) размерами 2×8 мм на одном диэлектрическом основании диаметром 25 мм. Источник питания термочувствительных элементов также компактно выполнен на плате Ø105 мм. Физические размеры устройства в сборе составляют Ø115×95 мм.
Средство выбора спектрального диапазона подобрано следующим образом. По результатам расчетов были отобраны материалы, поглощающие излучение в нескольких диапазонах, перекрывающих весь спектр падающего излучения. Толщиной материала также можно варьировать диапазон поглощаемой термочувствительными элементами энергии (чем меньше толщина, тем уже диапазон). В конечном итоге для устройства были отобраны следующие термочувствительные элементы:
- золото 1 мкм с серебряным фильтром 0,35 мкм для участка спектра до 400 эВ
- алюминий 2 мкм (до 800 эВ)
- никель 1 мкм (до 1500 эВ)
- золото 2 мкм (поглощает весь спектр падающего излучения)
Набор данных ТЭ полностью перекрывает спектр излучения импульса МРИ.
На фиг. 2 построены кривые пропускания падающего излучения для приведенных выше термочувствительных элементов многоканального устройства измерения. Из графиков следует, что такой набор термочувствительных элементов поглощает весь спектр излучения импульса МРИ, и каждый из элементов настроен на свой диапазон энергии МРИ.
То есть в одном диагностическом канале реализована возможность измерения спектра мягкого рентгеновского излучения, что существенно упростило устройство для измерения энергии излучения и сделало его компактным по сравнению с прототипом.