СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING SOFT X-RAY RADIATION POWER AND DEVICE TO THIS END

14
Предложенное техническое решение относится к области управляемого термоядерного синтеза (УТС), в частности когда для инициирования УТС важно знать как спектральное распределение излучения, так и его полную мощность, превосходящую 10 Вт, в мягком рентгеновском диапазоне при характерной длительности импульса рентгеновского излучения несколько наносекунд.
Уровень техники
14
-10
Тепловое излучение горячей плазмы в исследованиях по инерциальному управляемому термоядерному синтезу (УТС) является последним и непосредственным источником энергии для зажигания термоядерной мишени. Для исследований важно знать как спектральное распределение излучения, так и его полную мощность, превосходящую 10 Вт, в мягком рентгеновском диапазоне. Характерная длительность импульса рентгеновского излучения составляет несколько наносекунд. Традиционные болометры, основанные на изменении их электрического сопротивления под действием нагрева излучением, для полного поглощения излучения должны быть достаточно толстыми, что приводит к увеличению временного разрешения до непозволительных десятков наносекунд. Быстрые вакуумные фотоэмиссионные диоды имеют изрезанную спектральную характеристику и не могут обеспечить необходимую точность измерений в широком спектральном интервале. Полупроводниковые детекторы; алмазные PCD (Photoconductive detectors) и кремниевые AXUV, - наряду с хорошим временным разрешением (~10 с) имеют гладкую и слабо меняющуюся в широком интервале энергий квантов спектральную характеристику. Но без какого-либо ослабления излучения детектор необходимо было бы расположить на значительном удалении от плазмы, например на импульсном генераторе тока Z (Сандия, США) на ~300 м, что влечет за собой ряд серьезных технических проблем. В настоящее время измерение мощности чаще всего производится с помощью вакуумных фотоэмиссионных диодов или быстрых полупроводниковых детекторов в нескольких узких спектральных интервалах, определяемых селективными фильтрами и зеркалами (H.N.Kornblum, R.L.Kauffman, J.A.Smith, Rev. Sci. Instrum. 57, 2179, (1986)). Однако такое измерение создает проблему домысливания спектра в промежутках между ними.
Известно также решение - прототип [R.Е.Turner, О.L.Landen, P.Bell, R.Costa, D.Hargrove. Review of Scientific Instruments V.70, No.1, p.656-658, (1999)], в котором для измерения мощности мягкое рентгеновское излучение от источника направляют через ослабитель на детектор, имеющий постоянную чувствительность в широком спектральном интервале.
В предложенной системе ТЕР (Total Energy and Power) используют гладкую и слабо меняющуюся в широком интервале энергий квантов спектральную характеристику полупроводниковых детекторов: алмазных PCD и кремниевых AXUV, - для измерения полной мощности мягкого рентгеновского излучения.
В качестве ослабителя в системе установлен ахроматический ослабитель для всего интересного спектрального интервала; он позволяет согласовать чрезмерную чувствительность полупроводниковых детекторов с тераваттной мощностью излучателя.
В прототипе и работе Н.C.Ives, W.A.Stygar, D.L.Fehl, Phys. Rev. Special Topics - Accelerators and Beams 9, 110401 (2006) в качестве ослабителя излучения используется диафрагма с маленькими отверстиями, на которых происходит дифракция излучения и существенное уменьшение его интенсивности на удаленном от диафрагмы детекторе. При этом геометрия диафрагмы позволяет равномерно уменьшить интенсивность в широком спектральном диапазоне излучения.
Техническим результатом является: 1 - альтернатива ахроматического ослабления и измерения полной мощности мягкого рентгеновского излучения в широком спектральном интервале; 2 - возможность в рамках одной конструкции устройства оперативного изменения измеряемого спектрального интервала, изменяя только угол скольжения и материал рассеивателя; 3 - возможность в рамках одной конструкции оперативно менять коэффициент ослабления устройства, изменяя только радиус кривизны сферической рассеивающей поверхности.
Раскрытие изобретения
2
Для достижения указанного результата предложен способ измерения мощности мягкого рентгеновского излучения, заключающийся в том, что излучение от источника направляют через ослабитель и детектор, имеющий постоянную чувствительность в широком спектральном интервале, отличающийся тем, что направляют излучение на ослабитель, выполненный в виде участка поверхности сферической формы, под углом скольжения α, обеспечивающим полное внешнее отражение и ограничение измеряемого спектрального интервала с высокоэнергичной границы, и регистрируют мощность излучения детектором, расположенным на расстоянии L от ослабителя, при этом величина ослабления излучения N~(L/r), где r - радиус кривизны сферической поверхности. При этом угол скольжения равен 0,2÷6 градусов.
2
Также предложено устройство для измерения мощности мягкого рентгеновского излучения, включающее установленные по ходу излучения ослабитель и детектор, имеющий постоянную чувствительность в широком спектральном интервале, при этом ослабитель выполнен в виде участка поверхности сферической формы с радиусом кривизны r, детектор установлен на расстоянии L от ослабителя, в секторе, ограниченном углом скольжения α, обеспечивающим полное внешнее отражение и ограничение измеряемого спектрального интервала с высокоэнергичной границы, а величина ослабления излучения N связана с радиусом кривизны сферы r и расстоянием L между ослабителем и детектором квадратичной зависимостью: N~(L/r).
При этом угол скольжения α составляет 0,2÷6 градусов.
Кроме того, перед ослабителем может быть установлена ограничивающая диафрагма.
14
Для инициирования УГС важно знать как спектральное распределение излучения, так и его полную мощность, превосходящую 10 Вт, в мягком рентгеновском диапазоне. Характерная длительность импульса рентгеновского излучения составляет несколько наносекунд.
Предлагается способ и устройство для измерения коротких мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения на основе полупроводникового детектора, имеющего практически постоянную (обычное отклонение ±10%) спектральную характеристику и высокое (лучше 1 нс) временное разрешение, и равномерного ослабления излучения в широком спектральном интервале.
Известно свойство внешнего отражения рентгеновского излучения от гладкой поверхности при малых углах скольжения. При этом коэффициент отражения на высокоэнергичной границе излучения имеет резкий обрыв, оставаясь для широкого спектрального интервала более мягкого излучения почти постоянным и близким к единице для широкого набора материалов (http://henke.lbl.gov/optical_constants/mirror2.html). Если рентгеновское излучение будет направлено под малым углом скольжения на участок сферической (двояковыпуклой) поверхности, то широкий спектральный интервал, ограниченный с высокоэнергичной стороны величиной этого угла, отразится практически без искажения; а форма поверхности позволит многократно уменьшить интенсивность излучения на небольшом удалении детектора за счет квадратичного рассеяния.
В отличие от прототипа, где равномерным ослабителем излучения является диафрагма с большим количеством маленьких регулярно расположенных отверстий, на которых происходит дифракция излучения и существенное уменьшение его интенсивности на удаленном от диафрагмы детекторе, в предлагаемом способе равномерное ослабление излучения производится за счет квадратичного в зависимости от удаления детектора рассеяния на сферической поверхности и практически постоянного при скользящем падении коэффициента отражения в широком спектральном интервале, резко ограниченном (ширина границы меньше граничного значения энергии квантов) с высокоэнергичной стороны величиной угла скольжения.
Сферический рассеиватель не является новым объектом, он известен, например, как сфера Ламберта, равномерно отражающая свет по всем направлениям (http://lib.aanet.ru/pdf/kafedra22/e5.pdf, стр.11). Но сферическая поверхность не использовалась для равномерного ослабления мягкого рентгеновского излучения при малых углах скольжения и вырезания требуемого спектрального интервала. Предлагаемый способ и устройство являются не только альтернативой измерения полной мощности мягкого рентгеновского излучения в широком спектральном интервале, но и позволяют оперативно менять в рамках одной конструкции измеряемый спектральный интервал, изменяя угол скольжения и материал рассеивателя, и коэффициент ослабления, изменяя радиус кривизны сферической рассеивающей поверхности.
-10
Необходимым и общим с прототипом элементом способа и устройства измерения является детектор, например полупроводниковый PCD, имеющий практически постоянную спектральную характеристику (не более 10% от средней чувствительности) и высокое временное разрешение (~10 с).
Предложенное решение поясняется чертежами.
На фиг.1 показана схема устройства.
На фиг.2 показано графически в осях: «коэффициент отражения» и «энергия квантов в электроновольтах» - коэффициент отражения мягкого рентгеновского излучения от поверхности ослабителя.
На фиг.1 обозначены:
1 - сферическая поверхность радиуса r (или ее часть),
2 - детектор, удаленный от сферы на расстояние L,
3 - диафрагма с отверстием,
4 - источник мягкого рентгеновского излучения,
h - границы пучка мягкого рентгеновского излучения,
α - угол скольжения при падении излучения на сферу и отражении от нее.
Устройство состоит (см. фиг.1) из 1 - сферической поверхности радиуса r (или ее части), 2 - детектора, удаленного от сферы на расстояние L, и 3 - диафрагмы с отверстием.
max
max
max
Сплошными тонкими линиями с надписью h обозначены границы пучка мягкого рентгеновского излучения, α - угол скольжения при падении излучения на сферу и отражении от нее. Мягкое рентгеновское излучение от источника 4 пропускают через диафрагму с отверстием 3, ограничивающую световой поток во избежание паразитной засветки детектора, и направляют под углом скольжения α на сферу 1 так, чтобы отраженное под углом α излучение попало на детектор 2. В зависимости от угла α и материала, из которого сфера изготовлена, из всего спектра излучения источника за счет эффекта внешнего отражения вырезается ограниченный только со стороны высокоэнергичных квантов спектральный интервал. Равномерность отражения внутри этого интервала задают углом α, материалом и чистотой обработки поверхности сферы в зависимости от требований, предъявляемых к точности измерений. Например, по данным http://henke.lbl.gov/optical_constants/mirror2.html для кварцевой сферы с шероховатостью поверхности 1 нм при угле скольжения α=0,4 градуса неравномерность отражения не превышает 10% в интервале hν<4 кэВ (фиг.2, сплошная линия). Предлагаемый способ и устройство позволяют оперативно менять измеряемый спектральный интервал, изменяя угол скольжения и материал рассеивателя. Так, если поставить сферу из LiF с шероховатостью поверхности 1 нм, то при угле скольжения α=3 градуса неравномерность отражения не превышает 7% в интервале hν<0,4 кэВ (фиг.2, штриховая линия). Наиболее актуальные для решаемой задачи интервалы энергий квантов ограничиваются сверху величиной hν<6÷0,2 кэВ при углах скольжения, составляющих α=0,2÷6 градусов соответственно. Вследствие того что детектор имеет конечные размеры, на него попадает излучение, отраженное от сферы под разными углами. Под углом α понимается максимальный угол, отражаясь под которым от сферы, излучение попадает на детектор.
4
Освещенность детектора уменьшается по сравнению с освещенностью участка сферы пропорционально квадрату величины (L/r), например, на удалении L=1 м и r=1 см в 10 раз.
Предлагаемый способ и устройство позволяют оперативно менять коэффициент ослабления, заменяя только рассеивающую сферу на другую сферу или двояковыпуклую поверхность, отличающуюся кривизной, что является актуальным при проведении экспериментов на установках УТС.