СПЕКТРОГРАФ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для изучения спектрального состава и пространственного распределения рентгеновского излучения (РИ) в диапазоне энергий свыше 10 кэВ. В частности, во многих исследованиях лазерной плазмы требуется получать информацию о спектре импульсного источника РИ диапазоне энергий свыше 10 кэВ и двухмерных рентгеновских изображениях в спектральных линиях в широком диапазоне интенсивностей.
Известен спектрограф рентгеновского излучения (1, РФ на ПМ №46862), конструктивно построенный по принципу дифракционного отражения рентгеновского излучения от дисперсионного элемента, в качестве которого использован изогнутый по сферической поверхности рентгеновский кристалл, и регистрации дифрагированного рентгеновского излучения рентгеновским ПЗС-регистратором. Спектрограф (1) осуществляет регистрацию спектра импульсного РИ с высоким спектральным разрешением. При определенных соотношениях между расстояниями «источник РИ - сферический кристалл» и «сферический кристалл - рентгеновский датчик» возможна регистрация двухмерных рентгеновских изображений в спектральных линиях. Такой спектрограф эффективен при регистрации РИ в диапазоне энергий менее 10 кэВ. При использовании его для регистрации РИ в диапазоне энергий свыше 10 кэВ возникают большие трудности, связанные с тем, что практически отсутствуют рентгеновские кристаллы с малым межплоскостным расстоянием (2d<2 А°), имеющие приемлемый коэффициент отражения. При использовании существующих кристаллов приходится работать при малых углах скольжения, что сильно ухудшает спектральное разрешение, обзорность и усложняет применение таких приборов. Кроме того, излучение начинает существенно проникать в кристалл, что также ухудшает спектральное разрешение.
Известен рентгеновский спектрограф Иоганна (2, ПТЭ, №2, 1980, стр.5-22), в котором дифракционное отражение рентгеновского излучения осуществляется от рентгеновского кристалла, изогнутого по цилиндрической поверхности. Спектрографу (2) свойственны те же недостатки, что и (1). Кроме того, спектрограф не может осуществлять регистрацию двухмерных рентгеновских изображений.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является рентгеновский спектрограф (3, Rev. Sci. Instrum v.72, №6, 2001, pp.2562-2565), содержащий входной коллиматор, фильтр, дисперсионный элемент, расположенные последовательно друг за другом и выполненный на основе ПЗС-датчика блок детектирования, расположенный на окружности Роуланда по касательной к ней. В спектрографе (3) рентгеновский кристалл изогнут по цилиндрической поверхности и установлен выпуклой стороной к источнику РИ. Блок детектирования - ПЗС-датчик, установлен на пути распространения дифрагированного излучения, прошедшего сквозь кристалл и сфокусированного изогнутым кристаллом. ПЗС-датчик расположен в точке пересечения окружности Роуланда с оптической осью кристалла и перпендикулярно ее плоскости. Спектрограф (3), как и предлагаемое техническое решение осуществляет регистрацию РИ по схеме Кошуа, т.е. РИ проходит сквозь дисперсионный элемент, в отличие от спектрографов (1, 2), работающих по принципу дифракционного отражения РИ от дисперсионного элемента.
Основной недостаток спектрографа-прототипа заключается в следующем.
Кристалл, изогнутый по цилиндрической поверхности, осуществляет фокусировку РИ только в одной плоскости - плоскости дисперсии, что не позволяет повысить чувствительность спектрографа за счет дополнительной фокусировки, не позволяет осуществлять регистрацию двухмерных рентгеновских изображений в спектральных линиях. Дифрагированное на цилиндрическом кристалле РИ фокусируется в плоскости дисперсии точках, расположенных на окружности Роуланда (окружность радиусом равным половине радиуса изгиба кристалла, расположенная перпендикулярно поверхности кристалла и соприкасающаяся с ней в точке пересечения оптической оси кристалла с поверхностью кристалла). Так как ПЗС-датчик располагается перпендикулярно оптической оси кристалла и по касательной к окружности Роуланда, то на ПЗС-датчик РИ приходит частично дефокусированным. При этом, чем меньше энергия дифрагированного РИ, тем под большим углом к оптической оси кристалла оно распространяется и тем больше расстояние от точек окружности до ПЗС-датчика и, следовательно, больше дефокусировка излучения, что влечет за собой пропорциональное ухудшение спектрального разрешения спектрографа.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение чувствительности спектрографа и улучшение спектрального разрешения при регистрации спектра РИ.
1
Технический результат в спектрографе рентгеновского излучения, содержащем входной коллиматор, фильтр, дисперсионный элемент, расположенные последовательно друг за другом, и выполненный на основе ПЗС-датчика блок детектирования РИ, расположенный на окружности Роуланда по касательной к ней, достигается тем, что дисперсионный элемент выполнен в виде рентгеновского кристалла, изогнутого по сферической поверхности, расположенного выпуклой стороной к источнику РИ, оптическая ось сферической поверхности кристалла образует угол θ с линией, проходящей через вершину сферической поверхности кристалла и центр источника РИ, ПЗС-датчик расположен в точке пересечения окружности Роуланда с линией направления дифрагированного РИ, соответствующего средней энергии выбранного спектрального диапазона РИ и образующего с оптической осью сферической поверхности угол θ≈θ.
Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что при использовании сферического кристалла происходит фокусировка РИ не только в плоскости дисперсии, как в случае использования цилиндрического кристалла, но в плоскости перпендикулярной в плоскости дисперсии, что приводит к увеличению телесного угла регистрации РИ, и, следовательно, к повышению чувствительности спектрографа.
1
Блок-схема предлагаемого спектрографа РИ представлена на фиг.1. Принятые обозначения. Источник рентгеновского излучения обозначен позицией 1. Спектрограф содержит коллиматор 2, рентгеновский фильтр 3, гониометр 4, рентгеновский кристалл 5, изогнутый по сферической поверхности, блок детектирования РИ - ПЗС-датчик 6. На чертеже также представлены: окружность Роуланда 7 (окружность с радиусом равным половине радиуса изгиба кристалла, проходящая через центр кристалла и содержащая его оптическую ось), оптическая ось сферической поверхности 8, направление прямого излучения 9, соответствующего средней энергии спектра, направление дифрагированного излучения РИ 10, соответствующего средней энергии спектра, угол 0 11, угол 0 обозначен позицией 12.
1
2
1
Углы установки кристалла и ПЗС-датчика 0 11 и 0 12 относительно направления первичного пучка РИ определяются выбранным спектральным диапазоном регистрации и рассчитываются с использованием известного соотношения Вудьфа - Брега 2dsinθ=mλ (где 2d - двойное межплоскостное расстояние в кристалле, λ - длина волны излучения, m - порядок дифракции). После определения угла 0 с помощью гониометра 4 осуществляют установку сферического кристалла 5 под заданным углом 0 к направлению прямого излучения 9. Установку ПЗС-датчика 6 производят также с помощью гониометра 4 на окружности Роуланда 7 по касательной к ней в точке пересечения окружности Роуланда с линией направления дифрагированного РИ, соответствующего средней энергии выбранного спектрального диапазона РИ и образующего с оптической осью сферической поверхности угол 0=0.
1
Спектрограф работает следующим образом. Исследуемый источник 1 испускает рентгеновское излучение. Входной коллиматор 2 выделяет из потока РИ пучок, падающий на поверхность сферического рентгеновского кристалла 5, который обращен к источнику РИ выпуклой стороной своей поверхности. Гониометр 4 осуществляет установку сферического кристалла 5 под заданным углом θ к первичному пучку РИ, установку рентгеновского ПЗС-датчика 6 на окружности Роуланда 7 по касательной к ней и при соблюдении соотношения углов θ≈θ. Рентгеновский ПЗС-датчик 6 осуществляет регистрацию спектра и двухмерного распределения рентгеновского излучения, прошедшего сквозь кристалл 5.
Сферический кристалл 5 в результате дифракции рентгеновского излучения, возникающей при прохождении излучения через кристалл, осуществляет преобразование энергетического спектра РИ в пространственный спектр. При этом дифрагированное излучение с определенной энергией квантов распространяется в пространстве под соответствующим углом относительно направления распространения первичного пучка РИ. Сферический кристалл 5 осуществляет фокусировку прошедшего через кристалл излучения. При использовании сферического кристалла происходит фокусировка РИ не только в плоскости дисперсии, как в случае использования цилиндрического кристалла, но и в плоскости перпендикулярной плоскости дисперсии, что повышает чувствительность спектрографа за счет увеличения телесного угла регистрации - угла, в пределах которого осуществляется регистрация РИ от источника. В этом случае происходит также формирование двухмерного изображении объекта по законам геометрической оптики.
В плоскости дисперсии излучение с различной энергией фокусируется кристаллом в различных точках на окружности Роуланда. В плоскости перпендикулярной плоскости дисперсии фокусировка рентгеновского излучения осуществляется по законам геометрической оптики для сферического зеркала.
Спектрограф может использоваться в двух режимах работы - регистрации спектра и регистрации пространственных изображений в спектральных линиях.
1
1
Если спектрограф используется в режиме регистрации спектра, то кристалл устанавливается так, что оптическая ось 8 сферической поверхности кристалла 5 образует угол θ 11 с линией, проходящей через вершину сферической поверхности кристалла и центр источника РИ. ПЗС-датчик расположен на окружности Роуланда по касательной к ней при соблюдении соотношения углов θ≈θ. Угол θ 12 образован оптической осью 8 и направлением дифрагированного излучения РИ 10, соответствуещего средней энергии спектра. За счет дополнительной фокусировки рентгеновского излучения сферическим кристаллом в сагиттальной плоскости чувствительность спектрографа возрастает в несколько раз в зависимости от энергии выбранного спектрального диапазона по сравнению со спектрографом-прототипом. Кроме того, е предлагаемом спектрографе при указанном расположении ПЗС-датчика уменьшается по сравнению с прототипом расстояние точек окружности Роуланда, в которых фокусируется РИ, до ПЗС-датчика, а следовательно, уменьшается и дефокусировка пучка РИ, что приводит к возрастанию спектрального разрешения спектрографа.
eff
eff
Если спектрограф используется в режиме регистрации пространственных изображений в спектральных линиях, то рентгеновский датчик устанавливается под углом, соответствующим энергии выбранной спектральной линии, и на расстоянии от кристалла, определяемого соотношением i/a+i/b=i/F, где а - расстояние “источник-кристалл”, b - расстояние "кристалл - блок детектора" и F - эффективное фокусное расстояние в сагиттальной плоскости кристалла.
Меняя углы наклона сферического кристалла и рентгеновского датчика относительно первичного пучка, расстояние от источника рентгеновского излучения до кристалла и от кристалла до рентгеновского датчика, можно при заданном радиусе изгиба сферического кристалла варьировать в широких пределах спектральный диапазон регистрации РИ, коэффициент увеличения изображения в сагиттальной плоскости, светосилу спектрографа.
Так, например, для спектрографа с кристаллом из кварца (10-10) толщиной 120 мкм, длиной 7 см и радиусом изгиба сферической поверхности 30 см спектральный диапазон простирается от 5 кэВ и более. За счет дополнительной фокусировки рентгеновского излучения сферическим кристаллом в сагиттальной плоскости чувствительность спектрографа может возрасти в зависимости от энергии выбранного спектрального диапазона от 2 до 10 раз по сравнению со спектрографом на основе кристалла, изогнутого по цилиндрической поверхности.
1
eff
Для регистрации пространственного изображения в спектральной линии AgKα (22,16 кэВ) рентгеновский кристалл и датчик необходимо установить под углами θ≈θ=3,77°. При расстояниях а=b=2·F=29.93 см рентгеновский позиционно-чувствительный датчик (например, рентгеновский ПЗС-регистратор) будет осуществлять регистрацию рентгеновского изображения источника РИ в масштабе 1:1.
Таким образом, предлагаемый спектрограф по сравнению с прототипом имеет преимущества, заключающиеся в повышении чувствительности и улучшении спектрального разрешения. Кроме того, предлагаемый спектрограф обеспечивает регистрацию пространственного изображения в спектральных линиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ на полезную модель №46862 - разработка ФГУП НИИИТ.
2. ПТЭ, №2, 1980, стр 5-22.
3. Rev. Sci. Instrum. v.72, №6, 2001. рр.2562-2565 - прототип.