ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СПЕКТРОМЕТР МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
BROADBAND SOFT X-RAY SPECTROMETER

Изобретение относится к устройствам для определения пространственно-спектральных характеристик рентгеновского излучения, генерируемого плазменными образованиями, источниками рентгена с широким спектральным диапазоном, и может быть использовано в научных и прикладных задачах, например в области термоядерных исследований или при разработке источников рентгеновского излучения для литографических систем и т.п.
Известен спектрометр рентгеновского излучения [Патент RU 2177629, «Спектрометр рентгеновского излучения», МПК: G01T 1/36, опубл. 27.12.2001 г., авторы: Шалата Ф.Г., Эльяш С.Л. и др.], включающий составной корпус, состоящий из двух частей, селективные краевые фильтры рентгеновского излучения, расположенные в сквозных ячейках и зафиксированные прижимной пластиной, регистраторы рентгеновского излучения в виде термолюминесцентных детекторов, закрепленных на пробках. Представленный спектрометр служит для измерения спектральной характеристики, либо пространственного распределения рентгеновского излучения в заданной области спектра. Формирование сигнала происходит с помощью селективного краевого фильтра и детектора.
Недостатком данного устройства является невозможность определения пространственной яркости источника излучения из-за отсутствия системы перепроецирования изображения и низкая спектральная избирательность из-за наличия в сигнале детектора вклада от квантов с энергией выше окна пропускания краевого фильтра.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является широкополосный спектрометр мягкого рентгеновского излучения [«DMX: An absolutely calibrated time-resolved broadband soft x-ray spectrometer designed for MJ class laser-produced plasmas», J.L.Bourgade, B.Villette, J.L.Bocher and others, Review of scientific instruments, Vol.72, No.1, Jan 2001, p.1173-1182], который выбран в качестве прототипа и включает в себя герметичный корпус, в котором радиально размещены 12 каналов регистрации, каждый из которых состоит из коллимирующей щели, двух зеркал полного внешнего отражения (ПВО), селективного краевого фильтра, расположенного в сквозной ячейке перед зеркалами ПВО, и регистратора рентгеновского излучения, расположенного на выходе канала регистрации. В качестве регистратора рентгеновского излучения служит вакуумный рентгеновский диод (ВРД). Спектрометр служит для измерения спектрально-временной характеристики рентгеновского излучения. Формирование временного сигнала обеспечивается за счет ВРД, а разделение излучения на спектральные составляющие осуществляется зеркалами ПВО и селективными краевыми фильтрами.
Недостатком прототипа являются:
- невозможность регистрации пространственной яркости источника рентгеновского излучения из-за отсутствия схемы перепроецирования изображения и использование ВРД, не позволяющего регистрировать пространственное распределение;
- недостаточная спектральная избирательность каналов из-за однократного отражения рентгеновского излучения от зеркал ПВО;
- сложность в эксплуатации, требующей настройки каждого канала регистрации в отдельности;
- высокие массогабаритные характеристики.
Решаемая задача - создание новой конструкции спектрометра для получения информации о спектральной яркости рентгеновского источника в различных его пространственных точках в диапазоне энергий квантов от 0,05 кэВ до 12 кэВ с одномерным пространственным разрешением.
Технический результат заключается в обеспечении возможности получения пространственно-спектральной характеристики свечения источника рентгеновского излучения.
Дополнительным техническим результатом является повышение спектральной избирательности прибора; обеспечение удобства эксплуатации спектрометра за счет взаимозависимой юстировки каналов регистрации спектрометра на источник излучения; компактность устройства и снижение массогабаритных характеристик за счет снижения количества крепежных элементов.
Технический результат достигается тем, что широкополосный спектрометр мягкого рентгеновского излучения включает в себя герметичный корпус, в котором расположены каналы регистрации, каждый из которых включает в себя последовательно размещенные по направлению излучения входную щель, селективный фильтр, область, ограниченную двумя зеркалами полного внешнего отражения (ПВО), и регистратор рентгеновского излучения.
Новым является то, что каналы регистрации размещены квазипараллельно, при этом зеркала ПВО объединены в пакет общим корпусом, входная щель является общей для всего пакета, а в качестве регистратора рентгеновского излучения используют фоторегистратор, либо ПЗС-матрицу. Кроме этого, устройство дополнительно может содержать нулевой канал регистрации, а герметичный корпус может быть прикреплен к камере взаимодействия.
Размещение каналов регистрации квазипараллельно позволяет рентгеновскому излучению испытывать многократные отражения в области, ограниченной двумя зеркалами ПВО, что увеличивает спектральную избирательность каналов; а также использовать только одну щель для регистрации одномерного пространственно-спектрального изображения.
Объединение зеркал ПВО в пакет с общим корпусом дает возможность регистрировать одномерное изображение источника рентгеновского излучения из одного пространственного положения; уменьшает габариты конструкции, обеспечивая удобство эксплуатации за счет взаимозависимой юстировки каналов.
Наличие для всего пакета общей входной щели осуществляет построение одномерного изображения рентгеновского источника на регистраторе, обеспечивает удобство эксплуатации и улучшает массогабаритные характеристики.
Использование в качестве регистратора рентгеновского излучения фоторегистратора либо ПЗС-матрицы позволяет получить регистрацию пространственного распределения спектральной яркости источника.
Дополнительное снабжение устройства нулевым каналом регистрации позволяет обходиться без дополнительных систем для юстировки, что снижает массу и габариты устройства.
Прикрепление герметичного корпуса к камере взаимодействия позволяет повысить удобство эксплуатации за счет облегчения юстировки прибора.
Конструкция широкополосного спектрометра мягкого рентгеновского излучения представлена на фиг.1, где 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - рентгеновское излучение, 3 - входная щель, 4 - держатели селективных краевых фильтров, 5 - селективные краевые фильтры, 6 - объединенные в пакет зеркала ПВО, 7 - регистратор рентгеновского излучения, 8 - нулевой канал регистрации, 9 - общий корпус, 10 - герметичный корпус, 11 - камера взаимодействия, 12 - держатель с подвижками.
На фиг.2 приведены спектральные характеристики каналов прибора; на фиг.3 показана модель сложного лазер-плазменного источника, состоящего из двух плазменных источников, разнесенных в пространстве; на фиг.4 дана полученная спектрограмма с помощью фотопленки марки УФ-4; на фиг.5 представлены восстановленные спектральные яркости верхнего и нижнего источников рентгеновского излучения.
В представленном варианте реализации устройство включает в себя герметичный вакуумный корпус цилиндрической формы, выполненный из нержавеющей стали, который вакуумноплотно прикреплен к камере взаимодействия, в которой размещен источник рентгеновского излучения. В герметичном корпусе расположены по направлению излучения: входная щель, состоящая из двух стальных ножей толщиной 200 мкм и щелью 20 мкм между ними; селективные фильтры (в том числе краевые K-, L-типа), приклеенные на держателе фильтров, который, в свою очередь, закреплен на общий корпус из алюминия, в котором собраны в пакет зеркала ПВО, изготовленные из плоского оконного стекла, получаемого методом горячего разлива по поверхности расплавленного олова; и регистратор рентгеновского излучения. Зеркала ПВО расположены квазипараллельно в общем корпусе под требуемым определенным углом. Для одновременной юстировки всех зеркал ПВО дополнительно использован нулевой канал регистрации, расположенный также в пакете. Общий корпус прикреплен к герметичному с помощью держателя с подвижками. В качестве регистратора рентгеновского излучения используют кассету с рентгеновской фотопленкой марки УФ-4, с помощью которой получают изображение источника. Кассета крепится с помощью прижимных пластин к выходу пакета. Сам же пакет, размещенный внутри герметичного корпуса, прикреплен на держателе с подвижками, позволяющем осуществлять наклон пакета в двух взаимно перпендикулярных плоскостях на углы до 10 градусов.
Устройство работает следующим образом. Спектрометр крепится к камере взаимодействия 11, в которой расположен источник рентгеновского излучения 1. Расстояния между источником рентгеновского излучения 1, входной щелью 3 и регистратором рентгеновского излучения 7 выбираются таким образом, чтобы обеспечить необходимое пространственное разрешение. Зеркала ПВО 6 располагаются в общем корпусе 9 таким образом, чтобы обеспечить заданные углы падения рентгеновского излучения 2 на них, для осуществления спектральной селекции. В общий корпус 9 устанавливается нулевой канал регистрации 8, для последующей юстировки всего пакета зеркал ПВО 6. Общий корпус 9 юстируется с помощью держателя с подвижками 12 таким образом, чтобы рентгеновские кванты, испущенные из центральной области рентгеновского источника 1, пройдя сквозь входную щель 3 и отразившись от зеркал ПВО 6, попадали бы в центральную область регистратора рентгеновского излучения 7. Подбором толщин фильтров 5, устанавливаемых на держателе 4, добиваются необходимых плотностей энергии рентгеновского излучения 2 в области регистратора рентгеновского излучения 7 для каждого канала. Когда установка прибора и его юстировка завершены, крышка герметичного корпуса 10 закрывается. В случае использования в качестве регистратора рентгеновского излучения 7 фотопленки, после проведения эксперимента крышка герметичного корпуса 10 открывается, и происходит смена фотопленки в кассете. По полученным сигналам с регистратора рентгеновского излучения 7 строится пространственно-спектральная зависимость распределения яркости источника рентгеновского излучения 1.
Проведена конструкторская проработка и создан спектрометр. В результате экспериментальных исследований были получены пространственно-спектральные характеристики лазерной плазмы, плазмы Z-пинча и сильноточной рентгеновской трубки. Регистрируемый спектральный диапазон располагается от 60 эВ до 12 кэВ. Спектральная ширина каждого канала составляет Е/ΔЕ≈5. С помощью прибора было получено одномерное пространственное изображение лазер-плазменного источника с разрешением 20 мкм. В настоящее время разработанный прибор успешно применяется в процессе исследований параметров плазмы и в силу своей компактности облегчает его использование в различных условиях применения.