Способ синхронизированной регистрации рентгеновского излучения и вторичного флуоресцентного излучения в монофотонном режиме при облучении образца рентгеновским излучением
METHOD FOR SYNCHRONIZED REGISTRATION OF X-RAYS AND SECONDARY FLUORESCENT RADIATION IN MONOPHOTON MODE WITH SAMPLE IRRADIATION WITH X-RAYS

Изобретение относится к фотометрии и рентгеноскопии и предназначено для регистрации рентгеновского и оптического излучения, возникающего при облучении образца рентгеновским излучением.
В настоящее время для элементного, структурного и химического анализа, особенно при исследовании металлов, стекла, керамики и строительных материалов [1, 2], при исследовании условий роста кристаллов, биологических веществ, а также для исследований в области геохимии, судебной медицины, археологии и предметов искусства, таких как картины широко используется метод рентгеновской флуоресценции.
Он заключается в регистрации характерного «вторичного» (флуоресцентного) излучения, исходящего из материала, который был возбужден в результате бомбардировки высокоэнергетическим рентгеновским излучением. При поглощении в веществе рентгеновского кванта возникают вторичные процессы передачи энергии, приводящие к излучению квантов с более длинной волной и с задержками по времени. Поэтому для изучения динамики процессов в веществе необходима, кроме регистрации исходящих от облучаемого вещества рентгеновских квантов, и регистрация оптического излучения, а также требуется определение времени задержки оптического излучения относительно времени прихода рентгеновского излучения. При этом точность определения задержки для быстрых процессов может составлять от единиц наносекунд и до микросекунд. В частности, определение указанной выше задержки особенно актуально при рентгеноструктурном анализе с разрешением по времени.
Наиболее ярким примером уникальных структурных исследований, которые стали возможны только благодаря рентгеновскому излучению, являются исследования строения промежуточных и возбужденных структур в различных химических реакциях. Особый интерес подобные исследования представляют для биологических объектов и процессов каталитических реакций.
В случае использования в качестве источника излучения синхротрона или рентгеновской трубки с фокусирующей оптикой рентгеновский луч может быть остронаправленным и очень интенсивным. Интенсивность этого излучения ограничена проблемами разрушения исследуемого образца. В то же время интенсивность исходящего от образца рентгеновского сигнала и вторичного флуоресцентного излучения относительно невелика. Таким образом, высокочувствительные и, в частности, монофотонные датчики, регистрирующие исходящее от образца рентгеновское и флуоресцентное оптическое излучение приобретают особенную актуальность. [3, 4].
Известен способ регистрации флуоресцентного излучения от образца, при котором образец освещают импульсным рентгеновским облучением. В результате облучения исследуемый образец испускает флуоресцентное излучение, которое затем фиксируется регистрирующей аппаратурой [5].
Основным недостатком известного решения является недостаточная информативность результата исследования, поскольку она базируется на проведении исследования только в одном спектральном диапазоне длин волн - оптическом.
Технической задачей изобретения является преодоление указанного недостатка.
Техническим результатом является повышение точности и достоверности получаемой информации путем достижения синергетического эффекта благодаря проведению исследования образца одновременно в диапазоне оптического и рентгеновского излучения и измерения времени прихода оптического фотона от образца относительно прихода рентгеновского фотона.
Технический результат достигается посредством того, что в способе синхронизированной регистрации рентгеновского и вторичного флуоресцентного излучения в монофотонном режиме при облучении образца рентгеновским излучением, с последующей регистрацией флуоресцентного излучения от образца в оптическом диапазоне, дополнительно регистрируют монофотонным датчиком рентгеновское излучение от образца, определяя координаты прихода фотонов и время их прихода, а вторичное флуоресцентное излучение в оптическом диапазоне от образца регистрируют монофотонным датчиком оптического диапазона, определяя координаты прихода фотонов и время их прихода. При этом обеспечивают регистрацию времени задержки между приходом вторичного фотона флуоресцентного излучения оптического диапазона относительно времени прихода фотона рентгеновского излучения от образца путем использования синхронизирующих импульсов.
При этом синергетический эффект достигается путем детектирования прихода рентгеновского и оптического фотонов и определения на этой основе времен задержки между приходом вторичного фотона флуоресцентного излучения относительно прихода фотона рентгеновского излучения от образца путем использования синхронизирующих импульсов. Использование принципа монофотонной регистрации обеспечивает получение новой информации в работе в части определения времен задержки и координат рентгеновских и оптических фотонов, исходящих от исследуемого образца.
Возникающее при облучении образца рентгеновским излучением рентгеновское и вторичное оптическое излучение регистрируются двумя устройствами - монофотонным детектором рентгеновского излучения (МДРИ) и монофотонным детектором оптического излучения (МДОИ). Монофотонность означает, что при этом обеспечивается регистрация детекторами отдельных фотонов рентгеновского и оптического диапазона, что приводит к существенному повышению чувствительности предлагаемого способа. Также для обоих датчиков определяются координаты прихода фотонов на входные окна детекторов и время прихода этих фотонов. Оптическая флуоресценция вещества после воздействия на него импульсного рентгеновского излучения происходит с временной задержкой относительно рентгеновского излучения в интервале от единиц наносекунд до микросекунд. Поэтому для измерения пространственно-временного распределения оптических фотонов необходимо синхронизация работы оптического датчика относительно как заданного временного строба с наносекундным разрешением, так и относительно сигнала с монофотонного датчика рентгеновского излучения. Результатом этой работы будет определение времени задержки вторичного оптического излучения относительно времени регистрации рентгеновского излучения образца.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема, поясняющая работу предлагаемого изобретения.
На Фиг. 2 представлены эпюры синхронизации и определения времени задержки прихода оптического фотона относительно рентгеновского.
Способ реализуется в устройстве, содержащем источник 1 рентгеновского излучения, исследуемый образец 2, монофотонный детектор 3 рентгеновского излучения (МДРИ), монофотонный детектор 4 оптического излучения (МДОИ), блок 5 определения временной задержки сигналов и управляющую ЭВМ 6. Сигнал Start1 прихода рентгеновского фотона обозначен как позиция 7, сигнал Start2 прихода оптического фотона обозначен как позиция 8, угловая координатная информация выхода рентгеновского фотона, исходящего от образца, обозначена позицией 9.
Угловая координатная информация выхода оптического фотона, исходящего от образца, обозначена позицией 10 и информация о времени задержки рентгеновского и оптического излучений обозначена позицией 11. В качестве источника рентгеновского излучения может использоваться как обычная рентгеновская трубка, так и синхротрон. Отличие синхротронного излучения от излучения рентгеновских трубок состоит в следующих основных характеристиках: синхротронное излучение имеет широкий непрерывный спектр; сильно поляризовано; возникает короткими импульсами; сильно коллимированого (его лучи распространяются узким пучком типа света прожектора); обладает яркостью на много порядков раз выше, чем излучение рентгеновских трубок.
Предлагаемый способ синхронизированной регистрации рентгеновского излучения и вторичного флуоресцентного излучения в монофотонном режиме при облучении образца рентгеновским излучением реализуется с помощью последовательности следующих операций (см. Фиг. 1). Рентгеновское излучение, создаваемое источником 1, попадает на исследуемый образец 2, и вызывает рентгеновское и вторичное оптическое излучение образца. Излученные образцом вторичные рентгеновские фотоны в диапазоне длин волн (0.08 - 100 нм) с энергией (15 Кэв - 100 эВ)) попадают на вход монофотонного детектора рентгеновского излучения (МДРИ) (3), в котором определяется угловая координатная информация выхода рентгеновского фотона (9), исходящего от образца, которая передается на управляющую ЭВМ (6). Также в детекторе МДРИ формируется сигнал Start 1 прихода рентгеновского фотона (7), который поступает на блок определения временной задержки (5). Фотоны вторичного оптического излучения (диапазона 0,25 - 0,8 мкм) попадают на вход монофотонного детектора оптического излучения (МДОИ) (4), в котором определяется угловая координатная информация выхода оптического фотона (10), исходящего от образца, которая передается на управляющую ЭВМ (6). Также в детекторе МДОИ формируется сигнал Start2 прихода оптического фотона (8), который поступает на блок определения временной задержки (5).
з
фр
В блоке (5) определяется время задержки Т вторичного оптического излучения относительно времени регистрации рентгеновского излучения образца (см. Фиг. 2). Алгоритм определение времени Тз состоит в следующем. Сигнал Start 1 запускает работу блока определения времени Δt прихода рентгеновского фотона относительно ближайшего синхроимпульса (сигнал Stop1), который генерируется внутренним генератором блока измерения задержки. Сигнал Start2 запускает работу блока определения времени прихода  оптического фотона относительно ближайшего синхроимпульса (сигнал Stop2), который также генерируется внутренним генератором блока измерения задержки. Полученные временные интервалы при известном периоде  следования синхроимпульсов позволяют определить время задержки прихода оптического фотона относительно,, рентгеновского (см. Фиг. 2).
Число n зависит от частоты следования синхроимпульсов. На Фиг. 2 показан вариант n=1.
Такая схема определения времен задержки дает возможность работать с синхротронным источником. В случае использования рентгеновской трубки синхроимпульсы, генерируемые внутренним генератором блока измерения временной задержки, могут быть применены для управления работы рентгеновской трубки в импульсном режиме. При этом сигналом Start запуска работы блока определения времени задержки служит сигналом прихода импульса рентгеновского фотона (Start1), а сигналом Stop будет служить сигнал Start2 прихода оптического фотона. Информация о времени задержки рентгеновского и оптического излучений (11) и их координатах (9) и (10) поступает в управляющую ЭВМ (6).
Таким образом, предлагаемый способ исследования образцов путем получения информации о времени задержки прихода оптического сигнала (сигнала люминесценции) относительно прихода рентгеновского сигнала от образца обеспечивает получение надежной и точной информации о характеристиках образца.
Источники информации
1. Андреев П.В., Трушин В.Н., Фаддеев М.А. Рентгеновский фазовый анализ поликристаллических материалов //Нижегородский госуниверситет. Нижний Новгород. 2012. 89 с.
2. Гласкер Дж., Трублад К. Анализ кристаллической структуры //Мир. М. 1974. 192 с.
3. https://kpfu.ru
4. Чижов П, Левин Э., А. Митяев А., А. Тимофеев А.. Приборы и методы рентгеновской и электронной дифракции //Московский физико-технический институт. М. 2011. 152 с.
5. Патент RU 27901 «Устройство для анализа характеристик люминесценции», МПК В07С 3/342, опубл. 07.02.2003.