Спектрометрия рентгеновского излучения с использованием многослойного цилиндрического зеркала

Рентгеновское излучение несет большую информацию о физических процессах, происходящих в плазменных источниках различного типа. Диагностика импульсных плазменных источников по линейчатому спектру РИ в диапазоне энергий квантов от 0.1 до 12 кэВ позволяет определить ионный состав, плотность электронов и температуру плазмы [1]. В экспериментах по лазерному термоядерному синтезу с помощью рентгеноспектральных методов диагностики молено определить плотность холодной сжатой области и температуру горячего ядра мишени [2−4], исследовать скорость переноса энергии в процессе сжатия оболочки [5]. Эти исследования проводятся на основе измерений соотношений интенсивности спектральных линий, их формы, поглощения линий, а так же на основе анализа сдвига скачков рекомбинационного излучения. При изучении физических процессов в короткоживущей высокотемпературной неравновесной плазме («ДЕЛЬФИН-1» [6], ИСКРА-5 [7], Х-пинч, Z-пинч [8]) очень сложно до опыта предугадать особенности спектрального состава и выход РИ из источника, поскольку выход РИ из мишени может отличаться от расчетного на несколько порядков. Это связано с возможным свечением линий примесных атомов элементов конструкционных элементов установки, неоднородности по объему температуры и плотности плазмы, экранировкой излучения холодной периферией плазменного образования и рядом других причин. В подобных экспериментах важно получить информацию о спектре рентгеновского излучения в наиболее широком диапазоне энергий квантов.

Актуальность создания надежного спектрографа РИ с широким диапазоном регистрации энергий регистрируемых квантов, с разрешением порядка ДА/А,~(1−5)10″ 2 и с диапазоном регистрации по выходу РИ из источника до нескольких порядков величины вызвана необходимостью рентгеноспектральных измерений при исследовании высокотемпературной плазмы.

Задачи измерения спектра РИ с относительно невысоким спектральным разрешением (не требуется спектроскопическая точность А7Ук< ~ 10″ 4) возникают:

— при исследовании проблемы получения максимальной конверсии ЛИ в рентгеновское, в которой, как правило, используется излучение LM полосы элементов со средними и большими Z [9−12];

— при верификации численных кодов решения задач равновесной и неравновесной газодинамики по интегральным характеристикам спектра РИ (методы LM и MN спектроскопии);

— при исследовании спектров LM полосы плотной сильно неидеальной плазмы, создаваемой ультракороткими импульсами ЛИ фемтосекундной длительности, с целью сравнения различных моделей расчета непрозрачности плотной (твердотельной) горячей плазмы, в том числе с учетом возможного нарушения локального термодинамического равновесия [13−15].

Такие задачи возникают в измерениях по исследованию режимов сжатия сферических мишеней, различного типа пинчей и т. п. [1,8,16,17].

Наиболее распространенные методы спектрометрии импульсных источников основаны на разделении квантов различных энергий в пространстве на периодических структурах. Основой спектрографов такого типа является диспергирующий элемент. В качестве диспергирующих элементов чаще всего используются дифракционные решетки, искусственные и природные кристаллы, многослойные зеркала. Рентгеновские спектрометры такого типа широко используются при исследовании спектрального состава рентгеновских трубок, лазерной плазмы, лазерных фокусов различного типа, пинчей и т. п. [8−22]. При этом основная масса спектрографов разработана под конкретные установки или условия эксперимента.

Дифракционные решетки для спектрометрии РИ применяются, как правило, в диапазоне РИ от 0.03 до 1.5 кэВ [24,25]. К недостаткам дифракционных решеток можно отнести ограничение по энергетическому диапазону регистрации (верхняя граница 1ч-1.5 кэВ), малые рабочие углы (низкая светосила), сложность изготовления, и как следствие, дороговизну.

Плоские кристаллы и многослойные зеркала нашли широкое применение в спектрометрии РИ [22,26,27]. Спектральный диапазон регистрации на зеркале или кристалле, определяется диапазоном углов скольжения на диспергирующий элемент. Плоский диспергирующий элемент может, отражать РИ в достаточно широком диапазоне лишь при расстояниях от источника, сравни-, мых с длиной элемента [28]. В экспериментах с образованием короткоживущей высокотемпературной плазмы затруднительно располагать диспергирующий элемент близко к источнику, так как разлетающаяся плазма разрушает тонкие. светозащитные фильтры и через несколько импульсов выводит из строя, диспергирующий элемент. Кроме того, при приближении спектрографа к источнику ухудшается энергетическое разрешение прибора за счет конечного размера источника. Для увеличения спектрального диапазона регистрации приборов, существуют два направления: создание многоканальных приборов на базе плоских элементов и изгиб диспергирующего элемента! Основным недостатком многоканального спектрометра на базе нескольких плоских МЗ [29], каждое из. которых настроено на определенный достаточно узкий спектральный участок, является затруднение регистрации линейчатого спектра РИ.

Существует множество приборов' на базе изогнутых кристаллов: вогнутых [30] (с источником внутри круга Роуланда) и выпуклых [31,32]. Существует cnempoMeip на базе эллиптически изогнутых кристаллов [33], где для получения широкого диапазона регистрацииот 0.1 до 10 кэВ использовалось несколько сменных кристаллов, каждый из которых был настроен на определенную, более узкую,. область спектра. Измерения спектра РИ спектрометрами на эллиптически изогнутых кристаллах КАР и слюды проводились на установке ИСКРА-5 в диапазоне от 1.6 до 2Л6 кэВ [34,35]* цилиндрически изогнутые кристаллы использовались в схемах с фокусировкой по Иоганну в диапазоне от 1.5 до 1.8 кэВ [7]. Использование. изогнутых природных кристаллов,' как правило, меняет их отражательные свойства, так как они не достаточно пластичны и подвержены расслоению [22]. Один из наиболее, применяемых кристалловКАР требует специальных условий хранения, так как разрушается при воздейг ствии влаги [22]. МЗ в отличие от природных кристаллов не меняют своей отражательной способностей при изгибе и не требуют специальных условий хранения.

Неопределенность выхода РИ из источника усложняет регистрацию спектра и выхода РИ методами с высоким энергетическим разрешением, поскольку практически все они требуют настройки на определенный выход РИ из мишени, и попасть в диапазон регистрации прибора при единичном измерении достаточно сложно. Это связано с большим отношением интенсивности в максимуме мощных линий и непрерывной части спектра (до 3-х порядков величины). При ухудшении спектрального разрешения прибора это отношение уменьшается и регистрация упрощается.

Для спектрометрии в мягкой области спектра рентгеновского излучения (0.1-^-1.5) кэВ наиболее перспективными диспергирующими элементами являются многослойные зеркала, которые можно изготавливать с нужными значениями межплоскостного расстояния от 4 до 10 нм, а природных кристаллов с таким периодом не существует.

Для исследования линейчатого РИ лазерной плазмы в диапазоне от 1 до 3 кэВ предлагается использовать спектрометр на базе цилиндрически изогнутого многослойного зеркала.

Таким образом, на сегодняшний день не существует спектрографов РИ на цилиндрически изогнутых многослойных зеркалах обладающих высокой светосилой и приемлемым энергетическим разрешением, широким диапазоном регистрации энергий квантов.

Научная новизна работы. Разработан и экспериментально проверен макет широкодиапазонного спектрографа РИ на базе многослойного цилиндрически изогнутого зеркала и математическое обеспечение прибора, не имеющие на момент создания зарубежных и отечественных аналогов.

Целью данной диссертационной работы является проверка применимости изогнутых МЗ для спектрометрии РИ лазерной плазмы. Основная задача, поставленная перед автором работы, это создание и проверка работоспособности макета рентгеновского спектрографа на базе цилиндрического МЗ и разработка математического обеспечения, необходимого для обработки, анализа результатов измерений и оптимизации постановки измерений. Основными требованиями к спектрографу являются: широкий диапазон энергий регистрируемых квантов, надежная регистрация при неопределенности выхода РИ из источника на несколько порядков величины, универсальность схемы регистрации, независящая от типа установки, приемлемое энергетическое разрешение. Данный прибор применим в дорогостоящих измерениях с целью надежного получения экспериментальных данных о спектре и выходе РИ из источника, когда априорная информация о спектре РИ крайне скудна. Такими измерениями, как правило, являются эксперименты на импульсных однократных источниках, включая взрывные эксперименты. По полученным с помощью спектрографа данным можно определить спектральный состав и выход РИ из лазерной плазмы.

Использование изогнутого МЗ обеспечивает широкий диапазон регистрации энергий квантов и достаточное спектральное разрешение. Выбранная схема спектрографа близка к схеме Иоганна с вогнутым кристаллом [1]. Такого рода схема широко используется в измерениях с использованием кристаллов в качестве диспергирующего элемента [30]. В нашем случае источник и приемник расположены вне круга Роуланда, что существенно упрощает конструкцию, уменьшает габариты прибора и делает прибор универсальным в использовании на различных установках. Отход от фокусирующих схем регистрации понижает требования к качеству формы изгиба поверхности МЗ и упрощает технологию изготовления зеркала. Разработанный математический аппарат позволяет рассчитывать параметры спектрографа и оптимизировать схему измерений. В отсутствии точной фокусировки нет необходимости располагать источник в фокусе прибора, что существенно упрощает его эксплуатацию. Замена кристалла на зеркало увеличивает светосилу прибора, как минимум, на порядок. Высокая светосила достигается за счет ухудшения энергетического разрешения, поэтому, при обработке результатов измерений, возникает дополнительная проблема учета аппаратурного размытия.

Разработанный спектрограф был опробован в ряде опытов различного типа на установке ИСКРА-5 и продемонстрировал удобство работы с ним и высокую надежность получаемых результатов.

Личный вклад:

1. Разработаны и программно реализованы алгоритмы расчета аппаратной функции спектрографа и светосилы прибора для объемного изотропного источника монохроматического РИ.

2. Разработаны и программно реализованы алгоритмы привязки энергетической шкалы и обработки результатов измерений.

3. Разработана процедура абсолютной нормировки измерений выхода РИ.

— посредством специальных измерений на полупроводниковых детекторах с различными фильтрами перед ними.

4. На основе тщательного анализа выбраны основные элементы спектрографа: многослойное зеркало, светозащитные и поглощающие фильтры.

5. При непосредственном участии автора поставлены, проведены, обработаны и проанализированы спектральные измерения на установке ИСКРА-5.

Практическая значимость. Постановка задачи, решаемой в диссертации, вытекает из потребностей практики, поскольку при проведении измерений РИ на импульсных установках, где очень сложно до опыта рассчитать особенности спектрального состава рентгеновского излучения, требуется получение надежного результата в широком диапазоне регистрации и с достаточным энергетическим разрешением.

1. Разработанный спектрограф позволяет использовать фотоприемники с небольшим динамическим диапазоном регистрации, например, рентгеновскую пленку, и размещать спектрограф на большом удалении от источника.

2. Спектрограф не требует сложной настройки.

3. Обладает приемлемым энергетическим разрешением.

4. Нормировка результатов на измерения с полупроводниковых детекторов позволяет регистрировать не только спектральный состав, но и абсолютный выход РИ из источника.

Научные результаты внедрены и использованы в экспериментах на установке ВНИИЭФ ИСКРА-5.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты работы представлены в виде докладов на 10 конференциях в 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006 гг. Основное содержание диссертации отражено в 7 статьях.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанные и программно реализованные при помощи методов аналитической геометрии и векторного анализа алгоритмы, позволяющие моделировать измерения на спектрографе, что позволяет оптимизировать постановку измерений РИ, обработать и проанализировать полученные результаты.

2. Действующий макет спектрографа на многослойном цилиндрически изогнутом зеркале состава Ni/C для диапазона энергии падающих квантов (1.15−5-2.65) кэВ.

3. Результаты проведения, обработки и анализа спектральных рентгеновских измерений на установке ИСКРА-5 в диапазоне (1.15-^2.65) кэВ с энергетическим разрешением 2−2.5%.

Достоверность заложенных в разработку спектрографа принципов подтверждается хорошим согласием экспериментальных данных с результатами расчетов и независимых измерений.

Структура и объём диссертации. Основной текст диссертации состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 62 рисунка и 18 таблиц, списка использованных источников, содержащего 60 названий, и занимает 123 машинописные страницы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Выбрана схема и разработана конструкция спектрографа: МЗ состава NiC, период 2.8 нм, длина 7 см, радиус изгиба 40 см. Выбран набор светозащитных фильтров и дополнительных поглотителей для увеличения динамического диапазона регистрации.

2. Разработаны, реализованы программным образом и оттестированы алгоритмы для расчета основных характеристик спектрографа: светосилы, диапазона регистрации, аппаратной функции, отражательной способности зеркала. Рассчитаны основные характеристики спектрографа: диапазон регистрации прибора составляет (1.15².65) кэВ, энергетическое разрешение меняется в диапазоне 2−2.5%, светосила изменяется в диапазоне (2.47^-0.34)-10″ 8 и (7.46ч-1.05)-10″ 8 для расстояний от источника до зеркала 128.2 см и 73.6 см соответственно.

3. Разработана и реализована процедура обработки экспериментальных данных. Она позволяет с точностью до 1% привязать энергетическую шкалу прибора и с точностью до 20% (погрешность регистрации сигнала полупроводниковыми детекторами) определить абсолютный выход РИ из источника. Экспериментально показано, что режим работы полупроводников в «насыщении» не влияет на сбор заряда в полупроводнике.

4. Оценена погрешность регистрации относительного хода непрерывной части спектра РИ, которая принята равной 20% во всем диапазоне регистрации.

5. Показана работоспособность прибора и представлены результаты спектральных измерений РИ высокотемпературной многозарядной плазмы из тонкослойных сферических мишеней спектрографом на базе изогнутого многослойного зеркала в диапазоне (1.15ч-2.65) кэВ. В экспериментах исследовался спектральный состав при кумуляции высокотемпературной многозарядной плазмы, возникающей при внутреннем облучении сферической тонкостенной Бе-мишени, внешнем облучении сферической 8Ю2-мишени, облучении плоских мишеней из Ge, Dy и Au. Измерения проводились на лазерной установке ИСКРА-5 при облучении мишени двенадцатью лазерными лучами (опыты со сферическими мишенями) и однолучевые опыты (с плоскими мишенями) на второй гармонике йодного лазера с длиной волны 0.66 мкм. Абсолютная привязка результатов измерений на спектрографе проводилась при помощи измерений полупроводниковых детекторов с различными фильтрами.

6. Экспериментальные результаты, полученные при помощи спектрографа удовлетворительно согласуются с расчетом по программе СС9 и независимыми измерениями на кристалле КАР.

7. В проведенных экспериментах продемонстрирована техническая простота измерений на спектрографе с изогнутым многослойным зеркалом. Регистрация спектра за различными поглотителями позволила осуществить точную привязку энергетической шкалы и расширить динамический диапазон регистрации. Одновременная со спектрографом регистрация РИ с помощью полупроводниковых детекторов и поглощающих фильтров обеспечила высокую точность измерений выхода РИ из мишени.

Работа выполнена за период 2001;2006 гг.

Автор считает своим долгом поблагодарить всех участников исследований.

Автор глубоко благодарен Субботину А. Н. кандидату физико-математических наук за руководство работой и большую помощь на всех этапах ее проведения.

Автор выражает благодарность Нефедову Ю. Я. и Смердову В. И. за поддержку на всех этапах работы и ряд ценных замечаний, Гусихиной И. А., Нагорному В. И., Жидкову Н. В, Суслову Н. А., Петрову С. И. за активное участие в проведении экспериментальных и теоретических исследований, Гаспаря-ну П.Д., Цой Е. С. за предоставление расчетных данных по спектрам РИ, Чхало Н. И. за калибровку многослойных зеркал, Коваленко Н. В. за изготовление многослойных зеркал.

Автор выражает благодарность сотрудникам отделов ВНИИЭФ, обеспечивающих работу установки ИСКРА-5 и проведение на них экспериментов, а так же сотрудникам фотолаборатории за помощь в обработке фотоматериалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.