Способ генерации монохроматического направленного рентгеновского излучения Советский патент 1989 года по МПК G21G4/06 

315135284

1тр№1ем механизм излучения являетсяизлучение является линейно поляризотормозным. Кроме ут азанных свойств.

ваннымо 1 ЗоПоф-лы, 2 ил.

ваннымо 1 ЗоПоф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике генерирования рентгеновского направленного излучения и может быть использовано в рентгеновской и ядерной спектроскопии для селективного возбуждения атомных и ядерных уровней, структурного анализа вещества, калибровки спектрометрической аппаратуры и т.д. Способ основан на взаимодействии пучка ускоренных электронов с монокристаллом и дает возможность получать пучок монохроматического рентгеновского излучения с плавно перестраиваемой энергией. Цель изобретения - расширение диапазона регулирования энергий излучения TΩ от мягкого рентгена до мягкого γ-излучения, повышение степени монохроматичности рентгеновского излучения и понижение вклада непрерывного фона при понижении требований к качеству электронного пучка, повышение точности настройки источника на заданную энергию излучения при упрощении способа перестройки энергии излучения и обеспечение возможности повышения интенсивности излучения путем увеличения толщины мишени. Канал формирования излучения фиксируют под углом Θ_K(φ/2*22О_кμс²/ε) к направлению пучка электронов, а в точке пересечения его с осью пучка электронов устанавливают монокристалл так, чтобы его семейство плотноупакованных плоскостей было перпендикулярно плоскости реакции, заданной направлениями пучка электронов и каналом коллимирования излучения (ML² - энергия покоя электрона, ε - энергия ускоренных электронов). Поворачивая кристалл вокруг оси, перпендикулярной плоскости реакции, устанавливают это семейство плоскостей кристалла по отношению к направлению пучка электронов под углом Ф, расчетная формула которого приведена в формуле изобретения. С целью достижения максимальной интенсивности излучения угол Θ_к и параметр решетки кристалла D выбирают такими, чтобы вариация параметра Ф осуществлялась при значениях Ф ближе к Θ_к/2. При этом возникают условия, необходимые для возбуждения пучком электронов в кристалле состояния электромагнитного поля в периодически неоднородной среде, именуемого пенделезунгом (термин "пенделезунг" введен Эвальдом при описании дифракции рентгеновского излучения в кристаллах), причем механизм излучения является тормозным. Кроме указанных свойств, излучение является линейно поляризованным. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике генерирования рентгеновского направленного излучения и может быть исползовано в рентгеновской спектрометрии для селективного возбуждения атомных и ядерных уровней, для структурного анализа вещества, калибровки рентгеновской спектрометрической аппаратуры .

Цель изобретения - расширение диапазона .регулирования энергий излз че НИЛ h со от мягкого рентгена до мягкого J -излучения; повьшение степени монохроматичности рентгеновского из- лугшния и понижение вклада непрерывного фона при одновременном существенном понижении требований к качеству электронного пучка - ширине спектра и расходимости; повышение точности настройки источника на заданную энергию излучения ti 03 при одновременном упрощении способа перестройки источника по энергии фотонов (энергии излучения); обеспечение воз можности повьшения интенсивности излучения путем увеличения толщины мишени, а также достижение максимально интенсивности излучения.

На фиг, 1 показана схема экспери- мента; на фиг, 2 - измеренный спектр излучения для случая, когда энергия электронов 24 мэВ, а угол излучения ,

На схеме изображены гониометр 1, отклоняющий магнит 2, фотонные коллиматоры 3 и полупроводниковый рентгеновский спектрометр 4.

Пусть мы имеем монокристалл хорошго качества (вещество не имеет зна- чения), который вырезан так, что представляет собой пластинку, плотность которой близка к кристаллографической плоскости кристалла с низкими индексами Миллера. Монокристал- лическую пластинку помещают в гониометр с тремя ортогональными осями вращения. Гониометр помещают в ваку : Мну1о камеру ускорителя электронов так, чтобы одна из осей вращения бы- ла направлена вдоль оси пучка релятивистских электронов. При этом монокристаллическая пластинка располагается перпендикулярно направлению

пучка. Направление потока излучения, генерируемого ускоренными электронами в кристалле, задается системой коллиметров, создающих канал коллими рования под углом б к направлению падающего на кристалл пучка электронов С/1Г/2 0,( 0) е Одну из осей гониометра, ортогональных направлению пучка, удобно установить перпендикулярно к плоскости, заданной направлением пучка ускоренных электронов и направлением канала формирования излучения (т.е. перпендикулярно плоскости реакции). Углы поворотов вокруг осей гониометра обозначают следующим образом; о - угол поворота кристалла вокруг оси, параллельной направлению электронов, ф - угол поворота кристалла вокруг оси, ортогональной плоскости реакции; (f - угол поворота кристалла вокруг третьей оси гониометра, ортогональной направлению пучка электронов и параллельной плоскости реакции.

Закон сохранения энергии-импульса для рентгеновского излучения реля- вистских электронов для данного процесса в кристалле имеет вид

р р + k + g +СО

(1)

где р - импульс электронов до излучения; р - дмпульс эле.ктронов излучения; k - импульс фотона; g - переданный кристаллу импульс, равный вектору обратной решетки кристалла; - энергия электрона до излучения; - энергия электрона после излучения; СО - энергия фотон (в системе единиц, где ti энергии , , СО измеряются в еди ницах р р, k, g -в единицах nig с, длины в единицах компто- новских длин волн).

Схема вращений гониометра и формирования излучения показана на фиг, 1, Начало отсчета углов об О, ф О и (i О осуществляют от положения кристалла, когда одна из его главных осей е, направлена вдоль ос пучка электронов, а вторая ось е

перпендикулярна плоскости реакции

.J iK i.k 1, 2, 3). Из . соотношения (1) следует,что в таком случае максимумы интенсивности рентгеновского излучения под углом 6 наблюдают для импульсов отдачи кристаллу, рав- ныз вакторам g, дпя которых g (в7 е7) . О, (g;- (f, ё))о Согласно (1) дпя фиксированных углов oi, , ц, фиксированной энергии электронов . ,фиксированного вектора g получают только одно значение энергии фотона , ДСО - ширина спектра излучения опреде10

невысокая точность определения эн гии электронов не влияет на точно определения энергии монохроматиче ких фотсшов G3 о Точность определе СО получают в основном с помощью т ности измерения углов ф и б и дл указанных выше значения параметров ,0,6 составляетЛСО/О) г 10 -10 Ширина спектра. определяется диф ренцированием вьфажения (3) побц; йСО G3g|, &0. Из динамики процесс следует, что интенсивность в макс муме спектра рентгеновского излуч

ляется исключительно углом захвата кол- 5 ния достигается при значении угла лиматора йО.. Если в качестве мишени использовать монокристалл кремния и выбрать векторы g 111 или g

-г

ч-Э

:220, то при углах Sj,- 10 10- рад; об 0; , ф 10 - рад можно получить максимум излз чения с энергией в интервале 10 - 500 кэВ. Из законов сохранения энергии- импульса (1) вытекает следующая зависимость

-g sin((w(1-cos ©к +

20

lpsQ/2, т.е. при выполнении услови Брегга для излучаемых фотонов. По этому для получения интенсивного и точника излучения угол должны варьировать вблизи значения 6/2.

Выражение -g sinr +gj sinlf пред ставляет скалярное произведение (g, п) в ортогональной системе ко

динат

(е;

25

е), связанной с крист

лом и расположенной так, чтобы е, ло направлено по пучку электронов лежало в плоскости излучения; ( (р при этом являются углами поворо тов кристалла вокруг осей е и е ответственно.

+ 1/25).

(2)

При малых углах ф и . Cj и фиксированных б,( , Q , g и 5. 10 мэВ, зависимость PQ а (ф) очень близка к линейной. Совокупность этих линий для разных векторов образует карту плоскостей кристалла. Поворот кристалла на угол ci приводит к повороту всей карты в плоскости координат tf , Ф как целого. Это дает возможность, контролируя, подобрать такое значение угла, для которого проекция выбранного вектора обратной решетки (g, е) обращается в нуль, при этом линия равного со параллельна оси соответствующей углам Ф. Тогда энергия в максимуме спектра может быть найдена по упрощенному вирианту формулы (2)

-Ф

00

- S-SiBl

7

(3)

1-cos6 4-1/25

где g d - расстояние межд плоскостями в выбранном семействе плоскостей, соответств уюш га; вектору g; flc компт оновская длина волны;

( Д 3-fi-IOсм) и и измеряются

в единк 1,ах кэВ,

Если энергия электронов в настоль1 26

ко велика, что 1 - 2

то

невысокая точность определения энергии электронов не влияет на точность определения энергии монохроматических фотсшов G3 о Точность определения СО получают в основном с помощью точности измерения углов ф и б и для указанных выше значения параметров ,0,6 составляетЛСО/О) г 10 -10 о Ширина спектра. определяется дифференцированием вьфажения (3) побц; ; йСО G3g|, &0. Из динамики процесса следует, что интенсивность в максимуме спектра рентгеновского излуче-

ния достигается при значении угла

lpsQ/2, т.е. при выполнении условия Брегга для излучаемых фотонов. Поэтому для получения интенсивного источника излучения угол должны варьировать вблизи значения 6/2.

Выражение -g sinr +gj sinlf пред- -. ставляет скалярное произведение (g, п) в ортогональной системе координат

(е;

е), связанной с кристал-

лом и расположенной так, чтобы е, было направлено по пучку электронов, а лежало в плоскости излучения; (f , (р при этом являются углами поворотов кристалла вокруг осей е и е соответственно.

Канал формирования излучения фиксируют под произвольным углом

©.

к

направлению пучка электронов в пре м /л гпеС ., (- Делах - 9, -g- (где t - энергия электронов; т - масса электрона; с - скорость света), а в точке пересечения канала с осью пучка электронов устанавливают кристалл так, чтобы проекция вектора обратной решетки кристалла g(g 2 ir Ag/d, где АС 3 861 см, d - межплоскостное расстояние, на направление ка электронов равнялась

/- 1i Q

(S ш;

(1-cos

s

2g2 Ь

и в канале формирования фотоны с заданной энергией ti оз .

50 Возможность создания источника по предлагаемому способу проверена на пучках линейных ускорителей при энергии электронов 24 мэВ и 1200 мэВ. В качестве мишени использ уют мо55 нокристалл кремния толи1иной 240 мкм, плоскость которого (111) перпендикулярна плоскости реакции и составляет угол 8,5° по отношению к направлению пучка электронов. Спектры

излз 1ения измеряются кремний-литиевым детектором с разрешением 230 эВ. Результаты измерений(фиг.2) пока;зывают5 что интенсивность излучения в максимз е, обусловленном параметрическим механизмом излуче- ния (2-й максимум примерно на порядок больше, чем интенсивность ХРИ из того же кристалла - 1-й макси-tO

мум). Калибровка спектрометра с помощью предлагаемого источника сравнивается с калибровкой с помощью стандартных источников. Сравнение приводит к вьшоду, что калибровки полно- 15 стью совпадают, т.е. метод дает возможность задавать абсолютное значение энергии фотонов в максимуме без сравнения с другими эталонами. Аналогичные спектры получены при энергии 20 фотонов 300 кэВ на пучке электронов с энергией 1200 мэВ при угле б , 2ПО рад.

Таким образом, . на пучке электронов с произвольной фиксированной25 энергией б ™6 использовании произвольного монокристалла с известным параметром решетки d предлагае- мьш способ генерации моноэнергети- ческого Направленного рентгеновского 30 излз чения дает возможность плавно пе- - рестраивать энергию источника от 10 кэВ до 1 МэБ путем дискретного изменения угла б к и непрерывного изменения угла Ф ; устанавливать энергию з фотонов в максимуме спектра с точ- ностью ДО /со 10 - 10. При этом точность установки энер- гии фотонов тем выше, чембц WgC , как следует из формулы (3) йСО /со -40 максимально в области мягкого рентгена (требуются пучки электронов с ординарными параметрами; ширина спектра электронов может быть ,05, а расходимость 10 рад)с 45

Предлагаемый способ осуществляет . плавнз то перестройку источника по энергии фотонов путем изменения угла ориентации кристалла . При этом точность перестройки определяетсягг.

соотношением Д / 0 , т.е. точностью гониометра и расходимостью пучка. Соотношение может принимать значения . Такой способ перестройки энергии источника является бо- 5 лее простым н гарантирует более высокую точность. Кроме того, он повышает интенсивность излучения в максимуме спектра путем нара1 (ивания толщины мишеНи. При этом интенсивность в максимуме спектра растет с толщиной кристалла по логарифмическому закону, а ширина пика достигает определенного предела и далее с увеличением толщины кристалла не увеличивается. В отличие от известного способа, где возможно применение кристаллов только с толщинами порядка нескольких микрон, в предлагаемом способе генерации излучения толщины монокристаллической мишени могут достигать достаточно большой величины вплоть до величины порядка сантиметра.

Формула изобретения

7-- к направлению пучка электронов

п (fn| t), о тлич ающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования излучения ti СЛ , повьш1ения степени монохроматичности рентгеновского излучения и понижения вклада непрерьшного фона при понижении требований к качеству электронного , повьштения точности нартройки источника на заданную энергию излучения ti to при упрощении способа перестройки энергии излучения и обеспечения возможности повышения интенсивности излучения пу тем увеличения толщины мишени, канал формирования излучения фиксируют

п ШеС

под произвольным углом :- К

направлению пучка электронов ii (где с энергия электронов; е масса электрона, с - скорость света), а монокристаллическз та мишень устанавливают так, чтобы проекция вектора обратной решетки монокристалла g (|gf , где А 3.861 t10 см, d - межплоскостное расстояние) на направление пучка электронов определялась выражением

со

2 4

UJ , .п Ш с ч

--; (1-cos0,+ -,7 ).

ШрС

151352810

2, Способ по п. 1, отличаю- риация угла поворота монокристалла щ и и с я тем, что, с целью достиже- относительно оси, ортогональной плоения максимальной интенсивности излучения, угол вц и межплоскостное расстояние d выбирают такими, чтобы вакости излучения, осуществлялась при значениях, близких к 6 /2,

woo ,ВКэВ

g

I 500

риация угла поворота монокристалла относительно оси, ортогональной плое

кости излучения, осуществлялась при значениях, близких к 6 /2,

фиг.

ЦЗКэВ