Способ определения интенсивности мягкого рентгеновского излучения импульсного источника и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК G01T1/16 H01J39/34 

Изобретение относится к измерению потоков мягкого рентгеновского излучения импульсных источников.

Известны способы измерения пото- 5 ков мягкого рентгеновского излучения, основанные на фотоэлектрическом и фотохимическом действиях света ij .

Один из способов, основанный на фотоэлектрическом действии света, to состоит в том, что исследуемый пучок фотонов направляют на твердую мишень, собирают эмиттируекые из мишени фотоэлектроны с помощью специального электрода и измеряют ток этих фото- и электронов.

Другой способ состоит в том, что исследуемый пучок фотонов направляют в объем газовой мишенн, собирают ионы и измеряют их электрический ток,JQ

Третий способ состоит в том, что исследуемый пучок фотонов направляют на мишень, выполненную из полупроводникового материала, обеспечивают перемещение создавшихся электронно- 25 дырочных пар в электрическом поле и измеряют полученный электрический ток.

Способ, основанный на фотохимическом действии света заключается в JQ

том, что исследуемой пучок фотонов направляют на фотографическую пластинку и по степени ее почернения судят об интенсивности пучка.

Недостатком этих способов является то, что они обеспечивают относительное измерение потока мягкого, рентгеновского излучения.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является способ определения интенсивности мягкого рентгеновского излучения импульсного источника, заключающийся в ионизации газовой мишени путем пропускания фотонов через газовую ми- шень пространственном разделении ионов с различными зарядами по времени пролета, регистрации ионов с зарядом п путем измерения относительной величины отвечающего им электрического сигнала на выходе детектора ионов повторной ионизации упомянутой мишенн пучком моноэнергетических электронов известной интенсивности спустя , интервал времени, в течениекоторого сохраняются условия образования и регистрации ионов, пространственном разделении вновь полученных ионов с эазличными зарядами по времени пролета, регистрации ионов с тем же зарядом п путём измерения относительной величины отвечающего им электрического сигнала на выходе детектора ионов 23 .

Недостатком известного способа является то, что он применим только для монохроматического излучения или немонохроматического излучения с известной функцией спектрального распределения. Однако лишь для одного из современных источников мягкого рентгеновского излучения - синхротрона - такая функция известна. Для всех других источников, в частности лазерной плазмы, распределение излучения в спектре заранее неизвестно.

При монохроматизации мягкого рент теновского излучения, во-первых, теряется значительная часТь потока фотонов (коэффициент пропускания рентгеновского монохроматора составляет величину порядка 10 - 10 , что ограничивает применение способа на уровне интенсивности источника . 10 - 17 фот-Х срТ -ими , во-вторых возникает необходимость применения монохроматора и определения его коэффициента пропускания, что усложняет постановку эксперимента и вносит дополнительную ошибку в окончательный результат.

В итоге для многих лабораторных импульсных источников мягкого рентгеновского излучения, обладающего непрерывным спектром, применение известного способа затруднено.

Известный способ осуществлен в устройстве tlj, принятом за прототип содержащем времяпролетный масс-спектрометр с ионизационной камерой и .электронной пушкой, снабженной диафрагмой с одним отверстием, и диафрагму, коллимируюилую исследуемый пучок фотонов.

Такое .устройство обеспечивает в мягкой рентгеновской области спектра измерение потока только монохроматического излучения

Целью изобретения является определение интенсивности мягкого рентгеновского излучения импульсного источника, -испускающего немоиохроматизированный поток фотонов, в интервале энергий/ ограниченном потенциалами ионизации К-оболочек элементов с вПиэ,кими атомными номерами.

Доставленная цель достигается тем, что из исследуемого пучка фотонов выделяют два пространственно разделенных пучка с одинаковым поперечным сечением и каждый из них пропускают через один из фильтров А и Б, составляющих пару сбалансированных фильтров (фильтров Росса), отве;чающую выбранному интервалу энергий ; и)д -U5g и осуществляют фотоиониэацию атомов мишени в двух ее пространственных областях VA и V5, причем повторную ионизацию атомов мишени производят в тех же областях двумя одинаковыми пучками электронов. Выделение и регистрацию ионов с зарядом п, появляющихся в газовой мишени как после первой, так и после второй ионизации, производят раздельно для каждой из областей Уд и Vg с задержкой, не превышающей времени жизни ионЪв с данным зарядом в области ионизации. При этом на выходе детектора ионов измеряют относительные величины сигналов Ltp/v и ионрв, образованных соответственно фотонами и электронами в области V, ионов, образованных соответственно фотонами и электронами в области Vg. Затем находят число фотонов с энергиями в интервале прошедших через поперечное сечение первичного пучка, по следующей зависимости:

п „., I Уэл

)|и

ифв

ФлЦаь

NH

. ЪфСи)) TCU3) иэл гдеЪэ(Е) - сечение образования ионов с зарядом п электрона.ми с энергией Е, равной энергии электронов, прошедших

---через газовую мишень;

ЬфСи) - среднее в интервале ( сечение образования тех же ионов фотонами;

N - число прошедших через га9зовую мишень электронов

. в каждом из двух пучков,

Т (и)) - средняя в интервале разность коэффициентов пропускания фильтров; t - отношение площади поперечного сечения исследуемого пучка фотонов к площади поперечного сечения одног из выделенных пучков. На чертеже показано устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит времяпролетный масс-спектрометр с ионизационной камерой, ограниченной электрода,ми 1 и 2; электронную пушку, снабженную диафрагмой 3 с двумя одинаковыми отверстиями, электродом 4 и детектором 5 ионов; диафрагму б пучка фотонов, имеющую два таких, же одинаковых отверстия, закрытые фольгами А и В, составляющими пару сбалансированных фильтров, и дополнительный электрод 7, расположенный между электродами 1 и 2 ионизационной камеры параллельно их плоскостям и выполненный в виде сетки.

Устройство работает следующим образом.

Диафрагмой б выделяют из исследуемого пучка фотонов два пространственно разделенных пучка и пропускают их через фильт;ры А и Б, отвечающие интервгшу энергий td/n - а) . Далее пучки направляют в ионизационную камеру времяпролетного масс-спектрометра. Пучком, прошедшим через фильт ,А, осуществляют ионизацию газовой мишени Б области Уд, заключенной между электродами 1 и 7, а пучком, .прошедшим через фильтр Б, ионизируют мишень в области Vg между электродам 2 и 7. После окончания фотоионизациипроизводят выталкивание ионов, образованных в областях VA и Vg,, в ускоряющий промежуток - пространство между электродами 2 и 4. С помощью дополнительного электрода 7 эту операцию осуществляют раздельно для областей Уд и Vg . Вследствие того, что ионы из области Vg выталкивают в ускоряющий промежуток между электродам 2 и 4 с временной задержкой по отношению к ионам из области Уд, , все пог следукядие операции с ионами из области Vg (ускорение между электродами 2 и 4,пространственное разделение ионов различной кратности по времени пролета в эквипотенциальном пространстве между электродом 4 и детектором 5 ионов и регистрацию ионов с зарядом п) выполняют с такой же временной задержкой, В результате этого электрический сигнал величиной Иф на выходе детектора 5, отвечающий ионам с зарядом п из области Vp, , запаздывает на время t относительно аналогичного сигнала ифдот таких же ионов из области Уд . Так как длительность каждого сигнала не превосходит 50 НС, а величина t - порядка микросекунды, сигналы ифди ифцхорошо разделены во времени. Их величины измеряют в относительных единицах. Спустя интервал времени t после фотоионизации газовой мишени, в течение которого сохраняются условия образования и регистрации ионов, производят повторную ионизацию газовой мишени в областях Уд и У двумя одинаковыми пучками электронов известной интенсивности, также при отсутствии электрического поля в камере. Пучки электронов создают электронной пушкой, снабженной диафрагмой 3 с двумя одинаковыми отверстиями. Все операции с ионами, вновь созданными в областях Уд и УЗ, выполняют так же как операции с ионами после фотоионизации газовой мишени. В результате этих операций на выходе детектора 5 появляются электрические сигналы УЭД и Ujg, отвечающие ионам с зарядом п, созданным соответственно в областях Уд и У . Эти сигналы измеряют в относительных единицах. Данные измерений сигналов ифА, 1, УЭД и Ugg используют для определения числа фотонов в исследуемом пучке с энергиями в интервале по приведенной зависимости.

Пример. Измеряют величину потока фотонов из лазерной плазмы с энергиями -в интервале 4,9565,464 кэВ при длительности импульса 20 НС. Указанный спектральный интервал выделяют с помощью пары сбалансированных фильтров -из ванадия и титана, имеющих толщины соответственно 12,2 и 19,3 мкм. Средний в этом спектральном интервале коэффициент пропускания ванадиевого . фильтра равен 0,53, титанового 0,002.

Расстояние между электродами 1 и 7, 7 и 2 составляет 5 мм. Проoпускавшиеся через газовую мишень пучки имеют поперечное сечение размером 0, мм, расстояние между ними 1,5 мм.

Ионизационную камеру заполняют

5 неоном при давлении 510 мм рт.ст. Регистрируют ионы с зарядом два. Среднее в выбранном спектральном интервале сечение двукратной фотоионизации неона равно 2/1 .

0 Параметры двойного электронного пучка следуквдие: ток в каждом пучке 5 мА, энергия электронов 500 эВ, длительность импульса 20 не. Сечение двукратной ионизации неона электронами с такой энергией равно

5 1,86-10 ®см.

Вторую группу ионов вытсшкивают из ионизационной камеры с задержкой 0,2 МКС. Пиковые значения сигналов с выхода детектора ионов, измеренные

0 в относительных единицах осциллографическим способом, равны: ифд t.Z; ифб 3.1; иэА 7,5; .6.7. Длительность каждого из этих сигналов составляет 25 не. на уровне половины

5 пикового значения.

Отношение площади поперечного сечения первичного пучка к площади сечения одного из выделенных пучков равно 4..

0

В результате, по вышеприведенной зависимости определяют искомую величину потока в первичном пучке

Нф (1, 1±.0 ,1) 10° фот- А . ср.1- имп1

5

Предлагаемый способ определения интенсивности мягкого рентгеновского излучения импульсного источника и устройство для его осуществления позволяет производить измерения в йыбранном спектральном интервале в поOтоке немонохроматизированного излу чения.

Особенно эффективно предлагаемые способ и устройство могут быть использованы, при исследовании лазерной

5 плазмы и плазмы, создаваемой релятивистким пучком электронов в работах по управляемому термоядерному синтезу.

Формула изобретения

0

1. Способ определения интенсивности мягкого рентгеновского излучения импульсного источника, заключающийся в ионизации газовой мишени путем пропускания фотонов через га5зовую мишень, пространственном разделении ионов с paзличныгvlи зарядами по временя пролета, регистрации ионов с зарядом п путем измерения относительной величины отвечающего им электрического сигнала на выходе детектора ионов, повторной ионизации упомянутой мишени пучком моноэнергетических электронов известной интенсивности спустя интервал времени, в течение которого сохраняются условия образования и регистрации ионов, пространственном разделении вновь полученных ионов с различными зарядами по времени пролета, регистрации ионов с тем же зарядом п путем измерения относительной величины отвечающего им электрического сигнала на выходе детектора ионов, отличающийся тем, что, с целью определения интенсивности излучения источника, испускающего неонохроматизированный поток фотонов, в интервале энергий, ограниченном потенциалам ионизации К-оболочек элементов с близкими атомными HOMepaj-m, выделяют из исследуемого пучка фотонов два пространственно разделенных пучка с одинаковым поперечным сечением, пропускают каждый из них через один из фильтров А и Б, составляющих пару сбалансированных фильтров, отвечающих выбранному интервсшу энергий - , и осуществляют фотоионизацию мишени в двух ее пространственных областях Уд и Vg, и повторную ионизацию мишени производят в тех же областях двумя одинаковыми пучкам электронов, а операции с ионами как после первой,так и после второй ионизации мишени выполняют раздельно для каждой из областей с задержкой, не превышающей времени жизни ионов с зарядом п в области ионизации, а число фотонов Nq, с энергиями в интервале (Од - Wg , прошедших через поперечное сечение исследуемого пучка, определяют по следующей зависимости:

УЕ)Ыэ1иф,,

Мф

ЪфМ T(U))

ЭА

где Ъ(Б)- сечение образования ионов с зарядом п электронами с энергией Е, равной энергии электронов, проыедших через газовую мишень;

Klu среднее в интервсше (А 4 | сечение образования тех же ионов фотонами;

ифА.Чд величины сигналов на выходе .Детектора ионов, отвечающих ионам, образоэанны соответственно фотонами и эЛектронами в области

фб.Эб величины аналогичных сигналов для области Vg/ N число прошедших через газовую мишень электронов в каждом из пучков;

Т(ю) средняя в интервале разность коэффициентов пропускания фильтров/ К - отношение площади поперечного сечения исследуемого пучка фотонов к площади поперечного сечения одног из выделенных пучков.

2. Устройство для осуществления способа по п,1, содержсвдее времяпролетный масс-спектрометр с ионизадионной камерой и электронной пушкой, снабженной диафрагмой, и диафрагму, коллимирующую исследуемый пучок фотонов, отличающееся тем, что диафрагма электронной пушки выполнена с двумя одинаковыми отверстия;ми, диафрагма пучка фотонов имеет два таких же одинаковых отверстия, закрытые фольгами, составляющими пару сбалансированных фильтров, а между электродами ионизгщионной камеры, параллельно их плоскостям, расположен дополнительный электрод, выполненньлй в виде сетки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Samson I.A.R., Technigues of VacuuraiU)t rav i olet Spectroscopy,

New-Jork, Wiley, 1967.

2.Авторское свидетельство СССР №519663, кл. 6 01 Т 1/16, 1976.

Л.Л