Способ генерации монохроматического направленного рентгеновского излучения

 

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<SB POS="POST">K</SB>(φ/2*22О<SB POS="POST">к</SB>μс<SP POS="POST">2</SP>/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 (ML<SP POS="POST">2</SP> - 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<SB POS="POST">к</SB> и параметр решетки кристалла D выбирают такими, чтобы вариация параметра Ф осуществлялась при значениях Ф ближе к Θ<SB POS="POST">к</SB>/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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 21 G 4/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4227556/24-25 (22) 13.04.87 (46) 07.10,89.,Бюл. № 37 (72) Д.И.Адейшвили, С.В.Блажевич, Г.Л.Бочек, В.И.Кулибаба, В.П.Лапко, В.Л.Мороховский, Г.Л.Фурсов и А.В.Щагин (53) 621.386.12(088.8) (56) Datz S et а1. Electron and position planar channeling Radiation

from Diamond. — Phys. Lett., v.96 А, 1983, № 6, р. 314 °

Адищев И.Н. и др. Энергетическая зависимость параметрического (квазичеренковского) излучения электронов в монокристалле алмаза. — Известия вузов . Физика, Томск, 1986, с. 14. (54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕННОГО РЕНТГЕНОВСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ (57) 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 у от мягкого рентгена до мягкого.,Т— излучения, повышение степени монохроматичности рентгеновского излу„SU„„513528 А1

2 чения 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 павьш ения интенсивности излучения путем увел учения толщины мишени. Канал формирования излучения фиксируют под углом g,, (7/24ршс /Я) к направлению пучка элекгронов, 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 (me — энергия покоя электроZ на, C — 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 k и параметр решетки кристалла d выбирают такими, чтобы вариация параметра @ осуществлялась при значениях Р ближе к 8 /2, При этом возникают условия необходи-, мые для возбуждения пучком электронов в кристалле состояния электромагнитного поля в периодически неоднородной среде, именуемого пендслезунroM (термин пенделезунг введен

Эвальдом при описании дифракции рентгеновского излучения в кристаллах), 1513528 причем механизм излучения является тормозным. Кроме указанных свойств, Изобретение относится к технике генерирования ран ггеновского направленного излучения и может быть использовано в рентгеновской спектрометрии для селективного возбуждения атомных и ядерных уровней, для структурного анализа вещества, калибровки рентгеновской спектрометрической аппаратуры. !5

Цель изобретения — расширение диапазона .регулирования энергий излучения h р от мягкого рентгена до мягкого -излучения; повышение степашин монохроматичности рентгеновского из- 2р лучения и понижение вклада непрерывного фона при одновременном существенном понижении требований к качеству электронного пучка — ширине спектра и расходимости, повышение 25 точности настройки источника на заданную энергию излучения fi(g при одновременном упрощении способа перестройки источника по энергии фотонов (энергии излучения); обеспечение воз- 30 можности повышения интенсивности излучения путем увеличения толщины мишени, а также достижение максимальной интенсивности излучения °

На Аиг. 1 показана схема эксперимента; на Аиг. 2 — измеренный спектр излучения для случая, когда энергия электронов E = 24 мэВ, а угол излучения 8„= 17 .

На схеме изображены гониометр 1, 40 отклоняющий магнит 2, Аотонные коллиматоры 3 и полупроводниковый рентгеновский спектрометр 4.

Пусть мы имеем монокристалл хороше" го качества. (вещество не имеет значения), который вырезан так, что представляет собой пластинку, плотность которой близка к кристаллографической плоскости кристалла с низкими индексами МиллеРа. Монокристаллическую пластинку помещают в гониометр с тремя ортогональными осями

1 вращения. Гониометр помещают в ваку

„.мную камеру ускорителя электронов так, чтобы одна из осей вращения была направлена вдоль оси пучка релятивистских электронов. При этом монокристаллическая пластинка располагается перпендикулярно направлению излучение является линейно поляризованным. 1 s.ï.ф-лы, 2 ил. пучка. Направление потока излучения, генерируемого ускоренными электронами в кристалле, задается системой коллиметров, создающих канал коллимирования под углом 6 к направлению падающего на кристалл пучка электронов (Т/2 > О„ъ О) . 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 пучка электронов, ф — угол поворота кристалла вокруг оси, ортогональной плоскости реакции; (— угол поворота кристалла вокруг третьей оси гониометра, ортогональной направлению пучка электронов и параллельной плоскости реакции.

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

Р =P+ +8 (1)

F= K +Q где р — импульс электронов до излу— У ( чения; р — импульс электронов после излучения; k — импульс фотона; g— переданный кристаллу импульс, равный вектору обратной решетки кристалла; E. — энергия электрона до излучения; C. - энергия электрона после излучения; Π— энергия фотона (в системе единиц, где 6 = с=тп =1 энергии F E. сд измеряются в еди— У! -+ ницах тп с; Р, Р,, g — в единицах m с, длины в единицах комптоновских длин воля).

Схема вращений гониометра и Аормирования излучения показана на фиг, 1. Начало отсчета углов oC = О, тР = 0 и ч = О осуществляют от положения кристалла, когда одна из его

Ф главных осей е направлена вдоль оси пучка электронов, а вторая ось е

5 15135 перпендикулярна плоскости реакции ((е,, е„) =3;к, ik =1, 2, 3). Из. соотношения (1) следует,что в таком случае максимумыинтенсивности рентгенов5 ского излучения под углом О,с наблюдают для импульсов отдачи кристаллу, равных векторам g, для которых g„

=(g, е,),= О, (g; = (g, е;)). Согла,сно (1) для фиксированных углов о, Р, фиксированной энергии электронов

Э

«Ф :, фиксированного вектора g получают только одно значение энергии фотонами, ф Я вЂ” ширина спектра излучения определяется исключительно углом захвата кол- 15 лиматора ЬВ . Если в качестве мишени использовать монокристалл кремния и выбрать векторы g = (111) или g

=(220), то при углах В = 10

10 рад, Ы, = О; 10 з Р, 4+10 рад 20 можно получить максимум излучения с энергией в интервале 10 — 500 кэВ.

Из законов сохранения энергииимпульса (1) вытекает следующая зависимость: 25

s in@+ 8 sing=0(1-cas 8< +

+ 1/2с ). (2)

При малых углах Р и g и фиксиро-э. 30 ванных О„, ы, g u E 10 мэВ, зависимость Ю = P (ф очень близка к линейной. Совокупность этих линий для pa3HbIx векторов g образует "Карту" плоскостей кристалла. Поворот кристалла на угол Ы приводит к пово- 35 роту всей карты в плоскости координат g, Р как целого. Это дает возможность, контролируя, подобрать такое значение угла, для которого проекция выбранного вектора обратной 4О решетки (g, е ) обращается в нуль, при этом линия равного Я параллель-. на оси соответствующей углам У . Тогда энергия в максимуме спектра может быть найдена по упрощенному вирианту 45 формулы (2) т1 = P ", (3)

- Ф

1-cosgÄ+1/2К

50 где g = 2 ii % /d; d — расстояние между плоскостями в выбранном семействе плоскостей, соответствующих вектору

g h — комптоновская длина волны; .С (с 3 " 10 см) И и Е измеряются 55 в едтпти,ах m с — 511 кэВ.

Если энергия электронов Я настоль1 ко велика, что 1 — cosgg» —.-, то

28 невысокая точность определения энергии электронов не влияет на точность определения энергии монохроматических фотанов т,1 . Точность определения

И получают в основном с помощью точности измерения углов ф и Q,с и для указанных выше значения параметров

Р,О„, Р составляетЬсд /Сд = 10 -10

Ширйна спектра.ЬЯ определяется дифференцированием выражения (3) по 0 <, 1

gg =Ю gÄ 60 . Из динамики процесса следует, что интенсивность в максимуме спектра рентгеновского излучения достигается при значении угла

9=6/2, т.е. при выполнении условия

Брегга для излучаемых фотонов. Поэтому для получения интенсивного источника излучения угол Р должны варьировать вблизи значения B/2.

Выражение -д з1пl+g> sin 4 представляет скалярное произведение (g и) в ортогональной системе коорФ динат (е;, е„), связанной с кристал— Ъ лом и расположенной так., чтобы е „было направлено по пучку электронов, а е лежало в плоскости излучения; (т), Р при этом являются углами поворо— э тов кристалла вокруг осей е и е> соответственно.

Канал AopMHpoBRHHH Hsn eHHH AHKсируют под произвольным углом О с к направлению пучка электронов в пре2

ЯеС делах — ) О, — с — (где с .- — энер2 " E гия электронов; m — 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 ii e/d, где

11

9 с =3 861 ° 10 см, d — межтлоскостное расстояние, на направление пучка электронов равнялась

-+ — Я тп с

4 (g и)= (1-cos 0 + — — ) э mс2 2 Я 2 .е и в канале формирования получают фотоны с заданной энергией h D .

Возможность создания источника по предлагаемому способу проверена на пучках линейных ускорителей при энергии электронов 24 мэВ и 1200 мэВ.

В качестве мишени используют монокристалл кремния толщиной 240 мкм, плоскость которого (111) перпендикулярна плоскости реакции и составляет угол 8,5 по отношению к на— а правлению пучка электронов. Сттектры

1513528 излучения измеряются кремний-литиевым детектором с разрешением

230 эВ. Результаты измерений(фиг.2) показывают, что интенсивность излучения в максимке, обусловленном

5 параметрическим механизмом излуче1 ния (2-й максимум примерно на порядок больше, чем интенсивность ХРИ из того же кристалла — 1-й макси- 10 мум). Калибровка спектрометра с помощью предлагаемого источника сравнивается с калибровкой с помощью стандартных источников. Сравнение приводит к выводу, чтр 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 t200 мэВ при угле 8

= 2 ° 10 рад.

Таким образом, на пучке электронов с произвольной фиксированной 25 энергией . > ш с при использовании произвольного монокристалла с известным параметром решетки d предлагаемый способ генерации моноэнергетического направленного рентгеновского 30 излучения дает возможность плавно перестраивать энергию источника от

10 кэВ до 1 МэВ путем дискретного из-! менения угла 8 к и непрерывного изме-!, нения угла Ф; устанавливать энергию

1 фотонов в максимуме спектра с точностью hQ /а =10 — 10

При этом точность установки энергии фотонов тем выше, чем 8 ) m с /, как следует из формулы (3) bM /сд — pp максимально в области мягкого рентгена (требуются пучки электронов с ординарными параметрами; ширина спектра электронов может быть AE 0=0,05, а расходимость = 10 рад) .

-з

Предлагаемый способ осуществляет .плавную перестройку источника по энергии фотонов путем изменения угла ориентации кристалла Р . При этом точность перестройки определяется соотношением Ь @ / Ф, т. е. точностью гониометра и расходимостью пучка.

Соотношение А Р /Р может принимать значения 10 -10 . Такой способ перест-Ъ -б ройки энергии источника является более простыми гарантирует более высокую точность. Кроме того, он повышает интенсивность излучения в максимуме спектра путем наращивания 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

1 ° Способ генерации монохроматического направленного рентгеновского излучения, основанный на взаимодействии пучка ускоренных электронов с монокристаллической мишенью и расположении канала формирования рентге-.-. новского излучения под углом 9к(II (- к направлению пучка электронов

2 п ((й = 1.), о тлич а ющийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования излучения Q повышения степени монохроматичности рентгеновского излучения и понижения вклада непрерывного фона при понижении требований к качеству электронного пучка, повышения точности настройки источника на заданную энергию излучения у при упрощении способа перестройки энергии излучения и обеспечения возможности повышения интенсивности излучения путем увеличения толщины мишени, канал формирования излучения фиксируют

m c под произвольным углом В

k Я направлению пучка электронов и (где

Я вЂ” энергия электронов; m — масса электрона, с — скорость света), а монокристаллическую мишень устанавливают так, чтобы проекция вектора обратной решетки монокристалла

g (!gJ = 2н Л /d, где Л = 3 ° 861

« 10 н см, d — межплоскостное расстояние) на направление пучка электронов определялась выражением — сд

m c

2 4 (g,n) = ---- (1-I"os6 + — — ) . ш с2

-е к 2 с ° (151 3528 1О

2. Способ по п. 1, о т л и ч à io- риация угла Ф поворота монокристалла шийся тем, что, с целью достиже- относительно оси, ортогональной плосния максимальной интенсивности излу- кости излучения, осуществлялась при чения, угол д „ и межплоскостное рас- значениях, близких к 8 Ä /2. стояние d выбирают такими, чтобы ва733<уо беппо

Ь

500

ГОО

ФОО

Щг2

600 ЮО

Номер канала