Рентгеновский поляриметр

 

Сущность изобретения: поляриметр содержит полупроводниковый рентгеновский конвертер и блок регистрации и обработки данных. Конвертор выполнен в виде стопы фотоэлементов, составленных из чередующихся полупроводника и металла, с толщиной каждого слоя порядка длины пробега первичных фотоэлектронов, генерируемых при поглощении в полупроводнике направленного вдоль слоев пучка рентгеновских фотонов, причем эффективный атомный номер полупроводника много больше атомного номера металла. Амплитуда регистрируемых сигналов конвертора зависит от степени поляризации рентгеновского излучения и от величины азимутального угла между плоскостью поляризации и плоскостями слоев конвертора, что позволяет по измеренной степени анизотропии распределения амплитуд сигналов, используя калибровочные данные, определить степень и направление поляризации. Изобретение может быть использовано для диагностики сверхгорячей, в том числе термоядерной, неравновесной и неоднородной плазмы в лабораторных, натурных и астрофизических экспериментах.1ил.

Изобретение относится к технике измерения линейной поляризации рентгеновского излучения "классического" диапазона энергией фотонов 10-100 кэВ и может быть использовано для диагностики сверхгорячей, в том числе термоядерной, неравновесной и неоднородной плазмы в лабораторных и астрофизических экспериментах.

Известны рентгеновские поляриметры, работающие в указанном диапазоне энергий, в которых используется азимутальная анизотропия томсоновского рассеяния поляризованного рентгеновского излучения (см. И.Тиндо и др.Рентгеновский поляриметр для исследования солнечных вспышек (Кратк. сообщ. по физ. (ФИАН), 1970, N 7, с.15), Tindo et al. Rontgenpolarimeter vonInterkosmos-7" fur die Untersuchung von Strahlung der Sonneneruptionen:(Radio- Fernsechen-Elektronik, 1974, 23, 18)). Основным элементом в этих устройствах является рассеиватель рентгеновского излучения, выполненный из материала с малым эффективным атомным номером и, соответственно, с малым сечением фотопоглощения рентгеновских фонов, например из лития, бериллия, графита, гидрида лития. Вокруг рассеивателя установлены фотоэлектрические приемники, измеряющие интенсивность потоков рентгеновских фотонов, рассеянных на угол около 90^o под различными азимутальными углами. Для исключения возможных систематических ошибок определения поляризации, связанных с различием эффективностей отдельных фотоэлектрических приемников, в ряде конструкций томсоновских поляриметров детектор поляризации рассеиватель с фотоэлектрическими приемниками размещают на поворотном или вращающемся приводе (либо вращают весь поляриметр).

При энергиях фотонов, больших 40-50 кэВ, возможно также применение поляриметров комптоновского типа (см. G.Chanan et al. Prospect for solar flare X-ray polarimetry (Sol.Phys. 1988, 118, N 1/2, 309). В этих приборах, помимо интенсивности анизотропно рассеянного рентгеновского излучения, регистрируют также электроны отдачи, что позволяет с помощью схемы совпадений резко снизить фон проникающей радиации и тем самым повысить чувствительность измерений поляризации. В комптоновских поляриметрах рассеиватель выполнен из сцинтиллирующего пластика. Сцинтилляции, вызванные электронами отдачи, регистрируются фотоумножителем.

Основными недостатками томсоновских и комптоновских поляриметров являются их низкая абсолютная эффективность, обусловленная неблагоприятной геометрией рассеяния при типичном соотношении сечений рассеяния и поглощения в "классической" области энергией, а также невозможность получения информации о пространственном распределении поляризации в источнике излучения (например, в области солнечной вспышки).

Наиболее близким к предлагаемому является рентгеновский поляриметр, принятый за прототип, предложенный Н.Tsunemi и др. (Detection of X-ray polarisation with a charge coupled device/NIM, 1992, A321, 629/), основанный на использовании метода измерения азимутальной асимметрии распределения зарядных треков, возникающих в полупроводнике при пролете первичных фотоэлектронов, генерируемых при поглощении в нем поляризованного рентгеновского излучения. В описываемом приборе анализируемый поток рентгеновских фотонов с энергией 15-37 кэВ направляют на фотоэлектрический конвертор двумерную ПЗС-фотоматрицу с размером элементов (пикселей), сравнимым с длиной пробега в кремнии первичных фотоэлектронов (при данной энергии фотонов). При этом можно ожидать, что для части событий поглощения рентгеновского фотона сигнал будет зарегистрирован не в одном, а одновременно в двух (или нескольких при достаточно малом размере элементов) пикселях, расположенных вдоль трека фотоэлектрона. Действительно, авторами наблюдалась некоторая азимутальная асимметрия парных событий, обусловленная преимущественной ориентации треков в направлении электрического вектора падающих на ПЗС-матрицу поляризованных рентгеновских фотонов.

Основным недостатком устройства-прототипа является низкая эффективность регистрации рентгеновских фотонов, связанная с весьма неблагоприятным соотношением длин пробега в веществе рентгеновских фотонов и генерируемых ими первичных фотоэлектронов (соответственно, миллиметры и сантиметры по сравнению с микронами). В результате, конвертор использует ничтожную часть энергии подающего рентгеновского потока ту, что поглощается в активном слое ПЗС-матрицы (толщиной в несколько микрон). В цитируемой работе получена также крайне низкая поляризационная чувствительность, а именно при регистрации рентгеновского излучения со степенью поляризации в 60-75% величина азимутальной асимметрии парных событий (фактор поляризационной модуляции составила, в зависимости от энергии, от 1 до 5% Столь малый поляризационный эффект, по-видимому, обусловлен слишком большим по сравнению с пробегом фотоэлектронов размером пикселей ПЗС-матрицы 12х12 мкм².

Цель изобретения повышение эффективности и чувствительности поляриметра в широком диапазоне энергией фотонов 10-100 кэВ.

Для этого предлагается устройство, включающее в себя соединенные между собой конвертор и блок регистрации и обработки данных. При этом конвертор выполнен в виде чередующихся слоев полупроводника и металла, образующих набор фотоэлементов "металл полупроводник металл" с толщиной каждого слоя порядка длины пробега первичных фотоэлектронов, генерируемых в полупроводнике при поглощении рентгеновских фотонов, распространяющихся вдоль слоев конвертора, причем эффективный атомный номер Z_эфф материала полупроводника больше атомного номера Z металла, а размер конвертора в направлении по оси рентгеновского пучка соответствует толще для рентгеновского излучения порядка и больше единицы.

Сущность изобретения состоит в том, что амплитуда сигнала при поглощении в конверторе рентгеновского фотона зависит от направления трека генерируемого при этом фотоэлектрона направлен ли он вдоль или поперек слоев.

В зависимости от направления трека фотоэлектрона большая или меньшая его часть приходится на распространение в полупроводнике и, соответственно, металле. При этом регистрируются сигналы, большие или меньшие по величине (амплитуде), что позволяет определить степень и направление поляризации. При этом конвертор может иметь толщину, соответствующую его оптической толще в направлении распространения рентгеновских лучей, порядка и более единицы. В результате, одновременно в полной мере выявляется анизотропия в распределении треков и эффективно используется основная часть энергии излучения. Светосила устройства определяется площадью переднего торца конвертора и может быть сделана достаточно большой при использовании большого числа элементов.

При несоблюдении вышеперечисленных требований чувствительность и эффективность поляриметра снижаются. Так, при использовании слоев полупроводника толщиной больше длины свободного пробега фотоэлектронов снижается величина фактора модуляции, так как при этом амплитуда сигналов от фотоэлектронов, распространяющихся поперек слоев, сравнивается с амплитудой от электронов, распространяющихся вдоль слоев. Увеличение толщины слоев металла снижает среднюю эффективность конвертора. Изготовление металлических слоев с атомным номеров Z>Z_эфф полупроводника также приводит к добавочному неэффективному поглощению рентгеновского излучения.

Предлагаемое устройство представлено на чертеже.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения: hν анализируемый поток рентгеновского излучения; р трек фотоэлектрона, идущий вдоль слоя конвертора; s трек фотоэлектрона, идущий поперек слоев конвертора; 1 - конвертор, узел, в котором при поглощении рентгеновских фотонов генерируются электрические сигналы; 2 блок регистрации и обработки данных (узел, в котором сигналы регистрируются, производится их предварительная обработка от вычитания фона до сравнения с калибровочными данными с целью определения величины и направления поляризации по результатам измерений); 3 поворотный или вращающийся привод; 4 слой полупроводника, в котором преимущественно поглощаются рентгеновские фотоны и при пролете фотоэлектронов генерируется электрический сигнал (заряд); 5 слой металла, в котором поглощение рентгеновских фотонов мало и при пролете фотоэлектрона сигнал не генерируется.

Устройство содержит конвертор 1, соединенный с блоком регистрации и обработки данных 2. В зависимости от конкретного метода измерения азимутальной асимметрии распределения треков конвертор может быть установлен на поворотном или вращающемся приводе 3.

Конвертор 1 составлен из слоев активного вещества полупроводника 4 с большим эффективным атомным номером Z_эфф' например Ge, Pds, Cds (Cu, Cl), и пассивного вещества металла 5 с малым атомным номером z, например алюминия.

Толщина каждого слоя полупроводника 4 в конверторе, также как и каждого слоя металла 5 порядка средней длины пробега первичного фотоэлектрона при данной энергии рентгеновского фотона. Толщина активного и пассивного слоев - параметры, подлежащие расчетной оптимизации при конструировании конвертора. В частности, при работе в широком интервале энергий фотонов возможно использование нескольких, установленных последовательно по ходу лучей, конверторов с различной толщиной слоев. При этом в первых, тонкослойных, конверторах поглощается преимущественно наиболее мягкая часть излучения (с меньшими энергиями). В последних конверторах поглощаются наиболее жесткие компоненты излучения. Соответственно, здесь устанавливают конвертор, рассчитанный на максимальные пробеги фотоэлектронов.

В зависимости от решаемой задачи измеряют сигналы от каждого поглощенного фотона или сигналы, усредненные по времени. Как правило, импульсная схема позволяет получить более высокую чувствительность, так как в этом случае с помощью схемы совпадения может быть снижена скорость счета фоновых импульсов, а в некоторых вариантах конструкции также за счет более крутой поляризованной кривой. Одновременно здесь может быть получена (из распределения амплитуд) информация о спектральной зависимости поляризации.

При измерении азимутальной асимметрии распределения амплитуд сигналов конвертора обычно используют один из двух методов: устанавливают несколько конверторов, развернутых под различными азимутальными углами (например, 60, 90^o); устанавливают конвертор на поворотном или вращающемся приводе (вращаться может также блок датчиков прибора целиком). Последний метод позволяет также надежно исключить систематические ошибки при измерении поляризации, связанные с возможным неравенством эффективностей отдельных конверторов.

При необходимости исследовать также пространственное распределение поляризации в источнике излучения его рентгеновское изображение, полученное с помощью внешней телескопической системы, фокусируют на конвертор и регистрируют по отдельности сигналы от слоев конвертора (могут использоваться также рентгено-оптические системы с кодированной маской, модуляционные коллиматоры различных типов и др.). При использовании описываемого полупроводникового конвертора непосредственно может быть зарегистрирована только одномерная свертка изображения источника.

Устройство работает следующим образом. Анализируемый рентгеновский поток hν направляют на передний торец конвертора I, в направлении вдоль слоев. При поглощении рентгеновского фотона в слое полупроводника 4 генерируется энергичный фотоэлектрон, вдоль трека которого происходит ионизация вещества с образованием свободных зарядов. Под действием разности потенциалов, приложенной к металлическим слоям 5 на границе полупроводника, заряды собираются на электродах, поступают на блок регистрации и обработки данных 2. Составляются величины сигналов, полученных при азимутальных разворотах конвертора или от нескольких конверторов, установленных под различными азимутальными углами, определяется величина и направление азимутальной асимметрии и по ней, используя также калибровочные данные, вычисляют степень поляризации и позиционный угол плоскости поляризации.

Пример. Ламинарный полупроводниковый конвертор, состоящий из 2500 элементов с размерами 10х1 мм² (поперечное сечение пакета, составленного из этих элементов 10х10 мм²). Каждый элемент представляет собой слой фоточувствительного полупроводника активированного сернистого кадмия Сds(Cu,Cl) толщиной 2 мкм, нанесенный на подложку алюминиевую фольгу толщиной 2 мкм. При энергии пучка рентгеновских фотонов с Е 20 кэВ расчетная величина фактора поляризационной модуляции М составила ≥50% (при данной энергии указанная выше толщина слоев соответствует 0,5·l_o длины пробега фотоэлектронов).

Как показывает приведенный пример, предлагаемое устройство существенно превосходит прототип по величине фактора поляризационной модуляции М и, естественно, также по эффективности и поляризационной чувствительности (в устройстве может эффективно использоваться до 40% энергии падающего рентгеновского излучения, по сравнению с долями процента в прототипе).

Формула изобретения

Рентгеновский поляриметр, включающий соединенные между собой конвертор и блок регистрации и обработки данных, отличающийся тем, что конвертор выполнен в виде чередующихся слоев полупроводника и металла, образующих набор фотоэлементов металл полупроводник металл, с толщиной каждого слоя порядка длины пробега первичных фотоэлектронов, генерируемых в полупроводнике при поглощении рентгеновских фотонов, распространяющихся вдоль слоев конвертора, причем эффективный атомный номер Z_эфф материала полупроводника больше атомного номера Z металла, а размер конвертора в направлении по оси рентгеновского пучка соответствует толще для рентгеновского излучения порядка и больше единицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1