Устройство для измерения поляризации рентгеновского излучения

 

Сущность изобретения: устройство содержит детектор поляризации и блок регистрации и обработки данных. Детектор поляризации состоит из рентгеновского конвертора и регистраторов сигналов конвертора. Конвертор представляет собой структуру, состоящую из периодически повторяющейся пары слоев: активного и пассивного. Коэффициент поглощения рентгеновского излучения больше у активного слоя, чем у пассивного, а толщина каждого слоя порядка длины пробега (трека) фотоэлектронов. В другом направлении размер слоя много больше длины пробега фотоэлектронов. При этом один или оба слоя люминесцируют под действием фотоэлектронов (в не перекрывающихся спектральных полосах - в том случае, если люминесцируют оба). Изобретение может быть использовано как рентгеновский поляриметр при диагностике горячей, в том числе термоядерной, неравновесной и неоднородной плазмы в лабораторных, натурных и астрофизических экспериментах. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике измерения поляризации рентгеновского излучения "классического" диапазона энергий: 10-100 кэВ и может быть использовано при диагностике горячей, в том числе термоядерной, неравновесной и неоднородной плазмы в лабораторных, натурных и астрофизических экспериментах.

Известны томсоновские рентгеновские поляриметры, работающие в указанном диапазоне энергий, в которых используется азимутальная анизотропия рассеяния поляризованного рентгеновского излучения (см. И. Тиндо и др. Рентгеновский поляриметр для исследования солнечных вспышек (Кратк. сообщ. по физ.(ФИАН), N 7, с. 15); I.Tindo u.a. Rontgenpolarimeter von "Interkosmos-7" fur die Untersuchung von Strahlung der Sonneneruptionen (Radio-Fernsehen 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 фотонов, 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 измерения поляризации, связанных с различием эффективностей отдельных фотоэлектрических приемников, в ряде конструкций томсоновских поляриметров детектор поляризации рентгеновский рассеиватель с фотоэлектрическими приемниками размещают на поворотном или вращающемся приводе, либо вращают блок датчиков поляриметра вокруг оси рентгеновского пучка.

При энергиях фотонов, больших 40-50 кэВ, используют поляриметры комптоновского типа (см. G.Chanan et al. Prospects for solar flare X-ray polarimetry) Sol.Phys. 1988, 118, N 1/2. 309).

В этих приборах, кроме измерения интенсивности анизотропно рассеянного рентгеновского излучения, регистрируют также электроны отдачи, что позволяет с помощью схемы совпадений резко снизить регистрируемую величину фона проникающей корпускулярной радиации и тем самым повысить чувствительность измерений. 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 рассеивателя при данном соотношении сечений рассеяния и поглощения рентгеновских фотонов, а также невозможность получения информации о пространственном распределении поляризации в источнике излучения (например, в области солнечной вспышки).

Наиболее близким к изобретению является рентгеновский поляриметр, принятый за прототип, в котором применен способ измерения поляризации по азимутальной анизотропии распределения зарядовых треков первичных фотоэлектронов, генерируемых в веществе конвертора при поглощении поляризованного рентгеновского излучения (внутренний фотоэффект) (см. Н.Tsunemi et al. Detection of X-ray polarization with a charge coupled device (NIM, 1992, A321, 629). В этом устройстве поток рентгеновских фотонов с энергией в диапазоне 15-37 кэВ направляют на конвертор ПЗС-матрицу, входящую в состав детектора поляризации. Размер элементов (пикселей) ПЗС-матрицы сравним с длиной пробега в кремнии первичных фотоэлектронов (при данной энергии фотонов). Конвертор электрически связан с блоком записи и обработки данных. При этом можно ожидать, что для некоторой части событий поглощения рентгеновского фотона сигнал будет зарегистрирован не в одном, а одновременно в двух (или более при достаточно малом размере элементов) пикселях, расположенных вдоль трека фотоэлектрона. Действительно, наблюдалась некоторая азимутальная асимметрия в распределении парных событий, обусловленная преимущественной ориентацией 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 у фотонов по сравнению с микронами у электронов). В результате, эффективно используется ничтожная часть энергии падающего рентгеновского потока та, что поглощается в активном слое ПЗС-матрицы (толщиной в несколько микрон). В цитируемой работе получена также крайне низкая поляризационная чувствительность (фактор поляризационной модуляции , а именно, при регистрации почти полностью поляризованного рентгеновского излучения (Р= 60-75% ) величина м, характеризующая азимутальную асимметрию парных событий, составила лишь 1-5% Столь малый поляризационный эффект, по-видимому, обусловлен слишком большим, по сравнению с пробегом фотоэлектронов, размером пикселей ПЗС-матрицы: 12x12 мкм².

Техническая задача изобретения повышение эффективности регистрации и чувствительности в расширенном диапазоне энергий фотонов: 10-100 кэВ.

Для этого предлагается устройство для измерения поляризации рентгеновского излучения, основанное на определении параметров азимутальной анизотропии углового распределения люминесцентных треков первичных фотоэлектронов. Устройство включает соединенные между собой детектор поляризации и блок записи и обработки данных. Детектор поляризации состоит из конвертора и связанных с ним с помощью оптических элементов регистраторов. Конвертор выполнен в виде слоистой периодической структуры из двухкомпонентных элементов, с поперечным размером толщиной компонентов (слоев) порядка длины пробега первичных фотоэлектронов в одном из направлений, ортогональных оптической оси конвертора. В другом ортогональном направлении размер элементов конвертора должен быть много большим длины пробега фотоэлектронов.

Каждый элемент составлен из активного и пассивного компонентов (слоев), отличающихся коэффициентами поглощения рентгеновского излучения (коэффициент поглощения больше у активных слоев). При этом один или оба компонента люминесцируют под действием фотоэлектронов, генерируемых в конверторе (во 2-м случае люминесцируют в неперекрывающихся спектральных полосах).

Сущность изобретения состоит в том, что амплитуда люминесцентного сигнала, генерируемого при поглощении рентгеновского фотона, или спектральный состав люминесцентного излучения зависят от направления движения фотоэлектрона относительно оптической оси конвертора, так как при этом на активный и пассивный слои приходятся различные доли пробега.

Взаимодействие рентгеновских фотонов с веществом конвертора происходит, в основном, в тонких плоских или цилиндрических с поперечным размером порядка длины пробега первичных фотоэлектронов активных слоях двухслойных элементов. В целом, взаимодействие происходит в объемной макроструктуре, собранной из таких элементов, с полной толщиной конвертора в направлении вдоль рентгеновского пучка, соответствующей оптической толще для рентгеновских фотонов, поглощаемых в активных слоях, сравнимой с единицей. В результате в полной мере выявляется связанная с поляризацией анизотропия распределения люминесцентных треков и эффективно используется основная часть энергии излучения.

При несоблюдении вышеперечисленных требований чувствительность и эффективность поляриметра снижаются. Так, при использовании активных слоев (компонентов) толщиной больше длины пробега фотоэлектронов снижается величина фактора модуляции и определяемая этой величиной поляризационная чувствительность, так как при этом уменьшается различие величин сигналов от фотоэлектронов, движущихся в различных ортогональных направлениях относительно оптической оси конвертора. Увеличение толщины пассивных слоев снижает эффективность устройства. Уменьшение разности коэффициентов поглощения материала активных и пассивных компонентов (слоев) снижает фактор модуляции. Увеличение угла между направлением рентгеновского пучка и оптической осью конвертора также снижает фактор модуляции.

На фиг. 1 представлено устройство; на фиг. 2-4 показаны основные возможные варианты реализации конвертора.

На фиг. 1-4 и в тексте приняты следующие обозначения: h_ν анализируемый поток рентгеновского излучения, P траектория фотоэлектрона, идущая вдоль активного слоя элемента конвертора, S траектория фотоэлектрона, идущая поперек элементов конвертора, 1 конвертор, 2 - регистратор, 3 блок записи и обработки данных, 4 оптические элементы связи (световоды и т.п.), 5 электрические кабели, соединяющие регистраторы с блоком записи и обработки данных, 6 механический привод конвертора, 7 - активный слой (компонент) элемента конвертора, 8 пассивный слой (компонент) элемента конвертора, 9 отражающий слой, разделяющий соседние элементы.

Предлагаемое устройство содержит (см. фиг. 1): детектор поляризации, включающий конвертор 1, с помощью оптических элементов связанный с регистраторами 2, а те, в свою очередь, с помощью электрических кабелей 5 с блоком записи и обработки данных 3; поворотный или вращающийся привод 6, используемый в некоторых вариантах конструкции.

Конвертор 1 (см. фиг. 2-4) построен из двухслойных элементов, состоящих из активного слоя (компонента) 7, выполненного из материала, интенсивно поглощающего рентгеновские фотоны (т.е. с большим эффективным атомным номером), и пассивного слоя (компонента) 8, слабо поглощающего рентгеновские фотоны (т.е. с малым эффективным атомным номером). Один или оба слоя (компонента) должны быть выполнены из люминесцирующих материалов, причем во втором случае спектральные полосы люминесценции не должны перекрываться. Элементы конвертора могут быть разделены тонким отражающим свет слоем 9.

Три основных варианта реализации предлагаемого люминесцентного конвертора показаны на фиг. 2-4: ламинарный конвертор с плоскими элементами (фиг. 2), рулонный конвертор (фиг. 3) и волоконный конвертор (фиг. 4).

Как показывают фиг. 2-4, в зависимости от направления траектории фотоэлектрона в конверторе, большая или меньшая ее доля приходится на активный 7 и, соответственно, на пассивный слой 8.

Регистрируемые при этом оптические сигналы различаются по величине (и по спектральному составу излучения если люминесцируют оба компонента). Это позволяет измерить азимутальную асимметрию амплитудного распределения люминесцентных треков и определить по ней параметры поляризации.

Рассмотрим более подробно варианты выполнения конвертора.

1. Ламинарный (плоскослойный) конвертор (см. фиг. 2). Светосила поляриметра (геометрический фактор) равна эффективной площади конвертора. В лабораторных установках она определяется, в первую очередь, сечением рентгеновского пучка. В экспериментах на ракетах и спутниках максимальными габаритами прибора. Оптимальная толщина (глубина) конвертора определяется глубиной проникновения рентгеновского излучения в вещество. Толщина слоев активного и пассивного компонентов в элементах конвертора должна быть порядка длины пробега первичного фотоэлектрона. Это параметры, подлежащие оптимизации при конструировании конвертора. В частности, при необходимости работы в широком интервале энергий фотонов целесообразно использование нескольких установленных последовательно вдоль рентгеновского пучка конверторов с различной толщиной слоев. При этом в первых конверторах поглощается преимущественно наиболее мягкая часть излучения. Поэтому здесь должны быть установлены конверторы с минимальными толщинами слоев. В последнем конверторе поглощается наиболее жесткий компонент излучения. Соответственно, его рассчитывают на максимальные пробеги фотоэлектронов.

Рулонный конвертор (фиг. 3). Преимущество данного варианта конструкции - технологическая простота реализации: путем намотки двуслойной (или трехслойной) ленты в виде рулона. Например, алюминиевой фольги, с двух сторон покрытой люминесцирующим лаком с добавкой солей тяжелых металлов. В этом случае вывод световых сигналов производят через нижний торец либо непосредственно на строящий изображение детектор (например, ПЗС-матрицу), либо собирают светопотоки с помощью фигурных световодов в сегментированное кольцо и регистрируют их, например, с помощью малогабаритных фотоумножителей.

3. Волоконный конвертор (фиг. 4). Конвертор собирают в виде стопы лент из световодных волокон с люминесцентными сердечниками (7) и нелюминесцирующими внутренней (8) и внешней (9) оболочками. Ленты могут быть уложены с осями, ориентированными параллельно или с разворотами последовательных слоев на некоторый угол (60^o, 90^o, 45^o и др.).

Во всех вариантах конструкции конвертора для повышения эффективности и чувствительности устройства желательно использовать материал активного компонента (7) с большим эффективным атомным номером это обеспечивает генерацию фотоэлектронов практически только в активном компоненте, что приводит к повышению поляризационной чувствительности. При этом толщины (диаметры) компонентов подлежат оптимизации под конкретный состав материала компонентов и круг экспериментальных задач. Пары слоев (7)-(8) в ламинарном конверторе могут быть разделены отражающим слоем (9), что дает возможность раздельно регистрировать сигналы от каждого элемента с помощью координаточувствительного фотоэлектрического приемника. Аналогичную разделительную функцию в волоконном конверторе выполняет внешняя оболочка (9).

В зависимости от решаемой задачи регистрируют сигналы от каждого поглощенного фотона раздельно или суммарный сигнал от пучка фотонов, усредненный по времени. Импульсная схема регистрации позволяет получить более высокую чувствительность при наличии интенсивного фона, так как при этом с помощью схемы антисовпадений можно дискриминировать импульсы, связанные с проникающей корпускулярной радиацией, а в некоторых вариантах конструкции - также благодаря большему фактору модуляции м. Одновременно из амплитудного распределения импульсов может быть получена информация о спектральной зависимости поляризации.

Измерение азимутальной асимметрии амплитудного распределения сигналов конвертора обычно производят одним из трех методов: устанавливают регистраторы под различными азимутальными углами вокруг конвертора (метод применим для ламинарного и волоконного вариантов конвертора); устанавливают несколько детекторов поляризации, развернутых под различными азимутальными углами (например, 60^o, 90^o); устанавливают детектор поляризации на поворотном или вращающемся приводе (вращаться может также весь поляриметр например, при вращении ракеты или спутника, на которых установлен прибор).

При необходимости исследовать также пространственное распределение поляризации в источнике излучения его рентгеновское изображение полученное с помощью внешней отображающей системы, фокусируют на конвертор и регистрируют по отдельности сигналы от всех элементов конвертора. При этом с помощью волоконного конвертора с лентами, развернутыми по азимутальному углу, может быть зарегистрировано двумерное распределение поляризации. При использовании ламинарного конвертора непосредственно может быть зарегистрирована одномерная свертка изображения источника.

Предлагаемое устройство пояснено примерами модельной реализации описанных вариантов.

1. Ламинарный конвертор, состоящий из плоских элементов. Толщина активных слоев 2 мкм, пассивных 2 мкм. Материал активных слоев: лавсан, активированный красителем типа "родамин-6Ж", с добавлением уксуснокислого свинца. Материал пассивных слоев лавсан. При регистрации излучения с энергией 20 кэВ достаточна толщина (глубина) конвертора 1 мм, при этом обеспечивается практически полное поглощение рентгеновского излучения, падающего на конвертор. Расчетная величина фактора модуляции составляет 50% что существенно выше, чем у прототипа. Эффективность регистрации также выше более чем на два порядка. Для измерений при других энергиях рентгеновских фотонов необходимо использовать конвертор с толщинами слоев, увеличенными пропорционально длине пробега фотоэлектронов, и с толщиной (глубиной), обратно пропорциональной коэффициенту поглощения рентгеновского излучения. Так, при энергии 80 кэВ толщина слоев должна быть около 90 мкм, глубина конвертора - около 25 мм. При этом коэффициент модуляции и эффективность сохраняются примерно постоянными.

2. Волоконный конвертор. Собран из световодных волокон с диаметром люминесцентного сердечника 2 мкм, диаметром внутренней оболочки 8-10 мкм с внешней диаметром 12-15 мкм. При регистрации излучения с энергией 20 кэВ достаточна толщина (глубина) конвертора 1 мм, при этом излучение, падающее на конвертор, поглощается практически полностью. Материал сердечника свинцовое стекло, активированное церием. Материал внутренней оболочки крон, внешней оболочки легкий крон. При регистрации излучения с энергией 20 кэВ расчетная величина фактора поляризационной модуляции ≥50% что существенно выше, чем у прототипа (эффективность конвертора также более чем на два порядка выше, чем у прототипа).

Как показывают вышеприведенные примеры, предлагаемое устройство значительно превосходит прототип по эффективности и чувствительности.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения поляризации рентгеновского излучения, включающее соединенные между собой блок записи и обработки данных и детектор поляризации, состоящей из конвертора и регистраторов, отличающееся тем, что конвертор, оптически связанный с регистраторами, представляет собой структуру, состоящую из периодически повторяющейся пары слоев: активного и пассивного, причем коэффициент поглощения рентгеновского излучения больше у активного слоя, чем у пассивного, поперечный размер (толщина) каждого слоя порядка длины пробега первичных фотоэлектронов, его размер в другом направлении много больше длины пробега, при этом активные слои люминесцируют под действием фотоэлектронов, а толщина конвертора l в направлении вдоль оси устройства выбрана из условия τ ≃ κl, где τ оптическая толща конвертора для рентгеновского излучения, k линейный коэффициент поглощения анализируемого рентгеновского излучения в материале активного слоя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба слоя пары люминесцируют в неперекрывающихся спектральных полосах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4