Визуализатор электронного пучка

 

Сущность изобретения: для визуализации особенно сильноточных импульсных электронных пучков используют дешевые широко распространенные в природе кристаллические минералы: сподумен, кальцит и апатит, содержащие примесные ионы Mn²⁺. Эти минералы интенсивно люминесцируют в желто-зеленой области спектра при воздействии на них таких электронных пучков. Наличие самой люминесценции автоматически позволяет визуализировать поперечное сечение электронного пучка в любой точке оси его распространения. Причем визуализация может осуществляться как во время облучения минералов электронным пучком, так и после его прекращения в течение нескольких десятков минут из-за большой длительности послесвечения. При этом световой "отпечаток" электронного пучка и его геометрические размеры сохраняются в течение указанного времени. Ряд особенностей этой люминесценции указанных кристаллов позволяют измерить или оценить энергетические параметры электронного пучка. 1 ил.

Изобретение относится к области люминесцентных детекторов ионизирующих излучений, особо для визуализации и измерения (оценки) параметров импульсных электронных пучков.

Известен газоразрядный преобразователь радиационных изображений [1] в котором их визуализация осуществляется путем возбуждения видимой люминесценции в несамостоятельном газовом разряде, инициируемым регистрируемым радиационным излучением в специальной газоразрядной камере. Недостатком указанного преобразователя является необходимость использования сложной газоразрядной камеры с прозрачным для анализируемого радиационного излучения окном и системы ее питания.

Известен комбинированный детектор ионизирующего излучения [2] содержащий сцинтиллятор и тело из двуиодистой ртути (HgI₂ полупроводниковый токовый детектор). В этом комбинированном детекторе ионизирующее излучение первично регистрируется сцинтиллятором, а затем световая вспышка сцинтиллятора преобразуется полупроводниковым детектором в сигнал электрического тока. Недостатком этого детектора является сложность конструкции и возможность регистрации с его помощью практически только усредненных по площади полупроводникового детектора амплитудных значений потока падающего ионизирующего излучения.

Известен неорганический сцинтиллятор для визуализации и регистрации ионизирующих излучений на основе прозрачных щелочногалоидных монокристаллов, активированных таллием [3] В нем визуализация осуществляется за счет преобразования энергии падающего на кристалл ионизирующего излучения в световую вспышку в видимой области спектра, а регистрация числа поглощенных частиц и их энергии (энергетического спектра) осуществляется путем подсчета числа сцинтилляционных вспышек и их яркости.

Недостатками указанного сцинтиллятора являются: 1) его достаточно высокая стоимость, 2) используемые в нем кристаллы гигроскопичны. 3) он наиболее эффективен для регистрации γ -излучения, а не для регистрации электронов, 4) малая длительность сцинцилляций (≅10^-6 с). Последнее приводит к сужению круга регистрируемых параметров электронного пучка и усложняет процедуру измерения, например плотности электронного тока по поперечному сечению особенно сильноточного электронного пучка.

Техническим результатом изобретения является использование для визуализации особенно сильноточных импульсных электронных пучков дешевых широко распространенных в природе кристаллических минералов: сподумена (LiAl [Si₂O₆] ), кальцита (CaCO₃) и апатита (Ca₅[PO₄]₃F), содержащих примесные ионы Mn²⁺. В результате проведенных систематических исследований была обнаружена интенсивная (наблюдается при дневном освещении) люминесценция этих минералов при комнатной температуре в воздушной атмосфере при облучении их электронными пучками плотностью тока от 10 до 1000 А/см², с энергией от 100 до 300 кэВ и длительностью импульса от 2 до 50 нс. Это явление названо импульсной катодолюминесценцией (ИКЛ).

На чертеже представлены спектры ИКЛ указанных выше минералов. Наличие самой люминесценции в желто-оранжевой области спектра автоматически позволяет визуализировать поперечное сечение электронного пучка в любой точке его распространения. Причем визуализация может осуществляться как во время облучения минералов электронным пучком, так и после его прекращения в течение нескольких десяткой минут из-за большой длительности послесвечения ИКЛ, спад интенсивности которой происходит по гиперболическому закону. При этом световой "отпечаток" электронного пучка и его геометрические размеры сохраняются в течение указанного времени. Кроме того, ряд особенностей этой люминесценции указанных кристаллов позволяют измерить или оценить энергетические параметры электронного пучка. К этим особенностям относятся: 1) наиболее ярко люминесцирует поверхность кристалла, которая непосредственно облучается электронным пучком, и эта поверхность имеет отчетливо выраженные границы, 2) наиболее яркое свечение кристаллов наблюдается в объеме глубиной, равной длине пробега электронов в минерале, и границы этого объема также достаточно отчетливо выделяются, 3) интенсивность люминесценции при прочих одинаковых условиях пропорциональная плотности тока по крайней мере в указанных выше пределах.

Эти особенности позволяют оперативно определять поперечное сечение электронного пучка и длину пробега электронов в минерале в любой точке оси направления его распространения при установке в этой точке одного из указанных кристаллов. Причем внешние размеры кристалла должны превышать поперечное сечение электронного пучка, если измеряется последнее, или кристалл должен иметь срез, перпендикулярный поверхности кристалла желательно вдоль оси симметрии поперечного сечения электронного пучка, если измеряется длина пробега электронов в минерале в разных точках поперечного сечения электронного пучка. Последующее измерение указанных размеров светящегося пятна может осуществляться после выемки кристалла из зоны облучения посредством любого измерительного инструмента, в том числе и оптического микроскопа. Поскольку длина пробега электронов в конкретном минерале однозначно связана с их первоначальной энергией, то измерение этой длины дает информацию об энергии электронов. Измерение же распределения интенсивности люминесценции по поперечному сечению электронного пучка дает информацию о распределении плотности электронного тока. Каждый конкретный кристалл указанных минералов может быть отградуирован в абсолютных значениях указанных параметров электронного пучка и использоваться в качестве абсолютного измерительного инструмента.

Исследования показали, что в практически любом природном кристалле указанных минералов присутствуют примесные ионы Mn²⁺, и их люминесценция под действием электронного пучка с указанными выше параметрами устойчиво наблюдается при содержании марганца от 10^-5 до нескольких единиц весовых процентов. Для простой визуализации электронных пучков, например с целью их обнаружения при настройке ускорителей электронов, могут быть использован любой из этих кристаллов. Однако для регистрации и оценки параметров электронного пучка желательно применять образцы с содержанием марганца, приблизительно равном одному весовому проценту, в которых наблюдается наиболее яркая и длительная люминесценция. Причем по этим параметрам наиболее подходящими являются плоскопризматические кристаллы сподумена белой окраски, кристаллы кальцита практически любой формы, включая исландский шпат, с окраской от белой до бесцветной, и кристаллы апатита с зеленоватой окраской. Такие кристаллы широко распространены в природе. Кроме того, сейчас налажена технология выращивания этих кристаллов, поэтому можно целенаправлено выращивать кристаллы для визуализации импульсных электронных пучков.

Формула изобретения

Применение кристаллического минерала сподумена LiAl(Si₂O₆), или кальцита CaCO₃, или апатита Ca₅(PO₄)₃F, содержащего примесные ионы Mn²⁺, в качестве визуализатора электронного пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1