RU160376U1 - Детектор - монитор для контроля интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах - Google Patents

Abstract

1. Детектор-монитор для контроля интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах, содержащий герметичный корпус, заполненный благородным газом при вакуумном давлении 10-10бар, в котором расположена ионизационная камера, внутри которой по ходу пучка расположены электроды - анод и катод, имеющие выводы к регистрирующей аппаратуре, отличающийся тем, что анод ионизационной камеры выполнен из кристалла неорганического сцинтиллятора, на поверхность которого нанесено напыление из алюминия толщиной от 50 до 100 нм, причем плоскость кристалла - сцинтиллятора разделена на несколько продольных частей, каждая из которых является отдельным кристаллом, и каждая из этих частей через кварцевые световоды подключена к соответствующему фотоумножителю, обеспечивающему измерение амплитуд оптических сигналов.2. Детектор-монитор для контроля интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах по п. 1, отличающийся тем, что световод выполнен из оптических волокон - фокон.

Description

Устройство относится к приборам диагностики интенсивности и положения пучков жестких рентгеновских фотонов самого интенсивного источника синхротронного излучения - лазера на свободных электронах. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) - это источники синхротронного излучения 4-го поколения, преобразующие энергию ультрарелятивистских электронов (т.е. электронов, энергия которых во много раз превышает их энергию покоя 0,511 МэВ =0,8·10^-13 Дж), в энергию электромагнитного излучения. Они позволяют получать монохроматическое излучение фотонов на длине волны в диапазоне от 0.1 нм до 1 мм, причем эта длина волны может относительно быстро перестраиваться на десятки процентов. ЛСЭ является уникальным инструментом в биологии, в медицине в современных исследованиях материалов и в нанотехнологии. Когерентное рентгеновское излучение лазера имеет импульсный характер (10¹⁰-10¹¹ фотонов в импульсе длительностью до ~20×10^-15 секунд и с периодичностью около 200×10^-9 секунд), что позволяет получать, как структурную, так и динамическую информацию об исследуемых объектах.

Интенсивность - количество фотонов в отдельном импульсе, необходимо измерять в большинстве методов исследований, где применяется рентгеновское излучение. Импульсы фотонов ЛСЭ испытывают флуктуации, которые могут достигать до 10%, и вызваны стохастической природой самопроизвольного усиления спонтанного излучения. Диагностика подобных колебаний пучка рентгеновских фотонов, имеющего мощность более гигаватта, является актуальной проблемой для большинства экспериментов, планируемых в диапазоне энергий от 10 кэВ до 30 кэВ. При измерениях отраженного или прошедшего через образец пучка фотонов широко применяются сцинтилляционные детекторы, фотографические пластины, пропорциональные счетчики, полупроводниковые детекторы и т.д., которые устанавливаются непосредственно на пучок и искажают его. Последнее является препятствием для использования подобных детекторов на первичных пучках фотонов. Кроме того, высокоинтенсивные и сильно пульсирующие пучки ЛСЭ легко перегружает и даже разрушает твердотельные детекторы. Для преодоления этой проблемы разработано несколько методов диагностирования пучков на основе использования эффекта фотоионизации газовой среды.

Примером такого устройства для диагностики пучка рентгеновских фотонов в диапазоне от 0.83 кэВ до 8.3 кэВ является фотолюминесцентная камера, разработанная для ЛСЭ на основе линейного ускорителя - LCLS (LinacCoerentLightSource) в США (Journal of Applied Physics, 103, 053306) [1]. Детектор представляет собой цилиндр с диаметром 7 см и длиной 30 см, внутри которого под давлением 2×10^-3 бар находится азот - N₂. В торцевых частях детектора находятся бериллиевые окна (вакуумные), через которые в рабочий объем проходит пучок фотонов. Вокруг корпуса детектора расположена обмотка электромагнита, создающего в рабочем объеме аксиальное магнитное поле 200 Гс. В корпусе из нержавеющей стали выполнено вакуумное окно для подключения фотоумножителя, расположенного вне корпуса, поглощающая сменяемая стенка внутри рабочего объема в зависимости от задач выполнялась из графита, алюминия, меди или кремния.

Рабочий объем детектора при давлении N₂ в несколько миллибар (мм ртутного столба) практически прозрачен для жестких рентгеновских фотонов пучка LCLS. Только небольшая часть этих фотонов - 0.06% поглощается за счет фотоионизации, образуя фотоэлектроны, или возбуждая молекулы азота. Возбужденные молекулы за несколько фемтосекунд сбрасывают избыточную энергию через испускание Оже-электронов. Кинетическая энергия рожденных в газе фотоэлектронов и Оже-электронов расходуется на вторичную ионизацию и молекулярное возбуждение до тех пор, пока не происходит их полная термализацияили, пока они не достигают стенок рабочего объема. Возбужденные молекулы N₂ испускают фотоны в ультрафиолетовом диапазоне 300-400 нм, которые и являются объектом регистрации через вакуумное окно при помощи фотоэлектронного умножителя - ФЭУ. Приложенное снаружи аксиальное магнитное поле заставляет электроны в рабочем объеме двигаться по удлиненным спиралевидным орбитам, тем самым увеличивая долю энергии, расходуемую ими на фотолюминесценцию. Таким образом, свет, собираемый ФЭУ в зоне наблюдения пучка, определяется суммарной энергией выделенной фотонами и интенсивностью событий фотоионизации.

Недостатком фотолюминесцентной камеры является то, что и электроны и ионы, образованные в азоте, способны генерировать дополнительные ультрафиолетовые фотоны, взаимодействуя со стенкой рабочего объема. Эти взаимодействия трудно учесть, что влияет на точность измерений. Световой выход фотонов в ультрафиолетовом диапазоне также сильно зависит и от величины давления N₂. Возбуждение молекул в газе может сниматься без излучения фотонов через столкновения с другими молекулами. Поэтому для увеличения световыхода в детекторе давление нельзя сделать выше 2×10^-3 бар. Важным моментом является также то, что в рабочем объеме камеры происходит накопление положительного объемного заряда молекул. Появление таких зон, где наряду с процессами рекомбинации электронов, возможны также эмиссия вторичных электронов и фотонов со стенок детектора, увеличивает погрешность измерений, особенно, при возрастании энергии и интенсивности рентгеновских фотонов.

Повышение энергии пучка рентгеновских фотонов с 8.3 кэВ до диапазона 10-30 кэВ приводит к усилению вышеперечисленных вторичных процессов (образование объемного заряда, выбивание дополнительных ультрафиолетовых фотонов из стенок рабочего объема), что делает камеру непригодной для применения.

Наиболее широко для диагностики интенсивности и положения первичного пучка ЛСЭ обычно используются ионизационные камеры (ИК). ИК являются тем типом детекторов, который удовлетворяет основным требованиям для непрерывной диагностики пучка, то есть его мониторирования:

- уменьшение интенсивности в результате поглощения фотонов менее 0,1%;

- высокое быстродействие, обеспечивающее разделение отдельных импульсов фотонов (банчей) на уровне менее 200×10^-9 секунд;

- высокая радиационная стойкость;

- высокая чувствительность при регистрации взаимодействия рентгеновских фотонов с рабочим газом.

В качестве прототипа предлагаемого устройства рассмотрен детектор для контроля интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах, работающий с 2003 года на ЛСЭ FLASH (Free-electronlaserinHamburg) в Гамбурге. (Патент DE №102 44303) [2].

Принципиальная схема газового детектора-монитора GMD (Gas monitor detector) следующая. Рабочий объем детектора внутри вакуумированного корпуса из нержавеющей стали заполнен благородным газом Xe, Kr или Ne под давлением 10^-7-10^-9 бар. GMD установлен на вакуумном тракте пучка и отделен от него бериллиевыми окнами, прозрачными для рентгеновских фотонов. Внутри рабочего объема детектора по направлению пучка расположены:

- Для измерения координаты пучка - две пары электродов, создающие сильное однородное электрическом поле, разделяющее фотоэлектроны и ионы. Первая пара электродов представляет собой два диагонально разделенных электрода положительной полярности, а координата положения пучка определяется ими

как отношение накопленных зарядов электронов на каждой из разделенных частей. Вторая пара - также диагонально разделенные электроды отрицательной полярности для определения положения пучка по отношению собранных зарядов положительных ионов;

- Для измерения интенсивности пучка - два электрода, образующих однородное электрическое поле. Первый электрод - положительной полярности, для сбора электронов фотоионизации (первая ячейка Фарадея). Быстрый электронный сигнал, позволяющий разделять по времени импульсы ЛСЭ, имеет длительность менее 200×10^-9 секунд и через разделительную емкость (конденсатор) считывается регистрирующей электроникой. Второй электрод - отрицательной полярности предназначен для медленного сбора ионов и измерения собранного заряда (вторая ячейка Фарадея) при помощи электроскопа;

- Для разделения фотоэлектронов, а затем считывания их токовых сигналов с ячеек Фарадея на электроды GMD подается разность напряжения 10 кВ (±5 кВ). То есть на одну обкладку разделительной емкости при регистрации сигнала фотоэлектронов подается +5 кВ, а к другой подсоединяется регистрирующая электроника.

- Размеры детектора-прототипа определяются необходимой длиной фотоионизации в газе, которая составляет для GMD 20 см.

Работа детектора-монитора основана на фотоионизации атомов благородных газов: Xe, Kr, Ne при плотности атомов на уровне 10¹¹-10¹² см^-3, что на несколько порядков меньше давления в обычных ионизационных камерах. Поэтому GMD, практически, прозрачен для пучка фотонов и не разрушает его, что позволяет контролировать интенсивность непрерывно. Интенсивность и положение пучка фотонов, диаметром ~160 мкм, проходящего в рабочий объем GMD через бериллиевые окна, определяются по величине собранных зарядов электронов и положительных ионов, которые образуются в результате фотоионизации атомов газа. Электроны и ионы разделяются в GMD однородным электрическим полем. Ускоряясь в электрическом поле в противоположных направлениях, заряженные частицы собираются электродами положительной и отрицательной полярности - анодом и катодом.

Время сбора электронов на аноде в GMD составляет несколько наносекунд, а сбор ионов на катоде микросекунды. Электронный токовый сигнал с анода через разделительную емкость, подключенную к ячейке Фарадея, выводится из вакуумного

рабочего объема и поступает на вход тракта регистрирующей электроники. Время регистрации электронного сигнала составляет около ~30×10^-9 сек, что позволяет разрешать по времени каждый фотонный импульс пучка. Ионный сигнал дает усредненный токовый сигнал, измеряемый электроскопом с постоянной времени 20 сек.

Недостатком прототипа является то, что он обеспечивает контроль интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов ЛСР только при энергии пучка до 10 кэВ (K. Tiedke et al. / Gas detectors for X-ray lasers // Journal of Applied Physics 103, 094511 (2008) [3].

Использование GMD для измерений в диапазоне энергий жестких рентгеновских фотонов 10 кэВ ≤ E_ph ≤ 30 кэВ невозможно по следующим причинам:

- Для считывания сигнала регистрирующей электроникой в детекторе имеется разделительная емкость (конденсатор), устанавленная внутри вакуумного объема, под напряжением 5 кВ, подключаемая к ячейке Фарадея. Но, для считывания токового сигнала с ячеек Фарадея от фотоэлектронов с более высокой энергией 10-20 кэВ потребуется разделительная емкость, работающая в вакууме под напряжением 20-40 кэВ. Таковой не существует на мировом рынке электронных компонент.

- Труднопреодолимой проблемой GMD (при его размерах 20 см) в требуемом сегодня диапазоне энергий является сильное ослабление токового сигнала заряженных частиц [3]. При переходе в область жесткого рентгеновского излучения даже в ксеноне, самом тяжелом из стабильных благородных газов, сечение фотоионизации (т.е. ее вероятность) спадает с 30 Мбн при энергии фотонов E_ph=100 эВ до 40 кбн при E_ph=10 кэВ, то есть в 8000 раз. Поэтому, если в верхнем пределе рабочего диапазона GMD (E_ph ≥ 10 кэВ) амплитуда сигнала фотоэлектронов достигает всего ~100×10^-12 А (100 пикоампер), то при переходе в область энергий фотонов на ЛСЭ E_ph ≤ 30 кэВ, сечение фотоионизации спадает еще почти в 10 раз (Santra R. 2009 / Concepts in x-ray physics // J. Phys. В 42 023001) [4]. Резкое убывающее сечение фотоионизации в диапазоне энергий фотонов от 100 эВ до 30 кэВ приводит к тому, что при такой конструкции невозможно достичь необходимого для регистрации уровня амплитуды сигнала (100÷500 пА).

Из вышесказанного следует, что верхний предел регистрации жестких рентгеновских фотонов ЛСЭ, который может дать детектор- прототип GMD

ограничен 10 кэВ. Это обусловлено непреодолимыми техническими трудностями, связанными с регистрацией токового сигнала.

Задачей заявляемого устройства является устранение недостатков прототипа, где контроль интенсивности и положения пучка жестких рентгеновских фотонов ЛСЭ заключается в регистрации токового сигнала.

Технический эффект - расширение энергетического диапазона контроля интенсивности и положения пучка ЛСЭ жестких рентгеновских фотонов (до 30 кэв).

Технический эффект достигается тем, что в детекторе-мониторе, для контроля интенсивности и положения пучков рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах, содержащем герметичный корпус, заполненный благородным газом при вакуумном давлении 10^-7-10^-9 бар, в котором расположена ионизационная камера пучка, внутри которой по ходу пучка расположены электроды - анод и катод, имеющие выводы к регистрирующей аппаратуре, новым является то, что анод ионизационной камеры выполнен из кристаллов неорганического сцинтиллятора, на поверхность которого нанесено напыление из алюминия толщиной от 50 до 100 нм, причем плоскость анода-сцинтиллятора разделена на три продольные части, каждая из которых является отдельным кристаллом, который через кварцевые световоды подключена к соответствующему фотоумножителю, обеспечивающему измерение амплитуд оптических сигналов. Точная координата пучка фотонов определяется, как центр тяжести распределения амплитуд сигналов с каждого кристалла. Световод от каждого из кристаллов выполнен из оптических волокон - фокон.

Заявляемая совокупность признаков реализует иной принцип регистрации жестких рентгеновских фотонов ЛСЭ, а именно: преобразование в устройстве токового сигнала в оптический (конвертация собранных фотоэлектронов в оптический сигнал в сцинтилляционном детекторе), что приводит к достижению заявленного технического результата.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема нового детектора-монитора, где: 1 - сцинтилляционный кристалл-электрод (анод) положительной полярности для сбора электронов; 2 - отклоняющая сетка-электрод отрицательной полярности (катод) для сбора положительных ионов; 3 - оптоволоконный световод - фокон для сбора и передачи оптического сигнала; 4 - кварцевое вакуумное окно монитора; 5 - мульти-анодный фотоумножитель для регистрации оптического сигнала с трех сцинтилляционных детекторов; 6 - фланец вакуумного объема с вакуумным окном; 7 - усилители регистрирующей аппаратуры для передачи сигналов с анодов

фотоумножителя. Представлены две проекции детектора монитора: А - фронтальная, вдоль пучка фотонов; В - боковая, поперек пучка.

На фиг. 2 представлен эскиз компоновки нового детектора монитора на пучке фотонов, где 8 - фланцы с бериллиевыми окнами для подсоединения к системе вакуумного тракта пучка и 9 - вакуумный корпус детектора-монитора.

На фиг. 3 представлены треки фотоэлектронов (изогнутые линии), образованные фотонами пучка ЛСЭ в рабочем объеме детектора-монитора

На фиг. 4 показано распределение собираемых на аноде-сцинтилляторе фотоэлектронов. По оси ординат отложено число собранных фотоэлектронов - N. По оси абсцисс - X отложены координаты попадания фотоэлектронов на анодную плоскость. Координате X=0 см, соответствует проекция оси пучка.

На фиг. 5 показано распределение фотоэлектронов на трех анодных сцинтилляционных кристаллах шириной 1,7 см.

Работа детектора

Для создания достаточно сильного однородного электрического поля, разделяющего частицы разной полярности, оба электрода (положительный и отрицательный) ионизационной камеры располагаются по обе стороны вблизи от оси пучка фотонов (1) и (2) на расстоянии ±1 см. Поскольку ионный ток дает усредненные по времени характеристики интенсивности пучка, в дальнейшем регистрация ионов не будет рассматриваться, и на фиг. 1 она приведена схематично.

Для создания электрического поля в ионизационной камере и сбора фотоэлектронов на сцинтилляторе поверхность анода (1) - плоскость сцинтилляционных кристаллов, обращенная к пучку, покрыта металлическим напылением из алюминия толщиной 50 нм (нанометров).

Пучок рентгеновских фотонов в диапазоне энергий 10 кэВ ≤ E_ph ≤ 30 кэВ, проходя через зазор электродов (1) и (2) (фиг. 1А и В), формирующих однородное электрическое поле ионизационной камеры, образует при столкновении с атомами инертных газов фотоэлектроны и фотоны. В ионизационной камере давление благородного газа Ne, Kr или Xe составляет от 10^-7 бар до 10^-9 бар, поэтому, как и GMD, новый детектор монитор прозрачен для пучка ЛСЭ. Фотоэлектроны, ускоряясь в электрическом поле порядка 8-20 кВ/см (HV=±20 кВ - потенциалы на ячейках Фарадея HV), без потерь собираются на аноде - сцинтилляционном кристалле (1). Толщина металлического напыления из алюминия 50 нм - пренебрежимо мала для

поглощения электронов, поскольку для поглощения электрона с энергией 10 кэВ необходима толщина алюминия ~1 мкм (или ~1000 нм). Приняв верхнюю границу поглощения фотоэлектронов алюминиевым покрытием 10%, максимальная толщина напыления допустима до 100 нм.

Использование органических сцинтилляторов согласно требованиям вакуумных систем ЛСЭ невозможно из-за высокого давления насыщающих паров органики, поэтому для использования в детекторе-мониторе рассматриваются только неорганические сцинтилляционные кристаллы.

Оптические фотоны, образованные при конверсии фотоэлектронов в каждом кристалле сцинтиллятора, через оптоволоконную систему типа фокон (3) доставляются к вакуумному кварцевому окну (4). Снаружи вакуумного объема через кварцевое окно (4), вмонтированное в герметичный корпус детектора-монитора (5), оптический сигнал регистрируется фотоумножителем (6), сигнал с которого через усилитель (7) поступает для обработки на компьютер.

Длина поглощения в материале сцинтиллятора (плотность 4-6 г/см^-3) для фотоэлектронов с энергией 20-30 кэВ составит всего 2-8 мкм. Поэтому в приповерхностном слое кристалла будет происходить полное преобразование энергии фотоэлектронов в оптические или ультрафиолетовые фотоны. Световыход целого ряда неорганических сцинтилляторов BaF₂, Lu₂SiO₅:Ce (LSO), Gd₂SiO₅:Ce (GSO), YAlO₃:Се (YAP), LaCl₃:Се составляет не менее 10 фотонов на 1 кэВ поглощенной энергии. Таким образом, только один фотоэлектрон с энергией ~20 кэВ обеспечит рождение в сцинтилляторе до 200 фотонов, что обеспечит эффективную регистрацию малого потока фотоэлектронов и рассеянных фотонов пучка.

В отличие от GMD-прототипа, где при увеличении энергии фотонов уменьшается сечение фотоионизации и, в результате, падает величина регистрируемого сигнала, в сцинтилляционном детекторе-мониторе с ростом энергии фотонов, а, следовательно, и фотоэлектронов, будет происходить только увеличение оптического сигнала.

Сцинтилляционный детектор-монитор способен обеспечить контроль интенсивности импульсов в диапазоне энергий фотонов 10 кэВ ≤ E_ph ≤ 30 кэВ, включая импульсы жестких рентгеновских фотонов XFEL - N_ph~10¹⁰÷10¹¹ при Е=24,5 кэВ. Длина сцинтилляционного кристалла в рабочем объеме детектора может составлять 10-15 см, что типично для многих производимых неорганических кристаллов.

Для оценки ожидаемого световыхода сцинтилляционного детектора-монитора зададим размер длины рабочего объема z≈10 см. Тогда при недоступной для GMD

прототипа энергии фотонов E_ph=20 кэВ по формуле (1) можно оценить число электрон-ионных пар - Ni, образующихся в рабочем газовом объеме. Величина Ni пропорциональна сечению фотоэффекта σ_ph ≈ 4 кбн, плотности атомов газа - n_at=2.4·10¹² см^-3 при рабочем давлении GMD в газовом объеме Р=1×10^-7 бар и числу фотонов в импульсе - N_ph=10¹⁰.

Как показали эксперименты и теоретические вычисления, при энергиях фотонов в импульсах более 20 кэВ взаимодействие фотонов с атомами газа приводит к процессам многократной ионизации, когда из атома вылетает не один, а 5-6 фотоэлектронов. Теоретические расчеты ионизации атомов Kr для рентгеновских фотонов с энергией более 20 кэВ показали, что средняя величина ионизации составляет <i>≈5,7 [4]. В результате, ожидаемое число фотоэлектронов, собранных на аноде-сцинтилляторе, от одного импульса ЛСЭ составит N_i≈1×10³×5,7≈5,7×10³. Использование сцинтилляционного детектора-монитора решает проблему ослабления сигнала за счет большого коэффициента конверсии фотоэлектронов в оптические фотоны, который составляет 200. Первичный оптический сигнал в сцинтилляторе составит N_oph≈5,7×10³×200≈1,1×10⁶ ультрафиолетовых фотонов в диапазоне длин волн 300-450 нм.

Эффективность передачи светового сигнала от кристаллов анода-сцинтиллятора до вакуумного окна рабочего объема, на расстояние 5-10 см составит не менее 80% (R. Mirzoyan et al. / The efficiency of light guide application in imaging cameras of the 2-nd generation gamma-ray Cherenkov telescopes // Experimental Astronomy 4: 137-145, 1993, © 1993 Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands.) [5]. Оценивая ожидаемые потери светового сигнала на двух границах сред (см. фиг. 1) - фокон (3) - кварцевое окно (4) - фотоумножитель (5), по 15%, сигнал с кристалла на входе в отдельный фотоумножитель, снаружи рабочего объема, составит (1,1×10⁶×50%)/3≈1,6×10⁵ фотонов. Для регистрации такого числа ультрафиолетовых фотонов хорошо подходят панели кремниевых фотоумножителей, например, Array4p9, фирмы SensL, или многоанодные линейные фотоумножители-сборки типа 8-канального Н9530-20 фирмы Hamamatsu.

Наиболее перспективным для использования в детекторе-мониторе является сцинтиллятор YAP:Ce (перовскит), хорошо известный из практики работы в условиях высокого вакуума. Этот кристалл обладает следующими характеристиками: быстрый отклик порядка 24×10^-9 сек, высокая механическая прочность, температурная

стойкость, устойчивая работа даже в агрессивных средах и радиационная стойкость. Поступающий из сцинтиллятора оптический сигнал поступает на фотоумножитель и преобразуется в электрический сигнал с характерным временем преобразования до 1×10^-8 сек. Поэтому суммарное время, необходимое для регистрации импульса фотонов в пучке, составит 34×10^-9 сек, что значительно меньше 200×10^-9 сек - промежутка между импульсами ЛСЭ.

Важной рабочей характеристикой кристаллов YAP:Се является их высокая радиационная стойкость, из-за чего ухудшение свойств высвечивания и световой проводимости не проявляются в кристаллах до накопления доз 10⁴ Гр (Грей). Ожидаемая, накопленная за год доза в детекторе-мониторе, например, в условиях XFEL для кристалла сцинтиллятора размерами 5×10×0,5 см^-3 и плотностью 6 г/см³ составляет всего ~250 Гр.

Итак, в диапазоне энергий фотонов 10 кэВ ≤ E_ph ≤ 30 кэВ сцинтилляционный детектор-монитор способен уверенно выполнять мониторирование интенсивности пучка ЛСЭ, различая каждый сгусток-импульс фотонов, без ухудшения эффективности регистрации фотоэлектронов из-за высокого радиационного фона в течении 30-40 лет.

Работа сцинтилляционного детектора монитора была смоделирована при помощи метода Монте-Карло, когда условия работы: давление газа, электрическое поле, геометрия электродов и тип и энергия взаимодействующих частиц задаются программным образом. Программный пакет GEANT 4 позволил многократно разыгрывать в рабочем объеме детектора стохастические процессы взаимодействия жестких рентгеновских фотонов с атомами благородных газов в условиях электрического поля напряженностью E=20 кВ/см. При этом в модели взаимодействия использовались как экспериментальные, так и теоретические данные. На фиг. 3 видно, что приложенное электрическое поле достаточно велико и полностью собирает образующиеся в рабочем объеме фотоэлектроны. Ломаные линии внутри анода-сцинтиллятора иллюстрируют распространение оптических фотонов в кристалле.

Из фиг. 4 видно, что полная ширина распределения треков собираемых фотоэлектронов составляет ±3σ или не менее 4,5 см (в точке X=0 см находится проекция положения оси пучка). То есть поперечная полная ширина анода-сцинтиллятора ~5 см вполне достаточна, чтобы собрать 100% фотоэлектронов. Это определяет минимально необходимый размер анода детектора по ширине и, следовательно, последующие габариты детектора.

Для определения координаты пучка фотонов ЛСЭ путем использования одной пары электродов анод-катод, в сцинтилляционном детекторе-мониторе анод состоит из трех отдельных сцинтилляционных кристаллов. Как видно из результатов Монте-Карло моделирования (фиг. 4), попадание фотоэлектронов на анодную плоскость хорошо описывается гауссовским распределением. Поэтому координату прохождения пучка рентгеновских фотонов можно оценить как отклонение центра тяжести распределения <x> (фиг. 4) относительно оси X=0. С этой целью анодная плоскость составлена из 3-х сцинтилляционных пластин, с каждой из которых независимо регистрируется оптический сигнал.

Как видно из фиг. 5 центр тяжести <x> распределения треков фотоэлектронов на 3-х сцинтилляционных кристаллах определяется с погрешностью 100 микрон. Это достаточная точность, удовлетворяющая требованиям современных ЛСЭ.

Итак, новая концепция устройства для контроля интенсивности и положения пучка жестких рентгеновских фотонов ЛСЭ путем конвертации фотоэлектронов в сцинтилляционном детекторе в оптический сигнал не нуждается в наличии разделительной емкости, не страдает от уменьшения амплитуды сигнала с ростом энергии фотонов и позволяет с погрешностью до 100 микрон определять положение пучка на том же электроде, где измеряется его интенсивность.

Устройство может быть использовано для обеспечения исследований на Европейском ЛСЭ - FLASH (Free-electron-LASer in Hamburg) измерение X,Y координат положения пучка.

Список литературы

1. S.P. Hau - Riegeetal. / Measurement of x-ray free-electron laser pulse energies by photo-luminescence in nitrogen gas // Journal of Applied Physics 103. 053306 (2008).

2. M. Richter et al. / “Verfahren und Monitordetektor zur Bestimmung der Intensitat von gepulster VUV-oder EUV-Strahlung sowie Verwendung eines derartigen Monitordetektors” // Deutsches Patent- und Markenamt, №.10244303, München (2004) - прототип.

3. R. Mirzoyan et al. / The efficiency of light guide application in imaging cameras of the 2-nd generation gamma-ray Cherenkov telescopes // Experimental Astronomy 4: 137-145, 1993, © 1993 Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands.

Claims (2)

1. Детектор-монитор для контроля интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах, содержащий герметичный корпус, заполненный благородным газом при вакуумном давлении 10^-7-10^-9 бар, в котором расположена ионизационная камера, внутри которой по ходу пучка расположены электроды - анод и катод, имеющие выводы к регистрирующей аппаратуре, отличающийся тем, что анод ионизационной камеры выполнен из кристалла неорганического сцинтиллятора, на поверхность которого нанесено напыление из алюминия толщиной от 50 до 100 нм, причем плоскость кристалла - сцинтиллятора разделена на несколько продольных частей, каждая из которых является отдельным кристаллом, и каждая из этих частей через кварцевые световоды подключена к соответствующему фотоумножителю, обеспечивающему измерение амплитуд оптических сигналов.

2. Детектор-монитор для контроля интенсивности и положения пучка рентгеновских фотонов лазеров на свободных электронах по п. 1, отличающийся тем, что световод выполнен из оптических волокон - фокон.

Images