RU199118U1

RU199118U1 - Powder target for studying the properties of parametric X-ray radiation of relativistic electrons

Info

Publication number: RU199118U1
Application number: RU2020116493U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Кубанкин; Иван Александрович Кищин; Александр Сергеевич Клюев; Рамазан Магомедшапиевич Нажмудинов; Анна Андреевна Каплий; Ольга Юрьевна Шевчук
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2020-08-17

Abstract

Полезная модель для исследований спектрально-угловых характеристик параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов (ПРИ). Порошковая мишень для исследования свойств параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов содержит основание, ячейку-контейнер, порошок и крепежные отверстия. Основание изготовлено из материала, состоящего из легких элементов в виде пластины, а выполненное в нем отверстие представляет собой ячейку-контейнер с порошком, запечатанную с двух сторон майларовой пленкой. Мишень дополнительно включает круглое центровочное отверстие, обеспечивающее необходимое положение пучка для осуществления взаимодействия с мишенью. Технический результат заключается в получении параметрического рентгеновского излучения от всех кристаллографических плоскостей вне зависимости от ориентации мишени. 1 ил.A useful model for investigating the spectral-angular characteristics of parametric X-ray radiation of relativistic electrons (PR). A powder target for studying the properties of parametric X-ray radiation of relativistic electrons contains a base, a container cell, a powder, and mounting holes. The base is made of a material consisting of lightweight elements in the form of a plate, and the hole made in it is a container cell with a powder, sealed on both sides with a Mylar film. The target additionally includes a circular centering hole, which provides the necessary position of the beam for interaction with the target. The technical result consists in obtaining parametric X-ray radiation from all crystallographic planes, regardless of the orientation of the target. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к способу изготовления мишеней для ядерно-физических исследований, в частности для исследований спектрально-угловых характеристик параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов (ПРИ).The utility model relates to a method for manufacturing targets for nuclear physics research, in particular, for investigating the spectral-angular characteristics of parametric X-ray radiation of relativistic electrons (PRS).

Существуют различные способы изготовления мишеней для ядерно-физических исследований: путем нанесения на подложку термовакуумным напылением металлического слоя, путем образования в водной среде тугоплавкого химического соединения и последующего его высушивания на подложке, путем прессования исходного вещества с добавкой связующего, путем прокаливания и герметизации смеси в корпусе и т.д. There are various methods for the manufacture of targets for nuclear physics research: by applying a metal layer to a substrate by thermal vacuum deposition, by forming a refractory chemical compound in an aqueous medium and then drying it on the substrate, by pressing the starting material with the addition of a binder, by calcining and sealing the mixture in a housing etc.

Известно изобретение под названием «Способ изготовления тонкопленочной углеродной мишени», (RU № 2 069 454 C1, публ. 20.11.1996 г.). Способ изготовления описанной мишени состоит в том, что на стеклянную подложку, которая предварительно была покрыта поверхностно-активным веществом и охлажденным до температуры жидкого азота, напыляют углерод в виде ускоренных до высоких энергий нейтральных атомов в присутствии инертного газа при низком парциальном давлении. Затем, подложку удаляют, а полученную свободную пленку переносят на держатель мишени для выполнения исследований. Known invention under the name "Method of manufacturing a thin-film carbon target", (RU No. 2 069 454 C1, publ. 20.11.1996,). The method of manufacturing the described target consists in the fact that carbon is deposited on a glass substrate, which was previously coated with a surfactant and cooled to the temperature of liquid nitrogen, in the form of neutral atoms accelerated to high energies in the presence of an inert gas at a low partial pressure. Then, the substrate is removed, and the resulting free film is transferred to the target holder for testing.

Известно устройство под названием «Способ получения мишени из изотопа углерода», (RU № 2 083 063 C1, публ. 27.06.1997 г.). Предлагаемый способ описывает изготовление мишеней, которые применяются при исследованиях на высокоэнергетических пучках. Способ получения мишени из изотопа углерода включает прессование исходного вещества с добавкой связующего. Полученную после прессования заготовку выдерживают в потоке метана при температуре 850-950 ^oC в течение 1-2 мин, после чего охлаждают. Способ позволяет изготовить мишень с естественным каркасом.A device called "A method for producing a target from a carbon isotope" is known (RU No. 2 083 063 C1, publ. 27.06.1997). The proposed method describes the manufacture of targets that are used in research on high-energy beams. The method for producing a target from a carbon isotope includes pressing the starting material with the addition of a binder. The billet obtained after pressing is kept in a flow of methane at a temperature of 850-950 ^o C for 1-2 minutes, and then cooled. The method makes it possible to manufacture a target with a natural frame.

Известно изобретение под названием «Способ изготовления мишени для облучения в реакторе», (RU № 2 192 678 C1, публ. 10.11.2002 г.). Этот способ заключается в следующем: получают смесь исходного облучаемого элемента с порошком матрицы добавлением раствора облучаемого элемента в кислоте к порошку матрицы. Затем перемешивают и прокаливают смесь до получения оксидных покрытий облучаемого элемента на поверхности порошка матрицы. После чего насыпают полученную композицию в корпус мишени и герметизируют.Known invention under the name "Method of manufacturing a target for irradiation in a reactor" (RU No. 2 192 678 C1, publ. 10.11.2002). This method is as follows: a mixture of the initial irradiated element with the matrix powder is obtained by adding a solution of the irradiated element in acid to the matrix powder. Then the mixture is stirred and calcined to obtain oxide coatings of the irradiated element on the surface of the matrix powder. Then the resulting composition is poured into the target body and sealed.

Известно изобретение под названием «Способ изготовления мишеней-накопителей», (RU № 2 248 056 C2, публ. 10.03.2005 г.). Способ изготовления мишеней-накопителей трансплутониевых элементов заключается в том, что прессуют пористую матрицу и производят термообработку ее в вакууме. Далее, пропитывают матрицу легколетучей органической жидкостью с температурой кипения 30-80°С при температуре ниже кипения. Нагревают матрицу в объеме экстракта стартового элемента в высокомолекулярной изомерной карбоновой кислоте до полного выкипания легколетучей жидкости. Затем охлаждают матрицу в экстракте до 20-30°С с выдержкой при этой температуре 30-60 минут.Known invention under the name "Method of manufacturing target storage", (RU No. 2 248 056 C2, publ. 10.03.2005,). The method of manufacturing targets-storage devices for transplutonium elements consists in pressing a porous matrix and performing heat treatment in a vacuum. Next, the matrix is impregnated with a highly volatile organic liquid with a boiling point of 30-80 ° C at a temperature below boiling. The matrix is heated in the volume of the starting element extract in a high-molecular isomeric carboxylic acid until the volatile liquid completely boils away. Then the matrix in the extract is cooled to 20-30 ° C with exposure at this temperature for 30-60 minutes.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели, является порошковая мишень, используемая при исследовании упругого рассеяния (Carol J. Нarvey and others, Elastic π⁺and π^-scattering on¹⁴C at 164 Mev. Physical Review C, 1986, V.33, N 4, pp. 1454-457). Авторы работы используют П-образное основание из нержавеющий стали, а порошок насыпают в специальную ячейку-контейнер, также изготовленную из нержавеющей стали. Затем крепят ячейку-контейнер на П-образное основание и закрывают заглушкой. Конструкция описанной мишени позволяет ее использовать для ядерно-физических исследований при высокой энергии пучка заряженных частиц.The closest to the proposed utility model is a powder target used in the study of elastic scattering (Carol J. Harvey and others, Elastic π ⁺ and π ^- scattering on ¹⁴ C at 164 Mev. Physical Review C, 1986, V.33, N 4 , pp. 1454-457). The authors of the work use a U-shaped base made of stainless steel, and the powder is poured into a special container cell, also made of stainless steel. Then the container cell is attached to the U-shaped base and closed with a plug. The design of the described target allows it to be used for nuclear physics research at a high energy of a beam of charged particles.

Общими недостатками известных способов является сложность изготовления мишеней и нарушение первоначальной структуры используемого вещества во время изготовления. Также, недостатками являются возможность использования устройств только при одной ориентации мишени, что предопределяет текстуру, и, чаще всего, вне вакуума и при высоких энергиях. Более того, основная часть известных устройств содержит радиоактивные вещества.Common disadvantages of the known methods are the complexity of the manufacture of targets and the violation of the original structure of the substance used during manufacture. Also, the disadvantages are the possibility of using the devices with only one orientation of the target, which predetermines the texture, and, most often, outside the vacuum and at high energies. Moreover, most of the known devices contain radioactive substances.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение является создание порошковой мишени, которая позволит исследовать свойства параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов в порошках в условиях вакуума, генерируемого от всех кристаллографических плоскостей вне зависимости от ориентации мишени без влияния текстуры.The problem to be solved by the proposed technical solution is the creation of a powder target, which will allow studying the properties of parametric X-ray radiation of relativistic electrons in powders under vacuum conditions generated from all crystallographic planes regardless of the target orientation without the effect of texture.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемой порошковой мишени для исследования свойств параметрического рентгеновского излучения релятивистских электронов, содержащей основание, ячейку-контейнер, порошок и крепежные отверстия, причем, основание изготовлено из материала, состоящего из легких элементов, в виде пластины, а выполненное в нем отверстие представляет собой ячейку-контейнер с порошком, запечатанную с двух сторон майларовой пленкой. Кроме того устройство дополнительно включает круглое центровочное отверстие, обеспечивающее необходимое положение пучка для осуществления взаимодействия с мишенью.The problem is solved using the proposed powder target for studying the properties of parametric X-ray radiation of relativistic electrons, containing a base, a container cell, powder and fastening holes, moreover, the base is made of a material consisting of light elements, in the form of a plate, and a hole made in it is a cell-container with powder, sealed on both sides with Mylar film. In addition, the device additionally includes a circular centering hole that provides the necessary position of the beam for interaction with the target.

Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в том, что в процессе исследования свойств параметрического рентгеновского излучения порошок в ячейке-контейнере распределяется случайным образом, что позволяет получить сигнал от всех кристаллографических плоскостей мишени при различной геометрии без влияния текстуры. А использование тонкой майларовой пленки, прозрачной для ПРИ, обеспечивает выход полезного сигнала из мишени и сводит к минимуму искажения спектра. Также майларовая пленка обеспечивает возможность применения мишени в условиях вакуума и позволяет сохранить герметичность мишени при перепадах давления. Также, преимуществом является отсутствие радиоактивных веществ, возможность использования в условиях вакуума как при высоких, так и при низких энергиях пучка, а за счет того, что в процессе взаимодействия первоначальная структура не изменяется, мишень можно использовать многократно.The advantage of the proposed utility model is that in the process of studying the properties of parametric X-ray radiation, the powder in the container cell is randomly distributed, which makes it possible to obtain a signal from all crystallographic planes of the target with different geometries without the influence of texture. And the use of a thin Mylar film, transparent for PXR, ensures the output of a useful signal from the target and minimizes spectrum distortion. Also, the Mylar film makes it possible to use the target under vacuum conditions and allows the target to be sealed against pressure drops. Also, the advantage is the absence of radioactive substances, the possibility of using it under vacuum conditions at both high and low beam energies, and due to the fact that the initial structure does not change during the interaction, the target can be reused.

Технический результат заключается в получении параметрического рентгеновского излучения от всех кристаллографических плоскостей вне зависимости от ориентации мишени. The technical result consists in obtaining parametric X-ray radiation from all crystallographic planes, regardless of the orientation of the target.

Полезная модель поясняется чертежом. The utility model is illustrated by a drawing.

Фиг. 1 - схема устройства.FIG. 1 is a diagram of the device.

Устройство состоит из основания 1, ячейки-контейнера 2, порошка 3, майларовой пленки 4, двух крепежных отверстий 5 и круглого центровочного отверстия 6 (Фиг. 1).The device consists of a base 1, a container cell 2, a powder 3, a Mylar film 4, two fixing holes 5 and a round centering hole 6 (Fig. 1).

Основание 1 представляет собой пластину, изготовленную из материала, состоящего из легких элементов (Z <= 13), что позволяет уменьшить влияние тормозного излучения и характеристического рентгеновского излучения, образующихся при взаимодействии заряженных частиц гало пучка с частями держателя, на спектр ПРИ. Ячейка-контейнер 2, выполнена в основании 1 в виде прямоугольного отверстия и предназначена для размещения в ней порошка 3. Майларовая пленка 4 представляет собой полимерный материал, которым запечатывается порошок 3 внутри ячейки-контейнера 2 и обеспечивается герметичность устройства. За счет того, что порошок 3 запечатывается майларовой пленкой 4, она может быть использована при любой ориентации и положении, не нарушая своей целостности. Два крепежных отверстия 5 предназначены для установки порошковой мишени на трехосевой вакуумный гониометр (на рисунке не показано). Проделанное в основании 1 круглое центровочное отверстие 6 позволяет осуществлять настройку электронного пучка во время эксперимента, тем самым обеспечивая необходимые параметры процесса облучения. Base 1 is a plate made of a material consisting of light elements (Z <= 13), which makes it possible to reduce the influence of bremsstrahlung radiation and characteristic X-ray radiation generated by the interaction of charged particles of the beam halo with parts of the holder on the PXR spectrum. The container cell 2 is made in the base 1 in the form of a rectangular hole and is intended to accommodate the powder 3. Mylar film 4 is a polymer material that seals the powder 3 inside the container cell 2 and ensures the tightness of the device. Due to the fact that the powder 3 is sealed with a mylar film 4, it can be used in any orientation and position without violating its integrity. Two mounting holes 5 are intended for mounting a powder target on a three-axis vacuum goniometer (not shown in the figure). A circular centering hole 6 made in the base 1 makes it possible to adjust the electron beam during the experiment, thereby providing the necessary parameters for the irradiation process.

Работает устройство следующим образом:The device works as follows:

После того как в основании 1 проделаны необходимые отверстия: ячейка-контейнер 2, два крепежных отверстия 5 и круглое центровочное отверстие 6, — одна сторона ячейки-контейнера 2 с помощью метилакрилатного клея запечатывается майларовой пленкой 4. Затем в запечатанную с одной стороны ячейку-контейнер 2 насыпают необходимое количество порошка 3 и также запечатывают майларовой пленкой 4. Далее порошковая мишень с помощью двух крепежных отверстий 5 устанавливается на трехосевой вакуумный гониометр, расположенный внутри вакуумной камеры (на рисунке не показано). После этого, вакуумная камера закрывается и осуществляется процесс откачки воздуха. Давление в вакуумной камере должно составлять порядка 10^-6 торр. После того, как давление в вакуумной камере достигнет рабочего значения, электронный пучок вводится в вакуумную камеру, центруется с помощью центровочного отверстия 6 и сдвигается в такое положение, при котором будет осуществлено взаимодействие порошка 3 мишени с пучком электронов. В результате такого взаимодействия, за счет того, что порошок 3 распределяется внутри ячейки-контейнера 2 случайным образом, генерируется параметрическое рентгеновское излучение от всех кристаллографических плоскостей, которое регистрируется детектором.After the necessary holes have been made in the base 1: container cell 2, two fastening holes 5 and a round centering hole 6, one side of the container cell 2 is sealed with Mylar film 4 using methyl acrylate glue 4. Then into the container cell sealed on one side 2, the required amount of powder 3 is poured and also sealed with Mylar film 4. Next, the powder target is mounted on a three-axis vacuum goniometer located inside the vacuum chamber using two fastening holes 5 (not shown in the figure). After that, the vacuum chamber is closed and the air evacuation process is carried out. The pressure in the vacuum chamber should be on the order of 10 ^-6 torr. After the pressure in the vacuum chamber reaches the working value, the electron beam is introduced into the vacuum chamber, centered using the centering hole 6 and shifted to a position at which the target powder 3 interacts with the electron beam. As a result of this interaction, due to the fact that the powder 3 is randomly distributed inside the container cell 2, parametric X-ray radiation is generated from all crystallographic planes, which is recorded by the detector.

Пример.Example.

Для исследования свойств, возникающего параметрического рентгеновского излучения из оргстекла было изготовлено основание 1 в виде пластины толщиной 1 мм, шириной 30 мм и длиной 70 мм. Ячейка-контейнер 2, была выполнена в основании 1 в виде прямоугольного отверстия размером 10×20 мм, в котором был размещен порошок 3. В качестве порошка 3 был использован вольфрамовый порошок с размерами зерен 0.8–1.7 мкм. Майларовая пленка 4 представляет собой полимерный материал толщиной 20 мкм, которым был запечатан порошок 3 внутри ячейки-контейнера 2. Таким образом была обеспечена герметичность предлагаемой полезной модели. Далее порошковая мишень с помощью двух крепежных отверстий 5 была установлена на трехосевой вакуумный гониометр, расположенный внутри вакуумной камеры (на рисунке не показано). После этого, вакуумная камера была закрыта, и был осуществлен процесс откачки воздуха. Давление в вакуумной камере составляло порядка 10^-6 Торр. Затем электронный пучок вводился в вакуумную камеру, центровался с помощью круглого центровочного отверстия 6 и устанавливался в такое положение, при котором было осуществлено взаимодействие порошка 3 мишени с пучком электронов. В результате такого взаимодействия генерировалось параметрическое рентгеновское излучение, спектрально-угловые характеристики которого регистрировались полупроводниковыми рентгеновскими детекторами и были исследованы.To study the properties of the arising parametric X-ray radiation from plexiglass, base 1 was made in the form of a plate 1 mm thick, 30 mm wide and 70 mm long. The container cell 2 was made in the base 1 in the form of a rectangular hole 10 × 20 mm in size, in which powder 3 was placed. Powder 3 was tungsten powder with a grain size of 0.8–1.7 μm. Mylar film 4 is a polymer material with a thickness of 20 microns, which was used to seal the powder 3 inside the container cell 2. Thus, the tightness of the proposed utility model was ensured. Next, the powder target was mounted on a three-axis vacuum goniometer, located inside the vacuum chamber (not shown in the figure), using two fastening holes 5. After that, the vacuum chamber was closed and the air evacuation process was carried out. The pressure in the vacuum chamber was on the order of 10 ^-6 Torr. Then the electron beam was introduced into the vacuum chamber, centered with the help of a circular centering hole 6 and set in such a position at which the interaction of the target powder 3 with the electron beam was carried out. As a result of this interaction, parametric X-ray radiation was generated, the spectral-angular characteristics of which were recorded by semiconductor X-ray detectors and were investigated.

Предлагаемая полезная модель найдет применение в диагностике различных веществ, т.к. позволяет определять размер и структуру кристаллитов, что может являться аналогом метода Дебая – Шеррера. Также технический результат может быть использован при разработке новых методов мониторирования пучков заряженных частиц. Кроме того, на основе параметрического рентгеновского излучения, генерируемого при взаимодействии электронного пучка с предлагаемым устройством, могут быть созданы источники рентгеновского излучения.The proposed utility model will find application in the diagnosis of various substances, since allows one to determine the size and structure of crystallites, which can be analogous to the Debye - Scherrer method. Also, the technical result can be used in the development of new methods for monitoring charged particle beams. In addition, on the basis of parametric X-ray radiation generated by the interaction of the electron beam with the proposed device, X-ray sources can be created.

Claims

A powder target for studying the properties of parametric X-ray radiation of relativistic electrons, containing a base, a container cell, powder and mounting holes, characterized in that the base is made of a material consisting of light elements in the form of a plate, and the hole made in it is a container cell with a powder, sealed on both sides with a Mylar film; in addition, the device additionally includes a round centering hole that provides the necessary position of the beam for interaction with the target.