SU1513528A1

SU1513528A1 - Способ генерации монохроматического направленного рентгеновского излучени

Info

Publication number: SU1513528A1
Application number: SU874227556A
Authority: SU
Inventors: Димитрий Ильич Адейшвили; Сергей Владимирович Блажевич; Георгий Леонидович Бочек; Василий Иванович Кулибаба; Василий Петрович Лапко; Виктор Леонидович Мороховский; Геннадий Леонидович Фурсов; Александр Васильевич Щагин
Original assignee: Предприятие П/Я В-8851
Priority date: 1987-04-13
Filing date: 1987-04-13
Publication date: 1989-10-07

Abstract

Изобретение относитс к технике генерировани рентгеновского направленного излучени и может быть использовано в рентгеновской и дерной спектроскопии дл селективного возбуждени атомных и дерных уровней, структурного анализа вещества, калибровки спектрометрической аппаратуры и т.д. Способ основан на взаимодействии пучка ускоренных электронов с монокристаллом и дает возможность получать пучок монохроматического рентгеновского излучени с плавно перестраиваемой энергией. Цель изобретени - расширение диапазона регулировани энергий излучени TΩ от м гкого рентгена до м гкого γ-излучени , повышение степени монохроматичности рентгеновского излучени и понижение вклада непрерывного фона при понижении требований к качеству электронного пучка, повышение точности настройки источника на заданную энергию излучени при упрощении способа перестройки энергии излучени и обеспечение возможности повышени интенсивности излучени путем увеличени толщины мишени. Канал формировани излучени фиксируют под углом Θ_K(ϕ/2*22О_кμс²/ε) к направлению пучка электронов, а в точке пересечени его с осью пучка электронов устанавливают монокристалл так, чтобы его семейство плотноупакованных плоскостей было перпендикул рно плоскости реакции, заданной направлени ми пучка электронов и каналом коллимировани излучени (ML² - энерги поко электрона, ε - энерги ускоренных электронов). Поворачива кристалл вокруг оси, перпендикул рной плоскости реакции, устанавливают это семейство плоскостей кристалла по отношению к направлению пучка электронов под углом Ф, расчетна формула которого приведена в формуле изобретени . С целью достижени максимальной интенсивности излучени угол Θ_к и параметр решетки кристалла D выбирают такими, чтобы вариаци параметра Ф осуществл лась при значени х Ф ближе к Θ_к/2. При этом возникают услови , необходимые дл возбуждени пучком электронов в кристалле состо ни электромагнитного пол в периодически неоднородной среде, именуемого пенделезунгом (термин "пенделезунг" введен Эвальдом при описании дифракции рентгеновского излучени в кристаллах), причем механизм излучени вл етс тормозным. Кроме указанных свойств, излучение вл етс линейно пол ризованным. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

315135284

1тр№1ем механизм излучени вл етс излучение вл етс линейно пол ризотормозным . Кроме ут азанных свойств.

ваннымо 1 ЗоПоф-лы, 2 ил.

Изобретение относитс к технике генерировани рентгеновского направленного излучени и может быть исползовано в рентгеновской спектрометрии дл селективного возбуждени атомных и дерных уровней, дл структурного анализа вещества, калибровки рентгеновской спектрометрической аппаратуры .

Цель изобретени - расширение диапазона .регулировани энергий излз че НИЛ h со от м гкого рентгена до м гкого J -излучени ; повьшение степени монохроматичности рентгеновского из- лугшни и понижение вклада непрерывного фона при одновременном существенном понижении требований к качеству электронного пучка - ширине спектра и расходимости; повышение точности настройки источника на заданную энергию излучени ti 03 при одновременном упрощении способа перестройки источника по энергии фотонов (энергии излучени ); обеспечение воз можности повьшени интенсивности излучени путем увеличени толщины мишени , а также достижение максимально интенсивности излучени .

На фиг, 1 показана схема экспери- мента; на фиг, 2 - измеренный спектр излучени дл случа , когда энерги электронов 24 мэВ, а угол излучени ,

На схеме изображены гониометр 1, отклон ющий магнит 2, фотонные коллиматоры 3 и полупроводниковый рентгеновский спектрометр 4.

Пусть мы имеем монокристалл хорошго качества (вещество не имеет зна- чени ), который вырезан так, что представл ет собой пластинку, плотность которой близка к кристаллографической плоскости кристалла с низкими индексами Миллера. Монокристал- лическую пластинку помещают в гониометр с трем ортогональными ос ми вращени . Гониометр помещают в ваку : Мну1о камеру ускорител электронов так, чтобы одна из осей вращени бы- ла направлена вдоль оси пучка рел тивистских электронов. При этом монокристаллическа пластинка располагаетс перпендикул рно направлению

пучка. Направление потока излучени , генерируемого ускоренными электронами в кристалле, задаетс системой коллиметров, создающих канал коллими ровани под углом б к направлению падающего на кристалл пучка электронов С/1Г/2 0,( 0) е Одну из осей гониометра , ортогональных направлению пучка, удобно установить перпендикул рно к плоскости, заданной направлением пучка ускоренных электронов и направлением канала формировани излучени (т.е. перпендикул рно плоскости реакции). Углы поворотов вокруг осей гониометра обозначают следующим образом; о - угол поворота кристалла вокруг оси, параллельной направлению электронов , ф - угол поворота кристалла вокруг оси, ортогональной плоскости реакции; (f - угол поворота кристалла вокруг третьей оси гониометра, ортогональной направлению пучка электронов и параллельной плоскости реакции.

Закон сохранени энергии-импульса дл рентгеновского излучени рел - вистских электронов дл данного процесса в кристалле имеет вид

р р + k + g +СО

(1)

где р - импульс электронов до излучени ; р - дмпульс эле.ктронов излучени ; k - импульс фотона; g - переданный кристаллу импульс, равный вектору обратной решетки кристалла; - энерги электрона до излучени ; - энерги электрона после излучени ; СО - энерги фотон ( в системе единиц, где ti энергии , , СО измер ютс в еди ницах р р, k, g -в единицах nig с, длины в единицах компто- новских длин волн).

Схема вращений гониометра и формировани излучени показана на фиг, 1, Начало отсчета углов об О, ф О и (i О осуществл ют от положени кристалла, когда одна из его главных осей е, направлена вдоль ос пучка электронов, а втора ось е

перпендикул рна плоскости реакции

.J iK i.k 1, 2, 3). Из . соотношени (1) следует,что в таком случае максимумы интенсивности рентгеновского излучени под углом 6 наблюдают дл импульсов отдачи кристаллу, рав- ныз вакторам g, дп которых g (в7 е7) . О, (g;- (f, ё))о Согласно (1) дп фиксированных углов oi, , ц, фиксированной энергии электронов . ,фиксированного вектора g получают только одно значение энергии фотона , ДСО - ширина спектра излучени опреде10

невысока точность определени эн гии электронов не вли ет на точно определени энергии монохроматиче ких фотсшов G3 о Точность определе СО получают в основном с помощью т ности измерени углов ф и б и дл указанных выше значени параметров ,0,6 составл етЛСО/О) г 10 -10 Ширина спектра. определ етс диф ренцированием вьфажени (3) побц; йСО G3g|, &0. Из динамики процесс следует, что интенсивность в макс муме спектра рентгеновского излуч

л етс исключительно углом захвата кол- 5 ни достигаетс при значении угла лиматора йО.. Если в качестве мишени использовать монокристалл кремни и выбрать векторы g 111 или g

-г

ч-Э

:220, то при углах Sj,- 10 10- рад; об 0; , ф 10 - рад можно получить максимум излз чени с энергией в интервале 10 - 500 кэВ. Из законов сохранени энергии- импульса (1) вытекает следующа зависимость

-g sin((w(1-cos ©к +

20

lpsQ/2, т.е. при выполнении услови Брегга дл излучаемых фотонов. По этому дл получени интенсивного и точника излучени угол должны варьировать вблизи значени 6/2.

Выражение -g sinr +gj sinlf пред ставл ет скал рное произведение (g, п) в ортогональной системе ко

динат

(е;

25

е), св занной с крист

лом и расположенной так, чтобы е, ло направлено по пучку электронов лежало в плоскости излучени ; ( (р при этом вл ютс углами поворо тов кристалла вокруг осей е и е ответственно.

+ 1/25).

(2)

При малых углах ф и . Cj и фиксированных б,( , Q , g и 5. 10 мэВ, зависимость PQ а (ф) очень близка к линейной. Совокупность этих линий дл разных векторов образует карту плоскостей кристалла. Поворот кристалла на угол ci приводит к повороту всей карты в плоскости координат tf , Ф как целого. Это дает возможность , контролиру , подобрать такое значение угла, дл которого проекци выбранного вектора обратной решетки (g, е) обращаетс в нуль, при этом лини равного со параллельна оси соответствующей углам Ф. Тогда энерги в максимуме спектра может быть найдена по упрощенному вирианту формулы (2)

-Ф

00

- S-SiBl

7

(3)

1-cos6 4-1/25

где g d - рассто ние межд плоскост ми в выбранном семействе плоскостей, соответств уюш га; вектору g; flc компт оновска длина волны;

( Д 3-fi-IOсм ) и и измер ютс

в единк 1,ах кэВ,

Если энерги электронов в настоль1 26

ко велика, что 1 - 2

то

невысока точность определени энергии электронов не вли ет на точность определени энергии монохроматических фотсшов G3 о Точность определени СО получают в основном с помощью точности измерени углов ф и б и дл указанных выше значени параметров ,0,6 составл етЛСО/О) г 10 -10 о Ширина спектра. определ етс дифференцированием вьфажени (3) побц; ; йСО G3g|, &0. Из динамики процесса следует, что интенсивность в максимуме спектра рентгеновского излуче-

ни достигаетс при значении угла

lpsQ/2, т.е. при выполнении услови Брегга дл излучаемых фотонов. Поэтому дл получени интенсивного источника излучени угол должны варьировать вблизи значени 6/2.

Выражение -g sinr +gj sinlf пред- -. ставл ет скал рное произведение (g, п) в ортогональной системе координат

(е;

е), св занной с кристал-

лом и расположенной так, чтобы е, было направлено по пучку электронов, а лежало в плоскости излучени ; (f , (р при этом вл ютс углами поворотов кристалла вокруг осей е и е соответственно .

Канал формировани излучени фиксируют под произвольным углом

©.

к

направлению пучка электронов в пре м /л гпеС ., (- Делах - 9, -g- (где t - энерги электронов; т - масса электрона; с - скорость света), а в точке пересечени канала с осью пучка электронов устанавливают кристалл так, чтобы проекци вектора обратной решетки кристалла g(g 2 ir Ag/d, где АС 3 861 см, d - межплоскостное рассто ние, на направление ка электронов равн лась

/- 1i Q

(S ш;

(1-cos

s

2g2 Ь

и в канале формировани фотоны с заданной энергией ti оз .

50 Возможность создани источника по предлагаемому способу проверена на пучках линейных ускорителей при энергии электронов 24 мэВ и 1200 мэВ. В качестве мишени использ уют мо55 нокристалл кремни толи1иной 240 мкм, плоскость которого (111) перпендикул рна плоскости реакции и составл ет угол 8,5° по отношению к направлению пучка электронов. Спектры

излз 1ени измер ютс кремний-литиевым детектором с разрешением 230 эВ. Результаты измерений(фиг.2) пока;зывают5 что интенсивность излучени в максимз е, обусловленном параметрическим механизмом излуче- ни (2-й максимум примерно на пор док больше, чем интенсивность ХРИ из того же кристалла - 1-й макси-tO

мум). Калибровка спектрометра с помощью предлагаемого источника сравниваетс с калибровкой с помощью стандартных источников. Сравнение приводит к вьшоду, что калибровки полно- 15 стью совпадают, т.е. метод дает возможность задавать абсолютное значение энергии фотонов в максимуме без сравнени с другими эталонами. Аналогичные спектры получены при энергии 20 фотонов 300 кэВ на пучке электронов с энергией 1200 мэВ при угле б , 2ПО рад.

Таким образом, . на пучке электронов с произвольной фиксированной25 энергией б ™6 использовании произвольного монокристалла с известным параметром решетки d предлагае- мьш способ генерации моноэнергети- ческого Направленного рентгеновского 30 излз чени дает возможность плавно пе- - рестраивать энергию источника от 10 кэВ до 1 МэБ путем дискретного изменени угла б к и непрерывного изменени угла Ф ; устанавливать энергию з фотонов в максимуме спектра с точ- ностью ДО /со 10 - 10. При этом точность установки энер- гии фотонов тем выше, чембц WgC , как следует из формулы (3) йСО /со -40 максимально в области м гкого рентгена (требуютс пучки электронов с ординарными параметрами; ширина спектра электронов может быть ,05, а расходимость 10 рад)с 45

Предлагаемый способ осуществл ет . плавнз то перестройку источника по энергии фотонов путем изменени угла ориентации кристалла . При этом точность перестройки определ етс гг.

соотношением Д / 0 , т.е. точностью гониометра и расходимостью пучка. Соотношение может принимать значени . Такой способ перестройки энергии источника вл етс бо- 5 лее простым н гарантирует более высокую точность. Кроме того, он повышает интенсивность излучени в максимуме спектра путем нара1 (ивани толщины мишеНи. При этом интенсивность в максимуме спектра растет с толщиной кристалла по логарифмическому закону , а ширина пика достигает определенного предела и далее с увеличением толщины кристалла не увеличиваетс . В отличие от известного способа , где возможно применение кристаллов только с толщинами пор дка нескольких микрон, в предлагаемом способе генерации излучени толщины монокристаллической мишени могут достигать достаточно большой величины вплоть до величины пор дка сантиметра .

Claims

1. Способ генерации монохроматического Направленного рентгеновского излучени , основанный на взаимодействии ускоренных электронов с монокристаллической мз-ппенью и расположении канала формировани рентге-: новского излучени под углом 0|-

7-- к направлению пучка электронов

п (fn| t), о тлич ающийс тем, что, с целью расширени диапазона регулировани излучени ti СЛ , повьш1ени степени монохроматичности рентгеновского излучени и понижени вклада непрерьшного фона при понижении требований к качеству электронного , повьштени точности нартройки источника на заданную энергию излучени ti to при упрощении способа перестройки энергии излучени и обеспечени возможности повышени интенсивности излучени пу тем увеличени толщины мишени, канал формировани излучени фиксируют

п ШеС

под произвольным углом :- К

направлению пучка электронов ii (где с энерги электронов; е масса электрона, с - скорость света), а монокристаллическз та мишень устанавливают так, чтобы проекци вектора обратной решетки монокристалла g (|gf , где А 3.861 t10 см, d - межплоскостное рассто ние ) на направление пучка электронов определ лась выражением

со

2 4

UJ , .п Ш с ч

--; (1-cos0,+ -,7 ).

ШрС

151352810

2, Способ по п. 1, отличаю- риаци угла поворота монокристалла щ и и с тем, что, с целью достиже- относительно оси, ортогональной плоени максимальной интенсивности излучени , угол вц и межплоскостное рассто ние d выбирают такими, чтобы вакости излучени , осуществл лась при значени х, близких к 6 /2,

woo ,ВКэВ

g

I 500

риаци угла поворота монокристалла относительно оси, ортогональной плое

кости излучени , осуществл лась при значени х, близких к 6 /2,

фиг.

ЦЗКэВ