WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

111

На правах рукописи

Митрофанова юлия львовна

СПЕКТРОМЕТРИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С использованием ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО

МНОГОСЛОЙНОГО ЗЕРКАЛА

Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2008

Работа выполнена в Российском федеральном ядерном центре –

Всероссийском научно-исследовательском институте

экспериментальной физики.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Субботин Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Мхитарьян Леонид Саркисович

ФГУП "РФЯЦ – ВНИИЭФ"

кандидат физико-математических наук

Чхало Николай Иванович

ИФМ РАН

Ведущая организация: ГНЦ РФ ТРИНИТИ «Государственный научный центр Российской Федерации – Троицкий институт инновационных и термоядерных исследова-ний»

Защита состоится “5” июня 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 Института физики микроструктур РАН (603950 Нижний Новгород, ГСП-105, комната).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан “5” мая 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук, К.П. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Рентгеновское излучение (РИ) несет большую информацию о физических процессах, происходящих в плазменных источниках различного типа. Диагностика импульсных плазменных источников по линейчатому спектру РИ в диапазоне энергий квантов от 0,1 до 12 кэВ позволяет определить ионный состав, плотность электронов и температуру плазмы. При изучении физических процессов в короткоживущей высокотемпературной неравновесной плазме сложно до опыта предугадать особенности спектрального состава и выход РИ из источника, так как выход РИ из мишени может отличаться от расчетного на несколько порядков. Это связано с возможным свечением линий примесных атомов элементов конструкционных элементов установки, неоднородной по объему температуры и плотности плазмы, экранировкой излучения холодной периферией плазменного образования и рядом других причин. В подобных экспериментах важно получить информацию о спектре рентгеновского излучения в наиболее широком диапазоне энергий квантов. Актуальность создания надежного спектрографа РИ с широким диапазоном регистрации энергий регистрируемых квантов, с разрешением порядка (1-5)10-2 и с диапазоном регистрации по выходу РИ из источника до нескольких порядков величины вызвана необходимостью рентгеноспектральных измерений при исследовании высокотемпературной плазмы.

Задачи измерения спектра РИ с относительно невысоким спектральным разрешением (не требуется спектроскопическая точность < 10-4) возникают:

  • при исследовании проблемы получения максимальной конверсии ЛИ в РИ, в которой, как правило, используется излучение энергий переходов между уровнями второй и третьей облочек атомов (LM полоса) элементов со средними и большими значениями атомных номеров Z;
  • при верификации численных кодов решения задач равновесной и неравновесной газодинамики по интегральным характеристикам спектра РИ (методы LM и MN (измерение излучения энергий переходов между уровнями третьей и четвертой облочек атомов) спектроскопии);
  • при исследовании спектров LM полосы плотной сильно неидеальной плазмы, создаваемой ультракороткими импульсами ЛИ, с целью сравнения различных моделей расчета непрозрачности плотной горячей плазмы, в том числе с учетом возможного нарушения локального термодинамического равновесия.

Такие задачи возникают в измерениях по исследованию режимов сжатия сферических мишеней, различного типа пинчей.

Целью работы

  1. Проверка применимости изогнутого многослойного зеркала для спектрометрии РИ лазерной плазмы, создание действующего макета рентгеновского спектрографа на базе многослойного цилиндрического зеркала и разработка математического обеспечения, необходимого для оптимизации постановки измерений, обработки и анализа результатов измерений. Основными требованиями к спектрографу являются: широкий диапазон энергий регистрируемых квантов, надежная регистрация при неопределенности выхода РИ из источника на несколько порядков величины, универсальность схемы регистрации, независящая от типа установки, достаточное энергетическое разрешение. Данный прибор предполагается использовать в дорогостоящих измерениях с целью надежного получения экспериментальных данных о спектре и выходе РИ из источника, когда априорная информация о спектре РИ крайне скудна. Такими измерениями, как правило, являются эксперименты на импульсных однократных источниках, включая взрывные эксперименты. По полученным с помощью спектрографа данным можно определить спектральный состав и выход РИ из лазерной плазмы, по отношению интенсивностей зарегистрированных линий можно определить температуру плазмы.
  2. Разработка математического обеспечения, необходимого для оптимизации постановки измерений, обработки и анализа результатов измерений.

Научная новизна

Разработан и экспериментально проверен макет широкодиапазонного спектрографа РИ на базе многослойного цилиндрически изогнутого зеркала и математическое обеспечение прибора, не имеющие на момент создания зарубежных и отечественных аналогов.

Практическая значимость.

Практическая значимость заключается в следующем

  1. Разработанный спектрограф позволяет использовать фотоприемники с небольшим динамическим диапазоном регистрации, например, рентгеновскую пленку, и размещать спектрограф на большом удалении от источника.
  2. Спектрограф не требует сложной настройки.
  3. Обладает приемлемым энергетическим разрешением.
  4. Нормировка результатов на измерения с полупроводниковых детекторов позволяет зарегистрировать не только спектральный состав, но и абсолютный выход РИ из источника.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Разработанные и программно реализованные методами аналитической геометрии и векторного анализа алгоритмы, позволяющие моделировать измерения на спектрографе, что позволяет оптимизировать постановку измерений РИ, обработать и проанализировать полученные результаты.
  2. Действующий макет спектрографа на многослойном цилиндрически изогнутом зеркале состава Ni/C для диапазона энергии падающих квантов (1,152,65) кэВ.
  3. Результаты проведения, обработки и анализа спектральных рентгеновских измерений на установке ИСКРА5 в диапазоне (1,152,65) кэВ с энергетическим разрешением 2-2,5%.

Личный вклад автора в полученных результатах

  1. Равнозначный с Гусихиний И.А. в разработку алгоритмов расчета аппаратной функции спектрографа и светосилы прибора для объемного изотропного источника монохроматического РИ и основополагающий в их программную реализацию [A1,A2,A4].
  2. Равнозначный с Субботиным А.Н. в разработку и основополагающий в программную реализацию алгоритмов привязки энергетической шкалы и обработки результатов измерений [A6,A7,A8].
  3. Равнозначный с Субботиным А.Н в разработку процедуры абсолютной нормировки измерений выхода РИ посредством специальных измерений на полупроводниковых детекторах с различными фильтрами перед ними. [A7].
  4. Основной вклад в проведение тщательного анализа для выбра основных элементов спектрографа: многослойное зеркало, светозащитные и поглощающие фильтры [A1,A2,A5].
  5. При непосредственном участии автора поставлены, проведены спектральные измерения на установке ИСКРА5 и при основополагающем его вкладе (совместно с Субботиным А.Н.) обработаны и проанализированы [A3,A6,A7, A8].

В совместных работах научному руководителю принадлежат постановка задач по разработке алгоритмов расчета основных параметров спектрографа и обработки результатов измерений. Проведение измерений, разработка и программная реализация алгоритмов по расчетам параметров спектрографа и обработки результатов измерений принадлежат автору диссертации.

Апробация полученных результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались на международных, национальных и всероссийских конференциях и совещаниях: симпозиумах «Рентгеновская оптика -2002-2004» (Нижний Новгород, 2002, 2003 гг., Черноголовка, 2004 г.); XIV международной конференции «СИ-2002» (Новосибирск, 2002 г.); IV национальной конференции «РСНЭ-2003» (Москва, 2003 г.); XV и XVI международных конференциях «СИ-2004, 2006» (Новосибирск, 2004, 2006 гг.); симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника – 2005, 2006», (Нижний Новгород, 2005-2006 гг.); XXI конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах и сборниках, 1 публикация в сборинике материалов симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника -2005».

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 124 страницы, включая 62 рисунка и 18 таблиц. Спискок цитируемой литературы включает 60 наименований, список публикаций автора по теме диссертации – 8 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, а также представлены сведения о структуре и содержании работы, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены теоретические основы спектрометрии РИ при помощи диспергирующих элементов, соотношения позволяющие рассчитать коэффициент отражения рентгеновского излучения от многослойного зеркала.

Во второй описана принципиальная схема рентгеновских измерений спектрографом на базе изогнутого многослойного зеркала. Выделены основные характеристики спектрографа, необходимые для обработки результатов измерений.

Источник и приемник в выбранной редакции измерений располагаются вне круга Роуланда, что позволяет использовать спектрограф на различных расстояниях от источника и обеспечивает компактность прибора. В состав спектрографа входят МЗ состава Ni/C с периодом 2.8 нм, длиной 7 см, радиусом изгиба R= 40 см; светозащитный фильтр перед зеркалом состава 3 мкм лавсана и 0.27 мкм Al, перед пленкой светозащитный фильтр состава лавсан толщиной 3.5 мкм и 0.1 мкм Al, в качестве дополнительных поглотителей для повышения динамического диапазона использовался лавсан толщиной 10 и 20 мкм, реперным фильтром служил Al толщиной 7 мкм.

Фоторегистратором служила рентгеновская пленка УФ-4. Вид спектрографа сверху представлен на рис. 1.Для создания широкодиапазонного спектрографа использовалось цилиндрическое МЗ. При изгибе зеркала увеличения диапазона регистрации происходит за счет увеличения интервала углов скольжения.

Рис. 1 – Спектрограф, вид сверху.

Проведены оценки и показано, что схема с цилиндрически изогнутым зеркалом в выбранной редакции измерений обладает практически на порядок большей обзорностью, чем такой же спектрограф с плоским зеркалом. Методом рентгеновской зеркальной дифракции определялись параметры зеркала: период, отношение толщин слоев, среднеквадратичная высота шероховатостей. Для этого измерялась кривая качания плоского МЗ по всей длине на линии К меди с энергией квантов Е=8.006 кэВ. Измерения проводились в ИЯФ (г. Новосибирск). В июне 2006 г. были проведены новые измерения в ИФМ РАН (г. Нижний Новгород). Измерения проводились на линии К алюминия с энергией квантов Е=1.47 кэВ. В отличие от предыдущих измерений, снимались поперечные сканы по всей поверхности изогнутого зеркала с шагом 10 мм. Для определения характеристик зеркала проводились расчеты кривой качания при различных параметрах зеркала по разработанной автором программе. Параметры, при которых наблюдалось наилучшее совпадение с экспериментом, принимались за характеристики зеркала. Сравнивая данные, полученные в результате обработки измерений в ИЯФ и ИФМ на различных энергиях, можно сказать, что параметры зеркала имеют удовлетворительное согласие и равны: период d=2.8 нм, среднеквадратичная высота шероховатостей =0.5 нм, отношение слоев B=0.45, число слоев N=50. Показано что изгиб зеркала не влияет на его параметры.

Проведены измерения конструктивно заданного угла скольжения в центр зеркала равного 70. Для этого в одном из экспериментов рентгеновская пленка устанавливалась таким образом, что на фоторегистраторе видно не только РИ, отраженное от зеркала, но и прямо прошедшее излучение. Измеряя расстояние между отпечатками прямо прошедшего и отраженного излучений можно определить угол скольжения излучения в центр зеркала. После обработки спектрограммы измеренное расстояние соответствует углу 7.030, что в пределах погрешности измерений соответствует конструктивно заданному углу 70.

С помощью методов векторного анализа получены соотношения для расчета светосилы и аппаратной функции спектрографа в трехмерной геометрии для объемного изотропного источника произвольной формы.

Определение 1. Определим светосилу прибора как отношение числа зарегистрированных квантов к числу испущенных из источника.

Рассмотрим изотропный, однородный и монохроматический источник с единичным выходом в 4 из всего объема. Плотность потока квантов на зеркале равна

,

где V – объем источника, – угол падения частиц на зеркало, r – расстояние от точки источника до точки рассеяния на зеркале. При зеркальном отражении число отраженных квантов равно интегралу по поверхности зеркала S от произведения плотности потока на коэффициент отражения k(), – угол скольжения частиц на зеркало.

Если все отраженные от зеркала кванты попадают на приемник, то равна:

. ()

В цилиндрических координатах интеграл (1) имеет вид:

, ()

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»