Цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения
Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для изучения спектрального состава мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение диапазона регистрации МРИ по энергии и размерам изображений источника, повышение надежности работы спектрографа. Технический результат в цифровом спектрографе МРИ, содержащем расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, механически связанный с кристаллом-анализатором, установленным на пути прохождения МРИ, и с ПЗС-датчиком, установленным на пути отраженного от кристалла-анализатора МРИ, ПЗС -датчик электрически соединен через кабельную линию связи с блоком управления ПЗС-датчиком, выход которого через волоконно- оптическую линию связи (ВОЛС) соединен со входом персонального компьютера (ПК), ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника, достигается тем, что в спектрографе блок охлаждения термохолодильника выполнен в виде теплоаккумулятора, например, на основе LiNO3, блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса.
Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для изучения спектрального состава мягкого рентгеновского излучения (МРИ).
Известен спектрограф рентгеновского излучения (РИ) (1, пат. РФ №1734480 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ), позволяющий осуществлять регистрацию РИ из разных областей спектра без механической юстировки дифракционной решетки и детектора. У этого спектрографа отсутствует возможность регистрации линейчатого спектра однократных или редко повторяющихся импульсов РИ в широком спектральном диапазоне и их пространственного распределения.
Во многих исследованиях требуется одновременно получать информацию о спектре и пространственном распределении достаточно слабых источников рентгеновского излучения, при этом к регистрирующей аппаратуре предъявляются требования автоматизированной регистрации и быстрой обработки экспериментально полученной информации. Задача разработки цифрового спектрографа мягкого рентгеновского импульсного излучения на основе сферического кристалла и ПЗС-регистратора с возможностью вывода информации на персональный компьютер, расположенный на расстоянии не менее 50 м от спектрографа, является актуальной.
В патенте (2, РФ №2177629) рассмотрен спектрограф РИ, содержащий термолюминесцентные детекторы и фильтры РИ. У такого спектрографа отсутствует возможность регистрации линейчатого спектра РИ, автоматизированного сбора информации.
В патентах США (3, №№6,445,767; 6,031,892), использующих ПЗС- регистраторы, рассмотрены спектроскопические системы для медицинской радиографии. Это приборы другого назначения, в них отсутствует рентгеновский кристалл - анализатор и в этой связи они не могут быть использованы для регистрации линейчатого спектра РИ.
В патенте (4, США №5,978,444) рассмотрено устройство, содержащее источник РИ, плоский кристалл протеина и ПЗС-регистратор, который осуществляет прямую регистрацию рассеянного от кристалла РИ. Прибор осуществляет регистрацию внутренней структуры кристалла протеина и не может быть применен для регистрации спектра РИ.
В спектрографах рентгеновского излучения (РИ) датчики РИ, в качестве которых в настоящее время используются ПЗС-датчики, должны надежно работать в условиях вакуума. Для этого ПЗС- датчики снабжены микрохолодильниками и, кроме того, вводится система охлаждения микрохолодильника, способная функционировать в условиях глубокого вакуума не менее 1 часа.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является цифровой спектрограф МРИ (5), содержащий расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, механически связанный с кристаллом- анализатором, установленным на пути прохождения МРИ, и ПЗС-датчиком, установленным на пути отраженного от кристалла-анализатора МРИ, электрически ПЗС -датчик через кабельную линию связи соединен с блоком управления ПЗС- датчиком, выход которого через ВОЛС соединен со входом персонального компьютера, ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника, представленный в журнале (5, Proceedings SPDE v.4504, 2001, pp.240-252. - спектрограф лаборатории CELIA (Франция)). Регистрация спектра РИ здесь осуществляется с помощью рентгеновского ПЗС-регистратора типа MTE/CCD-1024SB. В спектрографе-прототипе принудительное охлаждение термохолодильника осуществляется с помощью жидкости (воды), для чего
предусмотрен узел ввода в вакуум охлаждающей жидкости и гибкие шланги для подвода охлаждающей жидкости к блоку охлаждения термохолодильника.
В состав спектрографа-прототипа также входят блок управления ПЗС-датчиком, который размещен вне вакуумного корпуса и электрически соединен с ПЗС -датчиком через кабельную линию связи, и персональный компьютер с линией связи. В спектрографе- прототипе используется способ прямой регистрации рентгеновского излучения ПЗС-матрицей. ПЗС-датчик РИ устанавливается внутри вакуумной камеры.
Основной недостаток спектрографа-прототипа заключается в следующем. Подвод охлаждающей жидкости к блоку охлаждения термохолодильника осуществляется по гибким шлангам, так как ПЗС- датчик должен перемещаться внутри вакуумного объема. Это является рискованным действием, потому что в случае разрыва шлангов или появления течи в местах их соединения с узлом ввода в вакуум охлаждающей жидкости или с блоком охлаждения термохолодильника жидкость может попасть в вакуум и вывести из строя систему откачки. Для использования гибких шлангов требуется выполнение специальных отверстий в корпусе спектрографа, что является дополнительной нагрузкой на систему откачки. Наличие в спектрографе узла ввода в вакуум охлаждающей жидкости, системы прокачки охлаждающей жидкости, расположенной вблизи корпуса спектрографа, требуют отдаления блока управления ПЗС- датчиком от корпуса. Поэтому кроме электрического кабеля связи внутри корпуса используется еще внешний электрический кабель связи между внутренним электрическим кабелем связи и блоком управления ПЗС- датчиком, соединенные между собой с помощью вакуумноплотного многоштырькового разъема. Электромагнитные наводки, действующие на длинный, составной кабель связи, приводят к искажению результатов измерений.
Кроме того, перемещение датчика внутри вакуумного объема ограничивается длиной и габаритами гибких шлангов для подвода охлаждающей жидкости (например,
допустимым радиусом изгиба шланга) и узла ввода в вакуум охлаждающей жидкости.
Это, в свою очередь, приводит к ограничению диапазона регистрации МРИ, как по энергии, так и по размерам изображений источника РИ.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение диапазона регистрации МРИ по энергии и размерам изображений источника, повышение надежности работы спектрографа.
Технический результат в цифровом спектрографе МРИ, содержащем расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, механически связанный с кристаллом-анализатором, установленным на пути прохождения МРИ, и с ПЗС-датчиком, установленным на пути отраженного от кристалла-анализатора МРИ, ПЗС -датчик электрически соединен через кабельную линию связи с блоком управления ПЗС-датчиком, выход которого через волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) соединен со входом персонального компьютера (ПК), ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника, достигается тем, что в спектрографе блок охлаждения термохолодильника выполнен в виде теплоаккумулятора, например, на основе ЫМОз, блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса. Существо предлагаемой полезной модели заключается:
- в расширении возможностей перемещения ПЗС- датчика относительно кристалла -анализатора как по расстоянию, так и по углу, что повышает диапазон регистрации МРИ по энергии и размерам изображений источника;
- в отсутствии внутри корпуса шлангов с охлаждающей жидкостью и в отсутствии отверстия в корпусе для гибких шлангов, что повышает надежность работы спектрографа, облегчает работу системы откачки и даже срок службы спектрографа;
- в обеспечении возможности расположения блока управления ПЗС- датчиком на внешней поверхности корпуса, что исключает необходимость внешнего электрического
кабеля связи между ПЗС-датчиком и блоком управления, в результате чего снижаются электромагнитные наводки.
Блок-схема предлагаемого цифрового спектрографа МРИ представлена на фиг.1. Принятые обозначения. Источник рентгеновского излучения обозначен позицией 1. Спектрограф содержит коллиматор 2 гониометр 3, кристалл-анализатор 4, изогнутый по сфере, ПЗС-датчик 5, термохолодильник 5а, теплоаккумулятор 6, внутреннюю кабельную линию связи 7, многоштырьковый вакуумный разъем 8, блок управления 9 ПЗС-датчиком, волоконно-оптическую линию связи 10 и ПК 11.
В спектрографе использованы выпускаемые промышленностью элементы: гониометр - производство ООО "Александр" (г. Рязань), рентгеновский кристалл-анализатор на основе слюды - производство 000 «Александр» (г. Рязань), кабельная линия связи выпускается промышленностью, волоконно- оптическая линия связи (ВОЛС), например, типа ОКА-М6П. ПЗС-датчик 5 с термохолодильником 5а и с блоком управления 9 ПЗС-датчиком образуют ПЗС-регистратор. В данном спектрографе использован ПЗС- регистратор типа СПМ17 (6, разработка заявителя). ПЗС-датчик 5 содержит схемы вывода заряда с ПЗС-матрицы, преобразования его в напряжение и усиления (в формуле не фигурируют и на чертеже не представлены). В блоке управления 9 ПЗС-датчиком осуществляется преобразование информации с помощью АЦП в цифровой код, ее запоминание в ОЗУ (в формуле не фигурируют и на чертеже не представлены) и вывод в ПК 11, например, типа PentiumIV через ВОЛС 10 с помощью интерфейса типа Ethernet. Термохолодильник 5а входит в комплект поставки ПЗС-матрицы типа ISD017, выпускаемой НПП "Электрон - Оптроникс" (г. С-Петербург). Теплоаккумулятор изготавливается на основе химического вещества LiNO3 и поставляется НПП " Электрон -Оптроникс" (г. С-Петербург). Корпус теплоаккумулятора изготавливается из стали, габариты его выбираются, исходя из размеров ПЗС-датчика, размеров вакуумного объема корпуса спектрографа и времени, в течение которого
требуется поддерживать режим охлаждения ПЗС-датчика (примерно в течение 1 часа). При этом одна из сторон корпуса выполняется плоской, механически гладкой и по габаритам сопрягаемой с термохолодильником. Для обеспечения охлаждения термохолодильника 5а термоаккумулятор плотно прижиматся этой стороной к термохолодильнику.
Спектрограф работает следующим образом. Спектрограф может использоваться в двух режимах работы - регистрации спектра и регистрации пространственного изображения источника РИ. В первом случае детектор-ПЗС-датчик помещается на окружности Роуланда (окружность с радиусом равным половине радиуса изгиба кристалл-анализатора, проходящая через центр кристалла и содержащая его оптическую ось), во втором случае блок детектора располагается вне этой окружности
Исследуемый источник 1 испускает рентгеновское излучение. Входной коллиматор 2 выделяет из потока РИ пучок, падающий на поверхность рентгеновского кристалла-анализатора 4. Гониометр 3 осуществляет установку сферического кристалла-анализатора 4 под определенным углом к первичному пучку РИ, установку ПЗС-датчика 5 на заданном расстоянии от кристалла-анализатора 4 и под другим определенным углом к первичному пучку РИ. В режиме регистрации спектра кристалл-анализатор 4 осуществляет преобразование энергетического спектра РИ в пространственный спектр, при котором определенной энергии квантов в пучке РИ соответствует угловое отклонение пучка РИ в пространстве от первоначального направления, который фокусируется в различных точках на окружности Роуланда. Если спектрограф используется в режиме регистрации пространственных изображений, то кристалл-анализатор 4 формирует в определенных точках пространства спектрально-селектированные изображения источника РИ, определяемых соотношением расстояний "источник - кристалл", "кристалл - блок детектора" и радиусом изгиба кристалл-анализатора. ПЗС-датчик 5 осуществляет регистрацию и преобразование отраженного от кристалла - анализатора 4 рентгеновского
излучения, распределенного в пространстве, в электрический аналог, который после усиления передается по внутренней кабельной линии связи 7 через многоштырьковый вакуумный разъем 8 в блок управления 9, в котором осуществляется преобразование электрических сигналов-аналогов в цифровой код, запоминание цифрового кода в ОЗУ. Далее осуществляется передача информации из блока управления 9 ПЗС- датчиком через волоконно-оптическую линию связи 10 в персональный компьютер 11 для визуализации и обработки зарегистрированной информации. В ПЗС-датчике 5 для уменьшения уровня шумовых сигналов установлен термохолодильник 5а, работающий на основе эффекта Пелтье. Для отвода в условиях вакуума тепла от горячей поверхности термохолодильника использован теплоаккумулятор б, который механически плотно к ней прижат. Теплоаккумулятор 6 обеспечивает необходимый температурный режим термохолодильника 5а в вакууме и, следовательно, ПЗС- датчика 5, что подтверждено экспериментально.
Меняя углы наклона сферического кристалл-анализатора и ПЗС-датчика относительно первичного пучка, расстояние от кристалл-анализатора до ПЗС-датчика, можно при заданных радиусе изгиба сферического кристалла и расстоянии от кристалл-анализатора до источника РИ. варьировать в широких пределах спектральный диапазон регистрации РИ, коэффициенты увеличения изображения в сагитальной и меридиональной плоскостях, спектральное разрешение и светосилу спектрографа.
Так, например, для спектрографа с кристаллом из слюды угол наклона кристалла должен варьироваться в пределах 0-45 градусов для обеспечения регистрации РИ в спектральном диапазоне 1,2-19 А°. При регистрации рентгеновских изображений этот угол должен изменяться в пределах вплоть до 90 градусов. В спектрографе- прототипе работать при углах близких к 0 или 90° не удается из-за ограниченных размеров вакуумных камер и ограничений по углу, связанных с габаритами ПЗС-датчика, его системы охлаждения, в том числе, габаритами гибких шлангов для подвода охлаждающей
жидкости, и узла ввода в вакуум охлаждающей жидкости. В предлагаемом спектрографе при фиксированных размерах вакуумируемого корпуса спектрографа удается расширить диапазон углов на ˜10° и, следовательно, расширить спектральный диапазон регистрации РИ, который определяется соотношением Брегга и зависит от типа используемого кристталл-анализатора.
Применение спектрографа для регистрации РИ импульсных источников связано с дополнительными трудностями, вызванными появлением электромагнитных наводок на электрические цепи, в том числе, наводок на кабельные линии связи. Уменьшение длины электрического кабеля связи между ПЗС-датчиком и блоком управления за счет исключения внешней кабельной линии связи приводит к пропорциональному уменьшению уровня этих наводок.
Кроме того, надежность и срок службы системы, не имеющей охлаждающей жидкости и дополнительных отверстий для ввода шлангов в вакуумирумый корпус, безусловно, выше, чем у прототипа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ №1734480 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ
2. Пат. РФ №2177629
3. Патенты США №№6,445,767; 6,031,892
4. Патент США №5,978,444
5. Proceedings SPffi v.4504, 2001, pp.240-252.- спектрограф лаборатории CELIA (Франция)" прототип)
6. Кожунов Ю.И., Козлов О.Б., Даниленко К.Н. и др. «Исследование характеристик цифрового регистратора рентгеновских изображений на основе ПЗС-матрицы», тезисы доклада на ХШ Международной конференции «Лазеры в науке, технике и медицине», Сочи, 16-209 сентября 2002 года, Россия.
Цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения (МРИ), содержащий расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, механически связанный с кристаллом -анализатором, установленным на пути прохождения МРИ, и с ПЗС-датчиком, установленным на пути отраженного от кристалла-анализатора МРИ, электрически ПЗС-датчик соединен через кабельную линию связи с блоком управления ПЗС-датчиком, выход которого через волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) соединен с входом персонального компьютера, ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника, отличающийся тем, что в спектрографе блок охлаждения термохолодильника выполнен в виде теплоаккумулятора, например, на основе LiNO 3 блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса.
