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 цифрового спектрографа МРИ является расширение диапазона регистрации МРИ по энергии и размерам изображений источника, достижение практически полной радиационной стойкости спектрографа к МРИ и повышение помехоустойчивости к электромагнитным наводкам. Технический результат в цифровом спектрографе МРИ, содержащем ПЗС-регистратор, связанный по входу с датчиком РИ, по выходу - через ВОЛС с ПК, и расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, механически связанный с кристаллом-анализатором и датчиком РИ, установленный на пути отраженного от кристалла-анализатора, достигается тем, что в спектрографе датчик МРИ выполнен в виде сцинтилляционного экрана, соединенного световодом с оптическим ПЗС-регистратором, выполненным в виде единого блока, и расположенным 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.
Наиболее близким технически решением спектрографа является цифровой спектрограф (3) МРИ, содержащий ПЗС-регистратор, связанный по входу с датчиком
РИ, по выходу через ВОЛС с ПК, и расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр механически связанный с кристаллом - анализатором и датчиком РИ, установленным на пути отраженного РИ от кристалла- анализатора.
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.
Кроме того, радиационная стойкость ПЗС-матрицы,, осуществляющей прямую регистрацию РИ невысока, не более 106 квантов на элемент. В спектрографе- прототипе внутри вакуумного объема расположен ПЗС-датчик с прямой регистрацией РИ, для функционирования которого требуется подводка напряжения питания и управляющих сигналов по гибким кабельным линиям. Наличие длинных кабельных линий связи приводит к появлению электромагнитных помех от импульсного источника, что может существенно исказить результаты.
Техническим результатом цифрового спектрографа МРИ является расширение диапазона регистрации МРИ по энергии и размерам изображений источника, достижение практически полной радиационной стойкости спектрографа к МРИ и повышение помехоустойчивости к электромагнитным наводкам.
Технический результат в цифровом спектрографе МРИ, содержащем ПЗС-регистратор, связанный до входу с датчиком РИ, по выходу - через ВОЛС с ПК, и расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, механически связанный с кристаллом - анализатором и датчиком РИ, установленный на пути отраженного от кристалла - анализатора, достигается тем, что в спектрографе датчик МРИ выполнен в виде сцинтиллящюнного экрана, соединенного световодом с оптическим ПЗС-регистратором, выполненным в виде единого блока, и расположенным на внешней поверхности вакуумируемого корпуса. Существо предлагаемой полезной модели заключается в выводе ПЗС-матрицы из зоны действия МРИ и расположении всего ПЗС-регистратора на внешней поверхности корпуса, что исключает необходимость использования блока принудительного охлаждения термохолодильника и повышает радиационную стойкость к МРИ спектрографа в целом. Существо заключается также в обеспечении передачи информации от датчика МРИ до ПЗС-регистратора по световоду и от ПЗС-регистратора до ПК по
волоконно-оптической линии связи, не подверженным воздействию электромагнитным наводок.
Блок-схема предлагаемого цифрового спектрографа МРИ представлена на чертеже. Принятые обозначения. Источник рентгеновского излучения обозначен позицией 1. Спектрограф содержит коллиматор 2 гониометр 3, кристалл-анализатор 4, изогнутый по сфере, датчик МРИ, выполненный в виде сцинтилляционного экрана 5, оптоволоконный световод б, ПЗС-регистратор 7, волоконно-оптическую линию связи 8 и ПК 9. В спектрографе использованы выпускаемые промышленностью элементы: гониометр -производство 000 «Александр» (г. Рязань), рентгеновский кристалл-анализатор на основе слюды - производство ООО "Александр" (г. Рязань), сцинтилляционный экран, выполненный на основе люминофора типа К-67, изготавливается заявителем, волоконно-оптический световод - разработка и поставка ОАО ЛЗОС (г. Лыткарино), волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС), например, типа ОКА-МбП. В данном спектрографе использован оптический ПЗС-регистратор типа СПМ16 - разработка заявителя (4, программное обеспечение зарегистрировано свидетельством №2002611319 от 02.07.02). ПЗС-регистратор 7 содержит схемы вывода заряда с ПЗС-матрицы, преобразования его в напряжение, усиления преобразование напряжения с помощью АЦП в цифровой код,
запоминание информации в ОЗУ (в формуле не фигурируют и на чертеже не представлены) и вывод в ПК 9 типа PentiumIV через ВОЛС 8 с помощью интерфейса типа Ethernet. Волоконно-оптический световод 6 представляет собой жгут волоконно-оптический, регулярный. Габариты его выбираются исходя из размеров сцинтилляционного экрана, размеров входного окна ПЗС-регистратора и размеров вакуумного объема корпуса спектрографа. В корпусе спектрографа выполнены два не нарушающие вакуума функциональных отверстия: ˜ для ввода МРИ и для оптоволоконного световода 6. Спектрограф работает следующим образом.
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 датчика РИ 5, которым является сцинтилляционный экран, на заданном расстоянии от кристалла-анализатора 4 и под другим определенным углом к первичному пучку РИ. 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. Если спектрограф используется в режиме регистрации пространственных изображений, то кристалл-анализатор 4 формирует в определенных точках пространства спектрально-селектированные изображения источника РИ. Датчик МРИ 5 - сцинтилляционный экран осуществляет преобразование отраженного от кристалла-анализатора 4 рентгеновского излучения, распределенного в пространстве, в световой аналог, который передается по оптоволоконному световоду 6 в оптический ПЗС-регистратор 7, в котором осуществляется преобразование оптического изображения в цифровой код, запоминание цифрового кода в ОЗУ. Далее осуществляется передача информации из ПЗС-регистратора через волоконно-оптическую линию связи 8 в персональный компьютер 9 для визуализации и обработки зарегистрированной информации. Меняя углы наклона сферического кристалл-анализатора и датчика РИ 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. На практике работать при углах близких к 0 или 90°, больших расстояниях "датчик РИ - кристалл-анализатор" не удается из-за ограниченных размеров вакуумных камер и ограничений по углу, связанных с габаритами ПЗС-датчика, его системы охлаждения, в том числе габаритами теплоаккумулятора, электрического кабеля связи. Уменьшение их габаритов при фиксированных размерах вакуумного корпуса спектрографа позволяет расширить диапазон углов и, следовательно, расширить спектральный диапазон регистрации РИ.
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. Исключение электрического кабеля связи приводит к исключению этого типа наводок и, соответственно, к пропорциональному уменьшению электромагнитных наводок. В связи с тем, что сцинтиллятор и оптоволоконные световоды практически не подвергаются радиационным повреждениям, радиационная стойкость спектрографа определяется, в основном, радиационной, стойкостью ПЗС-матрицы к МРИ. Удаление ПЗС-матрицы из вакуумного объема на внешнюю поверхность спектрографа, где отсутствует МРИ, следствием имеет то, что достигается практически полная радиационная стойкость спектрографа к МРИ.
Таким образом, рассмотренный цифровой спектрограф МРИ целесообразно использовать в случае необходимости соблюдения высоких требований по радиационной стойкости и помехоустойчивости к электромагнитным наводкам. Спектрограф, в котором ПЗС-матрица работает в условиях прямой регистрации МРИ, позволяет осуществлять регистрацию в более широком спектральном диапазоне МРИ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ №1734480 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ
2. Пат. РФ №2177629
3. Proceedings SPIE v.4504, 2001, pp.240-252. - спектрограф лаборатории CELIA (Франция) - прототип
4. Оптический ПЗС-регистратор типа СПМ16 (программное обеспечение зарегистрировано свидетельством №2002611319 от 02.07.02))
Цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения (МРИ), содержащий ПЗС-регистратор, связанный по входу с датчиком РИ, по выходу - через ВОЛС с ПК и расположенные в вакуумируемом корпусе гониометр, кристалл-анализатор и датчик РИ, установленный на пути отраженного от кристалла-анализатора МРИ с возможностью перемещения его под заданным углом к отраженному МРИ и на заданное расстояние от кристалла-анализатора, отличающийся тем, что в спектрографе датчик РИ выполнен в виде сцинтилляционного экрана, соединенного световодом с оптическим ПЗС-регистратором, выполненным в виде единого блока, и расположенным на внешней поверхности вакуумируемого корпуса, который выполнен с отверстием для вывода световода и отверстием для ввода МРИ.
