Цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения
Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, и может быть использована для изучения спектрального состава импульсного мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения содержит расположенные в вакуумируемом корпусе блок для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ и ПЗС-датчик, установленный на пути преобразованного МРИ. ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника на основе теплоаккумулятора, например, на основе LiNО3. Блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса. За счет введенных в спектрограф термодатчика, механически сопряженного с той же стороной ПЗС-датчика, с которой сопряжен термохолодильник, и расположенного вне вакуумируемого корпуса блока управления током термохолодильника, увеличивается время контролируемой стабильности теплового шума ПЗС-датчика, и, как следствие, динамический диапазон ПЗС-датчика и спектрографа в целом, что достигается путем обеспечения стабильного и оптимального температурного режима ПЗС- датчика, работающего в условиях вакуума. Ил.1 л.
Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, и может быть использована для изучения спектрального состава импульсного мягкого рентгеновского излучения (МРИ).
Во многих исследованиях требуется получать информацию о спектре однократных или редко повторяющихся импульсов мягкого рентгеновского излучения, получаемых на мощных моделирующих установках, таких как многоканальные лазерные установки, установки на основе Z-пинча и т.д. Особенностью таких установок является то, что для осуществления рабочего пуска установки требуется определенный период времени, в течение которого установка выводится в рабочий режим. В течение этого периода времени регистрирующая аппаратура должна работать в ждущем режиме и быть готова в любой момент времени к регистрации параметров МРИ. Подготовительные операции к рабочему пуску установки и рабочий пуск сопровождаются большим уровнем электромагнитных помех. К спектрографам мягкого РИ предъявляются требования способности функционировать в вакууме, в ждущем рабочем режиме в течение 1 часа и более при неизменных основных параметрах датчика МРИ, автоматизированной регистрации и быстрой обработки экспериментально полученной информации. Спектрограф должен быть работоспособным в условиях больших электромагнитных помех, характерных для такого типа моделирующих установок.
В спектрографах импульсного МРИ датчики МРИ, в качестве которых в настоящее время используются ПЗС-датчики, должны иметь малый уровень шумов и стабильно работать в условиях вакуума. Для этого ПЗС-датчик снабжается микрохолодильником и системой охлаждения микрохолодильника, задачей которых является поддержание
параметров ПЗС-датчика в условиях глубокого вакуума стабильными в течение времени не менее 1 часа. Такое время необходимо для подготовки импульсной установки к функционированию в рабочем режиме.
Система охлаждения микрохолодильника (1, Proceedings SPIE v.4504-03, 2001 High-resolution X-Ray spectromicroscopy of fs laser-produced plasma by tunable-luminosity spherical clystal spectrometers with X-Ray CCD or MCP, T.A.Picuz, A.Ya.Faenov, A.I.Magunov), в которой для принудительного отвода избыточного тепла используется вода, вводимая и выводимая через гибкие шланги, обладает существенными недостатками. Охлаждение с помощью воды 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 вода может попасть в вакуум и вывести из строя систему откачки.
Перемещение датчика внутри вакуумного объема ограничивается длиной и габаритами гибких шлангов для подвода охлаждающей воды (например, допустимым радиусом изгиба шланга) и узла ввода в вакуум охлаждающей жидкости. Это, в свою очередь, приводит к ограничению диапазона перемещений ПЗС-датчика в вакуумном объеме и, как следствие, к ограничению возможности регистрации параметров МРИ - интенсивности и размеров изображений источника РИ. Кроме того, для использования гибких шлангов требуется выполнение специальных отверстий в корпусе вакуумной камеры, что является дополнительной нагрузкой на систему откачки камеры.
Для охлаждения термохолодильника возможно применить систему пассивного охлаждения на основе массивной, гибкой, медной ленты (2, www.andor-technology.com). Однако при использовании такой ленты в условиях мощных помех моделирующих установок она может стать дополнительным источником наводок на ПЗС-датчик.
Известен цифровой спектрограф МРИ (3, пат. РФ на полезную модель №46862 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ), содержащий расположенное в вакуумируемом
корпусе средство для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ, ПЗС-датчик, установленный на пути преобразованного МРИ, электрически ПЗС-датчик через кабельную линию связи соединен с блоком управления ПЗС-датчиком, выход которого через ВОЛС соединен с входом персонального компьютера, ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника на основе теплоаккумулятора, например, на основе LiNO 3, блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса. В спектрографе 3 блок для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ выполнен в виде гониометра, механически связанного с кристаллом-анализатором, установленным на пути прохождения МРИ, а ПЗС-датчик, установлен на пути отраженного от кристалла-анализатора МРИ.
Принудительное охлаждение горячей стороны термохолодильника осуществляется с помощью теплоаккумулятора. Из-за достаточно большого объема рабочего вещества в теплоаккумуляторе и его сравнительно невысокой теплопроводности, возможен локальный нагрев корпуса теплоаккумулятора. Это приводит к тому, что меняется режим охлаждения термохолодильником ПЗС-датчика. В результате этого медленно растет величина теплового шума ПЗС-датчика и, как следствие, постепенно уменьшается величина динамического диапазона ПЗС-датчика и спектрографа в целом. В результате указанные параметры ПЗС-датчика и спектрографа не сохраняются в пределах допустимых величин более 1 часа в условиях вакуума при активном выделении тепла элементов спектрографа.
В цифровом регистраторе импульсного светового излучения (4, патент РФ на полезную модель №55523 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ) использованы средства, изменяющие режим работы термоэлектрической батареи, непосредственно влияющий на температуру подложки ПЗС-матрицы, следовательно, на величину
темнового заряда. В регистраторе (4) осуществляется анализ информации, считанной с ПЗС-матрицы и оценка величины уровней темнового тока и тока предсканирования. По результатам сравнения величин темнового тока и тока предсканирования осуществляется регулировка тока термохолодильника.
Недостатком регистратора (4) является необходимость периодической регистрации тока предсканирования для регулировки температуры подложки ПЗС-матрицы, что не позволяет прибору находиться в постоянной готовности к регистрации изображения.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения (3). Регистрация спектра МРИ в (3) осуществляется с помощью рентгеновского ПЗС-датчика. В спектрографе-прототипе принудительное охлаждение термохолодильника осуществляется с помощью теплоаккумулятора на основе LiNO3. Термохолодильник в спектрографе (3) выполнен и расположен таким образом, чтобы покрыть всю оборотную (нечувствительную к МРИ) сторону ПЗС-датчика. Как уже отмечалось выше, из-за достаточно большого объема рабочего вещества в теплоаккумуляторе и его сравнительно невысокой теплопроводности, возможен локальный нагрев корпуса теплоаккумулятора, что особенно проявляется в условиях вакуума. Это приводит к тому, что меняется режим охлаждения ПЗС-датчика. В результате этого медленно растет величина теплового шума ПЗС-датчика и, как следствие, постепенно уменьшается величина динамического диапазона ПЗС-датчика и спектрографа в целом. В результате указанные параметры ПЗС-датчика и спектрографа не сохраняются в пределах допустимых величин более 1 часа в условиях вакуума при активном выделении тепла, что является его недостатком.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение времени контролируемой стабильности теплового шума ПЗС-датчика, и, как следствие, динамического диапазона ПЗС-датчика и спектрографа в целом, что
достигнуто путем обеспечения стабильного и оптимального температурного режима ПЗС-датчика, работающего в условиях вакуума.
Технический результат в цифровом спектрографе мягкого рентгеновского излучения, содержащем расположенные в вакуумируемом корпусе блок для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ, ПЗС-датчик, установленный на пути преобразованного МРИ, электрически ПЗС-датчик через кабельную линию связи соединен с блоком управления ПЗС-датчиком, выход которого через ВОЛС соединен с входом персонального компьютера, ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника на основе теплоаккумулятора, например, на основе LiNO 3, блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса, достигается тем, что в спектрограф введены термодатчик, механически сопряженный с той же стороной ПЗС-датчика, с которой сопряжен термохолодильник, и расположенный вне вакуумируемого корпуса блок управления током термохолодильника, вход которого соединен с выходом термодатчика, выход - с управляющим входом термохолодильника.
Существо предлагаемого технического решения заключается в том, что температурный режим ПЗС-датчика соответствует температурному режиму термодатчика, который выдает сигнал об отклонении температурного режима ПЗС-датчика от оптимального в блок управления током термохолодильника, регулирующего охлаждение ПЗС-датчика, и приводящего его температурный режим к оптимальному значению в условиях его работы в вакууме.
Блок-схема предлагаемого цифрового спектрографа МРИ представлена на чертеже. Принятые обозначения. Источник рентгеновского излучения обозначен позицией 1. Спектрограф содержит блок 2 для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ, в состав которого входят коллиматор 3, рентгеновский фильтр 4 и рентгеновская дифракционная решетка 5, которая выполняет
непосредственно преобразование энергетического спектра в пространственное распределение. Спектрограф содержит также ПЗС-датчик 6, термохолодильник 7, теплоаккумулятор 8, внутреннюю кабельную линию связи 9, вакуумный разъем 10, блок управления 11 ПЗС-датчиком, волоконно-оптическую линию связи 12, ПК 13, термодатчик 14, блок управления 15 током термохолодильника и вакуумируемый корпус 16.
Блоки 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 14 расположены в вакуумируемом корпусе 16, блоки 11, 12, 13 и 15 находятся вне вакуумируемого корпуса. Вакуумный разъем 10 обеспечивает электрическую связь между соответствующими входами и выходами блоков находящихся в вакуумируемом корпусе 16 и блоков вне корпуса. Блок управления 11 ПЗС-датчиком представляет собой логическое устройство, выполненное методами формальной логики, выполняет функцию приема сигнала-аналога, преобразование его цифровой код, запоминание, преобразование в оптический сигнал и передачу по ВОЛС 12 в ПК 13.
В спектрографе использованы элементы, выпускаемые промышленностью. В блоке 2 для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ использована рентгеновская пропускающая решетка 5 - производство ИПТМ РАН (пос.Черноголовка). Кабельная линия связи 9 - выпускается промышленностью, волоконно-оптическая линия связи 12 (ВОЛС), например, типа ОКА-М6П, ПЗС-датчик 6 с термохолодильником 7 типа ISD017 - выпускаются НПП "Электрон - Оптроник" (г.С-Петербург), термодатчик 14 типа В57861 фирмы EPCOS (Германия) и блок управления 15 током термохолодильника типа МАХ1978 фирмы MAXIM (США). ПЗС-датчик 6 термохолодильник 7, теплоаккумулятор 8, термодатчик 14, блок управления 11 ПЗС-датчиком и блок управления 15 током термохолодильника образуют ПЗС-регистратор. ПЗС-датчик 6 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 11 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 13, например, типа Pentium IV через ВОЛС 12 с помощью интерфейса типа Ethernet. Теплоаккумулятор 8 изготавливается на основе химического вещества LiNO3 и поставляется НПП "Электрон-Оптроник" (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 2 часов). При этом одна из сторон корпуса теплоаккумулятора выполняется плоской, механически гладкой и по габаритам сопрягаемой с термохолодильником. Для обеспечения охлаждения термохолодильника 7 теплоаккумулятор 8 плотно прижимается этой стороной к термохолодильнику. Термодатчик 14 прижат чувствительной стороной к ПЗС-датчику 6. Термодатчик 14 не соприкасается с термохолодильником 7 и находится от него на расстоянии, исключающем тепловой контакт с термохолодильником 7, которое составляет порядка 1-2 мм.
Спектрограф работает следующим образом.
Источник 1 испускает рентгеновское излучение. Блок 2 осуществляет преобразование энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ. В предлагаемом спектрографе это осуществляется следующим образом. Входной коллиматор 3 и рентгеновский фильтр 4 выделяют из потока РИ пучок, падающий на поверхность рентгеновской дифракционной решетки 5. Дифракционная решетка 5 осуществляет преобразование энергетического спектра РИ в пространственный спектр, при котором определенной энергии квантов в пучке РИ соответствует угловое отклонение дифрагированного пучка РИ в пространстве от направления первичного пучка РИ. ПЗС-датчик 6 осуществляет регистрацию и преобразование дифрагированного на дифракционной решетке 5 рентгеновского излучения, распределенного в пространстве, в электрический аналог, который после усиления передается по внутренней кабельной линии связи 9 через вакуумный разъем 10 в блок управления 11, в котором
осуществляется преобразование электрических сигналов-аналогов в цифровой код и запоминание цифрового кода в ОЗУ. Далее осуществляется передача информации из блока управления 11 ПЗС-датчиком через волоконно-оптическую линию связи 12 в персональный компьютер 13 для визуализации и обработки зарегистрированной информации. В ПЗС-датчике 6 для уменьшения уровня шумовых сигналов установлен термохолодильник 7, работающий на основе эффекта Пельтье. Для отвода в условиях вакуума тепла от горячей стороны термохолодильника использован теплоаккумулятор 8, который механически плотно к ней прижат. Теплоаккумулятор 8 обеспечивает необходимый температурный режим термохолодильника 7 в вакууме и, следовательно, ПЗС-датчика 6, что подтверждено экспериментально.
В предлагаемом спектрографе при длительной работе термохолодильника 7 в условиях вакуума из-за достаточно большого объема рабочего вещества в теплоаккумуляторе 8 и его сравнительно невысокой теплопроводностью возможен локальный нагрев корпуса теплоаккумулятора. Это приводит к тому, что меняется режим работы термохолодильника 7 и, как следствие, температура холодной стороны термохолодильника 7 и ПЗС-датчика 6 возрастают. Термодатчик 14 представляет собой термистор, который изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от окружающей его среды, причем при увеличении температуры его сопротивление падает. Термодатчик 14 имеет тепловой контакт только с ПЗС-датчиком 6.
В свою очередь, ПЗС-датчик 6 имеет тепловой контакт с холодной стороной термохолодильника 7, током которого управляет блок управления 15 током термохолодильника. В цепь управления током термодатчик 14 включен таким образом, что при уменьшении его электрического сопротивления ток через термохолодильник 7 увеличивается, что приводит к уменьшению температуры ПЗС-датчика 6.
Таким образом, введенные термодатчик 14 и блок управления 15 током термохолодильника обеспечивают поддержание стабильного температурного режима
ПЗС-датчика 6. В свою очередь, это приводит к поддержанию минимальной величины темнового тока, от которого зависит нижний предел динамического диапазона ПЗС-датчика 6.
Экспериментально получено увеличение времени контролируемой стабилизации теплового шума ПЗС-датчика 6, динамического диапазона ПЗС-датчика 6 и спектрографа в целом примерно в 1,5 раза. Следовательно, стабильный динамический диапазон сохраняется в течение заданного периода времени в условиях вакуума при выделении активного тепла. Таким образом, предлагаемое устройство, благодаря введению новых блоков и связей, обладая достоинствами прототипа, имеет по сравнению с прототипом преимущества, заключающиеся в сохранении стабильного динамического диапазона и темнового тока спектрографа в течение заданного периода времени ожидания прихода сигнала в условиях вакуума и при выделении активного тепла.
Кроме того, из-за увеличения времени стабильной работы спектрографа расширяется диапазон типов установок, создающих МРИ, на которых возможно применение спектрографа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Proceedings SPIE v.4504-03, 2001 High-resolution X-Ray spectromicroscopy of fs laser-produced plasma by tunable-luminosity spherical clystal spectrometers with X-Ray CCD or MCP, T.A.Picuz, A.Ya.Faenov, A.I.Magunov
2. Интернет-сайт: www.andor-technology.com
3. Патент РФ на полезную модель №46862 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ (прототип)
4. Патент РФ на полезную модель №55523 - разработка заявителя - ФГУП НИИИТ
Цифровой спектрограф мягкого рентгеновского излучения (МРИ), содержащий расположенный в вакуумируемом корпусе блок для преобразования энергетического спектра МРИ в пространственное распределение МРИ, ПЗС-датчик, электрически ПЗС-датчик соединен через кабельную линию связи и вакуумный разъем с блоком управления ПЗС-датчиком, выход которого через ВОЛС соединен с входом персонального компьютера, ПЗС-датчик механически сопряжен с термохолодильником, который механически сопряжен с блоком охлаждения термохолодильника на основе теплоаккумулятора, блок управления ПЗС-датчиком расположен на внешней поверхности вакуумируемого корпуса, отличающийся тем, что в спектрограф введены термодатчик, механически сопряженный с той же стороной ПЗС-датчика, с которой сопряжен термохолодильник, и расположенный вне вакуумируемого корпуса блок управления током термохолодильника, вход которого соединен с выходом термодатчика, выход - с управляющим входом термохолодильника.
