способ измерения поляризации рентгеновского излучения

Формула изобретения

Способ измерения поляризации рентгеновского излучения, при котором поток рентгеновских фотонов направляют в поглощающую среду, а затем определяют параметры азимутальной анизотропии распределения генерируемых в среде первичных фотоэлектронов и по ним вычисляют степень поляризации и позиционный угол плоскости поляризации, отличающийся тем, что в качестве поглощающей среды используют слоистую структуру, слои которой параллельны направлению распространения пучка рентгеновского излучения, с оптической толщей порядка единицы для рентгеновского излучения, попарно чередующиеся слои структуры различны по величине коэффициента рентгеновского поглощения и люминесцентным свойствам, а толщина слоев порядка длины пробега первичных фотоэлектронов, при этом определение параметров азимутальной анизотропии распределения фотоэлектронов производят по угловому распределению их люминесцентных треков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения линейной поляризации рентгеновского излучения "классического" диапазона энергий фотонов: 10 100 кэВ.

Изобретение может быть использовано при создании поляриметров для диагностики горячей, неравновесной и неоднородной плазмы, в том числе термоядерной, в лабораторных, натурных и астрофизических экспериментах.

Известен способ измерения степени поляризации и позиционного угла плоскости поляризации рентгеновского излучения, основанный на измерении азимутальной анизотропии интенсивности поляризованного рентгеновского излучения, рассеянного (соответственно, отраженного) в приборе под углами, близкими к 90^o, в различных азимутальных направлениях. Основным элементом томсоновских, комптоновских и брэгговских поляриметров, в которых реализован описываемый способ измерения поляризации, является рассеиватель (соответственно, отражатель), выполненный из материала, слабо поглощающего рентгеновское излучение с малым эффективным атомным номером (см. соответственно, I.Tindo et al. Rontgenpolarimeter von "Interkosmos-7" fur die Untersuchung von Strahlung der Sonneneruptionen/ Radio-Fernsehen-Elektronik, 1974, 23, 18); G. Сhanan et al. Prospekt for solar flare Х-ray polarimetry /Sol.Рhys. 1988, 118, N 1/2, 309/; Е. Silver et al. Bragg cristal polirimeters/ Opt.Engn. 1990, 29, N 7, 759/). Анализируемый пучок рентгеновских лучей направляют на рассеиватель и регистрируют интенсивность излучения, рассеянного (отраженного) на углы, близкие к 90^o, под различными азимутальными углами. Степень поляризации находят по измеренной степени анизотропии интенсивности с использованием калибровочных данных.

По характеристикам примененных рассеивателей (соответственно, отражателей) и схем регистрации поляриметры, основанные на рассеянии, разделяются на три основных типа: томсоновские с рассеивателем из аморфного или поликристаллического материала, комптоновские с рассеивателем и сцинтиллирующего материала (что позволяет регистрировать также электрон отдачи с целью дискриминации фона корпускулярных частиц) и брэгговские в которых рассеяние реализуется в когерентной форме как отражение от дифракционных кристаллов (или искусственных периодических интерференционных структур).

Основными недостатками описываемого способа измерения поляризации, являются у томсоновских и комптоновских поляриметров низкая абсолютная эффективность, обусловленная неблагоприятной геометрией рассеяния при типичном соотношении сечений рассеяния и поглощения в "классической" области энергий, у брэгговскимх поляриметров узкая рабочая область энергий фотонов: доли кэВ, и ограничение энергетического диапазона со стороны высоких энергий (ЕБ < 10 кэВ).

Известен также способ измерения рентгеновской поляризации по поляризационной зависимости выхода CsI-фотокатода "векторному эффекту" в фотоэлектронной эмиссии, открытому Дж. У. Фрэзером в 1988 году (G.Fraser et al. Measurement of vectorial effects in the Х-ray and UV photoemission from CsI: a novel polarimeter for soft Х-ray astronomy/NIМ, 1989, А284, 483).

При реализации этого способа измерения пучок рентгеновских лучей направляют под скользящим углом на CsI-фотокатод и регистрируют эмиттируемые электроны чувствительным приемником, например, на основе МКП-пластины. Для измерения поляризационного эффекта детектор вращают вокруг оси рентгеновского пучка (см. G.Fraser et al. Photoemission polarimeter in soft Х-ray astronomy /Opt. Engn. 1990, 29, N 8, 959/).

Основным недостатком фотоэмиссионного способа является ограничение рабочего диапазона со стороны высоких энергий величиной в несколько кэВ.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения поляризации, принятый за прототип, предложенный Х.Цунеми и др. (Н. Tsunemi et al. Detection of Х-ray polarisation with a charge coupled device /NIМ, 1992, А321, 629/), основанный на измерении азимутальной ассимметрии распределения зарядовых треков, возникающих в полупроводнике после пролета первичных фотоэлектронов, генерируемых при поглощении в нем поляризованного рентгеновского излучения. При данном способе измерения поляризации анализируемый поток рентгеновских фотонов направляют на фотоэлектрический конвертор двумерную ПЗС-фотоматрицу с размером элементов (пикселей), сравнимым с длиной пробега в кремнии первичных фотоэлектронов (при данной энергии фотонов). При этом в части актов поглощения рентгеновского фотона сигнал регистрируется не в одном, а одновременно в двух (или более, при достаточно малом размере элемента) пикселях, расположенных вдоль трека электрона. В случае регистрации поляризованного излучения наблюдается некоторая асимметрия распределения парных событий, отражающая преимущественный вылет фотоэлектронов в направлении электрического вектора рентгеновского фотона (внутренний фотоэффект).

Основным недостатком способа-прототипа является низкая эффективность регистрации рентгеновских фотонов (в рабочем диапазоне энергий порядка 15 37 кэВ), связанная с весьма неблагоприятным соотношением длин пробега в веществе рентгеновских фотонов и генерируемых ими первичных фотоэлектронов (соответственно, миллиметры и сантиметры у фотонов по сравнению с микронами и десятками микрон у электронов). В результате, в конверторе используется ничтожная часть энергии падающего на него рентгеновского потока, а именно та, что поглощается в активном слое ПЗС-матрицы толщиной в несколько микрон. В цитируемой работе получена также крайне низкая поляризационная чувствительность (фактор поляризационной модуляции : при регистрации излучения синхротрона со степенью поляризации в 60 75% азимутальная асимметрия парных событий составила, в зависимости от энергии, от 1 до 5% Столь малый поляризационный эффект, по-видимому, обусловлен слишком большим по сравнению с пробегом фотоэлектронов размером ПЗС-матрицы, находившейся в распоряжении исследователей: 12 12 мкм².

Цель изобретения повышение эффективности и чувствительности измерений поляризации в широком диапазоне энергий фотонов от 10 до 100 кэВ.

Цель достигается тем, что поток рентгеновских фотонов направляют в поглощающую среду, а затем определяют параметры азимутальной анизотропии распределения генерируемых в среде первичных фотоэлектронов и по ним вычисляют степень поляризации и позиционный угол плоскости поляризации. В качестве поглощающей среды используют слоистую структуру, слои которой параллельны направлению распространения пучка рентгеновского излучения, с оптической толщей порядка единицы для рентгеновского излучения; попарно чередующиеся слои структуры различны по величине коэффициента рентгеновского поглощения и люминесцентным свойствам. Толщина слоев порядка длины пробега первичных фотоэлектронов. При этом определение параметров азимутальной анизотропии распределения фотоэлектронов производят по угловому распределению их люминесцентных треков.

Сущность изобретения заключается в следующем. В слоях с большим коэффициентом рентгеновского поглощения происходит преимущественное поглощение рентгеновских фотонов с генерацией первичных фотоэлектронов и возбуждается люминесцентное излучение. В слоях с меньшим коэффициентом рентгеновского поглощения поглощение рентгеновского излучения мало; в основном, в них происходит поглощение фотоэлектронов. (В ряде случаев в структуру поглощающей среды могут включаться дополнительные члены. Например, слой, отражающий люминесцентное излучение для разделения сигналов от соседних слоев или для канализации сигналов с заданном направлении; слой, в котором происходит преимущественное поглощение рентгеновских фотонов, но не возбуждается люминесценция и т.д.). Пространственная конфигурация слоев должна быть такова, что в зависимости от направления вылета первичного фотоэлектрона большая или меньшая часть его трека приходится на слой с большим поглощением (остальная - на слой с меньшим поглощением). В результате, амплитуда люминесцентного сигнала (возможно, также спектральный состав) будет зависеть от направления трека, в конечном счете от степени поляризации излучения и позиционного угла плоскости поляризации. Это может быть реализовано в поглощающей среде, в которой при движении вдоль слоя фотоэлектроны на всем протяжении трека остаются в пределах люминесцирующего слоя, а при движении поперек слоев фотоэлектрон пересекает границы, разделяющие слои с большим поглощением (люминесцирующие) и меньшим поглощением (нелюминесцирующие), т.е. в этом направлении характерный размер слоев должен быть порядка средней длины пробега фотоэлектрона.

Впервые предложено для измерения поляризации рентгеновского излучения проводить определение параметров азимутальной асимметрии люминесцентных треков первичных фотоэлектронов, генерируемых при поглощении рентгеновских фотонов, путем использования среды с соответствующей периодической слоистой структурой. Генерируемые фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлении электрического вектора фотонов. Треки, направленные вдоль слоев, проходят преимущественно по люминесцирующему веществу и дают максимальные величины сигналов. Треки, направленные поперек слоев, включают в значительной части нелюминесцирующее (или люминесцирующее в другой спектральной полосе) вещество и дают, соответственно, меньшие величины сигналов. Это позволяет по угловой (азимутальной) зависимости величины сигналов (или их спектрального состава) определить степень и направление (азимутальный угол) плоскости поляризации.

Существенность отличий заключается в том, что направление потока фотонов в поглощающую среду, представляющую собой периодическую слоистую структуру, включающую люминесцирующие слои, позволяет эффективно использовать энергию фотонов в широком энергетическом диапазоне при одновременном достижении высокой чувствительности измерения поляризации при использовании слоев структуры с поперечным размером порядка длины пробега первичных фотоэлектронов при данной энергии. Используемая структура состоит в основном из слоев, интенсивно поглощающих фотоны и люминесцирующих под действием фотоэлектронов, и слоев, преимущественно поглощающих фотоэлектроны. Большие отклонения поперечных размеров структуры от длины пробега (трека) фотоэлектронов приводят к уменьшению чувствительности поляризованного измерения (в случае превышения размера), так как при этом большинство треков проходят в пределах какого-либо одного из слоев структуры, независимо от направления поляризации, при этом исчезает зависимость интенсивности люминесцентных сигналов от поляризации, либо снижается эффективность (в случае слишком мелкой структуры).

В качестве примера реализации предлагаемого способа был рассмотрен вариант измерения поляризации потока рентгеновских фотонов с энергией примерно 20 кэВ и расходимостью до 10^o с помощью структуры, состоящей из плоских элементов-слоев. Толщина слоев с большим и меньшим рентгеновским поглощением 2 мкм. Материал более поглощающих слоев лавсан, активированный красителем типа "родамин-6Ж", с добавлением уксуснокислого свинца. Материал слоев с меньшим поглощением лавсан. При регистрации излучения с указанной энергией достаточна толщина (глубина) структуры 1 мм. При этом обеспечивается практически полное поглощение рентгеновского излучения, падающего на структуру. Расчетная величина фактора модуляции, определяющего чувствительность измерения, составляет 50% при 1 5% у прототипа. Эффективность регистрации выше на два порядка, чем у прототипа. Для измерения поляризации потока рентгеновских фотонов с другой энергией (в диапазоне 10 - 100 кэВ) оптимальные толщины слоев изменяются пропорционально длине пробега фотоэлектронов, а полная толщина структуры (глубина поглощающей среды) - обратно пропорционально коэффициенту рентгеновского поглощения при данной энергии. Например, при 80 кэВ толщина слоев должна быть около 90 мкм и толщина структуры около 25 мм. При этом фактор модуляции и эффективность регистрации остаются примерно теми же.