Излучение при каналировании релятивистских электронов в монокристаллах и разработка методов для его фокусировки и фильтрации по энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 537.533.7:539.1.03

ПОТУРАЕВ Сергей Владимирович

ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАНАЛИРОВАНИИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ В МОНОКРИСТАЛЛАХ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДЛЯ ЕГО ФОКУСИРОВКИ И ФИЛЬТРАЦИИ ПО ЭНЕРГИИ

01.04.04 — физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1994

Работа выполнена в РНЦ "Курчатовский институт'

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор Кумахов М.А. Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Комаров Ф.Ф

доктор физ.-мат. наук, профессор Холомай Б.В.

Ведущая организация:

Кабардино-Балкарский Государственный Университет

Ш

Зашита состоится "г. в /_7„ пасов на заседании специализированного Совета Д 034.04.01 в РНЦ "Курчатовский институт" по адресу: 123182, Москва, пл. И.В.Курчатова, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".

Автореферат разослан 'Ч®' г.

Ученый секретарь " . --

специализированного Совета: ' л^^Л^ЬЛУ^^'^-^-у

кандидат физ.-мат. наук ' Карташов К.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Исследования, связанные с эффектом интенсивного спонтанного изучения рентгеновских и 7-квантов при каналпрованпи релятивистских тектронов в монокристаллах (эффект Кумахова), продолжают в послед-пе годы вызывать большой интерес. Для этого, очевидно, есть следую-(ие причины.

Во-первых, линейчатый спектр получения при каналировании элек-ронов с энергией в диапазоне 1 -г 50 МэВ является весьма чувствитель-ым к форме усредненного кристаллического потенциала и параметрам епловых колебаний решетки. Анализ таких спектров может дать пнфор-аппю о кристаллическом потенциале, дебаевской температуре, распре-гленип атомов по амплитудам тепловых колебаний, электронной плотно-ги в кристалле и т.д. Такпм образом, развитие спектроскопии излучения хналированных электронов способно гармонично дополнить такие тра-щпонные исследования кристаллов как электронная микроскопия, кана-зрование ионов и рентгеновская дифракция.

Во-вторых, развитие техники ускорения электронов низких и средних зергпн в последние годы позволило добиться получения сильноточных учков с очень малой величиной эмиттанса, идеальной для захвата элек-ронов в режим каналпрованпя [1]. Поэтому в настоящее время исследо-шия, нацеленные на создание интенсивного, направленного, перестрап-1емого по энергии квазимонохроматического рентгеновского источника, эпобретают особую актуальность.

Важными задачами становятся фокусировка и фильтрация по энер-ш излучения при каналировании электронов низких и средних энергий, гшенпе этих проблем могло бы существенно расширить возможности шменения интенсивного источника на базе эффекта каналпрованпя для «их задач как рентгеновская литография, дпфрактометрия, ангпогра-1Я, маммография и т.д. Существующие традиционные методы не по-юляют производить эффективную фокусировку немонохроматического ?нтгеновского излучения. В то же время развитие в последние голы ирокополосной рентгеновской капиллярной оптики Кумахова открыва-

ет реальные перспективы для решения указанных задач [2]. В этой связ! в настоящее время актуальной проблемой является разработка эффектна ных методов фокусировки и фильтрации по энергии получения каналиро Банных электронов с использованием рентгенооптических капиллярны: устройств.

Цель работы:

- Разработка и создание на базе микротрона с энергией 20 МэВ экс пернментальной установки для спектроскопии излучения при каналиро вании электронов в монокристаллах.

- Измерение спектров излучения при каналированпн электронов энергией 19,2 МэВ в плоскостных каналах монокристаллов кремния раз личной толщины.

- Разработка методов фокусировки и фильтрации по энергии излуче ния при каналнрованип электронов низких и средних энергий.

Научная новизна работы:

1. Создана оригинальная экспериментальная установка для спектре скопли излучения каналированных электронов средних энергий.

2. Впервые измерены спектры излучения при каналировании эле! тропов с энергией 19,2 МэВ в плоскостных каналах (100) и (110) монс кристаллов кремния толщиной 3 мкм, 7 мкм п 18 мкм. Измерены энергп линий спонтанного излучения и ширины линий.

3. На базе рентгеновской капиллярной оптики Кумахова разработ; ны рентгенооптпческпе устройства и методы для фокусировки и фильтр? ИШ1 излучения при каналировании электронов низких и средних энергш Обоснована высокая эффективность предложенных методов при решенп проблемы создания интенсивного, направленного, перестраиваемого п энергии квазнмонохроматического рентгеновского источника на оспог эффекта каналировання.

4. Проведено детальное экспериментальное исследование пропуск« ния рентгеновского получения с энергией 8 и 16 кэВ через прямые и изс гнутые стеклянные полпкапилляры длиной 200 мм и диаметром отдельнс го капала 17 мкм при различных положениях источника в фокальной пло<

кости. Прп тех же условиях измерена расходимость получения на выходе поликапипляров (для энергии 8 кэВ). Экспериментальные результаты позволили проверить ряд методов численного моделирования пропускания излучения поликапиллярными рентгеноводамп. Полученные экспериментальные данные подтверждают возможность создания эффективных капиллярных рентгенооптичеекпх систем для фокусировки и фильтрации излучения прп каналированип электронов низких и средних энергий.

Практическое значение

Созданная экспериментальная установка позволяет проводить спектроскопию излучения каналированных электронов средних энергий для исследования объемных свойств кристаллов.

Экспериментально измеренные характеристики спектров излучения при каналировашш электронов в плоскостных каналах кремния различной толщины могут быть использованы для проверки различных теоретических моделей расчета параметров излучения при каналировашш электронов.

Разработанные методы фокусировки и фильтрации излучения при каналировашш электронов с использованием рентгенооптичеекпх капиллярных устройств могут быть использованы при создании мощного, направленного квазимонохроматического рентгеновского источника для медицины, рентгеновской литографии, дифрактометрии.

Результаты экспериментальных исследований прохождения рентгеновского излучения через стеклянные поликапиллярные рентгеноводы могут быть использованы при разработке теоретических моделей процессов многократного отражения рентгеновских квантов в капиллярных системах сложной геометрии.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы и содержит 127 страниц, в том числе 32 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 124" ааименопаний.

Основные положения, выносимые на защиту сформулированы в конце автореферата в разделе "Основные выводы п результаты".

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на III Всесоюзной конференции по излучению релятивистских частиц в кристаллах (Нальчик, 1988 г.); Всесоюзном семинаре по микротронам (Абрау-Дюрсо, 1990 г.); Международном совещании по микротронам (Индор, Индия, 1992 г.); I Международном рабочем совещании по излучению при каналпрованпп (Gosen, Berlin, Germany, 1992); VIII Национальной конференции по технике для синхротронного излучения (NIST, Gaithersburg, MA, USA, 1993); на научных семинарах ОПФ ИЯС РНЦ "Курчатовский Институт" (1990 4- 1994 г.).

Работа выполнена в Лаборатории электромагнитных взаимодействий ОПФ ИЯС РНЦ "Курчатовский Институт" в соответствии с темой "Исследование прохождения и излучения частиц в кристаллах" (шифр темы 02-14.86-1749Т, номер Госрегпстрадпи У31099).

Публикации. Материалы диссертации содержатся в 6 публикациях [А1-А6]. Список научных работ помещен в конце автореферата.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы и основные положения, выносимые автором на защиту, показана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе дан обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных излучению при каналнровашш электронов, а также обзор существующих методов фокусировки и фильтрации рентгеновского излучения. Рассмотрены основные физические особенности процессов излучения при каналнровашш. Проанализированы экспериментальные результаты по спектроскопии излучения каналпрованных электронов средних энергий, а также особенности существующих экспериментальных установок. Обзор методов фокусировки немонохроматическогс рентгеновского излучения показал необходимость поиска нетрадиционных путей для решения проблемы фокусировки и фильтрации излучения при каналнровашш электронов низких и средних энергий. Анализ основных теоретических и экспериментальных работ в области рентгеновской капиллярной оптики Кумахова позволил обосновать принципиальные возможности решения указанной задачи на базе рентгеноопти-ческих капиллярных устройств.

На основании обсуждения материалов обзоров сформулированы задачи, решаемые в диссертации.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, аппаратуры п методик исследования получения при ханалпрованил электронов в монокристаллах. В начале главы в § 2.1 формулируются основные требования к эксперименту по исследованию излучения при каналпрова-нпи электронов в монокристаллах. Далее в § 2.2 -f- 2.8 описана постановка эксперимента.

В соответствии с поставленной задачей на баое микротрона с энергией 20 МэВ была создана экспериментальная установка для спектроскопии излучения каналированных электронов, позволяющая измерять: 1) орп-ентацпонные зависимости прошедших через мишень электронов; 2) спектральный состав рентгеновского излучения, генерируемого каналпрован-ными электронами. Установка состоит из 6 основных систем: 1) источник электронов; 2) система формирования и транспортировки пучка электронов; 3) вакуумная система; 4) кристаллы п гониометр; 5) аппаратурный комплекс для ориентирования мишеней, регистрации рассеянных на мишени электронов и измерения спектров электромагнитного излучения; 6) система сбора и обработки информации.' Схема установки представлена на рпс.1.

1. Источник электронов - мпкротрон типа СТ-1, расположенный на базе Института Металлургии им. А.А.Байкова РАН. Энергия электронов регулируется в диапазоне 19 -г 23 МэВ; относительная дисперсия по энергии в пучке электронов АЕ/Е « 2 • 10"3; частота следования импульсов - 400 Гц; длительность импульса ~ 3 мкс; максимальный средний ток ~ 15 мкА.

2. Система формирования и транспортировки пучка электронов на мишень включает в себя 3 коллиматора, 2 из которых управляются дистанционным образом, систему телевизионного контроля за положением пучка п оригинальную зеркально-симметричную телескопическую систему магнитной оптики, обеспечивающую поворот пучка электронов на угол 270° с эмпттансом на мишени ~ (1,5 х 1,5)2 х (0,3 х 0,3) мм2 мрад2 и средним током до 1,5 нА.

3. Вакуумная система обеспечивает давление в электронно-оптическом канале ~ 10_б Topp.

4. Мишенями служили монокристаллы кремния толщиной 3 мкм, 7 мкм и 18 .мкм, полученные методом электрохимического травления. Диаметр "рабочей" части мишени составлял 18 мм. Дпстаншюнно управляемый гониометр позволял производить вращение мишеней в 2 взаимно перпендикулярных плоскостях с угловой точностью не хуже 20", а также uvp--мещение мишеней в собственной плоскости с точностью 10 мкм. Блок управления гониометром обеспечивает выдачу информация о положении мишени в цифровой и аналоговой форме.

5. Система регистрации электронов содержит 2 идентичных канала обработки полезного и опорного (с монитора) сигналов. В качестве детекторов соответственно использовались пропорциональный счетчик типа СРМ-19, включенный в режим ионизационной камеры, и цилиндр Фара-дея. Ориентадионные зависимости определялись в непрерывном режиме путем регистрации зависимости интенсивности электронов, рассеянных в мишени под углами близкими к 0° (нормированной на ток пучка), от утла поворота мишени. Непрерывный режим измерения позволил существенно сократить время ориентирования мишеней в режим канали-рования. Измерение энергетических спектров излучения, генерируемого при каналировании электронов, производилось с помощью полупроводникового Si(Ы) детектора типа БДЕР - 2К12. Детектор охлаждался жидким азотом и обеспечивал регистрацию 7-кваятов в диапазоне энергии 1,5 -5- 60 кэВ с эффективностью 90 -г 70 % и энергетическим разрешением 250 эВ (для Еу — 5,9 кэВ). Регистрация спектров велась в узком телесном угле ~ 10_б стеррад, что позволяло пренебречь доплеровским уширением пиний в спектрах. Измерения производились в режиме совпадений с импульсами ускорителя. Система защиты обеспечивала надежное подавление тормозного фона. В результате в случае самой тонкой мишени он не превышал 1%. Скорость счета при наборе спектров составляла ~ 80 ими/с, при этом уровень наложенных событий не превышал 4 %.

6. Система сбора и обработки информации включает в себя многоканальный анализатор типа АМА-02Ф1 и специально разработанное дополнительное программное обеспечение. Программы позволяют проводить запись спектров на диск персонального компьютера и обрабатывать их с учетом поглощения излучения в вакуумных окнах и в воздухе, а также энергетической зависимости эффективности регистрации детектора.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований получения при плоскостном каналировании электронов с энергией 19,2 МэВ в монокристаллах кремния различной толщины.

В § 3.1 приведены измеренные ориентационные зависимости при ма-лоутловом рассеянии электронов в монокристаллах кремния различной толщины, полученные для определения экспериментальных карт кристаллов.

В § 3.2 представлены экспериментально измеренные спектры излучения при каналировании электронов с энергией 19,2 МэВ в плоскостных каналах £¿(100) и 5»(110) для мишеней толщиной 3 мкм, 7 мкм и 18 мкм. Энергии линий и полные ширины линий на половине высоты приведены в Таблице 1. Определение экспериментальных значений энергий и ширин

линий производились после вычитания нормализованных разориентиро-ванных спектров из соответствующих ориентированных спектров. Для сравнения в Таблице 1 также представлены теоретически рассчитанные значения1.

Таблица 1. (энергии и ширины линий даны в 1эВ)

Переход Толщина мишени

А^т.ор

»' — 3 3 мкм 7 MIM 18 мкм

5.(110) ^«св г 1 теор 1*т*ор ^•та Гкор

1 - 0 23,0 22.7 4,3 3,7 3,4 3,2 4,5 3,2

2 - 1 13,6 12,8 3,0 2,3 2,3 1,6 3,2 1,5

3 2 8,4 8,2 2,4 2,1 2,0 1,6 2,5 1,7

S.'(IOO)

1 - 0 16,1 16,7 3,1 2,8 2,4 2,3 3,2 2,3

На рис.2 п рпс.З представлены ориентированные и pao ориентированные спектры для случая St'(lOO) и Si(llO). Для обеих плоскостей ориентированные спектры имеют хорошо выраженную линейчатую структуру, причем как для канала 5t'(100), так и для канала S¿(110) наименьшая ширина линий в спектрах получена для мишени толщиной 7 мкм. В целом получено хорошее согласие с расчетами как для энергий линий, так и для пх ширин. Результаты указывают на то, что основными механизмами уширения линий спонтанного излучения при плоскостном каналированпи электронов с энергией около 20 МэВ являются: 1) для тонких мишеней - прекращение излучения из-за конечной толщины мишени и неупругое рассеяние электронов на ядрах, 2) для толстых мишеней - неупругое рассеяние на ядрах п доплеровское ушнрение вследствие увеличения углового диапазона траекторий электронов в плоскости каналирования из-за многократного рассеяния.

Четвертая глава посвящена разработке методов фокусировки и фильтрации излучения при каналированпи электронов низких и средних энергий.

В § 4.1 предложены методы для фокусировки и фильтрации излучения ка-'теоретичесхие расчеты »ы по ¡таены Л.И.Огневым [А2]

налированных электронов с использованием рентгенооптических устройств разработанных на базе рентгеновской капиллярной оптики Кумахова. Показано, что предложенные методики позволяют решить две основные задачи: 1) фокусировка излучения при каналнровании с преобразованием его в квазипараллельный поток, поворотом и выводом из прямо направленного конуса жесткого тормозного излучения; 2) фокусировка излучения при кавалированпи в пятно малого размера. В обоих случаях эффективная полоса пропускания рентгенооптических систем может лежать в области энергий фотонов 0,5 кэВ 4- несколько десятков кэВ, а ширина полосы определяется составом вещества отражающих стенок капилляров и выбором конкретной геометрии рентгенооптического устройства. Первая задача решается с помощью специального рентгенооптического капиллярного устройства (см. рпс. 4а). Функционально эту систему можно разделить на 2 части. Первая (длиной Ьх) часть - фокусирующая линза, собирающая излучение из телесного угла с угловой апертурой ¡р ~ 1/7 (где 7-Лоренц фактор, соответствующий энергии каналированных электронов) и преобразующая его в квазипараллельный поток. Вторая часть системы (длиной Ьа) имеет постоянное поперечное сечение, она изогнута с постоянным радиусом Д на угол порядка (р и служит для вывода излучения при каналировашш, очищенного от жесткой части тормозного спектра. Показано, что на расстояниях / / возрастание флюенса излучения при каналнровании можно оценить как:

Р-К(Еу) -(ад)2 , (1)

где / - расстояние от мишени до рентгенооптическоп системы, е1о - диаметр электронного пучка на мишени, Ю - поперечное сечение системы на входе, .Р - геометрический фактор прозрачности капиллярной системы, К (Е7) - коэффициент пропускания каналом излучения с энергией ¿?7. На практике можно обеспечить / > 0,5 м; ¿о а 1 мм; Р ~ 0,7; £) ~ 2 см. Рассчитанная зависимость К (Е7) (см. рис. 5а) для системы длиной Ь = 24,9 см с диаметром каналов Л ~ 1,6 мкм и / = 0,5 м демонстрирует эффективность системы для области энергий, соответствующих излучению при каналнровании и хорошую фильтрацию жесткого спектра. Расходимость излучения на выходе системы Ф{Е) < 6е{Е),

где &С{Е) - критический угол отражения 7-кванта с энергией Еу. При 1 < Е7 < 30 кэВ с учетом (1) получаем <?(£,) > 103.

Для фокусировки получения при каналировании в пятно малого размера (см.рис.4б) рассчитано рентгенооптичесгое капиллярное устройство со следующими основными параметрами: длина £ - 16 см; входное фокусное расстояние /| = 0,5 м; выходное фокусное расстояние /2 = 0,5 м; диаметр отдельных каналов ~ 1,6 мкм, угловой аксептанс <р ~ 0,04 рад; поперечное сечение ~ 2 см; Е ~ 0,7. Зависимость К (Е-,) приведена на рис. 56. Показано, что увеличение флюенса получения при каналировании в фокусном пятне системы молено оценить как:

2

<?(£,) и Е-К(Еу)

<р(А + /2 + 1) /1

(2)

С учетом параметров и зависимости К (Еу) при 1 < Е^ < 30 кэВ получаем С? (£,) > 103.

В § 4.2 приведены результаты эскпериментальных исследований пропускания рентгеновского излучения с энергией 8 и 16 хэВ через прямые а изогнутые стеклянные полнкапнляяры длиной 200 мм и диаметром отдельного канала 17 мкм при различных положениях источника в фокаль-зой плоскости. При тех же условиях измерена расходимость излучения на зыходе полихапилляров (для энергии 8 хэВ). Экспериментальная установ-са включает в себя михрофокусную рентгеновскую трубку типа РЭИС -25; оптическую скамью; устройство для ориентирования поликапилляра, соторое позволяло перемещать его по двум ортогональным осям с точ-гостыо ~ 1 мкм; микрометр для изгиба поликапилляра; РЬ коллиматор ¿ь = 450 мхм), устанавливаемый перед полнхапилляром, детектор 8\{Ы) при измерениях коэффициентов пропускания), детектор N<11 (при изме->ениях расходимости излучения), кристалл ве с устройством вращения ¡ля измерения углового профиля расходимости излучения путем сканирования брэгговского отражения Се(111) для линии Си Ка; многоканальный яализатор. Поперечное сечение полихапилляров имело гексагональную >орму с расстоянием между противоположными углами ~ 1 мм. Об-:ее число каналов в поликапилляре - 1657, геометрический фактор "про-рачности" Г ~ 55%. Состав стекла - ЯЮ2 - 67,6%; Вг02 - 24,8%;

N030 - 4,6%; МзОз - 1,7%; К30 - 1 %.

Коэффициент пропускания излучения через долдкалттлляр определял* ся как отношение потока рентгеновских квантов на выходе поликапнлляра к потоку на его входе. При всех измерениях расстояние / от источника до входного коллиматора равнялось 150 мм. С учетом размера фокусного пятна источника {¿я — 200 ыкм) и диаметра коллиматора, в ориентированном положении несмещенного поликапилляра максимальный угол падения рентгеновских лучей составлял втах = + ¿,) /2 / « 2,2 мрад, что соответствует критическому , углу отражения для -у-квантов с энергией 14 кэВ. Микрометр обеспечивал неоднородный изгиб поли-кадшщяров, при этом кривизна в заданной точке х задается как 1 /Я = Зз/пми(Ь — средняя кривизна 1/Д = 3Ути!"!!? и угол отклонения

конца полпкапнлляра в = 3 утаг/2£, где Ь - длпна полнкалилляра, утах -смещение конца полнкапилляра. Все экспериментальные результаты хорошо согласуются с расчетными зависимостями (расчеты принадлежат <З.Р.Х1ао [А5]). Измеренный коэффициент пропускания излучения через отдельные каналы с учетом фактора "прозрачности" Р достигает ~ 80% (при Е^ ~ 12 кэВ), в случае прямого полпкапнлляра (см. рис. 6). Зависимость коэффициента пропускания при смещении источника (рис. 7) демонстрирует, что отражательная способность внутренних стенок каналов близка к идеальной (следует отметить, что при смещении источника на 0,41 мм среднее число отражений равно 38). Зависимости коэффициента пропускания от степени изгиба (рис. 8) указывают на высокос качество фильтрации излучения по энергии. На рнс.9 представлены зависимости углового профиля расходимости излучения ца выходе поликапилляра от степени погиба для случаев несмещенного и смещенного нг 0,35 мм источника (плоскость смещения перпендикулярна плоскости изгиба). Для прямого полпкапнлляра п несмещенного источника расходимость излучения на выходе практически равна расходимости на входе При увеличении изгиба расходимость сначала растет, а затем начинает падать, кроме того уменьшается влияние смещения источника.

В Приложении приведены расчеты фокусировки пучка электронов ■ помощью оригинальной зеркально-симметричной 270° магнитной систе

ю

мы, телесхопичесхой для пучка частиц с дисперсией по энергии.

В Заключении приведены основные результаты диссертационной par боты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. На базе мпхротрона с энергией 20 мэВ разработана и создана экспериментальная установка для исследования процессов излучения при ха-надпровашш электронов в монокристаллах. Параметры установки позволяют производить спектроскопию излучения каналировайных электронов для задач диагностики свойств кристаллов.

С помощью оригинальной системы магнитной оптики установка обеспечивает формирование п вывод на мишень пучка электронов с эмнттан-сом не более (0,3 х 0,3) х (1,5 х 1,5) мрад1 мм3 с относительной мо-ноэнергетичностью АЕ/Е « 2 ■ 10-3 н максимальным средним током ~ 1,5 нА. Дистанционное ориентирование серии монокриста ллических шппеней проводилась с угловой точностью не хуже 20*. Регистрация излучаемых в мишенях 7-квантов производилась в узком телесном угэг ~ 10~* стеррад, что позволю» пренебречь доплеровсхнм упшрением линии в спектрах спонтанного излучения. Диапазон измерения энергетического спектра излучения может составлять 1,5 — 60 кэВ с эффективностью регистрации фотонов 90 -Ь 70% и энергетическим разрешением ~ 250 аВ (при El, = 5.9 кэВ). При проведении спектроскопических измерении излучения при каналпровалил электронов установка обеспечивает достаточно малый уровень регистрируемого тормозного фона ~ 1%. Уровень наложения событий в измеряемых спектрах не превышал 4%.

2. Зшкрзцагшыш измерены спектры излучения при калалпрова-шш электронов с энергией 19,2 МэВ в плоскостных каналах (100) и (110) мовокристазаоз кремния толщиной 3 мкм, 7 мкм п 18 мкм. Определены энергии, соответствующие линиям спонтанного излучения при переходах между уровнями поперечного движения электронов, А также ширины линии. Сравнение полученных экспериментальных данных с соответствующими теоретическими значениями показало их хорошее согласие. Из

результатов следует, что для тонких монокристаллов кремния при плоскостном каналировании электронов средних энергий основными факторами, определяющими уширение линий в спектрах являются прекращение излучения из-за конечной толщины мишени и неупругое рассеяние электронов на ядрах. В толстых мишениях основными механизмами ушире-ния линий являются неупругое рассеяние электронов на ядрах, а также дошгеровское уширение вследствие увеличения углового диапазона траектории в плоскости кададирования за счет многократного рассеяния.

3. Разработаны методы использования рентгенооптических капиллярных устройств на основе рентгеновской оптики Кумахова для фокусировки и фильтрации по энергии излучения при каналировании электронов низких и средних энергий. Предложены конкретные схемы рентгенооптических капиллярных устройств для использования с источником излучения при каналировании и рассчитаны их параметры. Обоснована высокая эффективность предложенных методик для решения проблемы создания интенсивного направленного квазимонохроматического рентгеновского источника.

Предложенные методы позволяют:

а) В диапазоне энергий фотонов от нескольких кэВ до нескольких десятков хэВ производить преобразование расходящегося потока излучения при каналировании в квазипараллельный поток с угловой расходимостью < ве(Е), где 6С(Е) - критический угол отражения Френеля для фотона с энергией Е. При этом коэффициент пропускания излучения при каналировании со входа на выход рентгенооптической системы может достигать нескольких десятков процентов, а энергетическая полоса пропускания может быть разной в зависимости от выбора конкретной геометрии капиллярного рентгенооптического устройства.

б) Перефокусировать излучение при каналировании в пятно малого диаметра.

в) Производить пространственное разделение излучения при каналировании. и жесткой части тормозного спектра, обеспечивая эффективную фильтрацию спектра по энергии.

г) Обеспечивать большое (> 102) увеличение фдюенса излучения при ка-

налировании электронов низких и средних энергий на значительном расстоянии от монокристаллической мишени.

4. Проведено детальное экспериментальное исследование пропускания рентгеновского излучения с энергией 8 и 16 кэВ через прямые и изогнутые с разным радиусом стеклянные полнкапилляры длиной 200 мм и Диаметром отдельного канала 17 мкм при различном положении источника в фокальной плоскости. При тех же условиях проведены измерения расходимости излучения на выходе поликапилляров для энергии 8 кэВ.

Все измеренные зависимости хорошо согласуются с результатами численного моделирования, что обосновывает практическую возможность реализации рентгеновской капиллярной оптики для задач фокусировки и фильтрации излучения при каналировашш электронов низких и средних энергий.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

А1 С.В.Потураев, Т.А.Хатков, А.И.Стирпн, В.М.Искандарян "Экспериментальная установи на базе микротрона с энергией 20 МэВ для исследования процессов излучения при калалнровании электронов в монокристаллах".

Тезисы докладов на Ш Всесоюзной конференции по излучению релятивистских частиц в кристаллах, Нальчик, май 1988, с.85-86

А2 S.V.Poturaev, M.A.Kumakhov, L.I.Ognev, V.M.Iskandaryan,

T.A.Khatkov and A.I.Stirin "Measurement of planar channeling radiation from 19.2 MeV electrons in silicon using a microtron" Phys.Stat.Sol.(B) V.176, Na31 (1993) p.31-39

A3 S.V.Poturaev, R.F.Fayazov, M.A.Kumakhov, T.A.Khatkov, A.I.Stirin and V.M.Iskandaryan "Wide-band X-ray capillary optics for digital subtraction coronary angiography", Preprint IAE-5413/14, Moscow 1991

A4 M.A.Kumakhov, S.V.Poturaev, R.F.Fayazov, V.M.Iskandaryan, T.A.Khatkov and A.I.Stirin "Possibilities of using a novel wide-band X-ray capillary optics in channeling radiation experiments",

Book of Abstracts of First International Workshop on Channeling Radiation, Gosen, Berlin, October 1992, p.20

A5 Q.F.Xiao, S.V.Poturaev "Policapillary based X-ray optics",

Proceedings of the 8th National Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation, NIST, Gaithersburg, Maryland USA, August 23-26 1993

A6 Г.И.Годовив, В.М.Иекандарян, АЛ.Стирин, Т.А.Хатков, А.М.Кокорин, С.В.Потураев "Устройство для вывода пучка заряженных частиц на мишень"

Заявка Na 4930041/42 Пр. от 25.04.91, Авторское свидетельство №■ 1829882,1992

Список цитированной литературы

1. A.Richter "Electron channeling radiation: first steps towards a bright and tunable X-ray source"

Materials Science and Engineering V.B11 (1992) p.139-147

2. M.A.Kumakhov "Channeling of photons and new X-ray optics" NudJnstr. and Meth., V348, (1990) p.28S-286

9'

V"

м5ы« ! мез

iv

МСк _

сз

О, К'н

-с? с6 _\л ий

Г V 12 □

I „1Бт

си

ф мс? а мс1 ,С5

щи

- С1

и

С1 -г С4 Коллиматоры

МС1 -г МС4 Коррегторы

МБАМБ ЗсрЕально-сиыметричнги

телескопнчеим магнитны сист.

КС Цилиндр Фараде»

СО христаллы н гониометр

11,2 Ионизационные хаиеры

т отклоняющий магнит

Рис.1. Схема экспериментальной установки на базе мпкротрояа с энергией 20 МэВ.

О ' ■ >''''''''''' "'''1''''11'''1''''''1'''''''

| || I I I * П I I I М I I, Н I I I I I I I I I II I I......'| I 1 I I I 1

Энергия фотона (кэВ)

Рис.2. Экспериментально померенные спектры получения электронов с энергией 19,2 МэВ в плоскостных каналах (100) монокристаллов кремния толщиной: а) 18 мхм; б) 7 мхм; в) 3 мкм. Общий заряд прошедшего пучка электронов менялся для разных толщин. Представлены также соответствующие раэориентированные спектры.

400-

2С0-

0600-

3*2 Е=19.2 МеУ Б! (110)

.'.••. . '-о 18ит

- с Г л,

(У .....

ы

.....ГОПООт

' ' I 1 I I ■ I I I ' ' I < 11 I ■ I 1 I > I 11 ■ I II > 'I 1....... I I I I

и

0 400л

и >.

1 200-

Щк к

7рп

1 I I » < I ■ I I I I ■ ■ I I 1 I I < I I ....... I »1 11' I I

400.

200:

Щ:А &

к. .ё. . V ^

Чч-,,

Зрт

.......' ' ' ' ' ' ■ ' ■ ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ■ ' ■ ' ■ ' ■ '

5.0 15.0 _ 25ЛЭ______35.0_ 45_0

Энергия фотона (кэВ)

Рис.3. То же, что на рис.2, но для ориентации (110).

спеттр вшючлющии линии спонтанного излучения

\ ч

КАПИЛЛЯРНАЯ \ / / *

РЕНТГЕНООПТИЧЕСКАЛ СИСТЕМА * ✓ « а

' г л—'—

ГОНИОМЕТР 4

МИШЕНЬ _ /

МАГНИТ ,

е жети часть спв!тра

жест1ад часть спехтра КАПИЛЛЯРНАЯ /

РЕНТГЕНООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА /

ГОНИОМЕТР

МИШЕНЬ/

МАГНИТ х е-

спехтр вхлючающии линии спонтанного излучения

б

Рис.4. Схемы использования рентгенооптических капиллярных устройств а) для фокусировки излучения при каналирова-нии в кваэипараллельнын поток и его пространственного выделения из конуса жесткого тормозного получения; б) для фокусировки получения при каналировании в пятно малого размера. Масштаб искажен для наглядности.

ь а

0.8 -

•04 п

■в"

л о

\

\ \

__центральный жапнллхр

... перифервннын калнллхр

стекло ВВе / = 50 см I = 24,9 с* ¡¡с - 0,1 см ^ = 1,6 мкм

0.0 | I I I I ' I I I I | I м I I I | | I | м м I I ' 1 I |'ГТ I > I I |~Г I | 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0

Энергия, хэВ

§ 1.0

ы У 0.3

г*"» и

о.

и 0.5

ь

я

1 0.4

В

в О 0.2

0.0

/ = 50 см I = 16,0 см (¿о — 0,1 см А - 1,6 мкм

центральных капилляр периферххяых калхяахр

0.0

I I I I I I I I I I I I I I I I I ' I

20.0 40.0

60.0

Энергия, хэВ

Рис.5. Расчетная энергетическая (зависимость коэффициента пропускания рентгеновского получения капиллярными каналами рентгенооптических систем: а) для системы, представленной на рис.4а; б) для системы, представленной на рис.4б.

\

\

\

\

оло-омом-«.45 ■ 0.40 О Л ЛУ> 0 25 ИЗО 0.15 0.10 0.05 ООО

■ 1 ■— Г ч- г а а

а

■ ахсперныент

.— теория

Энергм (мВ)

Рис.6. Энергетическая аавпсимость пропускания рентгеновского получения прямым полпкапилляром.

I 0.4-

0

г э

1 0.2-

а эхсперимот, в »В, Г\УНМ - 0,77 их

о «спсртент, 16 х»8, ПУНМ с 0,49 ш<

_ порч, 8 «»В. - 0.83 ми

... теорвд, 16 кэВ, КЛИМ Я 0,58 их

о'. о\.

1

о\ о\

О '-'"Л

--ЛогБбЙОвве,-

-1.0 -0 5 0.0 0 5 1.0

Сигшгвяе источи«!» ( )

Рис.7. Зависимости коэффициентов пропускания рентгеновского излучения с энергией 8 кэВ и 1С кэВ от смещения источника в фокальной плоскости прямого поликашхлляра.

10 12 14 11 11 20 22

« I

4

Угол отглонени* (градусы)

Рпс.8. Зависимости коэффициентов пропускания рентгеновского получения с энергией 8 кэВ и 16 кэВ от угла погиба поликапилляра.

Интенсивности

Интенсивность

а

О It

Ч

1

Л

s

Интенсивность

Угол (мрад)

Угол (мрад)

о г « 6

Рис.9. Угловое распределение интенсивности получения

Си Ка на выходе полпхапилляра при раоных значениях погиба поликапилляра а и смещения источника Д в фокальной плоскости: а) а = 0°; Д = 0; б) а = 0°; Д = 0,35 мм; в) а = 2,4°; Д = 0; г) а = 2,4°; Д = 0,35 мм; д) а = 6,2°; Д = 0; е) а = 6,2°; Д = 0,35 мм.