Спектрометрия рентгеновского излучения с использованием многослойного цилиндрического зеркала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

^/¿^----

МИТРОФАНОВА ЮЛИЯ ЛЬВОВНА

СПЕКТРОМЕТРИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО МНОГОСЛОЙНОГО ЗЕРКАЛА

Специальность 01 04 01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканЪе^ч'еной, степени кандидата физико-математических наук

ООЗ168Э12

Нижний Новгород - 2008

003168912

Работа выполнена в Российском федеральном ядерном центре -Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук Субботин Александр Николаевич

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Мхитарьян Леонид Саркисович ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"

кандидат физико-математических наук Чхало Николай Иванович ИФМ РАН

Ведущая организация- ГНЦ РФ ТРИНИТИ «Государственный научный центр Российской Федерации - Троицкий институт инновационных и термоядерных исследова-ний»

Защита состоится "5" июня 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002 098.01 Института физики микроструктур РАН (603950 Нижний Новгород, ГСП-105, комната)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института

Автореферат разослан "5" мая 2008 г.

Ученый секретарь _____—-

диссертационного совета У^/

доктор физико-математических наук-г у, и К П Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Рентгеновское излучение (РИ) несет большую информацию о физических процессах, происходящих в плазменных источниках различного типа Диагностика импульсных плазменных источников по линейчатому спектру РИ в диапазоне энергий квантов от 0,1 до 12 кэВ позволяет определить ионный состав, плотность электронов и температуру плазмы При изучении физических процессов в короткоживущей высокотемпературной неравновесной плазме сложно до опыта предугадать особенности спектрального состава и выход РИ из источника, так как выход РИ из мишени может отличаться от расчетного на несколько порядков Это связано с возможным свечением линий примесных атомов элементов конструкционных элементов установки, неоднородной по объему температуры и плотности плазмы, экранировкой излучения холодной периферией плазменного образования и рядом других причин В подобных экспериментах важно получить информацию о спектре рентгеновского излучения в наиболее широком диапазоне энергий квантов. Актуальность создания надежного спектрографа РИ с широким диапазоном регистрации энергий регистрируемых квантов, с разрешением порядка ЛМ,~(1-5)10'2 и с диапазоном регистрации по выходу РИ из источника до нескольких порядков величины вызвана необходимостью рентгеноспектральных измерений при исследовании высокотемпературной плазмы

Задачи измерения спектра РИ с относительно невысоким спектральным разрешением (не требуется спектроскопическая точность АЯД<~ 1СГ4) возникают

-при исследовании проблемы получения максимальной конверсии ЛИ в РИ, в которой, как правило, используется излучение энергий переходов между уровнями второй и третьей облочек атомов (ЬМ полоса) элементов со средними и большими значениями атомных номеров Ъ,

-при верификации численных кодов решения задач равновесной и неравновесной газодинамики по интегральным характеристикам спектра РИ (методы ЬМ и ММ (измерение излучения энергий переходов между уровнями третьей и четвертой облочек атомов) спектроскопии),

-при исследовании спектров ЬМ полосы плотной сильно неидеальной плазмы, создаваемой ультракороткими импульсами ЛИ, с целью сравнения различных моделей расчета непрозрачности плотной горячей плазмы, в том числе с учетом возможного нарушения локального термодинамического равновесия

Такие задачи возникают в измерениях по исследованию режимов сжатия сферических мишеней, различного типа пинчей

Целью работы

1 Проверка применимости изогнутого многослойного зеркала для спектрометрии РИ лазерной плазмы, создание действующего макета рентгеновского спектрографа на базе многослойного цилиндрического зеркала и разработка математического обеспечения, необходимого для оптимизации постановки измерений, обработки и анализа результатов измерений Основными требованиями к спектрографу являются широкий диапазон энергий регистрируемых квантов, надежная регистрация при неопределенности выхода РИ из источника на несколько порядков величины, универсальность схемы регистрации, независящая от типа установки, достаточное энергетическое разрешение Данный прибор предполагается использовать в дорогостоящих измерениях с целью надежного получения экспериментальных данных о спектре и выходе РИ из источника, когда априорная информация о спектре РИ крайне скудна Такими измерениями, как правило, являются эксперименты на импульсных однократных источниках, включая взрывные эксперименты По полученным с помощью спектрографа данным можно определить спектральный состав и выход РИ из лазерной плазмы, по отношению интенсивностей зарегистрированных линий можно определить температуру плазмы

2 Разработка математического обеспечения, необходимого для оптимизации постановки измерений, обработки и анализа результатов измерений

Научная новизна

Разработан и экспериментально проверен макет широкодиапазонного спектрографа РИ на базе многослойного цилиндрически изогнутого зеркала и математическое обеспечение прибора, не имеющие на момент создания зарубежных и отечественных аналогов

Практическая значимость.

Практическая значимость заключается в следующем

1. Разработанный спектрограф позволяет использовать фотоприемники с небольшим динамическим диапазоном регистрации, например, рентгеновскую пленку, и размещать спектрограф на большом удалении от источника

2 Спектрограф не требует сложной настройки

3 Обладает приемлемым энергетическим разрешением

4 Нормировка результатов на измерения с полупроводниковых детекторов позволяет зарегистрировать не только спектральный состав, но и абсолютный выход РИ из источника

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные и программно реализованные методами аналитической геометрии и векторного анализа алгоритмы, позволяющие моделировать измерения на спектрографе, что позволяет оптимизировать постановку измерений РИ, обработать и проанализировать полученные результаты

2. Действующий макет спектрографа на многослойном цилиндрически изогнутом зеркале состава N1/0 для диапазона энергии падающих квантов (1,15-2,65) кэВ

3. Результаты проведения, обработки и анализа спектральных рентгеновских измерений на установке ИСКРА-5 в диапазоне (1,15-2,65) кэВ с энергетическим разрешением 2-2,5%

Личный вклад автора в полученных результатах

1 Равнозначный с Гусихиний И А в разработку алгоритмов расчета аппаратной функции спектрографа и светосилы прибора для объемного изотропного источника монохроматического РИ и основополагающий в их программную реализацию [А1,А2,А4]

2 Равнозначный с Субботиным АН в разработку и основополагающий в программную реализацию алгоритмов привязки энергетической шкалы и обработки результатов измерений [А6,А7,А8]

3. Равнозначный с Субботиным АН в разработку процедуры абсолютной нормировки измерении выхода РИ посредством специальных измерений на полупроводниковых детекторах с различными фильтрами перед ними [А7]

4 Основной вклад в проведение тщательного анализа для выбра основных элементов спектрографа многослойное зеркало, светозащитные и поглощающие фильтры [А1,А2,А5]

5 При непосредственном участии автора поставлены, проведены спектральные измерения на установке ИСКРА-5 и при основополагающем его вкладе (совместно с Субботиным АН) обработаны и проанализированы [АЗ,А6,А7, А8]

В совместных работах научному руководителю принадлежат постановка задач по разработке алгоритмов расчета основных параметров спектрографа и обработки результатов измерений Проведение измерений, разработка и программная реализация алгоритмов по расчетам параметров спектрографа и обработки результатов измерений принадлежат автору диссертации

Апробация полученных результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались на международных, национальных и всероссийских конференциях и совещаниях симпозиумах «Рентгеновская оптика -2002-2004» (Нижний Новгород, 2002, 2003 гг., Черноголовка, 2004 г), XIV международной конференции «СИ-2002» (Новосибирск, 2002 г ), IV национальной конференции «РСНЭ-2003» (Москва, 2003 г), XV и XVI международных конференциях «СИ-2004, 2006» (Новосибирск,

2004, 2006 гг), симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника -

2005, 2006», (Нижний Новгород, 2005-2006 гг.), XXI конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 2006 г)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах и сборниках, I публикация в сборинике материалов симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника -2005»

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения Общий объем диссертации составляет 124 страницы, включая 62 рисунка и 18 таблиц Спискок цитируемой литературы включает 60 наименований, список публикаций автора по теме диссертации - 8 наименований

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, а также представлены сведения о структуре и содержании работы, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены теоретические основы спектрометрии РИ при помощи диспергирующих элементов, соотношения позволяющие рассчитать коэффициент отражения рентгеновского излучения от многослойного зеркала.

Во второй описана принципиальная схема рентгеновских измерений спектрографом на базе изогнутого многослойного зеркала. Выделены основные характеристики спектрографа, необходимые для обработки результатов измерений.

Источник и приемник в выбранной редакции измерений располагаются вне круга Роуланда, что позволяет использовать спектрограф на различных расстояниях от источника и обеспечивает компактность прибора. В состав спектрографа входят МЗ состава N¡/0 с периодом 2.8 нм, длиной 7 см, радиусом изгиба Л= 40 см; светозащитный фильтр перед зеркалом состава 3 мкм лавсана и 0.27 мкм А1, перед пленкой светозащитный фильтр состава лавсан толщиной 3.5 мкм и 0.1 мкм А1, в качестве дополнительных поглотителей для повышения динамического диапазона использовался лавсан толщиной 10 и 20 мкм, реперным фильтром служил А1 толщиной 7 мкм.

Фоторегистратором служила рентгеновская пленка УФ-4. Вид спектрографа сверху

представлен на рис. 1.Для создания широкодиапазонного спектрографа использовалось цилиндрическое МЗ. При изгибе зеркала увеличения диапазона регистрации происходит за счет увеличения интервала углов скольжения.

Проведены оценки и показано, что схема с цилиндрически изогнутым зеркалом в выбранной редакции измерений обладает

Рис. 1 - Спектрограф, вид сверху.

практически на порядок большей обзорностью, чем такой же спектрограф с плоским зеркалом Методом рентгеновской зеркальной дифракции определялись параметры зеркала период, отношение толщин слоев, среднеквадратичная высота шероховатостей Для этого измерялась кривая качания плоского МЗ по всей длине на линии Ка меди с энергией квантов Е=8 006 кэВ Измерения проводились в ИЯФ (г Новосибирск) В июне 2006 г были проведены новые измерения в ИФМ РАН (г Нижний Новгород) Измерения проводились на линии Ка алюминия с энергией квантов £=1 47 кэВ В отличие от предыдущих измерений, снимались поперечные сканы по всей поверхности изогнутого зеркала с шагом 10 мм Для определения характеристик зеркала проводились расчеты кривой качания при различных параметрах зеркала по разработанной автором программе Параметры, при которых наблюдалось наилучшее совпадение с экспериментом, принимались за характеристики зеркала Сравнивая данные, полученные в результате обработки измерений в ИЯФ и ИФМ на различных энергиях, можно сказать, что параметры зеркала имеют удовлетворительное согласие и равны период (1=2 8 нм, среднеквадратичная высота шероховатостей ^=0.5 нм, отношение слоев В=0 45, число слоев N=50 Показано что изгиб зеркала не влияет на его параметры

Проведены измерения конструктивно заданного угла скольжения в центр зеркала равного 7°. Для этого в одном из экспериментов рентгеновская пленка устанавливалась таким образом, что на фоторегистраторе видно не только РИ, отраженное от зеркала, но и прямо прошедшее излучение Измеряя расстояние между отпечатками прямо прошедшего и отраженного излучений можно определить угол скольжения излучения в центр зеркала После обработки спектрограммы измеренное расстояние соответствует углу 7 03°, что в пределах погрешности измерений соответствует конструктивно заданному углу 7°

С помощью методов векторного анализа получены соотношения для расчета светосилы и аппаратной функции спектрографа в трехмерной геометрии для объемного изотропного источника произвольной формы

Определение 1 Определим светосилу прибора г как отношение числа зарегистрированных квантов к числу испущенных из источника

Рассмотрим изотропный, однородный и монохроматический источник с единичным выходом в 4л из всего объема Плотность потока квантов на зеркале равна

где V - объем источника, ц/- угол падения частиц на зеркало, г -расстояние от точки источника до точки рассеяния на зеркале При зеркальном отражении число отраженных квантов равно интегралу по поверхности зеркала 8 от произведения плотности потока на коэффициент отражения к(в), в-утоп скольжения частиц на зеркало

Если все отраженные от зеркала кванты попадают на приемник, то е равна-¿иг. (1)

В цилиндрических координатах интеграл (1) имеет вид

. = (2)

где й - радиус кривизны зеркала, (р - азимутальный угол, отсчитывается от нормали к центру зеркала, а координаты точек зеркала выражаются обычным образом.

Х=Я С0з(<р), У = Я 51п(<р), 1=2

Введем декартову систему координат начало координат находится в медианной плоскости зеркала, в центре окружности, радиус которой равен радиусу изгиба зеркала, ось X направлена в центр зеркала перпендикулярно образующей цилиндра, ось Ъ направлена параллельно образующей цилиндра, источник находится в точке с координатами (хьуьгО. Формула для подсчета светосилы прибора выведена методами векторного анализа

е{<р, :,х,,у,, г, ) = -- ' ■ -____-С К-Х, С<г<(<р)-У1 5,г,(<р)

Расстояние г от источника до зеркала в выражении можно определить как длину вектора

/■= (х-ьТ^у-у,)1+(:-:,)'= со^-х,/+(Я >4<р)-у,)'+(:-:,)'

Подставив эти соотношения в (2), получим

сг, К ГГГ к(в(у,2,х, У, соз(</>)-у, пп(<р)) (3)

~4*У, \ц>-21!(х, со*(р)+у, 5т(р))+х,2+у;+(2-2,У*

Выражение (3) позволяет рассчитать светосилу спекгрографа для источника любой конфигурации методом Монте-Карло

Определение 2 Определим аппаратную функцию спектрографа как отклик спектрографа на монохроматическое излучение точечного изотропного источника

Для получения аппаратной функции необходимо при расчете светосилы с помощью выражения (3) перейти от интегрирования по поверхности зеркала к интегрированию по поверхности приемника Для этого в выражении (3) проведем замену переменной ip на координату ^ по длине приемника Введем декартову систему координат по приемнику с осями С,, z? и началом координат в точке пересечения центрального отраженного от зеркала луча с плоскостью приемника Началу системы координат фсоответствует точка (хо,уо,0) в декартовой системе координат, связанной с зеркалом Тогда светосилу прибора можно записать, как

е:__R fff kie(c.x, cosj^.x, У1.г,))-У, vnWe.x^y,.!,)))^, } dz {Г -Xt dCdV

V J^7r(x, cosm+y, s^WW + M-*,/?'7 ^ *>

Форма линии на приемнике имеет вид

FF[cU—\_____к{в{ф-х,соШ)-у, А^Ъ_^(rf^-fc - w(4)

Для расчета формы линии с помощью выражения (4) нам потребуются функциональные зависимости cp(Q, d<p/d£u dzfdz2

Зависимость cp(Q, необходимую для подсчета всех величин в формуле (4), можно получить, решая трансцендентное уравнение

R(cos(<pJy, + у0)-sm(<p\x0-v х,))^ sm(2<p\x0 л:,-у0 у,)-cos(2<p)(y0 х, + у, хд) = (5) sin{2<р + ва)у[ + R(l - cos (<р + д0))+ cos

Нахождение (p(Q разбивается на два этапа нахождение приближенного корня уравнения (5), полученного из соотношения (5) при замене cos(cp)~l, sin((p)~cp и итерационного уточнения с помощью линеаризации точного уравнения

<р- W1 + W2 <p + W3 = 0 , (6)

где Wl = -z{xl cos{e0)+yl sm(e^-(yl хО + уО xl),

П'2 = фу! u>\(e0)+(R-2 xl)sm(60))+ ф xl + it))+i{yl yO-xl xt)),

W3 = c((x! - R)cos(90)+yl sin(ea))+ (xl - R)yO + (xO - R)yl

Для нахождения производной dcp/dtj возьмем производную по С, от обеих частей соотношения (5), учитывая что <р=ф(0 После этого

ю

решим полученное уравнение относительно производной В результате значение производной ёф/с!С равно

=_~аЗ(рУ

асу у " - №/(<?)+\У2(ф)(¥з\<р)'

Где \¥1{<р) = (а1У)+а2{(р))аЗ{(р), а1(<р)^(~Ь'0+у1)!т(р)-(х0+х,)со!^))я , а2(р) = 2ип(2<р)Ь>0 х,+у, х0)-2со*(2рУу0 у,-х, ха),

аЗ(р) = -001(2 <р + 0о)Х1- Ят{2(р + Од)у1 + С0$(<Р + 00)я', № 2{<р)= о//(р)+ а22(<р),

а11{д>) = ({у0+у,)соз{(р)-(ха+х1)1т(р))к , №\?(<?)= 2 ¡т{2<р + вй)х, - 2 со^2д> + в0)у, + , а22{р) = -со*(2<рУу0 д:,+у, х„)-ип(21р)(у0 у,-х, х0)

-(с - \{к + со:Ы.С)Ьо+( »"{во)) + х'"{<р(С)Ьо+С со*(&0))) + (ип(р(с))у, + ))х, - Л.)

Продифференцируем полученное соотношение по г2, получим

__тпЩ))у, +с°*Ш))х1 -Я___

<к2У сов{р{с)\с*1п{в0)+х0+х)+*т{у(с)\ссоз{90)+у0+у1)-2к Алгоритм расчета аппаратурной функции позволяет моделировать ее поведение в различных геометриях измерений и позволяет рассчитать влияние размеров и положения источника на энергетическое разрешение спектрографа

Разработана процедура перевода пространственной шкалы прибора в энергетическую Для этого каждой точке зеркала ставилась в однозначное соответствие точка приемника. В свою очередь, каждой точке на зеркале соответствует угол скольжения, определяемый взаимным расположением источника излучения и зеркала По углу скольжения определялась энергия квантов

Во второй главе приведены расчеты светосилы, диапазона регистрации и энергетического разрешения прибора При геометрических параметрах зеркала 11= 40 см, длина 7 см, высота 1 5 см, и геометрии измерений центральный угол скольжения 7°, расстояния от источника до зеркала 128 2 и 76 8 см, от зеркала до регистратора 9 7 см; диапазон регистрации прибора составляет (1 15-2 65) кэВ, энергетическое разрешение 2-2 5%, светосила (2 47-0 34) 10"8 и (7 46-1 05) 10"8 соответственно

Описаны результаты калибровки и обработки рентгеновской пленки УФ-4 По калибровочной пленке получена характеристическая кривая - однозначная связь между почернениями на рентгеновской пленке и флюенсом квантов, упавших не нее Эта кривая в дальнейшем необходима при обработке спектрограмм

и

опытов для перевода почернений во флюенс квантов, упавших на регистратор

В третьей главе разработана процедура обработки экспериментальных данных и выведены основные соотношения, позволяющие перейти от аппаратурного спектра к спектру из источника РИ Оцифрованное изображение спектра на фотоприемнике при помощи характеристической кривой переводится во флюенс квантов Если пренебречь размытием спектрографа, то для перехода к спектру выхода РИ из источника нужно поделить аппаратурный спектр на светосилу прибора и учесть поглощение в фильтрах на пути от источника до фоторегистратора При обработке результатов измерений производится привязка энергетической шкалы прибора и абсолютная нормировка спектральных измерений выхода РИ из источника

Спектрограммы, полученные в опытах, оцифровывались на сканере Изображения ретушировались После ретуширования для уменьшения шумов проводилось усреднение по пикселям По усредненным значениям определялась зависимость почернений от координаты регистратора Для получения спектра на регистраторе значения почернений с помощью калибровочной пленки переводились во флюенс РИ, а линейная координата переводилась в энергетическую шкалу

Выведено соотношение перехода от спектра по фоторегистратору к спектру из источника/(Е)

м--жжт— (7>

где Р(с1е1(ф) - зависимость флюенса падающих квантов от почернения пленки, с1е1(ф - зависимость почернения пленки от координаты по приемнику, £ - координата по приемнику РИ, Н -высота зеркала, Е - энергия квантов, ¡л(Е) - коэффициент поглощения РИ в фильтрах.

Поглощение РИ в фильтрах на пути от источника к фотопленке

вычисляется с помощью соотношения //(£)=« ' , где п, - толщина

фильтра, (л,(Е) - полное сечение взаимодействия квантов с веществом фильтра, г - номер фильтра

Для описания спектральных характеристик РИ из плазменных источников удобно пользоваться не спектром выхода излучения

(Ш/бЕ размерностью квант/кэВ, а спектром выхода энергий излучения с!\\7с1Е размерностью Дж/кэВ Тогда для перевода спектра, размерностью квант/кэВ в размерность Дж/кэВ необходимо умножить правую часть на энергию падающих квантов и учесть коэффициент перевода 1 6 10"16 Дж/кэВ Следовательно, спектр энергии РИ из источника, будет иметь вид

/(г =--■ ■ Е 1 6 10-" =-Г-5-Г-5-¡®—

Описанная процедура позволяет получить спектр энергии РИ из источника по зарегистрированной спектрограмме. При этом предполагается, что излучение выходит из источника изотропно В тех опытах, когда это условие не выполняется, например, с плоскими мишенями, целесообразно результаты измерений представлять в виде спектра энергии РИ на единицу телесного угла в месте размещения спектрографа. Для этого достаточно соотношение (9) поделить на 4 я, и результаты измерений будут представлены в единицах Дж/(кэВ см)

Для абсолютной привязки энергетической шкалы прибора часть пленки по высоте была перекрыта реперным фильтром из алюминиевой фольги со скачком фотопоглощения 1 55 кэВ. Спектр, зарегистрированный за алюминиевым фильтром, до скачка имеет такой же вид, как и за другими фильтрами, а за скачком наблюдается резкий спад, обусловленный резким увеличением сечения фотопоглощения Форма спада скачка фотопоглощения на аппаратурном спектре за алюминиевым фильтром определяется функцией размытия спектрографа Посредством сравнения расчетного и экспериментального спектров за алюминиевым фильтром осуществляется абсолютная привязка спектра РИ к энергии скачка фотопоглощения 1 55 кэВ Форма спада скачка фотопоглощения на аппаратурном спектре за А1 фильтром рассчитывалась из восстановленного спектра с учетом функции размытия спектрографа и пропускания в алюминии В качестве иллюстрации проведена привязка энергетической шкалы для одного из опытов с ¿^-мишенью Показано, что погрешность такого рода привязки энергетической шкалы не превышает ± 1%

Абсолютная привязка выхода РИ из мишени проводилась посредством нормировки на результаты измерений при помощи полупроводниковых детекторов

Выбрана принципиальная блок-схема измерений на полупроводниковых детекторах СППД-11 с регистрацией сигнала с детектора на осциллографе TDS 3012 В связи с большой неопределенностью выхода РИ из мишеней, был выбран режим работы детекторов с насыщением по току регистрации Такой режим позволяет регистрировать заряды с детектора при их отклонении от номинала в сотни раз Экспериментально показано, что режим работы полупроводников в «насыщении» существенно не влияет на сбор заряда в полупроводнике

Из сравнения расчетного и экспериментального сигналов с детекторов находился нормировочный коэффициент, при котором наблюдалось наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных данных Для определения расчетных сигналов использовался спектр, зарегистрированный на спектрографе, с экстраполяцией за пределы энергетической шкалы спектрографа по экспоненциальному закону Расчетный сигнал определялся как интеграл от произведения спектра РИ и чувствительности детектора с фильтром Спектр излучения представлялся как произведение нормировочного коэффициента на экспериментальный спектр Абсолютная нормировка выхода РИ из мишени позволяет с точностью до 20 % (погрешность регистрации сигнала полупроводниковыми детекторами) определить абсолютный выход РИ из источника

В.четвертой главе проведен анализ погрешности спектральных измерений Погрешность измерений можно условно разбить на две независимые составляющие погрешность измерения абсолютного выхода РИ из источника и погрешность измерения относительного хода спектра

Рассмотрено влияние на погрешность расчета относительного хода светосилы параметров зеркала периода и среднеквадратичной высоты шероховатости Величина шероховатости Ç в каждой точке зеркала бралась равной 1%, экспериментальные данные из главы 2 Для полученного распределения шероховатости по зеркалу проводился расчет относительного хода светосилы прибора для всего диапазона регистрации После этого совместим полученные кривые светосилы с кривой светосилы, соответствующей параметрам зеркала, измеренным во второй главе, в центре Отклонение полученных кривых от истинной на краях, будет отвечать за погрешность относительного хода спектра, вносимой

неточностью расчета светосилы прибора Погрешность расчета относительного хода светосилы оценивалась по максимальному значению для энергий 1 2 кэВ - 0 7%, 1 9 кэВ - 0 2%, 2 6 кэВ - 3 5%

Рассмотрено влияние изменения периода зеркала в 1% на светосилу прибора Погрешность расчета светосилы рассчитывалась аналогично шероховатости Получено что наибольшее рассогласование кривых светосилы происходит на краях диапазона регистрации в и соответствует 1 2 кэВ- 2%, 1 9 кэВ - 0 3%, 2 6 кэВ -2 4%

Радиус кривизны зеркала получен из аппроксимации измерений профиля зеркала на микроскопе окружностью Оценка погрешности относительного хода светосилы поведена аналогичным образом Погрешность расчета относительного хода светосилы рассчитывалась для энергий квантов и соответствует 1 2 кэВ 0 35%, 1 9 кэВ -1 %, 2 6 кэВ - 2 2% Суммарная погрешность относительного хода светосилы прибора в зависимости от энергии регистрируемых квантов меняется от 2 2% для Е=1 2 кэВ до 4 8% для Е=2 6 кэВ

Для вычисления погрешности производной ^ проводилась

аппроксимация зависимости £(е) полиномом 3 степени, от которого находилась производная Погрешность в расчете данной зависимости возникает из-за погрешности в расчете расстояния от зеркала до приемника, возникающая при этом погрешность не превышает 0 1 см Рассчитывались зависимости с(е) при максимальном отклонении в расстояниях. Различие в производных для энергий квантов Е=1 2, 1 9, 2 6 кэВ составляет 6, 2 7 и 3% соответственно

Погрешность относительного хода спектра принята равной 9% во всем диапазоне регистрации Погрешность регистрации абсолютного выхода РИ из мишени полностью определяется нормировкой на показания полупроводниковых детекторов Как показано выше, погрешность определения абсолютного выхода РИ не превышает 20%

Кроме расчетных неточностей в погрешность относительного хода спектра вносит свой вклад погрешность калибровки рентгеновской пленки равная 20%

В пятой главе представлены результаты спектральных измерений РИ горячей многозарядной плазмы из тонкослойных сферических

мишеней спектрографом на базе изогнутого многослойного зеркала в диапазоне (1.154-2.65) кэВ. В экспериментах исследовался спектральный состав при кумуляции горячей многозарядной плазмы, возникающей при внутреннем облучении сферической тонкостенной Ре-мишени, внешнем облучении сферической 8 Юг-мишени, облучении плоских мишеней из Ое, Г)у и Аи. Измерения проводились на лазерной установке ВНИИЭФ ИСКРА-5 при облучении мишени двенадцатью лазерными лучами (сферические мишени) и однолучевые опыты (плоскими мишенями) на второй гармонике йодного лазера с длиной волны 0.66 мкм. Абсолютная привязка результатов измерений на спектрографе проводилась на результаты измерений полупроводниковыми детекторами.

В опытах с Се-мишенями спектры, зарегистрированные при помощи МЗ и кристалла КАР, удовлетворительно согласуются по форме. Наблюдается серия линий РИ в диапазоне от 1.2 до 1.5 кэВ, соответствующая переходам 2р-3э, 2р-3с1, 2з-3р Ые-подобных ионов Се+22.

В измерениях с 8Ю2- мишенью наблюдаются яркие линии свечения Н- и Хе- подобных ионов перехода 2р-1в с энергиями 1.85 кэВ и 2.01 кэВ соответственно, имеются (3-серии свечения этих ионов с энергиями линий 2.21 кэВ и 2.44 кэВ. Спектрограммы, полученные при помощи МЗ, в этих опытах и обработанные спектры приведены на рис 2.

В серии из 3-х опытов при облучении плоской 1)у- мишени на малой мишенной камере лазерной установки ИСКРА-5 показано, что с ростом интенсивности ЛИ на спектРы из источника, полученные

мишени в интервале (К6)1014 Вт/см2 спектрографом в опытах с с БЮ,-

Г11, 7 мишенью,

в спектре РИ растет доля жестких

квантов свыше 1.6 кэВ.

Измеренный с помощью спектрографа коэффициент конверсии лазерного излучения в РИ меняется от 3% до 4%. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных результатов с

10 12 К 16 1 Б 2.0 2 2 2,4 2 6 2 8 3.0 -í опыт Энергия хвантов, кэВ

...... 2 опьп

.....3 опыт

Рис. 2 - Спектрограмма и

расчетом и независимыми измерениями на кристалле КАР В опытах с Ре-мишенями отчетливо наблюдается набор линий РИ свечения ионов железа в диапазоне (13-1 6) кэВ Имеются яркие линии свечения Хе - и 1_л- подобных ионов перехода Зр-2&, 1Б и 3р,38,3<1-1 б с энергиями 1 37, 1 45, 1 52, 1 57, 1 7 кэВ Для одного из опытов проведен расчет спектра и выхода РИ из мишени по программе СС9 Расчет удовлетворительно согласуется с экспериментом, как по структуре спектра, так и по выходу РИ из мишени

В измерениях с Бу- мишенью на большой мишенной камере экспериментальные и расчетные спектры удовлетворительно согласуются по форме в диапазоне (1.4-2 3)кэВВ спектральной области (1 15-14) кэВ в расчете отсутствует группа линий в области ~ 1 3 кэВ, спектрограф с кристаллом КАР регистрирует в этой области ярко выраженный пик, который слабее виден на спектрографе с изогнутым МЗ

В измерениях с Аи- мишенью форма спектра и положении пиков РИ для расчетных и экспериментальных данных удовлетворительно согласуются в области (2 4-2 65) кэВ Отличие в форме спектров наблюдается в областях ниже 2 2 кэВ в расчетном спектре отсутствуют пики РИ в районе 2 1 кэВ

Таким образом, одномерные расчеты динамики плазмы, проведенные в плоской геометрии в рамках приближения неравновесной газодинамики, имеют удовлетворительное согласие по форме спектров ярких линий РИ

В проведенных экспериментах продемонстрирована техническая простота измерений на спектрографе с изогнутым многослойным зеркалом Регистрация спектра за различными поглотителями позволила осуществить точную привязку энергетической шкалы и расширить динамический диапазон регистрации

Одновременная со спектрографом регистрация РИ с помощью полупроводниковых детекторов и поглощающих фильтров обеспечила высокую точность измерений выхода РИ из мишени

В Заключении представлены основные результаты работы 1 Выбрана схема и разработана конструкция спектрографа МЗ состава N10, 8 нм, длина 7 см, 11=40 см Выбран набор светозащитных фильтров и дополнительных поглотителей для увеличения динамического диапазона регистрации

2 Разработаны, реализованы программным образом и оттестированы алгоритмы для расчета основных характеристик спектрографа светосилы, диапазона регистрации, аппаратной функции, отражательной способности зеркала Рассчитаны основные характеристики спектрографа диапазон регистрации (1 15-2 65) кэВ, энергетическое разрешение 2-2 5%, светосила (2 47-0 34) 10"8 и (7 46-1.05) 10"8 для расстояний от источника до зеркала 128.2 см и 73.6 см соответственно

3 Разработана и реализована процедура обработки экспериментальных данных. Она позволяет с точностью до 1% привязать энергетическую шкалу прибора и с точностью до 20% определить абсолютный выход РИ из источника Экспериментально показано, что режим работы полупроводников в «насыщении» не влияет на сбор заряда в полупроводнике

4 Оценена погрешность регистрации относительного хода спектра РИ, которая принята равной 20% во всем диапазоне регистрации

5. Показана работоспособность прибора и представлены результаты спектральных измерений РИ высокотемпературной многозарядной плазмы из сферических и плоских мишеней спектрографом на базе изогнутого многослойного зеркала в диапазоне (1 15-2 65)кэВ

6 Экспериментальные результаты, полученные при помощи спектрографа удовлетворительно согласуются с расчетом по программе СС9 и независимыми измерениями на кристалле КАР

7 В проведенных экспериментах продемонстрирована техническая простота измерений на спектрографе с изогнутым многослойным зеркалом Регистрация спектра за различными поглотителями позволила осуществить точную привязку энергетической шкалы и расширить динамический диапазон регистрации Одновременная со спектрографом регистрация РИ с помощью полупроводниковых детекторов и поглощающих фильтров обеспечила высокую точность измерений выхода РИ из мишени

Список публикаций автора по теме диссертации

[AI] Лобанова1, ЮЛ Расчет коэффициента отражения мягкого рентгеновского излучения от многослойного зеркала / ЮЛ Лобанова, А Н Субботин // Поверхность Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2003 - №2, с 6-9 [А2] Лобанова, Ю.Л. Расчет параметров спектрометра на основе цилиндрически изогнутого многослойного зеркала /ЮЛ Лобанова, АН Субботин // Поверхность Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования - 2003. -№11, с 56-58 [A3] Лобанова, Ю Л. Измерения линейчатого рентгеновского излучения плазмы с использованием изогнутого многослойного зеркала /ЮЛ Лобанова, А.Н Субботин, П Л. Усенко, В А Токарев // Поверхность Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования - 2005 - №2,, с 109-113.

[A4] Лобанова, Ю Л Расчет формы линии и светосилы спектрометра рентгеновского излучения на основе цилиндрического многослойного зеркала для объемного источника / Ю.Л Лобанова, А.Н Субботин, В И Нагорный, И А. Гусихина // Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования - 2005 -№8, с 44-48

[А5] Lobanova, Ju L X-ray spectrograph on the basis of a multilayer cylindrical mirror with variable period / Ju L Lobanova, A.N Subbotm // NIM A, 2005 Vol 543, p 381-385

[A6] Лобанова, Ю Л Измерение спектра рентгеновского излучения лазерной из диспрозиевой мишени с помощью изогнутого многослойного зеркала / ЮЛ Лобанова, АН Субботин, ПД Гаспарян, Е.С Цой, Н А Суслов // Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника -2005» №2, Нижний Новгород, 2005, с 508-509

[А7] Лобанова, Ю Л Измерение спектра рентгеновского излучения лазерной плазмы плоских мишеней из диспрозия, германия и золота с помощью изогнутого многослойного зеркала /ЮЛ Лобанова, А Н Субботин, П Д Гаспарян, Е С Цой, Н А Суслов // Поверхность Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования - 2006 №6, с. 105-110

1 Лобанова Ю Л девичья фамилия Митрофановой Ю Л

[A8] Lobanova, Ju L, Subbotin A N , Gasparyan P D , Gusikhina IA, Zhidkov N V , Tsoi E S., Research of laser plasma X-ray spectrum from spherical tagets / Ju L Lobanova, A N Subbotin, P D Gasparyan, IA Gusikhina, NV Zhidkov, E.S Tsoi,//NIM A, 2007. Vol 575, p 242-247

МИТРОФАНОВА ЮЛИЯ ЛЬВОВНА

СПЕКТРОМЕТРИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО МНОГОСЛОЙНОГО ЗЕРКАЛА

Автореферат

Подписано к печати 30 04 2008г Тираж 60 экз Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктут РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

Введение.

1. Теоретические основы спектрометрии рентгеновского излучения с использованием многослойных зеркал.

2. Основные элементы и характеристики спектрографа.

2.1. Многослойное зеркало.

2.1.1. Обзорность спектрографа.

2.1.2. Характеристики многослойного зеркала.

2.1.3. Измерение центрального угла скольжения на зеркале.

2.2. Поглотители рентгеновского излучения.

2.3. Алгоритмы расчета основных характеристик спектрографа.

2.3.1. Алгоритм расчета кривых качания многослойного зеркала.

2.3.2. Алгоритм расчета светосилы спектрографа.

2.3.3. Расчет аппаратной функции.

2.4. Расчет зависимости энергии регистрируемых квантов от координаты на пленке.

2.5. Рентгеновская пленка УФ-4.

2.6. Выводы по главе 2.

3. Обработка экспериментальных данных.

3.1. Обработка спектрограмм.

3.2. Абсолютная привязка энергетической шкалы спектрографа.

3.3. Абсолютная нормировка выхода рентгеновского излучения.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Погрешности измерения спектра и выхода рентгеновского излучения.

4.1. Погрешность относительного хода спектра.

4.1.1. Погрешность относительного хода спектра, вносимая неточностью расчета светосилы прибора.

4.1.1.1. Влияние погрешности расчета коэффициента отражения от зеркала на светосилу спектрографа.

4.1.1.2. Влияние неопределенности радиуса кривизны зеркала на светосилу прибора.

4.1.1.3. Погрешность расчета светосилы, вносимая неточностью знания геометрических параметров.

4.1.2. Погрешность скорости изменения зависимости пространственной координаты по регистратору от энергии падающих квантов.

4.2. Выводы по главе 4.

5. Измерения РИ лазерной плазмы.

5.1. Измерения спектра и выхода РИ лазерной плазмы на малой мишенной камере.

5.1.1. Результаты измерений спектра РИ из Ge-мишени.

5.1.2. Результаты измерений спектра РИ из Dy-мишени.

5.1.3. Сравнение результатов независимых измерений и расчета.

5.2. Измерения спектра и выхода РИ лазерной плазмы на большой мишенной камере.

5.2.1. Исследование спектра РИ лазерной плазмы из сферических мишеней.

5.2.1.1. Результаты измерений спектра РИ из Fe-мишени.

5.2.1.2. Результаты измерений спектра РИ из SiCh-MHineHH.

5.2.2. Исследование спектра РИ лазерной плазмы из плоских мишеней.

5.2.2.1. Измерения спектра из Dy-мишени.

5.2.2.2. Измерения спектра из Au-мишени.

5.2.2.3. Сравнение результатов независимых измерений и расчета.

5.3. Выводы по главе 5.

Рентгеновское излучение несет большую информацию о физических процессах, происходящих в плазменных источниках различного типа. Диагностика импульсных плазменных источников по линейчатому спектру РИ в диапазоне энергий квантов от 0.1 до 12 кэВ позволяет определить ионный состав, плотность электронов и температуру плазмы [1]. В экспериментах по лазерному термоядерному синтезу с помощью рентгеноспектральных методов диагностики молено определить плотность холодной сжатой области и температуру горячего ядра мишени [2-4], исследовать скорость переноса энергии в процессе сжатия оболочки [5]. Эти исследования проводятся на основе измерений соотношений интенсивности спектральных линий, их формы, поглощения линий, а так же на основе анализа сдвига скачков рекомбинационного излучения. При изучении физических процессов в короткоживущей высокотемпературной неравновесной плазме («ДЕЛЬФИН-1» [6], ИСКРА-5 [7], Х-пинч, Z-пинч [8]) очень сложно до опыта предугадать особенности спектрального состава и выход РИ из источника, поскольку выход РИ из мишени может отличаться от расчетного на несколько порядков. Это связано с возможным свечением линий примесных атомов элементов конструкционных элементов установки, неоднородности по объему температуры и плотности плазмы, экранировкой излучения холодной периферией плазменного образования и рядом других причин. В подобных экспериментах важно получить информацию о спектре рентгеновского излучения в наиболее широком диапазоне энергий квантов.

Актуальность создания надежного спектрографа РИ с широким диапазоном регистрации энергий регистрируемых квантов, с разрешением порядка ДА/А,~(1-5)10"2 и с диапазоном регистрации по выходу РИ из источника до нескольких порядков величины вызвана необходимостью рентгеноспектральных измерений при исследовании высокотемпературной плазмы.

Задачи измерения спектра РИ с относительно невысоким спектральным разрешением (не требуется спектроскопическая точность А7Ук< ~ 10"4) возникают:

- при исследовании проблемы получения максимальной конверсии ЛИ в рентгеновское, в которой, как правило, используется излучение LM полосы элементов со средними и большими Z [9-12];

- при верификации численных кодов решения задач равновесной и неравновесной газодинамики по интегральным характеристикам спектра РИ (методы LM и MN спектроскопии);

- при исследовании спектров LM полосы плотной сильно неидеальной плазмы, создаваемой ультракороткими импульсами ЛИ фемтосекундной длительности, с целью сравнения различных моделей расчета непрозрачности плотной (твердотельной) горячей плазмы, в том числе с учетом возможного нарушения локального термодинамического равновесия [13-15].

Такие задачи возникают в измерениях по исследованию режимов сжатия сферических мишеней, различного типа пинчей и т.п. [1,8,16,17].

Наиболее распространенные методы спектрометрии импульсных источников основаны на разделении квантов различных энергий в пространстве на периодических структурах. Основой спектрографов такого типа является диспергирующий элемент. В качестве диспергирующих элементов чаще всего используются дифракционные решетки, искусственные и природные кристаллы, многослойные зеркала. Рентгеновские спектрометры такого типа широко используются при исследовании спектрального состава рентгеновских трубок, лазерной плазмы, лазерных фокусов различного типа, пинчей и т.п. [8-22]. При этом основная масса спектрографов разработана под конкретные установки или условия эксперимента.

Дифракционные решетки для спектрометрии РИ применяются, как правило, в диапазоне РИ от 0.03 до 1.5 кэВ [24,25]. К недостаткам дифракционных решеток можно отнести ограничение по энергетическому диапазону регистрации (верхняя граница 1ч-1.5 кэВ), малые рабочие углы (низкая светосила), сложность изготовления, и как следствие, дороговизну.

Плоские кристаллы и многослойные зеркала нашли широкое применение в спектрометрии РИ [22,26,27]. Спектральный диапазон регистрации на зеркале или кристалле, определяется диапазоном углов скольжения на диспергирующий элемент. Плоский диспергирующий элемент может, отражать РИ в достаточно широком диапазоне лишь при расстояниях от источника, сравни-, мых с длиной элемента [28]. В экспериментах с образованием короткоживущей высокотемпературной плазмы затруднительно располагать диспергирующий элемент близко к источнику, так как разлетающаяся плазма разрушает тонкие .светозащитные фильтры и через несколько импульсов выводит из строя, диспергирующий элемент. Кроме того, при приближении спектрографа к источнику ухудшается энергетическое разрешение прибора за счет конечного размера источника. Для увеличения спектрального диапазона регистрации приборов, существуют два направления: создание многоканальных приборов на базе плоских элементов и изгиб диспергирующего элемента! Основным недостатком многоканального спектрометра на базе нескольких плоских МЗ [29], каждое из. которых настроено на определенный достаточно узкий спектральный участок, является затруднение регистрации линейчатого спектра РИ.

Существует множество приборов' на базе изогнутых кристаллов: вогнутых [30] (с источником внутри круга Роуланда) и выпуклых [31,32]. Существует cnempoMeip на базе эллиптически изогнутых кристаллов [33], где для получения широкого диапазона регистрации; от 0.1 до 10 кэВ использовалось несколько сменных кристаллов, каждый из которых был настроен на определенную, более узкую,. область спектра. Измерения спектра РИ спектрометрами на эллиптически изогнутых кристаллах КАР и слюды проводились на установке ИСКРА-5 в диапазоне от 1.6 до 2Л6 кэВ [34,35]* цилиндрически изогнутые кристаллы использовались в схемах с фокусировкой по Иоганну в диапазоне от 1.5 до 1.8 кэВ [7]. Использование. изогнутых природных кристаллов,' как правило, меняет их отражательные свойства, так как они не достаточно пластичны и подвержены расслоению [22]. Один из наиболее, применяемых кристаллов -КАР требует специальных условий хранения, так как разрушается при воздейг ствии влаги [22]. МЗ в отличие от природных кристаллов не меняют своей отражательной способностей при изгибе и не требуют специальных условий хранения.

Неопределенность выхода РИ из источника усложняет регистрацию спектра и выхода РИ методами с высоким энергетическим разрешением, поскольку практически все они требуют настройки на определенный выход РИ из мишени, и попасть в диапазон регистрации прибора при единичном измерении достаточно сложно. Это связано с большим отношением интенсивности в максимуме мощных линий и непрерывной части спектра (до 3-х порядков величины). При ухудшении спектрального разрешения прибора это отношение уменьшается и регистрация упрощается.

Для спектрометрии в мягкой области спектра рентгеновского излучения (0.1-^-1.5) кэВ наиболее перспективными диспергирующими элементами являются многослойные зеркала, которые можно изготавливать с нужными значениями межплоскостного расстояния от 4 до 10 нм, а природных кристаллов с таким периодом не существует.

Для исследования линейчатого РИ лазерной плазмы в диапазоне от 1 до 3 кэВ предлагается использовать спектрометр на базе цилиндрически изогнутого многослойного зеркала.

Таким образом, на сегодняшний день не существует спектрографов РИ на цилиндрически изогнутых многослойных зеркалах обладающих высокой светосилой и приемлемым энергетическим разрешением, широким диапазоном регистрации энергий квантов.

Научная новизна работы. Разработан и экспериментально проверен макет широкодиапазонного спектрографа РИ на базе многослойного цилиндрически изогнутого зеркала и математическое обеспечение прибора, не имеющие на момент создания зарубежных и отечественных аналогов.

Целью данной диссертационной работы является проверка применимости изогнутых МЗ для спектрометрии РИ лазерной плазмы. Основная задача, поставленная перед автором работы, это создание и проверка работоспособности макета рентгеновского спектрографа на базе цилиндрического МЗ и разработка математического обеспечения, необходимого для обработки, анализа результатов измерений и оптимизации постановки измерений. Основными требованиями к спектрографу являются: широкий диапазон энергий регистрируемых квантов, надежная регистрация при неопределенности выхода РИ из источника на несколько порядков величины, универсальность схемы регистрации, независящая от типа установки, приемлемое энергетическое разрешение. Данный прибор применим в дорогостоящих измерениях с целью надежного получения экспериментальных данных о спектре и выходе РИ из источника, когда априорная информация о спектре РИ крайне скудна. Такими измерениями, как правило, являются эксперименты на импульсных однократных источниках, включая взрывные эксперименты. По полученным с помощью спектрографа данным можно определить спектральный состав и выход РИ из лазерной плазмы.

Использование изогнутого МЗ обеспечивает широкий диапазон регистрации энергий квантов и достаточное спектральное разрешение. Выбранная схема спектрографа близка к схеме Иоганна с вогнутым кристаллом [1]. Такого рода схема широко используется в измерениях с использованием кристаллов в качестве диспергирующего элемента [30]. В нашем случае источник и приемник расположены вне круга Роуланда, что существенно упрощает конструкцию, уменьшает габариты прибора и делает прибор универсальным в использовании на различных установках. Отход от фокусирующих схем регистрации понижает требования к качеству формы изгиба поверхности МЗ и упрощает технологию изготовления зеркала. Разработанный математический аппарат позволяет рассчитывать параметры спектрографа и оптимизировать схему измерений. В отсутствии точной фокусировки нет необходимости располагать источник в фокусе прибора, что существенно упрощает его эксплуатацию. Замена кристалла на зеркало увеличивает светосилу прибора, как минимум, на порядок. Высокая светосила достигается за счет ухудшения энергетического разрешения, поэтому, при обработке результатов измерений, возникает дополнительная проблема учета аппаратурного размытия.

Разработанный спектрограф был опробован в ряде опытов различного типа на установке ИСКРА-5 и продемонстрировал удобство работы с ним и высокую надежность получаемых результатов.

Личный вклад:

1. Разработаны и программно реализованы алгоритмы расчета аппаратной функции спектрографа и светосилы прибора для объемного изотропного источника монохроматического РИ.

2. Разработаны и программно реализованы алгоритмы привязки энергетической шкалы и обработки результатов измерений.

3. Разработана процедура абсолютной нормировки измерений выхода РИ

- посредством специальных измерений на полупроводниковых детекторах с различными фильтрами перед ними.

4. На основе тщательного анализа выбраны основные элементы спектрографа: многослойное зеркало, светозащитные и поглощающие фильтры.

5. При непосредственном участии автора поставлены, проведены, обработаны и проанализированы спектральные измерения на установке ИСКРА-5.

Практическая значимость. Постановка задачи, решаемой в диссертации, вытекает из потребностей практики, поскольку при проведении измерений РИ на импульсных установках, где очень сложно до опыта рассчитать особенности спектрального состава рентгеновского излучения, требуется получение надежного результата в широком диапазоне регистрации и с достаточным энергетическим разрешением.

1. Разработанный спектрограф позволяет использовать фотоприемники с небольшим динамическим диапазоном регистрации, например, рентгеновскую пленку, и размещать спектрограф на большом удалении от источника.

2. Спектрограф не требует сложной настройки.

3. Обладает приемлемым энергетическим разрешением.

4. Нормировка результатов на измерения с полупроводниковых детекторов позволяет регистрировать не только спектральный состав, но и абсолютный выход РИ из источника.

Научные результаты внедрены и использованы в экспериментах на установке ВНИИЭФ ИСКРА-5.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты работы представлены в виде докладов на 10 конференциях в 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006 гг. Основное содержание диссертации отражено в 7 статьях.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанные и программно реализованные при помощи методов аналитической геометрии и векторного анализа алгоритмы, позволяющие моделировать измерения на спектрографе, что позволяет оптимизировать постановку измерений РИ, обработать и проанализировать полученные результаты.

2. Действующий макет спектрографа на многослойном цилиндрически изогнутом зеркале состава Ni/C для диапазона энергии падающих квантов (1.15-5-2.65) кэВ.

3. Результаты проведения, обработки и анализа спектральных рентгеновских измерений на установке ИСКРА-5 в диапазоне (1.15-^2.65) кэВ с энергетическим разрешением 2-2.5%.

Достоверность заложенных в разработку спектрографа принципов подтверждается хорошим согласием экспериментальных данных с результатами расчетов и независимых измерений.

Структура и объём диссертации. Основной текст диссертации состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 62 рисунка и 18 таблиц, списка использованных источников, содержащего 60 названий, и занимает 123 машинописные страницы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Выбрана схема и разработана конструкция спектрографа: МЗ состава NiC, период 2.8 нм, длина 7 см, радиус изгиба 40 см. Выбран набор светозащитных фильтров и дополнительных поглотителей для увеличения динамического диапазона регистрации.

2. Разработаны, реализованы программным образом и оттестированы алгоритмы для расчета основных характеристик спектрографа: светосилы, диапазона регистрации, аппаратной функции, отражательной способности зеркала. Рассчитаны основные характеристики спектрографа: диапазон регистрации прибора составляет (1.15^2.65) кэВ, энергетическое разрешение меняется в диапазоне 2-2.5%, светосила изменяется в диапазоне (2.47^-0.34)-10"8 и (7.46ч-1.05)-10"8 для расстояний от источника до зеркала 128.2 см и 73.6 см соответственно.

3. Разработана и реализована процедура обработки экспериментальных данных. Она позволяет с точностью до 1% привязать энергетическую шкалу прибора и с точностью до 20% (погрешность регистрации сигнала полупроводниковыми детекторами) определить абсолютный выход РИ из источника. Экспериментально показано, что режим работы полупроводников в «насыщении» не влияет на сбор заряда в полупроводнике.

4. Оценена погрешность регистрации относительного хода непрерывной части спектра РИ, которая принята равной 20% во всем диапазоне регистрации.

5. Показана работоспособность прибора и представлены результаты спектральных измерений РИ высокотемпературной многозарядной плазмы из тонкослойных сферических мишеней спектрографом на базе изогнутого многослойного зеркала в диапазоне (1.15ч-2.65) кэВ. В экспериментах исследовался спектральный состав при кумуляции высокотемпературной многозарядной плазмы, возникающей при внутреннем облучении сферической тонкостенной Бе-мишени, внешнем облучении сферической 8Ю2-мишени, облучении плоских мишеней из Ge, Dy и Au. Измерения проводились на лазерной установке ИСКРА-5 при облучении мишени двенадцатью лазерными лучами (опыты со сферическими мишенями) и однолучевые опыты (с плоскими мишенями) на второй гармонике йодного лазера с длиной волны 0.66 мкм. Абсолютная привязка результатов измерений на спектрографе проводилась при помощи измерений полупроводниковых детекторов с различными фильтрами.

6. Экспериментальные результаты, полученные при помощи спектрографа удовлетворительно согласуются с расчетом по программе СС9 и независимыми измерениями на кристалле КАР.

7. В проведенных экспериментах продемонстрирована техническая простота измерений на спектрографе с изогнутым многослойным зеркалом. Регистрация спектра за различными поглотителями позволила осуществить точную привязку энергетической шкалы и расширить динамический диапазон регистрации. Одновременная со спектрографом регистрация РИ с помощью полупроводниковых детекторов и поглощающих фильтров обеспечила высокую точность измерений выхода РИ из мишени.

Работа выполнена за период 2001-2006 гг.

Автор считает своим долгом поблагодарить всех участников исследований.

Автор глубоко благодарен Субботину А.Н. кандидату физико-математических наук за руководство работой и большую помощь на всех этапах ее проведения.

Автор выражает благодарность Нефедову Ю.Я. и Смердову В.И. за поддержку на всех этапах работы и ряд ценных замечаний, Гусихиной И.А., Нагорному В.И., Жидкову Н.В, Суслову Н.А., Петрову С.И. за активное участие в проведении экспериментальных и теоретических исследований, Гаспаря-ну П.Д., Цой Е.С. за предоставление расчетных данных по спектрам РИ, Чхало Н.И. за калибровку многослойных зеркал, Коваленко Н.В. за изготовление многослойных зеркал.

Автор выражает благодарность сотрудникам отделов ВНИИЭФ, обеспечивающих работу установки ИСКРА-5 и проведение на них экспериментов, а так же сотрудникам фотолаборатории за помощь в обработке фотоматериалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Басов Н.Г., Захаренко Ю.А., Рупасов А.А., Склизков Г.В., Шиканов А.С. Диагностика плотной плазмы. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1989. - 368с.

2. Yaakobi В., Steel D. et al. Direct measurement of compression of laser-imloded targets using X-ray spectroscopy// Phys. Rev. Lett. 1977. Vol. 39, № 12. P. 15261529.

3. Miyanaga N. et al. X-ray spectroscopy// Annu. Progr. Rep. Fusion Progr., 1979. Osaca, 1981. P. 42-51

4. Yaakobi В., Goldman L.M. Laser compression studies with neon-filled glass microballons// Phys. Rev. Lett. 1976. Vol. 37, № 4. P. 899-902.

5. Kilkenny J.D. et al. Detailed measurement and analysis of near classical thermal transport on 1 \ik irradiated plasmas// Annu. Rep. Rutherford Lab., 1984. RAL-84-049. P. A1.19-A1.24

6. Кологивов A.A. и др. Регистрация ВУФ излучения лазерной плазмы в экспериментах на установке «Дельфин - 1». Препринт ФИАН № 256, М: 1985.

7. Петров С.И., Лазарчук В.П. и др. Методика измерения абсолютных потоков линейчатого рентгеновского излучения лазерной плазмы на установке «Ис-кра-5». // ПТЭ №2, с. 1-7, 2006.

8. Скобелев И.Ю., Фаенов А .Я. и др. Исследование радиационных свойств плазменных объектов методами рентгеновской изображающей спектроскопии. // ЖЭТФ т. №108, вып. 4(10), с. 1263-1308, 1995.

9. С .A. Back, J. Davis, J. Grun, L.J. Suter, O.L. Landen, W.W. Hsing, M.C. Miller. Multi-kev x-ray coversion efficiency in laser produced plasmas. Physics of plasmas 2003, v. 10, n. 5, p. 2047.

10. C. Constantin, C.A. Back, K.B. Fournier, G. Gregori, O.L. Landen, S.H. Glenz-er, E.L. Dewald, M.C. Miller. Supersonic propagation of ionization waves in an un-derdense, laser-produced plasma. Physics of plasmas 2005, v. 12, 063104.

11. C.A. Back, U. Feldman, J.L. Weaver, J.F. Seely, C. Constantin, G. Holland,

12. R.W. Lee, H.-K. Chung, H.A. Scott. Absolute, time-resolved emission of non-LTE L-sell spectra from Ti-doped aerogels. JQSRT, 2006, 99, p. 21-34.

13. K.B. Fournier, C. Constantin, C.A. Back, L.J. Suter, H.-K. Chung, M.C. Miller, D.H. Froula, G. Gregori, S.H. Glenzer, E.L. Dewald, O.L. Landen. Electron-density scaling of efficiency of laser energy into L-sell X-ray. JQSRT, 2006, 99, p. 186-198.

14. B.K. Young, B.G. Wilson, D.F. Price, R.E. Stewart. Measurement of x-ray emission and thermal transport in near-solid-density plasmas heated by 130 fs laser pulses, Phys .Rev. E 58,1998, p.4929.

15. R.L. Shepherd, R.M. More, B. Young, D. Price, R. Walling, AI Osterheld, R. Stewart, T. Kato. Reduced conduction cooling in high energy-density plasmas using ultrashort pulse laser heated thin foil targets, JQSRT 58, 1998, p.911.

16. B. K.F. Young, B.G. Wilson, G.B. Zimmerman, D.F. Price, R.E. Stewart. Generation and modeling of near-LTE plasmas using ultrashort pulse laser heated, tamped mid-Z targets, JQSRT 58, 991 (1998).

17. Н.Г. Басов, Ю.А. Михайлов, М.П. Калашников и др. Экспериментальные исследования на установке «Дельфин-1».// Труды ФИАН, т. 203, 1990, с. 3-41.

18. John Lindl. Development of the indirect-drive approach to inertial confinement fusion and the target physics basis for ignition and gain, Phys. Plasmas, V.2, № 11, 1995, p. 3933-4024.

19. Бойко B.A., Виноградов A.B. и др. Рентгеновская спектроскопия лазерной плазмы // Итоги науки и техники. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1980г., т. 27.

20. Пресняков Л.П., Шевелько В.П., Янев Р.К. Элементарные процессы с участием многозарядных ионов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

21. Басов Н.Г. Рентгеновская диагностика термоядерной плазмы. Труды ФИАН т.203. - М.: Наука. 1990г. -220с.

22. А. Мишетт Оптика мягкого рентгеновского излучения. Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

23. К. Гетц, М.П. Калашников и др. Аппаратура и методы диагностики лазерной плазмы по рентгеновским спектрам многозарядных ионов.// Труды ФИАН, т. 203, 1990, с. 42-68.

24. Виноградов А.В., Брытов И.А и др. Зеркальная рентгеновская оптика. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.

25. Anderman G., Bergknut L., Karras M. // Rev. Sci. Instrum. 51(6), 1980.

26. Toshiaki Kita, Tatsuo Hanada. Mechanically ruled aberration-corrected concave gratings for a flat-field grazing-incidence spectrograph// Applied Optics, V.22, № 4, 1993.

27. Lee S., Duoran S. et al Multilayer mirror soft x-ray spectrometer for fast electron temperature measurement on compact helical system.// Review of scientific instruments, № 4, V. 71, 2000, P. 1671-1674.

28. Lee S., Duoran S. et al Multilayer mirror based soft x-ray spectrometer as a high temperature plasma diagnostic.// Review of scientific instruments, № 1, V. 72, 2001, P. 1183-1187.

29. Henke B.L., Yamada H.T., Tanaka TJ. Pulsed plasma source spectrometry in the 80-8000 eV x-ray region.// Review of scientific instruments, № 10, V. 54, 1983, P. 1311-1330.

30. Ахсахалян А.Д. и др. Десятиканальный полихроматор на многослойных рентгеновских зеркалах для области 0.1-1 кэВ. V всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной лазерной плазмы. Минск, 1990.

31. Холин И.В., Чугунов А.Ю. Измерение абсолютных интенсивностей рентгеновских спектральных линий плазменного зеркала электроионизационного С02 лазера. Препринт ФИАН № 139, М.: 1978.

32. Шелковенко Т.А. и др. Рентгеноспектроскопическое исследование стабилизации плазменного столба в комбинированном Z пинче. // Квантовая электроника. №2, 1996.

33. Петров С.И., Лазарчук В.П. и др. Фотохронографические методы регистрации пространственно временных и спектральных характеристик рентгеновского излучения на установке «Искра-5». //Физика плазмы, т. 2, №1, 1994.

34. Henke B.L., Jaanimagi Р.А. И Rev. Sci. Instrum. 56(8), 1985.

35. Бессараб А.А., Кунин А.В., Токарев В.А. // Тез. Докаладов IX совещания по диагностике высокотемпературной плазмы. М.: ЦНИИ Атоминформ, 1977.1. С. 82.

36. Н.В. Коваленко, С.В. Мытниченко, В.А. Чернов Исследование кросс-корреляции шероховатости в Ni/C многослойном зеркале методом рентгеновского диффузного рассеяния // Материалы симпозиума "Рентгеновская оптика 2003". с. 102, г. Нижний Новгород, 2003г.

37. Субботин А.Н., Лобанова1 Ю.Л. Расчет параметров спектрографа на основе цилиндрически изогнутого многослойного зеркала // Поверхность, №11, 2003г, с 11.

38. Субботин A.H., Лобанова1 Ю.Л. Расчет коэффициента отражения мягкого рентгеновского излучения от многослойного зеркала. // Поверхность. №2, 2003г.

39. Лобанова1 Ю.Л, Субботин А.Н., Нагорный В.И., Гусихина И.А. Расчет формы линии и светосилы спектрометра рентгеновского излучения на основе многослойного цилиндрического зеркала: // Поверхность. №11, 2004 г.

40. Лобанова1 Ю.Л, Субботин А.Н., Нагорный В.И., Гусихина И.А. Расчет формы линии и светосилы спектрометра рентгеновского излучения на основе многослойного цилиндрического зеркала для объемного источника: // Поверхность. № 8, 2005 г, с 44-48.

41. Бахвалов Н.С. Численные методы: т. 1 М.: Наука, 1973.

42. М.М. Барышева, A.M. Сатанин, Н.И. Чхало Поляризационные свойства рентгеновских зеркал с флуктуирующими параметрами. Численный анализ. // Материалы симпозиума "Нанофизика и Наноэлектроника". т.2, с.487, г. Нижний Новгород, 2005 г.

43. А. М. Прохоров. Физический энциклопедический словарь: // Москва. "Советская энциклопедия ", 1983.

44. И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихова, Физические величины. Справочник: // Москва, "энергоатомиздат", с 454, 1991.

45. Subbotin A.N., Gaganov V.V., Kalutsky A.V. et al Absolute calibration of X-ray semiconductor detectors against synchrotron radiation of the VEPP-3 storage ring.// Metrologia, №5, V. № 37, 2000, P. 497-500.

46. С.Г. Рабинович Погрешности измерений. // Л.: «Энергия», 262с., 1978.

47. Бессараб А.А., Поспелова С.А., Токарев В.А., Чукаловкий А.В. Спектральная чувствительность фотопленки УФ-4 в области спектра 0.27-3 кэВ. // ПТЭ, №4, 2000, С. 151-153.

48. Воинов Б.А., Гаспарян П.Д., Кочубей Ю.К., Рослов В.А. Программа СС9. ВАНТ, сер. Методики и программы численного решения задач математической физики, 1993, вып.2, 65 с.

49. S.T. Perkins et al., Tables and Graphs of Atomic Subshell and Relaxation Data Derived from the LLNL Evaluated Atomic Data Library, z=l-100// Lawrence Liver-more National laboratory, UCRL-50400, vol. 30, oct. 31, 1991.

50. Veigele Wm, J. Photon cross section from 0.1 keV to 1 MeV for elements Z=1 to Z~9A.II Atomic Data Tables, V.5, p.51-111, 1973.

51. Интернет сайт //www.nea.fr

52. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.// Москва. "Наука ", 1986.

53. Lobanova2 Ju.L., Subbotin A.N., Gaspaiyan P.D., Gusikhina I.A., Zhidkov N.V., Tsoi E.S., Research of laser plasma X-ray spectrum from spherical tagets// NIM A, 2007. Vol.575, p.242-247.

54. Лобанова2 Ю.Л., Субботин A.H., Гусихина И.А., Привязка энергетической шкалы спектрографа на базе изогнутого многослойного зеркала// Препринт ВНИИЭФ № 96, 2005г, Юс.

55. Лобанова3 Ю.Л., Субботин Гаспарян П.Д., Цой Е.С., Суслов Н.А., Измерение спектра рентгеновского излучения лазерной плазмы плоских мишеней из диспрозия, германия и золота с помощью изогнутого многослойного зеркала // Поверхность, №6, 2006, С. 105-110.

56. Лобанова3 Ю.Л., Субботин А.Н., Усенко П.Л., Токарев В.А., Измерения линейчатого рентгеновского излучения плазмы с использованием изогнутого многослойного зеркала // Поверхность, №2,2005, С.109-113.

57. Гаврилов В.В. Дис. . доктора физ.-мат. наук. Троицк. 1999.

58. Кириллов Г.А., Муругов В.М., Пунин В.Т., Шемякин В.И., Мощная лазерная установка «Искра-5».// Материалы конференции "Оптика, электроника и применение лазеров в науке и технике", Лос-Анджелес, США, январь 1990.