Мягкий рентген. Пименов_Мягкий_рентген. Методы генерации мягкого рентгеновского излучения.
 Скачать 65.71 Kb.
|
Рукман Г.И., Клименко И.С. Электронная микроскопия. М.: Знание, 1968.Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра МИТ Реферат по дисциплине «ФОМНЭ» Тема: «Методы генерации мягкого рентгеновского излучения. » Выполнил Студент группы 9181 Пименов Г.Ю. ___________ Проверил Преподаватель Фантиков В.С. ___________ Санкт-Петербург 2020 Оглавление Вступление 2 Основная часть 3 Рентгеновское излучение 3 Применения Рентгеновского излучения в медицине 4 Применение Рентгеновского излучения в других отраслях 5 Регистрация рентгеновских лучей 5 Генерация мягкого рентгеновского излучения 7 Генерация мягкого рентгеновского излучения в виркаторе со взрывающейся анодной фольгой 7 Генерация мягкого рентгеновского излучения в компактном лазере на свободных электронах с умножением гармоник 12 Заключение 14 Список Литературы 15 ВступлениеИзвестно, что в промышленных целях сегодня активно используются рентгеновское излучение, однако мало кто знает, что речь идёт именно о жёстких излучениях. В этом реферате речь пойдёт о младшем брате жёсткого излучения- о мягком рентгеновском излучении, однако оно имеет куда более высокую длину волны. Если с жёстким излучении несложно представить процесс генерации, то, когда речь заходит о мягком излучении, которое не особо приспособлено преодолевать материю, резко возникают вопросы. Я постараюсь изложить основные аспекты, касающиеся генерации мягкого рентгеновского излучения и, чтобы не это не было случайным набором слов, а имело цельный характер, в реферате приведён небольшой объём данных, касающийся Рентгеновского излучения в целом и, если речь идёт о генерации то правильно будет сказать и про регистрацию. Основная частьРентгеновское излучение[1] РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (рентгеновские лучи) электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между УФи гамма-излучением в пределах длин волн l от 102 до 10-3 нм (или энергий фотонов hv от 10 эВ до неск. МэВ;n = c / l частота излучения). Открыто в 1895 В. К. Рентгеном (W. К. Roentgen). Р. и. с l <0.2нм обладает значит, проницающей способностью и наз. жёстким; при l >0.2 нм Р. и. сильно поглощается веществом и наз. мягким. Применения Рентгеновского излучения в медицине[2] Рентгеновское излучение нашло большое применение в медицине. Его стали применять в медицине в связи с его большой проникающей способностью. Поначалу, рентгеновское излучение использовалось для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел в теле человека. В настоящее время существует несколько методов, основанных на рентгеновском излучении. Но у данных методов есть свои недостатки: излучение может вызвать глубокие повреждения кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Рентгеноскопия (синоним просвечивание) один из основных методов рентгенологического исследования, состоящий в получении на просвечивающем (флюоресцирующем) экране плоскостного позитивного изображения исследуемого объекта. При рентгеноскопии исследуемый находится между просвечивающим экраном и рентгеновской трубкой. На современных рентгеновских просвечивающих экранах изображение возникает в момент включения рентгеновской трубки и исчезает сразу же после ее выключения. Рентгеноскопия дает возможность изучить функцию органа пульсацию сердца, дыхательные движения ребер, легких, диафрагмы, перистальтику органов пищеварительного тракта и т.д. Рентгеноскопия используется при лечении заболеваний желудка, желудочно-кишечного тракта, 12-перстной кишки, заболеваний печени, желчного пузыря и желчевыводящих путей. При этом медицинский зонд и манипуляторы вводят без повреждения тканей, а действия в процессе операции контролируются рентгеноскопией и видны на мониторе. Рентгенография - метод рентгенодиагностики с регистрацией неподвижного изображения на светочувствительном материале спец. фотоплёнке (рентгеновской плёнке) или фотобумаге с последующей фотообработкой; при цифровой рентгенографии изображение фиксируется в памяти компьютера. Выполняется на рентгенодиагностических аппаратах стационарных, установленных в специально оборудованных рентгеновских кабинетах, или передвижных и переносных у постели больного или в операционной. На рентгенограммах значительно отчетливей, чем на флюоресцирующем экране, отображаются элементы структур различных органов. Рентгенографию выполняют в целях выявления и профилактики различных заболеваний, основная цель её помочь врачам разных специальностей правильно и быстро поставить диагноз. Рентгеновский снимок фиксирует состояние органа или ткани лишь в момент съемки. Флюорография – диагностический метод, позволяющий получить изображение органов и тканей, был разработан еще в конце 20-го столетия, спустя год после того, как были обнаружены рентгеновские лучи. На снимках можно разглядеть склероз, фиброз, инородные предметы, новообразования, воспаления, имеющие развитую степень, присутствие в полостях газов и инфильтрата, абсцессы, кисты и так далее. Чаще всего производится флюорография грудной клетки, позволяющая выявить туберкулез, злокачественную опухоль в легких или груди и иные патологии. Применение Рентгеновского излучения в других отраслях1) В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллах (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК. 2) При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом. 3) В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность. Регистрация рентгеновских лучей[3] Поскольку рентгеновское излучение состоит из квантов, явления, используемые для регистрации рентгеновских лучей, также следует считать квантовыми. В большинстве детекторов, применяемых в аналитической химии, в результате этих квантовых процессов появляются свободные электроны. В простейших случаях эти электроны обнаруживаются в виде отдельных четких импульсов по одному на каждый рентгеновский квант. В таких случаях возможен дискретный счет импульсов, а следовательно, каждый рентгеновский квант регистрируется индивидуально. С возрастанием интенсивности дискретный счет становится все более трудным. Возможность раздельного счета может быть потеряна либо в самом детекторе, либо в электронной схеме, либо в них обоих. Нетрудно представить себе, что электронная схема, необходимая для превращения каждого такого импульса в полезный сигнал, может быть очень сложной. Приборы, регистрирующие дифракцию рентгеновских лучей. В настоящее время применяются два метода регистрации рентгеновских лучей фотографический метод, использующий специальную фотопленку типа РТ, и ионизационный или сцинтилляционный метод, использующий различные счетчики рентгеновских квантов (детекторы). В состав детектирующего устройства может входить счетчик Гейгера, пропорциональный или сцинтилляционный счетчик. Эти детекторы имеют различную относительную эффективность регистрации для различных длин волн, и их выбор зависит от типа образцов, которые необходимо исследовать. У счетчика Гейгера калибровочная кривая для средней интенсивности рентгеновских лучей нелинейная, а его выходной импульс не зависит от энергии падающего излучения. Кроме того, скорость счета сравнительна мала, что приводит к дискриминации исследуемого сигнала. С другой стороны, этот счетчик прост в обращении, поэтому его стремятся использовать в массовых анализах. Пропорциональные счетчики имеют примерно такую же спектральную чувствительность, как счетчики Гейгера, но их достоинством является высокая скорость счета, а также то, что импульсы выходного напряжения пропорциональны энергии падающих рентгеновских лучей. Это свойство пропорциональных счетчиков используют для дискриминации мешающих сигналов с помощью специальных электронных устройств. При регистрации излучения с длиной волны больше чел 0,2 нм окошко детектора должно быть прозрачным для длинноволнового излучения. Поэтому его приходится делать настолько тонким, что оно оказывается пористым. Вследствие этого газ, которым наполняется детектор, необходимо постоянно пополнять, для чего он подводится к детектору непрерывным потоком. Такие пропорциональные счетчики называют проточными. Они подходят для определения элементов с атомным номером 24 илй ниже. Генерация мягкого рентгеновского излученияГенерация мягкого рентгеновского излучения в виркаторе со взрывающейся анодной фольгой[4] Виркатор (от английского «virtual cathode oscillator») — семейство СВЧ-приборов с положительной сеткой и сильным объёмным зарядом. В виркаторах эмитированные с катода электроны ускоряются в пространстве между катодом и сеткой, пронизывают её; затем часть электронов испытывает отражение под действием поля собственного объёмного заряда и полей, создаваемых электродами. Поверхность внутри электронного пучка, на которой электростатический потенциал имеет потенциал катода и где (в отсутствие высокочастотного поля) скорость электронов обращается в нуль, получила название виртуального катода. В процессе генерации происходит модуляция коллекторного и отражённого токов, инерционная группировка электронов и осцилляции места разворота частиц. Для генарации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения, когда энергия квантов лежит в диапазоне 102−104 eV, в основном используются плазменные системы с разрядами типа Z-пинч, плазменный фокус“ или схлопывающийся многопроволочный лайнер. Такие импульсы могут быть применены для исследований по физике термоядерной плазмы, радиационных исследований, рентгеновской литографии и др. Однако в последнее время было показано, что мощныеимпульсы рентгеновского излучения можно получать и в пучковых системах: в отражательных триодах и виркаторах электронных приборах с виртуальным катодом (ВК). Принцип действия таких приборов основан на том, что сильноточный релятивистский электронный пучок с помощью ВК многократно пропускается сквозь оптически тонкую (в смысле рентгена) и прозрачную для электронов пучка анодную фольгу, выполняющую роль мишени тормозного излучения. При этом генерируется рентгеновское излучение, максимум интенсивности которого приходится на более мягкую область спектра, чем в генераторах тормозного излучения с толстыми мишенями и однократным пролетом электронов. Некоторые аспекты функционирования приборов с ВК в качестве генераторов рентгеновского излучения рассмотрены в обзорах Как показали наши исследования виркаторов, источником рентгеновского излучения является процесс тормозного рассеяния электронов в плотной среде анодной фольги, и поэтому максимум в спектре приходится на диапазон квантов (103−104 eV), ограниченный снизу порогом прозрачности фольги. В связи с этим представляет интерес дальнейшее продвижение в более мягкую часть спектра квантов. Для этого было предложено перед импульсомвысокого напряжения в диоде виркатора предварительноэлектрически взрывать фольгу-мишень, пропуская по ней мощный импульс тока и переводя ее в состояние плотной плазмы. Предполагалось, что из такой плазменной мишени спектр генерации будет еще более смещен в мягкую область и по форме приближен к тепловому, так как к процессам тормозного излучения пучковых электронов может добавиться излучение самой плотнойплазмы, нагреваемой электронами пучка. Для проверки этой идеи была создана специальная установка, схема вакуумной камеры которой показана на рис. 1. Внутри камеры высоковольтный стальной электрод диаметром 20 mm катод был подключен к генератору импульсного напряжения с амплитудой 80 kV. Анодом служила медная или алюминиевая фольга толщиной 20 µm. Один конец фольги был подключен к обратному токопроводу, а другой к кондесаторной батарее емкостью 1.8 · 10−3 F и зарядным напряжением от 1 до 5 kV. Установка работала следующим образом. В начальный момент на анодную фольгу подавался импульс тока от конденсаторной батареи. Через 70 µs, когда импульс тока в разрядном контуре достигал максимального значения 58 kA, происходил электрический взрыв фольги с ионизацией продуктов испарения и образованием плазмы. В этот момент на катод подавался импульс высокого напряжения и генерировался электронный пучок. В экспериментах межэлектродный зазор изменялся от 3 до 7 mm. При этом ток электронного пучка изменялся от 1.8 kA до 360 A. Р  ис. 1. Схема виркатора с плазменным анодом для генерации мягкого рентгеновского излучения: 1катод; 2камера виркатора; 3 токоввод; 4 анодная фольга; 5 пояс Роговского; 6детектор рентгеновского излучения ВРД; 7 СВЧ-детектор; 8детектор рентгеновского излучения СППД-11, закрытый медным фильтром; контактные датчики не показаны. При превышении током пучка значения предельного вакуумного тока в заанодной области дрейфа формировался BK, заставляющий электроны пучка осциллировать в потенциальной яме „катод—анодная плазма—ВЕ“. Осцилляции электронов в потенциальной яме и колебания BK как целого, как известно, являются источником СВЧ—излучения. Регистрация такого СВЧ-излучения могла бы свидетельствовать о наличии в пучке BK. Перед экспериментами бьшо проведено компьютерное моделирование динамики электронного пучка к геометрии вакуумной камеры установки с помощью кода „KAPAT“ 6) с целью определения центральной частоты СВЧ-излучения и правильного выбора СВЧ—датчиков. Было получено, что центральная частота СВЧ-излучения должна быть близка к 10 GHz. В экспериментах использовались следующие измерительные системы. На расстоянии 140 mm от фольги располагались детекторы СВЧи рентгеновского излучения. Регистрация импульсов СВЧ-излучения проводилась с помощью маячкового диода 6Д13Д, размещенного в волноводе сечением 23 х 10 mm. Один из детекторов рентгеновского излучения имел медный фильтр толщиной 100 ym и регистрировал жесткое излучение (Е¿ > 20 keV), а другой, вакуумный рентгеновский диод (ВРД), мягкое (Е > 20 eV). Первый детектор служил для определения момента появления пучка электронов и его длительности, второй для наблюдения за нагревом плазмы осциллирующими электронами. Для определения скорости разлета плазмы на расстоянии 20 mm от фольги и в месте расположения детекторов ВРД были установлены контактные датчики. Для ослабления потока излучения до уровня линейного режима работы ВРД на расстоянии 40 mm от фольги располагалась диафрагма с отверстием диаметром 3 mm. Ток пучка контролировался поясом Роговского. В первых контрольных экспериментах измерялся выход мягкого рентгеновского излучения из плазмы, образовавшейся при электрическом взрыве фольги, когда высоковольтный импульс на катод не подавался. Согласно предварительным оценкам, при зарядном напряжении 2 kV конденсаторной батареи и толщине медной фольги 20 ym электрический взрыв должен был произойти на 75—й ps при токе 58 kA. Но из-за неоднородности фольги момент взрыва в каждом импульсе варьировался неконтролируемым образом на 3-5 ps. Это подтверждалось различием моментов появления сигналов на контактном датчике, который замыкался при расширении анодной плазмы. До его замыкания сигнал на ВРД отсутствовал. Следовательно, излучение с энергией выше 20 eV практически отсутствовало. Следующеие контрольные эксперименты проводились с целью подтверждения образования BK. В них электрический взрыв фольги не осуществлялся. Наличие BK подтверждалось регистрацией СВЧ-излучения. В окончательных экспериментах измерялся выход мягкого рентгеновского излучения при нагреве плазмы электрического взрыва фольги осциллирующими электронами. В экспериментах с плазменным анодом требовалось подать на катод импульс высокого напряжения в тот момент, когда плазма еще достаточно плотная. Смещение момента электровзрыва затрудняло выполнение этого условия, так как еще до подачи импульса могло произойти шунтирование ВРД. При электрическом взрыве в вакууме фольги малой длины (40 mm) паузы тока нет, и нет особенности на токе разряда батареи, которая служила бы временной отметкой момента электровзрыва. Поэтому для анализа результатов экспериментов использовались лишь те сигналы с ВРД, которые по времени опережали сигналы с контактного датчика. Затем из этих сигналов выбирались те, которые соответствовали более раннему моменту после электровзрыва фольги. Для этого проводилось сравнение моментов появления сигналов с ВРД и с контактного датчика (рис. 2 и 3). Рис. 2 соответствует более раннему моменту времени после электровзрыва фольги, а рис. 3 на 750 ns более позднему, когда плотность плазмы уже снизилась. На нем сигнал с ВРД имеет меньшую амплитуду и длительное плато. Результаты экспериментов с металлическим анодом (без электровзрыва) представлены на рис. 4, а с плазменным анодом на рис. 5. При этом электровзрыв фольги произошел за 150 пс анодом интенсивность мягкого рентгеновкого излучения в три раза выше, чем в случае отсутствия электровзрыва, что подтверждает нагрев плазмы осциллирующими электронами. Вместе с тем наблюдается некоторое уменьшение амплитуды СВЧ-импульса. Таким образом, в данной работе впервые реализован и исследован виркатор с электрически взрываемой фольгой для генерации импульсов мягкого рентгеновского излучения в соответствии с патентом 5). Р   ис. 2. Осциллограммы отработки виркатора в режиме раннего электровзрыва фольги: ї сигнал с ВРД, 2 сигнал с контактного датчика, развертка 500 ns/div. Рис. 3. Осциллограммы отработки виркатора в режиме позднего электровзрыва фольги, обозначения те же, что для рис. 2.  Рис. 4. Осцилллограммы отработки виркатора в режиме металлического анода без электровзрыва фольги: 7 сигнал с СППД-11, 2 с ВРД, 3 с СВЧ-детектора, развертка 500 ns/div. Р  иС. 5. Осциллограммы исследования виркатора в режиме электровзрыва фольги обозначения те же, что для рис. 4. Генерация мягкого рентгеновского излучения в компактном лазере на свободных электронах с умножением гармоник[5] Ондуляторное излучение (ОИ) основано на эффекте направленного в узкий угол ∼ 1/γ интенсивного излучения ускоренных релятивистских зарядов энергии E ≫ mc^2 , где γ = E/mc^2 релятивистский параметр, m — масса электрона и c — скорость света. Его природа близка к синхротронному излучению (СИ), но ОИ происходит в пространственно-периодическом поле а не в однородном магнитном поле . Спонтанное ОИ некогерентное, как и СИ. Спектр последнего квазинепрерывный и покрывает большую часть электромагнитного диапазона от радио до рентгеновских частот, а спектр ОИ дискретный и состоит из одного или нескольких резонансов. Источники когерентного излучения — лазеры — обычно работают на длинах волн более 200 nm. Использование когерентного излучения уже на таких длинах волн позволяет исследовать вирусы, на длинах волн λ ∼ 14 nm различать квантовые загоны, а на длинах волн λ ∼ 1−2 nm изучать ДНК, углеродные нанотрубки и нановолокна. Для генерации столь коротковолнового когерентного излучения трудно найти подходящие для оптического резонатора материалы с хорошим коэффициентом отражения. В качестве источников излучения используют лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) . Сама идея ЛСЭ была сформулирована Гинзбургом, который также предложил динамический ондулятор с движением электронного пучка в переменном во времени поле электромагнитной волны. Для этого обычно применяют конструкцию ЛСЭ без зеркал с самоусилением спонтанного излучения (ССИ). Отсутствие зеркал снимает естественное ограничение ЛСЭ по мощности и частоте, но имеет и свои недостатки, в частности, отсутствие оптического резонатора не позволяет использовать его моды для задания структуры излучения. Кроме того, в ЛСЭ ССИ сам процесс генерации начинается с начального шума со случайной фазой, который приводит к постепенному образованию сгустков электронов, разделенных длиной волны излучения. Далее ОИ экспоненциально увеличивает свою интенсивность и становится все более и более когерентным, пока не наступит его насыщение. В режиме насыщения когерентность начинает разрушаться и происходит циклическая перекачка энергии от электромагнитной волны к электронам и наоборот. В однопроходных ЛСЭ весь вышеописанный процесс происходит за один проход излучения в длинном ондуляторе, на выходе которого можно получить серии сверхкоротких импульсов с пиковой мощностью до ∼ 1010 W с хорошей пространственной когерентностью. Рентгеновские ЛСЭ значительно превосходят мощность СИ в рентгеновском диапазоне и позволяют изучать физические, химические и биологические процессы на масштабе нанометра . Теория однопроходных ЛСЭ, которые также иногда называют параметрическими. Самоусиление спонтанного излучения зарождается из случайного шума, что обусловливает слабую временную когерентность излучения на выходе ЛСЭ ССИ, т. е. время когерентности оказывается значительно меньше, чем полное время импульса ЛСЭ. Для преодоления этого недостатка можно использовать затравочное лазерное излучение на частоте ЛСЭ. В современных ЛСЭ, работающих в рентгеновском диапазоне, требуются пучки электронов высоких энергий, а сами ЛСЭ имеют огромные размеры. Так, например, недавно введенный в строй Европейский рентгеновский ЛСЭ (European XFEL), используя основную гармонику, позволяет генерировать излучение длиной волны < 10−10 m и имеет размер 3.4 km. Это, в свою очередь, обусловливает очень высокую стоимость и сложность конструкции, в которой нужно поддерживать фокусировку пучка и взаимное пространственное положение электронов и фотонов на километровой длине. Альтернативное решение заключается в использовании высших гармоник ОИ в ЛСЭ с усилением высших гармоник (УВГ или HGHG), сочетающее их генерацию, умножение, усиление и излучение. Для генерации гармоник в линейном режиме и группировки электронов на их длинах волн лучше всего подходят двухчастотные ондуляторы с двоякопериодическим магнитным полем. В настоящей работе мы покажем несколько примеров использования таких ондуляторов в сочетании с высококачественными пучками электронов с γ ∼ 103 и током ∼ 102 A для генерации десятков мегаватт нанометрового излучения в ЛСЭ с ондуляторами длиной всего 35−40 m. Предлагаемый нами ЛСЭ имеет меньшую длину волны, λ ≈ 2−4 nm. Кроме того, каскадные ЛСЭ с умножением гармоник имеют важное преимущество: они позволяют использовать электроны меньших энергий и затравочный лазер более низкой частоты, чем частота излучения ЛСЭ. Мы покажем это на примере ЛСЭ с готовым затравочным F2 эксимерным UV-лазером. Использование высококачественного затравочного источника позволяет получить излучение ЛСЭ со стабильными характеристиками и отличной временной когерентностью в дополнение к высокой мощности ЛСЭ ССИ ЗаключениеВ данном реферате мы затронули основные аспекты Рентгеновского излучения. Рассмотрели основные возможности его применения- помимо его активного применения в медицине, рентгеновское излучение активно используется в других отраслях. Но, как указано в реферате, в промышленных целях применяется жёсткое излучение. Мягкое излучение гораздо менее опасно и применяется. Помимо двухмерных «снимков» рентгенография дает возможность создать трехмерное изображение органа: эта разновидность рентгенографии называется компьютерной томографией. Для этих целей применяется мягкий рентген. Объем облучения, полученный при одном снимке, невелик: он примерно равен облучению, получаемому при 2-часовом полете на самолете на высоте 10 км. Также были затронуты основные методы генерации этого мягкого излучения, которые тесно связаны с регистрацией этого излучения. По-моему мягкое рентгеновское изучение и , соответственно, генерация его максимально актуально в наши дни. В подтверждение моей точки зрения, хотел бы напомнить о том, что с открытием рентгеновских лучей и применении их в практике все чаще стал подниматься вопрос о вреде рентгеновского излучения. Так, например многие люди, делая снимок рентгена, не задумываются о его влиянии на их организм. Мягкое же излучение тоже, конечно, приносит вред но его частоты из-за более высокой длины волны намного меньше, чем у жёсткого излучения, что сказывается на энергии и на вреде, т.е. оно много безвредней жёсткого. И пусть оно, конечно, не способно заменить жёсткое излучение, но развитие методов её генерации влечёт за собой развитие областей применения низкочастотных волн и это способно косвенно заменить жёсткие волны. Список Литературы1)(Общий курс рентгенотехники, 3 изд., М.Л., 1966; Б л о х и н М. А. ) http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3422.html 2) |