М. Г. Федотов (fedotov@inp.nsk.su)

ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН

Ведение

Рентгеновские эксперименты с высоким временным разрешением (определяемым частотой прохождения банчей) проводятся, как правило, на "белых" (не монохроматизированных) пучках синхротронного излучения (СИ). При этом сложный спектральный состав регистрируемого излучения существенно затрудняет интерпретацию результатов. В то же время применение монохроматоров оказывается невозможным из-за значительных потерь интенсивности, а детекторов с энергетическим разрешением - из-за счетного режима их работы.

В значительной мере упростить эту задачу можно при использовании ондуляторного излучения, когда мощность сосредоточена в нескольких относительно узких интенсивных рентгеновских линиях. Однако, из-за жестких требований к параметрам электронного пучка, такое решение возможно далеко не для всех накопителей - источников СИ.

Другим - альтернативным - подходом могло бы явиться создание быстродействующих интегрирующих рентгеновских детекторов (в т.ч. многоэлементных), разбивающих рабочий диапазон энергий на несколько относительно независимых поддиапазонов. Причем регистрация сигналов всех поддиапазонов осуществляется одновременно (в пределах одного прохождения банча) и с одной и той же площади детектора. В оптике природным аналогом такого построения регистрирующей системы является цветовое зрение, в технике - цветная фотография и цветное телевидение.

Метод изготовления "рентгеновской колбочки" - т.е. единичного детектора, чувствительного в сравнительно узком спектральном интервале, хорошо известен и широко применяется. Для этого рентгеновский детектор, имеющий подходящую коротковолновую границу чувствительности, прикрывают соответствующим рентгеновским фильтром, "обрезающим" чувствительность в длинноволновой области.

Однако при исследовании быстропротекающих процессов (ударные волны, детонация, разрушение) построение детектора как набора подобных "разноцветных колбочек" крайне нежелательно - во-первых, из-за резкого снижения общей квантовой эффективности, и, во-вторых, из-за невозможности регистрации ячейками разных "цветов" одного и того же участка изображения.

Очевидно, что оба эти препятствия устраняются, если рентгеновские фильтры ячеек сами по себе так же являются рентгеновскими детекторами.

Таким образом, в простейшем варианте такой рентгеновский детектор (условно названный мульти-спектрозональным) представляет набор размещенных друг за другом обычных детекторов - когда рентгеновские фотоны, не поглощенные предшествующими детекторами пакета, поступают на последующие. При этом селекция фотонов по энергиям осуществляется за счет различия их глубин проникновения в пакет.

Две практически возможных версии многоэлементного пакетного детектора изображены на рис.1. В основу обеих положена технология полупроводниковых микростриповых детекторов [1].

Версия рис.1A - действительно сборка (пакет) требуемого числа размещенных друг над другом пластин микростриповых детекторов (либо, при отсутствии необходимости в многоэлементности, кристаллов единичных детекторов). Причем число пластин, их толщина и материал выбираются исходя из максимального соответствия требуемым спектральным характеристикам.

В версии рис.1B используется торцевой (вдоль стрипов) ввод излучения в микростриповый детектор, и изготовление пакета подменено секционированием электродов стрипов. При этом секции, ближайшие к облучаемому торцу, работают как детекторы мягкой компоненты, следующие за ними - более жесткой, и т.д.

Достоинствами схемы с торцевым вводом излучения являются простота изготовления и возможность использования кремниевой технологии для работы в жесткой (свыше 50KeV) рентгеновской области; недостатками - малая входная (рабочая) площадь, опасность паралакса.

Благодаря применению различных полупроводниковых материалов такая детекторная сборка могла бы обеспечить приемлемую полную квантовую эффективность (~70% и выше) в указанном диапазоне энергий.

Дополнительное улучшение разделения спектральных зон детектора (с некоторым ухудшением шумовых характеристик) возможно путем введения (либо прямо в выходной сигнал детекторов, либо при обработке в ЭВМ) некоторой взаимной компенсации сигналов полос - причем, в случае гладкого спектра - вплоть до некоторой перекомпенсации. Результат влияния некоторой (слабой - 2-25%) компенсации характеристики рис.1C показан на рис.1D.

В принципе, при использовании детектора со значительным (несколько десятков) числом слоев и объединением их сигналов соответствующими весовыми функциями можно добиться почти прямоугольной формы спектральных характеристик каналов (правда, за счет дальнейшего ухудшения шумовых характеристик).

Другим - возможным почти исключительно для использования на пучках СИ - принципом работы мульти-спектрозональных детекторов является разделение выходного сигнала одного и того же детектора по времени.

Рис.1 (A, B) Две версии полупроводникового мульти-спектрозонального детектора на основе набора плат (A) и с торцевым облучением (B).

(C, D) Расчетная спектральная характеристика (квантовая эффективность) детектора с тремя платами (A) и данная характеристика в случае слабой взаимной компенсации (B).

(E) Форма импульса тока pin-диода, облучаемого СИ, при уменьшенном напряжении смещения.

(F) Предполагаемая структура экспериментально опробованного pin-диода.

Аналогичным образом (из-за конечного времени дрейфа) можно определять спектр рентгеновского излучения для некоторых конструкций газовых пропорциональных и газовых электролюминисцентных детекторов [2].

Еще одним вариантом построения полупроводникового мульти-спектрозонального детектора является использование значительного различия в скоростях затухания дрейфовой и диффузионной компонент тока (при неполном обеднении рабочего слоя детектора).

На рис.1E показана примерная форма импульса тока pin-диода при пониженном напряжении смещения и регистрации импульса СИ, на рис.1F - предполагаемая структура диода (с толщиной высокоомной области около 30μm). Начало импульса (~2-5ns, дрейфовая компонента) соответствует протеканию тока, обусловленного поглощением относительно жестких фотонов, остальная часть (~50ns, диффузионная компонента) - поглощению более мягких.

Причем в подобной системе можно менять соотношение диффузионной и дрейфовой компонент и положение границы обедненной области путем изменения напряжения смещения, тем самым изменяя спектральные характеристики полос регистрации.

Модельный эксперимент по применению мульти-спектрозонального детектора для измерения поглощения рентгеновского излучения был выполнен при исследовании на пучках СИ процессов детонации [3].

В этом эксперименте колимированый пучок СИ проходил через заряд взрывчатого вещества (сплав тротил/гексоген) и далее поступал на простейший мульти-спектрозональный детектор. Данный детектор состоял из пластины кремниевого микрострипового детектора (область энергий 5-20keV) и размещенного за ней одиночного германиевого детектора (30-50keV) с жестким фильтром-ослабителем (5мм Al - т.к. Ge детектор был разработан для регистрации SAXS и имел слишком высокую чувствительность).

На рис. 2 приведены зарегистрированные зависимости величин сигналов детекторов от времени (момент 0 соответствует инициированию детонации заряда). Видно, что в этой системе германиевый детектор (график 1) линейно регистрирует волну сжатия на фронте детонации (зона I) и начальную стадию разлета, но практически "слепнет" примерно через 30мкс. Напротив, для двух микрострипов кремниевого детектора сигналы (графики 2 и 3) в зоне сжатия малы, но они хорошо передают динамику колебаний образовавшегося плазменного "пузыря" (зона II), а также регистрируют прохождение пылевых частиц.

Таким образом, проведенные эксперименты позволяют надеяться, что применение мульти-спектрозональных детекторов при изучении быстропротекающих процессов обеспечит регистрацию в эксперименте дополнительного объема информации, позволит оценивать изменение спектра регистрируемого излучения и упростит дальнейшую интерпретацию результатов. Такие детекторы могут использоваться и в ряде традиционных приложений - например, в медицинской рентгенографии как регистратор "цветных" рентгеновских изображений.

Литература:

[1] А.Д.Чилингаров, ЭЧАЯ, 1992, т.23, вып.3, стр. 785.

[2] А.Поликарпо, "Разрядные и сцинтилляционные газовые детекторы для мягкого рентгеновского излучения" (в кн. "Рентгеновская оптика и микроскопия", М.:Мир, 1987, стр.232)