Skip to Content


Инструкция по эксплуатации

часть 2

Содержание

  1. СТАТИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ
  2. НАСТРОЙКА ДЕТЕКТОРОВ
    1. Описание детекторов
      1. Полупроводниковый детектор SSD (SiPIN).
      2. Сцинтилляционный детектор SC-70
      3. Газовый детектор Ar-300
    2. Калибровка детекторов
  3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПУЧКА
  4. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ
  5. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
    1. Полупроводниковый детектор
    2. Сцинтилляционный детектор

 

1. Статистика измерений

кристалл Ge220, ток=20мА, 1секунда на точку

Элемент

Энергия, эВ

Напряжение, kV

Показания I0

(Ar-300)

Показания I

(SC-70)

Ti

5000

11

500

?

V

5500

11

2000

2000

Cr

6000

12

5500

8000

Mn

6600

13

10500

22000

Fe

7000

14

15000

41000

Co

7700

15

22000

82000

Ni

8400

17

34000

169000

Cu

9000

18

40000

230000

Zn

9700

19

70000

375000

количество фотонов, отражённых от плоскостей Ge440 для оценок можно считать в 10 раз меньшим, чем указанные для Ge220.

Для идеализированной мишени (т.е. без учёта самопоглощения) спектр тормозного излучения описывается выражением

где - спектральная интенсивность, i – ток электронов на мишень, Z – атомный номер материала мишени.

В свою очередь, , где U – в кВ, а длина волны в нм. Максимум излучения рентгеновской трубки приходится на

Рисунок 1. Спектр тормозного излучения при различных напряжениях на трубке (слева) и диаграмма пространственного распределения интенсивности тормозного излучения массивной мишени.

Наличие характеристических линий анода приводит к соответствующим пикам в спектре тормозного рентгеновского излучения трубки:

Рисунок 2. Спектр тормозного рентгеновского излучения при различных ускоряющих напряжениях.

Рисунок 3. Зависимость показаний детекторов от приложенного напряжения на трубке.

Литература:

С.А.Иванов, Г.А.Щукин «Рентгеновские трубки технического назначения»

Содержание

 

2. Настройка детекторов

2.1 Описание детекторов

2.1.1 Полупроводниковый детектор SSD (SiPIN).

принцип работы: при попадании рентгеновского фотона в детектор происходит рождение электронно-дырочных пар, количество которых пропорционально энергии фотона. В качестве рабочего вещества в нашем детекторе используется кремний. С помощью электронной схемы усилителя детектор может разделять фотоны по энергии (как?!!!) с точностью ~ 200эВ. Это мы используем, когда проводим PHAscan.

HVscan – не проводится. PHAscan – определение оптимальных параметров усилителя для регистрации данного энергетического диапазона (разрешение ~ 200эВ).

Модель XR-100CR– высококачественная система рентгеновского детектора, усилителя и охладительной системы с использованием термоэлектрически охлаждающегося Si-PIN фотодиода в качестве детектора рентгеновского излучения. Температура охладителя -55°C. Внешняя оболочка детектора – герметична и откачана до высокого вакуума. Данная модель начинает стабильно работать уже через 1 минуту после включения питания. Полуширина 5.9 кэВ пика Fe колеблется от 145эВ до 260эВ в зависимости от комплектации детектора.

У нашего детектора толщина бериллиевого окна 1mil (=0.001in = 25μm), толщина рабочего слоя кремния 500μm. Ниже приведены рисунки эффективности работы для различных энергетических диапазонов.

Рисунок 4(linear). Shows the intrinsic full energy detection efficiency for Si-PIN detectors. This efficiency corresponds to the probability that an X-ray will enter the front of the detector and deposit all of its energy inside the detector via the photoelectric effect.

Рисунок 5 (log). Shows the probability of a photon undergoing any interaction, along with the probability of a photoelectric interaction which results in total energy deposition. As shown, the photoelectric effect is dominant at low energies but at higher energies above about 40 keV the photons undergo Compton scattering, depositing less than the full energy in the detector.

Оба рисунка сочетают эффекты прохождения фотонов через бериллиевое окошко (включая защитное покрытие) и взаимодействие с рабочим веществом детектора. Низкоэнергетическая часть кривых ограничивается толщиной бериллиевого окна, в то время как высокоэнергетическая часть – толщиной рабочего слоя кремния в детекторе.

Содержание

2.1.2 Сцинтилляционный детектор SC-70

принцип работы: при попадании рентгеновского кванта в рабочее вещество детектора (кристалл-сцинтиллятор) возникает вспышка света в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, которая детектируется с помщью системы фотоумножителей.

HVscan – задание напряжения на фотоумножитель, PHAscan – определение параметров усилителя для регистрации данного диапазона энергий (разрешение в несколько раз хуже, чем у полупроводникового детектора)

2.1.3 Газовый детектор Ar-300

принцип работы: при прохождении рентгеновских лучей через газовую камеры возможна ионизация атомов аргона. Вылетевший в результате ионизации электрон ускоряющим напряжением разгоняется и вызывает электронную лавину при соударениях с другими атомами аргона.

HVscan – задание усиливающего напряжения для наиболее эффективного образования электронных лавин. PHAscan – определение параметров усилителя для регистрации данного диапазона энергий (обратите внимание на разную чувствительность PHAscan для газового и сцинтилляционного детектора в разделе «Калибровка детекторов»).

Эффективность газового детектора I0 заполненного газом Ar при давлении 300торр (длина рабочей камеры 20мм)

Содержание

2.2 Калибровка детекторов

Для того чтобы счёт детекторов был наиболее эффективным, необходимо провести калибровку детекторов – настроить их на заданный диапазон энергий.

HV scan – настройка высокого напряжения, подаваемого на рабочий элемент детектора для вызова электронной лавины от акта поглощения фотона. Проводится для газового и сцинтилляционного детекторов.

PHA scan – настройка рабочего окна усилителя-дискриминатора детектора для выбора определённого диапазона энергии (например, для разделения упругой и неупругой компоненты в спектре флуоресценции и т.д.)

Подводные камни калибровки детекторов.

Эмиссионные линии и их высокие порядки отражения

 

Kalpha1, Ev

Kbeta1, eV

Lalpha1, eV

Lbeta1, eV

W-anode

59310

67230

8400

9670

Mo-anode

17480

19610

2290

2400

Важно! На молибденовый анод со временем прилипает вольфрам с катода (у нас все катоды вольфрамовые)

Ниже приведены соответствующие кривые для калибровок детекторов (без образцов – на прямом луче), на которых видно как легко можно ошибиться при больших U и выбрать неправильные значения.

Cu K-edge

E=8979 I=20

 

HV scan for I0

HV scan for I

U=18

U=25

U=35


 

 

PHA scan for I0

PHA scan for I

U=18

U=25

U=35


Zn K-edge

E=9659 I=20

 

HV scan for I0

HV scan for I

U=19

U=35

 

 

PHA scan for I0

PHA scan for I

U=19

U=35

Обратите внимание на то, что все приведённые графики для Zn и Сu практически идентичны. Так и должно быть, ведь разность энергий Cu K-edge и Zn K-edge всего лишь ~ 700эВ. Я не берусь пока объяснить, почему особенности на HV и PHA сканах для детектора I (мы использовали сцинтилляционный) так сильно отличаются от аналогичных для газового детектора.

Содержание

 

3. Определение размеров пучка

С помощью специальной очень узкой щели мы попытались определить ширину и распределение интенсивности в рентгеновском луче в плоскости, перпендикулярной его распространению. Проводилось сканирование с помощью микрометрического винта вверх-вниз.

Содержание

 

5. Оптимизация эксперимента

(интервал спектра, шаг, выдержка и ошибка)

в этом разделе надо поговорить о разрешении в зависимости от DS и RS и соответствующего изменения интенсивности.

5.1 Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор лучше руками не нагревать!

Содержание

5.2 Сцинтилляционный детектор

Установка держателя на несколько образцов (sample changer)

  • снять детектор
  • установить sample changer
  • подключить кабель к sample changer
  • в программе Maxwin: setup – sample changer – use sample changer
  • manual – sample changer – initialize
  • установить обратно детектор

открутить большой винт на рельсах, на которых установлен и детектор и держатель образцов, и придвинуть всю конструкцию ближе к щели.

Содержание

Анод, катод. Замена и чистка.

  • Отключить рентгеновскую трубку и остановить вакуумную систему (читай раздел «Отключение установки»).
  • Открыть медленно-медленно винт напуска воздуха на турбомолекулярном насосе. После выравнивания давлений закрутить его.
  • Выставить гониометр в начальное положение по энергии, чтобы можно было открыть рентгеновскую трубку.
  • Спустить воду охлаждения из рентгеновской трубки (сзади стойки гониометра).

Все остальные операции делать в специальных перчатках!

  • Открутить 4 винта с торца крепления анода к рентгеновской трубке (около бирки out) и вынуть аккуратно анод. Не касайтесь тонкого Be-окна на рентгеновской трубке!
  • В случае надобности (когда материал катода не совпадает с материалом анода) надо мелкой наждачкой (микронкой) произвести аккуратно чистку поверхности анода (медь вокруг не трогать!)
  • Раскрутить катодный узел и менять катод (если перегорел). Необходимо установить линейный фокус – см. мануал.
  • Перед закрытием и установкой на место катода и анода необходимо проверить все соединительные резиновые прокладки.
  • Когда сборка закончена, надо произвести юстировку положения рентгеновской трубки.

Юстировка положения рентгеновской трубки

  • снять подставку кристалла-монохроматора
  • поместить на её место специальную юстировочную щель
  • установить сцинтилляционный детектор под юстировочной щелью на месте зеркала (предварительно установив крепление для детектора, на котором он крепится в другом отсеке)
  • накрыть детектор крышкой с отверстием, подключить кабель к нему
  • установить специальный защитный экран – свинцовое стекло
  • расслабить винты, фиксирующие положение рентгеновской трубки
  • выключить защиту SAFETY RELEASE
  • запустить на компьютере программу Maxwin и выбрать в ней initialize – device check (можно сразу нажать цветную 3-ю кнопку)
  • инициализировать щель DS: Manual – X-ray slits – ds – init. После этого для щели DS выбираем move вместо init и устанавливаем ширину 0.05
  • выбрать Adjust – I counter sc1 (scintillator). см.стр 9 Instruct.manual там есть все параметры.
  • В том же окне выбираем FT (fix time) – время выдержки 0.5 сек 300 точек. Когда нажимаем ок, открывается заслонка и в трубка начинает работать в стационарном режиме без движения гониометра. На экран выводятся показания детектора. Надо крутить чёрный винт юстировки положения рентгеновской трубки до тех пор, пока не найдёте положение, в котором детектор регистрирует max значение фотонов.
  • Когда нашли max, нажать stop, убирать экран, поставить на место юстировочный механизм кристалла-монохроматора (нужно поставить как можно точнее и перпендикулярнее), закрыть дверцы и выключить SAFETY RELEASE.

Для измерений необходимо провести юстировку положения кристалла-монохроматора и калибровку детекторов.

Содержание

Техническое обслуживание

1-й пуск прибора – конец июля 2008г.

  1. Смена катода. Среднее время жизни W-катода (вольфрамового) – 2500 часов. Нам поставили вольфрамовый катод, который проработал в 1000 часов. Осталось ещё ~ 1500 часов работы.
  2. Смена уловителей масла в форвакуумном насосе. Обычно смену уловителей масла проводят один раз в полгода. Наполнитель в уловителях – белые шарики оксида алюминия Al2O3. У нас есть один запасной комплект. Использованные уловители нужно отжечь при температуре ~ 3000С в течении 6-8 часов (подробнее написано в мануале).
  3. Замена масла в форвакуумном насосе. Необходимо следить за уровнем масла в специальном окошке на торце форвакуумного насоса. Его уровень должен быть посередине между min и max. При нормальной работе эту процедуру необходимо проводить раз в 5 лет.
  4. Чистка анода. Если материал анода не совпадает с материалом катода, то необходимо периодически проводить чистку поверхности анода при появлении в спектре эмиссионных линий, соответствующих осаждению материала катода (в нашем случае надо следить за линиями вольфрама).
  5. Замена дистиллированной воды. Во внутренний контур охлаждения поступает дистиллированная обеззараженная вода. Если холодильная установка не будет включаться нужно долить этой воды. При полной смене воды нужно добавлять обеззараживатель, приклеенный с внутренней стороны к дверце холодильника.
  6. Замена фильтра воды. На внешнем контуре охлаждения стоит механический фильтр. Смена ~ раз в месяц.
  7. Смазка гониометра. Смазывать придётся ~ через 2 года смазкой для оптических приборов.
  8. Проверка масла в большом трансформаторе внутри блока питания. ~ раз в три года. Проверять следует с помощью специальной эбонитовой палочки, на которой есть риски.

Замечание: прибор не будет включаться, даже если перегорит лампочка индикации рентгена или отключатся вентиляторы.

Наверх