Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 8, стр. 73-79

ВВЕДЕНИЕ

Тщательная и точная калибровка приборов является основой для анализа и правильной интерпретации результатов измерений в космических условиях. Сегодня бóльшая часть знаний и опыта в области калибровки космической измерительной аппаратуры передается в рамках отчетов отдельных исследовательских групп, которые не публикуются. В [1–3] описаны основные принципы этой калибровки. В монографии [1] дан обстоятельный обзор методов калибровки детекторов заряженных и нейтральных частиц с энергией менее 100 кэВ, применяемых для исследований в области космической физики. Авторы описывают разные классы инструментов, методы и процессы калибровки приборов на Земле перед полетом и после старта в полете. Даны несколько полезных советов, как калибровка может быть улучшена в будущем.

Для регистрации низкоэнергетических заряженных частиц Марьин Б.В. и Поландов А.Г. [4] разработали электростатический сегментоидный анализатор и провели теоретический анализ его выходных характеристик. Эти анализаторы в настоящее время успешно используются в космофизических исследованиях. Целью работы было измерение основных характеристик анализаторов этого типа и разработка методики их градуировки.

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Конструкция спектрометрического модуля, состоящего из двух электростатических сегментоидных анализаторов и вторичного электронного умножителя (ВЭУ), регистрирующего электроны на выходе модуля, показана на рис. 1. Частицы, прошедшие первый сегментоидный анализатор, пройдя небольшой зазор, попадают в поле второго такого же анализатора, а затем на входное окно детектора ВЭУ-7. Использование двух сегментоидов в одном модуле обеспечивает существенное ослабление ультрафиолетового излучения.

Рис. 1.

Конструкция спектрометрического модуля.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для экспериментального определения основных характеристик составных сегментоидных анализаторов создан стенд на базе экспериментальной вакуумной камеры UNIVEX-350 (LEYBOLD VACUUM GMBH, Germany). Рабочее давление в камере (2–5) × 10^–6 Tорр. Основные элементы стенда: электронная пушка – диаметр пучка 0.5–2 мм, угловая расходимость пучка определяется коллиматором и составляет ~0.5°, энергетический разброс ∆Е/E = 3%, ток пучка 5–300 фА; плоский тритиевый излучатель – пластинка с размерами 30 × 10 × × 0.5 мм; гониометр; спектрометрический модуль с детектором электронов ВЭУ-7; цилиндр Фарадея для измерения тока пучка фемтоамперметром B2983A (Keysight Technologies, USA). Фемтоамперметр соединен с цилиндром Фарадея через триаксиальный вакуумный ввод KF40-TRIAX/BNK.

Ток пучков измеряли в следующем порядке. Перед началом измерений включенный прибор выдерживали 2–3 ч. Затем включали режим обнуления, и через несколько минут считывали фоновый ток. После этого включали источник электронов и с интервалом в несколько минут между измерениями регистрировали результаты. В процессе измерения иногда проводили обнуление для стекания накопленного заряда. Измерения тока пучка электронной пушки, выполненные с интервалом в несколько месяцев, совпадают с точностью до 10%.

Авторы [4] выполнили расчет основных выходных характеристик составного спектрометрического модуля. На рис. 2 представлены результаты этого расчета в виде поверхности в координатах Х, Y, Z. Каждая координата Z поверхности – это энергогеометрический коэффициент для заданного тангенциального угла в полосе ±0.5° и заданной энергии в полосе ±0.01 кэВ. Полный объем фигуры – это суммарный ЭГК модуля. Как видно, пропускание модуля зависит не только от энергии заряженных частиц, но и от углов входа частиц в анализатор.

Рис. 2.

Общая расчетная характеристика пропускания спектрометрического модуля.

Используя электронную пушку, установленную на гониометре на расстоянии 30 мм от входа в один из секторов анализатора, измеряли функции пропускания спектрометрического модуля, т.е. зависимости скорости счета импульсов ВЭУ-7 от угла (азимутального и тангенциального) входа электронов в анализатор. Шаг гониометра 0.1°. При измерениях в этом диапазоне углов электронный пучок направляли к центру входного сектора и сканировали по углам: тангенциальному углу σ в плоскости XOZ и азимутальному углу β в плоскости YOZ, как показано на рис. 3. Углы отсчитываются от нормали Z к входной поверхности анализатора. Измерения проведены при энергии электронов Е = 0.2 кэВ. На рис. 4 показаны расчетная и экспериментальная зависимости пропускания от входного тангенциального угла. Видим, что расчетное значение хорошо согласуется с результатами измерений. Средняя полоса пропускания для тангенциального угла равна 9.5°. Расчетная и экспериментальная зависимости пропускания от входного азимутального угла представлены на рис. 5. Средняя полоса пропускания для азимутального угла равна 4.5°. Заметное расхождение расчетных и экспериментальных значений, скорее всего, обусловлено неточностью установки электронной пушки в ходе измерения при нулевом тангенциальном угле. По результатам этих измерений можно сказать, что программа расчета функций пропускания [4] хорошо описывает входные характеристики анализатора.

Рис. 3.

Геометрия падения электронного пучка (штриховые линии) на вход анализатора.

Рис. 4.

Функция пропускания спектрометрического модуля от входного тангенциального угла, ⚪ – результаты расчета.

Рис. 5.

Функция пропускания спектрометрического модуля от входного азимутального угла, ⚪ – результаты расчета.

Функции пропускания спектрометрического модуля существенно зависят не только от энергии заряженной частицы, но и от входных углов. Потоки электронов и протонов магнитосферной плазмы изотропны [5]. Поэтому для измерений ЭГК и коэффициента пропускания K(E) спектрометрических модулей, используемых для регистрации электронов, оптимальным является эталонный плоский тритиевый излучатель, испускающий изотропный поток электронов с непрерывным спектром в диапазоне от 0 до 18 кэВ [6–8]. На рис. 6 приведен результат измерения зависимости потока электронов, излучаемых плоским тритиевым источником, от угла между нормалью к плоскости источника и направлением наблюдения. Поток электронов этого источника можно считать изотропным в пределах полосы пропускания от ‒10° до +10°.

Рис. 6.

Угловое распределение потока электронов, излучаемых плоским тритиевым источником.

МЕТОДИКА ГРАДУИРОВКИ

Вначале измеряют константу спектрометрического модуля k = U_pl/E и энергетическое разрешение R = ∆Е/E. Для этого на входе спектрометрического модуля на расстоянии 20 мм монтируют электронную пушку малой интенсивности с высокой стабильностью электронного пучка. Измерение проводят для электронов разной энергии, например 0.2, 1.0, 2.0, 4.0 кэВ. Электронный пучок распространяется через центр входного сектора строго параллельно оси анализатора. С помощью источника питания электронной пушки поочередно устанавливают указанные значения энергии излучаемых электронов. Для каждого значения энергии E измеряют функцию пропускания N(U_pl) – зависимость скорости счета импульсов ВЭУ-7 на выходе модуля от напряжения на пластинах его анализаторов. График функции пропускания для электронов с энергией 4 кэВ показан на рис. 7. Максимальное пропускание при напряжении на пластинах анализатора 495 В соответствует энергии 4 кэВ, т.е. константа анализатора k = 0.124 В/эВ. Ширина кривой на половине ее высоты равна 56 В, что соответствует энергетической ширине ∆E = = 460 эВ и разрешению R = ∆E/E = 0.115. По результатам этих измерений рассчитывают средние значения константы анализатора и энергетического разрешения.

Рис. 7.

Функция пропускания спектрометрического модуля при регистрации электронов с энергией 4 кэВ.

Затем методом задерживающего потенциала [9–11], используя ВЭУ с предварительно измеренной эффективностью ξ(Е), измеряют дифференциальный спектр эталонного плоского тритиевого излучателя электронов S_Tr [(с · см² · ср · кэВ)^–1] в диапазоне энергии электронов от 0.1 до 18 кэВ. Исследованный образец эталонного плоского тритиевого излучателя – это молибденовая пластинка, на рабочую поверхность которой нанесено сорбирующее покрытие из титана. Тритий вводят в титан путем насыщения до заданной активности. Материал, в котором зафиксирован тритий, – титан иодидный. На рис. 8 приведены электронный спектр свободных атомов трития и дифференциальный спектр эталонного плоского тритиевого излучателя электронов. Атомы трития внутри образца в результате бета-распада изотропно излучают электроны в диапазоне энергии от единиц эВ до 18.61 кэВ. В результате процессов упругого и неупругого взаимодействия этих электронов с атомами титана и йода [12] энергетический спектр электронов на выходе из пластины будет отличаться от энергетического спектра электронов, эмитируемых атомами трития внутри образца. Измеренный дифференциальный спектр S_Tr эталонного излучателя в дальнейшем используется как эталонный для определения основных характеристик анализатора.

Рис. 8.

Дифференциальный спектр эталонного плоского тритиевого излучателя электронов S_Tr(E) (⚪) и свободных атомов трития (⚫).

Далее, используя электронную пушку и фемтоамперметр, соединенный с цилиндром Фарадея, измеряют эффективность детектора ВЭУ-7 в зависимости от энергии электронов ξ(Е). Эффективность ВЭУ зависит от угла падения заряженной частицы на микроканальную пластину [13]. Поэтому при измерениях пучок направляют на поверхность входной пластины ВЭУ под тем же углом, что и при падении на ВЭУ на выходе из анализатора. Затем на входную поверхность модуля ставят пластинку эталонного плоского тритиевого излучателя и на выходе ВЭУ измеряют скорость счета импульсов в зависимости от энергии электронов N_Tr(E) (рис. 9). При этом пластинка излучателя полностью закрывает входной сектор модуля. По результатам измерения определяют энергогеометрический коэффициент по формуле:

Рис. 9.

Скорость счета импульсов спектрометрического модуля N_Tr(E), ⚫ – скорость счета фона без источника трития.

Эти измерения выполняют на нескольких спектрометрических модулях с одним и тем же ВЭУ и рассчитывают среднее значение ЭГК(Е) для данной конструкции. На рис. 10 приведены экспериментальные значения ЭГК спектрометрического модуля в зависимости от энергии электронов.

Рис. 10.

Экспериментальная зависимость ЭГК спектрометрического модуля от энергии электронов.

После этого на градуируемых спектрометрических модулях с детекторами ВЭУ-7 и эталонным тритиевым излучателем на входе измеряют N_Tr(E). На основе полученных результатов для каждого модуля рассчитывают коэффициент пропускания:

Пример экспериментального коэффициента пропускания K(E) для одного из спектрометрических модулей представлен на рис. 11. Так как коэффициент пропускания спектрометрических модулей, регистрирующих электроны, определяется непосредственно по результатам измерения N_Tr(E) этих модулей и дифференциального спектра эталонного тритиевого излучателя, нет необходимости измерять эффективность установленных в них ВЭУ.

Рис. 11.

Экспериментальные значения коэффициента пропускания K(E) в зависимости от энергии электронов.

Энергогеометрический коэффициент, измеренный на электронном пучке, используется для определения коэффициента пропускания спектрометрических модулей, регистрирующих протонные пучки. Для этого определяют эффективность детекторов в зависимости от энергии протонов ξ_пр(Е). Измерения выполняют на протонном пучке, падающем на поверхность входной пластины ВЭУ под тем же углом, что и при падении протонного пучка на ВЭУ на выходе из анализатора. Коэффициент пропускания K_пр(E) для каждого протонного модуля определяется по формуле:

Экспериментальные значения измеренных коэффициентов пропускания используют в дальнейшем в процессе обработки результатов измерений потока заряженных частиц магнитосферной плазмы. Исходя из вышеизложенного необходимо сказать, что точность градуировки определяется, главным образом, тщательностью и точностью измерения дифференциального спектра эталонного тритиевого излучателя, и скоростью счета импульсов спектрометрических модулей.

СРАВНЕНИЕ АНАЛИЗАТОРОВ РАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Измерения функции пропускания спектрометрических модулей показали, что в области энергии электронов Е > 12 кэВ спектральные пики несимметричны (рис. 12, пики 3 и 4). Напряжение на внешней пластине анализатора U_pl > 1.2 кВ, а внутренняя пластина заземлена на корпус прибора. Кроме того, из рисунка видно, что при этих напряжениях наблюдается увеличение скорости счета импульсов, заметно превышающее фоновый счет, в области энергии выше максимума соответствующего пика (например, пик 4). Эти “хвосты”, видимо, обусловлены пробоями в элементах конструкции анализаторов. Аналогичные измерения были проведены на спектрометрическом модуле, в котором внутренние и внешние пластины анализаторов изолированы от заземления. Напряжение на пластины подается от двух полярного источника питания. Внутренний электрод находится под положительным потенциалом относительно внешнего и под нулевым потенциалом относительно корпуса. При использовании электронной пушки и ВЭУ-7 были измерены функции пропускания электронов с энергией 16 и 18 кэВ на спектрометрических модулях обоих вариантов. Как видим, при 16 кэВ ширина пиков на половине их высоты следующая: пик 1 – ∆Е = 0.5 кэВ; пик 2 – ∆Е = 1.3 кэВ; пик 3 – ∆Е = 1.75 кэВ. На выходе анализатора с незаземленными пластинами регистрируется симметричный пик 2, ширина которого на половине его высоты заметно меньше, чем у несимметричного пика 3. Видно, что спектрометрическая характеристика модуля с незаземленными пластинами существенно лучше, и это следует иметь в виду при разработке конструкции.

Рис. 12.

Функции пропускания спектрометрических модулей: 1 – спектр электронов с энергией 16 кэВ на выходе из электронной пушки, измеренный цилиндрическим 127°-анализатором с разрешением R = = 1.25%; 2 – функция пропускания электронов с энергией 16 кэВ, измеренная спектрометрическим модулем с незаземленными пластинами; 3 и 4 – функции пропускания электронов с энергией 16 и 18 кэВ, соответственно, измеренные анализатором с заземленной внутренней пластиной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для экспериментального определения основных выходных характеристик спектрометрических модулей создан измерительный стенд и разработана методика их градуировки. Выполнены измерения функции пропускания модуля в зависимости от энергии электронов и углов входа. Расчетные значения функции пропускания от входных углов хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Измерены основные параметры спектрометрического модуля – энергогеометрический коэффициент, его константа и коэффициент пропускания, необходимые для последующей обработки результатов измерений, выполняемых на этих модулях. Использование разработанной методики также позволяет не только измерять эффективность вторичных электронных умножителей при регистрации электронов в широком диапазоне значений энергии (0.01–20 кэВ), но и провести паспортизацию тритиевых источников электронов, используемых для градуировки спектрометрической аппаратуры. Сравнение функций пропускания анализаторов двух разных конструкций показало, что спектрометрическая характеристика модуля с незаземленными пластинами анализаторов существенно лучше. Необходимо отметить, что точность градуировки спектрометрических модулей определяется, главным образом, тщательностью и точностью измерения дифференциального спектра эталонного тритиевого излучателя, и скоростью счета импульсов спектрометрических модулей. Как показали измерения, анализатор работает в диапазоне энергии от 0.1 до 20 кэВ.

Конфликт интересов: Автор заявляет, что у него нет конфликта интересов.