Джерело м’якого рентгенівського випромінювання

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к способам и устройствам получения импульсов рентгеновского излучения посредством электронного пучка. В настоящее время мощные источники мягкого рентгеновского излучения имеют важное значение в ряде прикладных задач и технологических процессах, в частности при изготовлении фотошаблонов и микросхем в рентгеновской маск-литографии. Для того, чтобы полностью использовать энергию электронного пучка для генерации рентгеновского излучения, толщина мишени должна быть равной трети длины свободного пробега электронов в веществе мишени. Однако такая мишень поглощает практически весь спектр мягкого рентгеновского излучения. Известен источник мягкого рентгеновского излучения в виде диода с виртуальным катодом, в котором за счет отражения от виртуального катода электроны многократно пересекаюттонкий анод, постепенно отдавая свою энергию, вплоть до полного поглощения (авт.св. СССР № 1022236, кл. Η 01 J 35/00). Указанный источник позволяет за счет уменьшения толщины анода, который в данном случае является тормозной мишенью, увеличить выход мягкого рентгеновского излучения. Наиболее близким к предлагаемому источнику является источник мягкого рентгеновского излучения, описанный в; J.R. Lee, R.C. Backstrom. J A. Halbleib, J.P. Qlntenz, T.P. Wright. // J. Appl. Phys. - 1984. - V. 56. № 11. - P. 3175-3181, содержащий генератор электронного пучка, соединенный с камерой дрейфа, входное отверстие которой закрыто фольгой, внутри камеры дрейфа расположен проводник с током и мишень, ориентированная плоскостью перпендикулярно движению пучка. В указанном источнике генерация мягкого рентгеновского излучения осуществляется за счет уменьшения толщины мишени и многократного пересечения ее электронами вследствие движения пучка в градиентном магнитном поле вдоль проводника с током. В данном источнике число пересечений мишени электроном заданной энергии определяется напряженностью градиентного магнитного поля, т.е. величиной тока в проводнике, создающим это поле. Чтобы увеличить число проходов, а следовательно уменьшить толщину мишени, необходимо повышать амплитуду тока в проводнике. Однако повышение амплитуды тока в проводнике сопровождается увеличением отражения электронов пучка магнитным полем на входе в область транспортировки, поэтому, чтобы использовать всю энергию электронного пучка для генерации мягкого рентгеновского излучения, приходится не повышать амплитуду тока в проводнике, а увеличивать толщину мишени. Увеличение толщины мишени приводит к уменьшению выхода мягкого рентгеновского излучения за счет его поглощения в веществе мишени. В основу изобретения поставлена задача создания источника мягкого рентгеновского излучения, в котором мишень выполнена в виде пластинки прямоугольной формы и прикреплена одной из сторон к проводнику с током вдоль оси проводника перпендикулярно его поверхности, а ось проводника с током смещена относительно оси инжекции электронного пучка на расстояние (0,03-0,25) диаметра пучка, в результате чего электроны приобретают азимутальную компоненту скорости и взаимодействуют с мишенью, расположенной вдоль проводника с током, что приводит к увеличению числа проходов электронов через мишень, уменьшая тем самым необходимую толщину мишени и в конечном итоге повышает выход мягкого рентгеновского излучения источника. Поставленная задача решается тем, что в источнике мягкого рентгеновского излучения, содержащем генератор электронного пучка, соединенный с камерой дрейфа, входное отверстие которой закрыто фольгой, а внутри камеры расположена мишень, прикрепленная к проводнику с током, который одним концом закреплен в стенке камеры с входным отверстием, а другой конец проводника подключен к генератору импульсного тока через проходной изолятор, вмонтированный в противоположную входному отверстию стенку камеры, согласно изобретению, мишень выполнена в виде пластинки прямоугольной формы и прикреплена одной из сторон к проводнику с током вдоль оси проводника перпендикулярно его поверхности, а ось проводника с током смещена относительно оси инжекции электронного пучка на расстояние (0,030,25)d, где d -диаметр пучка. Расположение мишени, выполненной в виде пластинки прямоугольной формы и прикрепленной одной из сторон вдоль оси проводника с током перпендикулярно его поверхности, и смещение оси проводника относительно оси инжекции электронного пучка на расстояние (0,03-0,25) диаметра пучка приводит к тому, что за счет градиента азимутальных и радиальных магнитных полей, возникающих при асимметричной инжекции электронного пучка в камеру дрейфа, электроны приобретают азимутальную компоненту скорости, Движение электронов в области транспортировки представляет собой комбинацию градиентного дрейфа и движения по азимуту. При таком движении увеличивается число прохождений электронов через мишень, уменьшается необходимая для поглощения пучка толщина мишени, и, тем самым, увеличивается выход мягкого рентгеновского излучения. В качестве мишени может быть использована фольга или пленка на подложке толщиной 1мкм из материала с высоким атомным номером (тантал, свинец, вольфрам и т.п.). Использование комбинации градиентного дрейфа и движения электронов по азимуту при расположении мишени, выполненной в виде пластинки прямоугольной формы и прикрепленнной одной из сторон вдоль оси проводника с током, перпендикулярно его поверхности, позволяет увеличить число проходов электронов через мишень, уменьшить ее толщину, повысив тем самым выход мягкого рентгеновского излучения. Величина смещения оси проводника с током относительно оси инжекции электронного пучка, равная (0,03-0,25) диаметра пучка при расположении мишени вдоль оси проводника с током, перпендикулярно его поверхности, достаточна для увеличения числа проходов электронов через мишень, необходимых для полного их поглощения, для уменьшения ее толщины и, следовательно, для повышения выхода мягкого рентгеновского излучения источника. Если величина смещения оси проводника с током относительно оси инжекции электронного пучка будет меньше 0,03 диаметра пучка, то число проходов электронов через мишень будет недостаточно, толщина мишени для полного их поглощения должна увеличиваться, следовательно, выход мягкого рентгеновского излучения уменьшится. Если величина смещения оси проводника с током относительно оси инжекции электронного пучка будет больше 0,25 диаметра пучка, то значительная часть пучка будет теряться на входе в камеру дрейфа, что делает невыгодным его технологическое использование. На чертеже изображена схема источника мягкого рентгеновского излучения. Источник мягкого рентгеновского излучения содержит генератор электронного пучка 1, который представляет собой диод сильноточного ускорителя, соединенный с камерой дрейфа 2, входное отверстие 3 которой закрыто фольгой 4. Камера дрейфа 2 включает мишень 5, которая выполнена в виде пластинки прямоугольной формы и прикреплена одной из сторон к проводнику с током 6 вдоль оси проводника перпендикулярно его поверхности. Ориентация плоскости мишени 5 по азимуту относительно оси проводника с током 6 значения не имеет. Один конец проводника с током 6 закреплен на расстоянии h = (0,03-0,25) диаметра пучка от оси инжекции электронного пучка в стенке камеры с входным отверстием 3' с помощью крепежного приспособления 7 выполненного, например, в виде фланца с радиальными спицами. Другой конец проводника 6 подключен к генератору импульсного тока 8 через проходной изолятор 9, вмонтированный в противоположную входному отверстию стенку камеры 10. Выход рентгеновского излучения из мишени регистрировался тремя коллимированными детекторами D1D3. Источник мягкого рентгеновского излучения работает следующим образом: включается генератор импульсного тока 8, по проводнику 6 начинает протекать ток, генерируя градиентное магнитное поле. В момент достижения максимума тока в проводнике включается генератор электронного пучка 1, пучок электронов линчуется на фольге 4 входного отверстия 3, проходит сквозь нее, затем расширяясь под действием кулоновских сил расталкивания, попадает в камеру дрейфа 2, где захватывается магнитным полем, создаваемым проводником с током 6. За счет асимметричной инжекции электронного пучка в камеру дрейфа 2, электроны приобретают азимутальную компоненту скорости, а скорость градиентного дрейфа определяется величиной магнитного поля вокруг проводника с током 6. Дальнейшее движение электронов представляет собой комбинацию градиентного дрейфа в магнитном поле и движение по азимуту вокруг оси проводника с током 6. При встрече с мишенью 5, выполненной в виде пластинки прямоугольной формы и прикрепленной одной из сторон к проводнику с током 6 вдоль оси проводника, перпендикулярно его поверхности, электрон многократно пересекает ее за счет градиентного дрейфа, вылетает из нее, делает оборот вокруг оси проводника с током по спирали за счет азимутальной компонентой скорости, после чего вновь попадает на мишень 5 и взаимодействует с ней и т.д., вплоть до полного поглощения. Смещение оси проводника с током, при расположении мишени, выполненной в виде пластинки прямоугольной формы и прикрепленной одной из сторон к проводнику вдоль оси проводника с током, перпендикулярно его поверхности, относительно оси инжекции электронного пучка, позволяет за счет комбинации градиентного дрейфа и движения по азимуту увеличить число прохождений электронов через мишень, не повышая амплитуды магнитного поля в камере дрейфа, и, в отличие от прототипа, полностью использовать энергию пучка на мишени толщиной 1 мкм вместо 51 мкм, что позволяет выводить мягкое рентгеновское излучение в энергетическом диапазоне до 1 кэВ (у прототипа 20 кэВ). Кроме того, предлагаемая конструкция источника мягкого рентгеновского излучения позволяет изменением величины азимутальной компоненты скорости электронов управлять размерами источника, которые у прототипа определяются площадью поперечного сечения пучка. Конкретная реализация источника мягкого рентгеновского излучения осуществлялась на сильноточном ускорителе электронов "Надежда" с параметрами: напряжение на диоде 1 MB, выходной импеданс 7 Ом, длительность импульса 100 не. Камера дрейфа представляла собой трубу из нержавеющей' стали диаметром 220 мм и длиной 260 мм, давление в камере поддерживалось автоматически на уровне 2 Торр. Входное отверстие камеры дрейфа было закрыто алюминиевой фольгой толщиной 20 мкм. Проводником служила медная проволока диаметром 2,5 мм, по которой пропускался импульс тока амплитудой 60 кА с временем нарастания 65 мкс. В качестве мишени использовалась танталовая фольга толщиной 1 мкм высотой 35 мм и длиной 100 мм, которая прикреплялась длинной стороной к проводнику с током вдоль оси проводника перпендикулярно его поверхности. За мишенью располагался круг из полиэтилена диаметром 80 мм и толщиной 4 мм для полного поглощения пучка, прошедшего за мишень (на чертеже не показан). Выход рентгеновского излучения из мишени регистрировался тремя модернизированными детекторами СППД-3. Детекторы были снабжены коллиматорами и направлены перпендикулярно к плоскости мишени; первый регистрировал излучение в начале мишени, второй - в середине, третий - в конце. С целью увеличения азимутальной компоненты скорости электронов пучка в области транспортировки, ось проводника с током камеры дрейфа смещалась относительно оси инжекции электронного пучка на величину (0,02-0,42)d пучка при диаметре транспортируемого пучка порядка 60 мм. Эффективность работы конвертора по генерации мягкого рентгеновского излучения определялась по амплитуде сигнала с детектора, коллимированного на начало мишени. Амплитуда сигналов с детекторов представлена в таблице. На основании данных, приведенных в таблице, можно сделать следующие выводы: при смещении оси инжекции пучка относительно оси проводника с током на величину 0,02d пучка, величины сигналов с детекторов в начале мишени составляет 107, а в конце 54 условные единицы (у.е.), откуда следует, что не все электроны получили азимутальную компоненту скорости, в результате чего часть пучка проходит за мишень и теряется. При величине смещения оси инжекции относительно оси проводника с током в пределах (0,067-0,17)d пучка имеется устойчивый максимум выхода мягкого рентгеновского излучения в начале мишени (131-137 у.е.) и незначительное (0-10 у.е.) излучение в конце мишени. При величине смещения оси инжекции относительно оси проводника с током на величину 0,03d пучка и на величину 0,25d пучка амплитуда сигналов с детектора, коллимированного на начало мишени, отличается от максимального менее, чем на 25%. Увеличение величины смещения оси инжекции пучка относительно оси проводника с током на величину более 0,25d пучка приводит к значительным (более половины) потерям пучка на входе в камеру дрейфа в область транспортировки, что снижает выход мягкого рентгеновского излучения, поэтому дальнейшее увеличение величины смещения нецелесообразно. Таким образом, предлагаемый источник мягкого рентгеновского излучения позволяет получить на выходе излучение в энергетическом диапазоне до 1 кэВ (у прототипа -20 кэВ). Кроме того, предлагаемая конструкция источника мягкого рентгеновского излучения позволяет изменением величины азимутальной компоненты скорости электронов управлять размерами источника, которые у прототипа определяются площадью поперечного сечения пучка.