Исследование монохроматичности рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий

Для количественного исследования поглощения рентгеновского излучения в диапазоне длин волн от единиц до десятых долей ангстрема (приблизительно соответствует энергиям от 5 до 50 кэВ) и калибровки энергетической шкалы детекторов рентгеновских лучей необходимо иметь источник монохроматичного излучения. В работе представлены результаты исследования характеристик созданного монохроматора рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий. Принцип работы прибора основан на использовании явления дифракции рентгеновского излучения. В качестве дифрагирующего элемента использовали кристалл пиролитического графита. При его повороте на заданный угол происходит выделение монохроматичного излучения из тормозного спектра рентгеновской трубки. Установлено, что с помощью прибора можно получать монохроматичный рентгеновский пучок с энергией в диапазоне 15 – 100 кэВ и монохроматичностью на уровне 1,5 – 9 % (соответствует требованиям к точности энергетической калибровки детекторов). Кроме того, показано, что для генерации регулируемого монохроматичного излучения возможно применение доступных лабораторных компонентов. Полученные результаты и предложенный подход могут быть использованы при дефектоскопии, томографии и других задачах, требующих спектрально селективного рентгеновского анализа.

1. Kheiker D. M. Single-crystal X-ray diffractometry. — Leningrad: Mashinostroenie, 1973. — 256 p. [in Russian].

2. Bowen D. K., Tanner B. K. High resolution X-ray diffractometry and topography. — CRC Press, 2019. — 264 p.

3. Seidler G. T., Mortensen D. R., Remesnik A. J., et al. A laboratory-based hard X-ray monochromator for high-resolution X-ray emission spectroscopy and X-ray absorption near edge structure measurements / Rev. Sci. Instrum. 2014. Vol. 85. P. 113906. DOI: 10.1063/1.4901599

4. Astolfo A., Endrizzi M., Vittoria F., et al. Large field of view, fast and low dose multimodal phase-contrast imaging at high X-ray energy / Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 2187. DOI: 10.1038/s41598-017-02412-w

5. Kalender W. A. Computed tomography. Fundamentals, system technology, image quality, applications. — Wiley, 2011. — 373 p.

6. Mele F., Quercia J., Abbene L., et al. Advances in high-energy-resolution CdZnTe linear array pixel detectors with fast and low noise readout electronics / Sensors. 2023. Vol. 23. No. 4. P. 2167. DOI: 10.3390/s23042167

7. Chiriotti S., Barten R., Bergamaschi A., et al. High-spatial resolution measurements with a GaAs:Cr sensor using the charge integrating MÖNCH detector with a pixel pitch of 25 μm / J. Instr. 2022. Vol. 17. No. 04. P. P04007. DOI: 10.1088/1748-0221/17/04/p04007

8. Aad G., Aakvaag E., Abbott B., et al. Sensor response and radiation damage effects for 3D pixels in the ATLAS IBL detector / J. Instr. 2024. Vol. 19. No. 10. P. P10008. DOI: 10.1088/1748-0221/19/10/p10008

9. Gustavino G., Allport P., Asensi I., et al. Timing performance of radiation hard MALTA monolithic pixel sensors / J. Instr. 2023. Vol. 18. P. C03011. DOI: 10.1088/1748-0221/18/03/c03011

10. Sonneveld J. ITS3: a truly cylindrical inner tracker for ALICE / Proc. of the 11th Int. Conf. on Hard and Electromagnetic Probes of High-Energy Nuclear Collisions. — Aschaffenburg, Germany, 2023. DOI: 10.22323/1.438.0077

11. Cadoux F., Cardella R., Iacobucci G., et al. The 100μPET project: a small-animal PET scanner for ultra-high resolution molecular imaging with monolithic silicon pixel detectors / Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. Sect. A: Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 2023. Vol. 1048. P. 167952. DOI: 10.1016/j.nima.2022.167952

12. Greffier J., Viry A., Robert A., et al. Photon-counting CT systems: a technical review of current clinical possibilities / Diagn. Intervent. Imaging. 2025. Vol. 106. No. 2. P. 53 – 59. DOI: 10.1016/j.diii.2024.09.002

13. Sotenskii R. V., Rozhkov V. A., Shashurin D. A., et al. Novel algorithm for qualitative and quantitative material analysis by the K-edges for photon-counting computed tomography / J. Instr. 2024. Vol. 19. No. 4. P. 04009. DOI: 10.1088/1748-0221/19/04/p04009

14. Hagino K., Hayashida M., Kohmura T., et al. Single event tolerance of X-ray silicon-on-insulator pixel sensors / J. Astron. Telesc. Instr. Syst. 2022. Vol. 8. No. 4. P. 046001. DOI: 10.1117/1.jatis.8.4.046001

15. Takahashi S., Arimoto M., Goto H., et al. Radiation tolerance test and performance verification of pnCCD at high temperatures for future satellite mission HiZ-GUNDAM / Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. Sect. A: Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 2024. Vol. 1064. P. 169413. DOI: 10.1016/j.nima.2024.169413

16. Feruglio A., Biesuz N., Bolzonella R., et al. Timepix4 calibration and energy resolution evaluation with fluorescence photons / Il Nuovo Cimento. 2024. Vol. 47C. P. 314. DOI: 10.1393/ncc/i2024-24314-6

17. Delogu P., Biesuz N., Bolzonella R., et al. Validation of Timepix4 energy calibration procedures with synchrotron X-ray beams / Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. Sect. A: Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 2024. Vol. 1068. P. 169716. DOI: 10.1016/j.nima.2024.169716

18. X-ray dynamical diffraction data on the Web. https://x-server. gmca.aps.anl.gov/cgi/www_form.exe?template=x0h_form.htm (accessed 03/19/2025).

19. Asadchikov V. E., Babak V. G., Buzmakov A. V., et al. X-ray diffractometer with a mobile emitter-detector system / Instr. Exp. Techniques. 2005. Vol. 48. No. 3. P. 364 – 372. DOI: 10.1007/s10786-005-0064-4

20. X123 User Manual. Amptek Inc. https://www.amptek.com/ products/x-ray-detectors (accessed 04/05/2025).

21. Poikela T., Plosila J., Westerlund T., et al. Timepix3: a 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA/ToT and sparse readout / J. Instr. 2014. Vol. 9. No. 05. P. C05013. DOI: 10.1088/1748-0221/9/05/c05013

22. Smolyanskiy P., Burian P., Sitarz M., et al. Experimental determination of the charge carrier transport models for improving the simulation of the HR GaAs:Cr detectors’ response / Sensors. 2023. Vol. 23. P. 6886. DOI: 10.3390/s23156886

23. Redus R. H., Pantazis J. A., Pantazis T. J., et al. Characterization of CdTe detectors for quantitative X-ray spectroscopy / IEEE Trans. Nucl. Sci. 2009. Vol. 56. No. 4. P. 2524 – 2532. DOI: 10.1109/tns.2009.2024149