СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТА Российский патент 1994 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к радиационным методам изучения внутренней структуры объекта и может быть использовано в дефектоскопических, рентгеномикроскопических и рентгенографических исследованиях.

Радиационные методы исследования объектов различной природы интенсивно развиваются в последние годы для исследования как твердого тела, так и биологических объектов. Традиционно в этих методах используется "белое" излучение с непрерывным спектром. Полезную информацию составляют данные о поглощении излучения участками объекта с различной рентгеновской плотностью [1] .

Однако полихроматичность излучения создает определенные трудности в трактовке результатов, поскольку длинноволновая часть спектра, как правило, поглощается объектом и доля поглощенного излучения изменяется от объекта к объекту, что иногда трудно учесть. Поэтому для повышения чувствительности указанных методов одним из очевидных шагов является переход к монохроматическому излучению [2] или разработка компьютерных методов коррекции на жесткость излучения [3] . Тем не менее вопрос повышения контрастности рентгенографического изображения по-прежнему остается актуальным.

Известно, что метод рентгеновской плосковолновой топографии является весьма чувствительным к микронарушениям и слабым деформациям в почти совершенном монокристалле и эта чувствительность объясняется тем, что даже слабые искажения волнового поля на упомянутых нарушениях дают контраст при дифракции на кристалле псевдоплоской волны, расходимость которой гораздо меньше ширины кривой отражения, выбранного в кристалле [4, 5] . В этих исследованиях широко используются съемки топограмм на различных склонах кривой отражения и в различных угловых положениях в пределах кривой отражения, которые помогают определить природу дефектов, их кристаллографические параметры и геометрию расположения в кристалле. Однако описанный метод используется исключительно для исследования структуры в монокристаллических объектах высокого совершенства и не может быть использован на поликристаллических и биологических объектах.

Наиболее близким по решаемой задаче и способу реализации является способ получения теневых картин внутренней структуры объекта с помощью проникающего излучения [6] . Способ заключается в том, что для повышения контраста пучок, падающий на образец, коллимируют с помощью брэгговского отражения от совершенного кристалла-монохроматора, а пучок, прошедший через объект, коллимируют вторым кристаллом, находящимся в брэгговском отражении. При этом угол коллимации, задаваемый полушириной кривой отражения от упомянутых кристаллов, не должен превышать угла преломления используемого излучения на исследуемом объекте. Тогда лучи, отклонившиеся от первоначального направления на границе раздела двух сред с различной плотностью, выйдут за пределы кривой отражения второго кристалла и на детекторе в дифракционном пучке вдоль этих границ будет наблюдаться падение интенсивности. Одновременно пучки, не испытавшие преломления и не отклонившиеся от первоначального направления, заданного кристаллом-монохроматором, отразятся от второго кристалла, что и зарегистрирует детектор. Таким образом, в описанном способе формируется изображение внутренней структуры объекта. В этом способе оба кристалла устанавливаются в так называемой бездисперсионной схеме, т. е. так, чтобы индексы Миллера отражающих плоскостей в них совпадали по величине и были противоположны по знаку.

Для повышения чувствительности метода следует выбирать отражения с меньшей угловой шириной. На практике это означает выбор отражений с большими индексами Миллера, что связано, как известно, с заметной потерей интенсивности рентгенооптической схемы. Кроме того, освещение заметного участка образца требует сканирования объекта совместно с регистратором относительно пучка, что является достаточно трудной задачей, так как сканирование должно осуществляться с сохранением углового положения образца с точностью до долей угловой секунды. Кроме того, в способе, предложенном в [6] , для получения полезной информации используются только пучки, отразившиеся от второго кристалла под точным углом Брэгга.

Целью настоящего изобретения является повышения контраста и информативности изображений внутренней структуры исследуемого объекта, а также экспрессности и точности определения границ раздела сред с различными коэффициентами преломления проникающего излучения.

Цель достигается тем, что в известном способе формируют облучающий объект пучок с широким фронтом и расходимостью, меньшей ширины кривой выбранного отражения с помощью асимметричного отражения от кристалла-монохроматора первичного пучка и получают интерференционные изображения объекта путем расположения второго кристалла, играющего роль анализатора, в различных угловых положениях в пределах кривой отражения.

Если изображения исследуемого объекта зарегистрировать на обоих склонах кривой отражения при положениях кристалла-анализатора, соответствующих равным углам отклонения от точного брэгговского положения, с последующим их алгебраическим сложением, можно тем самым дополнительно подчеркнуть границы сред с различными коэффициентами преломления.

Этой же цели служит одновременная регистрация изображений в прошедшем и дифрагированном пучках последующим их алгебрагическим сложением.

Последовательная регистрация изображений объекта в точном брэгговском положении кристалла-анализатора и дополнительно в положении за пределом кривой отражения с последующим их алгебрагическим сложением позволяет сформировать изображение исключительно границ раздела сред в объекте, которые не затемнены дополнительным контрастом, обусловленным различием в коэффициентах поглощения рентгеновского излучения различными частями объекта.

Для того, чтобы сохранить качество изображения при работе с жестким излучением и малыми углами дифракции, детектор устанавливают вплотную к кристаллу-анализатору и таким образом регистрируют изображения в прошедшем и дифрагированном пучках наложенными.

На фиг. 1 представлена схема устройства, в котором реализуется описанный способ; на фиг. 2 - кривая отражения 220 излучения Мо анода в кристалле кремния, R( Θ); на фиг, 3 - снимки, иллюстрирующие возможности метода.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Устройство для осуществления способа получения изображения внутренней структуры объекта (фиг. 1) содержит источник проникающего излучения 1, щелевые устройства 2, 3 и 4, криталл-монохроматор 5 (возможно использование двух и более кристаллов-монохроматоров, выполняющих ту же функцию), кристалл-анализатор 6 и регистрирующее устройство 7, включающее средства для алгебраического сложения изображений.

Для того, чтобы падающая волна могла рассматриваться как псевдоплоская, коэффициент асимметрии отражающих плоскостей кристалла-монохроматора b должен составлять не менее 25, тогда расходимость падающей на исследуемый объект волны будет в 5 раз меньшей ширины кривой качания выбранного отражения. Это можно считать достаточным для того, чтобы рассматривать дифрацию в кристалле-анализаторе в терминах псевдоплоской волны [7] .

Поток проникающего излучения от источника, например, рентгеновской трубки с Мо анодом, коллимируется щелями 2 и 3 и отражается от системы плоскостей (hkl), например (220), кристалла-монохроматора 5. Кристалл-монохроматор выбран таким образом, чтобы коэффициент асимметрии был равен 25. Это будет означать, во-первых, что фронт сформированного щелями 2 и 3 пучка расширится в b раз и, во-вторых, что угловая расходимость упомянутого пучка будет в раз меньше ширины кривой отражения (hkl). Таким образом, сформированный кристаллом-монохроматором пучок может рассматриваться как псевдоплоская волна. Если система коллимирования и монохроматизации пучка содержит несколько кристаллов-монохроматоров, можно достичь лучшей коллимации пучка и большей ширины фронта. Например, в другом варианте пучок формируется двумя кристаллами-монохроматорами с коэффициентами асимметрии, равными 25 и 30 соответственно, а расходимость пучка, измеренная в специальных экспериментах, составляла 0,08'.

Исследуемый объект 8 помещают на пути пучка с псевдоплоским фронтом. Пучки, прошедшие через образец без рассеяния и испытавшие микрорассеяния на границах раздела двух или более сред с различными коэффициентами преломления рентгеновского излучения, распространяясь в кристалле-анализаторе 6, установленном в отражении (220), взаимодействуют между собой, создавая интерференционное изображение объекта. Результаты регистрируются детектирующим устройством 7. Анализ изображения проводится при различных стационарных угловых положениях кристалла-анализатора в пределах и за пределами кривой отражения, фиг. 2.

Кривая фиг. 2 представляет собой кривую отражения (220) от кристалла кремния, она получена в отсутствии исследуемого объекта вращением кристалла-анализатора 6 вблизи брэгговского положения при неподвижном кристалле 5 и является характеристикой собственно кристалла-анализатора. На фиг. 2 отмечены рабочие точки - угловые положения кристалла-анализатора, в которых регистрировались снимки, представленные на фиг. 3, б-д. Установка кристалла-анализатора в различные угловые положения на кривой отражения дает возможность наблюдать набор интерференционных изображений внутренней структуры объекта, соответствующих этому положению и содержащих дополнительную информацию об этой структуре.

Снимки, представленные на фиг. 3, иллюстрируют эти возможности метода, а именно на фиг. 3, а показано изображение среза кости, снятое в угловом положении кристалла-анализатора, выведенном за пределы кривой отражения. На фиг. 3, б и д приведены снимки, зарегистрированные в прошедшем пучке в угловых положениях рабочей точки кристалла анализатора на различных склонах кривой отражения при y= ±1, где y - величина углового отклонения кристалла-анализатора от точного брэгговского положения, отнесенная к полуширине кривой отражения. Содержащаяся в них информация дополняет снимок фиг. 3, в, полученный в точном брэгговском положении кристалла-анализатора. Также дополнительную к фиг. 3, в информацию содержит снимок фиг. 3, г, зарегистрированный в дифрагированном пучке в точном брэгговском положении.

Сущность изобретения: поток рентгеновского излучения от источника коллимируется щелями и отражается на системе кристаллографических плоскостей кристалла-монохромата. Для того, чтобы падающая на исследуемый объект волна могла рассматриваться как псевдоплоская, коэффициент асимметрии в отражающих плоскостях кристалла-монохромата должен быть не менее 25. В этом случае расходимость падающей на исследуемый объект волны будет в меньшей ширины кривой качания выбранного отражения, а фронт сформированного щелями пучка расширяется в b раз. Пучки, прошедшие через исследуемый объект без рассеяния и испытавшие микрорассеяние на границах раздела двух или более сред с различными коэффициентами преломления рентгеновского излучения, распространяясь в кристалле-анализаторе, установленном в положении отражения, взаимодействуют между собой, создавая интерференционное изображение объекта. Результат регистрируется детектирующим устройством. Анализ изображения проводится при различных стационарных угловых положениях кристалла-анализатора в пределах и за пределами кривой отражения. Алгебраическое сложение изображений, полученных при положениях кристалла-анализатора, соответствующих равным углам отклонения от точного брэгговского положения на обоих склонах кривой отражения, позволяет более четко выявить границы сред с различными коэффициентами преломления. Той же цели служит одновременная регистрация изображений в прошедшем и дифрагированном пучках с последующим их алгебраическим сложением. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТА, заключающийся в облучении объекта пучком рентгеновского излучения, формируемым кристаллом-монохроматором, выделении прошедшего через объект излучения вторым кристаллом и регистрации изображения с помощью детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения контраста и информативности получаемых изображений, формируют облучающий объект пучок с широким фронтом и расходимостью, меньшей ширины кривой выбранного отражения, с помощью асимметричного отражения от кристалла-монохроматора первичного пучка и получают интерференционные изображения объекта путем расположения второго кристалла, играющего роль анализатора, в различных угловых положениях в пределах кривой отражения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изображение регистрируют на обоих склонах кривой отражения при положении кристалла-анализатора, соответствующих равным углам отклонения от точного брэгговского положения, с последующим их алгебраическим сложением. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что изображение в прошедшем и диафрагмированном пучках регистрируют одновременно с последующим их алгебраическим сложением. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрируют изображение в точном брэгговском положении кристалла-анализатора и дополнительно в положении за пределом кривой отражения с последующим их алгебраическим сложением. 5. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что, с целью сохранения качества изображения при работе с жестким излучением и малыми углами дифракции, детектор устанавливают вплотную к кристаллу-анализатору.