УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКАМИ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G21K1/06 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для фокусировки и коллимации рентгеновских и γ--квантов.

Известно устройство для формирования сходящегося пучка рентгеновского или γ--излучения (авт. св. СССР N 1536448, кл. G 21 K 1/02, опубл. 15.05.90), содержащее конический фокусирующий коллиматор с множеством коллимационных каналов и расположенный со стороны его широкого основания преобразователь первичного пучка. Причем коллимационные каналы выполнены с переменной апертурой, увеличивающейся в направлении от центра коллиматора к его периферии.

Недостатком устройства является большие потери излучения на входе в коллиматор, так как площадь входных отверстий коллиматора на порядок меньше, чем площадь основания тела коллиматора. Кроме того коллиматор обеспечивает фокусировку только от источника, имеющего большую поверхность излучения, а также не позволяет получать квазипараллельный пучок излучения, что снижает область его применения.

Известно другое устройство для фокусировки рентгеновского излучения (авт. св. СССР N 1324072, кл. G 21 K 1/06, опубл. 15.07.87), содержащее основание и два автономных корпуса. В каждом корпусе установлено по две неподвижные цилиндрические опоры с расчетными диаметрами, зависящими от рентгенооптической схемы монохроматора и места опоры по оси пучка. На каждую пару опор с двух сторон симметрично опираются два зеркала, поджимаемые подвижными опорами, на которые воздействуют пластины, перемещение которых осуществляется нажимным винтом. Пластины подпружинены пружинками, а их боковое смещение ограничено направляющими.

Недостатком устройства является то, что оно может обеспечивать фокусировку фотонов только от источника, имеющего небольшую поверхность излучения и, таким образом, не позволяет получить рентгеновский пучок значительной светосилы. Кроме того, устройство не позволяет получить квазипараллельный микропучок фотонов, что снижает область его применения.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для управления пучками рентгеновского и γ--излучения (международная заявка N 92/08235, кл G 21 K 1/00, опубл. 14.05.92), включающее корпус, в котором установлены соосно два осесимметричных тела, разделенных зазоров, снабженных узлами крепления к корпусу и состоящих из капилляров-рентгеноводов, выполненных с переменным по длине диаметром и расположенных слоями, имеющими выпуклые и вогнутые участки.

Недостатком устройства является сложная технология его изготовления и значительные потери излучения в процессе прохождения через фокусирующую систему. Кроме того, устройство не позволяет изменять ширину выходного сконцентрированного микропучка фотонов, что снижает область его применения.

Задача изобретения создание такого устройства для управления пучками рентгеновского и γ-излучения, которое имело бы простую технологию изготовления и обеспечивало бы снижение потерь излучения при прохождении через фокусирующую систему, а также позволяло бы изменять ширину выходного сконцентрированного микропучка излучения для расширения области применения устройства.

Поставленная задача решается тем, что устройство, включающее цилиндрический корпус, в котором установлены соосно два осесимметричных тела, разделенных зазором, снабженных узлами крепления к корпусу и состоящих из капилляров-рентгеноводов, выполненных с переменным по длине диаметром и расположенных слоями, имеющими выпуклые или вогнутые участки, согласно изобретению, первое тело имеет бочкообразно выпуклые слои капилляров-рентгеноводов, а второе тело вогнутые слои капилляров-рентгеноводов, причем второе тело по сравнению с первым телом выполнено с меньшим числом капилляров.

Узел крепления второго тела к корпусу имеет механизм осевого перемещения этого тела относительно корпуса.

На выходом конце первого тела капилляры ориентированы в точку.

Углы наклона к оси устройства внешних слоев капилляров на выходом конце первого тела и на входном конце второго тела выполнены равными между собой.

Кроме того, устройство снабжено набором сменных вторых тел с вогнутыми слоями капилляров, имеющих разные диаметры входных и/или выходных концов.

Выполнение второго тела устройства с меньшим числом капилляров позволяет значительно упростить технологию изготовления устройства. Оба осесимметричных тела можно выполнять из разных материалов и подбирать более простые технологии их изготовления. Предлагаемая конструкция устройства позволяет выполнять первое тело, например, путем послойной укладки капилляров и их фиксации клеевой композицией, а второе тело путем температурного размягчения и вытяжки пакета стеклянных капилляров. Из экспериментальных данных известно, что с уменьшением количества и длины капилляров в пакете технология вытяжки значительно упрощается. Диаметр одного капилляра в процессе вытяжки в прототипе необходимо уменьшить в 100 и более раз, чтобы получить выходной конец фокусирующей системы шириной не более 1 мм, а предлагаемом устройстве - не более чем в 10 раз для получения выходного конца фокусирующей системы того же размера. Кроме того, выполнение тела составным позволяет при его изготовлении использовать капилляры с более тонкими стенками, что обеспечивает снижение потерь излучения на входе в капилляры тела. При прохождении фотонов через предлагаемое устройство один участок пути они проходят по капиллярам за счет полного внешнего отражения от поверхности стенок, а второй участок пути через слой воздуха в зазоре между выпуклой и вогнутой частями тела, что значительно снижает потери излучения по сравнению с прототипом, где фокусировка излучения производится только за счет полного многократного внешнего отражения фотонов от внутренней поверхности капилляров.

Набор сменных вторых тел с вогнутыми слоями капилляров позволяет расширить функциональные возможности устройства и область его применения, так как при этом обеспечивается изменение ширины выходного пучка излучения без замены основных частей устройства.

Механизм осевого перемещения вогнутой части тела повышает удобство пользования устройством, позволяет осуществить быструю его настройку.

Установка концов капилляров в одну точку на выходном конце первого тела, а также выполнение равными углы наклона внешних слоев капилляров к оси устройства на входном конце второго тела и на выходном конце первого тела обеспечивает снижение потерь излучения на входе во второе тело, так как основная часть фотонов при этом входит либо по траекториям параллельным оси капилляров, либо под углами близкими к углу полного внешнего отражения фотонов. Кроме того, второе тело может быть выполнено в виде одного капилляра с переменным по длине диаметром, входной конец которого установлен в фокусе рентгеновского пучка, выходящего из капилляров первого тела.

На чертеже изображена схема устройства для управления пучками рентгеновского и g-излучения.

Устройство для управления пучками рентгеновского и g-излучения включает цилиндрический корпус 1, в котором установлены два осесимметричных тела, собранных из концентрических слоев капилляров-рентгеноводов. Первое тело 2 выполнено с бочкообразно выпуклыми слоями капилляров 3, а другое тело 4 с вогнутыми слоями капилляров 5. Тело 2 и тело 4 снабжены узлами 6, 7 крепления к корпусу 1 и установлены соосно и с зазором (Н), образованным между выходным концом 8 тела 2 и входным концом 9 тела 4. Тело 4 выполнено с меньшим числом капилляров 5 по сравнению с числом капилляров 3 тела 2. Капилляры 5 тела 4 плотно упакованы и имеют переменный диаметр, уменьшающийся к выходному концу 10 этого тела. На входном 11 и выходном 8 концах тела 2 концы капилляров 3 ориентированы в точку (фокус). Угол a₁ наклона к оси устройства внешнего слоя капилляров 3 на выходном конце тела 2 выполнен равным углу α₂ наклона внешнего слоя капилляров 5 к оси устройства на входном конце тела 4. Кроме того, устройство снабжено набором сменных осесимметричных тел 4, имеющих разные диаметры входных 9 и выходных 10 концов. Узел 7 крепления тела 4 к корпусу 1 и механизм осевого перемещения этого тела 4 относительно корпуса 1 содержит кольцо 12, установленное в корпусе 1 соосно ему. В стенке корпуса 1 выполнено несколько равномерно расположенных по периметру сквозных продольных прорезей 13. Кольцо 12 снабжено радиально установленными винтами 14, головки 15 которых выведены через прорези 13 на наружную сторону корпуса 1, а концы винтов 14 пропущены через сквозные отверстия с резьбой в кольце 12 и имеют упруго-эластичные элементы 16, шарнирно к ним прикрепленные. Кроме того винты 14 снабжены гайками-фиксаторами 17, установленными между корпусом 1 и головками 15 винтов 14. Зазор (Н) между телом 2 и телом 4 может быть определен экспериментально или по формуле:

где D₁ диаметр выходного конца первого осесимметричного тела;
D₂ диаметр входного конца второго осесимметричного тела;
α угол схождения пучка фотонов в фокус на выходе из первого тела.

При правильной технологии изготовления устройства соблюдается следующее равенство углов: a₁=α₂=α/2
Тела 2 и 4 можно изготавливать из разных материалов, используя наиболее оптимальные технологии их сборки. Например, тело 2 можно собирать путем послойной укладки капилляров 3 и их фиксации клеевой композицией. Количество капилляров 3 с внешним диаметров 0,4 мм потребуется при этом до 2 6 тысяч штук. Тело 4 с меньшим (в 10 и более раз) количеством стеклянных капилляров 5 изготовляют, например, путем температурного воздействия на пакет капилляров до размягчения стекла с последующей вытяжкой пакета, при котором капилляры приобретают переменный по длине диаметр и послойно изгибаются, сужаясь к выходному концу. Выходной конец 10 тела 4 может иметь диаметр не более 1,0 мм.

Перед началом эксплуатации устройства подбирают тело 4 с требуемыми диаметрами входного 9 и выходного 10 концов и устанавливают в корпусе 1 при помощи узла 7 крепления. Перемещением кольца 12 в корпусе 1 производят юстировку устройства, устанавливая требуемый зазор (Н) между телом 2 и телом 4.

Устройство работает следующим образом.

Пучок рентгеновских или гамма квантов попадает в капилляры 3 и проходит по ним, испытывая многократные полные отражения на зеркальных внутренних стенках этих капилляров 3. На выходе из тела 2 устройства расходящийся пучок квантов преобразуется в сходящийся пучок, который проходя через воздушный зазор (Н) уменьшается в сечении (фокусируется) и поступает в капилляры 5 тела 4. В теле 4 пучок квантов также испытывает многократные полные отражения на зеркальных внутренних стенках капилляров 5 и на выходном конце 10 преобразуется в квазипараллельный микропучок квантов, который в дальнейшем может быть использован, например, в рентгеновской дифрактометрии для исследования материалов.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и известными аналогами упрощает технологию его изготовления за счет выполнения тела составным с разным количеством капилляров в телах 2, 4. По оценочным данным за счет обеспечения возможности уменьшения толщины стенок капилляров в 2 раза, потери фотонов на воде в капилляры снижаются с 25 (в прототипе) до 10 в предлагаемом устройстве. Составное тело устройства позволяет в 1,5 2 раза сократить длину прохождения квантов по капиллярам за счет обеспечения основного этапа фокусировки излучения в зазоре (Н) между осесимметричными телами устройства, что также снижает потери излучения.

Изобретение может быть применено в промышленной технологии, медицине и научных исследованиях, в частности, в дифрактометрах, томографах и т.п. для фокусировки и коллимации рентгеновских и γ-квантов.

Использование: для фокусировки и коллимации рентгеновских и гамма квантов в дифрактометрах, томографах или литографических установках. Сущность изобретения: устройство включает цилиндрический корпус, в котором установлено осесимметричное тело, выполненное составным, одна часть которого имеет бочкообразно выпуклые концентричные слои капилляров, а другая часть - вогнутые слои капилляров. На выходном конце выпуклой части тела концы капилляров ориентированы в точку, а капилляры вогнутой части тела имеют переменный диаметр по длине. Выпуклая и вогнутая части тела снабжены узлами крепления к корпусу и установлены в корпусе соосно и с зазором, образованным между входным концом вогнутой части тела и выходным концом выпуклой части тела, причем вогнутая часть тела выполнена с меньшим числом капилляров, чем выпуклая часть тела и имеет механизм осевого перемещения в корпусе. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для управления пучками рентгеновского и гамма-излучения, включающее цилиндрический корпус, в котором установлены соосно два осесимметричных тела, разделенные зазором, снабженные узлами крепления к корпусу и состоящие из капилляров-рентгеноводов, выполненных с переменным по длине диаметром каналов и расположенных слоями, причем первое тело имеет бочкообразно выпуклые слои капилляров, а второе тело вогнутые слои капилляров, отличающееся тем, что капилляры на выходном конце первого тела ориентированы в точку, а второе тело по сравнению с первым выполнено с меньшим числом капилляров. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено набором сменных вторых осесимметричных тел с вогнутыми слоями капилляров, имеющих разные диаметры входных и/или выходных концов. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел крепления второго тела к корпусу имеет механизм осевого перемещения этого тела относительно корпуса. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что углы наклона внешних слоев капилляров к оси устройства на входном конце второго тела и на выходном конце первого тела выполнены равными между собой.