УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЯРКОСТИ Российский патент 2003 года по МПК G21K1/02 G21K1/06 

Изобретение относится к средствам для получения рентгеновского излучения, в частности к средствам, предназначенным для использования при исследовании и испытании веществ, материалов или приборов.

Известно использование синхротронов или накопительных колец для получения рентгеновского излучения высокой яркости (см. Синхротронное излучение. Под ред. К.Кунца. Москва, издательство "Мир", 1981, с.80-89 [1]). При этом из весьма широкого спектра синхротронного излучения выделяется необходимая спектральная полоса в рентгеновском диапазоне. Однако источники синхротронного излучения, в том числе накопительные кольца, представляют собой сложнейшие капитальные сооружения, стоимость которых достигает сотен миллионов долларов. Так, накопительные кольца, спектр излучения которых включает рентгеновский диапазон, имеют диаметр не менее 50 м ([1], с.80).

Вместе с тем источники синхротронного излучения до недавнего времени являлись практически единственным видом источников, позволяющих получить достаточную для целей исследований и испытаний спектральную плотность узконаправленного рентгеновского излучения в требуемом рабочем диапазоне.

Ситуация изменилась с появлением рентгеновских капиллярных линз, использующих явление полного внешнего отражения (В.А. Аркадьев, А.И. Коломийцев, М.А. Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с.529-537 [2]), впоследствии получивших известность как линзы Кумахова (см. патент США 5175755, опубл. 29.12.92 [3] и др.). Благодаря фокусирующим свойствам линз Кумахова яркость сравнительно маломощного источника может быть существенно увеличена. Реализующее эту возможность известное устройство (патент США 5570408, опубл. 29.10.96 [4]) содержит источник расходящегося рентгеновского излучения и рентгеновскую линзу в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок. Последняя установлена и выполнена с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное. Согласно расчетам, приведенным в международной заявке PCT/RU 00/00324 (международная публикация WO 02/12871 от 14.02.2002) [5], с помощью такого устройства может быть достигнута яркость, сопоставимая с яркостью рентгеновского излучения на выходе синхротронного источника.

Известное устройство [4] наиболее близко к предлагаемому.

Использование в указанном известном устройстве источника расходящегося рентгеновского излучения предполагает совмещение его излучающей зоны (например, фокального пятна мишени рентгеновской трубки) с входным фокусом линзы. При этом возможности линзы по концентрации расходящегося рентгеновского излучения эффективно используются лишь в случае квазиточечного источника, когда размер его излучающей зоны сопоставим с размером входной фокусной области линзы в плоскости, нормальной к продольной оси линзы. Если же размер излучающей зоны превышает указанную величину, часть ее элементов не участвует в формировании выходного излучения устройства, так как излучение этих элементов не захватывается линзой. В известном устройстве не может быть обеспечено, в частности, удовлетворительное сопряжение с рентгеновской линзой источника, имеющего излучающую зону в виде штриха (источник с линейным фокусом).

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении яркости выходного излучения за счет более эффективного использования первичного излучения реального (не являющегося квазиточечным) используемого источника с излучающей зоной, имеющей конечные размеры, превышающие, в том числе значительно, размеры фокусной области рентгеновской линзы в плоскости, нормальной к продольной оси линзы.

Для этого предлагаемое устройство, как и названное выше наиболее близкое к нему [4] , содержит источник расходящегося рентгеновского излучения и рентгеновскую линзу, установленную и выполненную с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное.

В отличие от известного устройства, в предлагаемом устройстве излучающая зона используемого источника смещена относительно фокуса рентгеновской линзы таким образом, что эта зона находится в пределах телесного угла, образуемого продолжениями каналов рентгеновской линзы в сторону используемого источника. Этот телесный угол состоит из двух частей, симметричных относительно входной фокусной области рентгеновской линзы; часть, расположенную между фокусной областью и входным торцом рентгеновской линзы, обычно называют углом захвата.

Смещение из фокуса возможно в пределах любой из названный частей указанного телесного угла, т.е. как в сторону приближения к входному торцу линзы, так и в сторону удаления от него.

Оптимальным является такое взаимное расположение источника рентгеновского излучения и рентгеновской линзы, при котором излучающая зона источника полностью расположена в пределах указанного телесного угла и своими периферийными точками достигает границ этого угла.

В этом случае в формировании выходного излучения устройства участвуют все элементы излучающей зоны используемого источника и вместе с тем в работе рентгеновской линзы принимает участие максимальное количество ее каналов, включая периферийные, наиболее удаленные от продольной оси линзы.

В качестве источника расходящегося рентгеновского излучения может быть использована, например, рентгеновская трубка.

Последняя может иметь, в частности, линейный фокус. Ориентация линейного фокуса может быть как перпендикулярной, так и наклонной по отношению к продольной оси рентгеновской линзы.

Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, где
на фиг.1 и 2 приведены схематические изображения устройств с рентгеновскими линзами двух типов и рентгеновской трубкой при отсутствии смещения излучающей зоны рентгеновской трубки относительно входного фокуса линзы;
фиг. 3 и 4 иллюстрируют работу устройств с двумя типами рентгеновских линз при различных смещениях излучающей зоны рентгеновского источника относительно входного фокуса линзы;
фиг.5 и 7 иллюстрируют работу устройств с двумя типами рентгеновских линз при использовании рентгеновской трубки с линейным фокусом;
на фиг. 6 показана возможность управления формой поперечного сечения квазипараллельного выходного пучка при использовании рентгеновской трубки с линейным фокусом;
на фиг.8 и 9 показано использование рентгеновских линз двух типов в устройстве с наклонным положением линейного фокуса рентгеновской трубки относительно продольной оси линзы.

Рентгеновские линзы, используемые как в предлагаемом устройстве, так и в наиболее близком к нему известном устройстве, - линза 1 для фокусирования расходящегося рентгеновского излучения, создаваемого источником 2 и линза 3 для преобразования указанного излучения в квазипараллельное, показаны соответственно на фиг.1 и 2. Обе линзы содержат множество каналов 4 транспортировки рентгеновского излучения с использованием явления многократного полного внешнего отражения. Линза 1 в целом имеет форму бочки, т.е. сужается к обоим торцам - входному (приемному) 5 и выходному 6. Линза 3 имеет форму полубочки и сужается только к входному торцу 5. Поток излучения из выходного торца 6 линзы 1 сходится в окрестности точки 7 пересечения продолжений осевых линий каналов 4 - выходного фокуса линзы. Поток 8 излучения из выходного торца 9 линзы 3 квазипараллелен. Осевые линии продолжений каналов 4 обеих линз 1 и 3, выходящих из их входных торцов 5 в сторону источника 2 рентгеновского излучения, сходятся в точке 10 - входном фокусе линзы. Фокусы 7, 10 расположены на продольной оси 11 линз 1, 3.

Для обозначения рентгеновских линз двух названных типов получили распространение соответственно термины "полная линза" и "полулинза". Соответствующая терминология используется и ниже при описании предлагаемого устройства; в тех случаях, когда не имеется в виду какой-либо конкретный из двух названных типов, используются термины "линза" или "рентгеновская линза".

Рентгеновские линзы получают по технологии изготовления монолитных линз, в которых (как условно показано на фиг.1 и 2) стенки соседних каналов 4 транспортировки излучения контактируют друг с другом по всей длине, а сами каналы имеют переменное по длине поперечное сечение, изменяющееся по тому же закону, что и полное поперечное сечение линзы (V.M. Andreevsky, M. V. Gubarev, P. I. Zhidkin, M. A. Kumakhov, A.V. Noskin, I. Yu. Ponomarev, Kh. Z. Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp. 177-178) [6]. Прогрессивным направлением в технологии изготовления монолитных линз является технология так называемых интегральных линз, обеспечивающая получение линз с каналами, диаметр которых и соответственно размер фокусной области в поперечном направлении может составлять доли микрона (международная заявка PCT/RU 00/00206, международная публикация WO 01/29845 от 26.04.2001 [7]; патент США 6271534, опубл. 07.08.2001 [8]). Поэтому использование в известном устройстве [4] линз последних поколений эффективно только в сочетании с микрофокусными источниками. При больших размерах излучающей зоны источника 2 (такая зона 12 показана на фиг.1 и 2) линза, фокус 10 которой не смещен относительно излучающей зоны, захватывает излучение только части элементов этой зоны, находящихся в пределах фокусной области линзы. Размер этой области в поперечном направлении, как уже отмечалось, имеет порядок поперечного размера d каналов линзы (более точной является оценка d+2fθ_cr, где θ_cr - критический угол полного внешнего отражения, зависящий от энергии используемого излучения и материала стенок каналов транспортировки излучения; f - фокусное расстояние линзы со стороны входа - расстояние между фокусом 10 и входным торцом 5 (см. фиг.1 и 2). Для излучения элементов излучающей зоны, находящихся вне фокусной области, не выполняется условие полного внешнего отражения, и это излучение, попав на входы каналов 4 транспортировки излучения, не распространяется по ним.

В предлагаемом устройстве могут быть использованы и неострофокусные рентгеновские трубки, а также лазерные и плазменные рентгеновские источники расходящегося рентгеновского излучения. При этом, несмотря на конечные размеры излучающей зоны источника, полной линзой, как и в случае квазиточечного источника, формируется сходящийся в точку рентгеновский пучок, а полулинзой - квазипараллельный рентгеновский пучок. В последнем случае формируемый пучок в поперечном сечении повторяет форму проекции излучающей зоны рентгеновского источника на плоскость, перпендикулярную продольной оси полулинзы.

Сказанное иллюстрируется фиг.3 для полной линзы 1 и фиг.4, 5 - для полулинзы 3. На этих и последующих чертежах полная линза 1 и полулинза 3 изображены схематически с заменой криволинейных образующих бочкообразных поверхностей ломаными линиями; при этом левые и правые части полной линзы 1 выделены разной штриховкой.

На фиг. 3 показаны два положения 12.1 и 12.2 излучающей зоны источника расходящегося рентгеновского излучения. В показанных на фиг.3 случаях излучающая зона имеет форму круга. В положении 12.1 излучающая зона смещена относительно фокуса 10 полной линзы 1 по продольной оси 11 в направлении удаления от входного торца 5. В положении 12.2 смещение имеет противоположный характер - в направлении приближения к входному торцу 5. В обоих случаях излучающая зона вписана в телесный угол 13, образуемый продолжениями каналов полной линзы 1 в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения. Поэтому в обоих показанных на фиг.3 случаях в полной линзе 1 используются все каналы транспортировки излучения. Излучение, выходящее из выходного торца 6 полной линзы, при обоих (12.1 и 12.2) положениях излучающей зоны источника фокусируется в точке 7 - как если бы источник излучения был точечным и находился в фокусе 10. В перпендикулярной продольной оси 11 плоскости 14, расположенной правее выходного фокуса 7, может быть получено рентгеновское изображение 15 излучающей зоны источника, имеющее размер, зависящий от удаления плоскости 14 от фокуса 7.

На фиг.4 показано преобразование расходящегося излучения рентгеновского источника, осуществляемое полулинзой 3, при таких же, как на фиг.3, положениях 12.1 и 12.2 излучающей зоны источника. Как и на фиг.3, излучающая зона в обоих положениях (12.1 и 12.2) вписана в телесный угол 13, образуемый продолжениями каналов полулинзы 3 в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения. Поэтому в полулинзе 3 в обоих показанных на фиг.4 случаях используются все каналы транспортировки излучения. Поток 8 излучения, выходящего из полулинзы 3, является квазипараллельным - таким же, каким он был бы в случае точечного источника, расположенного в фокусе 10.

Возможность захвата линзой излучения, исходящего из всей излучающей зоны источника, при использовании полной линзы обеспечивает наибольшую яркость в выходном фокусе, а при использовании полулинзы - наибольшую плотность энергии в формируемом квазипараллельном пучке.

Как отмечалось выше, при использовании полулинзы можно получить пучок, который в поперечном сечении повторяет форму проекции излучающей зоны рентгеновского источника на плоскость, перпендикулярную продольной оси полулинзы. Фиг.5 иллюстрирует реализацию этой возможности в случае, когда используемый источник расходящегося рентгеновского излучения имеет излучающую зону прямоугольной формы (так называемый линейный фокус). Один и тот же по форме выходной пучок 13 может быть получен при двух положениях 17.1, 17.2 излучающей зоны источника, симметричных относительно фокуса 10 полулинзы 3.

Возможность получения квазипараллельного пучка прямоугольной формы (в том числе, в виде штриха - сильно вытянутого прямоугольника) без энергетических потерь, присущих коллимационному методу формирования такого пучка, делает весьма перспективным применение предлагаемого устройства в дифрактометрических исследованиях.

Изменяя смещение излучающей зоны 18 источника, например фокусного пятна рентгеновской трубки, относительно фокуса 10 полулинзы, можно управлять геометрическими параметрами выходного параллельного пучка (позиции 19-21 на фиг. 6), включая в процесс или выключая из процесса формирования выходного пучка часть каналов полулинзы 3. При приближении излучающей зоны 18 к фокусу 10 полулинзы 3 наступает момент, когда излучение от некоторых периферийных элементов излучающей зоны не может быть захвачено полулинзой. При этом форма выходного пучка уже не соответствует форме излучающей зоны. Начиная с момента, когда излучение способны захватывать все каналы полулинзы, форма пучка перестает изменяться и соответствует форме поперечного сечения полулинзы (позиция 22 на фиг.6).

Для того, чтобы возбудить на исследуемом образце область прямоугольной формы сходящимся или расходящимся рентгеновским пучком, можно использовать полную линзу 1 в сочетании с источником, имеющим линейный фокус. Если излучающая зона такого источника занимает положения 23.1 или 23.2 (фиг.7), то полная линза 1 в плоскостях, перпендикулярных продольной оси 11, формирует рентгеновские изображения этой зоны. На фиг.7 показано такое изображение 24, сформированное расходящимися лучами в плоскости 14, расположенной за выходным фокусом 7. Если бы эта плоскость была расположена между выходным торцом 6 полной линзы и ее выходным фокусом 7, то указанное изображение было бы сформировано сходящимися лучами. Прямоугольниками 25, 26 на фиг.7 показана используемая часть каналов полной линзы 1 при излучающей зоне источника, имеющей прямоугольную форму.

Проиллюстрированная приведенными выше примерами эквивалентность расположения зоны излучения источника по разные стороны от входного фокуса линзы позволяет реализовать устройство при наличии конструктивных ограничений на приближение линзы к конструктивных ограничений на приближение линзы к источнику (такие ограничения имеют место, в частности, в случае использования короткофокусной линзы и источника с боковым выводом излучения). Для этого достаточно использовать расположение, соответствующее вариантам 12.1 (фиг.3, 4), 17.1 (фиг.5), 23.1 (фиг.7), т.е. смещать источник из фокуса линзы в направлении удаления от ее входного торца и использовать слабо сфокусированный источник.

Для наиболее полного использования энергии неточечного источника, зона излучения которого имеет разную протяженность в двух ортогональных направлениях (в частности, в случае линейного фокуса) можно прибегнуть также к наклонному расположению указанной зоны относительно продольной оси 11 линзы (фиг. 8). Излучение всех элементов зоны 27 захватывается полной линзой 1 и концентрируется в ее выходном фокусе 7.

Фиг. 9 иллюстрирует аналогичную ситуацию применительно к полулинзе 3. На этом чертеже показаны два варианта расположения излучающей зоны источника - перпендикулярно (28) и наклонно (29) к продольной оси 11 полулинзы 3.

При одинаковых удельных яркостях излучающих зон 28 и 29 интенсивность выходного квазипараллельного пучка в случае наклонной зоны 29 будет выше.

Если форма каждой из зон 28, 29 является соответствующим коническим сечением поверхности, ограничивающей телесный угол 13, то для транспортировки излучения будут использованы все каналы полулинзы 3. Поэтому выходящий из нее пучок 8 по форме не будет отличаться от того, который имеет место при точечном источнике, размещенном во входном фокусе 10.

Предлагаемое устройство, представленное описанными вариантами его выполнения и использования, позволяет простыми средствами обеспечить приемлемую яркость излучения при проведении исследований с использованием недорогих маломощных источников.

Источники информации
1. Синхротронное излучение. Под ред. К. Кунца. Москва, издательство "Мир", 1981.

2. В.А. Аркадьев, А.И. Коломийцев, М.А. Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с.529-537.

3. Патент США 5175755 (опубл. 29.12.92).

4. Патент США 5570408 (опубл. 29.10.96).

5. Международная заявка PCT/RU 00/00324 (международная публикация WO 02/12871 от 14.02.2002).

6. V.M. Andreevsky, M.V. Gubarev, P.I Zhidkin, M.A. Kumakhov, A.V. Noskin, I. Yu. Ponomarev, Kh. Z. Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp.177-178).

7. Международная заявка PCT/RU 00/00206 (международная публикация WO 01/29845 от 26.04.2001).

8. Патент США 6271534 (опубл. 07.08.2001).

Изобретение относится к средствам для получения рентгеновского излучения, в частности к средствам, предназначенным для использования при исследовании веществ, материалов или приборов. Устройство содержит источник расходящегося рентгеновского излучения и рентгеновскую линзу 1. Последняя установлена и выполнена с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и преобразования его в сфокусированное или квазипараллельное. Излучающая зона источника расходящегося рентгеновского излучения смещена относительно входного фокуса 10 рентгеновской линзы таким образом, что эта зона находится в пределах телесного угла 13. Телесный угол 13 образуется продолжениями каналов рентгеновской линзы в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения. Технический результат: повышение яркости выходного излучения за счет более эффективного использования первичного излучения реального используемого источника с излучающей зоной, имеющей конечные размеры, превышающие размеры фокусной области рентгеновской линзы в плоскости, нормальной к продольной оси линзы. 8 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для получения рентгеновского излучения повышенной яркости, содержащее источник расходящегося рентгеновского излучения и рентгеновскую линзу, установленную и выполненную с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное, отличающееся тем, что излучающая зона источника расходящегося рентгеновского излучения смещена относительно входного фокуса рентгеновской линзы таким образом, что эта зона находится в пределах телесного угла, образуемого продолжениями каналов рентгеновской линзы в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что излучающая зона источника расходящегося рентгеновского излучения смещена относительно входного фокуса рентгеновской линзы в сторону приближения к входному торцу рентгеновской линзы. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что излучающая зона источника расходящегося рентгеновского излучения смещена относительно входного фокуса рентгеновской линзы в сторону удаления от входного торца рентгеновской линзы. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что излучающая зона источника расходящегося рентгеновского излучения полностью расположена в пределах телесного угла, образуемого продолжениями каналов рентгеновской линзы в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения, и своими периферийными точками достигает границ этого угла. 5. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что источником расходящегося рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что рентгеновская трубка имеет линейный фокус. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что линейный фокус рентгеновской трубки ориентирован наклонно по отношению к продольной оси рентгеновской линзы. 8. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что источником расходящегося рентгеновского излучения является лазерный источник. 9. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что источником расходящегося рентгеновского излучения является плазменный источник.