СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ, ЭМИТИРУЮЩИХ ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2003 года по МПК H01J37/285 H01J31/50 

Изобретение относится к области электронных приборов, в частности к эмиссионным видеоустройствам, и раскрывает способ визуализации изображений исследуемых объектов.

Известен способ визуализации изображений распределения активности β-радиоактивных поверхностей [1] , эмитирующих электроны, в котором исследуемую поверхность покрывают фосфоресцирующим веществом и затем регистрируют электромагнитное излучение, возникающее в результате взаимодействия эмитируемых электронов с фосфоресцирующим веществом. Способ реализуют фотографическим устройством, которое содержит оптическую систему для регистрации электромагнитного излучения, подставку для исследуемого объекта и систему транспортировки подобного изображения от исследуемого объекта к устройству регистрации. Система транспортировки представляет слой фосфоресцирующего вещества. Точность получения изображений посредством этого фотографического устройства невысокая из-за малого телесного угла регистрации, поступающего из люминофора излучения, и невозможности регистрации электронов малых энергий (ниже порога регистрации), которые могут составлять основную компоненту эмитируемого потока.

Недостатки вышеуказанного способа заключаются в следующем. В результате нанесения на исследуемый образец фосфоресцирующего вещества могут измениться физические и химические свойства образца, а следовательно, затрудняется дальнейшее их использование в работе или повторных исследований, а также усложняется применение способа в закрытых вакуумных объемах, где для последующей эксплуатации присутствие фосфоресцирующих веществ не допустимо. Кроме того, неоднородность толщины наносимого слоя вносит дополнительную погрешность в распределение плотности эмиссии поверхности. В способе также исключается возможность энергетического анализа β-спектра, а следовательно, учета вклада излучения от различных изотопов и их идентификация.

Эти недостатки устранены в другом известном способе визуализации изображений, эмитирующих заряженные частицы, в убывающем магнитном поле [2]. Этот способ выбран в качестве прототипа для объекта, предлагаемого нами изобретения на "способ". В данном известном способе ограничивают поперечное смещение частиц путем создания магнитного поля вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к устройству регистрации, при этом магнитное поле формируют убывающим от места размещения объекта в направлении к устройству регистрации (экрана) с соблюдением условия адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в магнитном поле.

Этот способ реализуют с помощью магнитного эмиссионного микроскопа, который содержит полую многовитковую катушку для создания магнитного поля, элемент для крепления исследуемого объекта и экран, на котором регистрируют изображение. Катушка выполнена с убывающим количеством ампер-витков в соответствии с расчетной закономерностью, обеспечивающей создание траекторий магнитных силовых линий в виде расходящихся относительно оси прямых, полость внутри катушки имеет конусообразную форму и в ней установлена вакуумная камера в виде усеченного конуса, элемент для крепления исследуемого объекта расположен у основания камеры, имеющего меньшее сечение, а экран установлен у основания камеры с большим сечением.

Способ-прототип позволяет повысить разрешающую способность и получить увеличение изображения распределения источников эмиссии в поверхностном слое исследуемых образцов, но при этом накладываются ограничения на площадь исследуемой поверхности, определяемые кратностью увеличения микроскопа.

Техническим результатом предложенного способа является получение изображений больших площадей исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы. Для достижения указанного технического результата предложено усовершенствовать известный способ визуализации на экране изображений исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы, при котором ограничивают поперечное смещение частиц путем создания магнитного поля, равномерно изменяющегося вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к устройству регистрации при выполнении условия адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в магнитном поле.

Усовершенствование заключается в осуществлении формирования магнитного поля равномерно возрастающим в сторону размещения устройства регистрации в виде сходящихся магнитных силовых линий. Для реализации этого способа предложено новое устройство, прототипом которого является фотографическое устройство, описанное в источнике информации [1]. Это устройство содержит систему транспортировки подобного изображения от исследуемого объекта к устройству регистрации, подставку для исследуемого объекта и устройство регистрации.

Техническим результатом предложенного устройства для реализации способа является повышение точности и разрешающей способности получения изображений больших площадей исследуемых объектов с сохранением свойств исследуемых объектов. Для реализации этого технического результата предложено систему транспортировки выполнить в виде фокусирующей магнитной системы со сходящимися к устройству регистрации силовыми линиями магнитного поля, устройство регистрации поместить в камере, полость которой вмещает рабочую область магнитного поля. Система транспортировки может быть выполнена в виде многовитковой осесимметричной катушки, установленной соосно с камерой, с ее внешней стороны, и имеющей возрастающее в сторону размещения устройства регистрации количество ампер-витков. В других вариантах система транспортировки выполнена в виде соленоида или стержня с остаточной намагниченностью, расположенных со стороны устройства регистрации и так, что торец обращен к устройству регистрации. Камера может быть выполнена вакуумированной и в ней со стороны размещения большого основания рабочей области магнитного поля установлена подставка для исследуемого объекта.

Существо предложенного изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства с магнитной системой транспортировки, выполненной в виде катушки, а на фиг.2 показано то же устройство с системой транспортировки, выполненной в виде соленоида или стержня.

Устройство, реализующее способ визуализации изображений исследуемых объектов, содержит разборную вакуумную камеру 1, размещенную осесимметрично с фокусирующей магнитной системой 2, регистрирующее устройство с экраном 3 и подставку 4 для крепления исследуемого объекта 5. Магнитная система 2 является системой транспортировки подобного изображения от исследуемого объекта к экрану 3 регистрирующего устройства. Магнитная система 2 представляет собой многовитковую секционированную осесимметричную катушку. Катушка размещена в жестком каркасе 7 и имеет число ампер-витков, возрастающее в направлении размещения экрана 3 таким образом, чтобы обеспечить прямыми сходящиеся магнитные силовые линии в направлении от объекта 5 к экрану 3. Количество витков определяется расчетным путем в соответствии с известными закономерностями. Изменение поперечного сечения магнитного потока задается градиентом числа ампер-витков, определяющим угол схождения конуса потока магнитного поля, и изменением расстояния между объектом и экраном. Вакуумная камера 1 представляет собой разборный герметичный сосуд, полностью включающий в себя рабочую область 6 магнитного поля со сходящимися к устройству регистрации силовыми линиями в виде конуса. Подставка 4 для крепления объекта 5 размещена у большего основания 8 конуса, а регистрирующий экран 3 - у меньшего основания 12. Камера 1 расположена осесимметрично относительно катушки фокусирующей магнитной системы 2. Степень вакуумирования камеры 1 задается условием бесстолкновительного прохождения эмитируемых частиц от объекта 5 к экрану 3.

В качестве простейшего экрана регистрирующего устройства может быть использована фотопластинка. Экран может быть выполнен в виде расчетного слоя люминофора 9, нанесенного на собирающую оптическую систему, и ПЗС-матрицы 11 с выходом на ЭВМ или в виде блока ЭОП: комплект МКП-пластины и люминофора, далее оптическая система и ПЗС-матрица с выходом на ЭВМ или фотопластинка, фотоапарат, телекамера или другие известные технические решения регистрации оптических изображений.

Наиболее простым вариантом фокусирующей магнитной системы является обычный соленоид или стержень с остаточной намагниченностью (на основе материалов Со, Fe-Nd-B), расположенные с внешней (тыльной) стороны экрана (фиг. 2) и создающие на торце магнитный поток с расходящимися (с допустимой погрешностью) практически прямыми магнитными силовыми линиями с расчетной закономерностью спада магнитного поля:
В=B₀{(L+a)[r²+(L+a)²]^-1/2-L[r²+L²]^-1/2},
где В₀ - индукция магнитного поля на оси торца магнитной системы (Тл);
r - радиус бесконечно тонких витков с током или стержня (2r=d);
L - расстояние вдоль продольной оси устройства между торцом соленоида (стержня) и исследуемым объектом;
а - длина соленоида.

Устройство может быть снабжено ускоряющей электростатической системой 10, предназначенной для увеличения продольной скорости частиц, имеющих недостаточные для эффективной регистрации начальные скорости. Система 10 выполнена в виде сетки, соединенной с источником напряжения. Электростатическая система не является обязательной при достаточных для регистрации потоках эмитируемых частиц из эмиттера.

Способ визуализации изображений объектов, эмитирующих заряженные частицы, реализуют следующим образом. Предварительно в камере (рабочей области между эмиттером и экраном) создают благоприятные вакуумные условия от 10⁵ до 10^-5 Па в зависимости от энергетического спектра эмитируемых частиц и требований по разрешению, а также условий эксплуатации системы регистрации. Затем подают ток в катушку магнитной системы 2 для создания заданных значений магнитного поля или поле заранее уже создано в случае использования стержня с остаточной намагниченностью. Далее на экране регистрируют заряженные частицы, движущиеся от эмиттера к экрану в созданном возрастающем в направлении размещения экрана 3 магнитном поле, например от 0,0001 до 10 Тл, при соблюдении адиабатической инвариантности движения заряженных частиц, задаваемой условием: смещение частицы вдоль магнитного поля за один оборот должно быть меньше ларморовского радиуса движения частицы в магнитном поле, т.е. выполняется условие [4]:

где v_⊥1 - поперечная скорость частиц в области размещения объекта;
v_⊥2 - поперечная магнитному полю скорость частиц в области экрана;
В₁ - величина магнитного поля в области размещения объекта;
В₂ - величина магнитного поля в области размещения экрана.

Или в общем виде условие имеет вид:
|(r_л/B)|▿B|≪1,
где r_л - ларморовский радиус заряженных частиц в магнитном поле В.

Следствием этого условия является следующее соотношение между ларморовскими радиусами частиц в области экрана (r₂) и в области объекта (r₁):
r₂=r₁(B₁/B)₂ ^1/2, (*)
где r₁ - ларморовский радиус вращения частиц в области размещения объекта;
r₂ - ларморовский радиус вращения частиц в области экрана.

Вторым соотношением, связывающим значения магнитного поля и геометрические размеры в области экрана и в области исследуемого объекта, является условие сохранения потока магнитного поля:
B₁•S₁=B₂•S₂,
где S₁ - площадь поперечного сечения, пронизываемого силовыми линиями магнитного поля в области размещения объекта;
S₂ - площадь поперечного сечения, пронизываемого силовыми линиями магнитного поля в области размещения экрана.

Это условие дает соотношение между линейными размерами b₁, b₂ в областях размещения эмиттера и экрана, т.е. между
b₂=b₁(B₁/B₂)^1/2. (**)
Сравнение формул (*) и (**) указывает на то, что если ларморовские окружности вращения частиц в области слабого магнитного поля не пересекаются, то они не пересекаются и в области, где магнитное поле велико и где соответствующие ларморовские радиусы меньше в (B₂/B₁)^0,5 раз. При этом все элементы объекта оказываются уменьшенными на экране в (В₂/В₁)^0,5 раз в соответствии с формулой (**). В результате, например, при В₁=0,001 Tл и В₂=10 Тл при начальном поперечном линейном размере объекта ~0,5 м получается изображение размером ~10 мм и соответственно уменьшение в ~100 раз. Разрешение на экране определяется ларморовским радиусом частиц максимального магнитного поля r_л2 = mv_⊥0/eB₂. Данный результат достигается благодаря эффекту магнитного зеркала [4], в результате которого экрана могут достичь только частицы, входящие в так называемый конус потерь: sinϕ≤(B₁/B₂)^0,5. Выбывание из эмиссионного потока частиц с v_⊥0>v₀•sinϕ приводит к тому, что на экране регистрируются только частицы с ларморовскими радиусами, меньшими в (B₂/B₁)^0,5 раз по сравнению с формулой (*), то есть r_л2≤mv_⊥0/eB₂.
Создание магнитного поля, равномерно возрастающего вдоль продольной оси системы от эмиттера 5 к экрану 3, позволяет существенно уменьшать линейный размер изображения (до 10² и более раз) при сохранении плотности тока частиц в потоке. В результате сокращения линейных размеров изображения существенно расширяется область применения, например проведение обследования больших поверхностей объектов. Предлагаемый способ позволяет существенно упростить задачу контролируемого поиска, например, β- и α-радионуклидов ³H, ¹⁴С, ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu и др. в замкнутых объемах и других объектах. Габариты устройства составляют порядка нескольких сантиметров для обследования небольших участков поверхностей (~ 10 см²) и максимум 0,5 м для обследования больших площадей (>100 см²).

Источники информации
1. С. А. Gentile et. al. A Visual Detection System for Determining Tritium Surfase Deposition Emploing Phosphor Coated Materials. Prepared for the U.S. Departament of Energy, PPPL-3371, October, 99.

2. Патент России 2101800 от 21.06.1996, Н 01 J 37/285, 31/50.

3. З. Лейзеганг. Электронная микроскопия. M., 1960.

4. Л. А. Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. М.: Физматгиз, 1961.

Изобретение относится к области электронных приборов, в частности к эмиссионным видеоустройствам. Техническим результатом является получение изображений больших площадей исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы. В способе визуализации на регистрирующем устройстве изображений исследуемых объектов, эмитирующих заряженные частицы, ограничивают их поперечное смещение путем создания магнитного поля в рабочей области движения частиц от объекта к регистрирующему устройству. Магнитное поле формируют равномерно возрастающим в рабочей области от исследуемого объекта в направлении к регистрирующему устройству. Устройство содержит полую многовитковую катушку для создания плавно возрастающего магнитного поля в рабочей области, элемент для крепления исследуемого объекта или узел крепления устройства перед исследуемой поверхностью объекта и регистрирующее устройство. Катушка выполнена с возрастающим количеством ампер-витков в направлении от объекта к регистрирующему устройству. Магнитная система может быть выполнена либо в виде соленоида, либо в виде стержня с остаточной намагниченностью. Данные магнитные системы транспортировки обеспечивают структуру возрастающего магнитного поля в рабочей области в виде сходящихся относительно продольной оси устройства силовых линий малой кривизны. Рабочая область между исследуемым объектом и регистрирующим устройством имеет форму усеченного конуса, где исследуемый объект с элементом крепления расположены у основания конуса с большим сечением, а регистрирующее устройство установлено у основания конуса с меньшим сечением. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ визуализации изображений объектов, эмитирующих заряженные частицы, при котором ограничивают поперечное смещение частиц путем создания магнитного поля, равномерно изменяющегося вдоль пути продвижения частиц от исследуемого объекта к устройству регистрации при выполнении условия адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в магнитном поле, отличающийся тем, что магнитное поле формируют возрастающим в сторону размещения устройства регистрации в виде сходящихся магнитных силовых линий. 2. Устройство для реализации способа, содержащее систему транспортировки и подобного изображения от исследуемого объекта к устройству регистрации, отличающееся тем, что система транспортировки выполнена в виде фокусирующей магнитной системы со сходящимися к устройству регистрации силовыми линиями магнитного поля, при этом устройство регистрации размещено в камере. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система транспортировки выполнена в виде многовитковой осесимметричной катушки, установленной соосно с камерой, с ее внешней стороны, и имеющей равномерно возрастающее в сторону размещения устройства регистрации количество ампер-витков. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система транспортировки выполнена в виде соленоида, обращенного торцем к устройству регистрации. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система транспортировки выполнена в виде стержня с остаточной намагниченностью, обращенного торцом к устройству регистрации. 6. Устройство по любому из пп. 2-5, отличающееся тем, что камера выполнена вакуумированной.