КОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК G01N23/20 

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано в различных аналитических устройствах для измерения пространственного распределения интенсивности излучения и создания калибровочных пучков.

Известно коллимационное устройство в виде щелевой диафрагмы, содержащее два поглощающих экрана (А.А.Русаков. Рентгенография металлов. М., Атомиздат, 1977, с.359 [1]). Основной недостаток этого устройства - фиксированная величина зазора между поглощающими экранами и рассеяние излучения на краях экранов.

Известно также коллимационное устройство, содержащее поглощающий экран и оптически полированные блоки, смещенные один относительно другого по ходу рентгеновского пучка (Д.И.Свергун, Л.А.Фейгин. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. М., Наука, 1986, с.215 [2]). Недостаток такого устройства - сложность юстировки элементов, формирующих пучок, и невозможность получения тонких зондов вследствие значительного пространственного разнесения оптически полированных блоков.

Кроме того, известно коллимационное устройство, содержащее оптически полированный клин и поглощающий экран, для которого предусмотрена возможность перемещения относительно ребра клина нормально к поверхности его преломляющей грани. (А.Г.Турьянский, И.В.Пиршин. Метод получения сверхтонких рентгеновских пучков. Приборы и техника эксперимента, 2000, №5, с.90-96 [3]).

Это устройство тоже имеет ряд недостатков. Так как регулировка зазора между преломляющей гранью клина и поглощающим экраном осуществляется путем его перемещения нормально к поверхности преломляющей грани клина, то при расстояниях порядка 1 мкм перемещения поглощающего экрана могут привести к повреждению преломляющей поверхности клина. При указанной ширине величине зазора и его длине порядка 1 см для юстировки устройства необходимы сложные средства для линейных перемещений и контроля величины зазора. Поэтому щелевые зазоры менее 1 мкм практически не используются, вследствие чего соответственно ограничена степень коллимации. Кроме того, в этом устройстве всегда происходит угловое расщепление прошедшего излучения на прямое и зеркально отраженное, что приводит к неоднозначности измерений параметров образцов.

Коллимационное устройство, известное из [3], наиболее близко к предлагаемому.

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении степени коллимации пучка и упрощении юстировки устройства, а также в обеспечении возможности управления прохождением излучения.

Устройство по предлагаемому изобретению обеспечивает получение и других технических результатов, указанных ниже при рассмотрении частных случаев его выполнения и описании работы.

Предлагаемое коллимационное устройство, как и наиболее близкое к нему, известное из [3], содержит оптически полированный клин и поглощающий экран, выполненный с возможностью перемещения относительно ребра клина.

Для достижения названного технического результата предлагаемое коллимационное устройство, в отличие от указанного известного, дополнительно содержит две оптически полированные направляющие, установленные с возможностью перемещения перпендикулярно ребру клина вдоль его преломляющей грани. При этом поглощающий экран выполнен в виде перемычки между указанными направляющими, а в рабочей полосе спектра μ _э≥_{10 μ к, где μ э и μ к - соответственно линейные коэффициенты ослабления излучения в материале экрана и клина.}

Благодаря описанному выполнению предлагаемого устройства относительное перемещение поглощающего экрана осуществляется вдоль оптически полированной грани клина под малым углом к оси падающего первичного пучка. Это позволяет резко снизить требования к точности позиционирования подвижных элементов коллимационного устройства и исключить вероятность повреждения преломляющей поверхности клина. Кроме того, становится возможным частичное наложение краев поглощающего экрана и клина. При этом зазор между указанными элементами закрывается, и через материал клина пропускается только преломленное излучение.

Преломляющая грань клина может быть покрыта пленкой, декремент показателя преломления которой в рабочей полосе спектра отличается, по меньшей мере, на 20% от аналогичного параметра материала клина. Это позволяет увеличить количество преломленных пучков и обеспечить их надежное разделение.

Кроме того, предлагаемое коллимационное устройство может дополнительно содержать оптопару, элементы которой расположены по разные стороны зазора между поглощающим экраном и клином. С помощью установленной таким образом оптопары может осуществляться контроль указанного зазора.

Предлагаемое коллимационное устройство дополнительно может содержать также средства для поворота клина и поглощающего экрана с направляющими вокруг оси, параллельной ребру клина. Благодаря этому возможно регулирование угла скольжения падающего рентгеновского пучка относительно преломляющей грани клина.

Схема и работа предлагаемого устройства и его использование иллюстрируются чертежами фиг.1 и 2, на которых показаны:

- на фиг.1 - схематическое изображение коллимационного устройства в двух проекциях;

- на фиг.2 - ход лучей в коллимационном устройстве в разных случаях его использования.

Коллимационное устройство содержит (фиг.1а - вид сбоку, фиг.1в - вид сверху) пластину 1, поглощающий экран 2, направляющие 3, 4, электромеханический привод 5, поворотный механизм 6. Соприкасающиеся поверхности пластины 1 и направляющих 3, 4, а также торец поглощающего экрана 2, обращенный к пластине 1, оптически полированы. Тыльная по ходу излучения (боковая на фиг.1а) и верхняя грани пластины 1 образуют преломляющий клин. Таким образом, в представленной на фиг.1 геометрии клином является часть пластины 1, формирующая преломленный и зеркально отраженные пучки. Полированные грани поглощающего экрана 2 и направляющих 3, 4 лежат в одной плоскости, что позволяет возвратно-поступательно перемещать поглощающий экран 2 с помощью электромеханического привода 5 в направлениях, показанных на фиг.1 стрелками. Контроль ширины зазора между пластиной 1 и поглощающим экраном 2 осуществляется с помощью оптопары: источника 7 света и фотоприемника 8 (в проекции, изображенной на фиг.1в, не показаны). Поворотный механизм 6 (в проекции, изображенной на фиг.1в, не показан) обеспечивает совместное вращение всех названных элементов коллимационного устройства вокруг оси 9, перпендикулярной к плоскости чертежа фиг.1а (в данном случае совмещенной с ребром 10 клина - пластины 1).

При работе устройства могут использоваться следующие три варианта позиционирования его элементов относительно первичного рентгеновского пучка.

1. Путем поворота коллимирующего устройства первичный пучок направляется на верхнюю сторону задней (ближней к поглощающему экрану 2) части пластины 1 (фиг.2а) под углом скольжения θ <θ _с, где θ _с - критический угол полного внешнего отражения материала клина. При длине волны 0,1-0,2 нм для большинства материалов θ _с<10 мрад. Между ребром 10 пластины 1 и поглощающим экраном 2 установлен зазор фиксированной ширины x₀.

Зеркально отраженное от поверхности пластины 1 излучение попадает на поглощающий экран 2. Часть прямого пучка проходит через зазор между пластиной 1 и поглощающим экраном 2. Так как угол между направлением перемещения поглощающего экрана 2 и первичным пучком равен θ , то при смещении экрана 2 на величину Δ x сечение прошедшего через зазор пучка меняется на величину Δ d=θ Δ x. При указанных выше условиях Δ d<0,01Δ х. Это позволяет регулировать ширину пучка с большой точностью. Например, при Δ х=10 мкм Δ d<100 нм.

Таким образом, при указанных условиях через коллимирующее устройство проходит только часть прямого излучения в виде ленточного пучка толщиной θ · x₀.

2. Коллимирующее устройство позиционируется так, чтобы первичный пучок попадал на заднюю часть пластины 1 (фиг.2в) под углом скольжения θ >θ _с. Между ребром 10 пластины 1 и поглощающим экраном 2 установлен зазор фиксированной ширины x₀.

При указанных условиях на выходе коллимирующего устройства формируются два пучка: прямой и преломленный. При этом величина угла Δ θ между указанными пучками может быть найдена по формуле:

Δ θ =θ -θ _t,

где θ _t=(θ ²-2δ )^l/2 - угол преломления в материале пластины 1;

δ - действительная часть декремента показателя преломления материала клина (пластины 1).

Эффективная ширина преломленного пучка зависит от величины μ _к линейного коэффициента ослабления излучения в материале клина и может быть менее 100 нм.

Полученные таким образом пучки могут быть использованы, например, для контроля пространственного разрешения детекторов рентгеновского излучения.

Число преломленных пучков может быть увеличено путем напыления на поверхность пластины 1 пленки с декрементом δ _п показателя преломления, отличным от декремента 5 показателя преломления клина (пластины 1).

Для надежного пространственного разделения преломленных пучков относительная величина |δ _п-δ |/δ выбирается не менее 20%.

3. Коллимирующее устройство позиционируется так, чтобы первичный пучок попадал на заднюю часть пластины 1 (фиг.2с) под углом скольжения θ >θ _с. Поглощающий экран 2 частично наложен на ребро 10 пластины 1. Зазор между указанными элементами закрыт. Полуширина пучка, выходящего из тыльной (нижней по фиг.2с) грани пластины 1, в этом случае приблизительно равна θ _t/μ _к, где θ _t - угол преломления в материале пластины 1.

Для прохождения излучения в описанных вариантах 1-3 необходимо обеспечить существенную разницу линейных коэффициентов ослабления в материалах поглощающего экрана 2 и пластины 1, что реализуется при выполнении условия μ _э≥_{10 μ к.}

Предлагаемое устройство может быть использовано как в качестве формирователя сверхтонких рентгеновских пучков для последующего облучения образцов, так и в качестве приемной диафрагмы для получения повышенного пространственного или углового разрешения. Наиболее эффективно его применение при работе с монохроматическими или квазимонохроматическими пучками.

Устройство может быть реализовано на базе серийно выпускаемых материалов и оборудования и не требует существенных затрат на проектирование и изготовление.

Источники информации

1. А.А.Русаков. Рентгенография металлов. М., Атомиздат, 1977, с.359.

2. Д.И.Свергун, Л.А.Фейгин. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. М., Наука, 1986, с.215.

3. А.Г.Турьянский, И.В.Пиршин. Метод получения сверхтонких рентгеновских пучков. Приборы и техника эксперимента, 2000, №5, с.90-96.

Изобретение относится к области рентгеновской спектрометрии. Устройство содержит оптически полированный клин, поглощающий экран, для которого предусмотрена возможность перемещения относительно ребра клина, две оптически полированные направляющие, установленные с возможностью перемещения перпендикулярно ребру клина вдоль его преломляющей грани. Поглощающий экран выполнен в виде перемычки между указанными направляющими. В рабочей полосе спектра μ _э≥_{10μ к, где μ э и μ к - соответственно линейные коэффициенты ослабления излучения в материале поглощающего экрана и клина. Техническим результатом изобретения является повышение степени коллимации пучка и упрощение юстировки устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.}

1. Коллимационное устройство, содержащее оптически полированный клин и поглощающий экран, выполненный с возможностью перемещения относительно ребра клина, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит две оптически полированные направляющие, установленные с возможностью перемещения перпендикулярно ребру клина вдоль его преломляющей грани, причем поглощающий экран выполнен в виде перемычки между указанными направляющими, а в рабочей полосе спектра μ _э≥_{10μ к, где μ э и μ к соответственно - линейные коэффициенты ослабления излучения в материале поглощающего экрана и клина.}2. Коллимационное устройство по п.1, отличающееся тем, что преломляющая грань клина покрыта пленкой, декремент показателя преломления которой в рабочей полосе спектра отличается, по меньшей мере, на 20% от декремента показателя преломления материала клина.3. Коллимационное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средства для совместного поворота клина и поглощающего экрана с направляющими вокруг оси, параллельной ребру клина.4. Коллимационное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит оптопару, элементы которой расположены по разные стороны зазора между поглощающим экраном и клином.5. Коллимационное устройство по п.4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средства для совместного поворота клина и поглощающего экрана с направляющими вокруг оси, параллельной ребру клина.