СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА Российский патент 2007 года по МПК G01N23/20 

Изобретение относится к области рентгенодифракционных и рентгенотопографических неразрушающих методов исследования структуры и контроля качества материалов и предназначено для формирования рентгеновского пучка, в частности пучка синхротронного излучения (СИ), с помощью кристаллов-монохроматоров и фокусирующей системы, состоящей из двух зеркал.

В качестве прототипа рентгенооптической системы выбрано устройство для формирования рентгеновского пучка, описанное в работе В.В.Лидер, Е.Ю.Терещенко, С.И.Желудева, В.И.Вологин, Ю.Н.Шилин, В.А.Шишков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2004. №7. С.5-14. Пучок СИ после последовательного отражения от двух кристаллов-монохроматоров, находящихся в бездисперсионной схеме дифракции, направляется на модуль управления пространственным положением пучка, состоящий из двух плоских зеркал полного внешнего отражения (ПВО). Первое зеркало устанавливается под фиксированным углом к пучку; его задача - вывести пучок из горизонтальной плоскости. Вращением и линейным перемещением в плоскости рассеяния второго зеркала осуществляется изменение угла падения пучка на органическую нанопленку на поверхности жидкой субфазы (далее «жидкий образец»). При этом в процессе эксперимента сохраняется неизменным положение области засветки пучка на образце без перемещения ленгмюровской ванны. При использовании в качестве первого зеркала фокусирующего зеркала с цилиндрической поверхностью область засветки возможно уменьшить. Это обстоятельство дает основание для оптимального использования энергодисперсионного детектора флуоресцентного излучения, поскольку последний имеет ограниченный телесный приемный угол. Однако при неподвижном фокусирующем зеркале в процессе эксперимента размер области засветки не будет постоянным, что может сказаться на точности эксперимента.

Задачей изобретения является создание способа управления пространственным положением рентгеновского пучка с помощью последовательного отражения предварительно монохроматизированного пучка синхротронного излучения от двух зеркал с цилиндрической и плоской поверхностями, перемещения вдоль пучка и вращения второго зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, позволяющего обеспечить неизменность размера области засветки горизонтально расположенной поверхности исследуемого жидкого образца при различных значениях угла между рентгеновским пучком и поверхностью образца.

Поставленная задача решается тем, что производят вращение первого зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, причем угол θ₁ между пучком и первым зеркалом и угол θ₂ между пучком и вторым зеркалом связаны соотношением:

θ₂=[θ₁(1-2kθ₁)-A]/2kθ₁,

где k и А - параметры, зависящие от энергии пучка, радиуса кривизны цилиндрической поверхности первого кристалла и линейных параметров станции.

Изобретение поясняет рентгенооптическая схема устройства, представленная на чертеже. Слабо расходящийся пучок СИ, генерируемый источником 1, направляют на двухкристальный монохроматор. Его кристаллы 2 и 3 находятся в параллельном положении (n, -n), обеспечивая, таким образом, бездисперсионную дифракцию рентгеновских лучей (РЛ). Сформированный монохроматором пучок распространяется в направлении, параллельном первичному пучку СИ, а его пространственное положение не меняется при изменении углового положения кристаллов. Монохроматизированный рентгеновский пучок выводят из горизонтальной плоскости фокусирующим зеркалом полного внешнего отражения 4. Зеркало имеет поверхность кругового цилиндра постоянного радиуса. Второе зеркало 5 с плоской рабочей поверхностью направляет пучок на жидкий образец 6. Угол α между сформированным оптической системой пучком и поверхностью образца в процессе эксперимента меняется от α^min до α^max, причем

α^max=2(θ₂^c-θ₁^c),(1)

где θ₁ ^c и θ₂ ^c - соответственно величины критических углов ПВО для первого (фокусирующего) и второго (плоского) зеркал. Фокусное расстояние q связано с величиной радиуса R фокусирующего зеркала и расстоянием p от источника рентгеновского излучения до зеркала выражением:

2/Rθ₁=1/p+1/q.(2)

Такое зеркало возможно использовать для управления угловой расходимостью Δα сформированного пучка (см. чертеж):

Δα/Δθ=p/q.(3)

Здесь Δθ - расходимость первичного пучка СИ.

С помощью формул (2), (3) и чертежа нетрудно получить выражение для размера засветки D поверхности жидкого образца пучком:

D=L(1+l/р-2l/Rθ₁)(pΔθ/Lα),(4)

где l - расстояние между зеркалом 4 и центром области засветки. Из (4) следует, что в случае плоского 4 (R=∞) размер области засветки обратно пропорционален углу α. Однако при R≠∞ можно добиться неизменности размера засветки (D=const) на протяжении всего эксперимента (т.е. при вариации угла α). Для этого изменяют угол θ₁ по закону:

θ₁=А[1-(α/α^max)(1-A/θ₁^c)]^-1.(5)

При этом углы θ₁ и θ₂ будут связаны соотношением:

θ₂=[θ₁(1-2kθ₁)-A]/2kθ₁.(6)

Здесь k=(1-А/θ₁ ^c)/а^max, А=В[1+l/р], В=2l/R и не зависит от длины волны РЛ, θ_м - брэгговский угол кристаллов-монохроматоров. В случае использования асимметричного рефлекса монохроматора 2 р=р₀/b₁(θ_м)+l₀+htgθ_м, р₀ - расстояние между источником излучения и первым кристаллом-монохроматором 2, l₀ - расстояние между монохроматором 2 и фокусирующим зеркалом 4, h - расстояние между направляющими горизонтального перемещения монохроматоров 2 и 3, b₁ - коэффициент асимметрии 2:

b₁(θ_м)=sin(θ_м+ϕ₁)/sin(θ_м-ϕ₁),(7)

где ϕ₁ - угол наклона отражающих плоскостей к поверхности кристалла-монохроматора M1.

Использование: для управления пространственным положением рентгеновского пучка. Сущность: заключается в том, что управление угловым положением рентгеновского пучка осуществляется с помощью последовательного отражения предварительно монохроматизированного пучка синхротронного излучения от двух зеркал с цилиндрической и плоской поверхностями и вращения второго зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, при этом производят вращение первого зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, причем угол θ₁ между пучком и первым зеркалом и угол θ₂ между пучком и вторым зеркалом связаны определенным соотношением. Технический результат: обеспечение неизменности области засветки горизонтально расположенной поверхности исследуемого жидкого образца при различных значениях угла между рентгеновским пучком и поверхностью образца. 1 ил.

Способ управления угловым положением рентгеновского пучка с помощью последовательного отражения предварительно монохроматизированного пучка синхротронного излучения от двух зеркал с цилиндрической и плоской поверхностями и вращения второго зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, отличающийся тем, что производят вращение первого зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, причем угол θ₁ между пучком и первым зеркалом, и угол θ₂ между пучком и вторым зеркалом связаны соотношением

θ₂=[θ₁(1-2kθ₁)-A]/2kθ₁,

k=(1-A/θ₁ ^c)/α^max, A=B[1+l/p], b=2l/R, α^max=2(θ₂ ^c-θ₁ ^c),

где k и A - параметры, зависящие от энергии пучка, радиуса кривизны цилиндрической поверхности первого кристалла и расстояния между источником излучения и фокусирующим зеркалом;

α^max - максимальный угол между сформированным оптической системой пучком и поверхностью образца в процессе эксперимента;

θ₁ ^c и θ₂ ^c- соответственно величины критических углов полного внешнего отражения для первого (фокусирующего) и второго (плоского) зеркал;

l - расстояние между первым (фокусирующим) зеркалом и центром области засветки;

р - расстояние от источника рентгеновского излучения до фокусирующего зеркала;

R - радиус фокусирующего зеркала.