СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N23/20 

Изобретение относится к области рентгенодифракционных и рентгенотопографических неразрушающих методов исследования структуры и контроля качества материалов и предназначено для фокусировки рентгеновских лучей (РЛ), в частности пучка синхротронного излучения (СИ), с помощью кристаллического монохроматора (монохроматоров) и фокусирующего зеркала полного внешнего отражения (ПВО) РЛ.

Одним из важнейших параметров рентгеновского пучка является его дисперсия D. Дисперсия отражает спектральное распределение по углу в пучке, сформированном рентгенооптической системой: D=(δθ/δλ)λ, где θ - брэгговский угол, λ - длина волны излучения.

Если система состоит из одно- или двухкристального бездисперсионного монохроматора (n, -n), дисперсия пучка определяется брэгговским углом монохроматора θ_м: D_м=tgθ_м.

Высокоточные рентгенодифракционные методы, такие как двухкристальная дифрактометрия, плосковолновая топография, метод стоячих рентгеновских волн, требуют использования бездисперсионной дифракции, при которой дисперсия падающего на исследуемый кристаллический образец равна приемной дисперсии последнего, т.е. когда D₀=tgθ₀ (θ₀ - угол Брэгга образца, D₀ - его приемная дисперсия). Поэтому для экспериментального осуществления большинства рентгенодифракционных методов возникает необходимость «подгонки» дисперсии пучка под приемную дисперсию образца, иными словами - управления дисперсией пучка.

Недостатком прототипа является отсутствие методики управления дисперсией пучка.

Задачей изобретения является создание способа фокусировки РЛ, позволяющего управлять дисперсией сфокусированного рентгеновского пучка и, таким образом, обеспечение бездисперсионной дифракции РЛ на образце.

В качестве прототипа выбран способ фокусировки СИ, используемый на экспериментальной станции СИ «Белок», работающей в КЦСИиНТ (Арутюнян Э.Л., Хейкер Д.М., Ковальчук М.В., Шилин Ю.Н. и др.). /Поверхность. 1999. №12. С.88). Пучок СИ после последовательного отражения от двух кристаллов-монохроматоров, находящихся в бездисперсионной схеме дифракции, направляется на фокусирующее цилиндрическое зеркало. Способ позволяет сфокусировать рентгеновский пучок в нужном месте изучаемого образца, что дает возможность улучшить локальность и точность исследований, а также изучать объекты малых размеров. При этом фокусное расстояние q связано с величиной радиуса R такого зеркала и расстоянием р от источника излучения до зеркала выражением:

где α - угол между зеркалом и пучком, причем этот угол не может быть больше критического угла ПВО РЛ зеркала.

Поставленная задача решается тем, что для фокусировки пучка СИ, включающей последовательное брэгговское отражение пучка СИ от кристаллического монохроматора и полное внешнее отражение от фокусирующего зеркала с постоянными радиусом цилиндрической поверхности R и расстоянием между зеркалом и фокусом q, установку монохроматора под брэгговским углом θ_м к пучку, зеркала - под углом α, не превышающим критический угол ПВО зеркала, устанавливают угол наклона α зеркала к пучку и брэгговский угол монохроматора согласно формулам:

α=2q/R[1+q(р₀/b+l₀)^-1],

tgθ_м=qtgθ₀(р₀/b+l₀)^-1,

где р₀ - расстояние между источником излучения и монохроматором, l₀ - расстояние между монохроматором и зеркалом, b - фактор асимметрии монохроматора.

Суть изобретения поясняется рентгенооптической схемой фокусировки пучка СИ (Фиг.1), а также графиками зависимости межплоскостного расстояния, соответствующего выбранному рефлексу исследуемого образца, от длины волны монохроматизированного рентгеновского пучка на Фиг.2, построенными для рефлекса (111) кремниевого монохроматора.

При осуществлении способа СИ от источника 1 на Фиг.1 направляется на кристаллический монохроматор 2, устанавливаемый под брэгговским углом θ_м; дифрагированный на нем пучок РЛ направляется на фокусирующее зеркало ПВО РЛ с постоянным радиусом цилиндрической поверхности под скользящим углом α. Углы θ_м и α подбираются таким образом, чтобы обеспечить бездисперсионную дифракцию РЛ на образце 4.

Дисперсия D_с пучка, сформированного системой «монохроматор 2 - фокусирующее зеркало 3», дается формулой:

С помощью формул (1) и (2) получим выражение:

Поскольку «подгонка» дисперсии пучка под приемную дисперсию образца 4 возможна при выполнении условия D_c=D₀=tgθ₀ (θ₀ - брэгговский угол, соответствующий выбранному рефлексу исследуемого образца), формула (3) преобразуется:

Знак « - » в правой части (4) означает, что при фокусировке РЛ равенство приемной дисперсии образца 4 и дисперсии пучка имеет место, если монохроматор 2 и образец 4 находятся в антипараллельной схеме дифракции (n, +m).

Известно (S.Kikuta, K.Khora // J.Phys. Soc. Japan. 1970. V.29. Р.1322), что при использовании асимметричного рефлекса монохроматора эффективное расстояние р между источником излучения 1 и фокусирующим зеркалом 3 становится функцией фактора асимметрии b монохроматора 2:

Здесь b=sin(θ_м+φ)/sin(θ_м-φ), φ - угол между поверхностью монохроматора 2 и его отражающими плоскостями. В случае многокристального монохроматора его фактор асимметрии равен произведению факторов асимметрии каждого кристалла.

Теперь формулы (4) и (1) примут вид:

Из (6) и (7) следует, что при неизменных величинах R и q подбором энергии монохроматизированного пучка (т.е. подбором брэгговского угла монохроматора) и угла α можно обеспечить бездисперсионную дифракцию на исследуемом образце.

Так как для большинства современных экспериментальных синхротронных станций р=10÷100 м, для компактного расположения узлов станции должно выполняться условие q/р<<1. Графики зависимости межплоскостного расстояния d₀, соответствующего выбранному рефлексу исследуемого образца, от длины волны λ монохроматизированного рентгеновского пучка на Фиг.2 построены для рефлекса (111) кремниевого монохроматора с помощью формулы (5): φ=0 (кривые 1, 2); φ=5° (кривые 3, 4); l₀/q=1, р₀/q=9 (кривые 1, 3) и р₀/q=4 (кривые 2, 4).

Из графиков следует, что кремниевый монохроматор с симметричным (b=1) рефлексом (111) (пунктирные кривые) пригоден только для экспериментов с использованием слабых рефлексов образца, для которых, как правило, d₀<1. Светосильные рефлексы здесь можно использовать только для мягкого (λ>2Å) рентгеновского излучения, что в значительной степени сужает класс исследуемых объектов. Отметим также слабую зависимость d₀ от λ.

Кривые 3, 4 на графике Фиг.2 доказывают, что использование асимметричного рефлекса Si(111) дает возможность варьировать в широких пределах величину межплоскостного расстояния исследуемого образца в наиболее востребованной области длин волн РЛ (0,6÷1,5Å).

Использование: для фокусировки синхротронного излучения. Сущность: заключается в том, что осуществляют последовательное брэгговское отражение пучка СИ от кристаллического монохроматора и полное внешнее отражение (ПВО) от фокусирующего зеркала с постоянными радиусом цилиндрической поверхности R и расстоянием между зеркалом и фокусом q при установке монохроматора под брэгговским углом θ_м к пучку, зеркала - под углом α, не превышающим критический угол ПВО зеркала, при этом угол наклона α зеркала к пучку и брэгговский угол монохроматора θ_м устанавливают согласно формулам:

α=2q/R[1+q(P₀/b+1₀)^-1],

tgθ_м=qtgθ₀(p₀/b+1₀)^-1,

где р₀ - расстояние между источником излучения и монохроматором, l₀ - расстояние между монохроматором и зеркалом, b - фактор асимметрии монохроматора, θ₀ - брэгговский угол, соответствующий выбранному рефлексу исследуемого образца. Технический результат: обеспечение возможности управления дисперсией сфокусированного рентгеновского пучка (синхротронного излучения) и, как следствие, обеспечение бездисперсионной дифракции рентгеновских лучей (синхротронного излучения) на образце. 2 ил.

Способ фокусировки пучка синхротронного излучения (СИ), включающий последовательное брэгговское отражение пучка СИ от кристаллического монохроматора и полное внешнее отражение (ПВО) от фокусирующего зеркала с постоянными радиусом цилиндрической поверхности R и расстоянием между зеркалом и фокусом q при установке монохроматора под брэгговским углом θ_м к пучку, зеркала - под углом α, не превышающим критический угол ПВО зеркала, отличающийся тем, что угол наклона α зеркала к пучку и брэгговский угол монохроматора θ_м устанавливают согласно формулам
α=2q/R[1+q(p₀/b+1₀)^-1],
tgθ_м=qtgθ₀(p₀/b+1₀)^-1,
где р₀ - расстояние между источником излучения и монохроматором, l₀ - расстояние между монохроматором и зеркалом, b - фактор асимметрии монохроматора, θ₀ - брэгговский угол, соответствующий выбранному рефлексу исследуемого образца.