СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА Российский патент 2018 года по МПК G01K1/06 

Изобретение относится к технологии управления рентгеновским излучением путем изменения условий брэгговской дифракции рентгеновских лучей в пьезокристаллах под воздействием электрического поля, создающего возможность заданного изменения (модуляции) интенсивности рентгеновского пучка, и может использоваться в области рентгеновской спектроскопии, рентгеноструктурном анализе и экспериментальной рентгеновской технике.

Известная модуляция интенсивности рентгеновского пучка заключается в том, что рентгеновский пучок направляют на пьезоэлектрический монокристалл, который установлен в отражающем положении или в режиме прохождения и к которому прикладывают переменное (импульсное) электрическое поле (см., например, авторское свидетельство СССР №106058, G21K 3/00, G21K 1/06, 1957, патент US №3832562, G01N 23/2073, G01N 23/20, G21K 1/06, 1974 и авторское свидетельство СССР №728166, G21K 1/06, 1980) для создания усложненных и нестабильных условий изменения интенсивности рентгеновского пучка за счет периодического изменения межплоскостных расстояний выбранного семейства атомных плоскостей, приводящего к модуляции углового положения дифрагированного рентгеновского пучка с частотой ультразвуковых колебаний резонатора (см., например, доклад авторов Таргонского А.В., Благова А.Е. и др. «Рентгеноакустическая дифрактометрия для контроля электронных компонент и материалов». - Материалы международной научно-технической конференции. М., 2013, с. 32-35, на сайте в Интернет: http://www.conf.mirea.ru/CD2013/pdf/p1/7.pdf).

Уровень техники в области управления рентгеновским излучением характеризуется отсутствием информационных источников со сведениями о предлагаемой модуляции интенсивности рентгеновского пучка, основанной на изменении условий отражения рентгеновского излучения от пьезоэлектрического монокристалла в условиях приложения к нему электрического поля, которое осуществляют за счет изменения пьезодеформации упомянутого монокристалла, приводящего к однородному изменению межплоскостного расстояния в кристаллической решетке упомянутого монокристалла, сопровождаемому угловым смещением его кривой дифракционного отражения (КДО), под воздействием электрического поля, напряженность которого изменяют в зависимости от требуемой величины интенсивности отраженного рентгеновского излучения, в чем заключается физический механизм предлагаемой модуляции интенсивности рентгеновского пучка, значительно отличающийся от эффекта Бормана изложенной выше известной модуляции (см., например, патент US №3991309, G01N 23/20, 1976), в связи с чем выбран вариант составления формулы изобретения (предлагаемого способа модуляции) без прототипа.

Обоснованием выбранного варианта раскрытия сущности предлагаемого способа модуляции без прототипа служит также известный иной физический механизм (низкотехнологичной в реализации в связи с пониженной контролируемостью) модуляции интенсивности рентгеновского пучка путем изменения условий брэгговской дифракции рентгеновского излучения в результате неоднородной пьезодеформации кристаллов ADP, экспериментально осуществленной и описанной в статье Трушина В.Н. и др. «Особенности дифракции рентгеновских лучей на кристаллах группы KDP в электрическом поле». - Доклады Академии Наук. Техническая физика. 1993, т. 331, №3, с. 308-310, основанный на уменьшении вклада динамических эффектов в интенсивность дифракционных максимумов и увеличении их интенсивности.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения - создание оптимального способа модуляции интенсивности рентгеновского пучка в режиме брэгговского отражения рентгеновского излучения от пьезоэлектрического монокристалла с малой (от 5 до 25 угловых секунд) полушириной исходной КДО в условиях приложения к нему постоянного (неимпульсного) электрического поля, напряженность которого (в результате использования возможности изменения пьезодеформации упомянутого монокристалла, приводящего к однородному изменению межплоскостного расстояния в кристаллической решетке упомянутого монокристалла, сопровождаемому угловым смещением его КДО, под воздействием электрического поля) изменяют в зависимости от требуемой величины интенсивности отраженного рентгеновского излучения в соответствии с предлагаемой формулой.

Оптимальность предлагаемого способа модуляции рентгеновского пучка обеспечивается за счет повышения контролируемости получения стабильного требуемого изменения интенсивности отраженного рентгеновского излучения при изменении напряженности постоянного электрического поля, прикладываемого к пьезоэлектрическим монокристаллам, обладающим малой полушириной КДО и высокой величиной пьезоэлектрического модуля.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ модуляции интенсивности рентгеновского пучка путем изменения условий отражения рентгеновского излучения от пьезоэлектрического монокристалла в условиях приложения к нему электрического поля, характеризующийся тем, что указанное изменение условий отражения рентгеновского излучения осуществляют за счет изменения пьезодеформации упомянутого монокристалла, приводящего к однородному изменению межплоскостного расстояния в кристаллической решетке упомянутого монокристалла, сопровождаемому угловым смещением его КДО, под воздействием постоянного электрического поля, напряженность E которого изменяют в зависимости от требуемой величины интенсивности отраженного рентгеновского излучения I(θ) в соответствии с формулой:

где I_max - максимальное значение интенсивности отраженного рентгеновского излучения;

λ - длина волны рентгеновского излучения;

d_hkl - межплоскостное расстояние для плоскостей hkl пьезоэлектрического монокристалла;

D^(p) - пьезоэлектрический модуль пьезоэлектрического монокристалла в направлении оси z;

E - напряженность постоянного электрического поля в направлении оси z;

β - полуширина исходной КДО пьезоэлектрического монокристалла;

при условии подбора пьезоэлектрического монокристалла с малой полушириной исходной КДО β и высокой величиной пьезоэлектрического модуля D^(p) и изменения напряженности постоянного электрического поля E, приводящего к угловому смещению КДО в интервале изменений интенсивности исходной КДО, приближенном к линейному.

В частном случае реализации предлагаемого способа модуляции в качестве пьезоэлектрического монокристалла используют монокристалл ниобата стронция-бария (Sr_0.61Ba_0.39Nb₂O₆) толщиной 0.5 мм с полушириной исходной КДО 20 угловых секунд и пьезоэлектрическим модулем D^(p)=140⋅10^-12 Кл/Н, а изменение напряженности постоянного электрического поля E производят в пределах интервала его величин 0 – 7,8⋅10⁵ В/м с угловым смещением КДО указанного монокристалла под воздействием постоянного электрического поля с указанной изменяемой напряженностью в интервале изменений интенсивности исходной КДО I(θ) этого монокристалла 20-80% от максимальной интенсивности исходной КДО I_max.

На фиг. 1 показан вид в аксонометрии установки для реализации предлагаемого способа модуляции; на фиг. 2 - две КДО монокристалла ниобата стронция-бария - исходная и в положении крайнего углового смещения после пьезодеформации указанного монокристалла в результате воздействия на него постоянного электрического поля напряженностью 7,8⋅10⁵ В/м, показывающие возможность получения рабочего диапазона модуляции интенсивности рентгеновского пучка в соответствии с предлагаемым способом модуляции.

Установка для реализации предлагаемого способа модуляции (см. фиг. 1) содержит рентгеновскую трубку 1, щели 2 и 3, кристалл-монохроматор 4, пьезоэлектрический монокристалл 5 (в качестве которого выбран монокристалл ниобата стронция-бария Sr_0.61Ba_0.39Nb₂O₆ с малой полушириной исходной КДО - 20 угловых секунд), электроды 6, на которые подается постоянное электрическое напряжение, высоковольтный преобразователь напряжения (например, ХР-ЕМСО Р12Р) 7, на который подается сигнал с низковольтного источника 8, сцинтилляционный детектор рентгеновского излучения 9, счетчик импульсов 10, персональный компьютер 11.

На расстоянии 50 мм от рентгеновской трубки 1 поставлена щель 2 шириной 0,5 мм. Прошедший через нее рентгеновский пучок отражается по Брэггу от кристалла-монохроматора 4. На пути монохроматизированных пучков - CuK_α1 и CuK_α2 размещена щель 3 шириной 0,1 мм на расстоянии 100 мм от кристалла-монохроматора 4, с помощью которой экранируется CuK_α2 - линия излучения.

Далее монохроматизированный пучок - CuK_α1 падает на пьезоэлектрический монокристалл 5, после дифракции на котором регистрируется с помощью сцинтилляционного детектора 8, сигнал с которого через счетчик импульсов 9 поступает в компьютер 10, где возможна дальнейшая обработка.

Предлагаемый способ модуляции рентгеновского излучения основан на сдвиге рабочей точки на КДО при ее угловом смещении, вызванном управляемой пьезодеформацией монокристалла 5.

Изменение интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка I(θ), фиксируемое счетчиком импульсов 9, происходит за счет смещения брэгговского угла дифракционного максимума от пьезоэлектрического монокристалла 5, при котором текущая рабочая точка на КДО (см. фиг. 2) смещается, изменяя величину интенсивности в этой точке в соответствии с формулой (1) в зависимости от величины напряженности постоянного электрического поля E в установленном диапазоне от R₀ до R₁, при подаче изменяемого постоянного электрического напряжения с высоковольтного преобразователя 7 низковольтного источника 8 на контакты - электроды 6.

Для модуляции интенсивности отраженного (дифрагированного) рентгеновского пучка монокристалл 5 в условиях отсутствии на нем электрического поля выводится в брэгговское отражающее положение, путем углового поворота этого монокристалла выбирается рабочая точка на левом склоне кривой, на высоте примерно 0.2I_max (начало квазилинейного участка) соответствующая R₀ на фиг. 2.

В зависимости от величины напряженности E постоянного электрического поля, подаваемого на монокристалл 5, рабочая точка будет смещаться в промежутке от R₀ до R₁, соответствующей максимальной величине напряженности E постоянного электрического поля, подаваемого на указанный монокристалл.

Максимальная величина напряженности E постоянного электрического поля, смещающего рабочую точку на КДО из положения R₀ в положение R₁, рассчитывается из значений пьезоэлектрического модуля D^(p) монокристалла 5 и полуширины β его КДО. Промежуточные величины интенсивности дифрагированного излучения I(θ) рассчитываются по формуле (1).

Для расчета интенсивности I(θ) по формуле (1) используют входные параметры монокристалла ниобата стронция-бария (Sr0.61Ba0.39Nb2O6), представленные в таблице 1.

Результаты расчета исходной и максимально смещенной КДО указанного монокристалла показаны в таблице 2.

Обоснование вывода формулы (1):

Рассмотрим изменение пиковой интенсивности КДО в ее рабочей точке.

КДО для плоскостей (hkl) может быть описана кривой Гаусса:

где: I_max - максимальное значение интенсивности,

β - полуширина КДО,

θ_hkl - угловые положения центра КДО,

θ - текущее значение угла.

Из уравнения Вульфа-Брэгга следует:

где θ_hkl - брэгговский угол для (hkl) плоскостей;

λ - длина волны рентгеновского излучения;

d_hkl - межплоскостное расстояние для плоскостей (hkl).

Межплоскостное расстояние с учетом пьезодеформации:

d_hkl - исходное межплоскостное расстояние,

Δd - изменение межплоскостного расстояния, вызванное пьезодеформацией.

Относительные деформации можно описать выражением:

В свою очередь, малые упругие деформации, возникающие в кристаллах в результате обратного пьезоэффекта, описываются выражением:

где - относительные пьезодеформации,

- матрица пьезоэлектрических модулей D^(p) рассматриваемого монокристалла,

E_i - компоненты напряженности постоянного электрического поля.

В общем случае брэгговский угол для плоскостей (hkl), при воздействии постоянного электрического поля на пьезоэлектрический монокристалл 5, зависит от напряженности E_i прикладываемого электрического поля:

Таким образом, из выражений (2) и (7) следует, что величина интенсивности отраженного рентгеновского излучения в рабочей точке на гауссовой кривой КДО, будет изменяться в зависимости от напряженности прикладываемого постоянного электрического поля в соответствии с формулой (1).

При этом максимальная величина напряженности E постоянного электрического поля, смещающего рабочую точку на КДО из положения R₀ в положение R₁, рассчитывается из значений пьезоэлектрического модуля D^(p) монокристалла 5 и полуширины β его КДО. Согласно формулам (1) и (7) при увеличении полуширины β и уменьшении величины модуля D^(p) необходимо будет увеличить максимальную величину постоянного напряжения, подаваемого на монокристалл 5, в противном случае глубина модуляции, определяемая интервалом изменения интенсивности исходной КДО I(θ) этого монокристалла 20-80% от максимальной интенсивности исходной КДО I_max, будет меньше.

Если выйти за пределы квазилинейного (приближенного к линейному) участка КДО, определяемого квазилинейную зависимость изменения интенсивности, то максимальную глубину модуляции, определяемой интервалом изменения интенсивности 20-80% можно будет увеличить при соответствующем увеличении максимального значения постоянного напряжения, подаваемого на монокристалл 5, или уменьшении полуширины β и увеличении значения модуля D^(p).

Поэтому невыполнение существенных условий предлагаемого способа модуляции, изложенных в пункте 1 формулы полезной модели, приводит к обеспечению модуляции с технологически невыгодным отклонением от оптимальности модуляции, связанным с повышением затрат электроэнергии и специальных требований к материалу монокристалла 5, и свидетельствует о существенности рассмотренных признаков предлагаемого способа модуляции, изложенных в пункте 1 формулы полезной модели.

Использование: для модуляции интенсивности рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что модуляцию интенсивности пучка рентгеновского излучения проводят путем изменения условий отражения рентгеновского излучения от пьезоэлектрического монокристалла в условиях приложения к нему электрического поля, при этом указанное изменение условий отражения рентгеновского излучения осуществляют за счет изменения пьезодеформации упомянутого монокристалла, приводящего к однородному изменению межплоскостного расстояния в кристаллической решетке упомянутого монокристалла, сопровождаемому угловым смещением его кривой дифракционного отражения (КДО), под воздействием постоянного электрического поля, напряженность Е которого изменяют в зависимости от требуемой величины интенсивности отраженного рентгеновского излучения I(θ) в соответствии с заданной формулой. Технический результат: обеспечение возможности оптимальной модуляции интенсивности рентгеновского пучка в режиме брэгговского отражения рентгеновского излучения от пьезоэлектрического монокристалла с малой (от 5 до 25 угловых секунд) полушириной исходной КДО в условиях приложения к нему постоянного (неимпульсного) электрического поля. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ модуляции интенсивности рентгеновского пучка путем изменения условий отражения рентгеновского излучения от пьезоэлектрического монокристалла в условиях приложения к нему электрического поля, характеризующийся тем, что указанное изменение условий отражения рентгеновского излучения осуществляют за счет изменения пьезодеформации упомянутого монокристалла, приводящего к однородному изменению межплоскостного расстояния в кристаллической решетке упомянутого монокристалла, сопровождаемому угловым смещением его кривой дифракционного отражения (КДО), под воздействием постоянного электрического поля, напряженность Е которого изменяют в зависимости от требуемой величины интенсивности отраженного рентгеновского излучения I(θ) в соответствии с формулой:

где I_max - максимальное значение интенсивности отраженного рентгеновского излучения;

λ - длина волны рентгеновского излучения;

d_hkl - межплоскостное расстояние для плоскостей hkl;

D^(p) - пьезоэлектрический модуль пьезоэлектрического монокристалла в направлении оси z;

Е - напряженность постоянного электрического поля в направлении оси z;

β - полуширина исходной КДО пьезоэлектрического монокристалла;

при условии подбора пьезоэлектрического монокристалла с малой полушириной исходной КДО β и высокой величиной пьезоэлектрического модуля D^(p) и изменения напряженности постоянного электрического поля Е, приводящего к угловому смещению КДО в интервале изменений интенсивности исходной КДО, приближенном к линейному.

2. Способ модуляции по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пьезоэлектрического монокристалла используют монокристалл ниобата стронция-бария (Sr_0.61Ba_0.39Nb₂O₆) толщиной 0.5 мм с полушириной исходной КДО β=20 угловых секунд и пьезоэлектрическим модулем D^(p)=140·10^-12 Кл/Н, а изменение напряженности постоянного электрического поля Е производят в пределах интервала его величин 0-7.8·10⁵ В/м с угловым смещением КДО указанного монокристалла под воздействием постоянного электрического поля с указанной изменяемой напряженностью в интервале изменений интенсивности исходной КДО I(θ) этого монокристалла 20-80% от максимальной интенсивности исходной КДО I_max.