Способ пассивной настройки корректирующей пластины составной рефракционной линзы для рентгеновского излучения Российский патент 2019 года по МПК G21K1/00 

Изобретение относится к области рентгенотехники, в частности при изготовлении рентгеновских рефракционных линз, и может быть использовано для получения остросфокусированных микропучков рентгеновских лучей с высокой плотностью потока фотонов, применяемы в различных областях науки и техники.

Известен (RU, патент 2297681, опубл. 27.04.2005) способ изготовления рентгеновских преломляющих линз с профилем вращения. Согласно известному способу для изготовления линзы с требуемым фокусным расстоянием F формируют одну или несколько линз с фокусным расстоянием, определяемым по соотношению , где N - число линз, a F₀=R_c/2δ, где R_c - радиус кривизны параболического профиля, δ - декремент показателя преломления материала линзы, относящегося к классу рентгеновских преломляющих материалов, для чего вносят необходимое количество материала линзы , где ρ - плотность материала линзы, R - радиус линзы, в жидком состоянии в оправку цилиндрической формы с тем же внутренним радиусом, материал которой обеспечивает для данной жидкости угол смачивания, определяемый условием , помещают оправку на центрифугу, проводят вращение оправки с материалом линзы до достижения однородности при угловой частоте вращения , где η - вязкость материала линзы в жидком состоянии, Re - число Рейнольдса, затем переводят материал линзы в твердое состояние в процессе вращения, прекращают вращение и проводят сборку линзы в держатель

Основным недостатком известного способа следует признать его пригодность только для рентгеновских преломляющих линз.

Известен также (RU, патент 2366015, опубл. 27.08.2009) способ изготовления рентгеновской преломляющей линзы с минимизированным поглощением, имеющей профиль вращения, включающий изготовление матрицы линзы из материала, способного к фотополимеризации, формированием одной или нескольких линз с требуемым фокусным расстоянием F, определяемым по соотношению , где N число двояковогнутых линз, a F₀=R_c/2δ, где R_c - радиус кривизны параболического профиля, δ - декремент показателя преломления материала линзы путем внесения необходимого количества материала линзы , где ρ - плотность материала линзы, R - радиус линзы, в жидком состоянии в оправку цилиндрической формы с тем же внутренним радиусом, материал которой обеспечивает для данной жидкости угол смачивания, определяемый условием , помещением оправки на центрифугу и вращением ее с материалом линзы до достижения однородности при угловой частоте вращения , где η - вязкость материала линзы в жидком состоянии, Re - число Рейнольдса, затем переводом материала линзы в твердое состояние в процессе вращения при воздействии потока излучения от источника света и прекращения вращения, причем с использованием полученной матрицы образуют одно или несколько оснований для линз, для чего вносят материал, не имеющий адгезии к материалу матрицы, в количестве М₀=kМ, где k<1 - коэффициент, определяемый из условий смачивания, в матрице переводят материал основания в твердую фазу, отделяют полученное основание от матрицы, размещают его в ванне с жидким фотополимером на поршне с прецизионным ходом линейного смещения, затем проводят фотополимеризацию через набор масок с кольцевыми просветами и радиальными щелями, где внутренний радиус кольцевого просвета, определяется, как и внешний радиус как , где m - четное число, сдвигают основание на величину, равную четному числу длин сдвига фазы L=mλ/δ, операции экспонирования через последующие маски и сдвига повторяют до получения заданного числа сегментов, отделяют линзу от основания и проводят сборку линзы в держатель.

Способ также пригоден только для изготовления рентгеновский преломляющих линз.

Кроме того, известен (RU, патент 2164311, опубл. 20.03.2001) способ изготовления линз для преобразования излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, содержащих каналы транспортировки излучения с использованием в них полного внешнего отражения, включающий две или более стадий получения заготовок, на каждой из которых заполняют трубчатую оболочку ранее изготовленными заготовками, в качестве которых на первой стадии используют капилляры, а на каждой из последующих стадий - заготовки, полученные в результате осуществления предыдущей стадии, затем осуществляют вытягивание трубчатой оболочки вместе с заполняющими ее заготовками в печи, поддерживая скорость подачи в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, при постоянном соотношении между этими скоростями, после чего получают заготовки, являющиеся результатом данной стадии, путем разрезания, выходящего из печи изделия по длине, по окончании последней стадии заполняют заготовками, полученными на этой стадии, трубчатую оболочку, которую вместе с заполняющими ее заготовками вытягивают в печи, поддерживая скорость подачи в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, и периодически изменяя соотношение между указанными скоростями для образования на выходящем из печи изделии утолщений, затем из этого изделия путем разрезания его по длине получают линзы в виде участков изделия, содержащих только одно утолщение, причем на всех этапах осуществления способа используют трубчатые оболочки, выполненные из того же материала, что и капилляры, либо близкого к нему по коэффициенту температурного расширения, а процессы вытягивания трубчатых оболочек с заполняющими их заготовками ведут при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов заготовок при температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних заготовок.

Недостатком известного технического решения следует признать то, что получившиеся линзы имеют отклонения от идеального параболического профиля

По причине того, что рефракционный индекс всех материалов в энергетическом диапазоне 500 эВ - 500 кэВ составляет величину порядка 10^-6 или меньше, рефракционные линзы для рентгеновского излучения имеют очень малый радиус кривизны (~50 мкм) параболического профиля, а также большое фокусное расстояние. На практике (М. Lyubomirskiy and С.G. Schroer, "Refractive Lenses for Microscopy and Nanoanalysis," Synchr. Rad. News 29,21-26 (2016)) используют составные линзы - состоящие из большого числа одинаковых элементов (~10-500). Также, обычно, составная линза имеет одну или более апертур, нужные для того, чтобы отсечь нежелательное рассеяние излучения на материале линзы в области вне параболического профиля. При изготовлении таких линз неизбежны малые отклонения от правильного профиля (10-500 нм) а ввиду большого их числа в составной линзе отклонения умножаются соответственно их числу. Для корректировки таких отклонений было предложено использовать дополнительную корректирующую пластину. Данную пластину изготавливают на основе изученного профиля отклонений (аббераций) составной линзы методом птайхографии (А. Schropp, P. Boye, J. М. Feldkamp, R. Норре, J. Patommel, D. Samberg, S. Stephan, K. Giewekemeyer, R. N.Wilke, T. Salditt, J. Gulden, A.P. Mancuso, I.A. Vartanyants, E. Weckert, S. M. Burghammer, and C.G.Schroer, "Hard x-ray nanobeam characterization by coherent diffraction microscopy," Appl. Phys. Lett. 96, 091102). Для корректного использования данной пластины она должна быть соответствующим образом помещена в пучок до/после/внутри составной линзы по ходу пучка. Точность позиционирования пластины относительно апекса параболического профиля должна быть тем лучше, чем больше элементов имеет составная линза, а также радиус кривизны ее профиля и может достигать нескольких сот нанометров.

Недостатком этого метода следует признать длительность и сложность технологии изготовления корректирующей пластины, а также необходимость ее последующей настройки относительно составной линзы.

Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного способа, состоит в решении проблем изготовления рефракционной линзы.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в упрощении и ускорении процесса настройки/позиционирования корректирующей пластины относительно апекса параболического профиля линзы.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ пассивной настройки корректирующей пластины составной рефракционной линзы для рентгеновского излучения. Согласно разработанному способу в составную рефракционную линзу для рентгеновского излучения вставляют по ходу движения пучка рентгеновского излучения заготовку пластины, пропускают через составную рефракционную линзу пучок рентгеновского излучения, отмечают место прохождения пучка рентгеновского излучения через заготовку пластины и изготавливают пластину с учетом места прохождения пучка.

Заготовку пластины могут помещать в составную линзу во время/до/после изучения отклонений профиля составной линзы.

В некоторых вариантах реализации разработанного способа предварительно поверхность заготовки покрывают материалами, чувствительными к действию рентгеновского излучения. В других вариантах реализации предварительно на поверхность заготовки наносят маркирующую сетку. Возможно использование и других способов указанием точки попадания рентгеновского луча на поверхность заготовки.

Первый вариант - это нанесение на поверхность заготовки светочувствительного слоя, который меняет свою структуру под воздействием пучка. Заготовку вставляют внутрь/до/после набора линз, но всегда после апертуры по ходу пучка. Пучок, попадающий на поверхность, имеющую светочувствительный слой, меняет структуру поверхностного слоя, позволяя впоследствии однозначно определить облученную область и изготовить корректирующую пластину в области, отмеченной пучком.

Второй вариант - это нанесение на поверхность заготовки маркирующей сетки. Пучок, проходящий через сетку, будет замедлен по фазе и/или ослаблен. Далее производят измерение аберраций линзы методом птайхографии (https://en.wikipedia.org/wiki/Ptychography) или иным методом. Изменения волнового фронта, обусловленные влиянием маркирующей сетки, однозначно укажут на область, облученную рентгеновским излучением. Иными словами область сетки, облученная пучком, будет закодирована в волновом фронте, выходящем из линзы, что впоследствии позволит однозначно определить область, на которой необходимо изготавливать корректирующую пластину. Далее на данной области производят изготовление корректирующей пластины.

Также возможно разделение стадий измерения аберраций и маркировки области облученной пучком на заготовке пластины. Также визуализация области с маркирующей сеткой, облученной пучком может быть произведена посредством регистрации изображения пучка на расстоянии 2F от линзы при облучении линзы параллельным пучком, в случае не параллельного пучка расстояние должно быть скорректировано соответственно формуле тонкой линзы и углового спектра пучка.

Изобретение относится к способу изготовления рентгеновских рефракционных линз и может быть использовано для получения остросфокусированных микропучков рентгеновских лучей с высокой плотностью потока фотонов, применяемых в различных областях науки и техники. В составную рефракционную линзу для рентгеновского излучения вставляют по ходу движения пучка рентгеновского излучения заготовку пластины, пропускают через составную рефракционную линзу пучок рентгеновского излучения, отмечают место прохождения пучка рентгеновского излучения через заготовку пластины и изготавливают пластину с учетом места прохождения пучка. Техническим результатом является упрощение процесса настройки и позиционирования корректирующей пластины относительно апекса параболического профиля линзы. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ пассивной настройки корректирующей пластины составной рефракционной линзы для рентгеновского излучения, характеризующийся тем, что в составную рефракционную линзу для рентгеновского излучения вставляют по ходу движения пучка рентгеновского излучения заготовку пластины, пропускают через составную рефракционную линзу пучок рентгеновского излучения, отмечают место прохождения пучка рентгеновского излучения через заготовку пластины и изготавливают пластину с учетом места прохождения пучка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заготовку пластины помещают в составную линзу во время, или до, или после изучения отклонений составной линзы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно поверхность заготовки покрывают материалом, чувствительным к действию рентгеновского излучения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно на поверхность заготовки наносят маркирующую сетку.