Микрофокусный рентгеновский источник Российский патент 2023 года по МПК H01J35/02 G01N23/04 

Изобретение относится к микроскопии, а именно к рентгеновской микроскопии и может применяться, например, для создания проекционного рентгеновского микроскопа для проведения неразрушающего контроля и диагностики структур и процессов с высоким разрешением.

Известны рентгеновские трубки, которые используются в качестве источников рентгеновского излучения для задач получения изображений изучаемых объектов. Основным недостатком таких устройств является большой размер области генерации (~20 мкм), низкая яркость (10⁷-10⁹ фотон/с/мм²/мрад²) и короткий срок службы [1]

Известны лазерно-плазменные источники рентгеновского излучения, в которых лазерное излучение фемтосекундной длительности (~200 фс) сверхвысокой интенсивности (>10¹⁶ Вт/см²) фокусируется на постоянно обновляемую поверхность мишени [2]

В этих источниках рентгеновского излучения энергия фемтосекундного лазера преобразуется в рентгеновское излучение, испускаемое из фокального пятна микроскопического размера. Основным недостатком известного устройства являются то, что для обеспечения работы источника рентгеновского излучения необходим вакуум, что увеличивает габариты источника, а также время, необходимое для подготовки источника к работе.

Указанного недостатка лишено устройство, которое по числу совпадающих существенных признаков выбрано в качестве прототипа [3]. Устройство, представляющее собой микрофокусный рентгеновский источник содержит фемтосекундный лазер, зеркало, объектив, установленную на позиционере, снабженном двигателем, мишень и детектор излучения.

Для своей работы известное устройство не требует вакуума. Оно содержит фемтосекундный лазер, излучение от которого с помощью зеркал попадает на объектив и фокусируется на поверхности мишени, установленной на позиционере с двигателем. За счет достаточно острой фокусировки лазерного излучения удалось существенно уменьшать потери на ионизацию воздуха, что позволило довести до мишени интенсивность, достаточную для генерации относительно большого потока фотонов - 10⁷ фотонов в 2 пи стерео радиан в секунду.

Основными недостатками известного устройства является сравнительно большой диаметр рентгеновского источника (~ в 2,5 раза больше лазерного), а также сравнительно низкий поток фотонов (~10 фотонов в 2 пи стерео радиан в секунду). Кроме того, в известном устройстве для генерации рентгеновского излучения используется громоздкая лазерная система с параметрами: энергия в импульсе Е=1 мДж, длительность импульса τ=35 фс, частота импульсов ƒ=1 кГц, длина волны λ=800 нм. Помимо этого, в известном устройстве не обеспечивается необходимая стабильность работы, поскольку воздействие сфокусированным лазерным излучением производится на фронтальную поверхность вращающейся мишени в виде диска. В этом случае, при изменении расстояния от точки фокусировки до центра вращения диска скорость смещения поверхности диска относительно оптической оси значительно меняется, что приводит к изменению характеристик генерируемого рентгеновского излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного спектрально - яркого вневакуумного лазерно-плазменного микрофокусного источника рентгеновского излучения с малым диаметром рентгеновского источника (не более 6 мкм), высокой стабильностью, большим потоком фотонов в секунду (более 10⁸ фотонов в 2 пи стерео радиан в секунду), достигающимся за счет высокой частоты генерации импульсов и использующего коммерчески доступный волоконный лазер.

Техническим результатом является возможность создания проекционного рентгеновского микроскопа для проведения неразрушающего контроля и диагностики структур и процессов с высоким разрешением.

Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в микрофокусном рентгеновском источнике, содержащем фемтосекундный лазер, зеркало, объектив, установленную на позиционере, снабженном двигателем, мишень и детектор излучения, по ходу лазерного луча установлено зеркало, которое отражает излучение лазера в сторону мишени и пропускает излучение видимого диапазона в сторону цифровой камеры, за зеркалом по ходу инфракрасного излучения размещен объектив, снабженный устройством подачи газа в область лазерного воздействия, за которым по ходу лазерного луча размещена на позиционере мишень в форме диска, причем к излучению она обращена боковой поверхностью и совершает вращательное и возвратно поступательное движение в направлении оси вращения, лазер, цифровая камера, детектор рентгеновского излучения и двигатель позиционера подключены к компьютеризированному блоку управления.

В качестве фемтосекундного лазера использован импульсный волоконный лазер с частотой 100 кГц - 2 МГц и энергией импульса до 25 мкДж, а в качестве газа, поступающего в область лазерного воздействия используют инертные газы, азот или воздух. Мишень может быть выполнена из меди, либо из иного металла, предшествующего меди по атомному номеру, включая алюминий, титан, ванадий, хром, железо, кобальт, никель. Сопло имеет систему микроканалов и изготовляется с помощью 3Д принтера.

В предлагаемом устройстве может быть применен коммерчески доступный волоконный лазер с частотой 100 кГц - 2 МГц, его излучение фокусируется на боковую поверхность вращающейся мишени в виде диска, область лазерного воздействия обдувается потоком сжатого воздуха или инертного газа, контроль за областью лазерного воздействия осуществляется с использованием цифровой камеры и детектора рентгеновского излучения.

Существо изобретения поясняется на фигурах.

Фиг. 1 - схема устройства;

Фиг. 2 - график рентгеновского спектра меди;

Фиг. 3 - график выхода рентгеновского излучения за 0,1 с в зависимости от итерации измерения.

Устройство содержит волоконный лазер 1, за которым по ходу излучения размещено зеркало 2, которое отражает рентгеновское излучение в объектив 3. Это излучение попадает на мишень 4, снабженную трехкоординатным позиционером 5 с двигателем 6. Комбинация двигателя с позиционером обеспечивает вращение мишени и возвратно-поступательное перемещение направлении оси вращения. За зеркалом 2 в направлении противоположном ходу инфракрасного излучения размещена цифровая камера 7.

Мишень 4 обращена к объективу боковой стороной. Лазерное излучение инфракрасного диапазона, поступая на боковую поверхность мишени, вызывает рентгеновское излучение 8 из области воздействия. Для контроля и управления работой устройства применен компьютер 9. Рентгеновское излучение 8 фиксируется посредством датчика 10. Объектив 3 снабжен соплом 11, в которое из устройства 12 подают инертный газ или воздух. Лазер 1, позиционер 5, цифровая камера 7 и датчик рентгеновского излучения 10 подключены к компьютеру 9.

Устройство работает следующим образом.

Излучение фемтосекундного волоконного лазера 1, после отражения от зеркала 2 попадает на объектив 3 и фокусируется на боковой поверхности мишени 4, установленной на многокоординатном моторизированном позиционере 5 с установленным сверху двигателем 6, который обеспечивает постоянное вращение мишени 4. Размер лазерного пятна и его положение на поверхности мишени 4 контролируются с помощью цифровой камеры 7. В результате воздействия лазерного излучения происходит генерация рентгеновского излучения 8 в широком телесном угле, которое регистрируется на управляющем компьютере 9 с помощью детектора рентгеновского излучения 10. На объективе 3 устанавливается сопло 11 для обдува области лазерного воздействия на поверхности мишени инертным газом или воздухом с помощью системы подачи 12.

Достижение заявленного технического результата, а именно, получение стабильного рентгеновского излучения с высокой частотой (100 кГц - 2 МГц), происходит в результате использования волоконного фемтосекундного лазера с частотой 100 кГц - 2 МГц и острой фокусировки лазерного излучения на боковую поверхность вращающейся мишени в виде диска, при этом область лазерного воздействия обдувается потоком сжатого воздуха или инертного газа, а контроль за областью лазерного воздействия осуществляется с использованием цифровой камеры и детектора рентгеновского излучения, подключенных к управляющему компьютеру.

В отличие от прототипа, предлагаемое устройство основано на применении более простого в использовании компактного волоконного фемтосекундного лазера с частотой 0,1-2 МГц, при этом его излучение фокусируется не на фронтальную, а на боковую поверхность вращающейся и перемещаемой вдоль оси вращения мишени. Для уменьшения влияния образующейся в воздухе плазмы, область лазерного воздействия на поверхности мишени обдувается инертным газом. Обдув инертным газом позволял также защитить объектив от аблированных частиц, и осуществить замену воздуха на газовую среду с большим потенциалом ионизации для уменьшения потерь по энергии на ионизацию газовой среды и увеличение потока рентгеновских фотонов.

Конкретное оформление заявляемого устройства, а именно, лазер, диэлектрическое зеркало, объектив, многокоординатный моторизированный позиционер, двигатель, линза, сопло, система подачи воздуха или инертного газа, цифровая камера, детектор рентгеновского излучения и управляющий компьютер могут быть стандартными. Характеристики импульсного лазера (длина волны, длительность и частота импульсов, энергия в импульсе, параметры лазерного пучка), а также размер, материал мишени, скорости ее вращения и перемещения вдоль оси вращения зависят от поставленной задачи.

Авторами был изготовлен образец микрофокусного рентгеновского источника. Использовался фемтосекундный иттербиевый волоконный лазер YLPF-10-400-20-R с центральной длиной волны λ=1030 нм, частотой следования импульсов 100 кГц - 2, максимальной энергией в импульсе - до E=20 мкДж, максимальной средней мощностью 20 Вт, длительностью импульсов τ=330 фс, обеспечивающий качество излучения М²=1.5. Диаметр пучка на выходе из головки лазера составлял 2 мм, который затем с помощью телескопирующей системы увеличивался до диаметра D=8 мм. Лазерный источник имел возможность использования режима модуляции серий импульсов, когда вместо одиночного импульса генерируется "пачка" импульсов (до 16 шт. с частотой 14 МГц), воспроизводимая с задаваемой частотой (от 100 до 170 кГц). В качестве объектива использовался 20Х микроскопический объектив (PAL-20-NIR-HR-LC00, OptoSigma) с NA=0.45 и фокусным расстоянием ƒ=1 см. Сигнал второй оптической гармоники лазерного излучения, возникающий в области лазерного воздействия на мишень, регистрировался цифровой видеокамерой (XFCAM1080PHB, ToupTek). В качестве мишени использовался медный диск диаметром 5 см и толщиной 1 см. Диск устанавливался на оси бесколлекторного мотора (Т-motor Antigravity 4004 KV400), обеспечивающего его вращение с частотой порядка 2500 об/с. В качестве многокоординатной моторизированного позиционера использовалась 5-координатная подвижка, позволяющая перемещать образец по 3 координатам (X, Y, Z) и наклонять в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В качестве сопла, устанавливаемого на объективе, использовался пластиковый кожух с системой каналов, изготовленный с помощью трехмерной печати. Через сопло в сторону мишени в область лазерного воздействия на мишени осуществлялся поддув сжатого воздуха или инертного газа.

Согласно выполненной оценке по известному соотношению для фокусировки Гауссовских пучков радиус перетяжки лазерного излучения на поверхности мишени составлял ω₀=(2⋅М²⋅ƒ)/(π⋅D)=1,6 мкм. При этом максимальная интенсивность на поверхности мишени при энергии лазерного импульса E=20 мкДж составляла I=E/(2τω₀²)=20е-6/(2*330е-15*1.6е-4²)=1.2⋅10¹⁵ Вт/см².

Исследование боковой поверхности мишени с помощью сканирующего электронного микроскопа показало, что в результате лазерного воздействия на ней образуются кратеры диаметром около 3-5 мкм. Так как порог абляции меньше порога генерации рентгеновского излучения, то данный размер является оценкой сверху по диаметру источника рентгеновского излучения. Использование указанных параметров лазерного излучения привело к генерации импульсов рентгеновского излучения, зарегистрированных датчиком рентгеновского излучения.

Из рассмотрения графиков на фиг. 2 и 3 следует, что предлагаемое устройство обеспечивает стабильную генерацию импульсов рентгеновского излучения со следующими параметрами: ~10⁸ фотонов в 2 пи стерадиан в секунду при использовании режима пачек импульсов (16 шт. в пачке), следующих с частотой 170 кГц, и средней мощности излучения порядка 16 Вт.

Проведенные испытания также показали, что созданное устройство обеспечивает стабильную генерацию импульсов рентгеновского излучения с частотой 100 кГц - 2000 кГц, а также в режиме пачек импульсов (16 импульсов в пачке) с частотой следования пачек 100-170 кГц) с нестабильностью порядка 10%. Таким образом, заявленный технический результат полностью достигнут и это подтверждает промышленную применимость изобретения.

Источники информации

1. URL: http://www.svetlana-x-ray.ru/production-list.html?cid=11).

2. J. A. Chakera, A. Ali, Y. Y. Tsui, and R. Fedosejevs, "A continuous kilohertz Cu Kα source produced by submillijoule femtosecond laser pulses for phase contrast imaging," Appl. Phys. Lett, vol. 93, no. 26, pp. 2008-2010, 2008, doi: 10.1063/1.3046727.

3. L. Martin et al., "Improved stability of a compact vacuum-free laser-plasma X-ray source," High Power Laser Sci. Eng., vol. 8, p. e18, May 2020, doi: 10.1017/hpl.2020.15.).

Изобретение относится к микроскопии, а именно к рентгеновской микроскопии и может применяться, например, для создания проекционного рентгеновского микроскопа для проведения неразрушающего контроля и диагностики структур и процессов с высоким разрешением. Технический результат - обеспечение возможности создания проекционного рентгеновского микроскопа для проведения неразрушающего контроля и диагностики структур и процессов с высоким разрешением. В микрофокусном рентгеновском источнике, содержащем фемтосекундный лазер, зеркало, объектив, установленную на позиционере, снабженном двигателем, мишень и детектор излучения, по ходу лазерного луча установлено диэлектрическое зеркало, которое отражает инфракрасное излучение лазера в сторону мишени и пропускает излучение видимого диапазона в сторону цифровой камеры, за зеркалом по ходу инфракрасного излучения размещен объектив, снабженный соплом для поддувки газом, за которым по ходу инфракрасного излучения размещена на позиционере мишень в форме диска. Мишень обращена к излучению боковой поверхностью и совершает вращательное и возвратно-поступательное движение в направлении оси вращения. Лазер, цифровая камера, детектор рентгеновского излучения и двигатель позиционера подключены к управляющему компьютеру. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микрофокусный рентгеновский источник, содержащий фемтосекундный лазер инфракрасного диапазона, зеркало, объектив, установленную на позиционере, снабженном двигателем, мишень и детектор излучения, отличающийся тем, что по ходу лазерного луча установлено зеркало, которое отражает излучение лазера в сторону мишени и пропускает излучение видимого диапазона в сторону цифровой камеры, за зеркалом по ходу инфракрасного излучения размещен объектив, снабженный устройством подачи газа в область лазерного воздействия, за которым по ходу лазерного луча размещена на позиционере мишень в форме диска, причем к излучению она обращена боковой поверхностью и совершает вращательное и возвратно-поступательное движение в направлении оси вращения, лазер, цифровая камера, детектор рентгеновского излучения и двигатель позиционера подключены к компьютеризированному блоку управления.

2. Микрофокусный рентгеновский источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фемтосекундного лазера использован импульсный волоконный лазер с частотой 100 кГц - 2 МГц и энергией импульса до 25 мкДж.

3. Микрофокусный рентгеновский источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа, поступающего в область лазерного воздействия, используют инертные газы, азот или воздух.

4. Микрофокусный рентгеновский источник по п. 1, отличающийся тем, что мишень выполнена из меди либо из иного металла, предшествующего меди по атомному номеру, включая алюминий, титан, ванадий, хром, железо, кобальт, никель.

5. Микрофокусный рентгеновский источник по п. 1, отличающийся тем, что сопло имеет систему микроканалов и изготовляется с помощью 3Д принтера.