Способ управления угловой расходимостью рентгеновского излучения Российский патент 2023 года по МПК G01T1/00 G21K1/06 

Изобретение относится к рентгеновской оптике, а более конкретно, к способу контролируемого изменения угловых параметров рентгеновского пучка.

Известен способ управления потоком рентгеновского излучения и система для его осуществления [1]. Для реализации способа применяется система управления потоком рентгеновского излучения, включающая источник рентгеновского излучения и блок управления, состоящий из дифракционной среды и подложки, которая дополнительно снабжена устройством коррекции углового смещения дифракционного пучка. Последняя соединена с компьютером, подключенным к регистрирующей камере. Блок управления снабжен стабилизатором температуры и позиционером, подложка выполнена с чередующимися в ней элементами управления геометрическими параметрами подложки, функционально связанными с физическими параметрами элементов, их геометрическими параметрами и величиной оказываемого на них энергетического воздействия.

Недостатком изобретения является его конструктивная сложность, например, необходимость применения в блоке управления стабилизатора температуры, а также невозможность изменения размеров и формы активного элемента бесконтактным способом.

Известен также способ управления кривизной рабочей поверхности монокристаллической пластины дифракционного блока, обеспечивающей коллимацию рентгеновского пучка [2]. Управление осуществляется кривизной рабочей поверхности монокристаллической пластины в составе дифракционного блока, образованного указанной пластиной, выполняющей функцию дифракционного элемента, на котором происходит дифракция рентгеновского пучка по Брэггу, и приклеенной к пластине пьезоэлемента. Пластина имеет напыленные на обе ее противоположные поверхности плоские электроды, для изгиба указанной монокристаллической пластины вместе с пластиной пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля.

Недостатком изобретения является его недостаточная надежность вследствие применения контактного подвода электропитания через напыленные электроды к монокристаллической пластине, приклеенной к пластине пьезоэлемента, а также сложность изготовления самого дифракционного элемента.

Следует отметить, что в этих способах активные элементы блока управления выполняются в виде монокристаллической или многослойной периодической структуры. Дифракционные параметры рентгеновского пучка модулируются за счет изменения формы и размеров активных элементов блока управления путем создания энергетических (тепловых или электрических) воздействий. В качестве элементов управления, поглощающих внешнее энергетическое воздействие, используются, соответственно, терморасширяемые элементы или пьезоэлементы (в т.ч. пьезокерамика). В конструкции блока управления существуют жестко связанные с активным элементом устройства стабилизации температуры или электропроводящие обкладки. Это обуславливает необходимость предварительно напылять на кристалл токопроводящие электроды и осуществлять физический контакт с источником внешнего воздействия. Такие условия усложняют конструкцию блока управления и обуславливают возможность изменения формы и размеров активного элемента только контактным способом. Кроме того, в случае, когда в качестве поглощающих внешнее энергетическое воздействие элементов управления используется пьезокерамика, необходимо учитывать электромеханический гистерезис.

По числу совпадающих существенных признаков техническое решение [2] выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения. Совпадающим существенным признаком является использование внешнего воздействия на активный элемент для изменения его формы и размеров, и управления за счет этого дифракционными параметрами.

Отличительными признаками являются: использование в качестве внешнего воздействия на активный элемент магнитного поля различной напряженности, применение в качестве активного элемента магнитоупорядоченного монокристалла; использование раздвижной системы на постоянных магнитах для создания внешнего воздействия на активный элемент, а также отсутствие физической связи между активным элементом и системой внешнего воздействия.

Технической задачей изобретения является создание простого и надежного способа управления угловой расходимостью рентгеновского излучения на основе применения эффекта магниитострикции.

Техническим результатом является возможность без дополнительной юстировки других элементов дифрактометра бесконтактным образом управлять угловыми параметрами (сходимостью/расходимостью) рентгеновского излучения, обеспечивая повышение точности измерений.

Поставленная техническая задача и результат достигаются в результате того, что в способе управления угловой расходимостью рентгеновского излучения, включающем воздействие на дифракционный элемент, пучок монохроматичного рентгеновского излучения после прохождения через щелевую диафрагму, подают на дифракционный элемент, в качестве которого применяют магнитоупорядоченный кристалл, установленный в положении максимума дифракционного отражения, и изменяют угловые параметры рентгеновского излучения путем приложения к дифракционному элементу внешнего магнитного поля различной напряженности.

В качестве магнитоупорядоченного кристалла применяют борат железа FeBO₃., а внешнее магнитное поле различной напряженности создают путем использования раздвижной системы на постоянных магнитах, например, двух магнитных прутков Nd₂Fe₁₄B, установленных соосно на определенном расстоянии, которое может прецизионно изменяться.

Существо предложенного изобретения поясняется схемой и графиками, представленными на фигурах:

Фиг. 1 - схема установки, в которой реализуется предлагаемый способ управления угловой расходимостью рентгеновского излучения.

Фиг. 2 - график зависимости внешнего магнитного поля на активном элементе от расстояния между полюсами магнитов.

Фиг. 3 - кривые дифракционного отражения (а, б) и карты обратного пространства для рефлекса 0012 (в, г) кристалла FeBO₃, который был использован в качестве активного элемента для управления угловой расходимостью рентгеновского излучения; (а, в) - без приложения внешнего магнитного поля, (б, г) - при приложении внешнего магнитного поля напряженностью 150 Э.

Установка содержит источник 1 монохроматического рентгеновского излучения, за которым по ходу луча расположена щелевая апертура 2. За последней находится гониометр 3. На гониометре 3 размещен активный элемент 4, установленный между полюсами раздвижной системы 5 на постоянных магнитах. Привод 6 системы 5 обеспечивает изменение расстояния между полюсами системы. На втором гониометре 7 установлен исследуемый образец 8, за которым находится детектор 9 рентгеновского излучения. Способ реализуют следующим образом.

После установки на гониометре 7 исследуемого образца 8, через который пропускают пучок рентгеновского излучения от источника 1, к активному элементу 4 прикладывают магнитное поле различной напряженности путем изменения расстояния между полюсами постоянного магнита системы 5. В результате эффекта магнитострикции изменяются форма и размеры активного элемента 4, и соответственно, его дифракционные свойства. Это позволяет в процессе эксперимента, без дополнительной юстировки других элементов, бесконтактным образом управлять угловыми параметрами (сходимостью/расходимостью) рентгеновского излучения.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Была собрана рентгенооптическая схема, аналогичная представленной на Фиг. 1. В качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом. Для получения монохроматичного излучения использовался высокосовершенный кристалл Si с симметричным срезом (220) и установленный за ним щелевой коллиматор апертурой 0.2 мм. В качестве активного элемента для управления угловыми параметрами рентгеновского излучения был использован кристалл FeBO₃, настроенный на симметричное отражение 0012. Для создания магнитного поля заданной напряженности в объеме кристалла FeBO₃ вблизи него была установлена раздвижная магнитная система на постоянных магнитах Nd₂Fe₁₄B. Напряженность внешнего магнитного поля регулировали за счет изменения расстояния между полюсами магнитов. В качестве модельного образца для исследования был использован высокосовершенный кристалл Si, настроенный на отражение 220 и установленный на позиции анализатора рентгеновского излучения. В качестве детектора использовался точечный сцинтилляционный детектор.

До приложения внешнего магнитного поля полуширина кривой дифракционного отражения, зарегистрированной детектором, составляла 12.8 угл. с., что соответствует угловой расходимости рентгеновского пучка за активным элементом. После приложения магнитного поля напряженностью 150 Э, полуширина кривой дифракционного отражения составляла 9.1 угл. с. Это соответствует уменьшению угловой расходимости рентгеновского пучка на 3.7 угл. с.

Пример 2.

Была собрана рентгенооптическая схема, аналогичная представленной на Фиг. 1. В качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом. Для получения монохроматичного излучения использовался высокосовершенный кристалл Si с симметричным срезом (220) и установленный за ним щелевой коллиматор апертурой 0.2 мм. В качестве активного элемента для управления угловыми параметрами рентгеновского излучения был использован кристалл FeBO₃, настроенный на симметричное отражение 0012. Для создания магнитного поля заданной напряженности в объеме кристалла FeBO₃ вблизи него была установлена раздвижная магнитная система на постоянных магнитах Nd₂Fe₁₄B. Напряженность внешнего магнитного поля регулировалась за счет изменения расстояния между полюсами магнитов. В качестве модельного образца для исследования использован высокосовершенный кристалл Si, настроенный на отражение 220 и установленный на позиции анализатора рентгеновского излучения. В качестве детектора использовался точечный сцинтилляционный детектор.

До приложения внешнего магнитного поля полуширина кривой дифракционного отражения, зарегистрированной детектором, составляла 12.8 угл. с., что соответствует угловой расходимости рентгеновского пучка за активным элементом. После приложения магнитного поля напряженностью 100 Э, полуширина кривой дифракционного отражения составляла 9.5 угл. с. Это соответствует уменьшению угловой расходимости рентгеновского пучка на 3.3 угл. с.

Пример 3.

Была собрана рентгенооптическая схема, аналогичная представленной на Фиг. 1. В качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом. Для получения монохроматичного излучения использовался высокосовершенный кристалл Si с симметричным срезом (220) и установленный за ним щелевой коллиматор апертурой 0.2 мм. В качестве активного элемента для управления угловыми параметрами рентгеновского излучения был использован кристалл FeBO₃, настроенный на симметричное отражение 0012. Для создания магнитного поля заданной напряженности в объеме кристалла FeBO₃ вблизи него была установлена раздвижная магнитная система на постоянных магнитах Nd₂Fe₁₄B. Напряженность внешнего магнитного поля регулировалась за счет изменения расстояния между полюсами магнитов. В качестве модельного образца для исследования был использован высокосовершенный кристалл Si, настроенный на отражение 220 и установленный на позиции анализатора рентгеновского излучения. В качестве детектора использовался точечный сцинтилляционный детектор.

До приложения внешнего магнитного поля полуширина кривой дифракционного отражения, зарегистрированной детектором, составляла 12.8 угл. с., что соответствует угловой расходимости рентгеновского пучка за активным элементом. После приложения магнитного поля напряженностью 50 Э, полуширина кривой дифракционного отражения составляла 9.7 угл. с. Это соответствует уменьшению угловой расходимости рентгеновского пучка на 3.1 угл. с.

Приведенные примеры демонстрируют, что при использовании активного элемента, основанного на явлении магнитострикции - монокристалла бората железа FeBO₃, а также системы постоянных магнитов, установленных на удалении от активного элемента, которые применяются в качестве источника внешнего воздействия, обеспечивается:

■ Высокий коэффициент отражения рентгеновского излучения,

сравнимый с показателями для кристаллов Si.

■ Пренебрежимо малый гистерезис намагниченности.

■ Узкая собственная кривая дифракционного отражения.

■ Выраженный магнитострикционный эффект.

Таким образом, предлагаемое изобретение отличается надежностью, простотой и имеет промышленную применимость.

Источники информации.

1. RU №2 278 432, «Способ управления потоком рентгеновского излучения и система для его осуществления», МПК G21K 1/06, опубл. 20.06.2006.

2. RU №2 719 395 «Способ управления кривизной рабочей поверхности монокристаллической пластины дифракционного блока, обеспечивающей коллимацию рентгеновского пучка», МПК G21K 1/06, опубл. 17.04.2020.

Изобретение относится к рентгеновской оптике. Способ управления угловой расходимостью рентгеновского излучения, включающий воздействие на дифракционный элемент, при этом пучок монохроматичного рентгеновского излучения после прохождения через щелевую диафрагму подают на дифракционный элемент, в качестве которого применяют магнитоупорядоченный кристалл, выполненный из бората железа FeBO₃, установленный в положении максимума дифракционного отражения, и изменяют угловые параметры рентгеновского излучения путем приложения к дифракционному элементу внешнего магнитного поля различной напряженности. Технический результат – повышение точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления угловой расходимостью рентгеновского излучения, включающий воздействие на дифракционный элемент, отличающийся тем, что пучок монохроматичного рентгеновского излучения после прохождения через щелевую диафрагму подают на дифракционный элемент, в качестве которого применяют магнитоупорядоченный кристалл, выполненный из бората железа FeBO₃, установленный в положении максимума дифракционного отражения, и изменяют угловые параметры рентгеновского излучения путем приложения к дифракционному элементу внешнего магнитного поля различной напряженности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внешнее магнитное поле различной напряженности создают путем использования раздвижной системы на постоянных магнитах, например двух магнитных прутков Nd₂Fe₁₄B, установленных соосно на определенном расстоянии, которое может прецизионно изменяться.