Монохроматор рентгеновского излучения Советский патент 1983 года по МПК G21K1/06 

Изобретение относится к устройствам для управления излучением или частицами (например, фокусировка) с использованием дифракции, отражения и преломления, а именно к устройствам для получения монохроматических пучков рентгеновского излучения фиксированной длины волны, и может применяться в рентгеноспектральном и рентгеноструктурном анализах.

Известны двухкристальные монохроматоры - спектрометры с использованием отражений по Брэггу в обоих кристаллах, установленных раздельно таким образом, чтобы путь луча был компланарным С 1.

Наиболее близким к предлагаемому является монохроматор рентгеновского излучения, выполненный в виде монокристаллического блока, содержащего несколько отражающих поверхностей. Данный монохроматор выполнен в виде системы двух аналогичных прямых параллелепипедов, вырезанных из монокристаллических блоков и ориентированных по отношению к системам отражающих плоскостей таким образом, что

,,m1i .

®n-i вп .

mh т

где Q QO падения и отражения, соответствующие максимальному коэффициенту отражения излучения данной длины волны, для п-1 и п отражающей поверхности многогранника, п - угол между системами отражающих плоскостей, соответствую1цих п-1 и п отражающим поверхностям С.

Недостатком такого монохроматора является малая степень монохроматизации, поскольку отклонение пути луча от компланарной траектории приводит к изменению длины волны, вблизи которой происходит монохроматизация Целью изобретения является достижение высокой степени монохроматизации рентгеновского излучения вблизи фиксированной длины волны.

Указанная цель достигается тем, что в монохроматоре рентгеновского излучения, выполненном в виде монокристаллического -блока, содержащего по крайней iepe, три последовательно отражающих поверхности, отражающие поверхности вырезаны таким образом, что нормали к ним лежат в разных плоскостях.

На фиг. 1 показана геометрическая схема монохроматора, на фиг. 2 - зависимость интенсивности монохроматизированного СдК -излучения от температуры монохроматора.

На фиг. 1 отражающие плоскости (111), (113), (115), (131) монохроматора вырезаны в одном монолитном монокристаллическом блоке таким образом, что расстояние между фокальными точками Р-|Р2 Р но 1 см, на фиг. 2 кружками отмечена интенсивность монохроматизированного пучка, измеренная сцинтилляционным счетчиком в зависимости от температуры через каждые 5 К, а сплошной линией обозначен профиль CoKj. -линии.

0 На фиг. 1 стрелками показан некомпланарный путь луча в монохроматоре при последовательном отражении от плоскостей (111), (113), (115) и (131) в фокальных точках Р , Р„, Р,, и Р.

5 соответственно для монокристалла Si и CoKpL -излучения. Полихроматический расходящийся рентгеновский пучок от рентгеновской трубки или канала синхротрона отражается в фокальной точке

0 Р от плоскостей (111). Спектральный интервал сГА отраженного в точке Р пучка хотя и уменьшается, но остается при этом еще достаточно большим и связан с угловой расходимостью первичного пучка tTQ соотношением сГЛ 2cred4 4 cosQ., из которого следует, что при расходимости первичного пучка спектральный интервал §траженного пучка составляет , А. Последняя

0 величина на три порядка превышает естественную ширину спектральной СоК i линии.

.-г 5,.

ест

5 Однако в фокальных точках Р и Р отразятся только те лучи, которые как по направлению, так и по длине волны одновременно удовлетворяют закон Вульфа-Брэгга в пределах динаQ Мической кривой отражения. Поскольку нормали к отражающим плоскостям не принадлежат одной плоскости, то угловая расходимость выходящего из монохроматора пучка во всех направлениях является малой и не превышает полуширины кривой отражения для наиболее сильного рефлекса (111).

Кристаллографические индексы (hkl) отражающих плоскостей подби310раются таким образом, чтобы закон Вульфс)-Брэгга одновременно выполнялся для всех отражающих плоско-, стей гтри некотором фиксированном значений волны Лр. В этом случае узлы обратной решетки соответствующие кристаллографическим плоскостям долж ны лежать на сфере Эвальда. Поскольку радиус сферы Эвальда обратно пропорционален длине волны, а лежащие на ней узлы обратной решетки не принадлей(ат одной плоскости и тем са-, мым фиксируют радиус этой сферы , то отсюда следует, что последователь ное отражение по некомпланарному пу ти в одном моноблоке возможно только для фиксированной длины волны Q. Поэтому такой монохроматор является хроматическим прибором. Угловая расходимость пучка, вы-, ходящего из такого монохроматора является малой во всех направлениях и не превос; одит угловой ширины кри.вой отражения. Спектральный интервал монохроматизированного излучения также являетс достаточно узким, как в случае трех кристального спектрометра со скрещенными кристаллами. Рассмотрим, как определяется дли на волны До монохроматизированного излучения с учетом преломления. Последовательное отражение от не скольких отражающих плоскостей в од ном моноблоке возможно только в.том случае, когда соответствущие узлы обратной решетки h , I,.F| одновременно лежат на сфере Эвальда радиуса с центром в точке Лоренца о реализуется . случай многоволновой случайной дифракции. Здесь п - показатель преломления рентгеновских лучей. Поско ку все точки на сфере равно удалены от ее центра, то для кубических кристаллов можно записать x2+v2 t72 ЧЛо) О А ( 4VSf) Д 0 YQ, tg, для определения которых достаточно использовать любые три независимые уравнения. iif icbef Таким образом, зная решение системы ( 3), из выражения (1 ) легко найти длину волны (Q, при которой возможны одновременные отражения peHjгеновского пучка от различных кристаллографических плоскостей в одном монокр1Тсталлическом блоке. Согласно изобретению изготовлен опытный образе.ц из монокристаллического слитка S i j выращенного методом Чохраяьского в направлении fllll. П Первоначально из слитка вырезан куб с огранкой размерами 2828х 428 мм. Отражающие плоскости вырезаны согласно фиг. 1, которые в последствии шлифовались абразивными порошками М10, М5 и алмазной пастой АСМ 1-0. После механической обработки отражающих плоскостей монохроматор был подвергнут химической полировке для снятия повреждения слоя. Экспериментальная проверка монохроматора проводилась на рентгеновской установке ДРОН-2,0. Трубка ВСВ-19 (Со). Монохроматор помещался на гониометрическую головку для соответствующей его ориентации и термостатировался в диапазоне температур К с точностью К. Интенсивность монохроматизированного СоК излучения измерялась сцинтилляционным счетчиком. Наблюдаемая на фиг. 2 зависимость интенсивности монохроматизированного излучения от температуры монохроматора объясняется двумя причинами: куполообразным распределением интенсивности CoK-j -линии отXдлины волны, выделение монохроматором узкой спектральной полосы вблизи волны Л о фиксированной уравнением Cl ). Максимум кривой, соответствующей Л|.д. . 1 ,78890 А, достигается при температз ре 328-2К, что дает возможность определить из уравнения (.1 ) паHutTb определи так как Р--етр решетки

где i -1,2,.... ,N-1 ,N - количество узлов на сфере Эвальда. Поставляя выражение (1 ) в (2 ), получим систему N-1 линейных неоднородных уравнений относительно неизвестных хв.

55

Таким образом, с помощью предлагаемого монохроматора можно получить

монохроматизированные пучки рентгеновского излучения заданной длины волны AQ, которая по своим свойствам прибли;жается к модели плоской волны.

Предлагаемый монохроматор.может 5 использоваться в качестве рентгеновского спектрометра, эталона длин волн

для синхротронного излучения рентгеяовского диапазона длин волн, а получаемые с его помощью пучки в областях, как рентгеноструктурный анализ, рентгеновская топография и многоволновая дифракция рентгеновских лучей, рентгеновская метрология.

MOHOXPONATOpPEHTfEHOBCKOТО. ИЗЛУЧЕНИЯ, выполненный в виде монокрйсталг ческого блока, содержащего, по крайней мере три последовательно отражающих поверхности о тличающийс я тем, что, с целью повышения степени монохроматизации излучения вблизи фиксированной длины волны отражающие поверхности вырезаны таким образом что нормали к ним лежат в разных плоскостях.