Устройство для рентгеновской топографии монокристаллов Советский патент 1984 года по МПК G01N23/20 

111 Изобретение относится к устройствам для изучения структурного совершенства монокристаллов с помощью дифракции рентгеновских лучей. В настоящее время широко применяются устройства для проекционной топографии по Лангу C1 J. В этом устрой стве излучение трубки коллимируется щелевым коллиматором и направляется на исследуемый кристалл под углом Брэгга. Дифрагированный пучок, отделя ется от проходящего выходной щелью и направляется на фотопластинку. Развертка изображения по горизонтали осуществляется одновременным сканиро ванием кристалла и фотопластинки в горизонтальной плоскости с одинаковыми скоростями. В этом устройстве не происходит увеличения изображения и разрешающая способность определяется разрешением фотопластинки; геометрическими параметрами установки, такими как реальные размеры фоку са трубки (0,1-10 мм) и расстояние трубка - кристалл (30-100 см) и крае талл - пластинка (0,5-2 см). Достижимое разрешение составляет единицы микрон и улучшается при увеличении расстояния трубка - кристалл. Время экспозиции при этом растет. Типичное время экспозиции для ядерных пластинок высокого разрешения (300 пар ли НИИ/мм) составляет 5-20 ч.. Устройство Лангу дает удойлетвори тельные результаты по разрешению, но время экспозиции слишком велико для п1 омышленных и исследовательских целей, при этом существенным недостатком является необходимость исцользовамия фотографического прЪцесса Для визуализации изображения, что препят ствует количественному анализу изображений. Стремление уменьшить время экспозиции привело к созданию рентгеновских телевизионных систем визуализации топографических изображений. Такие системы собраны по той же схеме, . но вместо фотопластинки ставится , рентгеновский видикон или обычный видикон с электроннооптическим лреобразователем.. Время экспозиции при этом удается сократить до нескольких минут, но разрешакяцая способность телевизионных систем заметно ниже, чем фотографических и составляет 10-50 мкм. Этого разрешения недостаточно для передачи деталей изображе5ний отдельных дефектов, что ограничивает сферу применения таких систем. Известно также устройство визуализации топографических изображений, в котором развертка изображения осуществляется с помощью сканирующей рентгеновской трубки, а для регистрации применяется детектор с широким окном. Для этого устройства основная трудность - коллимация излучения источника, перемещающегося в пространстве. Эта задача решается с помощью стеклянных капиллярных многоэлементньк коллиматоров t23. Период капиллярной структуры не удается сделать меньше 20-50 мкм, и эта величина определяет разрешение способа,. Наиболее техническим решением к предлагаемому является устройство для рентгеновской топографии монокристаллов, содержащее микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством его перемещения в брэгговском направлении и регистратор излучения 3.J. Недостатком этого устройства является использование фотографической системы регистрации и возможность достижения высокого пространственного разрешения только при достаточном удалении фотопленки от исследуемого монокристалла, т.е. время экспозиции должно быть очень большим. Цель изобретения - улучшение пространственного разрешения топографического изображения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для рентгеновской топографии монокристаллов, содержащем микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством его перемещения в брэгговском направлении и регистратор излучения, в качестве регистратора излучения используют линейный координатный детектор с накоплением изображения во внешнем запоминающем устройстве, входное окно которого сориентировано вдоль антибрэгговского направления, перед входным окном детектора располагают щель, ширина которой выбрана из условия попадания на детектор излуче- . ния с длиной волны выбранной характеристической линии спектра трубки, а соотношения расстояний от источника излучения до держателя и от держателя до детектора равно 1:10. Пространственное разрешение увеличивается за счет увеличения изобра жения в антибрэгговском (вертикальном) направлении аналогично тому, как это делается в рентгеновских теневых микроскопах. В отличие от обычной теневой микроскопии в предла гаемом способе используется не прямо прошедшее излучение, а испытавшее дифракцию на кристаллической решетке Поскольку дифракция характеристических линий спектра трубки наблюдается лишь при определенном угле падения (угле Брэгга), при фиксированном положении источника и кристалла не получается развернутого изображения, дифрагированный пучок пересекает плоскость регистрации по линии Косс я, являющейся отрезком гиперболы или эллипса. Распределение интенсивности вдоль этой линии регистрируется линейным координатным детектором и может рассматриваться как строка изображения. Следующая строка получается после сдвига исследуемого кристалла в брэгговском (горизонталь ном) направлении на расстояние, опре |Деляемое необходимым разрешением в горизонтальном направлении. Накопление изображения осуществляется соответствующей электронной схемой с ана логовым или цифровым запоминаюш 1м устройством, после чего изображение .воспроизводится на телевизионном экране или любом другом средстве визуализации изображений. На фиг. 1 приведена геометрия установки в вертикальной плоскости; на фиг. 2 - то же., в горизонтальной плоскости. Устройство содержит источник 1, кристалл 2, линейный координатньш детектор 3, щель перед детектором 4 экран прямог© пучка 5. - Рассмотрим количественно достижи мые характеристики устройства. Как видно из геометрии (фиг. 2) размыти изображения в плоскости образца, вы званное конечным размером фокуса, и конечным разрешением детектора tg, равно

М б-ЙТёГ -Hlf

ав iпри ..55

Коэффициент увеличения К(). Коэффициент увеличения определяется электронной схемой синтеза изобрад Q : .. et u

. Хср°1

или &г ()v50t, 1 мм получаем бг 50 мм, что легко выполняжения. Разрешающая способность определяется расходимостью дифрагированного пучка лучей Д0 в горизонталь-., ной плоскости. Эта расходимость состоит из двух компонент: естествен-, ной шрфины области отражения от монокристалла , которая оббщно очень мала (порядка 10 рад), и уширения, свя-. занного с немонохроматичностью излучения л /А, которое приводит к уширениюД (д71/Л). ctg0g, где 0g угол Брэгга. Для анализа влияния этого уширения на разрешение предположим, -что фокус точечный и его линейные размеры равны нулю. В соответствии с принципом обратимости хода лучей интенсивность, регистрируемая детектором с широким (в горизонтальном направлении) , окном, равна интенсивности, которая была бы зарегистрирована в точке расположения фокуса трубки, если бы входное окно счетчика было заменено протяженным некогерентным источником. В этом смысле изображение, получаемое в данном устройстве, соответствует изображению, полученному способом Ланга, с источником, помещенным на место детектора. По аналогии со способом Ланга угловое уширениеД© приводит к тому, что изображение размывается в горизонтальном направлении на величину порядка , где 1-1 - расстояние между фокусом и кристаллом, см. Если допустить участие линий Кд( и К(Х2 в формировании изображения, то пoлyчaeмдA. - 10 , см и разрешение составляет 6-10 мкм. Если уменьшить ширину входного окна счетчика с помощью дели 4 (фиг. 2) настолько, чтобы в счетчик попадала только К линия, то (A/I/Л )коС ) мкм при см, и PjA,3 мкм при 6,- 0,5 см, Возможность разделения К - -дублета требует, чтобы на расстоянии Ij. пучка соответствующие Кл,| и Kgcj разошлись на расстояние, большее их собственной ширины, равной приблизитель но . где t - толщина кристалла . Отсюда получаем 5 ется при типичной геометрии съемки по предлагаемому способу. Приведенная оценка размытия изоб ражения обусловлена лишь шириной от ражения Д 0 , к этой величине следует добавить горизонтальный размер фокуса Bf, Окончательно имеем P. + IO.ctgQftCi, что составляет единицы микрон. Дальнейшее повьш1ение разрешения возможно за счет цифровой обработки изображения на ЭВМ, поскольку, зная профиль ..); линии спектра трубки и геометрические размеры установки, нетрудно получить точное математическое описание размытия изображения как в вертикальном,. так и в гор зонтальном направлениях. Цифровая обработка может вестись одновременно с измерениями, не вызывая значительного увеличения времени экспери мента. Рассмотрим теперь интенсивность, регистрируемую единицей площади детектора. Она определяется по формул I-J-S-AlSn P Sj J где Р - рентгеновская мощность тру ки; яркость; площадь фокура; телесный угол;- , засвечиваемая площадь в плоскости детектора. Для Изображения высотой h и шири (в плоскости образца) имеем , , отсюда Аналогичная формула справедлива для способа Ланга с учетом . Следовательно, увеличение изобра жения в К раз приводит к снижению н i тенсивности на единицу площади в К раз при прочих равных параметрах. О нако для правильной оценки чувствиФйЛьностй аддо рассматривать интенсивность не на единицу площади, .а н элемент разревюкня детектора при ус ловии, что и сдортнае разрешение де тектора согласовано с разрешением, определяемым геометрическими параме рами установки. Для устройства по Лангу типичные значения пространственного разрешения как оптической 05 схемы, так и фотоэмульсии согласованы и составляют величину 2-5 мкм, В предлагаемом устройстве разрешение оптической схемы имеет тот же порядок (без цифровой обработки), а разрешение линейного детектора составляет обычно величину порядка 2050 мкм. Согласование по разрешению достигается при выборе коэффициента увеличения К 10-20. При этом площадь элемента разрешения в плоскости детектора «JA равна где oJo--площадь элемента разрешения в плоскости образца. Число зарегистрированных рентгеновских квантов на элементе разрешения определяется теперъ формулой .. Р лв iJo где X. эффективность детектора, т.е. доля регистрируемых квантов из их общего числа. Отношение числа квантов на элементе разрешения в предлагаемом устройстве к тому же параметру в устройстве Ланга дается формулой N Р 1 X NL PJL Ci при одинаковом разрешении. Величины, относящиеся к устройству Ланга, помечены индексом L. Рассмотрим это соотношение при следующх типичных параметрах: Вт, PI,IOOQ Вт, it.i м, . см, ,1%. При этом N/N,,5; Следует отметить, что фотоэмульсии зысокого разрешения имеют эффективность еще ниже 1%, так что указанное отношение следует рассматривать,. как нижнюю границу. Таким образом, регистрация одина-. кового числа рентгеновских квантов йа элемент разрешения при одинаковом разрешении и типичных значениях остальных параметров в предлагаемом устройстве осуществляется примерно в 5 раз быстрее, чем в устройстве Ланга, Предлагаемое устройство может быть реализовано на основе серийно выпускаемой микрофокусной трубки БС-5, имеющей фокус размером 3-5 мкм и мощность 0,6 Вт, а также любого . серийного линейного координатного детектора со стандартными параметрами (разрешение нехуже 100 мкм). Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение мощности (в 1000 раз), габаритов и веса .рейтгеновской установки; исключение фотопроцесса как промежуточного звена между собствен но экспериментом и визуализацией изображения; сокращение общего времени на эксперимент и визуализацию изображения; возможность получения изображения в цифровой форме и дальнейшей его обработки на ЭВМ с целью повышения разрешения, снижения уров1325 10 058 ня помех, а также облегчения его физической интерпретации; принцшшальную возможность практически неограниченного повышения разрешения в результате улучшегая параметров источника, и применения цифровой обработки изображений, что особенно важ:но в связи с тенденцией к уменьшению линейных размеров элементов полупроводниковой электроники.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕНТГЕНОВС- КОЙ ТОПОГРАФИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ, содер .жащее микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством его перемещения в брэгговском направлении и регистратор излучения, отличающееся тем, что, с целью улучшения пространственного разрешения топографического изображения, в качестве регистратора излучения использован линейный координатный детектор с накоплением изображения во внешнем запоминающем устройстве, . входное окно которого ориентировано вдоль антибрэгговского направления, перед входным окном детектора распо§ ложена щелевая диафрагма, ширина щели которой выбрана из условия попадания на детектор излучения с длиной волны выбранной характеристической линии спектра трубки, а соотношение расстояний от источника излучения до ;держателя и от держателя до детектора равно 1:10. 00 ю to о ел