ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
HIGH-FREQUENCY ACOUSTO-OPTICAL X-RAY MODULATOR

Изобретение относится к области научного приборостроения и может использоваться для управления временной структурой пучка рентгеновского излучения, например для создания прибора, позволяющего проводить исследования быстропротекающих процессов с временным разрешением до 5 пикосекунд, что актуально в современных материаловедческих и биологических исследованиях; в качестве затворов на лабораторных источниках рентгеновского излучения; а также для реализации рентгеновского канала передачи информации.
Известен механический модулятор рентгеновского излучения, изготовленный на основе турбины турбомолекулярного насоса, которая вращается с очень высокой скоростью [Gembicky P., Fast X-ray Chopper for single bunch selection. //. J.Synchrotron Rad. - 2005. - V.12. - P.665-669]. На оси турбины находится диск, на краях которого прорезаны отверстия. Частота вращения турбины составляет ƒ=998,4 Гц, что соответствует угловой скорости вращения диска 1060 м/с.Размер отверстия составляет 150 мкм, что соответствует времени прохождения отверстия через пучок рентгеновского излучения 141 не, а временное расстояние между центрами соседних отверстий составляет 659 не. Данное устройство может быть использовано для процессов, с временным разрешением не менее 800 не.
Существенный недостаток данного высокоскоростного модулятора связан с необходимостью синхронизации вращения диска с собственной временной структурой синхротронного излучения, что является очень сложным процессом. Стоимость данного высокоскоростного селектора импульсов рентгеновского излучения сегодня превышает 1400000 евро. Данный высокоскоростной селектор не является мобильным устройством и не может подстраиваться под конкретные условия экспериментов и временные характеристики и частоты процессов. В настоящее время, данное устройство используется исключительно для визуализации периодических процессов с фиксированной частотой повторения. Также следует отметить быстрый механический износ вращающихся частей высокоскоростного селектора, так как скорость вращения составляет -40000 оборотов/мин. Соответственно ежегодно требуется замена механизма вращения.
Известен принятый за прототип высокочастотный акустооптический модулятор рентгеновского излучения [Roshchupkin D.V., Brunei М., Time modulation of an X-ray beam by surface acoustic waves. // Rev. Sci. Instrum. - 1993. - V.64. - P.379-382.], состоящий из пьезоэлектрической подложки длинной не менее 6 см с сформированным на ней преобразователем высокочастотного электрического сигнала в ультразвуковую волну, закрепленной на держателе, обеспечивающем крепление всего устройства, по месту использования а так же снабженном контактными площадками для подключения источника высокочастотного электрического сигнала. Причем пьезоэлектрическая подложка выполнена из материла, обладающего с одной стороны высокой эффективностью возбуждения ультразвука, а с другой обеспечивающего минимальное затухание ультразвука на всей длине взаимодействия акустической волны с пучком рентгеновского излучения на длине не менее 5 см. В результате распространения акустической волны, на поверхности кристалла возникает рельеф, который формирует синусоидальную дифракционную решетку с периодом, равным длине акустической волны. В случае зеркального отражения электромагнитной волны от такой решетки будет наблюдаться явление дифракции, в результате которого часть излучения перенаправляется в дифракционные сателлиты
Однако зеркальное отражение излучения рентгеновского диапазона длин волн может происходить при достаточно малых углах падения ~ 0,5°. Таким образом, даже при небольшой величине поперечного сечения пучка рентгеновского излучения область взаимодействия акустической волны и рентгеновского излучения будет достаточно большой. Это накладывает существенные ограничения на скорость модуляции, крутизну фронта сигнала. Кроме того, для эффективного использования рентгеновского модулятора подобной конструкции, его оптическую схему необходимо дополнить системой юстировки щелей на выходе из модулятора для того, чтобы конечному пользователю приходил сигнал только от одного дифракционного порядка.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания простого и недорогого мобильного устройства, подстраивающегося под конкретные условия экспериментов как временных характеристик, так и частоты процессов, которое может быть использовано для процессов, протекающих за экстремально короткие времена.
Поставленная задача решается предлагаемым высокочастотным акустооптическим модулятором рентгеновского излучения., состоящем из пьезоэлектрической подложки с сформированным на ней преобразователем высокочастотного электрического сигнала в ультразвуковую волну, закрепленной на держателе, обеспечивающем крепление всего устройства, по месту использования и снабженном контактными площадками для подключения источника высокочастотного электрического сигнала.
2
Новизна предлагаемого модулятора заключается в том, он имеет второй преобразователь высокочастотного электрического сигнала в ультразвуковую волну, при этом преобразователи сформированы так, что ультразвуковые волны могут быть запущены во встречных направлениях и расположены на расстоянии, обеспечивающем достижение максимальной амплитуды ультразвуковой волны в промежутке между преобразователями, а пьезоэлектрическая подложка выполнена из материла, обеспечивающего максимальную эффективность Брэгговской дифракции рентгеновского излучения и обладающего термостабильностью акустических свойств, обеспечивающей постоянное значение скорости распространения акустических волн в материале при повышении температуры, кристалла, вызываемого поглощением рентгеновского излучения, радиационной стойкостью, и имеет площадь не менее 1 см.
Наиболее оптимально использовать в качестве таких материалов подложки кристаллы кварца, а так же кристаллы группы галлосиликата лантана, такие как галлосиликат лантана (лангасит), галлосиликат тантала-лантана (лангатат) и т.п.
Предлагаемая конструкция высокочастотного акустооптического модулятора рентгеновского излучения благодаря использованию Брэгговской дифракции позволяет существенно увеличить угол падения рентгеновского излучения и, тем самым, на порядок уменьшить область взаимодействия пучка рентгеновского излучения и с ультразвуковой волной, что приводит к реализации нового неизвестного ранее принципа работы акустооптического модулятора, позволяющего получить не только эффект синхронизации времени прилета единичного импульса рентгеновского излучения с началом исследуемого процесса и его окончанием. Таким образом, взаимодействие рентгеновского излучения с исследуемым объектом или явлением будет происходить только в определенные моменты времени, задаваемые экспериментатором благодаря использованию высокочастотного акустооптического модулятора рентгеновского излучения. Кроме того, использование высокочастотного акустооптического модулятора рентгеновского излучения позволит получать практически любую временную форму импульса рентгеновского излучения, так как интенсивность дифрагированного пучка зависит от амплитуды акустической волны, что важно при проведении исследований процессов, инициируемых рентгеновским излучением.
Принцип работы предлагаемого высокочастотного акустооптического модулятора рентгеновского излучения заключается в следующем. Распространение акустической волны в кристалле вызывает периодическую деформацию кристаллической решетки, формируя в кристалле дополнительные узлы в обратном пространстве. В результате на кривой качания кристалла, промодулированного ультразвуком, появляются дополнительные пики (дифракционные сателлиты), причем угловое расстояние между пиками зависит только от длины волны ультразвука (обратно пропорционально) и межплоскостного расстояния кристалла (прямо пропорционально). Таким образом, в случае, когда угловое расстояние между нулевым и отличным от нулевого дифракционными сателлитами больше, чем ширина кривой качания кристалла не подвергнутого воздействию ультразвуковой волны, отвернув кристалл в угловое положение, соответствующее дифракционному сателлиту, отличному от нулевого, при включении ультразвука рентгеновское излучение будет отражаться от кристалла, а при отсутствии ультразвука - не будет. Частота модуляции зависит расстояния, которое необходимо пройти акустической волне от начала до конца участка, освещенного рентгеновским пучком на поверхности кристалла. Чем меньше область засветки, тем большей частоты модуляции можно достичь.
Материалы, обладающие высокой термостабильностью акустических свойств известны и широко используются в различных акустоэлектронных устройствах. В первую очередь к ним можно отнести малочувствительные пьезоэлектрические датчики, а так же высокотемпературные датчики на поверхностных акустических волнах. В то же время, данные материалы никогда не применялись для пространственного или временного манипулирования пучками рентгеновского излучения по причине относительно невысокого совершенства их кристаллической структуры.
В результате проведенных исследований, нами было обнаружено что материалы, которые помимо высокой термостабильности акустических свойств обладают так же и высоким совершенством кристаллической структуры, такие как известные в настоящее время кристаллы кварца, а так же кристаллы группы лантан-галлиевого силиката, например лангасит, лангатат и т.п., позволяют создать акустооптический модулятор рентгеновского излучения превосходящий существующие аналоги как по техническим характеристикам (амплитуда и частота модуляции; быстрота срабатывания), так и по стоимости изготовления (меньшая площадь подложки быстрота срабатывания в первом случае, отсутствие необходимости изготовления массивных деталей с высокой точностью в втором случае).
На фиг.1 приведено схематичное изображение рабочего элемента акустооптического модулятора рентгеновского излучения
На фиг.2 приведена оптическая схема акустооптического модулятора рентгеновского излучения
Акустооптический модулятор рентгеновского излучения состоит из (фиг.1) пьезоэлектрической подложки - 1 с сформированным на ней преобразователями высокочастотного электрического сигнала в ультразвуковую волну - 2, закрепленной на держателе - 3, обеспечивающем крепление всего устройства, по месту использования и снабженном контактными площадками - 4 для подключения источника высокочастотного электрического сигнала. Крепление модулятора по месту использования осуществляется при помощи отверстий - 5, передача высокочастотного электрического сигнала на встречно-штыревые преобразователи электрического сигнала осуществляется посредством проводов - 6.
Оптическая схема подключения акустооптического модулятора рентгеновского излучения (фиг.2) содержит последовательно расположенные: источник рентгеновского излучения - 7, входную щель - 8, блок монохроматоров - 9, выходную щель блока монохроматоров - 10, рабочий элемент рентгеновского акустооптического модулятора - 11 и коллимирующую щель - 12.
Б
Б
Модулятор работает следующим образом: Рентгеновское излучение, сколлимированное щелями 8, 10 и монохроматизированное блоком монохроматоров 9 падает под углом + ( - угол Брэгга,  угловая отстройка, определяемая выражением =d/ где d - межплоскостное расстояние используемой пьезоэлектрической подложки,  - длина волны ультразвука, распространяющегося по поверхности пьезоэлектрической подложки) на участок рабочего элемента рентгеновского акустооптического модулятора 11, расположенный между двумя встречно-штыревыми преобразователями электрического сигнала. В случае, если на них не подается электрический сигнал, через щель 12 не проходит никакого излучения. При подаче на встречно-штыревые преобразователи высокочастотного электрического сигнала такого, что на поверхности пьезоэлектрической подложки возбуждается акустическая волна с длиной волны , через щель 6 будет проходить дифрагированное рентгеновское излучение. Временная характеристика включения, выключения и амплитуды высокочастотного электрического сигнала будет определять временную характеристику излучения, проходящего через щель 11.
Высокочастотный электрический сигнал подается на контактные площадки 4. По проводам 6 он подводится к встречно-штыревым преобразователям 2, расположенным на расстоянии, обеспечивающем возбуждение в промежутке между ними акустической волны с максимальной амплитудой. В результате в промежутке между встречно-штыревыми преобразователями будет возбуждаться акустическая волна в соответствии с временной характеристикой включения, выключения и амплитуды высокочастотного электрического сигнала. Расстояние между встречно-штыревыми преобразователями максимальную определяет частоту повторения рентгеновских импульсов. Данное растояние зависит от материала, использующегося в качестве пьезоэлектрической подложки. Испытанный экспериментально образец акустооптического модулятора рентгеновского позволил достичь повторения рентгеновских импульсов с частотой 300 МГц.
3
3
2
14
Экспериментальный образец акустооптического модулятора рентгеновского излучения был изготовлен на основе пьезоэлектрической подложки, изготовленной из монокристалла галлосиликата тантала-кальция (CaTaGaSiO) с высоким совершенством кристаллической структуры. Размеры монокристаллической подложки составляли 8×16×1 мм. Испытания экспериментального образца акустооптического модулятора рентгеновского излучения продемонстрировали, что
1. с использованием разработанного прибора на лабораторном источнике рентгеновского излучения были получены импульсы рентгеновского излучения с длительностью от 0,1 мкс;
2. скорость включения и выключения акустооптического модулятора на лабораторном источнике рентгеновского излучения составила 48 нс;
3. длительность импульсов рентгеновского излучения на источнике синхротронного излучения составила 10 пс;
4. скорость передачи бинарной информации в рентгеновском диапазоне длин волн составила 10 Мбит/с
Как видно из приведенных примеров, предлагаемый модулятор:
- позволяет получать любые формы импульсов рентгеновского излучения с частотой повторения до 300 МГц и длительностью до 50 наносекунд;
- является адаптивным и легко синхронизирующимся с собственной временной структурой источника синхротронного излучения, что позволит проводить исследования с временным разрешением 5 пикосекунд.
- повышает безопасность и точность проводимых исследований при применении в качестве затворов на лабораторных источниках рентгеновского излучения, за счет принципиального сокращения временных интервалов включения- выключения источника рентгеновского излучения.
Большой потенциал применения данного прибора связан с возможностью реализации рентгеновского канала передачи информации.