ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ПРЕЛОМЛЯЮЩЕЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ

G01N 23/00
ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ПРЕЛОМЛЯЮЩЕЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ
Полезная модель относится к технике исследования и испытания устройств рентгеновской оптики и может быть использована при разработке новых, а также для контроля и метрологического обеспечения существующих элементов преломляющей рентгеновской оптики.
Рентгеновское излучение обладает длиной волны примерно 1 ангстрем (десятая часть нанометра), но из-за аберрации (ошибки или погрешности изображения в оптической системе, вызываемые отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе) и ограниченности числовой апертуры рентгеновской оптики пока удается получать изображения с разрешением лишь несколько десятков нанометров. Поэтому больший интерес представляют элементы рентгеновской оптики, позволяющие производить фокусировку жесткого рентгеновского излучения в пятна нужного размера. Задача управления рентгеновским пучком и его фокусировки в области 0,01-1 нм с помощью рентгеновской оптики, является крайне актуальной. Разработка и создание рентгеновской оптики, которая могла бы оказаться пригодной не только для фокусировки излучения, но и для формирования изображения объектов в рентгеновских лучах - перспективное направление. Особую важность имеет выбор не только материала для такой оптики, но и методика ее изготовления, а также проведение большого количества расчетов рентгенооптических параметров фокусирующих систем и получение определенного опыта работы по практическому использованию. Однако для проведения всех испытаний необходимо рентгеновское излучение с определенными параметрами.
Известен рентгеновский измерительно-испытательный комплекс (Патент на полезную модель РФ 28552, опубликован 27.03.2003) для исследований в рентгеновском диапазоне излучения одновременно на нескольких аналитических установках, содержащий источник излучения, каналы транспортировки излучения к аналитическим установкам и аппаратуру аналитических установок, в котором, в качестве источника излучения, содержит рентгеновскую трубку, по меньшей мере, один канал транспортировки излучения к аналитическим установкам, содержит рентгеновскую линзу, установленную и выполненную с возможностью захвата части расходящегося излучения рентгеновской трубки и преобразования его в квазипараллельный пучок.
Недостатком известного устройства является недостаточная функциональность устройства, в частности отсутствие автоматизации настройки устройства для различных методов измерений, а также отсутствие в ее составе аналитических блоков, позволяющих исследовать оптические характеристики преломляющей рентгеновской оптики, в том числе такие как:
-эффективность фокусировки преломляющей рентгеновской оптики;
-обнаружение наличия аберрации и дефектов;
-фокусное расстояние,
-эффективная апертура,
-глубина фокуса,
-параметра усиления плотности рентгеновского потока
-параметры параболичности.
автоматизации изменения ширины щели, а также необходимость высокоточной обработки четырех ребер, образующих щель при вращении устройства.
Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является разработка автоматизированного устройства для измерения оптических характеристик элементов рентгеновской оптики, в частности таких как:
-эффективность фокусировки преломляющей рентгеновской оптики;
-обнаружение наличия аберрации и дефектов;
-фокусное расстояние,
-эффективная апертура,
-глубина фокуса,
-параметра усиления плотности рентгеновского потока
-параметры параболичности.
Технический результат достигается в автоматизированном устройстве, содержащем в своем составе вибрационно-устойчивую оптическую платформу, мехатронный модуль оптической оси, источник рентгеновского излучения, автоматизированный блок монохроматизации, автоматизированный блок крепления и юстировки элемента преломляющей рентгеновской оптики, детекторный блок.
Предпочтительно в качестве источника рентгеновского излучения использовать микрофокусный сверхяркий лабораторный источник рентгеновского излучения.
Предпочтительно использовать оптическую платформу, состоящую из опорной сварной конструкции и гранитного стола для обеспечения высокой стабильности к внешним вибрациям.
Предпочтительно выполнение блоков устройства в виде моторизированных башен, обеспечивающих автоматизированное позиционирование в двух координатах горизонтальной плоскости, один механизм позиционирования по вертикали и один механизм поворота вокруг вертикальной оси.
В одном из вариантов устройство комплектуется дополнительно блоком рентгеновской высокоразрешающей фазовой микротомографии, на котором крепится и позиционируется образец, таким образом, что он вращается, для записи серии проекции, которые используются для томографического восстановления,
В одном из вариантов устройство комплектуется дополнительно блоком проекционной рентгеновской микроскопии, на котором крепится и позиционируется образец, таким образом, что имеется возможность плавного его перемещения вдоль оптической оси пучка для нивелирования увеличения
Предпочтительно чтобы блок крепления и юстировки элемента преломляющей рентгеновской оптики обеспечивал возможность быстрой смены элемента преломляющей рентгеновской оптики без дополнительной юстировки
Предпочтительно исполнение блока монохроматизации на основе рентгеновского многослойного и полированного зеркала.
Предпочтительно включение в состав блока монохроматизации сканирующей ножевой диафрагмы для того, чтобы путем сканирования измерять размер и топологию субмикронных рентгеновских пучков.
Предпочтительно включение в состав блоков нескольких моторизированных механизмов, каждый из которых обеспечивает позиционирование и/или поворот в определенной плоскости.
На фиг 1. показан общий вид устройства.
На фиг.2 показана схема фокусировки элемента преломляющей рентгеновской оптики на стенде.
На фиг.3 показана схема проекционной рентгеновской микроскопии элемента преломляющей рентгеновской оптики на стенде.
На фиг.4 показана схема рентгеновской высокоразрешающей фазовой микротомографии элемента преломляющей рентгеновской оптики на стенде.
На фиг.5 показан мехатронный модуль оптической оси, установленный на вибрационно-устойчивой оптической платформе.
Испытательный стенд для преломляющей рентгеновской оптики работает следующим образом.
Принцип работы устройства основан на взаимодействии когерентного рентгеновского излучения с объектом. При этом взаимодействие определяется процессами взаимодействия рентгеновских фотонов с электронами атомов и молекул вещества объекта. Основную информацию получают за счет детектирования результатов этих взаимодействий.
На вибрационно-устойчивую оптическую платформу 1 установлен мехатронный модуль оптической оси 2, источник рентгеновского излучения 3, автоматизированный блок монохроматизации 4, автоматизированный блок крепления и юстировки элементов преломляющей рентгеновской оптики 5, детекторный блок 6, блок рентгеновской высокоразрешающей фазовой микротомографии 7, на котором крепится и позиционируется образец, таким образом, что он вращается, для записи серии проекции, которые используются для томографического восстановления, блок  проекционной рентгеновской микроскопии 8, на котором крепится и позиционируется образец, таким образом, что имеется возможность плавного его перемещения вдоль оптической оси пучка для измерения увеличения. При этом оптическая платформа 1, состоит из каркаса 9 и гранитного стола 10 для обеспечения высокой стабильности к внешним вибрациям. Каркас 9 вибрационно-устойчивой оптической платформы 1 изготовлен из двутавровых металлических балок 20а с параллельными гранями полок, произведенный согласно стандарту ГОСТ 26020. Высота двутавра 20а равняется 200 мм, ширина полки - 110 мм, толщина стенки - 5.2 мм, средняя толщина полки - 8.6 мм, радиус внутреннего закругления не более 9.5 мм, радиус закругления полки не более 4 мм. Гранитный стол 10 выполнен из полированной гранитной плиты с высокой плоскостностью и плоскопараллельностью сторон размерами 3х1х0,2м, с отверстиями глубиной 2 см, диаметром 16 мм. Плита установлена на каркас 9 через специальные антивибрационные демпферы. Эффективность виброизоляции при частоте возмущений 10 Гц (вертикальная и горизонтальная) - 90-97 %, эффективность виброизоляции вертикальная при частоте возмущений 5 Гц - 70-85%, эффективность виброизоляции вертикальная при частоте возмущений 5 Гц - 75-90%. Давление в виброизоляторах 550кПа. В качестве источника рентгеновского излучения 3 использован лабораторный источник MetalJet-JXS-D2 (производитель Excillum AB, Swedish corporation) с рекордными характеристиками фокусировки и яркости пучка рентгеновского излучения. Достижение этих характеристик обусловлено применением технологии жидкого анода. Источник имеет четыре независимых канала вывода пучков рентгеновского излучения. Каждый канал оборудован индивидуальной системой управления излучением, что предусматривает возможность одновременного подключения и использования до четырех независимых модулей. Мехатронный модуль оптической оси 2, состоит из прецизионных рельсовых направляющих повышенного класса точности, содержит шарико-винтовую передачу с преднатягом для преобразования вращательного движения в поступательное. В мехатроном модуле оптической оси 2 использованы каретки повышенной нагрузочной способности, а все перемещения моторизированы сервоприводами и управляются с помощью компьютера с помощью специально разработанного для этого программного обеспечения, кроме того, в нем устанавливаются датчики положения, которые позволяют определять текущее положения позиционеров в любой момент времени с точностью линейного позиционирования вдоль осей X,Y,Z не хуже 0,1 мкм, и углового позиционирования не хуже 0,001 углового градуса. Механизмы грубого перемещения реализованы на рельсовых шариковых линейных направляющих. Вдоль всей продольной оси установлены рельсовые направляющие 11 повышенной точности - по одной с каждой стороны. Блоки 5, 6, 7 и 8 устройства выполнены в виде моторизированных башен с закрепленными на них элементами схемы эксперимента. Башни содержат механизированные два механизма позиционирования в двух координатах горизонтальной плоскости, один механизм позиционирования по вертикали и один механизм поворота вокруг вертикальной оси. На каждой башне крепится тот или иной элемент схемы эксперимента. Каждый из блоков 5, 6, 7 и 8 закрепляется в устройстве на соответствующих каретках 12, 13, 14 и 15 мехатроного модуля оптической оси 2. Блок монохроматизации 4 имеет в своем составе сканирующую ножевую диафрагму для того, чтобы путем сканирования измерять размер и топологию субмикронных рентгеновских пучков. Блок крепления и юстировки элемента преломляющей рентгеновской оптики 5 обеспечивает возможность быстрой смены элемента преломляющей рентгеновской оптики без дополнительной юстировки. Детекторный блок 6, содержит высокоразрешающую рентгеновскую камеру, с размером эффективного пикселя не меньше 6.5 мкм, высокочувствительную рентгеновскую камеру, с размером эффективного пикселя не меньше 55 мкм, энергодисперсионный рентгеновский детектор, позволяющий регистрировать спектр рентгеновского излучения в диапазоне от 5 КэВ до 80 КэВ, и обеспечивает позиционирование этих рентгеновских камер относительно оптической оси стенда.
Для проведения испытаний рентгеновской преломляющей оптики на стенде используются несколько основных схем.
В схеме фокусирования, представленной на фиг.2, исследуемый набор элементов преломляющей рентгеновской оптики 16 помещается на башню 5 между источником рентгеновского излучения 3 и детекторным блоком 6 согласно уравнению тонкой линзы
где а - расстояние от источника до линзы,
b - расстояние от линзы до детектора,
f - фокусное расстояние испытываемой ПРО.
Элементы преломляющей рентгеновской оптики 16 в такой схеме формирует изображение микрофокусного источника 3 на детекторе 6. Полученное изображение после этого обрабатывается и анализируется. В такой схеме могут быть определены следующие параметры элементов преломляющей рентгеновской оптики 16:
- Параметр усиления плотности рентгеновского потока.
- Коэффициент увеличения линзы.
- Размер эффективной апертуры.
- Фокусное расстояние.
- Глубина фокуса.
В схеме проекционной рентгеновской микроскопии, представленной на фиг.3, каждый элемент преломляющей рентгеновской оптики 16 устанавливается на расстоянии a более 50 см от источника 3, а детектор 6 на расстоянии более 1м для формирования четкого увеличенного изображения исследуемого объекта.
Фактор увеличения M в этой схеме определяется формулой
В такой схеме могут быть определены следующие параметры элемента преломляющей рентгеновской оптики 16:
-Рентгеногомогенность
-Отсутствие или наличие дефектов
-Внутренняя микроструктура
В схеме рентгеновской высокоразрешающей фазовой микротомографии, представленной на фиг.4, каждый элемент преломляющей рентгеновской оптики устанавливается на расстоянии более 50 см от источника, а детектор на расстоянии более 1 м для формирования четкого увеличенного изображения исследуемого объекта. Главное отличие этой схемы от предыдущей - наличие высокоточного поворотного механизма, обеспечивающего поворот исследуемого элемента преломляющей рентгеновской оптики с точностью не менее 0,01, без биений оси вращения более чем 0,001 градуса. Для каждого элемента преломляющей рентгеновской оптики на камеру записывается не менее 360 проекций, которые используются для создания воксельной модели объекта в программной среде VG Studio (http://www.volumegraphics.com/en/). Потом по воксельным моделям определяют соответствие каждого элемента преломляющей рентгеновской оптики идеальной, математически выверенной, поверхности рефракционной линзы.
В такой схеме могут быть определены следующие параметры элемента преломляющей рентгеновской оптики 16:
-Радиус кривизны параболоида поверхности
-Соосность вершин параболоидов
-Наклон параболоидов относительно опорной поверхности рефракционной линзы
-Длина и совершенство перешейка меду параболоидами
Модульная сборка и взаимное позиционирование моторизированных башен с размещенными на них отдельными элементами преломляющей рентгеновской оптики относительно оптической оси рентгеновского пучка образуют универсальный рентгенооптический стенд для проведения экспериментов по фокусированию рентгеновского излучения, рентгеновской проекционной микроскопии, рентгеновской высокоразрешающей фазовой микротомографии. Таким образом, реализуется технический результат полезной модели.
Применение данной полезной модели позволит оптимизировать процесс рентгеновского исследования различных объектов и перейти от традиционной оценочной аналитики объектов и структур к метрологической системе рентгенооптических измерений.