Устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка с её настройкой

Полезная модель относится к рентгеновской оптике и может быть использована в оборудовании для настройки коллимации и фокусировки рентгеновского излучения на основе корректировки кривизны рабочей поверхности (на которой происходит дифракция рентгеновского пучка по Брэггу) используемой в качестве дифракционного элемента монокристаллической пластины, например, в рентгеновской микроскопии, рентгеновской спектроскопии, в дифрактометрах, а также в астрономии, физике, биологии, медицине и других областях.
В оборудовании для коллимации или фокусировки рентгеновского пучка, обеспечивающем сходимость рентгеновского пучка в соответствии с указанными условиями сходимости рентгеновского пучка, необходима настройка сходимости рентгеновского пучка, которая связана с высокими требованиями к геометрической форме цилиндрического параболоида или эллипсоида и отклонение их формы от заданной в зависимости от спектрального диапазона, как правило, не должно превышать долей или нескольких ангстрем.
Известна конструктивно-технологическая база настройки коллимации или фокусировки рентгеновского пучка, основанная на использовании брэгговского слоя в дифракционной кристаллической среде при управлении сходимостью рентгеновского пучка. Дифракционная кристаллическая среда при этом сформирована в виде дифракционного элемента, закрепленного на подложке и имеющего рабочей профиль, задающий сходимость рентгеновского пучка в соответствии с требованиями режима его коллимации или фокусировки.
Так известен входящий в состав системы управления потоком рентгеновского излучения путем локальных энергетических воздействий на дифракционную среду и подложку (см. описание изобретения «Способ управления потоком рентгеновского излучения и система для его осуществления» по патенту РФ №2278432, G21K 21/06, 2006) блок корректировки кривизны рабочей поверхности дифракционной среды в частном исполнении в виде кристаллической пластины Si и подложки, которые представляют собой в итоге изогнутую под коллимацию или фокусировку упругую составную пластину с усложняющими ее конструкцию встроенными в подложку активными пьезоэлементами для дополнительной настройки сходимости рентгеновского пучка, но в связи с указанными конструктивными отличиями исполнения подложки с пьезоэлементами данный аналог с блоком корректировки не противоречит новизне описываемого ниже предлагаемого в качестве полезной модели устройства для управления сходимостью рентгеновского пучка с ее настройкой и является отдаленным аналогом, который некорректен для сравнения в качестве прототипа указанной полезной модели без раскрытия крепления кристаллической пластины Si к подложке, что существенно в связи с особенностями выполнения указанного крепления на основе использования клеевого слоя в предлагаемой полезной модели.
Более эффективно известное устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка (см. описание изобретения «Устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка и способ изготовления дифракционного блока в составе указанного устройства (варианты)» по патенту РФ №2601867, G21K 1/06, 2016), основанное на технологии склейки составных частей дифракционного блока под коллимацию или фокусировку дифракционного блока и содержащее дифракционный блок, состоящий из дифракционного элемента, выполненного в виде монокристаллической пластины, приклеенной к подложке, причем монокристаллическая пластина и подложка имеют толщины и исходные до приклеивания формы, подобранные для получения рабочего профиля дифракционного элемента, образуемого профилем рабочей поверхности используемой в качестве дифракционного элемента монокристаллической пластины, задаваемым кривизной ее рабочей поверхности, и соответствующего заданному условию сходимости рентгеновского пучка, за счет одновременного изгиба монокристаллической пластины и подложки в результате усадки клеевого слоя при его затвердевании, и контактирующее с указанным дифракционным блоком средство корректировки кривизны полученного в результате указанной усадки рабочего профиля поверхности дифракционного элемента для настройки требуемой сходимости рентгеновского пучка, выполненное в виде средства изменения температуры дифракционного блока (имеющего исполнение, совмещенное со стабилизатором температуры дифракционного блока в виде элемента Пельтье с водоблоком) для корректировки кривизны рабочего профиля поверхности дифракционного элемента, приводящей к настройке требуемой сходимости рентгеновского пучка, за счет одновременного изгиба подложки, затвердевшего клеевого слоя и монокристаллической пластины в результате изменения температуры дифракционного блока из-за разницы коэффициентов температурного расширения материалов указанных составных частей дифракционного блока.
Однако указанный второй аналог, выбранный в качестве прототипа предлагаемой полезной модели, недостаточно стабилен и оперативен в эксплуатации в связи с пониженной надежностью контроля температурного управления сходимостью рентгеновского пучка и низкой скоростью изменения при этом кривизны рабочего профиля поверхности дифракционного элемента.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - разработка устройства для управления сходимостью рентгеновского пучка, характеризующегося повышенной стабильностью и скоростью настройки рабочего профиля поверхности дифракционного элемента, соответствующего условию сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации или фокусировки рентгеновского излучения и входящего в состав дифракционного блока, представляющего собой трехслойный изгибной модуль, состоящий из монокристаллической пластины, затвердевшего клеевого слоя и пластины пьезоэлемента, изогнутыми в результате затвердевания клеевого слоя с заданной кривизной рабочей поверхности монокристаллической пластины полученного таким образом рабочего профиля поверхности дифракционного блока (толщина слоев напыленных электродов незначительна, в связи с чем их вклад в изменение кривизны поверхности монокристаллической пластины можно не учитывать), на основе настраиваемого изменения кривизны рабочей проверхности монокристаллической пластины с помощью электрического поля за счет выполнения подложки в виде пластины пьезоэлемента.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для управления сходимостью рентгеновского пучка, содержащем дифракционный блок, состоящий из дифракционного элемента, выполненного в виде монокристаллической пластины, приклеенной к подложке, причем исходные монокристаллическая пластина и подложка имеют до приклеивания толщины и формы, подобранные для получения рабочего профиля дифракционного элемента, образуемого профилем рабочей поверхности монокристаллической пластины и соответствующего заданной сходимости рентгеновского пучка, за счет одновременного изгиба монокристаллической пластины и подложки в результате усадки клеевого слоя при его затвердевании, и контактирующее с указанным дифракционным блоком средство корректировки кривизны изогнутой в результате указанной усадки рабочей поверхности монокристаллической пластины для настройки заданной сходимости рентгеновского пучка, подложка изготовлена в виде пластины пьезоэлемента, изготовленной из пьезокристалла или пьезокерамики, а упомянутое средство корректировки кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины выполнено в виде металлических электродов, предварительно напыленных на обе противоположные поверхности пластины пьезоэлемента и подключенных с источнику электрического напряжения для воздействия на пластину пьезоэлемента электрическим полем, приводящего к одновременному изгибу предварительно приклеенных друг к другу указанным выше образом монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента.
В частных случаях выполнения предлагаемого устройства:
для корректировки рабочего профиля поверхности дифракционного элемента при настройке сходимости рентгеновского пучка в режиме его коллимации указанный дифракционный элемент выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в виде прямоугольника плоскопараллельной монокристаллической пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя эпоксидной смолы ЭД-6 толщиной 100 мкм к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей основание в виде прямоугольника плоскопараллельной пластине пьезоэлемента толщиной 1.0 мм, с формированием в результате усадки указанного клеевого слоя после его затвердевания параболического профиля рабочей поверхности указанной монокристаллической пластины и получением радиусов кривизны указанной поверхности 5.2 м, 2.8 м и 2.35 м вдоль ее большей стороны в ее центре при воздействии на пластину пьезоэлемента электрического поля с напряженностями, соответственно, 50 В/мм, 100 В/мм и 120 В/мм;
для корректировки рабочего профиля дифракционного элемента при настройке сходимости рентгеновского пучка в режиме его фокусировки указанный дифракционный элемент выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной монокристаллической пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя эпоксидной смолы ЭД-6 толщиной 100 мкм к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной пластине пьезоэлемента толщиной 1.0 мм, с формированием в результате усадки указанного клеевого слоя после его затвердевания эллиптического профиля рабочей поверхности указанной монокристаллической пластины и получением радиусов кривизны указанной поверхности 8.1 м, 5.7 м и 5.1 м вдоль ее большей стороны в ее центре при воздействии на пластину пьезоэлемента электрического поля с напряженностями, соответственно, 50 В/мм, 100 В/мм и 120 В/мм.
При этом два металлических электрода, предварительно напыленных по одному на обе противоположные поверхности пластины пьезоэлемента в составе дифракционного блока, могут быть изготовлены толщиной 1 мкм из меди, серебра или алюминия, а предлагаемое устройство может быть оснащено аппаратно-программным обеспечением управления источником электрического напряжения в соответствии с программным режимом настройки заданной сходимости рентгеновского пучка
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка со схемой этого устройства на фиг. 1а и подложкой дифракционного блока на фиг. 1б в виде пластины пьезоэлемента с двумя металлическими электродами, предварительно напыленными по одному на обе противоположные поверхности указанной пластины; на фиг. 2 и 3 - формы исходных до приклеивания монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента перед получением соответствующего условию коллимации (см. фиг. 2а) и фокусировки (см. фиг. 3а) рентгеновского пучка рабочего профиля поверхности монокристаллической пластины за счет усадки при затвердевании распределенного между ними клеевого слоя и построенные методом компьютерного моделирования соответствующие условию коллимации (см. фиг. 2б-г) и фокусировки (см. фиг. 3б-г) рентгеновского пучка настроенные за счет воздействия на пластину пьезоэлемента электрического поля различной напряженности формы и профили рабочей поверхности монокристаллической пластины Si (111) в составе трехслойной (монокристаллическая пластина, затвердевший клеевой слой и пластина пьезоэлемента с напыленными электродами) структуры дифракционного блока с монокристаллической пластиной, уже имеющей перед воздействием электрического поля сформированный соответствующую условию коллимации или фокусировки рентгеновского пучка кривизну рабочей поверхности монокристаллической пластины, полученную за счет усадки при затвердевании распределенного между ними клеевого слоя.
-2
Предлагаемое устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка (см. фиг. 1а) содержит дифракционный блок, состоящий из дифракционного элемента, выполненного в виде изготовленной из Si (111) монокристаллической пластины 1 (со средней плотностью дислокаций, не превышающей 1000 см), приклеенной с помощью клеевого слоя 2 к подложке, представляющей собой пластину 3 пьезоэлемента, изготовленного из пьезокристалла или пьезокерамики, с приобретением исходной монокристаллической пластиной 1 (в результате ее изгиба с пластиной 3 пьезоэлемента после затвердевания распределенного между ними клеевого слоя 2 за счет его усадки) профиля ее рабочей поверхности, соответствующего условию коллимации или фокусировки рентгеновского пучка, и два металлических электрода 4 (см. фиг. 1б), предварительно перед приклеиванием монокристаллической пластины 1 к пластине 3 пьезоэлемента напыленных по одному на обе противоположные поверхности пластины 3 пьезоэлемента (на фиг. 1а показана монокристаллическая пластина 1, приобретающая после затвердевания клеевого слоя 2 за счет его усадки до воздействия электрического поля на пластину 3 пьезоэлемента изогнутую под коллимацию или фокусировку рабочую поверхность, визуально сливающуюся с изображенной на этой фигуре плоской поверхностью пластины 1, профиль которой после воздействия электрического поля и масштабного преобразования показан на фиг. 2в-г и 3в-г).
При этом исходные до приклеивания монокристаллическая пластина 1 (обозначенная на фиг. 2а и 3а в двух вариантах исполнения позициями 1.1 и 1.2) и пластина 3 (обозначенная на фиг. 2а и 3а в двух вариантах исполнения позициями 3.1 и 3.2.) пьезоэлемента имеют толщины и формы (основания в форме прямоугольника и эллипса), подобранные для получения двух вариантов (параболического и эллиптического) профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 (см. фиг. 2в-г и 3в-г), задаваемого кривизной этой поверхности (см. фиг. 2б и 3б) и соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации и фокусировки, за счет одновременного изгиба монокристаллической пластины 1 и пластины 3 пьезоэлемента в результате усадки клеевого слоя при его затвердевании и последующего воздействия на последнюю электрического поля (конструктивно присутствующие два напыленных металлических электрода 4 на фиг. 2 и 3, а также затвердевший клеевой слой 2 на фиг. 3 визуально не выделены).
Настройка сходимости рентгеновского пучка в режиме его коллимации или фокусировки с помощью предлагаемого устройства основана на корректировке рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка, за счет одновременного изгиба монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 и пластины 3 пьезоэлемента (уже изогнутых после приклеивания за счет усадки клеевого слоя 2 форму с полученным изгибом рабочей поверхности 1 под коллимацию или фокусировку) при воздействии на последнюю электрического поля с помощью двух электродов 4, подключенных к источнику электрического напряжения 5 с возможностью выполнения ими функции средства корректировки кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.
При этом для автоматического регулирования воздействия электрического поля предлагаемое устройство (см. фиг. 1а) оснащено аппаратно-программным обеспечением управления источником электрического напряжения 5, подключенным к двум электродам 4 и соединенным с модулем его управления 6, подсоединенного в свою очередь с компьютером 7, с возможностью исполнения указанных блоков на основе, например, программируемого источника тока - TDK Lambda Genesys (Япония).
Модуль 6 и компьютер 7 выполняют функции блока автоматического управления напряженностью электрического поля, воздействующего на пластину 3 пьезоэлемента, на основе предварительной калибровки ожидаемых изменений кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 в зависимости от величины напряженности электрического поля и проверки режима коллимации или фокусировки рентгеновского пучка с помощью рентгеновской камеры CCD и модуля ее управления (на фиг. 1а не показаны).
В нижеприведенных двух примерах исполнения предлагаемого устройства для управления сходимостью рентгеновского пучка настраиваемый рабочий профиль монокристаллической пластины 1 (обозначенной на фиг. 2 и 3, соответственно, позициями 1.1 и 1.2), строился методом компьютерного моделирования на основе использования программного комплекса COMSOL Multiphysics, который предназначен для построения сценарных моделей решения дифференциальных уравнений методом конечных элементов и представляющий собой программную среду, обеспечивающую все этапы моделирования (определение геометрических параметров, описание физики, визуализация) и позволяющую моделировать физические процессы, которые могут быть представлены в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных.
При этом проводился расчет изменений радиуса кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 в составе дифракционного блока при воздействии электрического поля на пластину 3 пьезоэлемента с учетом того, что рабочая поверхность пластины 1 предварительно приобрела изгиб под коллимацию или фокусировку (см. порядок изготовления дифракционного блока в описании изобретения «Устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка и способ изготовления дифракционного блока в составе указанного устройства (варианты)» по патенту РФ №2601867, G21K 1/06, 2016) за счет одновременного изгиба монокристаллической пластины 1 и пластины 3 пьезоэлемента в результате усадки клеевого слоя 2 при его затвердевании до воздействия на пластину 3 пьезоэлемента электрического поля в настоящем устройстве для управления сходимостью рентгеновского пучка.
Для этого решались определяющие уравнения пьезоэлектричества
где ,  - компоненты тензоров механического напряжения и деформаций пластины 3 пьезоэлемента;
i
j
D, E - компоненты векторов электрической индукции, напряженности электрического поля;
, ,  - соответственно, обозначают модуль упругости составных частей дифракционного блока (монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 и пластины 3 пьезоэлемента);
а также решались уравнения упругого равновесия:
Указанные равнения пьезоэлектричества и упругого равновесия применительно к рассматриваемому дифракционному блоку взяты из работы авторов Бобцова А.А., и др. «Исполнительные устройства и системы для микроперемещений». СПБ ГУ ИТМО, 2011, с. 131.
Проводились расчеты изменений (в зависимости от величины напряженности электрического поля) профиля и радиуса кривизны поверхности монокристаллической пластины Si в составе дифракционного блока - тройного изгибного модуля с учетом толщин и формы составных его частей: изготовленной из Si монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 эпоксидной смолы ЭД-6 и изготовленной из пьезокерамики PZT-5H пластины 3 пьезоэлемента без учета толщины слоев напыленных электродов 4, которая, составляя микронную величину, обусловила их незначительный вклад в изменение кривизны поверхности монокристаллической пластины 1.
Так для корректировки рабочего профиля дифракционного элемента при настройке сходимости рентгеновского пучка в режиме его коллимации указанный дифракционный элемент (см. фиг. 2а) выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в виде прямоугольника плоскопараллельной монокристаллической пластины 1.1 толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя эпоксидной смолы ЭД-6 толщиной 100 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей основание в виде прямоугольника плоскопараллельной пластине 3.1 пьезоэлемента толщиной 1.0 мм, с формированием в результате усадки указанного клеевого слоя после его затвердевания параболического рабочего профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.1 и получением радиусов кривизны указанной поверхности 5.2 м, 2.8 м и 2.35 м (см. на фиг. 2в, соответственно, сплошную, пунктирную и точечную кривые) вдоль большей стороны этой пластины (вдоль оси X) в ее центре и радиусов кривизны указанной поверхности 9.6 м, 7.5 м и 7.1 м (см. на фиг. 2г, соответственно, сплошную, пунктирную и точечную кривые) вдоль меньшей стороны этой же пластины (вдоль оси Y) в ее центре при воздействии на пластину 3 пьезоэлемента электрического поля с напряженностями, соответственно, 50 В/мм, 100 В/мм и 120 В/мм.
А для корректировки рабочего профиля дифракционного элемента при настройке сходимости рентгеновского пучка в режиме его фокусировки указанный дифракционный элемент (см. фиг. 3а) выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной монокристаллической пластины 1.2 толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя эпоксидной смолы ЭД-6 толщиной 100 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей форму эллипса плоскопараллельной пластине 3.2 пьезоэлемента толщиной 1,0 мм, с формированием в результате усадки указанного клеевого слоя после его затвердения эллиптического профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.1 и получением радиусов кривизны указанной поверхности 8.1 м, 5.7 м и 5.1 м (см. на фиг. 3в, соответственно, сплошную, пунктирную и точечную кривые) вдоль большей стороны этой пластины (вдоль оси X) в ее центре и радиусов кривизны указанной поверхности 10.2 м, 9.3 м и 8.95 м (см. на фиг. 3г, соответственно, сплошную, пунктирную и точечную кривые) вдоль меньшей стороны этой же пластины (вдоль оси Y) в ее центре при воздействии на пластину 3.2 пьезоэлемента электрического поля с напряженностями, соответственно, 50 В/мм, 100 В/мм и 120 В/мм.