СПОСОБ СПЕКТРОСКОПИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ/ПУЧКА ЧАСТИЦ И ПРИБОР ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ/ПУЧКА ЧАСТИЦ
METHOD FOR SPECTROSCOPY OF ELECTROMAGNETIC WAVES/BEAM OF PARTICLES AND APPARATUS TO THIS END

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц и прибору для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц.
Уровень техники
Традиционные способы спектроскопии, обеспечивающие заранее определенное разрешение по энергии, предусматривают электронное возбуждение твердых тел или эффект интерференции света с использованием электромагнитных волн или пучков частиц. На основании этих принципов, в промышленности уже практически применяется амплитудный анализатор импульсов, сверхпроводящий детектор, диспергирующий кристалл и дифракционная решетка.
Разработанные до сих пор способы разделения по энергии с использованием современного полупроводникового детектора и т.п. позволяют регистрировать, самое большее, один фотон или одну частицу в интервале времени разделения соответствующей электронной схемы и преобразовывать энергию зарегистрированного фотона или зарегистрированной частицы в электронные импульсы и, таким образом, определять значение амплитуды волны. Таким образом, в случае амплитудного анализа импульсов, скорость отсчета определяется мощностью обработки схемы разделения по амплитуде волны. В действительности, точность определения амплитуды волны и скорость отсчета, которые определяют разрешение по энергии, находятся в балансе друг с другом; благодаря традиционному цифровому анализатору амплитуды волны с высокой скоростью отсчета максимальная скорость отсчета задается раной 250 тыс. отсчетов/с, при этом разрешение составляет 150 эВ при 5 кэВ. Скорость отсчета 250 тыс. отсчетов эквивалентна разрешению по времени 20 мс в случае оценивания переноса загрязнения в виде тяжелого элемента или электронной температуры высокотемпературной плазмы магнитной ловушки. С другой стороны, в случае сверхпроводящего детектора, энергетический уровень одного фотона преобразуется в рост температуры, поэтому скорость отсчета оказывается ограниченной, как и в случае амплитудного анализа импульсов.
Кроме того, в случае технологий измерения спектра рентгеновского излучения, разрешение по энергии повышается за счет более точного построения микроскопической структуры размерами порядка длины волны или за счет снижения теплового шума посредством криогенного охлаждения благодаря использованию вещества, имеющего низкий энергетический уровень возбуждения, в качестве фотоприемного элемента.
Исследование уровня техники показало отсутствие традиционных эквивалентов способа и прибора спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, отвечающих настоящему изобретению, поскольку они принципиально отличаются от традиционных.
Сущность изобретения
По этим причинам проблема состоит в том, что высокую скорость отсчета не просто обеспечить в случае амплитудного анализа импульсов и сверхпроводящих детекторов. Кроме того, дифракционная решетка и диспергирующий кристалл имеют большую диспергирующую способность, а также хорошее разрешение по энергии, но очень малый диапазон измерения, и было обнаружено, что они не могут захватывать все характеристическое рентгеновское излучение, излучаемое атомами одного вида.
Традиционные способы и приборы спектроскопии также имеют проблемы в том, что их спектроскопическая способность быстро снижается в отсутствие экрана вокруг средства регистрации, который защищает от радиационного воздействия и подавляет электромагнитный шум, вибрации, громкий звук, нагрев и конкретные пучки частиц, представляющие интерес, пучки частиц, отличных от электромагнитных волн, электрический шум, обусловленный электромагнитными волнами, механическое разрушение и упругое рассеяние атомов, образующих твердое тело, поскольку они не устойчивы к ним.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который позволяет охватывать широкие диапазоны измерения с высокими скоростями отсчета и энергетическими уровнями без ограничения по количеству электромагнитных волн или пучков частиц, подлежащих измерению, падающих на фотоприемный элемент. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который небыстро утрачивает спектроскопическую способность и устойчив к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчив к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный обеспечивать высокую скорость отсчета для спектра падающего излучения электромагнитных волн или пучков частиц и охватывающий широкий диапазон измерения энергетических уровней. Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который небыстро утрачивает спектроскопическую способность и устойчив к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчив к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
Для решения этих задач первый аспект настоящего изобретения предусматривает способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, содержащий: первый этап, на котором спектр падающего излучения подают на фильтр на основе преобразования Лапласа для осуществления преобразования Лапласа над интенсивностью этого спектра падающего излучения; второй этап, на котором принимают спектр, прошедший через фильтр на основе преобразования Лапласа для осуществления преобразования Лапласа, таким образом, регистрируя пропущенную интенсивность этого спектра с использованием средства регистрации; и третий этап, на котором осуществляют обратное преобразование Лапласа на зарегистрированной пропущенной спектральной интенсивности, таким образом, вычисляя спектральную интенсивность падающего излучения, поступившего на фильтр на основе преобразования Лапласа.
Принципы действия способа спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, отвечающего настоящему изобретению, коренным образом отличаются от традиционных существующих способов спектроскопии.
Сначала, на первом этапе, преобразование Лапласа осуществляется на спектральной интенсивности падающего излучения с использованием фильтра на основе преобразования Лапласа, который представляет собой оборудование. Затем, на втором этапе, пропущенная спектральная интенсивность падающего излучения, над которой было произведено преобразование Лапласа, регистрируется с использованием средства регистрации. На третьем этапе, обратное преобразование Лапласа осуществляется на пропущенной интенсивности, зарегистрированной средством регистрации, и, таким образом, вычисляется спектральная интенсивность падающего излучения, поступившего на фильтр на основе преобразования Лапласа.
В частности, фильтр на основе преобразования Лапласа содержит ослабляющее тело для спектра падающего излучения и поэтому использует средство регистрации, чтобы, таким образом, измерять, т.е. регистрировать пропущенную спектральную интенсивность падающего излучения, прошедшего через ослабляющее тело, при непрерывном изменении массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения в этом ослабляющем теле.
Разрешение по энергии традиционных технологий измерения спектра рентгеновского излучения повышается за счет более точного построения микроскопической структуры размерами порядка длины волны или за счет снижения теплового шума посредством криогенного охлаждения благодаря использованию вещества, имеющего низкий энергетический уровень возбуждения, в качестве фотоприемного элемента. Напротив, разрешение по энергии, обеспечиваемое способом спектроскопии, отвечающим настоящему изобретению, зависит от точности при интегрировании преобразования Лапласа и статистической ошибки в пропущенной интенсивности. Таким образом, согласно способу спектроскопии, отвечающему настоящему изобретению, разрешение по энергии повышается, если изменение массы ослабевает в большей степени за счет увеличения фильтра на основе преобразования Лапласа, т.е. оптического элемента. Таким образом, в качестве его основной особенности, если оптический элемент увеличивается в размере, благодаря чему его проще изготавливать, его спектроскопическая точность, напротив, повышается для повышения разрешения по энергии. Например, по сравнению с полупроводниковым детектором рентгеновского излучения, способ, отвечающий настоящему изобретению, позволяет повысить разрешение по энергии при увеличении интенсивности источника света. Таким образом, способ имеет преимущество при наличии источника света высокой интенсивности.
Настоящий способ спектроскопии позволяет диспергировать электромагнитные волны во всех диапазонах, т.е. от радиоволн до рентгеновского излучения и даже γ-излучения, в диапазоне пучков частиц в виде элементарных частиц, электронов, атомных ядер, атомов и молекул, с использованием одних и тех же принципов. Частицы включают в себя частицы антивещества, например позитроны, антипротоны и антинейтроны.
Если электромагнитная волна или пучок частиц падает на вещество, ее/его пропущенная интенсивность вдоль оптической оси ослабевает по сравнению с интенсивностью падающего излучения. Коэффициент ослабления зависит от вещества, из которого состоит ослабляющее тело, и типа и энергии электромагнитной волны или пучка частиц. Поскольку настоящий способ спектроскопии позволяет избирательно считывать только сигнал, возникающий на средстве регистрации вследствие электромагнитной волны или пучка частиц, представляющей/его интерес, с использованием различия в его зависимости, этот способ устойчив к помеховым сигналам, возникающим из-за любой/го другой/го, чем электромагнитная волна и пучок частиц, представляющая/ий интерес. Физические взаимодействия между ослабляющим телом и электромагнитной волной или пучком частиц, падающей/им на ослабляющее тело, включают в себя фотоэлектрическое поглощение в атомах и молекулах, из которых состоит ослабляющее тело, и рассеяние на атомах, молекулах, атомных ядрах и электронах, из которых состоит ослабляющее тело; в случае ослабляющего тела, образованного атомными ядрами, и электромагнитных волн, они включают в себя генерацию пар вследствие электрического поля электронов; и в случае пучков частиц, они включают в себя захват атомным ядром, входящим в состав ослабляющего тела. Кроме того, в случае когда пучок частиц состоит из антивещества, например позитронов или антипротонов, они включают в себя аннигиляцию пар вследствие атомного ядра или электрона, входящего в состав ослабляющего тела.
На фиг.18 показан график коэффициента поглощения, где по вертикальной оси отложен коэффициент поглощения меди и по горизонтальной оси отложен энергетический уровень фотона в случае, когда медь применяется в качестве ослабляющего тела. Вертикальная и горизонтальная оси снабжены логарифмической шкалой. Как показано на фигуре, причины ослабления падающего света включают в себя различные явления, например генерацию пар вследствие электрического поля атомных ядер, генерацию пар вследствие электрического поля электронов, фотоэлектрическое поглощение, некогерентное рассеяние и когерентное рассеяние. Кроме того, причины ослабления зависят от энергетических уровней света.
3
5
7
Например, в случае коэффициента поглощения меди, ее фотоэлектрическое поглощение эквивалентно полной сумме в диапазоне энергии от 10 до 10 эВ. Таким образом, вблизи этого энергетического уровня, коэффициент поглощения зависит от фотоэлектрического поглощения. С другой стороны, при превышении энергетического уровня 10 эВ, коэффициент поглощения меди, по большей части, зависит от генерации пар за счет электрического поля атомных ядер.
(Принципы настоящего изобретения)
Ниже, со ссылкой на фиг.2, описаны математические принципы и физические принципы способа спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, отвечающего настоящему изобретению.
0
Согласно способу спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, отвечающему настоящему изобретению, средство регистрации для измерения полной суммарной величины энергии падающих электромагнитных волн или пучков частиц располагается позади фильтра на основе преобразования Лапласа для измерения пропущенной интенсивности. Полагая, что энергия падающего света, который представляет собой монохроматический свет, равна E, и толщина ослабляющего тела 200 равна t, выходной сигнал I(t), поступающий из ослабляющего тела 200, задается Выражением (1) с использованием интенсивности I(E) падающего света, коэффициента поглощения α(E) ослабляющего тела 200 и эффективности регистрации f(E) детектора. Средство регистрации включает в себя, например, полупроводниковый детектор.
Соответственно, в случае когда падающие электромагнитные волны или пучки частиц имеют спектр, вместо него можно использовать Выражение (2). Кроме того, если коэффициент поглощения α(E) ослабляющего тела 200 в рентгеновском диапазоне с высокой точностью задан в Выражении (4) и, таким образом, сводится к тому физическому факту, что его можно аппроксимировать степенной функцией с использованием постоянных a и b, Выражение (2) сводится к преобразованию Лапласа, заданному в Выражении (3), если эффективность регистрации f(E) детектора равна E. Соотношение f(E)=E справедливо в примере полупроводникового детектора. Ослабляющее тело включает в себя, например, металл. Постоянные a и b специфичны для ослабляющего тела фильтра на основе преобразования Лапласа. Таким образом, коэффициент поглощения α(E) ослабляющего тела 200 также является значением, специфичным для ослабляющего тела.
Таким образом, математически доказано, что спектральная интенсивность падающего излучения, т.е. интенсивность падающего излучения однозначно выводится из выражения обратного преобразования Лапласа (5). В выражении, i является мнимой единицей, и c является произвольным положительным действительным числом. Однако Выражение (5) невозможно вычислить несмотря на то, что оно является математически точным решением. Дело в том, что измеренное значение I(t) является действительным значением как функция действительной толщины t, тогда как Выражение (5) требует комплексного значения I(t) как функции комплексной толщины t. Поскольку в интервале интегрирования c±i∞ невозможно гарантировать высокую точность при отыскании формы функции для произвольной I(t), решение достигается прямым интегрированием полученного измеренного значения, указанного в Выражении (6).
Таким образом, Выражения (6) и (8) являются практическими выражениями для обратного преобразования.
В частности, Выражение (8) представляет так называемое преобразование Меллина, которое однократно преобразует измеренное значение в комплекснозначные волновые пакеты. Выражение (6) является математически точным решением Выражения (2), которое является интегральным выражением, уникально полученным автором изобретения, которое суммирует волновые пакеты путем повторного интегрирования с образованием спектра падающего излучения. Можно не только получить спектр падающего излучения из действительного измеренного значения с помощью преобразования Меллина, но также выразить спектр падающего излучения через коэффициент поглощения α(E) как математически точное решение Выражения (2).
Выражение (6) было впервые получено автором изобретения в области физики и обеспечивает важную основу для практического применения настоящего способа спектроскопии, Г в Выражении (9) обозначает гамма-функцию. Кроме того, интегрирование в Выражении (6) представляет собой то же значение, что и в случае получения только фурье-компонента с волновым числом 0.
G(s), заданная Выражением (9), физически означает волновой пакет линейчатого спектра единичной интенсивности на уровне энергии E, прошедший через ослабляющее тело. Таким образом, деление под знаком интеграла в Выражении (6) означает вычисление интенсивности при энергии E спектра падающего излучения.
Можно вывести свойства настоящего способа спектроскопии из практических Выражений (6), (7), (8) и (9). Прежде всего, Выражение (8) говорит о том, что полученная точность спектра улучшается по мере того, как уменьшается ошибка измерения и уменьшается измеряемое изменение толщины t ослабляющего тела 200. Кроме того, согласно фиг.2, при увеличении толщины t ослабляющего тела 200, I(t) ослабевает сильнее, что увеличивает статистическую ошибку, "s" - это переменная интегрирования, которая изменяется от c-i∞ до c+i∞.
s-1
Однако, поскольку s в выражении t является комплексным числом, плюс и минус будут чередоваться с более высокой частотой при интегрировании, если толщина t ослабляющего тела 200 увеличивается, поэтому статистическая ошибка меньше влияет на g(s), чем в случае меньшей толщины t ослабляющего тела 200. Выражения (7) и (6) указывают, что свет может диспергировать в области, где коэффициент поглощения α(E) ослабляющего тела 200 изменяется по отношению к энергии.
i
i
Следует обратить внимание на дисперсию в энергетической зоне, где изменение коэффициента поглощения α(E) по отношению к энергии не является монотонным. Прежде всего, при сильном изменении поглощения, дифференциальное значение коэффициента поглощения α(E) изменяется ступенчато для определенной границы поглощения, во избежание снижения точности вычисления необходимы данные высокой точности для коэффициента поглощения α(E). Кроме того, может возникнуть зона, где свет не может диспергировать. Выражение (10) получается преобразованием Выражения (6) в отношении спектров с n бесконечно узкими линиями, имеющих разные энергетические уровни [энергия E (i=1, 2, …, n), интенсивность I (i=1, 2, …, n)]. δ указывает дельта-функцию.
i
i
i
Таким образом, результаты вычислений подлежат перекрестной проверке между разными энергетическими уровнями, имеющими такой равный коэффициент поглощения, а не δ(E-E), δ(ln(α(E))-ln(α(E))d/dE(ln(α(E))-ln(α(E)) задается так, чтобы выполнялось условие α(Ei)=α(Ej) (i≠j). Другими словами, в таком случае, существует особая спектроскопическая область, в которой необходимо только запретить вхождение любого из спектральных компонентов. Показано, что фактическая особая спектроскопическая область существует вблизи границы поглощения, что продемонстрировано на фиг.3. Кроме того, хотя очевидно, что источник света должен сохранять постоянную спектральную интенсивность в течение промежутка времени, когда свет один раз испытывает дисперсию на фильтре на основе преобразования Лапласа.
b
12
На фиг.3 показан случай никеля, где свет может диспергировать в диапазоне от 0,8 до 8,0 кэВ между границей поглощения L и границей поглощения M в рентгеновском диапазоне вблизи 1 кэВ. Коэффициент поглощения никеля, заключенный в интервале между 0,8 кэВ и 8,0 кэВ, изменяется в соответствии с функцией aE (a=8,29×10, b=2,63), откуда следует, что свет может диспергировать. Однако, в случае получения более обширной спектроскопической области, энергетические полосы (области A1 и A2 на фигуре), где коэффициент поглощения одинаково близок к границам поглощения, обеспечивают особую спектроскопическую область. Таким образом, необходимо только запретить вхождение любого из спектральных компонентов.
Здесь, непрерывное изменение массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения включает в себя случай, когда масса вдоль оптической оси спектра падающего излучения изменяется непрерывно с течением времени, и случай, когда ослабляющее тело изменяет свою форму без изменения массы в течение того же промежутка времени. Масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения изменяет с течением времени, например, в случае когда масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения линейно изменяется непрерывно за счет регистрации пропущенной спектральной интенсивности падающего излучения с использованием одного или совокупности средств регистрации.
С другой стороны, ослабляющее тело, изменяющее свою форму без изменения массы в течение того же промежутка времени, представляет собой случай, когда, например, только толщина ослабляющего тела, если оно является твердым, непрерывно испытывает линейное изменение, и совокупность средств регистрации располагается вдоль него в направлении, в котором изменяется толщина, таким образом, одновременно регистрируя интенсивность пропущенного света, который прошел через ослабляющее тело, т.е. пропущенную интенсивность в каждой из позиций, где изменяется толщина.
Ослабляющее тело предпочтительно выбирать из твердого тела, жидкости и газа в зависимости от длины волны электромагнитных волн и типа пучков частиц.
В данном случае, твердым ослабляющим телом может быть медь, никель, гадолиний, алюминий и т.п. Жидким ослабляющим телом может быть галлий. Газообразным ослабляющим телом может быть аргон.
Предположим, что ослабляющее тело является твердым. В случае непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения, например, в случае непрерывного изменения толщины этого твердого тела, переменные, подлежащие преобразованию посредством преобразования Лапласа, соответствуют переменным, в которых ось толщины ослабляющего тела и ось энергии спектра преобразуются друг в друга.
Также предположим, что ослабляющее тело является жидким. В случае непрерывного изменения его глубины, переменные, подлежащие преобразованию посредством преобразования Лапласа, соответствуют переменным, в которых ось глубины ослабляющего тела и ось энергии спектра преобразуются друг в друга. Дополнительно, предположим, что ослабляющее тело является газообразным. В случае непрерывного изменения его плотности, переменные, подлежащие преобразованию посредством преобразования Лапласа, соответствуют переменным, в которых ось плотности ослабляющего тела и ось энергии спектра преобразуются друг в друга.
Предпочтительно, фильтр на основе преобразования Лапласа включает в себя ослабляющее тело, которое ослабляет спектр падающего излучения в соответствии со своей массой, тогда как на втором этапе пропущенную интенсивность этого спектра падающего излучения предпочтительно регистрировать с использованием средства регистрации в случае, когда масса ослабляющего тела вдоль оптической оси этого спектра падающего излучения непрерывно изменяется. Это позволяет осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения путем регистрации пропущенной спектральной интенсивности падающего излучения с использованием средства регистрации в случае, когда масса ослабляющего тела вдоль оптической оси этого спектра падающего излучения непрерывно изменяется.
Кроме того, предпочтительно, чтобы на втором этапе масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения изменялась с использованием средства изменения массы для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения с течением времени.
Таким образом, средство изменения массы можно использовать для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения, тем самым, осуществляя преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
Если ослабляющее тело является, например, твердым, средство изменения массы реализуется за счет перемещения ослабляющего тела таким образом, что масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения непрерывно изменяется с течением времени. Если ослабляющее тело является жидким, необходимо только непрерывно изменять глубину ослабляющего тела с течением времени для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения. Если ослабляющее тело является газообразным, необходимо только непрерывно изменять плотность ослабляющего тела с течением времени, т.е. непрерывно изменять давление газа с течением времени, для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения. Кроме того, в случаях жидкости или газа, детектор, который способен двигаться в направлении оптической оси, может быть установлен в сосуде, таким образом, непрерывно изменяя длину оптической оси, проходящей через жидкость или газ.
Кроме того, предпочтительно задавать массу ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения таким образом, чтобы она изменялась линейно в направлении, пересекающемся с этой оптической осью, т.е. непрерывно изменялась линейно, и средство изменения массы совершало относительное перемещение, по меньшей мере, одного из фильтра на основе преобразования Лапласа и средства регистрации в направлении, пересекающемся с оптической осью.
Относительное перемещение, по меньшей мере, одного из них включает в себя перемещение только фильтра на основе преобразования Лапласа, перемещение только средства регистрации или их обоих.
При этом масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения задается так, чтобы она линейно изменялась в направлении, пересекающемся с этой оптической осью, и преобразование Лапласа можно осуществлять на спектре падающего излучения, поскольку средство изменения массы совершает относительное перемещение фильтра на основе преобразования Лапласа и средства регистрации в направлении, пересекающемся с оптической осью.
Кроме того, предпочтительно, чтобы фильтр на основе преобразования Лапласа содержал камеру, содержащую ослабляющее тело, состоящее из газа, которое ослабляет спектр в соответствии со своей плотностью, и средство изменения массы непрерывно изменяет давление этого ослабляющего тела в позиции фильтра на основе преобразования Лапласа, который обращен к средству регистрации, таким образом, непрерывно изменяя плотность этого газообразного тела. Как описано выше, если ослабляющее тело является газообразным, для изменения его массы вдоль оптической оси спектра падающего излучения необходимо только изменять давление газа в камере, чтобы, таким образом, изменять его плотность.
Таким образом, фильтр на основе преобразования Лапласа содержит камеру, содержащую ослабляющее тело, состоящее из газа, которое ослабляет спектр в соответствии со своей плотностью, благодаря чему на втором этапе непрерывно изменяется давление ослабляющего тела в позиции фильтра на основе преобразования Лапласа, который обращен к средству регистрации. В результате, преобразование Лапласа можно осуществлять на спектре падающего излучения путем непрерывного изменения плотности газа.
Кроме того, предпочтительно, чтобы ослабляющее тело на первом этапе было ферромагнитным телом, что обуславливает создание для спектра падающего излучения условий, когда магнитное поле в заранее определенном направлении относительно оптической оси спектра падающего излучения прилагается к ослабляющему телу, и предусмотрен четвертый этап, на котором вычисляют спектральную интенсивность поляризованного излучения на основании спектральной интенсивности падающего излучения, полученной на третьем этапе.
Таким образом, в случае когда коэффициент поглощения ослабляющего тела демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитной волны или пучка частиц, как в случае, когда ослабляющее тело является ферромагнитным телом и намагничено так, как если бы оно было помещено в магнитное поле в направлении, в котором магнитное поле имеет заранее определенное направление относительно оптической оси спектра падающего излучения, на четвертом этапе можно получить каждый из поляризованных компонентов. При этом, если в качестве ослабляющего тела используется намагниченное ферромагнитное тело, коэффициент поглощения ослабляющего тела демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитной волны или пучка частиц.
±
±
В Выражениях (11)-(14), "+" и "-" указывают поляризацию. Кроме того, I(E) указывает спектр поляризованного излучения, и J(t) указывает пропущенную интенсивность, прошедшую через фильтр на основе преобразования Лапласа. В частности, в случае поляризационной спектроскопии рентгеновского излучения, можно использовать не только магнитный циркулярный дихроизм на границах поглощения, но также явление, когда магнитный циркулярный дихроизм сохраняется даже в области, удаленной от границ поглощения, вследствие эффекта Фано, обусловленного интерференцией между дискретным возбужденным состоянием и непрерывным возбужденным состоянием электронов активной зоны. Хотя в ряде случаев практически 100% магнитного циркулярного дихроизма возникает на границах поглощения, он будет оставаться в размере 5% или менее вследствие эффекта Фано. Однако, в случае света высокой яркости, имеющего высокую степень поляризации, или стабильного источника света, Выражение (11) можно использовать для оценивания спектра каждого поляризованного компонента. Однако, в этих случаях, магнитный циркулярный дихроизм меняет свою полярность на границах поглощения. При прохождении значения энергетического уровня при обращении полярности, предпочтительно запретить вхождение спектра в любой из этих областей.
Это позволяет обеспечить способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который позволяет получить каждый из поляризованных компонентов, если коэффициент поглощения ослабляющего тела демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитной волны/пучка частиц.
Второй аспект настоящего изобретения предусматривает прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, содержащий: фильтр на основе преобразования Лапласа, который принимает спектр падающего излучения и осуществляет преобразование Лапласа на спектральной интенсивности падающего излучения; средство регистрации для приема спектра, над которым было произведено преобразование Лапласа, и, таким образом, регистрации пропущенной спектральной интенсивности; и средство обратного преобразования Лапласа для осуществления обратного преобразования Лапласа на зарегистрированной пропущенной спектральной интенсивности и, таким образом, вычисления спектральной интенсивности падающего излучения, которое поступило на фильтр на основе преобразования Лапласа.
Это позволяет обеспечивать высокую скорость отсчета для спектра падающего излучения электромагнитных волн или пучков частиц и, в то же время, охватывать широкий диапазон измерения энергетических уровней. Также можно обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который небыстро утрачивает спектроскопическую способность и устойчив к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчив к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии. Кроме того, данный прибор можно, по большей части, рассматривать как подход к спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, используемый в экспериментах по ядерному синтезу в условиях высокотемпературной плазмы, подлежащих проведению в будущем, поскольку можно стабильно гарантировать его производительность без необходимости в обслуживании даже в условиях, где невозможно гарантировать эксплуатацию или производительность традиционных полупроводниковых детекторов, сверхпроводящих детекторов и кристаллов и дифракционных решеток.
Фильтр на основе преобразования Лапласа предпочтительно включает в себя ослабляющее тело, которое ослабляет спектр в соответствии со своей массой, и предпочтительно обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, содержащий средство изменения массы для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения с течением времени.
Если ослабляющее тело является, например, твердым, средство изменения массы реализуется за счет перемещения ослабляющего тела таким образом, что масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения непрерывно изменяется с течением времени.
Если ослабляющее тело является жидким, средство изменения массы может непрерывно изменять глубину ослабляющего тела с течением времени, таким образом, непрерывно изменяя массу ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения с течением времени.
Если ослабляющее тело является, например, газообразным, средство изменения массы может непрерывно изменять массу ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения с течением времени путем непрерывного изменения плотности ослабляющего тела с течением времени, т.е. путем непрерывного изменения давления газа.
Кроме того, если ослабляющее тело является жидким или газообразным, детектор, который способен двигаться в направлении оптической оси, может быть установлен в сосуде для непрерывного изменения длины оптической оси, проходящей через жидкость или газ, таким образом, для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения с течением времени. Таким образом, средство изменения массы можно использовать для непрерывного изменения массы ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения с течением времени, таким образом, обеспечивая прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
Кроме того, фильтр на основе преобразования Лапласа включает в себя ослабляющее тело, которое ослабляет спектр в соответствии со своей массой, причем ослабляющее тело может быть выполнено так, чтобы изменять массу в направлении, пересекающемся с оптической осью спектра падающего излучения, и средство регистрации может располагаться поперек направления, пересекающегося с оптической осью спектра падающего излучения.
Таким образом, фильтр на основе преобразования Лапласа включает в себя ослабляющее тело, которое ослабляет спектр в соответствии со своей массой, причем ослабляющее тело выполнено так, чтобы изменять массу в направлении, пересекающемся с оптической осью спектра падающего излучения, и средство регистрации располагается поперек направления, пересекающегося с оптической осью спектра падающего излучения, таким образом, обеспечивая прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
Кроме того, предпочтительно, чтобы в приборе для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения могла линейно изменяться в направлении, пересекающемся с оптической осью, и средство изменения массы совершало относительное перемещение фильтра на основе преобразования Лапласа и средства регистрации в направлении, пересекающемся с оптической осью.
При такой конфигурации, масса ослабляющего тела вдоль оптической оси спектра падающего излучения испытывает линейное изменение в направлении, пересекающемся с этой оптической осью, и средство изменения массы совершает относительное перемещение фильтра на основе преобразования Лапласа и средства регистрации в направлении, пересекающемся с этой оптической осью, таким образом, обеспечивая прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
Кроме того, предпочтительно, чтобы в приборе для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц фильтр на основе преобразования Лапласа содержал камеру, содержащую ослабляющее тело, состоящее из газа, которое ослабляет спектр в соответствии со своей плотностью, и средство изменения массы непрерывно изменяло внутреннее давление в камере с течением времени при приеме спектра, над которым было произведено преобразование Лапласа.
При такой конфигурации, фильтр на основе преобразования Лапласа содержит камеру, содержащую ослабляющее тело, состоящее из газа, которое ослабляет спектр в соответствии со своей плотностью, и непрерывно изменяет давление ослабляющего тела в позиции фильтра на основе преобразования Лапласа, который обращен к средству регистрации. В результате, благодаря наличию средства изменения давления для непрерывного изменения плотности газа можно обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
Кроме того, предпочтительно, чтобы в приборе для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц ослабляющее тело было выполнено в виде ферромагнитного тела и прибор дополнительно содержал средство создания магнитного поля для намагничивания ферромагнитного тела путем приложения магнитного поля, которое имеет заранее определенное направление относительно оптической оси спектра падающего излучения, и средство вычисления спектральной интенсивности поляризованного излучения вычисляло спектральную интенсивность поляризованного излучения на основании спектральной интенсивности падающего излучения, полученной средством обратного преобразования Лапласа.
Кроме того, это позволяет обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный получать каждый из поляризованных компонентов, если коэффициент поглощения ослабляющего тела демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитной волны/пучка частиц.
Кроме того, между средством регистрации и ослабляющим телом, предпочтительно, располагается микроотверстие, благодаря чему пропущенный свет спектра формирует изображение на средстве регистрации.
Таким образом, пропущенный свет формирует изображение на средстве регистрации через микроотверстие, благодаря чему сформированное изображение можно регистрировать средством регистрации.
Кроме того, средство регистрации, предпочтительно, относится к неохладительному типу. При такой конфигурации, поскольку средство регистрации без охлаждения может регистрировать пропущенный свет, система охлаждения не требуется, что позволяет снизить стоимость и уменьшить размеры и вес спектроскопического прибора.
Согласно настоящему изобретению можно охватывать широкие диапазоны измерения с высокими скоростями отсчета и энергетическими уровнями для спектра падающего излучения электромагнитных волн или пучков частиц. Согласно настоящему изобретению можно обеспечить способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который небыстро утрачивает спектроскопическую способность и устойчив к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчив к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
Дело в том, что фильтр на основе преобразования Лапласа использует объемную структуру, которая несравнимо больше длины волны рентгеновского излучения и поэтому сравнительно устойчива к механическому разрушению и искажению, и дополнительно принимает большую величину энергии, поскольку количество падающего излучения может быть большим вследствие регистрации множественных фотонов. Соответственно, сигнал, регистрируемый средством регистрации позади фильтра на основе преобразования Лапласа по отношению к источнику света высокой интенсивности или источнику частиц высокой интенсивности, будет значительно превышать электрический шум.
Кроме того, в качестве средства регистрации можно использовать тяжелый металл, имеющий тяжелое атомное ядро, или полупроводниковое соединение, в каковом случае упругое рассеяние быстрых нейтронов имеет меньший эффект, чем Si (Li) или Ge, что позволяет подавлять шум до сравнительно низкого уровня. Средство регистрации, используемое в настоящем изобретении, не нуждается в охлаждении в отличие от полупроводникового детектора или сверхпроводящего детектора и поэтому не нуждается в обслуживании, которое требует замены, за исключением элементов с наведенной радиоактивностью, вследствие продолжительного радиационного воздействия на средства регистрации. Кроме того, это позволяет уменьшить размеры и вес, а также снизить стоимость замены и утилизации.
Хотя охлаждение не требуется также в случае измерения с использованием традиционного диспергирующего кристалла или дифракционной решетки, проблема состоит в том, что небольшое изменение спектроскопического угла, обусловленное вибрациями, скорее всего, влияет на результаты измерения. Причина в чрезвычайно большой дисперсионной способности. Кроме того, традиционный диспергирующий кристалл или дифракционная решетка менее устойчив(а) к излучениям. Причина в том, что традиционный диспергирующий кристалл или дифракционная решетка использует твердую структуру, необходимую для дисперсии рентгеновского излучения, которая состоит из атомов в количестве от одного до десяти, и потому, скорее всего, подвержена прямому влиянию радиационного воздействия средства регистрации и упругого рассеяния. Напротив, настоящее изобретение не подвержено влиянию таких вибраций. Кроме того, настоящее изобретение, скорее всего, не подвержено влиянию излучения.
Таким образом, настоящее изобретение надежно гарантирует производительность традиционных полупроводниковых детекторов, сверхпроводящих детекторов и кристаллов и дифракционных решеток без необходимости в обслуживании, даже в условиях эксплуатации или производительности традиционных полупроводниковых детекторов, сверхпроводящих детекторов и кристаллов и дифракционных решеток. Соответственно, настоящее изобретение можно, в основном, рассматривать как способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц для использования в экспериментах по ядерному синтезу в условиях высокотемпературной плазмы, подлежащих проведению в будущем.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема спектроскопического прибора согласно одному варианту осуществления.
Фиг.2 - пояснительная схема прохождения электромагнитной волны/пучка частиц через вещество.
Фиг.3 - график, демонстрирующий спектр поглощения никеля.
Фиг.4 - пояснительный график области анализа в случае, когда σ=0,01.
Фиг.5 - график дисперсии через фильтр на основе преобразования Лапласа.
Фиг.6 - увеличенный вид для фиг.5.
Фиг.7 - график дисперсии, демонстрирующий результаты анализа в случае, когда σ увеличивается.
Фиг.8 - схема измерительного прибора, демонстрирующая пример применения дисперсии рентгеновского излучения плазмы и оценки переноса частиц загрязнения.
Фиг.9 - график, демонстрирующий радиальное распределение излучаемости характеристического рентгеновского излучения аргона.
Фиг.10 - график, демонстрирующий спектр рентгеновского излучения плазмы.
Фиг.11 - график, демонстрирующий радиальное распределение фактически измеренного времени прихода аргона.
Фиг.12 - схема устройства для создания фильтра на основе преобразования Лапласа.
Фиг.13 - изображение, сформированное жестким рентгеновским излучением с использованием обычного ПЗС в сравнительном примере.
Фиг.14 - изображение, полученное путем осуществления преобразования Лапласа на спектре рентгеновского излучения.
Фиг.15 - схема прибора для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц согласно третьему варианту осуществления.
Фиг.16 - схема прибора для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц согласно четвертому варианту осуществления.
Фиг.17 - схема прибора для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц согласно пятому варианту осуществления.
Фиг.18 - график, демонстрирующий коэффициент поглощения меди.
Фиг.19 - пояснительная схема вертикальной поляризации и горизонтальной поляризации в случае линейной поляризации.
Фиг.20 - пояснительная схема вращений по часовой стрелке и против часовой стрелки в случае круговой поляризации.
Фиг.21 - пояснительная схема спинов частиц, ориентированных вверх и вниз.
Фиг.22 - пояснительная схема наложения магнитного поля в случае магнитного циркулярного дихроизма.
Фиг.23 - пояснительная схема наложения магнитного поля в случае магнитного линейного дихроизма.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Ниже описан, со ссылкой на фиг.1, первый вариант осуществления, согласно которому реализованы способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц и прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, отвечающий настоящему изобретению. Далее прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц будем называть просто спектроскопическим прибором.
Согласно фиг.1 спектроскопический прибор 10 содержит фильтр 11 на основе преобразования Лапласа, регистрирующий элемент 15 в качестве средства регистрации, арифметическое устройство 17 в качестве средства обратного преобразования Лапласа и устройство 18 отображения в качестве средства отображения. Регистрирующий элемент 15 располагается на другой стороне фильтра 11 на основе преобразования Лапласа по отношению к источнику света. В настоящем варианте осуществления регистрирующий элемент 15 может регистрировать рентгеновское излучение.
Фильтр 11 на основе преобразования Лапласа содержит цилиндрическое основное тело 12 и ослабляющее тело 14, осажденное из паровой фазы на половине круговой поверхности основного тела 12. Например, оба конца основного тела 12 поддерживаются подшипниками (не показаны), чтобы оно могло вращаться относительно оси вращения 13, коаксиальной с осью подшипников. Кроме того, основное тело 12 в ходе работы связано с двигателем 19 и замедлителем 20 и вращается с постоянной скоростью относительно оси вращения 13, приводимое в движение двигателем 19.
Ослабляющее тело 14 выполнено из твердого металла и осаждено из паровой фазы на половине круговой поверхности основного тела 12. Ослабляющее тело 14 необязательно формировать на основном теле 12 путем осаждения из паровой фазы, но можно формировать любыми другими способами. Тип металла выбирается в соответствии с длиной волны или типом электромагнитной волны или пучка частиц, подлежащей(его) измерению. Например, в качестве металла можно использовать медь, но без ограничения. Наибольшая толщина осаждения из паровой фазы составляет 100 мкм в случае, когда в качестве ослабляющего тела используется переходный металл. В качестве ослабляющего тела, осажденного из паровой фазы, медь, не имеющая границ поглощения между 1 кэВ и 9 кэВ, наиболее пригодна в случае измерения спектра характеристического рентгеновского излучения переходного металла.
Толщина осаждения из паровой фазы, т.е. толщина слоя ослабляющего тела 14 устанавливается таким образом, чтобы иметь постоянный градиент. Фильтр 11 на основе преобразования Лапласа вращается двигателем 19 с постоянной угловой скоростью. В результате, каждый раз, когда фильтр делает один оборот, т.е. на 360°, свет может диспергировать дважды, поскольку точка с наибольшей толщиной слоя и точка с наименьшей толщиной слоя на ослабляющем теле 14 отстоят друг от друга на 180°.
Когда фильтр 11 на основе преобразования Лапласа вращается таким образом относительно оси вращения 13 с постоянной угловой скоростью, толщина слоя ослабляющего тела 14 на оптической оси 16 изменяется линейно. В частности, ослабляющее тело 14 устроено таким образом, что его толщина слоя вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения, т.е. его масса непрерывно изменяется по линейному закону в направлении, пересекающемся с оптической осью 16, при вращении фильтра 11 на основе преобразования Лапласа.
Двигатель 19, вращающий фильтр 11 на основе преобразования Лапласа, соответствует средству изменения массы. Кроме того, в настоящем варианте осуществления двигатель 19 используется как средство изменения массы, но без ограничения, и вместо него можно использовать любой другой привод. Хотя фильтр 11 на основе преобразования Лапласа может вращаться двигателем 19 с постоянной скоростью или переменной скоростью, предпочтительно, чтобы он вращался с постоянной скоростью для упрощения последующей арифметической обработки.
Кроме того, согласно фиг.1 микроотверстие 21 сформировано в ослабляющем теле 14 на оси вращения 13 и оптической оси. Спектр рентгеновского излучения, поступающего как электромагнитная волна от источника света (не показан), сужается микроотверстием 21 и падает на регистрирующий элемент 15. Это микроотверстие 21 сделано для формирования изображения на регистрирующем элементе 15. Если изображения не формируются, микроотверстие 21 можно упразднить.
Регистрирующий элемент 15 содержит, например, полупроводниковый детектор и, в частности, прибор с зарядовой связью (ПЗС), который обычно используется в качестве детектора рентгеновского излучения. В настоящем варианте осуществления регистрирующий элемент 15 соответствует средству регистрации без охлаждения, не снабженному устройством охлаждения. Настоящий вариант осуществления отличается от традиционных технологий разрешения по энергии тем, что средство регистрации не имеет устройства охлаждения.
Например, традиционный сверхпроводящий детектор преобразует энергию фотона в рост температуры. Соответственно, во избежание теплового шума, традиционный сверхпроводящий детектор нужно охладить от комнатной температуры до сверхнизкой температуры. Таким образом, традиционный сверхпроводящий детектор требует устройства охлаждения, в котором используется, например, жидкий гелий. Напротив, настоящий вариант осуществления отличается тем, что не предусматривает громоздкого устройства охлаждения.
Арифметическое устройство 17 содержит компьютер и принимает пропущенную спектральную интенсивность падающего излучения, которая регистрируется, т.е. измеряется регистрирующим элементом 15. В настоящем варианте осуществления промежуток времени, за который ось вращения 13 делает один оборот, т.е. на 360°, задается равным спектроскопическому времени, а именно времени регистрации. Таким образом, спектроскопический прибор согласно настоящему варианту осуществления делает один оборот за спектроскопическое время, чтобы свет мог диспергировать дважды.
0
Арифметическое устройство 17 осуществляет обратное преобразование Лапласа на пропущенной спектральной интенсивности падающего излучения, зарегистрированной в это спектроскопическое время, чтобы, таким образом, вычислить интенсивность падающего излучения I(E) спектра падающего излучения, падающего на фильтр 11 на основе преобразования Лапласа, с использованием практического выражения (6). Результирующая спектральная интенсивность падающего излучения отображается на устройстве 18 отображения.
В случае согласно настоящему варианту осуществления, при вычислении спектральной интенсивности характеристического рентгеновского излучения, коэффициент поглощения α(E) и энергия E заранее вводятся в арифметическое устройство 17 через устройство ввода, например клавиатуру (не показана). Что касается уровня энергии E, в частности, можно произвольно выбрать и ввести любое значение из энергетической зоны, имеющей известный коэффициент поглощения α(E), соответствующий энергии E. Например, в случае диспергирования характеристического рентгеновского излучения с шагом 10 эВ от 1 кэВ до 9 кэВ с использованием меди, вводятся значения E={1010, 1020, 1030, …, 9000}. Таким образом, заранее вводится область энергии E спектра, подлежащего измерению.
Вышеописанные способ спектроскопии и спектроскопический прибор 10 имеют следующие характеристики.
0
(1) Согласно способу спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления, на первом этапе, спектр падающего излучения характеристического рентгеновского излучения поступает на фильтр 11 на основе преобразования Лапласа для осуществления преобразования Лапласа на спектральной интенсивности падающего излучения. На следующем втором этапе, принимается спектр падающего излучения, прошедший через фильтр 11 на основе преобразования Лапласа для осуществления преобразования Лапласа, таким образом, регистрируется пропущенная спектральная интенсивность падающего излучения с использованием регистрирующего элемента 15 (средства регистрации). На следующем третьем этапе, обратное преобразование Лапласа осуществляется на зарегистрированной пропущенной спектральной интенсивности, таким образом, вычисляется интенсивность падающего излучения I спектра, поступившего на фильтр 11 на основе преобразования Лапласа.
В результате, способ спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления охватывает широкий диапазон спектров падающего излучения для характеристического рентгеновского излучения. Кроме того, преимущественно, спектроскопическая способность способа спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления небыстро снижается и устойчива к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчива к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
(2) Согласно способу спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления фильтр 11 на основе преобразования Лапласа устроен так, что содержит ослабляющее тело 14, которое ослабляет, т.е. поглощает спектр падающего излучения в соответствии со своей массой. Кроме того, на втором этапе, масса ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения изменяется с использованием двигателя 19 (средства изменения массы), который непрерывно изменяет массу ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения с течением времени.
В результате, можно непрерывно и линейно изменять массу ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения путем непрерывного и относительного перемещения фильтра 11 на основе преобразования Лапласа относительно регистрирующего элемента 15 с течением времени с использованием двигателя 19. Таким образом, благодаря непрерывному и линейному изменению массы ослабляющего тела 14 можно осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
(2) Согласно способу спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления толщина, а именно масса, ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения непрерывно изменяется с течением времени, таким образом, осуществляется преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
(3) Согласно способу спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления толщина слоя, а именно масса, ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения призвана линейно, т.е. непрерывно изменяться в направлении, пересекающемся с оптической осью 16. Затем двигатель 19 (средство изменения массы) совершает относительное перемещение фильтра 11 на основе преобразования Лапласа относительно регистрирующего элемента 15 (средства регистрации) в направлении, пересекающемся с оптической осью 16. В результате, можно осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
0
(4) Спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления содержит фильтр 11 на основе преобразования Лапласа, который осуществляет преобразование Лапласа на спектральной интенсивности падающего излучения, регистрирующий элемент 15, который регистрирует пропущенную спектральную интенсивность падающего излучения, и арифметическое устройство 17, которое вычисляет интенсивность падающего излучения I спектра падающего излучения, поступившего на фильтр 11 на основе преобразования Лапласа.
В результате, способ спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления может охватывать широкий диапазон спектров падающего излучения для характеристического рентгеновского излучения. Кроме того, преимущественно, спектроскопическая способность способа спектроскопии согласно настоящему варианту осуществления небыстро снижается и устойчива к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчива к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
(5) Спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления может охватывать широкий диапазон спектров падающего излучения для характеристического рентгеновского излучения, в частности характеристического рентгеновского излучения разных веществ. Кроме того, преимущественно, спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления предусматривает прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который небыстро утрачивает спектроскопическую способность и устойчив к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчив к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
(6) Спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления непрерывно изменяет толщину слоя, а именно массу, ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения с использованием двигателя 19 (средства изменения массы), таким образом, обеспечивая прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
(7) Спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления устроен таким образом, что толщина слоя, а именно масса, ослабляющего тела 14 вдоль оптической оси 16 спектра падающего излучения линейно изменяется в направлении, пересекающемся с оптической осью 16, и двигатель 19 (средство изменения массы) совершает относительное перемещение фильтра 11 на основе преобразования Лапласа относительно регистрирующего элемента 15 (средства регистрации) в направлении, пересекающемся с оптической осью 16. Таким образом, спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления предусматривает прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, способный осуществлять преобразование Лапласа на спектре падающего излучения.
(8) В спектроскопическом приборе 10 согласно настоящему варианту осуществления пропущенный свет проходит через микроотверстие 21 для формирования изображения на регистрирующем элементе 15 (средстве регистрации), что позволяет регистрировать сформированное изображение с использованием регистрирующего элемента 15.
(9) Спектроскопический прибор 10 согласно настоящему варианту осуществления может регистрировать пропущенный свет без охлаждения регистрирующего элемента 15, что позволяет снижать его стоимость, а также уменьшать его размеры и вес без необходимости в устройстве охлаждения.
(10) В настоящем варианте осуществления фильтр 11 на основе преобразования Лапласа может вращаться посредством двигателя 19, а именно привода, таким образом, диспергируя свет дважды каждый раз, когда он делает один оборот. Таким образом, регулируя скорость вращения, т.е. угловую скорость, можно повысить разрешение по времени. Кроме того, в качестве спектроскопической производительности фильтра 11 на основе преобразования Лапласа можно обеспечить как разрешение по времени, так и разрешение по энергии, позволяющие различать характеристическое рентгеновское излучение элементов.
Опишем пример фактических вычислений.
(Пример вычисления)
Как описано выше, спектр падающего излучения можно получить с использованием Выражения (6), которое является математически точным выражением. Однако фактический анализ выполняется как операции над числами в конечной области с использованием компьютера, и, таким образом, интегрирование Выражения (6) по бесконечной области осуществлять нельзя. По этой причине, для реализации численного анализа в конечной области, Выражение (15), способное обеспечить конечные области интегрирования, используется вместо Выражения (6). Как указано в Выражении (16), Выражения (6) и (15) математически эквивалентны в случае, когда параметр арифметической области σ равен 0. "σ" - это параметр, который определяет арифметическую область, и σ=0 означает, что арифметическая область бесконечна.
0
Если спектр падающего излучения F(E) выражается дельта-функцией δ(E-E), получается Выражение (17). Если σ-зависимость результатов анализа получается с использованием падающего света, спектр которого известен, получается Выражение (18).
Если параметр арифметической области σ задать равным 0, из Выражения (18) получается Выражение (20).
0
Кроме того, если X монотонно возрастает или убывает, из Выражения (20) получается Выражение (21), так что I(E) эквивалентно F(E), указанному в Выражении (17).
0
Как описано выше, хотя σ=0 означает, что арифметическая область бесконечна, отклонение результата анализа I(E) от спектра падающего излучения F(E), вызванное обеспечением конечной арифметической области, можно оценить с использованием Выражения (18). Соотношение σ=0,01 дает арифметическую область ±500 (см. фиг.4).
2
На фиг.5 показаны результаты анализа, полученные с использованием обычного персонального компьютера исходя из предположения σ=0,01. На фиг.6 показан увеличенный вид для фиг.5 вблизи участка 5000 эВ. Предполагается, что используемые спектры падающего излучения представляют собой спектры с двумя линиями 5010 эВ и 7010 эВ, имеющими бесконечно малую ширину линии и одинаковую интенсивность. Как явствует из фиг.6, в результате присвоения σ конечного значения и обеспечения конечной арифметической области, значения ширины линии после анализа становятся конечными. Конечность ширины линии обусловлена членом exp[-(X/σ)] в Выражении (18). Член exp(X/c) в Выражении (18) показывает, что, если параметру арифметической области σ присвоить слишком большое значение, результаты анализа не будут воспроизводить энергию или интенсивность линейчатого спектра падающего излучения (см. фиг.7).
0
Соотношение ширины линии и энергетической позиции с коэффициентом поглощения в результатах анализа получается из Выражения (18). Полагая, что интеграл от Выражения (18) равен Kσ(E) и выполняя разложение в ряд Тейлора по X в окрестности E-E, получаем Выражение (23).
Полагая, что ошибка чтения в ширине линии, обусловленная конечным анализом, равна ΔE, получаем Выражение (24) через член гауссовой функции в Выражении (23).
-b
В настоящем примере вычисления коэффициент поглощения вещества в рентгеновском диапазоне выражается как α(E)=aE, и в случае выбора никеля в качестве ослабляющего тела, b=2,63. Это дает β(E)=-b/E, так что, предполагая σ=0,01, получаем E/ΔE=263. Таким образом, можно получить относительную ошибку чтения из относительного изменения коэффициента поглощения в отношении энергии и диапазона, подлежащего численным вычислениям. Однако относительная ошибка чтения в Выражении (24) является предельным значением в силу численных вычислений. Для реализации предельного значения, калибровочные эксперименты предпочтительно проводить с использованием монохромного источника света с высоким разрешением, имеющего очень малую ширину спектра.
Разрешение традиционного монохромного источника света с непрерывно изменяемой энергией составляет около E/ΔE=8000, что, по меньшей мере, на один порядок больше, чем разрешение при осуществлении численных вычислений для анализа в настоящем примере вычисления с использованием обычного персонального компьютера, что позволяет фактически проводить калибровочные эксперименты. На фиг.5 показан пример вычисления на основании предположения о том, что преобразование Лапласа осуществляется на спектре падающего излучения фотона с использованием фильтра 11 на основе преобразования Лапласа. На фигуре по горизонтальной оси отложена энергия фотона и по вертикальной оси отложена спектральная интенсивность.
Настоящий пример вычисления относится к двухлинейным спектрам, имеющим бесконечно узкие линии равной интенсивности между 5010 эВ и 7010 эВ. Таким образом, на фиг.5, ширина линии, соответствующая разрешению, равна 40 эВ. Таким образом, поскольку предполагается, что регистрирующий элемент 15 измеряет количество фотонов, эффективность регистрации f(E) задается равной 1. При фактических вычислениях, интегрирование обеспечивает конечную сумму. Таким образом, в ряде случаев интенсивность остается в области, свободной от линейчатого спектра, которая должна исчезать вследствие полной интерференции в точном смысле.
Условия вычисления для этого примера вычисления включают в себя то условие, что интервал от 0 кэВ до 10,0 кэВ делится на 100 равных частей и толщина слоя ослабляющего тела в фильтре делится на 10000 равных частей.
(Второй вариант осуществления)
Поскольку настоящий вариант осуществления использует почти такую же аппаратную конфигурацию, как первый вариант осуществления, идентичные компоненты имеют идентичные условные обозначения.
Второй вариант осуществления предусматривает получение поляризованных компонентов спектра падающего излучения в случае, когда коэффициент поглощения ослабляющего тела демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитной волны или пучка частиц.
Линейная поляризация света разлагается на вертикальную поляризацию и горизонтальную поляризацию относительно направления распространения света, т.е. относительно оптической оси, как показано на фиг.19, и ее компоненты можно измерять, как поляризацию. Кроме того, в случае круговой поляризации света, существуют, как показано на фиг.20, поляризация по часовой стрелке и поляризация против часовой стрелки относительно направления распространения света, т.е. относительно оптической оси, и компоненты по часовой стрелке и против часовой стрелки можно измерять, как поляризацию. В случае пучков частиц, как показано на фиг.21, можно оценивать вероятности ориентации спина вверх и вниз для падающей частицы 250 в случае приложения магнитного поля.
Средство создания магнитного поля может содержать постоянный магнит или электромагнит. На фиг.22 и 23 показан пример падающих фотонов.
Согласно фиг.22 возможен случай, когда средство создания магнитного поля располагается так, что создает магнитное поле, в котором сторона входа является северным полюсом и сторона выхода является южным полюсом и направление которого совпадает с направлением оптической оси 16 спектра падающего излучения.
Кроме того, согласно фиг.23, возможен случай, когда средство создания магнитного поля располагается так, что направление от северного полюса к южному полюсу перпендикулярно оптической оси 16 спектра падающего излучения, таким образом, приложенное магнитное поле перпендикулярно оптической оси 16.
Направление магнитного поля, а именно стационарного магнитного поля, относительно оптической оси, т.е. направление, параллельное оптической оси, или направление, перпендикулярное оптической оси 16, соответствует заранее определенным направлениям пунктов 5 и 10 соответственно.
Соответственно во втором варианте осуществления, никель, служащий ферромагнитным телом, демонстрирующим зависимость от поляризации электромагнитных волн/пучки частиц, осаждается из паровой фазы в качестве ослабляющего тела 14 на основном теле 12. Ослабляющее тело 14 формируется с той же толщиной слоя, что и в первом варианте осуществления. Кроме никеля, в качестве ферромагнитного тела можно применять гадолинит и т.п.; однако, конечно, можно применять и другие ферромагнитные тела, отличные от никеля и гадолинита.
±
Во втором варианте осуществления арифметическое устройство 17 вычисляет спектр поляризованного излучения с использованием Выражения (11) на основании пропущенной интенсивности J(t), регистрируемой регистрирующим элементом 15. Арифметическое устройство 17 соответствует средству вычисления спектральной интенсивности поляризованного излучения.
±
Выражение (11) основано на Выражениях (12)-(14) и обратном преобразовании Лапласа, т.е., практически, в Выражении (11) осуществляется преобразование Меллина. Кроме того, пропущенная интенсивность J(t) является выражением преобразования Лапласа для интенсивности падающего излучения, что показано в Выражении (14).
Кроме того, во втором варианте осуществления, как и в первом варианте осуществления, в арифметическое устройство 17 заранее вводятся коэффициент поглощения α(E) и область энергии E спектра, подлежащего измерению, через устройство ввода (не показано).
(О способе обращения полярности при измерении поляризации)
Опишем способ обращения полярности при измерении поляризации.
±
Благодаря приложению стационарного магнитного поля в направлении распространения падающего фотона, т.е. в направлении оптической оси 16, как показано на фиг.22, или в направлении, перпендикулярном направлению распространения падающего фотона, т.е. в направлении, перпендикулярном оптической оси 16, как показано на фиг.23, ослабляющее тело 14, которое является ферромагнитным телом, намагничивается для дальнейшего осуществления первого преобразования Лапласа. Затем, второе преобразование Лапласа осуществляется путем обращения направления стационарного магнитного поля на 180° в случае, когда напряженность магнитного поля поддерживается постоянной. Результаты этих операций имеют противоположные полярности и могут давать J(t) в Выражении (14). В этом случае, падающий фотон относится к любому фотону, а не, например, к пучкам частиц и рентгеновским лучам. Если стационарное магнитное поле приложено в направлении оптической оси падающего фотона, круговую поляризацию света можно идентифицировать по магнитному циркулярному дихроизму, как показано на фиг.22. Здесь, обращение полярности означает обращение магнитного поля на 180°. Спектральная интенсивность падающего излучения должна быть постоянной при первой и второй дисперсиях. Кроме того, если стационарное магнитное поле прилагается перпендикулярно к оптической оси падающего фотона, линейная поляризация света идентифицируется по магнитному циркулярному дихроизму, как показано на фиг.23.
Для проверки пропорции между вертикальной поляризацией света и горизонтальной поляризацией света, нижеследующее осуществляется в порядке исключения обращения магнитного поля.
(Исключение обращения магнитного поля)
Магнитный линейный дихроизм можно использовать для диспергирования света путем разделения вертикальной поляризации и горизонтальной поляризации света. Эти вертикальная поляризация и горизонтальная поляризация света имеют плоскости поляризации под углом 90° друг к другу, как показано на фиг.19.
±
Прежде всего, стационарное магнитное поле прилагается перпендикулярно направлению распространения спектра падающего излучения, т.е. оптической оси, как показано на фиг.23, чтобы, таким образом, намагничивать ослабляющее тело, которое является ферромагнитным телом, и, таким образом, осуществлять первое преобразование Лапласа. Затем, второе преобразование Лапласа осуществляется путем обращения направления стационарного магнитного поля на 90° относительно оптической оси в случае, когда напряженность магнитного поля поддерживается постоянной. Результаты этих операций имеют противоположные полярности и могут давать J(t) в Выражении (14). Спектральная интенсивность падающего излучения должна быть постоянной при первой и второй дисперсиях.
Это позволяет идентифицировать поляризацию света на основании магнитного циркулярного дихроизма или магнитного линейного дихроизма с использованием никеля, который является ферромагнитным телом, в качестве ослабляющего тела 14.
Вышеописанные способ спектроскопии и спектроскопический прибор 10 имеют следующие характеристики.
(1) Согласно способу спектроскопии согласно второму варианту осуществления если на четвертом этапе коэффициент поглощения α(E) ослабляющего тела 14 демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитных волн или пучков частиц, получаются соответствующие поляризованные компоненты. Таким образом, если наблюдается зависимость от поляризации электромагнитных волн или пучков частиц, можно получить соответствующие поляризованные компоненты.
(2) Во втором варианте осуществления можно обеспечить прибор для спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц, который, если коэффициент поглощения α(E) ослабляющего тела 14 демонстрирует зависимость от поляризации электромагнитных волн или пучков частиц, может получать каждый из поляризованных компонентов.
(Пример применения)
Опишем пример применения со ссылкой на фиг.8-11.
Пример применения включает в себя измерение рентгеновского излучения в большом спиральном устройстве в National Institute for Fusion Science. На фиг.8 показана схема спектроскопического прибора 10 для оценки переноса частиц загрязнения. Компоненты, используемые в первом варианте осуществления, имеют идентичные условные обозначения. В примере применения одномерная полупроводниковая матрица, а именно одномерный многоэлементный детектор, используется в качестве регистрирующего элемента 15. Условное обозначение 22 на фигуре указывает запоминающее устройство, подключенное к арифметическому устройству 17.
Плазма в большом спиральном устройстве (не показано) имеет высокую излучаемость характеристического рентгеновского излучения, поэтому если в качестве спектроскопического прибора 10 используется одномерный многоэлементный детектор регистрирующего элемента 15, можно одновременно иметь разрешение по энергии, пространственное разрешение и разрешение по времени, таким образом, осуществляя оценку переноса. На фиг.8 большое спиральное устройство (не показано) снабжено устройством 25 инжекции загрязнения для инжекции загрязнения, например, аргона в плазму P, нагретую нагревательным устройством 26.
В этом примере применения спектроскопический прибор 10 может измерять изменение во времени пространственного распределения спектра рентгеновского излучения, и полученный результат можно использовать при оценке переноса загрязнения. Плазме P придается форма тора, поэтому распределение переноса можно оценивать в радиальном направлении от центра поперечного сечения к внешней оболочке.
На фиг.9-11 представлены данные, полученные традиционными способами.
12
3
На фиг.9 показано радиальное распределение излучаемости характеристического рентгеновского излучения аргона (3,2 кэВ), излучаемого из типичной плазмы в большом спиральном устройстве. По его горизонтальной оси отложена стандартизованная диаметральная координата плазмы, 0 которой соответствует центру плазмы и 1 соответствует внешней оболочке плазмы. Газообразный аргон, инжектируемый к центру плазмы P в момент времени 1,5 с, постепенно диффундирует к центру от внешней оболочки плазмы P. В ходе измерения распределение электронной температуры является постоянным, и интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна абсолютному количеству аргона. "Радиальная" означает координату, идущую от центра поперечного сечения к внешней оболочке торообразной плазмы P. Согласно фиг.9, при наивысшей интенсивности, излучаемость рентгеновского излучения приближается к 10 фотон/см/с, и, при разрешении по энергии 150 эВ, разрешение по времени может составлять около 10 мс.
На фиг.10 показан спектр рентгеновского излучения, излучаемого из типичной плазмы в большом спиральном устройстве, который измеряется с использованием традиционного полупроводникового амплитудного анализатора импульсов рентгеновского излучения.
Спектр рентгеновского излучения от 2,5 кэВ до 10 кэВ, излучаемого из типичной плазмы, генерируемой в большом спиральном устройстве, обозначен K. Помимо непрерывных спектров, обусловленных тормозным излучением, испускаемым электронами, измеряется характеристическое рентгеновское излучение аргона и переходных металлов, содержащихся в плазме в качестве загрязнения. В частности, переходные металлы Cr и Fe, атомные числа которых отличаются друг от друга на 2, имеют характеристическое рентгеновское излучение, отстоящее друг от друга примерно на 1 кэВ.
Традиционно, полупроводниковый амплитудный анализатор импульсов рентгеновского излучения используется в качестве детектора и имеет ограниченную скорость отсчета, поэтому фильтр в виде плоской пластины бериллия, имеющий толщину t=1 мм, и пластина, имеющая микроотверстие диаметром 0,5 мм, установлены отдельно друг от друга последовательно вдоль оптической оси и используются в качестве коллиматора для значительного снижения интенсивности падающего света. На фиг.10 FL указывает коэффициент пропускания фильтра в виде плоской пластины бериллия. После коррекции посредством коэффициента поглощения фильтра в виде плоской пластины бериллия, фактическая интенсивность характеристического рентгеновского излучения аргона больше, чем у Fe (железа), по меньшей мере, на два порядка. В случае, показанном на фиг.10, можно достаточно хорошо отличать характеристическое рентгеновское излучение переходных металлов, имеющих соседние атомные числа, при разрешении по энергии 500 эВ.
На фиг.11 показано распределение времени прихода, требуемого частицей, необходимое для количественной оценки переноса для достижения соответствующих радиальных позиций от внешней оболочки плазмы P. На фигуре, по горизонтальной оси отложено расстояние и по вертикальной оси отложено время, и, таким образом, она показывает, что измерительное устройство должно одновременно иметь пространственное разрешение и разрешение по времени помимо разрешения по энергии. Согласно фиг.11 наблюдается параболическая зависимость от диаметра плазмы P. Чем ближе внешняя оболочка плазмы P, тем ниже электронная температура и ниже интенсивность характеристического рентгеновского излучения. Соответственно, точность измерения снижается.
Здесь, оценка переноса означает получение коэффициента диффузии и скорости конвекции, которые зависят от градиента времени прихода, поэтому необходимо установить большое количество точек измерения в пространстве и времени, как показано на фиг.11.
Традиционно, поскольку амплитудный анализатор импульсов рентгеновского излучения используется при оценке переноса, разрешение по времени и пространственное разрешение невозможно повысить одновременно; таким образом, плазма в одних и тех же условиях разряда создается около 10 раз для измерения радиального распределения времени прихода. В случае амплитудного анализатора импульсов рентгеновского излучения, вследствие его ограниченной скорости отсчета, плоскую пластину бериллия нужно использовать для снижения спектральной интенсивности на стороне низкой энергии, где, в частности, интенсивность тормозного излучения электронов высока. Согласно фиг.10 характеристическое рентгеновское излучение аргона имеет низкий энергетический уровень 3,2 кэВ, и интенсивность снижается на два порядка. Фактически, отношение С/Ш на фиг.11 снижается в отношении 1/10, то есть квадратный корень из 1/100 в силу недостаточной скорости отсчета амплитудного анализатора импульсов рентгеновского излучения.
Спектроскопический прибор 10 согласно примеру применения использует фильтр на основе преобразования Лапласа и поэтому не обязан иметь фильтр в виде плоской пластины, который снижает, по меньшей мере, интенсивность падающего излучения, таким образом, позволяя осуществлять оценку переноса при отношении С/Ш, по меньшей мере, в 10 (т.е. квадратный корень из 100) раз больше, чем у амплитудного анализатора импульсов рентгеновского излучения.
В частности, точность анализа переноса повышается на периферии плазмы. Кроме того, оценку переноса можно проводить в только одном разряде с использованием многоэлементного детектора с высоким разрешением по времени.
(Способ создания фильтра на основе преобразования Лапласа)
Опишем способ создания фильтра на основе преобразования Лапласа со ссылкой на фиг.12.
Согласно фиг.12 этот фильтр на основе преобразования Лапласа использует дискообразную платформу 31 для осаждения из паровой фазы в качестве своей основы.
-8
Камера 100 сверхвысокого вакуума оборудована в своей верхней части держателем 110 охлаждения подложки, который приводится во вращение двигателем (не показан), и может быть вакуумирована для достижения условия сверхвысокого вакуума. Кроме того, камера 100 сверхвысокого вакуума снабжена воздушным шлюзом 120, который позволяет вынимать содержимое изнутри. Сверхвысокий вакуум означает атмосферу вакуума, который достигает, например, 10 Па.
Дискообразная платформа 31 для осаждения из паровой фазы, удерживаемая держателем 110 охлаждения подложки в камере 100 сверхвысокого вакуума, и его полупроводниковая часть закрыта затвором 40. В этих обстоятельствах, оператор управляет двигателем (не показан) таким образом, чтобы заставлять держатель 110 охлаждения подложки совершать полуоборот с постоянной скоростью вокруг центра дискообразной платформы 31 для осаждения из паровой фазы. В этом случае, вращение двигателя осуществляется под управлением устройства 150 управления приводом парового осаждения.
В ходе этого полуоборота, испаренный переходный металл из электронно-лучевой испарительной печи 130, поступивший в камеру 100 сверхвысокого вакуума, осаждается из паровой фазы на участок, не покрытый затвором 40, таким образом, создавая фильтр на основе преобразования Лапласа, где толщина пленки, осажденной из паровой фазы, непрерывно изменяется в этом направлении вращения. Таким образом, на полукруглой части дискообразной платформы 31 для осаждения из паровой фазы формируется пленка, толщина осаждения из паровой фазы которой непрерывно изменяется в направлении вращения.
Точка на законченном фильтре на основе преобразования Лапласа, где толщина слоя ослабляющего тела минимальна, и точка на этом фильтре, где толщина максимальна, отстоят друг от друга на 180° в направлении вращения, поэтому каждый раз, когда этот фильтр на основе преобразования Лапласа совершает один оборот, т.е. на 360°, свет может диспергировать дважды. Наибольшая толщина осаждения из паровой фазы составляет 100 мкм в случае, когда в качестве материала используется переходный металл.
В качестве осаждаемого материала медь, не имеющая границ поглощения между 1 кэВ и 9 кэВ, наиболее пригодна в случае измерения спектра характеристического рентгеновского излучения переходного металла; однако настоящее изобретение не ограничивается медью.
(Пример фильтра на основе преобразования Лапласа)
Опишем пример фильтра на основе преобразования Лапласа.
На фиг.13 показано изображение, сформированное в случае, когда обычное жесткое рентгеновское излучение спецификаций охлаждения на основе эффекта Пельтье, которое было чувствительно в жестком рентгеновском излучении 20 кэВ или выше, использовалось в качестве детектора рентгеновского излучения. Предмет сфотографировали с использованием плазмы в большом спиральном устройстве в качестве источника рентгеновского излучения, таким образом, обеспечив сравнительный пример.
На фиг.14 показано изображение, полученное путем фотографирования того же предмета, что и в сравнительном примере, через фильтр на основе преобразования Лапласа.
Интенсивность жесткого рентгеновского излучения, по меньшей мере, 20 кэВ плазменного источника света в этом примере была первоначально невелика, и данные показывают, что пропущенная интенсивность снижалась по мере увеличения толщины фильтра. Однако было обнаружено, что даже при низкой интенсивности сигнала спектр рентгеновского излучения также было возможно стабильно измерять с достаточным пространственным разрешением даже совсем без противодействия электромагнитному шуму и вибрациям.
2
В примере фильтр на основе преобразования Лапласа измерял 50×30 мм, и ослабляющее тело было выполнено из алюминия и создано путем зачистки. В этом случае, ослабляющее тело имело толщину от 50 до 500 мкм.
На фиг.13 и 14 вертикальные линии, сфотографированные поперечно, являются рамками окна для визуального наблюдения плазмы.
(Третий вариант осуществления)
Теперь опишем третий вариант осуществления со ссылкой на фиг.15. Нижеследующие варианты осуществления, включая этот вариант осуществления, имеют разные конфигурации фильтра на основе преобразования Лапласа, поэтому те же компоненты, что и в первом варианте осуществления, имеют идентичные условные обозначения, и повторное описание идентичных компонентов будет опущено. В нижеследующих вариантах осуществления, включая настоящий вариант осуществления, устройство отображения 18 не показано на фиг.15-17 для простоты объяснения.
Фильтр 60 на основе преобразования Лапласа содержит контейнер 62, который содержит жидкость 64 в качестве ослабляющего тела. Предпочтительно, контейнер 62 имеет одну и ту же форму поперечного сечения в направлении высоты, являясь, например, телом с прямоугольными гранями, кубом или цилиндром. Затем, в контейнер 62 жидкость 64 может течь через насос 66 при постоянном расходе.
В качестве ослабляющего тела жидкость 64 может быть галлием и т.п.; однако настоящее изобретение не ограничивается этим случаем.
Согласно настоящему варианту осуществления спектроскопическое время определяется как промежуток времени, в течение которого жидкость 64 заливается в контейнер 62 от высоты 0 до заранее определенной высоты. В течение этого промежутка времени преобразование Лапласа осуществляется на спектральной интенсивности падающего излучения. В третьем варианте осуществления насос 66 соответствует средству изменения массы. Арифметические вычисления, осуществляемые арифметическим устройством 17, такие же, как в первом варианте осуществления, и повторное описание будет опущено. В этом случае, "t" означает не толщину ослабляющего тела, а глубину жидкости, выступающей в качестве ослабляющего тела в Выражениях (6), (7), (8) и (9), которые являются практическими выражениями.
(Четвертый вариант осуществления)
Теперь опишем четвертый вариант осуществления со ссылкой на фиг.16.
Фильтр 70 на основе преобразования Лапласа содержит герметичный контейнер 72, содержащий газ 74 в качестве ослабляющего тела. Предпочтительно, контейнер 72 имеет нижнюю стенку в виде плоской пластины и имеет одну и ту же форму поперечного сечения в направлении высоты, являясь, например, телом с прямоугольными гранями, кубом или цилиндром. Контейнер 72 соответствует камере. Затем, в контейнер 62 газ 74 в качестве ослабляющего тела может течь через насос 76 при постоянном расходе. Насос 76 соответствует средству изменения давления.
В качестве ослабляющего тела газ 74 может представлять собой аргон и т.п.; однако настоящее изобретение не ограничивается этим случаем.
Согласно настоящему варианту осуществления спектроскопическое время определяется как промежуток времени, в течение которого давление газа 74 в контейнере 72 меняется от низкого давления до заранее определенного высокого давления. В течение этого промежутка времени преобразование Лапласа осуществляется на спектральной интенсивности падающего излучения. В четвертом варианте осуществления насос 76 соответствует средству изменения массы. Арифметические вычисления, осуществляемые арифметическим устройством 17, такие же, как в первом варианте осуществления, и повторное описание будет опущено. В этом случае, «t» означает не толщину ослабляющего тела, а массу ослабляющего тела, т.е. плотность, в Выражениях (6), (7), (8) и (9), которые являются практическими выражениями.
(Пятый вариант осуществления)
Теперь опишем пятый вариант осуществления со ссылкой на фиг.17. В настоящем варианте осуществления предполагается, что интенсивность источника света однородна в одномерном направлении пространства.
В частности, ось энергии можно преобразовать в ось толщины ослабляющего тела 14, даже если ослабляющее тело 14, которое имеет треугольную форму поперечного сечения, в связи с чем его масса непрерывно изменяется в одномерном направлении, как показано на фиг.17, то есть даже если создан статический оптический элемент. В настоящем варианте осуществления основное тело 12 представляет собой плоскую пластину, выполненную из материала, через которую может проходить электромагнитная волна/пучок частиц.
Кроме того, средство регистрации выполнено в виде одномерной полупроводниковой матрицы, расположенной в одномерном направлении. В отличие от первого варианта осуществления спектроскопический прибор 10 такой конфигурации не вращает фильтр 11 на основе преобразования Лапласа и поэтому может измерять спектральную интенсивность в кратчайший спектроскопический промежуток времени.
Предыдущие варианты осуществления можно модифицировать следующим образом.
В первом варианте осуществления использовался один регистрирующий элемент 15. Однако, если большое количество регистрирующих элементов 15 располагается позади фильтра 11 на основе преобразования Лапласа, можно комбинировать разрешение по времени и разрешение по энергии, описанные в (10) первого варианта осуществления.
Кроме того, в случае когда большое количество регистрирующих элементов 15 располагается позади фильтра 11 на основе преобразования Лапласа, разрешение по энергии и разрешение по времени уравновешивают друг друга, если источник света имеет такую же интенсивность, как в первом варианте осуществления.
12
3
-6
Кроме того, например, если плазма генерируется большим спиральным устройством и плазменный источник рентгеновского излучения имеет излучательную способность 10 фотон/см/с, поле зрения в средней плоскости плазмы соответствует 12 мм, при условии, что диаметр регистрирующего элемента 15, равный 0,5 мм, обеспечивает угол обзора 1,0×10 стерадиан.
Затем, дискообразный фильтр на основе преобразования Лапласа, имеющий диаметр 150 мм, устанавливается и вращается двигателем (не показан) вокруг центра диска, что позволяет осуществлять осаждение ослабляющего тела из паровой фазы на полукруглый участок этого диска таким образом, чтобы толщина слоя изменялась линейно. Затем, благодаря вращению фильтра на основе преобразования Лапласа с периодом 20 мс, т.е. таким образом, что свет может диспергировать дважды каждый раз, когда фильтр совершает один оборот, разрешение по энергии становится равным 150 эВ, что позволяет измерять спектр с разрешением по времени 10 мс.
Хотя в варианте осуществления, показанном на фиг.1, фильтр 11 на основе преобразования Лапласа вращается и регистрирующий элемент 15 неподвижен, фильтр 11 на основе преобразования Лапласа может быть неподвижным, а регистрирующий элемент 15 и источник света (не показан) могут вращаться с постоянной угловой скоростью синхронно друг с другом.
Вариант осуществления, показанный на фиг.1, был описан со ссылкой на спектроскопический прибор 10 для диспергирования спектра рентгеновского излучения. Однако, чтобы он функционировал как спектроскопический прибор для диспергирования пучков частиц, например нейтронного излучения, материал ослабляющего тела можно изменить. Например, если ослабляющее тело является твердым, можно использовать бор, и если ослабляющее тело является газообразным, можно использовать водород, таким образом, диспергируя пучки частиц, например нейтронное излучение.
Способ спектроскопии электромагнитной волны/пучка частиц в этом случае не обязан ограничиваться спектральной интенсивностью падающего излучения и поэтому может обеспечивать высокую скорость отсчета. Кроме того, преимущественно, настоящий способ небыстро утрачивает спектроскопическую способность и устойчив к электромагнитному шуму, вибрациям, громкому звуку, нагреву и конкретным пучкам частиц, представляющим интерес, пучкам частиц, отличных от электромагнитных волн, электрическому шуму, обусловленному электромагнитными волнами, механическому разрушению и упругому рассеянию атомов, образующих твердое тело, и также более устойчив к радиационному воздействию на средства регистрации, чем традиционные технологии разрешения по энергии.
Хотя регистрирующий элемент 15 согласно варианту осуществления, показанному на фиг.1, не снабжен устройством охлаждения, обычный ПЗС спецификаций охлаждения на основе эффекта Пельтье можно использовать в качестве детектора рентгеновского излучения. Однако громоздкое устройство охлаждения не требуется в качестве устройства охлаждения.
Хотя насос 66 согласно третьему варианту осуществления приводится в действие для увеличения количества жидкости 64 в контейнере 62, контейнер 62 можно предварительно наполнять жидкостью 64 до заранее определенной высоты, и жидкость 64 можно откачивать насосом 66 при постоянном расходе.
Хотя насос 76 согласно четвертому варианту осуществления приводится в действие для увеличения давления газа 74 в контейнере 72, контейнер 72 можно предварительно наполнять газом 74 до заранее определенного давления, и газ 74 можно откачивать насосом 76 при постоянном расходе, таким образом, снижая давление в этом контейнере.
11 - фильтр на основе преобразования Лапласа,
12 - платформа,
13 - ось вращения,
14 - ослабляющее тело,
15 - регистрирующий элемент (средство регистрации, средство регистрации без охлаждения),
16 - оптическая ось,
17 - арифметическое устройство (средство обратного преобразования Лапласа, средство вычисления спектральной интенсивности поляризованного света),
18 - устройство отображения (средство отображения),
19 - двигатель (средство изменения массы),
60 - фильтр на основе преобразования Лапласа,
66 - насос (средство изменения массы),
70 - фильтр на основе преобразования Лапласа,
72 - контейнер (камера),
76 - насос (средство изменения давления).