УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ОБРАЗЦОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к исследованию и анализу материалов, а именно, к устройствам для исследования тонкопленочных образцов на поверхности жидкости, в
-4
-3
частности, позволяет осуществлять отклонение от первоначальной оси пучка синхротронного излучения для проведения спектрометрических исследований. Такие исследования необходимы, например, для определения элементного состава и структурной организации биоорганических наносистем на поверхности жидкости, обеспечивающего возможность проводить исследования белково-липидных моделей клеточных мембран в условиях, приближенных к условиям функционирования биомембран в живых клетках, а также изучать молекулярные механизмы повреждения клеточных мембран под действием токсических соединений в низких концентрациях (10-10 М).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Для проведения рентгеновских спектрометрических исследований тонкопленочных образцов на поверхности жидкости необходимо применение источника синхротронного излучения вследствие малой отражательной способности жидкостей. Спектрометрические исследования подразумевают получение угловых зависимостей регистрируемых величин. В отличие от твердотельных образцов, когда угловые зависимости получают, вращая образец вокруг оси пучка синхротронного излучения, исследования тонкопленочных образцов на поверхности жидкости требуют изменения угла падения пучка на образец, так как изменение углового положения самого образца в условиях гравитации невозможно. Данное требование, в сочетании с использованием синхротронного излучения, делает необходимым наличие системы, позволяющей осуществлять отклонение от первоначальной оси пучка синхротронного излучения, для проведения рентгеновских спектрометрических измерений.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство для проведения рентгеновских спектрометрических исследований тонкопленочных образцов на поверхности жидкости, состоящее из источника синхротронного излучения, кристаллического отражающего элемента, установленного на гониометре, системы позиционирования образца и станины. Ось приходящего пучка синхротронного излучения располагается в горизонтальной плоскости, что обусловлено особенностями конструкции источников синхротронного излучения. Вращение кристаллического отражающего элемента, находящегося в условиях дифракционного отражения, вокруг оси приходящего пучка синхротронного излучения позволяет создавать угол с горизонтальной поверхностью. Этот угол можно описать как
,
cry
где γ - угол падения излучения на горизонтальную плоскость, φ - угол поворота кристаллического отражающего элемента вокруг оси первичного пучка, 2θ - двойной угол дифракционного отражения кристаллического отражающего элемента. Для сохранения неизменной области засветки на образце необходимо осуществлять его перемещение, следуя за отраженным пучком. Траекторией перемещения является часть среза конуса дифракции отражающего кристаллического элемента, представляющая собой окружность, описанную в вертикальной плоскости, перпендикулярной приходящему из источника синхротронному пучку.
Данное устройство для проведения рентгеновских спектрометрических исследований тонкопленочных образцов на поверхности жидкости получило широкое распространение (Smectic-A Order at the Surface of a Nematic Liquid Crystal: Synchrotron X-Ray Diffraction./Phys. Rev. Lett., 1982, V.48, P.1107).
Однако, устройства, работающие по описанному выше принципу, обладают рядом недостатков. Одним из самых значимых среди них является необходимость перемещения образца за отраженным пучком для сохранения области засветки. Вследствие этого предъявляются крайне высокие требования к точности перемещения линейных и вращательных осей устройства, а из-за кинематической сложности реализации движения образца за пучком экспериментальная установка получается громоздкой и требует дополнительного пространства.
Техническим результатом является разработка устройства для проведения рентгеновских спектрометрических исследований тонкопленочных образцов на поверхности жидкости, обладающего большим угловым диапазоном сканирования, позволяющего производить исследования образцов с сохранением неизменного положения области засветки образца и неизменным пространственным положением самого образца.
Для достижения указанного результата предложено устройство для проведения рентгеновских спектрометрических исследований тонкопленочных образцов на поверхности жидкости, состоящее из источника синхротронного излучения, кристаллического отражающего элемента, установленного на гониометре, станины и системы отклонения рентгеновского пучка, при этом устройство содержит два кристаллических отражающих элемента, закрепленных на гониометрах, обладающих минимум 3 степенями свободы, при этом система отклонения пучка выполнена в виде неподвижного корпуса, закрепленного на станине, с установленным в нем кольцом, имеющим возможность вращения, на котором закреплены гониометры, первый из которых закреплен непосредственно на кольце, а второй - на электромеханической линейной направляющей, закрепленной на кольце напротив крепления первого гониометра по отношению к оси вращения кольца.
РАСКРЫТИЕ УСТРОЙСТВА.
На фигуре 1 и 2 даны эскизы устройства, вид спереди и вид слева.
На фигуре 3 дана оптическая схема устройства.
Позициями обозначены:
1 - станина
2 - корпус
3 - вращающееся кольцо
4 - первый гониометр
5 - второй гониометр
6 - линейная электромеханическая направляющая
7 - источник синхротронного излучения
8 - первый кристаллический отражающий элемент
9 - второй кристаллический отражающий элемент
10 - тонкопленочный образец
Предлагаемое устройство для проведения рентгеновских спектрометрических исследований тонкопленочных образцов на поверхности жидкости состоит из источника синхротронного излучения 7, станины 1, корпуса 2, установленного в корпусе вращающегося кольца 3, двух гониометров 4, 5, минимум с 3-мя степенями свободы (две вращательных оси гониометра лежат в горизонтальной плоскости, перпендикулярно друг к другу, одна линейная ось перемещения, перпендикулярная к плоскости образца), линейной электромеханической направляющей 6, двух кристаллических отражающих элементов 8, 9. Два кристаллических отражающих элемента 8, 9 устанавливаются на гониометрах 4, 5 соответственно. На установленное в неподвижном корпусе кольцо с возможностью вращения 3 закрепляется первый гониометр 4 с установленным на нем отражающим элементом 8 (на фигурах 1 и 2 кристаллические отражающие элементы 8 и 9 не показаны). Напротив крепления первого гониометра, относительно оси вращения, на кольце 3 закрепляется линейная электромеханическая направляющая 6. К электромеханической линейной направляющей прикрепляется второй гониометр 5.
Первый кристаллический отражающий элемент 8 выводит пучок синхротронного излучения из горизонтальной плоскости, в которой также находится и плоскость образца, вследствие проведения эксперимента на свободной поверхности жидкости. Второй кристаллический отражающий элемент 9 относительно отраженного пучка должен располагаться под большим углом, чем первый элемент 8, тогда пучок от второго кристаллического отражающего элемента отражается от него в сторону образца 10 под некоторым углом. Для кристаллических отражающих элементов это условие выполняется за счет использования кристаллов с разными параметрами решетки или же за счет отражения от разных кристаллографических плоскостей. Изменение угла падения излучения в процессе исследования производится за счет совместного вращения двух отражающих элементов, находящихся в согласованных позициях вокруг оси первичного пучка. На оптической схеме (фиг.3) представлен ход рентгеновских лучей в устройстве и рентгенооптические элементы установки.
Таким образом, максимальный угол падения излучения на поверхность образца зависит от углов установки кристаллических отражающих элементов 8,9 относительно первичного пучка для первого элемента 8, и отраженного для второго 9.
,
max
1 defl
2 defl
где γ - максимальный угол падения излучения на образец 10, 2θ и 2θ - это удвоенные угловые позиции первого и второго отражающих элементов соответственно 8, 9.
Угол падения излучения на поверхность образца 10 изменяется совместным вращением двух отражающих элементов 8, 9 посредством вращающегося кольца (3) вокруг общей оси, совпадающей с направлением пучка синхротронного излучения и находящейся в плоскости образца. Этот угол можно выразить следующим образом:
,
1
где γ - угол падения излучения на образец, φ - угол поворота кольца 3, на котором установлены кристаллические отражающие элементы 8, 9.
Предложенное устройство позволяет проводить угловое сканирование по образцу в диапазоне углов γ до 2.5 Å-1 используя единственную ось вращения вокруг первичного рентгеновского пучка, при этом во всем диапазоне сканирования образец остается неподвижным, а область засветки-неизменной, что упрощает проведение исследований, ускоряет их процесс, сокращает вносимые аппаратные ошибки за счет меньшего числа задействованных электромеханических осей, а так же реализует возможность использования габаритных приставок для анализа образцов не рентгеновскими методами.