РЕНТГЕНОВСКИЙ АКСИКОН

Полезная модель относится к области рентгенотехники и может быть использована для формирования пучка рентгеновского излучения.
Существует множество практических задач требующих протяженных сфокусированных пучков, к ним относятся: юстировка оптических элементов в рентгеновском пучке, исследование объектов представляющих собой протяженную волокнистую структуру, например биологические материалы, многослойные структуры, кристаллы, капилляры, а также, в качестве фокусирующих оптических элементов, обладающих намного более протяженной глубиной фокуса по сравнению с рентгеновской параболической линзой.
В видимой области спектра известны оптические элементы – аксиконы, обладающие осевой симметрией, которые за счет отражения и/или преломления преобразуют падающее электромагнитное излучение, характеризующееся высокой степенью пространственной когерентности, в узкий осевой отрезок, в отличие от линзы, которая изображает такой точечный источник в точку. Это выпуклые оптические элементы из оптически прозрачного материала, содержащие одну или две преломляющие поверхности.
Недостатком таких устройств является невозможность их применения для рентгеновской области спектра ввиду особенностей преломления рентгеновских лучей связанных с наличием декремента показателя преломления материалов, из которых они изготавливаются.
Известны устройства для формирования рентгеновских пучков на основе дифракционных оптических элементах. В зависимости от созданной дифракционной структуры, такие устройства, например, могут выполнять множественную фокусировку, в одной или нескольких фокальных плоскостях, или преобразовывать когерентное монохроматическое рентгеновское излучение в пучок с определенной геометрической формой.
Недостатком таких устройств является дискретность поверхностных структур, а также сложность их изготовления. Кроме того, они могут работать лишь в ограниченном узком диапазоне энергий, обусловленном структурой его поверхности, рассчитанной для заранее определенной длины волны.
Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является создание устройства простой конструкции, способного формировать пучок рентгеновского излучения в широком диапазоне длин волн, представляющий собой узкий протяженный осевой отрезок.
Технический результат достигается в устройстве, изготовленном из прозрачного в рентгеновской области материала, которое представляет собой, по крайней мере, одну пластину рентгенопрозрачного материала, каждая сторона которой выполнена, не более чем с одной осесимметричной полостью конической формы.
В случае выполнения пластины устройства с двумя полостями, предпочтительно располагать их соосно.
В случае выполнения устройства с двумя полостями, предпочтительно выполнять его с расстоянием между полостями намного меньшим, чем длина затухания электромагнитной волны в материале из которого изготовлено устройство.
В одном из вариантов исполнения полезной модели, по крайней мере, одна осесимметричная полость конической формы, описываемая следующим уравнением в цилиндрической системе координат:
,
где ось z направлена вдоль оптической оси, r радиальная координата, α угол в вершине конуса.
В одном из вариантов исполнения полезной модели, по крайней мере, одна осесимметричная полость конической формы выполнена в виде параболического конуса, описываемого следующим уравнением в цилиндрической системе координат:
,
где ось z направлена вдоль оптической оси, r радиальная координата, R –радиус кривизны в вершине параболы, образующей поверхность полости, а d – сдвиг оси этой параболы относительно оси параболического конуса.
Предпочтительно изготавливать устройство из материала, характеризующегося большим декрементом показателя преломления и малым коэффициентом поглощения, например из бериллия Be, алюминия Al, кремния Si, никеля Ni, углерода C (например, алмаза), из полимеров SU8, PMMA или ORMOCOMP
Предпочтительно выполнение устройства с круглой физической апертурой, превышающей эффективную апертуру, при которой увеличение физической апертуры практически не влияет на сформированное амплитудно-фазовое распределение рентгеновского пучка.
В одном из вариантов устройства одна из полостей имеет форму конуса, а вторая полость – форму параболического конуса.
Вариантом исполнения устройства является выполнение его из нескольких конструктивно соединенных пластин с последовательно расположенными вдоль одной оси пластинами с полостями, выполненными в форме конуса и/или параболического конуса.
На фиг.1 приведено поперечное сечение рентгеновского аксикона с полостью, выполненной в форме конуса. А – физическая апертура устройства, α – угол при вершине конуса, образующего полость, а – поперечный размер устройства, b – толщина пластины рентгенопрозрачного материала.
На фиг.2 приведено поперечное сечение рентгеновского аксикона с двумя полостями, выполненными в форме конуса. А – физическая апертура устройства, α – угол при вершине конуса, а – поперечный размер устройства b – толщина пластины рентгенопрозрачного материала, образующего полость, р – расстояние между вершинами конусов, образующих полости.
На фиг..3 приведено поперечное сечение рентгеновского аксикона с полостью, выполненной в форме параболического конуса. Штриховой линией показаны параболы, образующие поверхность полости. А – физическая апертура устройства, R –радиус кривизны в вершине параболы, образующей поверхность полости, d – сдвиг оси этой параболы относительно оси параболического конуса, а – поперечный размер устройства, b – толщина пластины рентгенопрозрачного материала.
На фиг..4 приведено поперечное сечение рентгеновского аксикона с двумя полостями, выполненными в форме параболического конуса. Штриховой линией показаны параболы, образующие поверхность полости. А – физическая апертура устройства, R –радиус кривизны в вершине параболы, образующей поверхность полости, d – сдвиг оси этой параболы относительно оси параболического конуса, а – поперечный размер устройства b – толщина пластины рентгенопрозрачного материала, образующего полость, р – расстояние между вершинами конусов, образующих полости.
Полезная модель действует следующим образом.
Принцип действия аксиконовых преломляющих оптических элементов можно описать, используя положения геометрической оптики, приняв во внимание эффект преломления рентгеновских лучей, наблюдаемый на поверхности раздела двух сред, имеющих различные коэффициенты показателя преломления. Данный эффект можно описать при помощи закона Снеллиуса, согласно которому световые лучи на границе двух сред преломляются так, что произведение показателя преломления на синус угла между нормалью к границе раздела и направлением луча, остается постоянным. То есть, угол преломления луча при прохождении границы между двумя средами зависит от соотношения коэффициентов преломления этих сред. Таким образом, варьируя форму преломляющей поверхности (угол падающего луча), можно добиться желаемого перераспределения лучей прошедших через рентгеновский преломляющий оптический элемент. В рамках волновой оптики, это означает соответствующее преобразование амплитудной и фазовой составляющих падающего электромагнитного излучения, и как следствие перераспределение энергии (интенсивности) за оптическим элементом.
При конической форме осесимметричной полости в рентгенопрозрачном материале, описываемой уравнением в цилиндрической системе координат:
(где ось z направлена вдоль оптической оси, r радиальная координата, α угол в вершине конуса), за счет преломления на границе полости и рентгенопрозрачного материала в котором эта полость образована, падающий плоский Гауссов пучок - преобразуется в яркий осевой отрезок, длина и толщина которого зависит от количества преломляющих поверхностей, а также угла раствора конуса α. Поперечное распределение интенсивности, за аксиконом, описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка, при этом его размер остается неизменным вдоль формируемого яркого осевого отрезка. С увеличением расстояния z за формируемым осевым отрезком, интенсивность из осевого отрезка перераспределяется в широкое расходящееся кольцо.
При конической форме осесимметричной полости в рентгенопрозрачном материале в виде параболического конуса, описываемого уравнением в цилиндрической системе координат  (где ось z направлена вдоль оптической оси, r радиальная координата, R –радиус кривизны в вершине параболы, образующей поверхность полости, а d – сдвиг оси этой параболы относительно оси параболического конуса), за счет преломления на границе полости и рентгенопрозрачного материала, в котором эта полость образована, падающее излучение преобразуется как параболической (первое слагаемое), так и конусной (второе слагаемое) составляющими поверхности.
Исходя из соображений геометрической оптики, рентгеновский параболический аксикон фокусирует падающий плоский Гауссов пучок в кольцо с радиусом d, на расстоянии f от него. Величина f соответствует фокусному расстоянию параболической рентгеновской преломляющей линзы, имеющей радиус кривизны R. Ширина кольца ограничивается дифракционным пределом, а угловая зависимость в распределении интенсивности отсутствует, в силу осевой симметрии рассматриваемой оптической схемы. С увеличением расстояния z, радиус кольца линейно увеличивается, а его границы размываются. Кроме того, падающий когерентный рентгеновский пучок, проходя через рентгеновский параболический аксикон, образует область интерференции, расположенную между центром преломляющей поверхности и фокусом. В этой области рентгеновский параболический аксикон формирует, масштабно уменьшающийся с расстоянием z, яркий сходящийся осевой отрезок. Поперечное распределение интенсивности, формируемое осевым отрезком, описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка.
При этом от длины волны падающего света зависят только параметры, образованного коническим или параболическим аксикономи, яркого осевого отрезка и расположенного за ним расходящегося кольцевого пучка.
Возможно также последовательное расположение аксиконов одинаковой или различной конструкции.
Составной рентгеновский конический аксикон преобразует падающий плоский рентгеновский Гауссов пучок в длинный осевой отрезок, длина и толщина которого зависит от параметров используемых оптических элементов. Поперечное распределение интенсивности, за составным рентгеновским коническим аксиконом описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка. Его поперечный размер остается неизменным вдоль формируемого яркого осевого отрезка. За формируемым осевым отрезком, интенсивность перераспределяется в широкое расходящееся кольцо. Комбинация различных рентгеновских конических аксиконов, а также варьирование их числа позволяют гибко изменять поперечный размер и длину формируемого осевого отрезка.
Составной рентгеновский параболический аксикон преобразует падающий плоский рентгеновский Гауссов пучок в длинный сходящийся осевой отрезок, длина и толщина которого зависит от параметров используемых оптических элементов. Поперечное распределение интенсивности, за составным рентгеновским параболический аксиконом описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка. Его поперечный размер уменьшается вдоль формируемого яркого осевого отрезка. За формируемым осевым отрезком, интенсивность перераспределяется в узкое сфокусированное кольцо. Комбинация различных рентгеновских конических аксиконов, рентгеновских параболических аксиконов и рентгеновских преломляющих линз, а также варьирование их числа позволяют гибко изменять поперечный размер и длину формируемого осевого отрезка, а также радиус и положение формируемого кольцевого распределения интенсивности.
Таким образом, достигается технический результат, на получение которого направлена полезная модель, в виде создания устройства простой конструкции, способного формировать узкий осевой отрезок пучка рентгеновского излучения в широком диапазоне длин волн.