Определение размеров источников рентгеновского излучения с использованием многоэлементной преломляющей рентгеновской линзы

УДК 535.317.1, 535-34

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ИСТОЧНИКОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ПРЕЛОМЛЯЮЩЕЙ

РЕНТГЕНОВСКОЙ ЛИНЗЫ

Дудчик Ю.И.

Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного

университета, г. Минск, Республика Беларусь

С использованием многоэлементной преломляющей рентгеновской линзы определены размеры двух источников рентгеновского излучения: синхротронного источника излучения на канале 2-3 в Стэндфордской лаборатории синхротронного излучения и микрофокусной рентгеновской трубки с медным анодом. Рентгеновский пучок от источника излучения фокусировался рентгеновской линзой и определялись параметры пучка в плоскости изображения линзы. Размер рентгеновского пучка определялся методом сканирования с помощью диафрагмы и методом визуализации пучка с использованием цифровой рентгеновской камеры. Установлено, что размер синхротронного источника излучения в вертикальном направлении равен 0,6 мм, а размер фокусного пятна рентгеновской трубки - 60 мкм.

Ключевые слова: рентгеновские лучи, синхротронное излучение, рентгеновская трубка, многоэлементная преломляющая рентгеновская линза.

Введение

Рентгеновское излучение широко используется в различных областях науки и техники: в материаловедении, биологии, медицине, технической диагностике. Основными источниками рентгеновских лучей в настоящее время являются рентгеновская трубка и синхротронный источник излучения. Рентгеновские трубки различаются по назначению, мощности, размеру фокусного пятна. Фокусное пятно рентгеновской трубки - это область анода, которая бомбардируется электронами и излучает рентгеновские фотоны. Например, размер фокусного пятна рентгеновских трубок для просвечивания составляет от 1 до 100 мкм. Он измеряется при заводских испытаниях трубки, а для трубок медицинского назначения - и в процессе эксплуатации. Существует несколько методов измерения фокусного пятна рентгеновской трубки: путем фотографирования специального тест-объекта в виде сетки, метод «ножа», с использованием элементов поликапиллярной оптики, фотографирование фокусного пятна при помощи камеры-обскура c небольшим отверстием [1]. Последний метод приобрел особую

популярность в связи с появлением цифровых рентгеновских камер, которые постепенно заменяют широко использующуюся в рентгеновской технике фотопленку. Разрешающая способность указанного метода ограничена размером отверстия камеры, которое в силу ряда причин не может быть меньше чем 5-6 мкм. Поэтому существует определенная проблема в измерении фокусного пятна микрофокусных рентгеновских трубок с разрешением лучше чем 5 мкм. Очевидным решением проблемы могла бы быть замена отверстия в камере-обскуре на преломляющую линзу, однако в течение фактически 100 лет после открытия рентгеновских лучей считалось, что преломляющая оптика для рентгеновского диапазона спектра неэффективна в силу малости показателя преломления. И только в 1996 г. группа исследователей предложила многоэлементную преломляющую рентгеновскую линзу [2], которая состоит из большого количества (50-300) соосно расположенных двояковогнутых микролинз, изготовленных из материала с небольшим порядковым номером, например алюминия, бериллия, или полимера. Как показали расчеты и проведенные исследования, такая система эф-

фективно преломляет рентгеновские лучи и может быть использована как фокусирующее и изображающее устройство для рентгеновских лучей с энергией фотонов от 5 до 30 кэВ.

Что касается синхротронных источников излучения, то они представляют собой уникальные и дорогостоящие центры коллективного пользования. В настоящее время во всем мире насчитывается свыше 40 синхротронных источников, которые позволяют получать рентгеновское излучение в диапазоне длин волн от жесткого ультрафиолета до жесткого рентгеновского излучения с энергией фотонов 30 кэВ и выше. В синхротронах размер источника рентгеновского излучения совпадает с размером поперечного сечения электронного пучка и, как правило, меньше чем 1 мм. Например, размер источника рентгеновского излучения для синхротрона второго поколения в Стэндфордской лаборатории синхротронного излучения (SSRL, США) составляет около 440^1700 мкм2, а для синхротрона третьего поколения APS (США) размер источника составляет 23^97 мкм2. Определение размера источника синхротронного излучения представляет достаточно сложную задачу, которая тем не менее может быть решена с использованием многоэлементных преломляющих рентгеновских линз, как это будет показано ниже.

Цель данной работы состоит в определении размеров источника синхротронного излучения и фокусного пятна микрофокусной рентгеновской трубки с использованием нового элемента рентгеновской оптики - многоэлементной преломляющей рентгеновской линзы.

Основная часть

Рассмотрим рентгенооптические характеристики многоэлементной преломляющей рентгеновской линзы, состоящей из N двояковогнутых микролинз с радиусом кривизны R каждая. Фокусное расстояние такой многоэлементной линзы рассчитывается по следующей формуле:

/ =

R

где Я - радиус кривизны линзы; N - число микролинз; (1-§) - действительная часть комплексного показателя преломления [2].

Преломляющая рентгеновская линза, как и линза для видимого диапазона спектра, является изображающим устройством: если источник излучения имеет размер и расположен на расстоянии а от линзы, то положение изображения источника относительно линзы и его размер находятся из следующих соотношений:

I 1_!

а + Ь~ 7:

f

где b - расстояние от линзы до плоскости изображения; f - фокусное расстояние рентгеновской линзы. Таким образом, если с помощью преломляющей рентгеновской линзы получить изображение источника излучения и измерить его, то при помощи соотношений (2) и (3) можно определить его размер S.

Для определения размеров источников рентгеновского излучения были использованы многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы, разработанные в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ [3-7]. Линза выполнена в виде стеклянного капилляра, внутри которого сформировано заданное число (от 10 до 350) двояковогнутых сферических эпоксидных микролинз с радиусом кривизны R, равным радиусу капилляра. Результаты исследования рентге-нооптических параметров указанных линз на синхротронах SSRL и APS приведены в [4, 5], где показано, что линзы фокусируют рентгеновские лучи с энергией фотонов от 7 до 18 кэВ в пятно размером в несколько микрон.

В настоящем исследовании для получения изображения источников излучения были использованы 2 рентгеновские линзы: линза № 1 выполнена в виде стеклянного капилляра диаметром 200 мкм, внутри которого сформированы 103 сферические эпоксидные микролинзы; линза № 2 выполнена в виде стеклянного капилляра диаметром 100 мкм, в котором сформирована 161 сферическая эпоксидная микролинза. Радиус кривизны отдельной микролинзы для линз № 1 и № 2 составляет 100 мкм и 50 мкм, соответственно. Фотография рентгеновской линзы № 2 приведена на рисунке 1 .

Рисунок 1 - Фотография преломляющей рентгеновской линзы № 2, содержащей 161 микролинзу с радиусом кривизны 50 мкм. Внизу показан капилляр, заполненный микролинзами, которые разделены воздушными пузырями

Исследования по определению размера синхротронного источника излучения проводились на канале 2-3 синхротрона в Стэндфорд-ской лаборатории синхротронного излучения (США). Пучок рентгеновского излучения от синхротронного источника монохроматизиро-вался с помощью двухкристального монохро-матора и направлялся на размещенную в гониометре линзу № 1. Энергия фотонов была выбрана равной 8 кэВ. Расстояние а от источника излучения до линзы равно 16,81 м. Интенсивность пучка, прошедшего через линзу, измерялась с помощью ионизационного газового детектора, который располагался за линзой. Между детектором и линзой располагалась танталовая щель размером меньше чем 1 микрон. Эта танталовая щель перемещалась перпендикулярно рентгеновскому пучку, чтобы измерить его профиль. Профиль пучка измерялся на различных расстояниях до линзы. Рассчитанное по формуле (1) фокусное расстояние линзы № 1 для фотонов с энергией 8 кэВ равно 128 мм. Согласно формуле (2) положение плоскости изображения линзы для источника, рас-

положенного на расстоянии а = 16,81 м до линзы, равно Ь = 129 мм. Именно на этом расстоянии до линзы и располагалась танталовая щель, которая перемещалась перпендикулярно пучку для определения профиля интенсивности пучка. На рисунке 2 приведен профиль интенсивности пучка, сфокусированного линзой № 1. Ширина профиля на полувысоте составляет 5,1 мкм. Предполагается, что это значение и есть искомый размер изображения источника « в вертикальном направлении. Пользуясь формулой (3), можно определить размер источника излучения: « = 0,66 мм. Полученное значение параметра « = 0,66 мм удовлетворительно согласуется с известным значением размера источника излучения в вертикальном направлении для указанного канала 2-3 Стэндфордского синхротрона, которое равно 0,44 мм. Основная причина расхождения результата измерения источника излучения с его известным значением состоит в том, что размер рентгеновского пучка в вертикальном направлении определялся с использованием щели, ширина которой меньше чем 1 микрон, и поэтому относительная погрешность в измерении источника составляла около 20 %.

Рисунок 2 - Профиль интенсивности рентгеновского пучка с энергией фотонов 8 кэВ, сфокусированного линзой № 1

Описанный выше метод определения размера источника излучения путем измерения профиля рентгеновского пучка в плоскости изображения линзы может быть существенно улучшен путем визуализации изображения источника излучения с помощью цифровой рент-

геновской камеры. Такие исследования были проведены в кооперации с Чешским техническим университетом в г. Прага.

В качестве объекта исследования была выбрана микрофокусная рентгеновская трубка фирмы BEDE со следующими параметрами: мишень анода медная, размер фокусного пятна ~ 50 мкм, рабочее напряжение 40 кВ, ток -2 мА.

Для получения изображения фокусного пятна рентгеновской трубки была использована многоэлементная преломляющая рентгеновская линза № 2. Фокусное расстояние линзы, рассчитанное по формуле (1), равно 45 мм для фотонов с энергией 8 кэВ.

Визуализация рентгеновских лучей осуществлялась с помощью рентгеновской камеры REFLEX X-ray micron resolution. Камера содержит пластину сцинтиллятора в виде кристалла LuAG: Ce, объектив для формирования изображения и ПЗС-камеру для записи изобра-

жения. Размер окна камеры 1,02^0,83 мм, размер пикселя камеры 0,645^0,645 мкм.

Для исследований был изготовлен рентге-нооптический стенд, показанный на рисунке 3. Стенд содержит микрофокусную рентгеновскую трубку 1, рентгеновскую камеру 2, управляемый компьютером гониометр 3, держатель в виде «салазок» для размещения линзы с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси, рентгеновску линзу в держателе 5.

Рентгеновская линза располагалась на расстоянии а = 250 мм от фокусного пятна рентгеновской трубки. Положение плоскости изображения линзы (расстояние Ь) рассчитывалось по формуле (2): Ь = 49 мм. На этом расстоянии от линзы располагалась рентгеновская камера. В соответствии с данной геометрией формирования пучка можно ожидать, что в плоскости изображения будет наблюдаться уменьшенное в Ь/а = 5 раз изображение источника излучения, т. е. фокусного пятна рентгеновской трубки.

Рисунок 3 - Фотография рентгенооптического стенда для определения размеров фокусного пятна рентгеновской трубки: 1 - микрофокусная рентгеновская трубка, 2 - рентгеновская камера, 3 - гониометр, 4 - «салазки» для размещения линзы, 5 - преломляющая рентгеновская линза в держателе

На рисунке 4 показано пространственное распределение интенсивности рентгеновского пучка сразу за линзой и в плоскости изображения.

Видно, что источник излучения имеет несферическую форму; это обусловлено особенностями системы фокусировки электронного пучка, которая применена в рентгеновской трубке фирмы BEDE. Поскольку размер пикселя камеры меньше чем 1 мкм, то, анализируя изображение, показанное на рисунке 4б, можно установить детали фокусного пятна с разрешением около 1 мкм (2 пикселя камеры). Такой

анализ проведен с использованием компьютерной программы ImageJ, которая позволяет измерять детали изображения в различных направлениях. Проведенный анализ изображения на рисунке 4б показал, что размер пучка в горизонтальном направлении составляет около 12 мкм. Пользуясь формулой (3) можно определить размер фокусного пятна рентгеновской трубки в горизонтальном направлении: = 60 мкм. Этот результат находится в хорошем согласии с паспортными данными 50 мкм для фокусного пятна рентгеновской трубки.

а б

Рисунок 4 - Изображение рентгеновского пучка, сформированного линзой: а - сразу за линзой

Заключение

Определены размеры двух источников рентгеновского излучения: синхротронного источника излучения на канале 2-3 в Стэндфорд-ской лаборатории синхротронного излучения (США) и микрофокусной рентгеновской трубки с медным анодом. Для определения размеров источников использовались многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы с фокусным расстоянием 128 мм и 45 мм для фотонов с энергией 8 кэВ. Определялись размеры рентгеновского пучка, сформированного линзой в плоскости изображения линзы для источника

излучения. Для измерений рентгеновского пучка использовался метод сканирования пучка с помощью диафрагмы и метод визуализации пучка с использованием цифровой рентгеновской камеры. Установлено, что источник син-хротронного излучения имеет размер в вертикальном направлении 0,6 мм, что удовлетворительно согласуется с известным значением 0,44 мм. Установлено, что размер фокусного пятна рентгеновской трубки в горизонтальном направлении равен 60 мкм, что удовлетворительно согласуется с паспортным значением 50 мкм. Описанный метод является перспективным и может быть улучшен путем оптимизации

параметров линзы и рентгеновской камеры для конкретного источника рентгеновского излучения.

Список использованных источников

1. Кумахов, А.А. Методика измерения источников рентгеновского и нейтронного излучения с помощью поликапиллярной оптики [Текст] / А.А. Кумахов, И.В. Дмитриев // Письма в ЖТФ. - 2011. - Т. 81, Вып. 6. - С. 85-87.

2. Snigirev, A. A. Compound refractive lens for X-ray focus [Text] / A. Snigirev [et al.] // Nature-1996. -V. 384. - P. 49-51.

3. Dudchik, Yu.I. A microcapillary lens for X-rays [Text] / Yu.I. Dudchik, N.N. Kolchevsky // Nucl. Instr. Meth. A. - 1999. - Vol. 421. - P. 361-364.

4. Dudchik, Yu. I. Microspot X-ray focusing using short-focal length compound lenses [Text] /

Yu. I. Dudchik [et al.] // Rev. Sci. Instr. -2004. -V. 75. - № 11. - P. 4651-4655.

5. Dudchik, Yu. I. Using of a microcapillary refractive X-ray lens for focusing and imaging [Text] / I. Dudchik [et al.] // Spectrochimica Acta. -2007. - V. B 62. - P. 598-602.

6. Дудчик, Ю.И. Многоэлементная сферическая преломляющая линза для формирования микро- и наноразмерных пучков рентгеновского излучения [Текст] / Ю. И.Дудчик // Вест. Белорус. гос. ун-та. Сер. 1, Физика. Математика. Информатика. - 2008.- № 2. - С. 26-30.

7. Дудчик, Ю.И. Рентгеновская микроскопия с использованием синхротронного излучения и элементов преломляющей рентгеновской оптики [Текст] / Ю.И. Дудчик [и др.] // Вест. Белорус. гос. ун-та. Сер. 1, Физика. Математика. Информатика. - 2010. - № 2. - С. 24-28.

Dudchik Yu.I.

Measuring of X-ray source size by using compound refractive X-ray lens

Compound refractive lens was used for measuring size of 2-3 beamline Standford synchrotron radiation source and a size of microfocus X-ray tube. X-ray beam from the source was focused by the lens and parameters of the beam at image plane were measured. Scanning diaphragm and X-ray CCD-camera were used for measuring X-ray beam. It was found that the vertical size of synchrotron source is equal to 0,6 mm and the size of the X-ray tube focal spot is equal to 60 micrometers.

Key Words: X-rays, synchrotron radiation, X-ray tube, compound refractive X-ray lens.

Поступила в редакцию 02.09.2011.