ФОРМИРОВАТЕЛЬ МАЛОРАСХОДЯЩИХСЯ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
LOW-DIVERGENCE RADIATION FLUX FORMER

Устройство относится преимущественно к рентгеновской технике и может быть использовано в качестве формирователя первичного потока для рентгеновской дифрактометрии и топографии, приборов малоуглового рассеяния, рентгеновских рефлектометров различного назначения, рентгеновских дефектоскопов, систем и спектрометров рентгенофлуоресцентного анализа, а также - в области ультрафиолетовой и рентгеновской литографии, а более конкретно - к устройствам, формирующим поток ионизирующего излучения с заранее заданными параметрами.
Известен формирователь малорасходящихся потоков излучения, содержащий независимые, разнесенные в пространстве и взаимно сориентированные первую и вторую щелевые диафрагмы, образованные первой и второй ножевыми шторками у первой диафрагмы, а также соответственно третьей и четвертой ножевыми шторками у второй диафрагмы [1].
Главным недостатком этого устройства является практическое отсутствие возможности получения точной взаимной сориентированности независимых последовательно установленных щелевых диафрагм, причем этот недостаток делает невозможным конструирование подобных устройств в рамках стандартной технологии, когда ширина этих диафрагм измеряется единицами микрометров. Этот недостаток не может быть устранен средствами аналитического контроля, так как реально отсутствует экспериментальный инструментарий, позволяющий количественно диагностировать степень их взаимной сориентированности (сьюстированности).
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Технический результат изобретения заключается в предложении принципиально новой конструкции, в которой диафрагмы оказываются взаимозависимыми, что позволяет добиться абсолютной взаимной сориентированности (сьюстированности) пары (и более) разнесенных в пространстве нитевидных щелевых диафрагм, составляющих формирователь малорасходящихся потоков излучения, независимо от выбранной для них ширины, причем эффект абсолютной взаимной сориентированности достигается автоматически, независимо от условий и выбранной технологии сборки формирователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в формирователь малорасходящихся потоков излучения, содержащий разнесенные в пространстве и взаимно сориентированные первую и вторую щелевые диафрагмы, образованные первой и второй ножевыми шторками у первой диафрагмы, а также соответственно третьей и четвертой ножевыми шторками у второй диафрагмы, введены первая и вторая пластины, в качестве первой и третьей ножевых шторок используют первую и вторую боковые стенки первой пластины, расположенные друг навстречу другу и образованные первой выборкой в первой пластине, в качестве второй и четвертой ножевых шторок используют третью и четвертую боковые стенки второй пластины, расположенные друг навстречу другу и образованные второй выборкой во второй пластине, при этом первая и вторая пластины соединены и расположены выборками навстречу друг другу.
Существует вариант, в котором дно каждой выборки покрыто поглощающим излучение материалом.
Существуют также варианты, в которых фрагменты боковых стенок, обращенные навстречу друг другу, выполнены в виде плоскостей и параллельны друг другу, или расположены под углом друг к другу, или имеют форму усеченных пирамид, или имеют цилиндрическую форму.
Существует также вариант, в котором первая выборка выполнена в виде первого рентгеновского зеркала, а вторая выборка выполнена в виде второго рентгеновского зеркала.
Существует также вариант, в котором первое и второе рентгеновские зеркала имеют специальную форму поверхностей, обеспечивающую отражение дополнительных потоков с заданным угловым распределением.
Существует также вариант, в котором в первой, второй, третьей и четвертой боковых стенках выполнены пазы, в которых установлены вставки.
Существует также вариант, в котором вставки изготовлены из тантала или алмаза, а также подключены к системе охлаждения.
Существует также вариант, в котором для регулировки ширины щелей диафрагм предусмотрена установка прокладок различной толщины между пластинами, при этом прокладки выполнены из упругого материала, а соединение пластин предусматривает их деформацию.
Существует также вариант, в котором для регулировки ширины щелей диафрагм предусмотрена установка пьезопозиционирующего устройства.
На фиг.1 изображена схема предложенного устройства в разрезе (вид сбоку).
На фиг.2 изображен вид А (сбоку) на предложенное устройство.
На фиг.3, фиг.4, фиг.5 и фиг.6 показаны варианты выполнения пластин с поглощающими вставками.
На фиг.7 и фиг.8 показаны варианты выполнения пластин с рентгеновскими зеркалами.
На фиг.9 показана пластина со вставками.
На фиг.10 показана автоматическая схема регулировки зазора.
Формирователь малорасходящихся потоков излучения содержит основание 1 (Фиг.1, Фиг.2), на котором посредством приводов 2 с толкателями 3, сопряженными с твердыми вставками 4, а также посредством пружин 5 установлен контейнер 6. В качестве приводов 2 можно использовать ручную микровинтовую подачу, шаговые двигатели, а также пьезопозиционирующие устройства [2, 3]. В качестве твердых вставок целесообразно применять поликоровые пластины толщиной 1 мм. В контейнере 6 сформированы: входное окно 7 и выходное окно 8. Внутри контейнера 6 установлены первая пластина 9 и вторая пластина 10. Элементы крепления первой пластины 9 (например, винты) к контейнеру 6 условно не показаны. В первой пластине 9 выполнена первая выборка 11, а во второй пластине 10 - вторая выборка 12. Между пластинами 9 и 10 установлены первая прокладка 13 и вторая прокладка 14, формирующие нитевидный зазор величиной S. Этот зазор находится в плоскости первой (X) и второй (Y) координат. В качестве ножевых шторок щелевых диафрагм используют боковые стенки, образованные выборками 11 и 12 в пластинах 9 и 10. В качестве первой и третьей ножевых шторок используют первую 15 и вторую 16 боковые стенки первой пластины 9, расположенные друг навстречу другу и образованные первой выборкой 11 в первой пластине 9. В качестве второй и четвертой ножевых шторок используют третью 17 и четвертую 18 боковые стенки второй пластины 10, расположенные друг навстречу другу и образованные второй выборкой 12 во второй пластине 10, при этом первая 9 и вторая 10 пластины соединены и расположены выборками навстречу друг другу. Соединение пластин 9 и 10 осуществлено посредством винтов 19. Таким образом, первая диафрагма образуется первой 15 и третьей 17 боковыми стенками. Вторая диафрагма образуется второй 16 и четвертой 18 боковыми стенками.
Возможен вариант выполнения первой 9 и второй 10 пластин с частичным заполнением первой выборки 11 и второй выборки 12 материалом 20, поглощающим излучение (на фиг.3 изображена вторая пластина 10, пластина 9 ей идентична, то же на фиг.4 - 9). В качестве такого материала целесообразно использовать материалы малой плотности (например, пластилин, картон и т.д.), а поверхность покрытия должна характеризоваться высокой степенью шероховатости (на уровне 3-5 мкм). Использование поглощающего материала 20 позволяет добиться дополнительного технического эффекта - снижения интенсивности фоновой составляющей сформированного выходного потока. Фрагменты боковых стенок 17, 18, 15 и 16, обращенные навстречу друг другу, выполнены в виде плоскостей 21 и 22, параллельных торцевой поверхности пластины 23. При этом плоскости 21 и 22 пластин 9 и 10, обращенные навстречу, параллельны друг другу.
Конструкция пластин, составляющих двущелевой формирователь, представленная на фиг.3, является наиболее простой и дешевой в изготовлении и более предпочтительной при формировании потока жесткой рентгеновской радиации с длиной волны λ<0.1 нм, вследствие большей толщины боковых стенок, образующих щелевые диафрагмы и, следовательно, характеризующихся более высокой степенью поглощения для удаляемой части первичного потока рентгеновских лучей.
Возможен вариант, в котором фрагменты боковых стенок 15, 16, 17 и 18, обращенные навстречу друг другу, выполнены в виде плоскостей, расположенных под углом друг к другу (Фиг.4). При этом в первой пластине 9 и второй пластине 10 фрагменты 17 и 18 выполнены в виде плоскостей 24 и 25, расположенных под углом к торцевой поверхности пластины 23. Такая форма шторок с одной стороны позволяет устранить неконтролируемый вклад явления полного внешнего отражения потока рентгеновского излучения на плоских вершинах шторок, а с другой - дает возможность эффективно формировать пучки относительно жесткого рентгеновского излучения с длиной волны λ≈0.1-0.2 нм.
0
0
Возможен вариант, в котором фрагменты боковых стенок 15, 16, 17 и 18, обращенные навстречу друг другу, выполнены в виде усеченных пирамид 26 и 27 (Фиг.5). Такое выполнение ножевых шторок может оказаться оправданным при проектировании рентгеновских приборов со специфическими параметрами, в которых используются потоки рентгеновского излучения с набором неидентичных характеристических линий, например, с одновременным присутствием в сформированном потоке линий CuKα (λ=0.153 нм) и MoKα (λ=0.071 нм).
Возможен вариант, в котором фрагменты боковых стенок 15, 16, 17 и 18, обращенные навстречу друг другу, имеют цилиндрическую форму 28 и 29 (Фиг.6). Такое выполнение ножевых шторок может быть оправдано лишь особыми требованиями к параметрам потока рентгеновской радиации на выходе формирователя, когда необходимо полностью избавиться от возможного вклада явления полного внешнего отражения рентгеновского излучения в сформированном потоке, и иметь пространственное распределение интенсивности в потоке максимально, близкое к распределению, описываемому функцией Гаусса [4].
Возможен вариант размещения в выборках 11 и 12 пластин 9 и 10 зеркал 30 полного внешнего отражения (Фиг.7). Такой вариант построения формирователя способен существенно дополнить основной технический результат, связанный с отсутствием необходимости взаимной юстировки последовательно расположенных нитевидных щелевых диафрагм, значительным повышением интенсивности формируемого потока. Этот же результат может быть достигнут путем размещения в выборках 11 и 12 рентгеновских многослойных рефлекторов. При их использовании, в отличии от вышеуказанного случая, результат увеличения радиационной светосилы формирователя будет достигаться не за счет явления полного внешнего отражения, а вследствие Брегговского отражения части потока, прошедшего через первую диафрагму, и его попадания во вторую диафрагму. Рассматриваемый вариант помимо своих неоспоримых достоинств характеризуется и некоторым недостатком. Дело в том, что как явление полного внутреннего отражения, так и Брегговское отражение характеризуются своими угловыми параметрами, которые несколько увеличивают угловую расходимость формируемого потока.
В то же время возможен вариант построения формирователя с повышенной радиационной светосилой, в котором отсутствует указанный недостаток. Для подавления эффекта увеличения угловой расходимости формируемого потока при сохранении его повышенной интегральной интенсивности зеркало полного внешнего отражения потока рентгеновских лучей 31 (или многослойное рентгеновское зеркало, представляющее собой систему планарных тонких чередующихся слоев на полированной подложке [5]) должно иметь специальную форму отражающей поверхности (Фиг.8). При этом форма поверхности в простейших случаях будет описываться гиперболической или параболической кривыми [6] с параметрами, существенным образом определяющимися геометрическими размерами формирователя и требованиями к формируемому потоку. При надлежащем подборе формы отражателя радиационная светосила формирователя может быть повышена более, чем на порядок при сохранении других параметров формируемого потока.
Возможен вариант, в котором в фрагментах боковых стенок 15, 16, 17 и 18 выполнены пазы 32 и 33, в которых установлены вставки 34 и 35 (Фиг.9). В зависимости от требований, предъявляемых к параметрам формируемого потока, очертание пазов, форма и размеры вставок могут существенно варьироваться. Неизменным остается лишь необходимость соблюдения параллельности поверхностей вершин вставок 36 и 37 с базовой поверхностью пластины 23.
Если необходимо максимальное снижение фоновой составляющей, сопровождающей формируемый щелевой системой поток излучения, возможен вариант изготовления вставок 34 и 35 из тантала.
Если падающий и формируемый потоки имеют высокую интенсивность и вероятным оказывается существенный нагрев вставок 34 и 35, возможен вариант их изготовления из материала с высокой теплопроводностью, например из алмаза.
В то же время, если тепловая нагрузка на формирователь оказывается запредельной, возможен вариант снабжения пластин формирователя системами принудительного охлаждения 38 (например, воздушного, водяного или масляного). Наличие таких систем позволит сохранять неизменной структуру рентгенооптической схемы в течение длительного эксперимента в условиях наличия интенсивных потоков рентгеновского излучения, создаваемого, например, синхротронными установками.
Возможен вариант изготовления формирователя малорасходящегося потока излучения с регулируемой шириной составляющих его щелевых диафрагм. Простейшим вариантом регулировки их ширины предусматривается установка пары сменных одинаковых прокладок 13 и 14 (фиг.1, фиг.2) между пластинами, образующими формирователь. Использование набора пар таких прокладок, изготовленных, например, из алюминия или меди, позволяет легко перекрыть весь микронный диапазон ширины формируемого потока.
Возможен вариант изготовления формирователя потока с регулируемой шириной составляющих его щелевых диафрагм путем использования прокладок 13 и 14, выполненных из упругого материала (например, из специальных сортов пластика). При применении системы винтового сжатия использование таких прокладок позволяет перекрывать интервал ширины щелевых диафрагм от 100% толщины прокладок до значений около 20% их исходной толщины.
В то же время возможен вариант изготовления формирователя с наличием такого независимого контроля. Это возможно при использовании пьезопозиционирующего устройства, изменяющего расстояние между пластинами путем вариации потенциала на протяженной пьезоголовке этого устройства. На фиг.10 показана упрощенная схематическая конструкция этого варианта устройства.
Устройство предполагает жесткое крепление в контейнере 6, например, с помощью винтов (не показаны) дополнительной пластины 39. На внутреннюю плоскость 40 пластины 39 приклеена плоская пьезоголовка 41, например, с использованием клея БФ-2. На открытую плоскость пьезоголовки 41 приклеена вторая пластина 10. Обращенная навстречу пластине 10 пластина 9 жестко закреплена, например, с помощью винтов (не показаны) в контейнере 6. Исходная сборка устройства обеспечивает формирование щелевых зазоров 42 и 43 (B). Пьезоголовка 41, управляемая контрольной панелью 44, испытывает линейное сжатие или расширение в зависимости от знака подаваемого на нее потенциала. Вследствие жесткого закрепления на ее плоскости пластины 10, линейное расширение или сжатие пьезоголовки 41 приводит к соответствующему изменению ширины щелевых зазоров 13 и 14. Таким образом, обеспечивается независимая автономная регулировка ширины зазоров 42 и 43 двущелевого формирователя потока рентгеновского излучения.
В целом применение предлагаемой конструкции двухщелевого формирователя потока рентгеновского излучения, как в своем простейшем формате, так и в модифицированных конструкционных вариантах, позволит резко упростить процесс его изготовления и процедуру его применения в рентгеновской технике различного назначения, а также полностью устранить проблему, связанную с необходимостью диагностики степени взаимной соориентированности или сьюстированности разнесенных в пространстве узких щелевых диафрагм, что особенно важно и трудоемко для щелевых зазоров микрометровой ширины.
Литература
1. В.В.Пономарев. Рентгеноструктурные методы в инженерной геологии. М.: Недра. 1981. Стр.14.
2. Ю.С.Кузьминов. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. М.: ГИФМЛ. 1982.
3. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / пер. изд. АРС International Ltd. 2003. Минск: ООО ФАУинформ. 2003.
4. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука. 1964. Стр.92.
5. Зеркальная рентгеновская оптика. Под ред. А.В.Виноградова. Л.: Машиностроение. 1989. Глава 3.
6. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука. 1964. Стр.83-86.