СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ УЧАСТКА СПЕКТРА ИЗ ПОТОКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF SELECTING SPECTRAL REGION FROM STREAM OF X-RAY RADIATION

Изобретение относится к рентгеноскопии и может быть использовано в различных областях, в частности в области исследований параметров рентгеновского излучения в мягкой области спектра менее 1 кэВ.
Известен способ выделения участка спектра из потока рентгеновского излучения, включающий направление потока в устройство для рассеивания, содержащее модуль, снабженный фильтрующим элементом. Способ описан в патенте РФ №1955102, МВК H05K 9/00, публ. 20.10.1995 г.
К недостатку известного способа относится то, что он не обеспечивает возможности получения участка спектра в узком диапазоне длин волн 190-200 А.
Известен способ выделения участка спектра из потока рентгеновского излучения, принятый за прототип. Способ описан в патенте JP 2962015 «Фильтр поглощения до края К-полосы и применяющий его рентгеновский аппарат», МВК 6 G01T 7/00, публ. 12.10.1999 г., и включает направление потока излучения в устройство для рассеивания, содержащее модуль, снабженный фильтрующим элементом для разделения рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне. Главная часть фильтра выполнена по меньшей мере из двух элементов с атомными номерами 50…85. Например, если на пластину 1 из гадолиния наложить пластину 2 из эрбия и облучать их рентгеновскими лучами до края К-полосы пропускания, то спектр прохождения четко делится на области высоких и низких энергий. Кроме того, интенсивность проходящих рентгеновских лучей в граничной части снижается в широком энергетическом диапазоне, а граница разделения устанавливается в заданном диапазоне частот.
К недостатку известного способа относится то, что он не обеспечивает возможности получения участка спектра в узком диапазоне длин волн 190-200 А и энергетическом диапазоне от 0,1 до 3,0 кэВ.
Задачей авторов изобретения является разработка способа выделения из потока рентгеновского излучения узкого диапазона длин волн 190-200 А в энергетическом диапазоне от 0,1 до 3,0 кэВ.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в упрощения процесса получения слоистой фильтровальной системы, служащей для более точного выделения части спектра 190-200 А, в энергетическом диапазоне 0,1 до 3,0 кэВ.
Указанная задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе из рентгеновского излучения проводится выделение заданного участка спектра, способ включает направление потока в устройство для рассеивания, в котором согласно изобретению в качестве фильтрующего элемента используют металлические слои меди и/или никеля, оптически непрозрачных, без микроотверстий. Толщины металлических слоев в зависимости от функционального назначения имеют значения:
светозащитный слой
0,2-0,3 мкм
делительный
0,3-0,5 мкм
избирательные
0,4-0,5 мкм
0,8-1,0 мкм
1,0-10,0 мкм
Формирование металлического слоя осуществляют методом электрохимического осаждения указанных материалов на матрице из нержавеющей стали, для чего первоначально фотохимическим методом формируют на матрице апертуру фильтра с габаритными размерами от 25×10 до 60×40 мм или круглую диаметром от 15 до 30 мм, а затем осаждают металлические материалы из электролитов следующих составов, мас.%:
для слоя никеля:
соль никеля Ni(NH<sub>2</sub>SO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O
40-60
состав: NiCl<sub>2</sub>6H<sub>2</sub>O+Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>+C<sub>12</sub>H<sub>25</sub>O<sub>4</sub>SNa
3-5
вода
остальное
для слоя меди:
соль NaCl
0,03-0,07
соль CuSO<sub>4</sub>·5H<sub>2</sub>O
9-12
состав: H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + БСД-2
4-6
вода
остальное
после чего сформированное полотно металлического слоя отделяют от подложки и формируют фрагменты заданных размеров.
Предлагаемый способ выделения мягкого участка спектра из потока рентгеновского излучения поясняется следующим образом.
На чертеже изображена схема рентгенооптическая, где
1 - источник излучения
2 - щель входная
3 - диспергирующий элемент
4 - щель выходная
5 - фильтр пропускающий
6 - детектор.
Первоначально формируют поток РИ, для чего применяют в качестве источника РИ, например, источник РИ монохроматора рентгеновского. Общий поток РИ, спектр которого характеризуется набором различных частот (в зависимости от состава и настройки источника), направляют в узел кристаллодержателя, предназначенного для разложения потока, прошедшего от источника РИ через входную щель, в спектр РИ. Диапазон поворота кристаллодержателя 0-90°. Механизм сканирования и отсчета углов поворота обеспечивает перемещение и установку на заданный угол кристаллодержателя и источника РИ независимо друг от друга, а также отсчета их угловых положений с точностью до 10''. Выходная щель задает направление выхода монохроматического РИ, попадающего в нее после дифракции на кристалле, в устройство, содержащее систему фильтров, которая состоит из слоев токопроводящего материала. Фильтрующий элемент для более точного выделения заданного участка спектра РИ в диапазоне длин волн 190-200 А, и в энергетическом диапазоне 0,1 до 3,0 кэВ, содержит слоистую систему из чередующихся микрослоев меди и/или никеля в качестве фильтрующего материала.
Как это показали экспериментальные исследования, при использовании в составе фильтрующего элемента слоев из никеля с толщиной слоев в каждой зоне соответственно по условию распределения зон:
делительная
0,3-0,5 мкм
светозащитная
0,2-0,3 мкм
избирательные
0,4-0,5 мкм
0,8-1,0 мкм
1,0-10,0 мкм
Точность выделения указанного выше участка спектра также лежит в заданном диапазоне волн. Это подтверждено контрольными исследованиями с использованием детектора - проточного пропорционального счетчика, предназначенного для регистрации монохроматического РИ.
Экспериментально показано, что именно данная система слоистых фильтров из меди и/или никеля обеспечивает полноту и точность выделения заданного участка частотного спектра в энергетическом диапазоне.
В способе изготовления фильтрующего элемента для выделения заданного участка спектра его изготавливают путем формирования системы металлических слоев, состоящих из оптически непрозрачных цельных микрослоев меди и/или никеля, которую затем устанавливают в оптический модуль, последовательность чередования слоев в котором и толщины слоев металлов в модуле определяют из условия распределения фильтрующих зон:
светозащитная
0,2-0,3 мкм
делительная
0,3-0,5 мкм
избирательные
0,4-0,5 мкм
0,8-1,0 мкм
1,0-10,0 мкм
Формирование каждого металлического слоя ведут в режиме электролитического осаждения на матрицу из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с зеркальной поверхностью. Для этого первоначально фотохимическим методом формируют контуры фильтра на подложке из нержавеющей стали. Затем осаждают токопроводный слой никеля из электролита состава: соль никеля - 40-60 мас.%, технологическая добавка (серная кислота) 3-5 мас.%, вода - остальное, или слой меди - из электролита состава: соль поваренная - 0,03 мас.%, соль меди - 9-12 мас.%, технологическая добавка (серная кислота) - 4-6% масс., вода - остальное.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет достигнуть точного выделения части спектра 190-200 А в энергетическом диапазоне от 0,1 до 3,0 кэВ.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.
Пример 1.
Предлагаемый способ выделения участка спектра реализован в лабораторных условиях с использованием аппаратуры для диагностики параметров лазерной плазмы по характеристикам рентгеновского излучения на установке монохроматора рентгеновского PM-IVM Яб 1.211.081 ПС, рентгенооптическая схема которого представлена на чертеже.
В качестве источника преобразуемого потока рентгеновского излучения использован источник рентгеновского излучения монохроматора, представляющий собой разборную рентгеновскую трубку со сменными анодами, обеспечивающую смену четырех образцов без нарушения вакуума, с выходным напряжением положительной полярности не более 15 кВ. Источник рентгеновского излучения смонтирован на рычаге, который надевается на ось вращения источника. Угол поворота источника рентгеновского излучения 0-140°. Часть потока рентгеновского излучения, после его дифракции на кристалле в узле кристаллодержателя, направляли через выходную щель в устройство для выделения излучения, содержащее модуль, состоящий из системы пропускающих фильтров поз.5 (чертеж). В условиях данного примера использована система из оптически непрозрачных слоев меди, без микроотверстий, с толщиной слоев в каждой зоне, выполненной в следующей последовательности:
зона светозащитная с толщиной слоя
0,2-0,3 мкм
зона делительная с толщиной слоя
0,3-0,5 мкм
зоны избирательные с толщиной слоев
0,4-0,5 мкм
0,8-1,0 мкм
1,0-10,0 мкм
Затем преобразованный (выделенный) поток рентгеновского излучения регистрировали с помощью детектора - проточного пропорционального счетчика, предназначенного для регистрации монохроматического рентгеновского излучения. Измерения показали, что выделенная часть спектра имеет диапазон длин волн 190-200 А в энергетическом диапазоне от 0,1 до 3,0 кэВ.
Пример 2. В условиях примера 1, но в качестве системы из фильтровальных слоев применена система из слоев никеля с аналогичным распределением толщин функциональных слоев.
Пример 3. В условиях примера 1, но в качестве системы из фильтровальных слоев применена система из чередующихся функциональных слоев никеля и меди.
Пример 4. Способ изготовления фильтрующего элемента для способа по п.1 реализован методом электрохимического осаждения никеля или меди на матрице из нержавеющей стали следующим образом. Сначала фотохимическим способом формируют на матрице аппертуру фильтра с габаритными размерами от 25×10 до 60×40 мм или круглую диаметром от 15 до 30 мм, а затем осаждают металлы из электролитов следующих составов, мас.%:
для слоя никеля:
соль никеля Ni(NH<sub>2</sub>SO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O
40-60
состав: NiCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O+Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>+C<sub>12</sub>H<sub>25</sub>O<sub>4</sub>SNa
3-5
вода
остальное
для слоя меди:
соль NaCl
0,03-0,07
соль CuSO<sub>4</sub>·5H<sub>2</sub>O
9-12
состав: H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + БСД-2
4-6
вода
остальное
после чего сформированное полотно металлического слоя отделяют от подложки и формируют фрагменты заданных размеров.
Результаты измерений сведены в таблицу 1.
Как показали эксперименты, использование предлагаемого способа обеспечивает более точное выделение заданного участка спектра с длиной волны 190-200 А в энергетическом диапазоне от 0,1 до 3,0 кэВ, чем это обеспечено в прототипе.
Таблица
Примеры реализации
Тип фильтровальной системы (ФС)
Толщина слоев в функциональных зонах
Состав электролита для осаждения слоев соответственно меди или никеля, мас.%
Результаты испытаний Точность выделения заданного участка спектра РИ
1
2
3
4
5
Пример
ФС состоит минимально из 2 слоев элементов с атомными номерами 50…85
Нет данных
Метод изготовления пластин не приведен
Спектр прохождения делится на область высоких и низких энергий
Способ-прототип
Примеры
ФС состоит максимально из
Для слоя Ni:
Спектр прохождения: длина волны 190-200 А в энергетическ. диапазоне от 0,1 до 3,0 кэВ
реализации предлагаемого способа
соль никеля Ni(NH<sub>2</sub>SO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O - 40-60
Пример 1
3 слоев меди,
Слой 1 - 0,2-0,3 мкм
3 слоев никеля
состав:
Пример 2
1 слоя никеля
Слой 2 - 0,3-0,5 мкм
NiCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O+Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>+C<sub>12</sub>H<sub>25</sub>O<sub>4</sub>SNa - 3-5;
2 слоев меди.
Пример 3
Слой 3 - 0,4-0,5 мкм
вода - остальное
Для слоя Cu:
соль NaCl - 0,03-0,07;
соль CuSO<sub>4</sub>·5H<sub>2</sub>O - 9-12;
состав: H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + БСД-2 - 4-6;
вода - остальное