РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК С ОПТИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИЕЙ
X-RAY SOURCE WITH OPTICAL INDICATION

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к рентгеновским источникам с оптической индикацией излучения, и может быть использовано в различных измерительных устройствах для контроля состава и структурных параметров промышленных и биологических объектов.
Рентгеновские источники с оптической индикацией обеспечивают информацию о наличии рентгеновского излучения и местоположении пучка излучения, что позволяет повысить точность измерений, удобство работы и безопасность эксплуатации. Известен рентгеновский источник, содержащий анод, облучаемый электронным пучком, и средства оптической индикации рентгеновского излучения [1]. Указанные средства оптической индикации включают люминесцирующую в оптическом диапазоне фольгу, расположенную по периферии расходящегося пучка излучения, и оптический волновод, обеспечивающий внешний вывод из зоны рентгеновского облучения потока оптического излучения. Недостаток указанного устройства - низкая информативность, поскольку предложенная схема обеспечивает только сигналы о наличии или отсутствии пучка рентгеновского излучения.
Известен также рентгеновский источник [2], содержащий облучаемый электронами анод, генерирующий расходящийся поток излучения, и средства оптической индикации рентгеновского излучения, включающие рентгенопрозрачное оптическое зеркало, расположенное за окном для выхода рентгеновского излучения, и лазер. Отраженное зеркалом излучение лазера позволяет индицировать на объекте контроля местоположение оси рентгеновского пучка. Основным недостатком указанного устройства являются ошибки совмещения направлений оптического и рентгеновского пучков, возникающие в результате случайного смещения элементов оптической и рентгеновской схемы или вследствие их теплового дрейфа. Другой недостаток этого устройства - невозможность контроля интенсивности и местоположения рентгеновского фокуса в процессе работы источника.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является рентгеновский источник с оптической индикацией, описанный в [3]. Указанный рентгеновский источник включает рентгеновскую трубку, содержащую катод, эмитирующий электроны, и анод, генерирующий рентгеновское излучение, источник оптического излучения и средства совмещения направления потоков рентгеновского и оптического излучений.
Недостаток указанного устройства заключается в том, что он содержит внешний источник оптического излучения, работа которого не связана с состоянием рентгеновского источника. Поэтому при случайном отключении или выходе из строя источника оператор может делать ложное заключение об отсутствии радиационного излучения, что снижает уровень безопасности. Кроме того, по интенсивности оптического излучения, поскольку оно генерируется независимым источником, невозможно контролировать величину интенсивности рентгеновского источника. Дополнительная проблема возникает в результате применения для совмещения рентгеновского и оптического излучений поликапиллярной системы. Известно [4], что получения сфокусированных рентгеновских пучков в области энергий ~10 кэВ диаметр капилляра должен быть менее 10 мкм. При указанной величине выходного отверстия капилляра наблюдается сильное дифракционное уширение оптического пучка, что препятствует эффективной фокусировке оптического излучения. Достоверная индикация формы и распределения интенсивности рентгеновского и сфокусированного оптического пучков оказывается невозможной, что затрудняет проведение локального контроля параметров материалов. Отметим также, что указанный источник формирует полихроматический пучок, так как через поликапилляр проходит широкий спектр рентгеновского излучения. Это является существенным недостатком при проведении рентгеновского флуоресцентного анализа, поскольку рассеянное полихроматическое излучение создает интенсивный фон, который накладывается на спектр полезного сигнала.
Цель настоящего изобретения - повышение безопасности и достоверности оптической индикации параметров фокусируемого рентгеновского излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в рентгеновском источнике с оптической индикацией, который включает рентгеновскую трубку, содержащую катод, эмитирующий электроны, и анод, генерирующий рентгеновское излучение, источник оптического излучения и средства совмещения направления потоков рентгеновского и оптического излучений, анод выполнен составным в виде генерирующей рентгеновское излучение тонкой пленки, частично прозрачной для электронов, и подложки, прозрачной в оптическом и рентгеновском диапазонах, которая люминесцирует в оптическом диапазоне при электронном облучении, а средством совмещения направления потоков рентгеновского и оптического излучений является зеркало, которое одновременно отражает излучение в заданных полосах рентгеновского и оптического спектров, генерируемых указанным составным анодом.
Поставленная цель достигается также тем, что указанное зеркало выполнено в виде изогнутого оптически гладкого кристалла, покрытого светоотражающей пленкой, прозрачной в рентгеновском диапазоне.
Поставленная цель достигается также тем, что зеркало выполнено в виде периодической пленочной структуры с периодом от 1 до 10 нм, покрытой светоотражающей пленкой, прозрачной в рентгеновском диапазоне.
Поставленная цель достигается также тем, что указанное зеркало является частью поверхности эллипсоида.
Поставленная цель достигается также тем, что рентгеновское зеркало выполнено из текстурированной пленки слоистого материала, например пирографита, нанесенного в виде полос, ориентированных по ходу излучения, на зеркальную поверхность подложки с эллипсоидальной поверхностью.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем. Составной анод содержит тонкую металлическую пленку, например, из меди или молибдена. Пленка нанесена на оптически прозрачную активированную подложку, причем толщина металлической подложки d выбрана порядка средней величины пробега L электронов при рабочем напряжении на рентгеновской трубке. В результате часть электронов возбуждает в пленке рентгеновское излучение, а часть прошедших через пленку электронов - оптическую люминесценцию в подложке. Поэтому рентгеновское и оптическое излучение имеют общий фокус. Таким образом, на зеркало, установленное перед выходным окном рентгеновского источника, направляется оптическое и рентгеновское излучение, причем оптический и рентгеновский фокусы пространственно совмещены. Зеркало представляет собой полированную кристаллическую подложку, на поверхность которой нанесена светоотражающая пленка (тонкий слой металла). Основное кристаллографическое направление выбирается перпендикулярным поверхности подложки. Поэтому в случае изгиба подложки, например по поверхности эллипсоида, дифрагированное в кристаллической структуре рентгеновское излучение и отраженное от пленки оптическое излучение являются пространственно совмещенными и сфокусированными в заданной точке пространства. Это обеспечивает высокую достоверность индикации параметров рентгеновского излучения, поскольку электронный поток в рентгеновской трубке генерирует одновременно оптическое и рентгеновское излучение. При этом предложенная система совмещения благодаря спектральной селекции формирует на выходе источника излучение с высокой степенью монохроматичности.
Работа устройства поясняется с помощью фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен общий вид рентгеновского источника в осевом сечении; на фиг. 2 - анодный узел рентгеновского источника и средства совмещения оптического и рентгеновского пучков; на фиг. 3а, б показаны варианты формы зеркала в сечении, перпендикулярном оси рентгеновской трубки; на фиг. 3в - зеркало с эллипсоидальной поверхностью.
Рентгеновский излучатель (см. фиг. 1) содержит корпус 1, изготовленный из стекла или керамики, блок фокусировки электронов 2, анод 3, катодный узел 4, диафрагмы 5, 6, защитный корпус 7, блок совмещения и фокусировки излучения 8. Электронный пучок, первичное рентгеновское и оптическое излучение, а также сформированное в блоке совмещения и фокусировки 8 рентгеновское и оптическое излучение обозначены соответственно позициями 9, 10, 11. Контролируемый объект обозначен позицией 12.
m
m
Диафрагмы 5, 6 и защитный корпус 7 выполнены из поглощающего рентгеновское излучение материала, например тантала. Блок фокусировки электронов, анод 3, катодный узел 4 находятся в вакууме. Высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны, прикладывается между анодом 3 и катодным узлом 4. Анод 3 (см. фиг. 2) выполнен составным в виде рентгенопрозрачной подложки 14, на поверхность которой нанесен слой металла 13. Подложкой является преимущественно оптически прозрачная пластина алмаза толщиной около 300 мкм, обеспечивающая для излучения с энергией >10 кэВ коэффициент пропускания Т>80%. Толщину слоя металла выбирают в зависимости от максимальной энергии электронов E. Например, при E≈40 кэВ толщину слоя металлического слоя из молибдена выбирают ~1 мкм. Более детально конструкция и принцип работы анодного узла и блока совмещения и фокусировки рассмотрены на фиг. 2. Блок совмещения и фокусировки 8 содержит кольцевые диафрагмы 16, 17 и параллельно расположенные зеркала 18, 19. Каждое из зеркал представляет собой полированную кристаллическую подложку, на поверхность которой нанесена светоотражающая металлическая пленка, например слой Al или Ag толщиной не более 0,5 мкм. Это обеспечивает пропускание через пленку падающего рентгеновского излучения.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Катодный узел 4 эмитирует поток электронов. С помощью системы электростатических линз, расположенных в блоке 2, формируется пучок электронов 9, который фокусируется на поверхности анода 3 в пятно размером 25-50 мкм. При попадании на тонкопленочный анод 3 часть высокоэнергетических электронов проходит через слой металла 13 и создает область возбуждения 15, расположенную как в слое металла 13, так и подложке 14. При этом слой металла генерирует рентгеновское излучение, а активированный объем подложки - оптическое излучение. Поэтому область возбуждения 15 является общим фокусом. При использовании в качестве подложки синтетического алмаза оптическая активация, обеспечивающая яркое свечение в оптическом диапазоне, осуществляется путем ее предварительного облучения электронами с энергией ~1 МэВ.
На зеркала 18, 19, установленные перед выходным окном рентгеновского источника, через щелевую диафрагму 16 направляется оптическое и рентгеновское излучение. При этом оптический и рентгеновский фокусы пространственно совмещены. Если кристаллографическая плоскость подложки параллельна поверхности, на которую нанесена светоотражающая пленка, то при выполнении условия дифракции направленные пучки рентгеновского и оптического излучения отражаются под равными углами и их положение в пространстве совпадает. Установка в дифракционное положение осуществляется путем совместного перемещения зеркал 18, 19 вдоль оси, проходящей через первичный фокус источника. Для увеличения коэффициента отражения за счет расширения углового диапазона дифракции выбирают кристалл, например кварц, с мозаичной структурой. Кроме того, кристалл изгибают, создавая цилиндрическую поверхность. Центральная часть щелевой диафрагмы 16 является экраном для прямых оптического и рентгеновского пучков. Диаметр отверстия щелевой диафрагмы 16 и расстояние от фокуса 15 выбирают так, чтобы выполнялось брэгговское условие дифракции рентгеновского излучения для заданной спектральной линии, что обеспечивает монохроматизацию излучения. Для уменьшения фона рассеянного излучения отраженное излучение пропускается через щелевую диафрагму 17. Это обеспечивает попадание на объект контроля 12 только сфокусированных пучков 11 рентгеновского и оптического излучения. При этом изменение тока электронов при фиксированном ускоряющем напряжении между анодом 3 и катодным узлом 4 пропорционально изменяет яркость свечения источника в оптическом и рентгеновском диапазонах, что позволяет определять интенсивность рентгеновского излучения. Контроль может осуществляться визуально или путем регистрации потока оптического излучения, отраженного от объекта контроля 12.
1
2
Варианты расположения зеркал в сечении, перпендикулярном оси формируемого пучка, показаны на фиг. 3а-в. При использовании двух изогнутых по окружности зеркал из монокристаллов (фиг. 3а) обеспечивается получение симметричного фокусного пятна. Однако поскольку изгиб по окружности без разрушения кристалла практически невозможен, указанная схема фокусировки не создает радиально симметричное пятно и не полностью перехватывает генерируемое излучение. Более простым с технической точки зрения является наложение на цилиндрическую зеркальную поверхность пленки слоистого кристаллического материала, например пиролитического графита (фиг. 3б). Однако так как поверхность пленки пирографита не является достаточно гладкой, то она наносится на цилиндрическое зеркало в виде полос 20, ориентированных по ходу распространения излучения. Таким образом, рентгеновское излучение отражается от полос пирографита, а оптическое излучение непосредственно от цилиндрического зеркала. При количестве полос n>10 вследствие углового размытия формируется радиально симметричное пятно с совмещенным рентгеновским и оптическим фокусами. Для получения максимальной интенсивности излучения подложку зеркала изготавливают в виде фрагмента эллипсоида (фиг. 3в). В этом случае на подложку напыляют многослойную структуру, например, на основе пленок Мо и Si или Ni и С. Как показывает практика [5], коэффициент отражения >70% достигается при применении многослойных периодических структур с периодом D в диапазоне 1÷10 нм. Многослойная структура покрывается пленкой Al толщиной 0,3÷0,5 мкм, что обеспечивает эффективное отражение оптического излучения. Прямой пучок отсекается поглощающим диском 21 или щелевой диафрагмой 16, как показано на фиг. 2. Схема обеспечивает перенос излучения из первичного фокуса F, совпадающего с фокусом 15 трубки, в фокус F, в который помещают объект измерения.
Таким образом, предложенная схема источника обеспечивает в процессе работы достоверную оптическую индикацию формы и интенсивности фокусируемых рентгеновских пучков. Поскольку генерация рентгеновского и оптического излучений происходит одновременно и траектории их распространения совмещены, то это позволяет визуализировать излучения и тем самым повысить безопасность работы с источником.
Литература
1. US patent no. 5081663, G01D 18/00 (1992). X-ray apparatus with beam indicator.
2. Патент РФ №2106619, G01N 23/00 (1998). Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.
3. US patent no. 7023954 B2, G01N 23/223 (2006). Optical alignment of X-ray microanalyzers.
4. X-ray spectrometry: Recent technological advances. X-ray optics, pp.89-110. John Wiley & Sons, England, 2004.
5. Г.В. Фетисов. Синхротронное излучение. Москва, Физматлит, 2007, с. 306-17.