Устройство для изгиба кристалла-монохроматора
DEVICE FOR BENDING MONOCHROMATOR CRYSTAL

Изобретение относится к исследованию физических и химических свойств вещества, в частности их рентгеновских спектров поглощения в широком энергетическом диапазоне, и может быть использовано в рентгеновских спектрометрах.
Известны рентгеновские спектрометры, содержащие источник рентгеновского излучения, держатель образца, а также установленный с возможностью поворота вокруг оси кристалл-монохроматор для выделения излучения с определенной длиной волны в соответствии с уравнением Вульфа-Брегга , где d межплоскостное расстояние, θ - угол Брегга, λ - длина волны рентгеновского излучения, n - порядок отражения, детектор и устройство для изгиба кристалла для обеспечения фокусировки рентгеновского излучения, отраженного от кристалла-монохроматора и прошедшего через поглощающий исследуемый образец, на щели детектора (Блохин М.А. Методы рентгеноспектральных исследований. - М.: Изд-во физ.-мат. лит-ры, 1959, 362 С.; Taguchi Т., J. Harada, A. Kiku, K. Tohji, K. Shinoda. Development of a new in-laboratory XAFS apparatus based on new concept // J. Synchrotron Rad. (2001). 8, 363-365; B.E. Campbell, H.M. Epstein, P.J. Mallozzi, R.E. Schwerzel // Apparatus for X-ray absorption fine structure spectroscopy // Patent EP 0032108 A2, 1981).
к
При этом для получения спектра необходимо, чтобы условия фокусировки соблюдались для каждого значения длины волны в спектральном диапазоне, а следовательно, для всех углов 0, соответствующих этому диапазону. Точная фокусировка рентгеновского пучка на щели детектора возможна при выполнении равенства (2) из которого следует, что радиус круга Роуланда R и соответственно радиус кристалла-монохроматора должен меняться при изменении угла Брэгга θ:
,
0
где R - фиксированный радиус круга гониометра.
Для реализации условия фокусировки (2) необходимо синхронизировать изменение изгиба и изменение угла поворота кристалла-монохроматора. Такая задача синхронизации изменения изгиба и изменения угла поворота кристалла-монохроматора решается при помощи различных механических устройств для изгиба кристалла-монохроматора (A.T, Shuvaev, B.Yu. Helmer, Т.A. Lyubeznova, V.A. Shuvaeva // J. Synchrotron Rad. (1999) 6, p. 158-160).
Известно устройство для изгиба кристалла-монохроматора, содержащее механизм перемещения, два неподвижных и два подвижных цилиндрических стержня, между которыми расположены оконечные части изгибаемого кристалла, оси которых смещены относительно друг друга. Неподвижные стержни опираются на верхнюю поверхность плоскопараллельной пластины в области ее торцов. К торцам пластины присоединены Г-образные кронштейны, параллельные поверхности которых контактируют с неподвижными стержнями. Параллельные поверхности торцов верхних перекладин Г-образных кронштейнов контактируют с подвижными стержнями. Пластина с Г-образными кронштейнами охвачена ломаными плечами плавающего коромысла с установленными на его концах цилиндрическими пальцами, опирающимися на поверхности подвижных стержней перпендикулярно к ним. Между нижней поверхностью пластины и средней точкой коромысла расположен механизм перемещения (патент РФ №2260218, МПК G21K 1/06, 2005 г.).
Однако данная конструкция из-за отсутствия механизма синхронизации не позволяет изменять радиус изгиба кристалла-монохроматора в зависимости от его угла поворота относительно пучка рентгеновского излучения.
Известно устройство, используемое в рентгеновском спектрометре RIGAKU R-XAS (Shinoda K., Suzuki S., Kuribayashi М., Taguchi Т. // Journal of Physics: Conference Series 186 (2009) 012036; Taguchi Т., Harada J., Kiku A., Tohji K., Shinoda K. Development of a new in-laboratory XAFS apparatus based on new concept // J. Synchrotron Rad. (2001), 8, p. 363-365), где для изменения угла падения рентгеновских лучей из щели на кристалл-монохроматор происходит совместное движение кристалла-монохроматора и рентгеновской трубки таким образом, чтобы конечная точка фокусировки излучения оставалась неподвижной. Кристалл-монохроматор имеет изогнутую форму неизменного радиуса для фокусировки рентгеновского излучения.
Данное устройство адаптировано под конкретный спектрометр и не подразумевает дополнительной юстировки для точной фокусировки рентгеновского излучения.
Наиболее близким по выполнению является устройство для изгиба кристалла-монохроматора, включающее кристалл-монохроматор, выполненный в виде пластины, кристаллодержатель и кулачковый механизм, содержащий подшипник, обойму, валик и кулачок, для передачи подвижной каретке движения, заданного изгибом копира, выполненного в виде платформы с вырезом, а также юстировочное устройство копира (А.Т. Шуваев, Б.Ю. Хельмер, Т.А. Любезнова, Н.И. Пузыня. Спектрометр для исследования EXAFS-спектров в лабораторных условиях. ВИНИТИ. №8718-В86. г. Ростов-на-Дону. 1986. с. 16).
Недостатком устройства является использование сложных в изготовлении копира в виде платформы с вырезом и кулачкового механизма, содержащего набор деталей (подшипник, обойма, валик, кулачок).
Техническим результатом является упрощение конструкции управления изгибом кристалла-монохроматора.
Технический результат достигается устройством для изгиба кристалла-монохроматора, характеризующимся тем, что оно включает основание, кристалл-монохроматор, выполненный в виде пластины, кристаллодержатель с неподвижными опорами, на которые может опираться пластина кристалла-монохроматора, подвижную каретку с отверстиями для размещения подвижных опор, которые могут соприкасаться с пластиной кристалла-монохроматора и обеспечивать изгиб кристалла при своем перемещении, рычаг со стержнем, закрепленный подвижно на основании кристаллодержателя, выполненный с возможностью касания каретки и боковой поверхности копира, который представляет собой тело вращения, ось которого имеет возможность смещения относительно оси вращения основания устройства с помощью юстировочного устройства.
Рычаг со стержнем при движении, заданным боковой поверхностью копира передает движение через стержень каретке с подвижными опорами, изгибающими кристалл-монохроматор.
Основание предназначено, в том числе, для установки устройства в гнездо гониометра.
Устройство может содержать кронштейн, фиксирующий основание копира неподвижно относительно источника рентгеновского излучения.
Устройство может содержать соединение, связывающее подвижную каретку с неподвижным основанием кристаллодержателя, выполненное, например, в виде пружины.
Юстировочное устройство может быть выполнено в виде микрометрических винтов.
Устройство может содержать приспособление для фиксации подвижной каретки.
Копир может быть выполнен в виде цилиндрического кольца.
Отличием предлагаемого устройства от наиболее близкого аналога является выполнение копира, в виде тела вращения, например цилиндрического кольца (вместо платформы с вырезом), позволяющего использовать для управления изгибом кристалла-монохроматора рычаг (в виде одной детали) вместо кулачкового механизма (включающего подшипник, обойма, валик, кулачок).
На фиг. 1 приведен вид сбоку устройства для изгиба кристалла-монохроматора, где 1 - основание устройства; 2 - кронштейн для фиксирования положения копира относительно рентгеновской трубки, 3 - верхнее и нижнее основание копира; 4 - основание крепления кристаллодержателя 6; 5 - кристалл-монохроматор; 6 - кристаллодержатель; 7 - подвижная каретка; 8 - подвижные опоры кристаллодержателя; 9 - стержень рычага; 10 - пружины; 11 - рычаг; 12 - копир; 13 - юстировочное устройство.
На фиг. 2 приведен вид сверху устройства для изгиба кристалла-монохроматора, где 8 - подвижные опоры кристаллодержателя; 9 - стержень рычага; 11 - рычаг; 13 - юстировочное устройство; 14 - неподвижные опоры; 15 - устройство фиксации каретки 7 в неподвижном положении.
Устройство работает следующим образом.
Для исследования рентгеновских спектров, в частности спектров поглощения, в широком энергетическом диапазоне кристалл-монохроматор, поворачиваясь вокруг оси вращения основания устройства, совпадающей с осью гониометра (в гнездо которого помещают устройство изгиба кристалла), отбирает в спектре рентгеновского источника излучение с необходимой длиной волны λ в соответствии с уравнением Вульфа-Брегга (1). Для фокусировки рентгеновского излучения радиус изгиба кристалла-монохроматора должен меняться при изменении угла Брэгга θ в соответствии с выражением (2).
к
При вращении основания кристалла-монохроматора каретка 7 изгибает пластину кристалл-монохроматора 5 при помощи подвижных опор 8, поступательное движение которых осуществляется через стержень 9 рычага 11 непосредственно от боковой поверхности копира 12. Радиус изгиба Rпластины кристалла-монохроматора 5 связан с поступательным перемещением h подвижных опор 8 относительно их начального положения соотношением (3):
,
где  - расстояние между осями пары соседних подвижной 8 и неподвижной 14 опор,  - расстояние между неподвижными опорами кристаллодержателя.
е
Предварительно ось копира смещена относительно оси вращения основания устройства на расстояние , при помощи юстировочного устройства 13.
е
При вращении от шагового двигателя гониометра основания монохроматора, на котором закреплена с помощью пружин 10 каретка 7 с подвижными опорами 8, каретке передается смещение h, связанное с углом поворота θ и эксцентриситета  зависимостью (4):
,
где θ - угол поворота каретки относительно оси копира 12, то есть угол Брэгга. На основании соотношений (3) и (4) получаем соотношение (5) для расчета эксцентриситета е, обеспечивающего фокусировку пучка рентгеновского излучения на круге гониометра в области рабочих углов спектрометра (Гильварг А.Б. Применение чистого изгиба кристаллических пластин в кристаллодержателях для фокусирующих рентгеновских спектрографов // ДАН СССР, (1950) т. 72 №3, с. 489-491):
,
о
к
где  расстояние между осями пары соседних подвижной и неподвижной опор, l - расстояние между неподвижными опорами кристаллодержателя 5, R - фиксированный радиус гониометра. Поворот кристалла-монохроматора приводит к изменению его радиуса изгиба R, при этом выполняется условие (2).
Исследования показали, что описанное устройство обеспечивает возможность сканирования в интервале брэгговских углов от 15° до 80°. Это дает возможность при использовании кристаллов кварца с различными плоскостями отражения в качестве кристалла-монохроматора исследовать спектры К - краев поглощения элементов с атомными номерами 24-46, L - краев поглощения с Z=56-90.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет управлять изгибом кристалла - монохроматора при более простой по сравнению с прототипом конструкции.