ЛИНЗА ДЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДЕ ПОТОКА НЕЙТРАЛЬНЫХ ИЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ СО СКАНИРОВАНИЕМ ПОЛОЖЕНИЯ ФОКУСНОГО ПЯТНА

Линза для концентрации излучения
в виде потока нейтральных или заряженных частиц
со сканированием положения фокусного пятна
Полезная модель относится к средствам управления излучением в виде потока нейтральных или заряженных частиц, более конкретно - к средствам управления положением зоны концентрации таких частиц, поток которых, создаваемый источником излучения, преобразуется капиллярной линзой, в каналах которой осуществляется многократное полное внешнее отражение используемого излучения.
Первые публикации о линзах для концентрации расходящегося или квазипараллельного излучения в виде потока нейтральных или заряженных частиц, в частности рентгеновского излучения, относятся к 80-м годам прощлого века (см., например, В.А.Аркадьев, А.П.Коломийцев, М.А.Кумахов, И.Ю.Пономарев, И.А.Ходеев, Ю.П.Чертов, И.М.Шахпаронов. Широкополосная рентгеновская оптика с больщой угловой апертурой. Успехи физических наук, март 1989 г., том 157, вып. 3, стр. 529 - 537 1).
В дальнейщем были созданы технические рещения для разнообразных приложений этих линз, в частности в аналитических устройствах, устройствах для медицинской диагностики и терапии, литографии и др. (патент США .№5,497,008 2, опубл. 05.03.96; международная заявка PCT/RU 00/00206, международная публикация WO 01/29845 от 26.04.01  патент США №6,271,534, опубл. 07.08.2001  международная заявка PCT/RU 00/00207, международная публикация WO 01/59439 от 16.08.2001  международная
МПК 021К1/00
заявка PCT/RU 00/00273, международная публикация WO 02/02188 от
10.01.2002 6 и др.).
В большинстве таких приложений необходимо сканирование зоны фокусирования излучения. Существует потребность и в сканировании положения фокуса линзы, работающей в «приемном режиме, т.е. преобразующей расходящееся излучение, возникающее в веществе в точке расположения фокуса, в сфокусированное или квазипараллельное излучение, направляемое, например, на детектор. Так, в устройствах по международным заявкам 5 и 6 осуществляется сканирование обоих названных типов, для чего осуществляется механическое перемещение линзы или системы линз в целом.
Однако механическое сканирование, осуществляемое таким путем, становится неприемлемым, если предъяв.11яется требование высокой скорости сканирования, или нецелесообразным, когда требуемые пределы сканирования невелики. Именно такие требования могут возникнуть, например, в задачах, решаемых при использовании устройств по международным заявкам 5 и 6, если сканирование будет осуществляться в две стадии - «грубое сканирование путем механического перемещения линзы (системы линз) в целом для перемещения фокуса в нужную область и «точное сканирование в узких пределах в этой области. Эти пределы могут определяться, например, размерами опухоли, выявленной при «грубом сканировании. В качестве другого примера можно назвать технологию рентгеновской литографии, в которой формирование нужного рисунка могло бы осуществляться без применения маски - путем сканирования хорошо сфокусированного луча по поверхности резиста.
Благодаря достижениям в области технологии изготовления линз рассматриваемого назначения (см., например 3 и 4, где описана технология получения монолитных линз путем их вытяжки, в том числе технология получения так называемых интегральных линз со сверхтонкими каналами) размеры линз, имевшие первоначально порядок 1 м (см. 1) удалось уменьшить до величин порядка 1 см. Это упрощает механическое сканирование путем перемещения линзы (системы линз) в целом, но не снимает задачу создания линз, допускающих использование более удобных методов сканирования. Именно такая задача решается в предлагаемой полезной модели.
Наиболее близка к предлагаемой линза, изготавливаемая по технологии, описанной в 4.
Предлагаемая полезная модель разработана для получения технического результата, заключающегося в сканировании положения фокусного пятна линзы в фокальной плоскости.
Для достижения этого технического результата предлагаемая линза для концентрации излучения в виде потока нейтральных или заряженных частиц, как и известная, содержит множество каналов транспортировки излучения, изогнутых по образующим бочкообразных поверхностей с соблюдением для используемого излучения условия полного внешнего отражения.
В отличие от указанной известной, предлагаемая линза выполнена гибкой, по крайней мере, в части, прилегающей к ее торцу со стороны подлежащего сканированию фокуса, и закреплена остальной частью таким образом, чтобы обеспечить возможность изгиба относительно нее части, прилегающей к торцу со стороны подлежащего сканированию фокуса, а также снабжена средством для управляемого изгиба этой части.
В частном случае указанная часть, прилегающая к торцу со стороны подлежащего сканированию , может быть выполнена с каналами, имеющими прямолинейные оптические оси, являющиеся продолжениями оптических осей каналов остальной части линзы.
Средство для управляемого изгиба части линзы, прилегающей к торцу со стороны подлежащего сканированию фокуса, может представлять собой, например, электромагнитную систему для отклонения от нейтрального положения этой части в двух ортогональных плоскостях (по двум угловым координатам), включающую источник управляющих сигналов.
В другом частном случае вынолнения указанное средство может содерлсать две взаимно ортогонально ориентированные нары пьезоэлектрических изгибных элементов, размещенных на поверхности части линзы, прилегающей к торцу со стороны подлежащего сканированию фокуса, и подключенный к ним источник управляющих сигналов.
Линза может быть выполнена для фокусирования как расходящегося излучения (и в этом случае имеет форму симметричной или асимметричной удлиненной в сторону подлежащего сканированию фокуса бочки), так и квазипараллельного излучения (и в этом случае имеет форму полубочки).
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 схематически представлена линза для фокусирования расходящегося излучения источника, снабженная средством для управляемого изгиба части линзы, прилегающей к торцу со стороны подлежащего сканированию фокуса;
на фиг. 2 - то же самое для линзы, предназначенной для фокусирования квазипараллельного излучения;
на фиг. 3 показано выполнение части линзы, прилегающей к торцу со стороны подлежащего сканированию фокуса, с каналами, имеющими прямолинейные оптические оси, являющиеся продолжениями оптических осей каналов остальной части линзы;
на фиг. 4 показана асимметричная линза с удлиненной правой частью;
на фиг. 5 показано использование предлагаемой линзы в литографической системе.
излучения источника 2, или полубочьси 3 (фиг. 2), т.е. сужается только к одному из торцов, если она предназначена для фокусирования квазинараллельного излучения 4 или преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное. В специальной технигческой литературе и патентных документах для обозначения линз двух названных типов получили распространение соответственно термины «полная линза и «полулинза.
Подлежащий сканированию фокус (5.1 на фиг. 1 и 5.2 на фиг. 2) расположен справа от правого торца (6.1 и 6.2, соответственно). Штриховкой 7.1, 7.2 условно показано, что левая часть линзы закреплена для обеспечения неизменности ее формы. Форма линзы в целом может изменяться только в результате изгиба правой части относительно зоны ее контакта с левой частью. Наличие средства для управляемого изгиба правой части, прилегающей к торцу, выходной фокус которого сканируется, на фиг. 1 и фиг. 2 показано схематически и только для одной из двух угловых координат, по которым осуществляется сканирование. Это средство представлено элементами 9.1 (фиг. 1), 9.2 (фиг. 2), закрепленными непосредственно на поверхности правой части линзы, элементами 10 (фиг. 1) отклоняющей системы, расположенными вблизи этой части, и источником управляющих сигналов (11.1 на фиг. 1 и 11.2 на фиг.2).
Элементы 10 отклоняющей системы, расположенные вблизи правой части, необходимы только в варианте, показанном на фиг. 1, в котором используется электромагнитный способ отклонения правого конца 8.1 линзы от нейтрального положения. В этом случае к этим элементам (например, отклоняющим катушкам) подводится напряжение от источника 11.1 управляющих сигналов. Изгибающее усилие создается в результате взаимодействия магнитного поля элементов 10 отклоняющей системы, расположенных вблизи правой части линзы, и расположенных на поверхности правой части линзы элементов 9.1, которые должны обладать магнитными свойствами.
пьезоэлектрические изгибные элементы 9.2, а управляющие сигналы от источника 11.2 должны подводиться непосредственно к этим элементам. В этом варианте подводимое к пьезоэлектрическим элементам напряжение преобразуется в усилие изгиба, приложенное к правой части 8.2 линзы.
Для линз, изображенных на фиг. 1 и фиг. 2, может быть использован любой из вариантов управления изгибом, а не только показанный на этих фигурах. Другие сочетания формы линзы и средства для ее изгиба показаны на фиг. 3 - фиг. 5.
Выбором соотношения управляющих сигналов для двух угловых координат сканирования может быть обеспечено отклонение правого конца линзы в любом направлении относительно нейтрального положения. При периодическом характере этих сигналов путем подбора соотношения их амплитуд, частот и фаз могут быть получены самые разнообразные траектории сканирования фокусного пятна в фокальной плоскости. (Строго говоря, фокус при сканировании будет занимать разные положения на 1фиволинейной (близкой к сферической) поверхности, но при небольших углах отклонения оптической оси линзы от нейтрального положения можно считать, что он остается в плоскости, перпендикулярной оптической оси линзы в ее нейтральном положении).
Благодаря известному свойству обратимости траекторий частиц (возможности перестановки входа и выхода с соответствующим изменением характера входного и выходного пучков, см.: М.А.Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. Москва, Энергоатомиздат, 1986, с. 35 7) все изложенное относится не только к управлению положением выходного фокуса линзы, преобразующей поток излучения источника для воздействия на некоторый объект, но и к управлению положением входного фокуса линзы, собирающей возникающее в объекте рассеянное излучение и преобразующей его в сфокусированный или квазипараллельный пучок, направленный на «приемный элемент, например, детектор. Возможность изготовления линз, имеющих необходимое свойство гибкости, известна, в частности, из международных заявок PCT/RU 94/00146 (международная публикация WO 96/02058 от 25.01.96 8) и PCT/RU 94/00189 (международная публикация WO 96/01991 от 25.01.1996 9). В них описан процесс сборки линзы из эластичных частей, которые укладывают определенным образом, образуя линзу требуемого поперечного сечения и формы. В предлагаемой полезной модели возможность получения гибких линз используется для достижения другого технического результата - сканирования положения фокусного пятна линзы в фокальной плоскости. Во всех описываемых случаях выполнения линзы она должна иметь удлиненную форму, т.е. общая длина линзы должна многократно превосходить ее максимальный диаметр. Предпочтительным является использование интегральной линзы, изготовленной по технологии, описанной в 3, 4, которая по сравнению с другими имеет меньшие размеры и меньшее поперечное сечение каналов, что существенно для предлагаемой полезной модели. Для уменьшения искажения формы выходного сфокусированного луча линзы ее можно дополнить концом 12 с каналами 13 (фиг. 3, справа от вертикальной штриховой линии), имеющими прямолинейные оптические оси 14, и подвергать изгибу этот конец. При нейтральном положении изгибаемого правого конца 12 прямолинейные оптические оси 14 каналов 13, пересекающиеся в фокусе 5.1, должны быть продолжением криволинейных оптических осей 15 каналов предшествуюшей части линзы и плавно сопрягаться с ними. В любом из вариантов выполнения на всем протяжении каналов должно соблюдаться условие полного внешнего отражения, причем для того, чтобы все каналы были заполнены излучением полностью, необходимо, чтобы фактор 7 R(9Kp)V2d был больше или равен 1 (здесь R - радиус кривизны канала, d - диаметр канала,  - критический угол полного внешнего отражения).
Каналы линз, иснользуемых для управления нотоком нейтральных частиц, например рентгеновских или гамма-квантов, могут быть выполнены из марок стекла, хорошо поглощающего соответствующее излучение. Каналы линз, используемых для управления потоком заряженных частиц, например ионов, могут быть выполнены из диэлектрика с металлическим покрьггием
Следует отметить, что известно устройство по патенту Российской
Федерации №2120234 (опубл. 20.10.98) 10), в котором декларируется создание сканирующего рентгеновского устройства со сходным с описанным выше принципом сканирования. Однако используемый в нем поликапиллярный стержень, конец которого изгибается для обеспечения сканирования, способен выполнить только функцию коллимации, но не концентрации излучения. Кроме того, введение излучения в поликапиллярный стержень в этом устройстве осуществляется с помощью фокусирующей линзы. Вследствие этого оно входит в капилляры под углами, значительно превышающими критический угол полного внешнего отражения, в результате чего захватывается ничтожная доля выходного излучения линзы. Поэтому такое устройство не может быть применено в практических задачах, названных выше при раскрыгии сущности предлагаемой полезной модели.
Рассмотрим примеры практического применения предлагаемой линзы. Если использовать в качестве источника микрофокусную рентгеновскую трубку, например с размером пятна 10 мкм и мощностью 10 Вт (подобные источники выпускает, например, известная фирма Kevex), то при угле захвата (угол апертуры линзы) 0,1 радиана и фокусном расстоянии 5 мм передний торец линзы будет иметь диаметр 500 мкм. Правую часть линзы можно сделать асимметричной по отношению к левой (см. фиг. 4), например, диаметр выходного конца линзы 16 можно сделать равным 100-300 мкм. Это несколько удлиняет правую часть и облегчает управление ее изгибом.
дящего из атомного реактора. В этом случае узкий пучок 4 такого излучения направляют на нолулинзу 3 (фиг. 5), которая фокусирует это излучение. Как известно, синхротронные пучки являются не только хорошо коллимированными (угол расходимости пучка порядка 10 радиан), но и весьма интенсивными. Поэтому если в фокальной плоскости полулинзы разместить рентгеновский резист 17, то в процессе сканирования на такой резист можно нанести желаемый рисунок. Для того чтобы получить рисунок с субмикронными размерами, диаметр фокусного пятна 5.2 линзы также должен быть субмикронным. Потребуем, чтобы он был не более 0,1 мкм. Этот диаметр определяется диаметром каналов линзы и расходимостью их выходного излучения. Если учесть только второй фактор, то фокусное расстояние линзы f и угол расходимости а излучения выходного излучения каналов линзы должны удовлетворять условию fa  0,1 мкм. Если принять а  10 радиан, то получаем, что фокусное расстояние линзы должно быть менее 100 мкм. При этом «вклад указанного второго фактора в диаметр фокусного пятна будет не более 0,1 мкм. Что касается «вклада, вносимого первым из названных выше факторов - диаметра каналов линзы, то в настояшее время технология изготовления интегральных линз 3, 4 приближает его к такой же величине.
Источники информации
1.В.А.Аркадьев, А.П.Коломийцев, М.А.Кумахов, И.Ю.Пономарев, И.А.Ходеев, Ю.П.Чертов, И.М.Шахпаронов. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, март 1989 г., том 157, вып. 3, стр. 529 - 537 1.
2.Патент США № 5,497, 008 (опубл. 05.03.96).
3.Международная заявка PCT/RU 00/00206 (международная публикация WO 01/29845 от 26.04.01).
4.Патент США .№6,271,534 (опубл. 07.08.2001).
5.Международная заявка PCT/RU 00/00207 (международная публикация WO 01/59439 от 16.08.2001).
6.Международная заявка PCT/RU 00/00273 (международная публикация WO 02/02188 от 10.01.2002).
7.М.А.Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. Москва, Энергоатомиздат, 1986, с. 35.
8.Международная заявка PCT/RU 94/00146 (международная публикация WO 96/02058 от 25.01.96).
9.Международная заявка PCT/RU 94/00189 (международная публикация WO 96/01991 от 25.01.1996).
10.Патент РФ №2120234 (опубл. 20.10.98).