УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Устройство для получения рентгеновского излучения повышенной интенсивности
Полезная модель относится к средствам для получения рентгеновского излучения, в частности к средствам, нредназначенным для использования при исследовании и испытании веществ, материалов или приборов.
Известно использование синхротронов или накопительных колец для получения рентгеновского излучения высокой интенсивности (см.: Синхротронное излучение. Под ред. К.Кунца. Москва, издательство «Мир, 1981, с. 80 - 89 1). При этом из весьма широкого спектра синхротронного излучения выделяется необходимая спектральная полоса в рентгеновском диапазоне. Однако источники синхротронного излучения, в том числе накопительные кольца, представляют собой сложнейшие капитальные сооружения, стоимость которых достигает сотен миллионов долларов. Так, накопительные кольца, спектр излучения которых включает рентгеновский диапазон, имеют диаметр не менее 50 м(1,с.80).
Вместе с тем источники синхротронного излучения до недавнего времени являлись практически единственным видом источников, позволяющих  получить достаточную для целей исследований и испытаний спектральную плотность узконаправленного рентгеновского излучения в требуемом рабочем диапазоне.
Ситуация изменилась с появлением рентгеновских капиллярных линз, использующих явление полного внешнего отражения (В.А.Аркадьев, А.И.Коломийцев, М.А.Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с. 529-537 2), впоследствии полз ивших известность как линзы Кумахова (см.
патент США №5,175,755, опубл. 29,12.92 3 и др.). Благодаря фокусирующим свойствам лииз Кумахова интеисивпость сравнительно маломощного источника может быть существенно увеличена. Реализующее эту возможность известное устройство (патент США .№5,570,408, опубл. 29.10.96 4) содержит рентгеновскую трубку, создающую расходящееся рентгеновское излучение, и рентгеновскую линзу в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внещнего отражения рентгеновского излучения от их стенок. Последняя установлена и выполнена с возможностью захвата части расходящегося пучка излучения рентгеновской трубки и преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное. Согласно расчетам, приведенным в международной заявке PCT/RU 00/00324 (международная публикация WO 02/12871 от 14.02.2002) 5) с помощью такого устройства может быть достигнута интенсивность, сравнимая с интенсивностью рентгеновского излучения на выходе синхротронного источника.
Известное устройство 4 наиболее близко к предлагаемому.
Использование в указанном известном устройстве рентгеновской трубки предполагает совмещение фокального пятна ее мишени с входным фокусом рентгеновской линзы (точкой пересечения продолжений осевых линий каналов линзы, находящейся на продолжении ее продольной оси). При этом возможности линзы по концентрации расходящегося излучения рентгеновской трубки эффективно используются лишь в случае квазиточечного фокального пятна источника, когда его размер сопоставим с размером входной фокусной области линзы в плоскости, перпендикулярной продольной оси линзы. Возможность увеличения интенсивности выходного излученры устройства путем повышения интенсивности излучения, исходящего из фокального пятна столь малых размеров, ограничена тепловой прочностью материала мишени. Если же для предотвращения разрушения мишени в зоне фокального пятна увеличить размер последнего, то часть его элементов не сможет участвовать в формировании выходного излучения устройства, так как излучение этих элементов не будет захватываться линзой. В известном устройстве не может быть обеспечено, в частности, удовлетворительное сопряжение рентгеновской линзы и рентгеновской трубки с мишенью, имеющей фокальное пятно в виде штриха (линейный фокус).
Предлагаемая полезная модель направлена на получение технического результата, заключающегося в повышении интенсивности излучения на его выходе путем эффективного использования излучения фокального пятна мишени рентгеновской трубки, имеющего конечные размеры, превышающие, в том числе значительно, размеры фокусной области рентгеновской линзы в размером входной фокусной области линзы в плоскости, перпендикулярной продольной оси линзы.
Для этого предлагаемое устройство, как и названное выше наиболее близкое к нему 4, содержит рентгеновскую трубку, формирующую расходящийся пучок рентгеновского излучения, и рентгеновскую линзу, установленную и выполненную с возможностью захвата части расходящегося пучка излучения рентгеновской трубки и преобразования его в квазипараллельное или сфокусированное.
В отличие от известного устройства, в предлагаемом устройстве рентгеновская трубка выполнена с фокальным пятном мишени, размер которого превосходит размер фокусной области рентгеновской линзы в плоскости, перпендикулярной продольной оси линзы, причем рентгеновская трубка установлена таким образом, что фокальное пятно ее мишени имеет смещение относительно входного фокуса рентгеновской линзы по продольной оси рентгеновской линзы.
Фокальное пятно мишени рентгеновской трубки предпочтительно должно находиться в пределах телесного угла, образуемого продолжениями каналов рентгеновской линзы в сторону выходного окна рентгеновской трубки. Этот телесный угол состоит из двух частей, симметричных относительно входного фокуса рентгеновской линзы; часть, расположенную между входным фоьсусом и входным торцом рентгеновской линзы, обычно называют углом захвата.
Оптимальным является такое взаимное расположение рентгеновской трубки и рентгеновской линзы, при котором фокальное пятно мишени рентгеновской трубки полностью расположено в пределах указанного телесного угла и своими периферийными точками достигает границ этого угла. В этом случае в формировании выходного излучения устройства участвуют все элементы фокального пятна мишени рентгеновской трубки и все каналы рентгеновской линзы, включая периферийные, наиболее удаленные от продольной оси.
Смеш;ение фокального пятна мишени рентгеновской трубки относительно входного фокуса рентгеновской линзы фокуса возможно в пределах любой из названный частей указанного телесного угла, т.е. как в сторону приближения к входному торцу линзы, так и в сторону удаления от него.
Мишень рентгеновской трубки может иметь, в частности, линейный фокус. В этом случае возможна как ортогональная, так и наклонная по отношению к продольной оси рентгеновской линзы ориентация линейного фокуса.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируются чертежами:
-на фиг. 1 и фиг. 2 приведены схематические изображения устройств с рентгеновскими линзами двух типов при отсутствии смещения фокального пятна мишени рентгеновской трубки относительно входного фокуса линзы;
-фиг. 3 и фиг. 4 иллюстрируют работу устройств с двумя типами рентгеновских линз при различных смеш;ениях фокального пятна мишени рентгеновской трубки относительно входного фокуса линзы;
-фиг. 5 и фиг. 7 иллюстрируют работу устройств с двумя типами рентгеновских линз при использовании рентгеновской трубки с линейным фокусом;
-на фиг. 6 показана возможность управления формой поперечного сечения квазипараллельного выходного пучка при использовании рентгеновской трубки с линейным фокусом;
- на фиг. 8 и фиг. 9 показано использование рентгеновских линз двух типов в устройстве с наклонным положением линейного фокуса рентгеновской трубки относительно продольной оси линзы.
Рентгеновские линзы, используемые как в предлагаемом устройстве, так и в наиболее близком к нему известном устройстве, - линза 1 для фокусирования расходящегося рентгеновского излучения, создаваемого источником 2 и линза 3 для преобразования указанного излучения в квазипараллельное - показаны соответственно на фиг. 1 и фиг. 2. Обе линзы содержат множество каналов 4 транспортировки рентгеновского излучения с использованием явления многократного полного внешнего отражения. Линза 1 в целом имеет форму бочки, т.е. сужается к обоим торцам - входному (приемному) 5 и выходному 6. Линза 3 имеет форму полубочки и сужается только к входному торцу 5. Поток излучения из выходного торца 6 линзы 1 сходится в окрестности точки 7 пересечения продолжений осевых линий каналов 4 - выходного фокуса линзы. Поток 8 излучения из выходного торца 9 линзы 3 квазипараллелен. Осевые линии продолжений каналов 4 обеих линз 1 и 3, выходящих из их входных торцов 5 в сторону источника 2 рентгеновского излучения, сходятся в точке 10 - входном фокусе линзы. Фокусы 7, 10 расположены на продольной оси 11 линз 1,3.
Для обозначения рентгеновских линз двух названных типов получили распространение соответственно термины «полная линза и «полулинза. Соответствующая терминология используется и ниже при описании предлагаемого устройства; в тех случаях, когда не имеется в виду какой-либо конкретный из двух названных типов, используются термины «линза или «рентгеновская линза.
Современные рентгеновские линзы получают по технологии изготовления монолитных линз, в которых (как условно показано на фиг. 1 и фиг. 2) стенки соседних каналов 4 транспортировки излучения контактируют друг с другом по всей длине, а сами каналы имеют переменное по длине поперечное сечение, изменяющееся по тому же закону, что и полное поперечное сечение
линзы (V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.LZhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I.Yu. Ponomarev, ICh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable crosssection of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, KabardinoBalkarian ASSR, USSR, pp. 177-178) 6. Прогрессивным направлением в технологии изготовления монолитных линз является технология так называемых интегральных линз, обеспечивающая получение линз с каналами, диаметр которых, и соответственно, размер фокусной области в поперечном направлении может составлять доли микрона (международная заявка PCT/RU 00/00206, международная публикация WO 01/29845 от 26.04.2001  патент США №6,271,534, опубл. 07.08.2001 8). Поэтому использование в известном устройстве 4 линз последних поколений эффективно только в сочетании с микрофокусными рентгеновскими трубками. При больших размерах фокального пятна 12 мишени рентгеновской трубки 2 линза, фокус 10 которой не смещен относительно фокального пятна, захватывает излучение только части элементов этого пятна, находящихся в пределах фокусной области линзы. Размер этой области в поперечном направлении, как уже отмечалось, имеет порядок поперечного размера d каналов линзы (более точной является оценка d + 2/(9сг, где всг - критический угол полного внешнего отражения, зависящий от энергии используемого излучения и материала стенок каналов транспортировки излучения;/- фокусное расстояние линзы со стороны входа - расстояние между фокусом 10 и входным торцом 5, см. фиг. 1 и фиг. 2). Для излучения элементов фокального пятна, находящихся вне фокусной области линзы, не выполняется условие полного внешнего отражения, и это излучение, попав на входы каналов 4 транспортировки излучения, не распространяется по ним.
В предлагаемом устройстве могут быть использованы и неострофокусные рентгеновские трубки. При этом, несмотря на конечные размеры фокального пятна мишени трубки, полной линзой, как и в случае квазиточечного источника, формируется сходящийся в точку рентгеновский пучок, а полулинЗОЙ - квазипараллельный рентгеновский пучок. В последнем случае формируемый пучок в поперечном сечении повторяет форму проекции фокального пятна мишени рентгеновской трубки на плоскость, перпендикулярную продольной оси полулинзы.
Сказанное иллюстрируется фиг. 3 для полной линзы 1 и фиг. 4, фиг. 5 для полулинзы 3. На этих и последующих чертежах полная линза 1 и полулинза 3 изображены схематически с заменой криволинейных образующих бочкообразных поверхностей ломаными линиями; при этом левые и правые части полной линзы 1 выделены разной штриховкой.
На фиг. 3 показаны два положения 12.1 и 12.2 фокального пятна мишени рентгеновской трубки. В показанных на фиг. 3 случаях фокальное пятно имеет форму круга. В положении 12.1 фокальное пятно смещено относительно фокуса 10 полной линзы 1 по продольной оси 11 в направлении удаления от входного торца 5. В положении 12.2 смещение имеет противоположный характер - в направлении приближения к входному торцу 5. В обоих случаях фокальное пятно вписано в телесный угол 13, образуемый продолжениями каналов полной линзы 1 в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения. Поэтому в обоих показанных на фиг. 3 случаях в полной линзе 1 используются все каналы транспортировки излучения. Излучение, выходящее из выходного торца 6 полной линзы, при обоих (12.1 и 12.2) положениях фокального пятна мишени рентгеновской трубки фокусируется в точке 7 - как если бы использовался точечный источник излучения, находящийся в фокусе 10 полной линзы. В перпендикулярной продольной оси 11 плоскости 14, расположенной правее выходного фокуса 7, может быть получено рентгеновское изображение 15 фокального пятна мишени трубки, имеющее размер, зависящий от удаления плоскости 14 от фокуса 7.
На фиг. 4 показано преобразование расходящегося излучения рентгеновской трубки, осуществляемое по.лулинзой 3, при таких же, как на фиг. 3,
положениях 12.1 и 12.2 фокального пятна мишени рентгеновской трубки. Как и на фиг. 3, фокальное пятно в обоих положениях (12.1 и 12.2) вписано в телесный угол 13, образуемый продолжениями каналов полулинзы 3 в сторону источника расходящегося рентгеновского излучения. Поэтому в полулинзе 3 в обоих показанных на фиг. 4 случаях используются все каналы транспортировки излучения. Поток 8 излучения, выходящего из полулинзы 3, является квазипараллельным - таким же, каким он был бы в случае точечного рентгеновского источника, расположенного в фокусе 10.
Возможность захвата линзой излучения, исходящего из всей площади фокального пятна мишени рентгеновской трубки, при использовании полной линзы обеспечивает наибольшую интенсивность в выходном фокусе, а при использовании полулинзы - наибольщую плотность энергии в формируемом квазипараллельном пучке.
Как отмечалось выше, при использовании полулинзы можно получить пучок, который в поперечном сечении повторяет форму проекции фокального пятна мищени рентгеновской трубки на плоскость, перпендикулярную продольной оси полулинзы. Фиг. 5 иллюстрирует реализацию этой возможности в случае, когда фокальное пятно имеет форму вытянутого прямоугольника (так называемый линейный фокус). Один и тот же по форме выходной пучок 13 может быть получен при двух положениях 17.1, 17.2 фокального пятна мишени, симметричных относительно фокуса 10 полулинзы 3.
Возможность получения квазипараллельного пучка прямоугольной формы (в том числе, в виде штриха - сильно вытянутого прямоугольника) без энергетических потерь, присущих коллимационному методу формирования такого пучка, делает весьма перспективным применение предлагаемого устройства в дифрактометрических исследованиях.
метрами выходного параллельного пучка (позиции 19-21 на фиг. 6), включая в процесс или выключая из процесса формирования выходного пучка часть каналов полулинзы 3. При приближении фокального пятна 18 мишени трубки к фокусу 10 полулинзы 3 наступает момент, когда излучение от некоторых периферийных элементов фокального пятна не может быть захвачено полулинзой. При этом форма выходного пучка уже не соответствует форме фокального пятна. Начиная с момента, когда излучение способны захватывать все каналы полулинзы, форма пучка перестает изменяться и соответствует форме поперечного сечения полулинзы (позиция 22 на фиг. 6).
Для того, чтобы возбудить на исследуемом образце область прямоугольной формы сходящимся или расходящимся рентгеновским пучком, можно использовать полную линзу 1 в сочетании с рентгеновской трубкой, имеющей линейный фокус. Если линейный фокус занимает положения 23.1 или 23.2 (фиг. 7), то полная линза 1 в плоскостях, перпендикулярных продольной оси 11, формирует рентгеновские изображения линейного фокуса. На фиг. 7 показано такое изображение 24, сформированное расходящимися лучами в плоскости 14, расположенной за выходным фокусом 7. Если бы эта плоскость была расположена между выходным торцом 6 полной линзы и ее выходным фокусом 7, то указанное изображение было бы сформировано сходящимися лучами. Прямоугольниками 25, 26 на фиг. 7 показана используемая часть каналов полной линзы 1 при фокальном пятне мишени рентгеновской трубки, имеющем прямоугольную форму.
Проиллюстрированная приведенными выше примерами эквивалентность расположения фокального пятна мишени рентгеновской трубки по разные стороны от входного фокуса линзы позволяет реализовать устройство при наличии конструктивных ограничений на приближение линзы к источнику (такие ограничения имеют место, в частности, в случае использования короткофокусной линзы и рентгеновской трубки с боковым выводом излучения).
Для этого достаточно использовать расположение, соответствующее вариантам 12.1 (фиг. 3, фиг. 4), 17.1 (фиг. 5), 23.1 (фиг. 7), т.е. смещать фокальное пятно мишени трубки из фокуса линзы в направлении удаления от ее входного торца, и использовать слабо сфокусированную рентгеновскую трубку.
Для наиболее полного использования энергии излучения трубки с линейным фокусом можно прибегнуть также к его наклонному расположению относительно продольной оси 11 линзы (фиг. 8). Излучение всех элементов линейного фокуса 27 захватывается полной линзой 1 и концентрируется в ее выходном фокусе 7.
Фиг. 9 иллюстрирует аналогичную ситуацию применительно к полулинзе 3. На этом чертеже показаны два варианта расположения фокального пятна мищени рентгеновской трубки - перпендикулярно (28) и наклонно (29) к продольной оси 11 полулинзы 3.
При одинаковых удельных яркостях фокальных пятен 28 и 29 интенсивность выходного квазипараллельного пучка в случае наклонного положения пятна 29 будет выше.
Если форма каждого из фокальных пятен 28, 29 является соответствующим коническим сечением поверхности, ограничивающей телесный угол 13, то для транспортировки излучения будут использованы все каналы полулинзы 3. Поэтому выходящий из нее пучок 8 по форме не будет отличаться от того, который имеет место при точечном источнике, размещенном во входном фокусе 10.
Предлагаемое устройство, представленное описанными вариантами его выполнения и использования, позво.11яет простыми средствами обеспечить приемлемую интенсивность излучения при проведении исследований с использованием маломощных рентгеновских трубок.
Источники информации
1.Синхротронное излучение. Под ред. К.Кунца. Москва, издательство «Мир, 1981.
2.В.А.Аркадьев, А.И.Коломийцев, М.А.Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская онтика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с. 529-537.
3.Патент США №5,175,755 (опубл. 29.12.92).
4.Патент США 5,570,408 (опубл. 29.10.96).
5.Международная заявка PCT/RU 00/00324 (международная публикация WO 02/12871 от 14.02.2002).
6.V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th Ail-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15 -19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp. 177-178).
7.Международная заявка PCT/RU 00/00206 (международная публикация WO 01/29845 от 26.04.2001).
8.Патент США №6,271,534 (опубл. 07.08.2001).