Способ управления сходимостью рентгеновского пучка
X-RAY BEAM CONVERGENCE CONTROL METHOD

Изобретение относится к рентгеновской оптике и предназначено для управления соответствующей заданному условию сходимости рентгеновского пучка кривизной рабочей поверхности монокристаллической пластины в составе дифракционного блока, образованного указанной пластиной, выполняющей функцию дифракционного элемента, на котором происходит дифракция рентгеновского пучка по Брэггу, и приклеенной к пластине пьезоэлемента, имеющей предварительно напыленные на обе противоположные поверхности указанной пластины два плоских электрода, для изгиба указанной монокристаллической пластины вместе с пластиной пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля, и может быть использовано в рентгеновской микроскопии, рентгеновской спектроскопии, в дифрактометрах, а также в астрономии, физике, биологии, медицине и других областях.
Практической задачей рентгеновской оптики является обеспечение соответствующего условию двумерной коллимации или фокусировки рентгеновского пучка статического изгиба рабочей поверхности монокристаллической пластины, выполняющей функцию дифракционного элемента, на котором происходит дифракция рентгеновского пучка по Брэггу. При этом возможности управления сходимостью рентгеновского пучка значительно возрастают при расширенном управлении кривизной рабочей поверхности такой монокристаллической пластины при получении или настроечном регулировании ее рабочего профиля.
Известен способ управления сходимостью рентгеновского пучка, являющийся основой работы устройства для управления сходимостью рентгеновского пучка по патенту РФ №175420, G21K 1/06, 2017 на полезную модель с этим наименованием, включающий воздействие электрическим полем на пластину пьезоэлемента, имеющую предварительно напыленные на обе противоположные поверхности указанной пластины два электрода и приклеенную к монокристаллической пластине с образованием указанного дифракционного блока, приводящего к получению рабочего профиля монокристаллической пластины, соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка, за счет изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины в результате воздействия на опирающуюся своими двумя боковыми поверхностями на прижатые по одному на каждую боковую поверхность фиксирующие боковые держатели пластину пьезоэлемента электрического поля, обеспечивающего одновременный изгиб приклеенных друг к другу пластины пьезоэлемента и монокристаллической пластины, причем требуемую сходимость рентгеновского пучка задают подбором толщины и формы исходных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента.
Однако, в указанном способе, выбранном в качестве прототипа заявляемого способа, возможности изгиба монокристаллической пластины исчерпываются результатом (ограничены возможностями) одновременного действия следующих двух факторов (задающих требуемый указанный изгиб): первого фактора - воздействия на пластину пьезолемента электрического поля и второго фактора - предварительного подбора толщины и формы исходных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента.
Технический результат от использования предлагаемого способа управления сходимостью рентгеновского пучка - расширение возможности изгиба рабочей поверхности монокристаллической пластины, заключающееся в дополнительном изменении кривизны указанной поверхности, за счет продольного смещения максимального прогиба изогнутых приклеенных друг к другу монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента в результате воздействия на пластину пьезоэлемента электрического поля (первого фактора) при получении рабочего профиля монокристаллической пластины в условиях симметричного смещения обоих фиксирующих боковых держателей вдоль боковых поверхностей пластины пьезоэлемента (третьего нового фактора) и предварительного подбора толщины и формы монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента (второго фактора), т.е. за счет одновременного действия трех указанных факторов изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины
Для достижения указанного технического результата предлагается способ управления сходимостью рентгеновского пучка, получаемого в результате облучения исходным рентгеновским пучком дифракционного блока, путем воздействия электрическим полем на пластину пьезоэлемента, имеющую предварительно напыленные на обе противоположные поверхности указанной пластины два электрода и приклеенную к монокристаллической пластине с образованием указанного дифракционного блока, приводящего к получению рабочего профиля монокристаллической пластины, соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка, за счет изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины в результате воздействия на опирающуюся своими двумя боковыми поверхностями на прижатые по одному на каждую боковую поверхность фиксирующие боковые держатели пластину пьезоэлемента электрического поля, обеспечивающего одновременный изгиб приклеенных друг к другу монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента, причем требуемый вид сходимости рентгеновского пучка задают подбором толщины и формы исходных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента, а для дополнительного изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины за счет продольного смещения максимального прогиба изогнутых приклеенных друг к другу монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента в результате воздействия на последнюю электрического поля при получении рабочего профиля монокристаллической пластины, симметрично смещают оба фиксирующих боковых держателя вдоль боковых поверхностей пластины пьезоэлемента.
В частных случаях осуществления предлагаемого способа:
при получении рабочего профиля монокристаллической пластины, соответствующего условию коллимации рентгеновского пучка, для формирования симметричного параболического профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины с радиусом кривизны указанной поверхности 20 м вдоль большей стороны этой пластины и максимальным прогибом параболической рабочей поверхности указанной пластины, расположенным в ее центре, воздействуют электрическим полем напряженностью 20 В/мм на пластину пьезоэлемента при размещении двух фиксирующих держателей в плоскости центрального поперечного сечения данной пластины и для формирования асимметричных параболических профилей рабочей поверхности этой же монокристаллической пластины с радиусами кривизны указанной поверхности 23, 28 и 35 м вдоль большей стороны указанной пластины и максимальными прогибами параболической рабочей поверхности указанной пластины, смещенными от ее центра на 3.0, 4.5 и 6.0 мм, воздействуют таким же электрическим полем на эту же пластину пьезоэлемента при таких же по величине симметричных смещениях двух фиксирующих держателей от центрального поперечного сечения данной пластины, при этом в качестве монокристаллической пластины используют пластину, изготовленную из Si (111) в виде исходно имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя фотополимера ОКМ-2 толщиной 50 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходно имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной пластине пьезоэлемента толщиной 1 мм, имеющей предварительно напыленные с двух сторон плоские алюминиевые электроды толщиной 20 мкм, с сохранением монокристаллической пластиной и пластиной пьезоэлемента плоскопараллельных форм после затвердевания указанного клеевого слоя;
при получении рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего условию фокусировки рентгеновского пучка, для формирования симметричного эллиптического профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины с радиусом кривизны указанной поверхности 15 м вдоль большей полуоси эллиптической рабочей поверхности этой пластины и максимальным прогибом указанной поверхности, расположенным в ее центре, воздействуют электрическим полем напряженностью 20 В/мм на пластину пьезоэлемента при размещении двух фиксирующих держателей в плоскости центрального поперечного сечения данной пластины и для формирования асимметричных эллиптических профилей рабочей поверхности этой же монокристаллической пластины с радиусами кривизны указанной поверхности 22 и 38 м вдоль большей полуоси эллиптической рабочей поверхности этой же пластины и максимальными прогибами эллиптической рабочей поверхности указанной пластины, смещенными от ее центра на 5.5 и 11.0 мм, воздействуют таким же электрическим полем на эту же пластину пьезоэлемента при таких же по величине симметричных смещениях двух фиксирующих держателей от центрального поперечного сечения данной пластины, при этом в качестве монокристаллической пластины используют пластину, изготовленную из Si (111) в виде исходно имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя фотополимера ОКМ-2 толщиной 50 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H и исходно имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной пластине пьезоэлемента толщиной 1 мм, имеющей предварительно напыленные с двух сторон плоские алюминиевые электроды толщиной 20 мкм, с сохранением монокристаллической пластиной и пластиной пьезоэлемента плоскопараллельных форм после затвердевания указанного клеевого слоя.
На фиг. 1 схематически показаны установка для осуществления предлагаемого способа управления сходимостью рентгеновского пучка (см. фиг. 1а) и входящая в состав дифракционного блока на фиг. 1а пластина пьезоэлемента с двумя металлическими электродами, предварительно напыленными по одному на обе противоположные поверхности указанной пластины (см. вид сбоку на фиг. 1б); на фиг. 2 и 3 - формы исходных до приклеивания пластины пьезоэлемента и монокристаллической пластины, сохранившиеся после затвердевания распределенного между ними клеевого слоя (см. вид сверху на фиг. 2а и 3а), и построенные методом компьютерного моделирования соответствующие условию коллимации (см. фиг. 2б-в) и фокусировки (см. фиг. 3б-в) рентгеновского пучка полученные формы и профили рабочей поверхности монокристаллической пластины Si (111) в составе трехслойной (монокристаллическая пластина, затвердевший клеевой слой и пластина пьезоэлемента с напыленными электродами) структуры дифракционного блока при воздействии на пластину пьезоэлемента электрического поля в условиях одновременного действия всех трех факторов, влияющих на искривление рабочей поверхности монокристаллической пластины: воздействия на пластину пьезолемента электрического поля, предварительного подбора толщины и формы исходных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента, и симметричного смещения обоих фиксирующих боковых держателей вдоль боковых поверхностей пластины пьезоэлемента при получении рабочего профиля монокристаллической пластины.
-2
Установка для осуществления предлагаемого способа управления сходимостью рентгеновского пучка (см. фиг. 1а) содержит дифракционный блок, состоящий из монокристаллической пластины 1, изготовленной из Si (111) (со средней плотностью дислокаций, не превышающей 1000 см), приклеенной с помощью имеющего пониженные усадочные свойства клеевого слоя (фотополимер ОКМ-2) 2 к пластине 3 пьезоэлемента, изготовленной из пьезокристалла или пьезокерамики, с сохранением формы исходных до приклеивания пластины 1 и пластины 3 после затвердевания клеевого слоя 2, и два плоских металлических электрода 4 (см. фиг. 1б), предварительно перед приклеиванием пластины 1 к пластине 3 напыленных по одному на обе противоположные поверхности пластины 3 пьезоэлемента (на фиг. 1а показана монокристаллическая пластина 1, приобретающая при воздействии электрического поля на пластину 3 пьезоэлемента изогнутую под коллимацию или фокусировку рабочую поверхность, визуально сливающуюся с изображенной на этой фигуре плоской поверхностью пластины 1, профиль которой после масштабного преобразования показан на фиг. 2в и 3в). Причем указанные два металлических электрода 4 могут быть изготовлены толщиной 1 мкм из меди, серебра или алюминия.
При этом исходные до приклеивания монокристаллическая пластина 1 (обозначенная на фиг. 2а и 3а в двух вариантах исполнения позициями 1.1 и 1.2) и пластина 3 (обозначенная на фиг. 2а и 3а в двух вариантах исполнения позициями 3.1 и 3.2.) пьезоэлемента имеют толщины и формы (основания в форме прямоугольника и эллипса), подобранные для получения двух видов (параболического и эллиптического) профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1, задаваемого кривизной этой поверхности и соответствующего требуемому виду сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации и фокусировки, за счет одновременного изгиба склеенных монокристаллической пластины 1 и пластины 3 пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля (конструктивно присутствующие два напыленных металлических электрода 4, а также затвердевший клеевой слой 2 на фиг. 2б и 3б визуально не выделены).
Два электрода 4, подключены к источнику электрического напряжения 5 с возможностью выполнения ими функции средства изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 для поддержания требуемой сходимости рентгеновского пучка при воздействии на пластину 3 пьезоэлемента электрического поля, приводящем к получению рабочего профиля монокристаллической пластины 1, соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка, за счет одновременного изгиба монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 и пластины 3 пьезоэлемента (сохранивших плоскопараллельную форму поле приклеивания при комнатной температуре) вследствие воздействия на последнюю электрического поля.
При этом для регулирования воздействия электрическим полем (установления необходимой величины напряженности электрического поля) установка для осуществления предлагаемого способа (см. фиг. 1а) оснащена аппаратно-программным обеспечением управления источником электрического напряжения 5, подключенным к двум электродам 4 и соединенным с модулем его управления 6, подсоединенного в свою очередь с компьютером 7, с возможностью исполнения указанных блоков на основе, например, программируемого источника тока - TDK Lambda Genesys (Япония).
При этом дифракционный блок фиксируется с помощью двух выполненных с возможностью смещения вдоль боковых поверхностей пластины 3 пьезоэлемента фиксирующих боковых держателей 8, прижатых после соответствующего требуемому ассимметричному рабочему профилю монокристаллической пластины 1 симметричного смещения по одному на каждую боковую поверхность пластины 3 пьезоэлемента.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
При управлении сходимостью рентгеновского пучка, получаемого в результате облучения исходным монохроматическим рентгеновским пучком дифракционного блока, представляющего собой трехслойную гибкую структуру (монокристаллическая пластина 1, затвердевший клеевой слой 2 и пластина 3 пьезоэлемента с предварительно напыленными электродами), на пластину 3 пьезоэлемента воздействуют электрическим полем при различных смещенных вдоль боковых поверхностей пластины 3 фиксирующих боковых держателей 8, получая асимметричные параболический и эллиптический профили рабочей поверхности монокристаллической пластины 1, соответствующие условиям коллимации (см. фиг. 2в) и фокусировки (см. фиг. 3в) рентгеновского пучка.
В нижеприведенных двух примерах осуществления предлагаемого способа получаемый профиль рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 (обозначенной на фиг. 2 и 3, соответственно, позициями 1.1 и 1.2) строился методом компьютерного моделирования на основе использования программного комплекса COMSOL Multiphasics, который предназначен для построения сценарных моделей решения дифференциальных уравнений методом конечных элементов и представляющий собой программную среду, обеспечивающую все этапы моделирования (определение геометрических параметров, описание физики, визуализация) и позволяющую моделировать физические процессы, которые могут быть представлены в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных.
При этом проводился расчет изменений профиля и радиуса кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 в составе дифракционного блока при воздействии электрического поля на пластину 3 пьезоэлемента.
Для этого решались определяющие уравнения пьезоэлектричества
где  - компоненты тензоров механического напряжения и деформаций составных частей дифракционного блока (монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 и пластины 3 пьезоэлемента);
компоненты векторов электрической индукции, напряженности электрического поля;
- компоненты тензора упругости составных частей дифракционного блока (монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 и пластины 3 пьезоэлемента);
- пьезоэлектрические постоянные; а также решались уравнения упругого равновесия:
Указанные равнения пьезоэлектричества и упругого равновесия применительно к рассматриваемому дифракционному блоку взяты из работы авторов Бобцова А.А. и др. «Исполнительные устройства и системы для микроперемещений». СПБ ГУ ИТМО, 2011, с. 131.
Проводились расчеты изменений (при различных смещенных положениях фиксирующих боковых держателей 8) профиля и радиуса кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины Si в составе дифракционного блока - тройного изгибного модуля с учетом толщин и формы составных его частей: изготовленной из Si монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 фотополимера ОКМ-2 с усадочными свойствами, более низкими, чем у эпоксидной смолы, и изготовленной из пьезокерамики PZT-5H пластины 3 пьезоэлемента с толщиной слоев напыленных электродов 4, равной 20 мкм.
При этом использовались приведенные ниже расчетные аналитические формулы, полученные программным методом для описания сечений и поверхностей, используемых для коллимации и фокусировки рентгеновского пучка.
Условию коллимации рентгеновского пучка соответствуют сечения профиля поверхности монокристаллической пластины, изображенные на фиг. 2в:
2
кривая А - у=0.0025х-0.037х+0.1121
- представляет собой симметричную дугу параболы с вершиной, находящейся в центре монокристаллической пластины;
2
кривая Б - у=0.0025х-0.0231х+0.0287
- представляет собой асимметричную дугу параболы с вершиной, смещенной (влево) от центра монокристаллической пластины на 3.0 мм (смещение вправо зеркально симметрично смещению влево);
2
кривая В - у=0.0025х-0.0143х-0.0007
- представляет собой асимметричную дугу параболы с вершиной, смещенной (влево) от центра образца на 4.5 мм;
2
кривая Г - у=0.0024х-0.0065х-0.0206
- представляет собой асимметричную дугу параболы с вершиной, смещенной (влево) от центра образца на 6.0 мм.
Условию фокусировки рентгеновского пучка соответствуют сечения профиля поверхности монокристаллической пластины, изображенные на фиг. 3в:
2
0.5
кривая Д - у=1.66(0.0441-х)
- представляет собой симметричную дугу эллипса с вершиной, находящейся в центре монокристаллической пластины;
2
0
5
кривая Е - у=1.71(0.0357-х)
- представляет собой асимметричную дугу эллипса с вершиной, смещенной (влево) от центра монокристаллической пластины на 5.5 мм;
2
2
0
5
кривая Ж - у=2.1(0.0322а-х)
- представляет собой асимметричную дугу эллипса с вершиной, смещенной (влево) от центра монокристаллической пластины на 11.0 мм.
Первый пример осуществления предлагаемого способа: при получении рабочего профиля монокристаллической пластины 1.1 (см. фиг. 2б), соответствующего условию коллимации рентгеновского пучка, для формирования симметричного параболического профиля (см. на фиг. 2в профиль А) рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.1 с радиусом кривизны указанной поверхности 20 м вдоль большей стороны этой пластины и максимальным прогибом параболической рабочей поверхности указанной пластины, расположенным в ее центре, воздействуют электрическим полем напряженностью 20 В/мм на пластину 3.1 пьезоэлемента при размещении двух фиксирующих держателей 8 (см. фиг. 2б) в плоскости центрального поперечного сечения данной пластины и для формирования асимметричных параболических профилей (см. на фиг. 2в профили Б, В и Г) рабочей поверхности этой же монокристаллической пластины 1.1 с радиусами кривизны указанной поверхности 23, 28 и 35 м вдоль большей стороны указанной пластины и максимальными прогибами параболической рабочей поверхности указанной пластины, смещенными (влево) от ее центра на 3.0, 4.5 и 6.0 мм, воздействуют таким же электрическим полем (напряженностью 20 В/мм) на эту же пластину 3.1 пьезоэлемента при таких же (совпадающих по величине с указанными смещениями максимальных прогибов) симметричных смещениях (влево) двух фиксирующих держателей 8 (см. фиг. 2б) от центрального поперечного сечения данной пластины (на 3.0, 4.5 и 6.0 мм), при этом в качестве монокристаллической пластины 1.1 могут использовать пластину, изготовленную из Si (111) в виде исходной имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя 2 фотополимера ОКМ-2 толщиной 50 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходно имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной пластине 3.1 пьезоэлемента толщиной 1 мм, имеющей предварительно напыленные с двух сторон плоские алюминиевые электроды 4 толщиной 20 мкм, с сохранением монокристаллической пластиной 1.1 и пластиной 3.1 пьезоэлемента плоскопараллельных форм после затвердевания указанного клеевого слоя 2 (последнее условие соответствует частному исполнению, упрощающему настройку предлагаемого способа, который осуществим и при условии промежуточного изгиба указанных пластин из-за затвердевания клеевого слоя без сохранения ими при этом плоскопараллельных форм, и при температуре склеивания, отличной от комнатной, например, при температуре выше или ниже комнатной и последующим сопровождаемым дополнительным технологическим изгибом указанных пластин доведением их температуры от температуры проведения указанного затвердевания до комнатной температуры с усложнением при этих условиях настройки предлагаемого способа). Второй пример осуществления предлагаемого способа: при получении рабочего профиля монокристаллической пластины 1.2 (см. фиг. 3б), соответствующего условию фокусировки рентгеновского пучка, для формирования симметричного эллиптического профиля (см. на фиг. 3в профиль Д) рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.2 с радиусом кривизны указанной поверхности 15 м вдоль большей полуоси эллиптической рабочей поверхности этой пластины и максимальным прогибом указанной поверхности, расположенным в ее центре, воздействуют электрическим полем напряженностью 20 В/мм на пластину 3.2 пьезоэлемента при размещении двух фиксирующих держателей 8 (см. фиг. 3б) в плоскости центрального поперечного сечения данной пластины и для формирования асимметричных эллиптических профилей (см. на фиг. 3в профили Е и Ж) рабочей поверхности этой же монокристаллической пластины 3.2 с радиусами кривизны указанной поверхности 22 и 38 м вдоль большей полуоси эллиптической рабочей поверхности этой же пластины и максимальными прогибами эллиптической рабочей поверхности указанной пластины, смещенными (влево) от ее центра на 5.5 и 11.0 мм, воздействуют таким же электрическим полем (напряженностью 20 В/мм) на эту же пластину 3.2 пьезоэлемента при таких же (совпадающих по величине с указанными смещениями максимальных прогибов) симметричных смещениях (влево) двух фиксирующих держателей 8 (см. фиг. 3б) от центрального поперечного сечения данной пластины (на 5.5 и 11.0 мм), при этом в качестве монокристаллической пластины 1.2 могут использовать пластину, изготовленную из Si (111) в виде исходной имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя 2 фотополимера ОКМ-2 толщиной 50 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H и исходно имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной пластине 3.2 пьезоэлемента толщиной 1 мм, имеющей предварительно напыленные с двух сторон плоские алюминиевые электроды 4 толщиной 20 мкм, с сохранением монокристаллической пластиной 1.2 и пластиной 3.2 пьезоэлемента плоскопараллельных форм после затвердевания указанного клеевого слоя 2.