Устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка

Полезная модель относится к рентгеновской оптике и может быть использована в оборудовании для получения рабочего профиля дифракционного элемента, образуемого профилем рабочей поверхности, используемой в качестве дифракционного элемента монокристаллической пластины и соответствующего заданному условию сходимости рентгеновского пучка, на основе управления кривизной рабочей поверхности указанной пластины, на которой происходит дифракция рентгеновского пучка по Брэггу, например, в рентгеновской микроскопии, рентгеновской спектроскопии, в дифрактометрах, а также в астрономии, физике, биологии, медицине и других областях.
Известно получение рабочего профиля дифракционного элемента с целью обеспечения сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации или фокусировки рентгеновского излучения путем придания требуемого изгиба дифракционному элементу, выполненному в виде кристаллической пластины Si, прикрепленной к подложке, которые представляют собой в итоге изогнутую под коллимацию или фокусировку упругую составную пластину (см. описание изобретения «Способ управления потоком рентгеновского излучения и система для его осуществления» по патенту РФ №2278432, G21K 21/06, 2006).
Устройство для получения рабочего профиля дифракционного элемента с целью обеспечения сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации или фокусировки рентгеновского излучения изложенным выше путем (представляющее собой оборудование для придания требуемого изгиба упругому дифракционному элементу) нуждается для получения требуемого рабочего профиля дифракционного элемента в дополнительном блоке корректировки кривизны рабочей поверхности кристаллической пластины Si в результате воздействия на изогнутую кристаллическую пластину Si встроенными в подложку и усложняющими ее конструкцию активными пьезоэлементами для дополнительной настройки сходимости рентгеновского пучка, в связи с чем данное устройство представляет собой отдаленный аналог и недостаточно технологично.
Известно также управление кривизной рабочего профиля дифракционного элемента с целью обеспечения сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации или фокусировки рентгеновского излучения путем одновременного изгиба монокристаллической пластины и подложки, входящих в состав дифракционного блока, за счет усадки распределенного между ними клеевого слоя при его затвердевании, причем исходные монокристаллическая пластина и подложка имеют до приклеивания толщины и формы, подобранные для получения рабочего профиля дифракционного элемента, задаваемого кривизной рабочей поверхности монокристаллической пластины и соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка (см. описание изобретения «Устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка и способ изготовления дифракционного блока в его составе (варианты)» по патенту РФ №2601867, G21K 1/06, 2016).
В устройстве для управления сходимостью рентгеновского пучка изложенным выше путем предусмотрено для дополнительной корректировки кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины контактирующее с дифракционным блоком средство изменения температуры дифракционного блока, выполненное в виде элемента Пельтье с водоблоком и вызывающее одновременный изгиб подложки, затвердевшего клеевого слоя и монокристаллической пластины из-за разницы коэффициентов температурного расширения материалов указанных составных частей дифракционного блока, что в связи с дополнительной функцией - настройкой уже поддерживаемой сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации или фокусировки рентгеновского излучения выходит за рамки задачи предлагаемой полезной модели - получения рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего требуемой сходимости рентгеновского пучка (без дополнительной настройки указанной сходимости), а получение рабочего профиля дифракционного элемента в связи с усадкой распределенного между монокристаллической пластиной и подложкой клеевого слоя при его затвердевании недостаточно стабильно из-за отклонений в составах клеевой технологии.
Использование технологии склейки составных частей дифракционного блока для получения искомого рабочего профиля поверхности дифракционного элемента - отдаленный от лежащего в основе предлагаемой полезной модели технический прием, из-за чего некорректно сравнение предлагаемой полезной модели с данным устройством для управления сходимостью рентгеновского пучка, поэтому выбрана форма изложения формулы и описания предлагаемой полезной модели - без прототипа.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - разработка устройства для управления сходимостью рентгеновского пучка, характеризующегося повышенной технологичностью и стабильностью получения рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего условию сходимости рентгеновского пучка в режиме коллимации или фокусировки рентгеновского излучения и входящего в состав дифракционного блока, представляющего собой трехслойный изгибной модуль, состоящий из монокристаллической пластины, затвердевшего клеевого слоя с низкими усадочными свойствами, и пластины пьезоэлемента, сохранившими их исходные до приклеивания формы после затвердевания клеевого слоя (толщина слоев напыленных электродов незначительна, в связи с чем их вклад в изменение кривизны поверхности монокристаллической пластины можно не учитывать), на основе управляемого изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины с помощью электрического поля за счет выполнения подложки в виде пластины пьезоэлемента.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка, содержащее дифракционный блок, состоящий из дифракционного элемента, выполненного в виде монокристаллической пластины, приклеенной к подложке, представляющей собой пластину пьезоэлемента, изготовленную из пьезокристалла или пьезокерамики, и металлических электродов, предварительно напыленных на обе противоположные поверхности указанной пластины пьезоэлемента и подключенных с источнику электрического напряжения с возможностью выполнения ими функции средства изменения кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины за счет воздействия на пластину пьезоэлемента электрического поля, приводящего к одновременному изгибу предварительно приклеенных друг к другу монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента.
Причем монокристаллическая пластина приклеена к пластине пьезоэлемента с условием сохранения формы исходных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента после затвердевания клеевого слоя до воздействия на пластину пьезоэлемента электрического поля, а исходные монокристаллическая пластина и пластина пьезоэлемента имеют до приклеивания толщины и формы, подобранные для получения рабочего профиля дифракционного элемента, образуемого профилем рабочей поверхности монокристаллической пластины и соответствующего заданной сходимости рентгеновского пучка, в результате указанного одновременного изгиба монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля.
В частных случаях выполнения предлагаемого устройства:
для получения рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего условию коллимации рентгеновского пучка, указанный дифракционный элемент выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной монокристаллической пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя фотополимера ОКМ-2 толщиной 30 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной пластине пьезоэлемента толщиной 1.5 мм, с сохранением ими плоскопараллельных форм после затвердевания указанного клеевого слоя и с формированием параболического профиля рабочей поверхности указанной монокристаллической пластины с радиусом кривизны 0.9 м вдоль ее большей стороны в ее центре за счет одновременного изгиба предварительно приклеенных друг к другу указанных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля напряженностью 50 В/мм;
для получения рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего условию фокусировки рентгеновского пучка, указанный дифракционный элемент выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной монокристаллической пластины толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя фотополимера ОКМ-2 толщиной 30 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей основание в форме эллипса пластине пьезоэлемента толщиной 1.5 мм с сохранением ими плоскопараллельной формы после затвердевания указанного клеевого слоя и с формированием эллиптического профиля рабочей поверхности указанной монокристаллической пластины с радиусом кривизны 1.5 м вдоль ее большей полуоси в ее центре за счет одновременного изгиба предварительно приклеенных друг к другу указанных монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля напряженностью 50 В/мм.
При этом два металлических электрода, предварительно напыленных по одному на обе противоположные поверхности пластины пьезоэлемента в составе дифракционного блока, могут быть изготовлены толщиной 1 мкм из меди, серебра или алюминия, а предлагаемое устройство может быть оснащено аппаратно-программным обеспечением управления источником электрического напряжения в соответствии с программным режимом поддержания заданной сходимости рентгеновского пучка.
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка со схемой этого устройства на фиг. 1а и подложкой дифракционного блока на фиг. 16 в виде пластины пьезоэлемента с двумя металлическими электродами, предварительно напыленными по одному на обе противоположные поверхности указанной пластины; на фиг. 2 и 3 - формы исходных до приклеивания монокристаллической пластины и пластины пьезоэлемента, сохранившиеся после затвердевания распределенного между ними клеевого слоя (см. фиг. 2а и 3а), и построенные методом компьютерного моделирования соответствующие условию коллимации (см. фиг. 2б-г) и фокусировки (см. фиг. 3б-г) 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.
-2
Предлагаемое устройство для управления сходимостью рентгеновского пучка (см. фиг. 1а) содержит дифракционный блок, состоящий из дифракционного элемента, выполненного в виде изготовленной из Si (111) монокристаллической пластины 1 (со средней плотностью дислокаций, не превышающей 1000 см), приклеенной с помощью имеющего пониженные усадочные свойства клеевого слоя 2 к подложке, представляющей собой пластину 3 пьезоэлемента, изготовленную из пьезокристалла или пьезокерамики, с сохранением формы исходных до приклеивания монокристаллической пластины 1 и пластины 3 пьезоэлемента после затвердевания клеевого слоя 2, и два металлических электрода 4 (см. фиг. 1б), предварительно перед приклеиванием монокристаллической пластины 1 к пластине 3 пьезоэлемента 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-г и 3в-г). Причем указанные два металлических электрода 4 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 вариантов (параболического и эллиптического) профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 (см. фиг. 2в-г и 3в-г), задаваемого кривизной этой поверхности (см. фиг. 2б и 3б) и соответствующего требуемой 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 на фиг. 2 и 3, а также затвердевший клеевой слой 2 на фиг. 3 визуально не выделены).
Работа предлагаемого устройства основана на получении рабочего профиля дифракционного элемента, 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 воздействии на последнюю электрического поля с помощью двух электродов 4, подключенных 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.
При этом для автоматической настройки воздействия электрическим полем предлагаемое устройство (см. фиг. 1а) оснащено 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).
Модуль 6 и компьютер 7 выполняют функции блока автоматического управления напряженностью электрического поля, воздействующего на пластину 3 пьезоэлемента, на основе предварительной калибровки ожидаемых изменений кривизны рабочей поверхности монокристаллической пластины 1 в зависимости от величины напряженности электрического поля и проверки режима коллимации или фокусировки рентгеновского пучка с помощью рентгеновской камеры CCD и модуля ее управления (на фиг. 1а не показаны).
В нижеприведенных двух примерах исполнения предлагаемого устройства для управления сходимостью рентгеновского пучка 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 Multiphysics, 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 пластины 3 пьезоэлемента;
,  - компоненты векторов электрической индукции, напряженности электрического поля;
, ,  - соответственно, обозначают модуль упругости составных частей дифракционного блока (монокристаллической пластины 1, затвердевшего клеевого слоя 2 и пластины 3 пьезоэлемента);
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 (в зависимости от величины напряженности электрического поля) 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 без учета толщины слоев напыленных электродов 4, которая, составляя микронную величину, обусловила их незначительный вклад в изменение кривизны поверхности дифракционного элемента.
Так, для получения рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего условию коллимации рентгеновского пучка, указанный дифракционный элемент (см. фиг. 2а) выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в форме прямоугольника плоскопараллельной монокристаллической пластины 1.1 толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя 2 фотополимера ОКМ-2 толщиной 30 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной прямоугольной плоскопараллельной пластине 3.1 пьезоэлемента толщиной 1.5 мм, с сохранением ими плоскопараллельных форм после затвердевания указанного клеевого слоя и с формированием параболического профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.1 с радиусом кривизны 0.9 м (см. фиг. 26) вдоль ее большей стороны (вдоль оси X) в ее центре и радиусом кривизны 0.3 м (см. фиг. 2в) вдоль ее меньшей стороны (вдоль оси Y) в ее центре за счет одновременного изгиба предварительно приклеенных друг к другу указанных монокристаллической пластины и пластины 3.1 пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля напряженностью 50 В/мм.
А для получения рабочего профиля дифракционного элемента, соответствующего условию фокусировки рентгеновского пучка, указанный дифракционный элемент (см. фиг. 3а) выполнен из изготовленной из Si (111) исходной имеющей основание в форме эллипса плоскопараллельной монокристаллической пластины 1.2 толщиной 400 мкм, приклеенной с помощью клеевого слоя 2 фотополимера ОКМ-2 толщиной 30 мкм при комнатной температуре к изготовленной из пьезокерамики PZT-5H исходной имеющей основание в форме эллипса пластине 3.2 пьезоэлемента толщиной 1.5 мм с сохранением ими плоскопараллельной формы после затвердевания указанного клея и с формированием эллиптического профиля рабочей поверхности монокристаллической пластины 1.2 с радиусом кривизны 1.5 м (см. фиг. 36) вдоль ее большей полуоси (вдоль оси X) в ее центре и радиусом кривизны 1.2 м (см. фиг. 3в) вдоль ее большей полуоси (вдоль оси Y) в ее центре за счет одновременного изгиба предварительно приклеенных друг к другу указанных монокристаллической пластины 1 и пластины 3.2 пьезоэлемента при воздействии на последнюю электрического поля напряженностью 50 В/мм.