Формирование микропучков жесткого рентгеновского излучения многоэлементной преломляющей линзой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГо

УДК539.216,535.317.61-34,532.595.69 1 8 Д-К ?Ш

Кольчевский Николай Николаевич

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОПУЧКОВ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ПРЕЛОМЛЯЮЩЕЙ ЛИНЗОЙ

01.04.07 - физика твердого тела 01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск, 2000

Работа выполнена в Белорусском государственном университете и в НИИ прикладных физических проблем им. А.Н.Севченко при БГУ.

член-корреспондент HAH Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор Комаров Фадей Фадеевич

кандидат физико-математических наук Дудчик Юрий Иванович

академик HAH Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор Олехнович Николай Михайлович

кандидат физико-математических наук Лобанович Эдуард Францевич

Институт рентгенооптических систем (г. Москва)

Защита состоится " 08 " декабря 2000 года в 14°° часов на заседай совета по защите диссертаций Д 02.01.16 в Белорусском государствен» университете (220050, г. Минск, пр. Ф. Скорины 4, Белгосуниверсит главный корпус, к. 206, т. 226-55-41)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусскс государственного университета.

Автореферат разослан " 3

Ученый секретарь совета по защите диссертаций канд. физ.-мат. наук, доцент

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Оппонирующая организация:

ноября 2000г.

В.Ф. Стельмах

B2>4€,i}0b

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Появление новых мощных источников жесткого рентгеновского излучения, таких как: источники синхротронного излучения третьего поколения (Spring-8 (Япония), European Synchrotron Radiation Facility (Франция), Advanced Photon Source (США)) и микрофокусных рентгеновских аппаратов, выпускаемых фирмами Siemens, Philips, Kevex, стимулировало работы по преломляющей оптике для жестких рентгеновских лучей. Поскольку показатель преломления вещества для рентгеновских фотонов меньше единицы, то фокусировка рентгеновского излучения может быть осуществлена при помощи двояковогнутой линзы. Однако, расчеты показывают, что фокусное расстояние такой линзы составляет величину 50-100 м, которая является слишком большой для каких-либо практических применений. Этот факт являлся основой для широко распространенного убеждения, что преломляющая оптика для рентгеновских лучей невозможна.

Попытки уменьшить фокусное расстояние линзы привели к созданию нового типа преломляющей рентгеновской линзы, предложенной А.Снигиревым и др. в 1996 г. Линза состоит из большого числа (10-300) двояковогнутых микролинз, изготовленных из материала с малым порядковым номером (бериллий, углерод, полимер, алюминий) и расположенных соосно. Первоначально линза была выполнена путем сверления большого количества отверстий в пластине из алюминия. Роль линз играли перешейки между отверстиями. Эксперименты, проведенные на синхротроне ESRF зо Франции, показали возможность фокусировки рентгеновских фотонов с энергией 10-15 КзВ в пятно размером в несколько микрометров. Эти работы фактически послужили толчком к началу исследований в области преломляющей рентгеновской оптики. В 1999 году появились сообщения о проведении целого ряда исследований в области физики твердого тела на синхротроне ESRF (Франция) с использованием преломляющих рентгеновских линз. Линза использовалась для получения интенсивного пучка рентгеновского излучения с энергией 15- 20 КэВ микронных размеров. Пучок обладает малой угловой расходимостью и, как было показано, может успешно применяться для методов микродифракции, флуоресцентного анализа, микротомографии. Такие исследования позволяют получить информацию об остаточных напряжениях в кристаллической решетке, о размерах области кристалла, о когерентно рассеивающей рентгеновские лучи, локальной плотности дислокаций. Особый интерес к работам в

области преломляющей оптики связан с возможностью создания микроскопа, работающего в жестком рентгеновском диапазоне энергий фотонов (5-50 КзВ).

К моменту постановки задачи на выполнение исследований в области преломляющей рентгеновской оптики наиболее перспективной виделась проблема разработки и создания двухмерных преломляющих линз, которые, в отличие от линз, предложенных. А.Снигиревым и др., могли бы оказаться пригодными не только для фокусировки излучения, но и для формирования изображения объектов в рентгеновских лучах. Разработка таких линз включает выбор материала для динзы, разработку методики ее изготовления, проведение большого количества расчетов рентгенооптических параметров фокусирующих систем, а также получение определенного опыта работы по практическому использованию линз для целей рентгеновской микроскопии. Все это, как казалось на момент постановки задачи на исследование, должно заложить надежный базис для развития исследований в области изображающей оптики для жестких рентгеновских фотонов. Поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.

Связь работы с крупными научными программами, темами

Диссертационная работа выполнялась с 1997 по 2000 годы на кафедре физической электроники Белорусского государственного университета и в лаборатории элионики НИИ прикладных физических проблем им. А.Н.Севченко в соответствии с плановыми научными исследованиями в рамках НИР "Конусообразный микрокапилляр -новый элемент рентгеновской оптики" и "Изображающая: оптика для жестких рентгеновских лучей" Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь (проекты Ф 97-036 и Ф 99-056 соответственно).

Цель и задачи исследования

Цель работы состоит в разработке метода изготовления преломляющей рентгеновской линзы для фотонов с энергией 5-50 КэВ, в исследовании особенностей формирования микропучков рентгеновского излучения указанной линзой, а также в изучении возможности применения преломляющей оптики для получения изображения тестовых объектов в жестких рентгеновских лучах.

Объект и предмет исследования

В работе исследовалась система упорядочению расположенных двояковогнутых линз, изготовленных из материала слабо поглощающего рентгеновское излучение. Исследовались

конусообразные стеклянные микрокапилляры, изготовленные методом вытяжки из расплава под действием силы тяжести.

Изучался процесс формирования системы линз в стеклянном капилляре, а также их способность фокусировать рентгеновское излучение. Изучались возможности конусообразных микрокапилляров формировать остронаправленные пучки рентгеновского излучения.

Методология и методы проведенного исследования

Методология и методы исследования основаны на теоретическом изучении процессов распространения рентгеновского излучения в веществе и преломления на границах раздела двух сред, имеющих сферическую форму. При разработке преломляющих линз использовались сведения из гидродинамики об особенностях поведения жидкостей на границе раздела двух сред. Форма поверхности линз исследовалась оптическим методом. При определении радиационной стойкости материала линзы применялись данные из теории взаимодействия ионизирующих излучений с полимерами. Экспериментальные исследования распространения рентгеновского излучения в стеклянном капилляре проводились с использованием рентгеновского дифрактометра.

Научная новизна и значимость полученных результатов

В результате выполнения настоящей работы впервые разработана методика изготовления и изготовлена многоэлементная преломляющая (микрокапиллярная) рентгеновская линза.

Разработана модель рентгеновской линзы, проведен расчет хода лучей в линзе и определены параметры линзы, обеспечивающие фокусировку рентгеновского излучения с энергией фотонов 18 КзВ в пятно размером в несколько микрометров.

Получены увеличенные в 3 раза изображения тестового объекта в жестких рентгеновских лучах с использованием разработанной линзы как объектива.

Практическая значимость полученных результатов

Результаты, полученные в ходе выполнения исследований, могут найти применение в микроскопии объектов с использованием жестких рентгеновских лучей и, в частности, при разработке рентгеновского микроскопа.

Разработанная методика изготовления преломляющей линзы может быть применена для создания объективов микроскопов,

обеспечивающих микронное разрешение объектов в рентгеновских лучах с энергией фотонов порядка 20 КэВ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1 .Методика формирования системы двояковогнутых сферических микролит с заданным радиусом кривизны, состоящая в нанесении на внутреннюю поверхность стеклянного капилляра пленки смачивающей жидкости, состоящей из легких атомов. Форма поверхности таких отвердевших полимерных капель-линз, периодически расположенных в капилляре, является сферической. Линзы, изготовленные из эпоксидного клея, являются стойкими к воздействию потока рентгеновских фотонов с энергией 18 КэВ в течении 1 ч при интенсивности потока, равной 4.8 Вт/мм2.

2,Модель для расчетов параметров многоэлементной преломляющей линзы (фокусного расстояния, продольных и поперечных аберраций, пропускания, коэффициента усиления плотности потока фотонов в фокусе системы). Расчет учитывает комплексный показатель преломления вещества п равный: n=l~(8-Hß)N, где ё, ß- коэффициенты, характеризующие преломление и поглощение рентгеновских лучей в материале, N- число линз.

3.Результаты экспериментальных исследований физических свойств и определения параметров микрокапиллярной линзы для фотонов синхротронного излучения с энергией 18 КэВ. Различие в экспериментально определенных и рассчитанных значениях размера фокусного пятна связано с наличием оптически наблюдаемых неоднородностей в материале линзы. Получены увеличенные изображения тестового объекта в виде золотой сетки (толщина проволоки - 5.6 мкм, размер ячейки- 16.7 мкм) в рентгеновских лучах.

Личный вклад соискателя

В диссертации изложены результаты, полученные автором лично. Соавторы работ доктор физ.-мат. наук, чл.-корр. HAH Беларуси Комаров Ф.Ф. и кандидат физ.-мат. наук Дудчик Ю.И. являются научными руководителями. Они сформулировали задачу и участвовали в обсуждении результатов работы. Соавторы работ Кохмура И., Аваджи М., Сузуки И., Ишикава Т. проводили эксперименты с микрокапиллярной линзой на синхротроне SPring-8 в Японии и участвовали в обсуждении полученных результатов.

Апробация результатов диссертации

Большая часть результатов исследований, изложенных в диссертации, докладывалась на: Второй международной научной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", 8ИТТ-97, Минск; Третьем белорусском семинаре по сканирующей зондовсй микроскопии, Гродно, 1998; Второй национальной конференции по применению рентгеновского, синхротрошюго излучений, нейтронов и электронов для исследований материалов,РСНЗ-99, 23-27 мая Москва; International Conference on X-ray microscope, XRM-99, Aug. 1-6, California, USA; Третьей международной научной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", ВИТТ-99, 6-8 окт. Минск; Восьмой республиканской научной конференции студентов к аспирантов по физике конденсированных сред, г. Гродно, 2000.

Опубликованность результатов

По результатам диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах, 2 статьи издано в сборниках докладов конференций и 5 работ представлено в виде тезисов докладов конференций, получено I положительное решение по заявке на выдачу патента Республики. Объем опубликованных материалов — 48 страниц.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит введение, общую характеристику работы, основную часть, состоящую из 4х глав, заключение и список использованных источников. Объем диссертации 128 печатных страниц. Диссертация содержит 55 рисунков на 55 страницах и 11 таблиц на 5 страницах. Список литературы включает 103 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дана общая оценка современного состояния решаемой проблемы и определено направление диссертационного исследования.

В общей характеристике работы обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведен краткий обзор существующих устройств для управления пучками рентгеновского излучения. Первая часть обзора содержит описание традиционных устройств, реализованных на принципах дифракционной и

отражательной оптики. К таким устройствам относятся зеркала отражатели, многослойные зеркала, капиллярная оптика, линзы Кумахова, Френелевские зонные пластинки и линзы Брэгга-Френеля. Существующие устройства для управления пучками рентгеновского излучения первоначально были разработаны для мягкого рентгеновского диапазона. В тоже время, попытки перенести разработанные методы изготовления и принципы использования указанных элементов на область жесткого рентгеновского диапазона вызывает целый ряд затруднений, в первую очередь, технологического характера.

Во второй части приведен обзор работ, посвященных преломляющим линзам для рентгеновского излучения. Возможность использования преломляющих линз для рентгеновских лучей обсуждалась достаточно давно. Исследования показали, что для мягкого рентгеновского диапазона, из-за большого поглощения, толщина линз должна составлять доли микрометров. В области жесткого рентгеновского диапазона, из-за близости показателя преломления к единице, линза характеризуется большим фокусным расстоянием (более 10 м). На основании этих фактов обосновывалась неэффективность применения преломляющих линз для рентгеновских лучей. В 1996 г. появилась первая экспериментальная работа, посвященная фокусировке жесткого рентгеновского излучения с помощью набора двояковогнутых цилиндрических линз. Экспериментально было показано, что набор из N линз позволяет уменьшить фокусное расстояние в N раз. К настоящему времени разработано несколько конструкций многоэлементных преломляющих линз, с которыми проведены экспериментальные работы по фокусировке жесткого рентгеновского излучения.

Вторая глава посвящена определению требований, предъявляемых к материалу линзы и разработке методики изготовления микрокапиллярной преломляющей линзы. Материал должен обладать слабым поглощением и рассеянием рентгеновских лучей, способностью выдерживать радиационные нагрузки. В качестве материала линзы выбран эпоксидный клей.

Разработанная конструкция многоэлементной преломляющей линзы представляет собой стеклянный микрокапилляр, заполненный большим числом капель жидкости, принимающих под действием сил поверхностного натяжения форму двояковогнутых линз (рис. 1).

Капилляр -/ Фокусное

расстояние Г

Рис. 1. Схема микрокапилляриой линзы.

Для изготовления микрокапиллярной линзы использовались стеклянные микрокапилляры диаметром 100-1000 мкм, полученные методом вытяжки под действием силы тяжести. Методика формирования линз в капилляре состоит в нанесении тонкой пленки жидкости на внутреннюю поверхность капилляра. В образованной таким образом пленке в течение нескольких минут развивались волнообразные возмущения, которые приводили к образованию периодично расположенных капель-линз.

Толщина полученных линз измерялась с помощью оптического микроскопа. Установлена зависимость средней толщины образующихся линз с! от радиуса капилляра К:

Данное соотношение осгаватось справедливым для линз, изготовленных из воды, глицерина или эпоксидного клея, расположенных в стеклянных капиллярах диаметром 100-1000 мкм.

Предложена модель формирования линз в капилляре, объясняющая установленную зависимость толщины линз от радиуса капилляра. Показано, что избыток поверхностной энергии определяет неустойчивое состояние пленки и приводит к ее распаду на набор капель. Оценив толщину образующейся пленки и рассмотрев минимальное возмущение поверхности пленки в форме синусоидальной стоячей волны малой амплитуды, была рассчитана средняя толщина линзы с!, соответствующая возмущению с максимальной скоростью роста:

Для изготовления микролинз с уменьшенной толщиной предложена методика последовательного формирования пузырей воздуха в капилляре, позволяющая изготовить линзы толщиной 10-100 мкм в стеклянных капиллярах диаметром 100-1000 мкм. Фотография линзы показана на рис.2.

(1=3 Я - 60 мкм.

(1)

(1-3.2 И .

(2)

"Г1" с

У'иб £-> йи О 5 ООО1ЗОО; ) иЬ ОООООООО

Рис. 2. Фотография микрокапиллярной линзы.

Форма линзы, размещенной в капилляре, исследовалась оптическим методом. Установка для исследования состояла из оптического микроскопа, соединенного с цифровой видеокамерой. Изображение микрокапиллярных линз записывалось на компьютер. По цифровому снимку восстанавливался профиль линзы, при этом учитывалось, что измеренный профиль линзы искажен в результате преломления лучей. Измерения, выполненные для линз, изготовленных из глицерина и эпоксидного клея, показали, что форма линзы является сферической с радиусом кривизны, равным радиусу канала микрокапилляра.

Экспериментально исследовалась радиационная стойкость линзы, изготовленной на основе эпоксидного клея. Эпоксидный клей представлял собой двухкомпонентную смесь эпоксидной смолы, состав которой выражается следующей химической формулой:

<?н3 сн.

СИ,

\ / о

-снсн2о

'/ \\

7 А

(А )-СН2СН-СН2 \ /

О

где

А=

:-0СН2СНСН2-0

о-

и отвердителя - фенилендиамина, имеющего следующий химический состав: (СН3)2НС6Н4№12. При смешивании эпоксидной смолы и отвердителя в соотношении 10:3 в результате химической реакции полимеризации образуется твердый прозрачный полимер. Соотношение углерода, водорода и азота в полученном веществе можно выразить следующей формулой: С|0оН20002оКз. Плотность полимера равна 1.08 г/см3.

Показано, что действие рентгеновского излучения с энергией фотонов 18 КэВ при плотности потока 1.7x1014 фот/с/мм2 в течение 1 ч привело к изменению цвета полимера со светло-желтого на темно-зеленый и появлению неоднородностей плотности. Изменение цвета со

светло-желтого на темно-зеленый соответствует смещению спектра поглощения из области синего цвета в красную. Такое смещение спектра оптического поглощения в длинноволновую часть спектра свидетельствует об образовании свободных устойчивых радикалов, возникающих в результате разрыва двойных связей и кислородосодержащих групп. Нарушение пространственной однородности твердой молекулярной структуры наблюдалось в оптический микроскоп. Пространственная однородность молекулярной системы нарушается тепловыми флуктуациями плотности вещества под действием ионизирующего излучения.

В третьей главе рассмотрена возможность применения микрокапиллярной преломляющей линзы для фокусировки жесткого рентгеновского излучения и получения изображений объектов в жестких рентгеновских лучах. Рассмотрение основано на изучении взаимодействия рентгеновского излучения с веществом в рамках модели свободных электронов. Показано, что для изготовления составной линзы необходимо использовать материалы, характеризующиеся максимальной величиной отношения 5/(3, где 11=1-5-1 (5 — комплексный показатель преломления вещества, 5, |3 — коэффициенты, характеризующие преломление и поглощение. Методом математического моделирования рассчитывались рентгенооптические параметры линзы. Как показали расчеты, для получения максимального потока фотонов в фокусном пятне линзы необходимо использовать линзы диаметром 100-500 мкм и рентгеновское излучение с энергией 15-25 КзВ. На рис. 3. показаны рассчитанные траекторий рентгеновских фотонов, прошедших линзу. Энергия фотонов равна 18 КэВ. Линза состоит из 71 микролинзы диаметром 0.2 мм, изготовленных из эпоксидного клея. Расчеты выполнены в приближении геометрической оптики для сферических линз. Показано, что, используя составную сферическую линзу, можно сфокусировать рентгеновские лучи в пятно порядка нескольких микрометров и получить усиление плотности потока фотонов в сотни раз.

Чтобы определить плоскость, в которой достигается максимум плотности интенсивности, рассчитывалось распределение интенсивности в пучке на различных расстояниях от линзы. Расчеты показали, что в фокальной плоскости распределение интенсивности имеет ярко выраженный максимум, ширина которого определяется дифракционными ограничениями.

Рис.3. Рассчитанные траектории рентгеновских фотонов за линзой.

Исследовались сферические аберрации линзы. Мерой поперечной аберрации является размер пучка в фокальной плоскости. Расчет размеров фокусного пятна проводился в рамках аберрационной теории Зейделя третьего порядка. Так как линейные размеры системы линз значительно меньше фокусных расстояний, то аберрации системы линз исследовались на модели одной линзы, комплексный показатель преломления вещества п которой равен п=1-(5-Н|3)Н Для тонкой линзы и случая бесконечно удаленного точечного источника радиус пучка Кг в фокальной плоскости равен:

Яг* В ^ , (4)

где В - коэффициент Зейделя, равный:

В=1.2{ ШДпЛУаЧ [ пЛ1г(п-1)/Р., ]2 [(1 -п)/Кг+(п-1 )/Р,Л-(п-1)/гг/К,] },(5) где К, = -И2 = И - радиусы кривизны линзы.

В приближении 8М«1 уравнение (4) принимает следующий вид: КгИН^/К2. (6)

Для проверки полученного соотношения рассчитывался радиус сфокусированного пучка в зависимости от радиуса диафрагмы. Расчеты показали, что полученное соотношение остается верным при условии {^<0.61*.

На основе полученного соотношения была развита методика расчета рентгенооптических параметров микрокапиллярной линзы. Показано, что при использовании мощных микрофокусных рентгеновских трубок и микрокапиллярной линзы можно получать микронные пучки с шггексивностью потока фотонов 200-600 фот/с.

Микрокапиллярная линза тестировалась на синхротроне 8Рпг^-8 (Япония). Схема эксперимента показана на рис.4. Линза имела следующие параметры: радиус линзы равен 0.1мм, число линз- 71, материал линзы- эпоксидный клей. Источник ондуляторного излучения

располагался на расстоянии 45 м от линзы, размеры источника равны 800x30 мкм2, энергия фотонов- 18 КэВ, интенсивность пучка- 1.7х10!4 фот/с/мм2.

_________золотая проволока

монохроматор- линза пК_

_— -и

—--диафрагма ■-1

ондулятор ионизационная ионизационная ЗРг1Щ-8 камера камера

Япония Рас. 4 Схема эксперимента.

Проведенные эксперименты показали возможность сфокусировать жесткое рентгеновское излучение в пятно микронных размеров с помощью микрокапиллярной линзы. Измеренные и рассчитанные значения рентгенооптических параметров линзы показаны в табл.1.

Табл. /. Измеренные и рассчитанные значения параметров линзы.

| Эксперимент Расчет

Фокусное расстояние Р Пропускание Т Фокусное пятно Иг Усиление О 0.9 м 0.18 16мкм х 8мкм 12 0.98 м 0.3 18мкм х 0.7мкм 40

Расхождения в измеренных и рассчитанных значениях фокусного пятна и, соответственно, усиления обусловлены неоднородностью материала линзы. Исследования однородности отвердевших пленок эпоксидного клея показали наличие в объеме клея микропузырей воздуха, неравномерно распределенных по объему пленки. Возникновение пузырей происходило на этапе приготовления полимера, а именно, на стадии перемешивания смолы с отвердителем. Благодаря высокой вязкости эпоксидной смолы 'микропузыри практически не . перемещаются по объему и в процессе полимеризаций формируют неравномерно распределенные . микропустоты.Именно такие неоднородности, обнаруженные в первых образцах линз, с которыми проводились эксперименты на синхротроне 8ргп^-8, по всей видимости, привели к тому, что' измеренные значения величины фокусного пятна значительно превышают ожидаемые. В дальнейшем методика приготовления линзы была усовершенствована, путем увеличения температуры смолы, и удалось избавиться от микронеоднородностей, различимых в оптический микроскоп.

Экспериментально исследовалась способность линзы передавать изображение объекта в жестких рентгеновских лучах. Схема эксперимента показана на рис.5.

рентгеночувствительный экран

МОНОХрОМЗТОр пыя|Ьпог»«а

ондулятор золотая сетка 8Ргн^-8 изображение сетки

Япония

Рис.5. Схема эксперимента.

В качестве образца использовалась золотая сетка, состоящая из расположенных на расстоянии 16.7 мкм друг от друга золотых проволочек толщиной 16.7 мкм. Параметры тестируемых линз и условия эксперимента приведены в табл.2.

Табл.2. Параметры тестируемых линз и условия эксперимента.

Линза 1 Линза 2

Вещество эпоксидный клей глицерин

Радиус линзы Л, мкм 104 400

Число линз N 71 185

Энергия фотонов Е, КэВ 18.3 17.1

Фокусное расстояние Р. м 0.9 1.2

Увеличение к 3 3.2

Расстояние до линзы Ь, м 1.2 2

Расстояние до изображения 8, м 3.6 5

На рис. 6 показаны совмещенные изображения, полученные экспериментально и теоретически для линзы 1 и 2.

мкм мкм

Рис. 6. Изображения сетки, полученные с помощью линзы 1 и 2.

Для построения изображения рассчитывался ход параллельных оптической оси лучей через линзу. На основе данных расчетов определялся коэффициент увеличения линзы как функция высоты луча над оптической осью. На основе полученной зависимости строилось изображение сетки. Из рис.6 видно, что расчеты хорошо отражают экспериментальные данные, следовательно, сферические аберрации являются причиной искажения изображения объекта.

В четвертой главе исследуется возможность получить узконаправленный пучок рентгеновского излучения от рентгеновской трубки. Проведенные в главе 3 расчеты показывают, что, чтобы получить фокусное пятно микронных размеров, источник необходимо располагать на большом расстоянии от линзы- 5-10 м. Из-за большого расстояния между источником и линзой, а так же из-за малого радиуса линзы (менее 1 мм), число фотонов, попадающих на линзу будет невысоким. Увеличить плотность потока фотонов на линзе можно путем преобразования расходящегося излучения от источника в плоскопараллельный пучок. Эта задача может быть решена с помощью устройства на основе стеклянного конусообразного капилляра, схема которого приведена на рис.7. Рентгеновский луч, распространяясь внутри капилляра в режиме полного внешнего отражения от стенок капилляра, уменьшает угол наклона к оптической оси от величины 0, до величины 02.

тонкопленочная

Рис. 7. Схема устройства для получения направленного пучка.

Для проведения экспериментов была изготовлена опытная партия конических стеклянных микрокапилляров. Капилляры изготавливались методом вытяжки под действием силы тяжести. С помощью оптического микроскопа измерялся профиль внутреннего канала, при этом учитывалось преломление световых лучей в материале капилляра.

Для проведения экспериментов использовался микрофокусный рентгеновский излучатель РЕИС-25, оснащенный рентгеновской трубкой с медной мишенью. Напряженке на аноде — 25 КБ, ток анода

— ¡70 мкА. Длина конусообразного капилляра — 250 мм, диаметр канала на входном отверстии капилляра — 3 мкм, на выходном — 36 шем. Стеклянный капилляр размещался вплотную к выходному окну рентгеновской трубки. Измерялась угловая расходимость пучка рентгеновского излучения на расстоянии 200 мм от выходного конца капилляра Измерения проводились сцинтиллядионным детектором. Измерения проводились два раза. В первом случае капилляр помещался концом с большим диаметром канала вплотную к источнику излучения, во втором случае капилляр помещался к источнику концом с меньшим диаметром канала. Показано, что расходимость пучка рентгеновского излучения в первом случае в два раза превышает расходимость пучка, измеренную во втором случае.

ЗАКЛЮЧПЕНМЕ

1.Определены требования к материалам, пригодным для изготовления рентгеновской линзы. Показано, что указанным требованиям удовлетворяет эпоксидный клей. Разработана методика изготовления системы двояковогнутых линз в стеклянных микрокапиллярах, состоящая в формировании на внутренней поверхности капилляра тонкой пленки смачивающей жидкости, которая под действием сил поверхностного натяжения распадается на систему периодически расположенных капель-линз. Предложена модель, описывающая зависимость толщины линзы от радиуса капилляра. Модель описывает неустойчивое состояние пленки жидкости, обусловленное избытком поверхностной энергии. Распад плевки с образованием набора капель происходит из-за капиллярных волн на поверхности пленки. Проведенные в рамках данной модели расчеты показали, что в капиллярах с радиусом, меньшим чем 0.5 мм, средняя толщина лкпзы равна 3.2 К. Показано, что уменьшить толщину линз в капиллярах диаметром 200-1 ООО мкм до величины 10-100 мкм можно путем последовательного формирования микропузырей воздуха в стеклянном капилляре, предварительно заполненном жидкостью.[1,2,4,5,6,11] 2.Методом оптической микроскопии исследована форма поверхности двояковогнутых линз, сформированных в стеклянном капилляре. Форма поверхности линзы является сферической для линз, размещенных в капиллярах диаметром менее 800 мкм. Экспериментально исследована радиационная стойкость микролинз, изготовленных из эпоксидного :-слбя. Показано, что при радиационном воздействии пучка фотонов с энергией, равной 18 КэВ, на систему микролкнз, сформированных в

стеклянном микрокапилляре, в течение I ч при плотности потока фотонов, равной 1.7x10м фот/(с мм2), происходит разрыв С-Н, С-О связей полимерной молекулы материала линзы и образование свободных радикалов, что приводит к изменению оптических свойств материала линзы. [3,8,11 ]

3.Разработана модель рентгеновской микро капиллярной линзы. Показано, что фокусирующие свойства линзы можно исследовать на основе характеристик одной линзы, комплексный показатель преломления вещества п которой равен: п=1-5 N -ч Р N. где 5 и |3 — единичный декремент, характеризующий преломление и коэффициент, характеризующий поглощение рентгеновских лучей в материале линзы соответственно, N — число отдельных линз в рентгеновской линзе. На основе данной модели показано, что фокусировка рентгеновских лучей наиболее эффективна при использовании системы линз, изготовленных из материалов, характеризующихся максимальным отношением 5/(3 (материалы с низким атомным номером). В приближении геометрической оптики проведен расчет сферических аберраций микрокапиллярной линзы. Установлена аналитическая зависимость размера фокусного пятна линзы от радиуса линзы Я и радиуса диафрагмы Ь^: 0.5 Рм3 / И2 .[4,5,7,8,10]

4. Экспериментально установлено, что фокусное расстояние микрокапиллярной линзы, изготовленной из эпоксидного клея в капилляре радиусом 104 мкм и содержащей 71 линзу для фотонов с энергией 18 кэВ, равняется 0.9 м. Полученное значение удовлетворительно согласуется с рассчитанным фокусным расстоянием (0.98 м) в рамках приближения, в котором показатель преломления среды для рентгеновских лучей рассчитывается на основе модели газа свободных электронов, совершающих колебания с плазменной частотой. Экспериментально определены размеры фокусного пятна линзы (16x8 мкм2). Различие измеренных и рассчитанных значений фокусного пятна (16x0.7 мкм2) связано с наличием оптически наблюдаемых неоднородностей в материале линзы в результате неравномерного перемешивания эпоксидной смолы и материала отвердителя.[3,5,7,8,10,11]

5.Экспериментально получено увеличенное в 3 раза изображение тестового объекта. Тестовый объект представляет собой золотую сетку (толщина проволоки — 5.6 мкм, размер ячейки — 16.7 мкм). Методом численного моделирования построено изображение тестового объекта в рентгеновских лучах, формируемое микрокапиллярной линзой.

Показано, что наблюдаемое в эксперименте искажение изображения тестового объекта вдали от оптической оси определяется сферическими аберрациями линзы.[3,5,7,8,12]

б.Разработано устройство для формирования направленного пучка рентгеновского излучения, содержащее рентгеновскую трубку с тонкопленочной мишенью прострельного типа и направляющий рентгеновское излучение конусообразный стеклянный капиллярный элемент. Рентгеновское излучение распространяется по капилляру в режиме полного внешнего отражения от стенок капилляра. Экспериментально показана возможность уменьшения угловой расходимости пучка рентгеновского излучения, испускаемого микрофокусной рентгеновской трубкой с медным анодом до величины 2 мрад при применении конусообразного микрокапшшяра.[9,13]

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Дудчик Ю.И., Кольчевский H.H., Комаров Ф.Ф. Рентгенооптические параметры микрокапиллярной линзы //Письма в ЖТФ. - 1998. -Т.24, №4. - С. 19-23.

2. Dudc'nik Yu.L, Kolchevsky N.N. A microcapillary lens for x-rays // Nucl.instrum. Meth. A.- 1999.- Vol.421.- P.361-364.

3. X-ray focusing test and x-ray imaging test by a microcapillary x-ray lens at an undulator bcamline / Y.Kohmura, M.Awaji, Y.Suzuki, T.Ishikawa, Yu.LDudchik, N.N. Kolchevsky, F.F.Komarov // Rew.Sci.Instrum-1999-Vol. 70,№11.-P.4161-4167.

4. Дудчик Ю.И., Кольчевский H.H., Комаров Ф.Ф. Формирование микропучков жесткого рентгеновского излучения при помощи преломляющей линзы 1! Вестник БГУ. Сер. 1,- 2000,- № 2,- С. 43.-48.

5. Glass capillary x-ray lens: fabrication technique and ray tracing calculations / Yu.l Dudchik, N.N. Kolchevsky, F.F. Komarov, Y.Kohmura,M.Awaji, Y.Suzuki,T.Ishikawa//Nucl.instrum.Meth. A-2000.-Vol.454.- P.514-521.

6. Дудчик Ю.Й., Кольчевский H.H., Комаров Ф.Ф. Линза для рентгеновских лучей. // III Белорусский семинар по сканирующей зондовой микроскопии: Сб.докл.научн.конф.,Гродно, 8-9 окт. 1998г. -Гродно, 1998.-С.48-50.

7. Дудчик Ю.Й., Кольчевский H.H., Комаров Ф.Ф. Особенности применения линзы для фокусировки рентгеновских лучей // Взаимодействие излучений с твердым телом: Материалы III

международной научной конференции, Минск, б-8окт. 1999г. -Минск, 1999. - 4.2.-С.135-137.

8. Дудчик Ю.И., Кольневский Н.Н., Комаров Ф.Ф. Формирование остронаправленных пучков рентгеновского излучения с использованием стеклянных микрокапилляров// Взаимодействие излучений с твердым телом: Тез. докл. II международной научной конференции-Минск, 1997.-С.161.

9. Дудчик Ю.И., Кольчевский Н.Н., Комаров Ф.Ф. Фокусировка рентгеновского излучения с помощью микрокапиллярной преломляющей линзы.//Вторая национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследований материалов: Тез. докл. научн. конф., Москва, 23-25 мая 1999г.-М.,1999.-С.188.

10. Fabrication and hard x-ray focusing of x-ray refractive lens from liquid materials / Y.Kohmura, M.Awaji, Y.Suzuki, T.Ishikawa, Yu.I.Dudchik, N.N.Kolchevsky, F.F.Komarov.// VI th International conference on X-ray microscopy: Abstracts, California, 1-6 August, 1999 / University of California - California, 1999.-P.41.

11. Preliminary hard x-ray microscopy using x-ray refractive lens from liquid materials / Y.Kohmura, M.Awaji, Y.Suzuki, T.Ishikawa, Yu.I.Dudchik, N.N.Kolchevsky, F.F.Komarov // VI th International conference on X-ray microscopy: Abstracts, California, 1-6 August, 1999 / University of California.- California, 1999.-P.43.

12. Кольчевский H.H. Исследование рентгенооптических параметров микрокапиллярной линзы // Физика конденсированных сред: Тез. докл. VIII республиканской научной конференции студентов и аспирантов, Гродно, 3-5 мая. 2000г. - Гродно, 2000.-С. 174-175.

13. Пат. 970534 BY, МПК б- Н 01J 35/00. Устройство для формирования направленного пучка рентгеновского излучения / Дудчик Ю.И., Кольчевский Н.Н., Комаров Ф.Ф. — №3662; Заявл. 13.10.97, // Афщыйны бюлетзнь / Дзярж. пат. ведамства Рэсп. Беларусь. - 2000. - №4.

РЕЗЮМЕ

Кольчевский Николай Николаевич

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОПУЧКОВ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ПРЕЛОМЛЯЮЩЕЙ ЛИНЗОЙ

Рентгеновские линзы, стеклянные микрокапилляры.

Цель работы: разработать методику изготовления преломляющей рентгеновской линзы для фотонов с энергией 5-50 КэВ; на основе теоретического изучения процессов распространения рентгеновского излучения в веществе и преломления на границах раздела двух сред, имеющих сферическую форму, исследовать особенности формирования микропучков рентгеновского излучения указанной линзой; изучить возможности применения преломляющей оптики для получения изображения тестовых объектов в жестких рентгеновских лучах.

Показано, что предъявляемым требованиям к материалу рентгеновской линзы удовлетворяют органические полимеры. Разработана методика изготовления набора двояковогнутых линз в стеклянном капилляре, состоящая в нанесении тонкой полимерной пленки жидкости на внутреннюю поверхность капилляра, возмущение которой приводит к образованию набора линз. Показано, что толщина линз пропорциональна трем радиусам капилляра и не зависит от используемого материала линзы. Методом оптической микроскопии установлено, что форма отвердевших линз, изготовленных из эпоксидного клея, является сферической. Исследования радиационной стойкости микрокапиллярной линзы, изготовленной из эпоксидного клея, показали ее способность выдерживать поток рентгеновских фотонов энергией 18 КэВ в течении I ч при плотности потока 1.7х1014 фот/с/мм2.

В рамках теории аберрации Зейделя третьего порядка проведен расчет сферических аберраций рентгеновской линзы. В приближении геометрической оптики разработана методика расчета ретгенооптических параметров линзы.

С помощью линзы сфокусировано рентгеновское излучение с энергией фотонов 18 КэВ от синхротронного источника в пятно микронных размеров. Получены увеличенные изображения тестового объекта в жестких рентгеновских лучах.

Разработана система для получения интенсивных узконаправленных пучков рентгеновского излучения с уменьшенной угловой расходимостью на основе конусообразного капилляра.

РЭЗЮМЕ

Кальчзуск] Мнкалай М1калаев1ч

ФАРМ1РАВАКНЕ М1КРАПУЧКОУ ЖОРСТКАГА РЭНТГЕНАУСКАГА ВЫПРАМЕНЬВАННЯ ШМАТЭЛЕМЕНТНАЙ ПРАЛАМЛЯЛЬНАЙ ЛШЗАЙ

Рзнтгемаустя лтзы, шкшныя мЫракапишяры.

Мэта работы: распрацаваць методыку вырабу рэнтгенаускай лшзы для фатонау з энерпяй 5-50 КэВ; на аснове тэарэтычнага вывучэння працэсау распаусюджвання рэнтгенаускага выпраменьвання у рэчыве 1 праламлення на межах падзелу двух асяроддзяу, яия маюць сферычную форму, даследаваць асабл^васщ фармлравання мкрапучкоу рэнтгенаускага выпраменьвання указанай лшзай; вывучьщь магчымасш праламляльнай оптыю для стварэння вобразу тэставых аб'ектау у жорстюх рэнтгеиаусмх промнях.

Паказана, што пасгауленым патрабаванням да матэрыялу лшзы адпавядаюць аргашчныя пал1меры. Распрацавана методыка вырабу сукупнасщ дваякаувагнутых лшз у шкляным капшяры, якая заснавана на нанясенш тонкай пал5мернай плеук! вадкасш на унутраную паверхню капшяра, абурэнне якой пpывoдзíць да утварення сукупнасц! лшз. Паказана, што таушчыня лшз прапарцыянальна радыусу кашляра 1 не залежыць ад выкарыстоуваемага матэрыялу ш'нзы. Метадам аптычнай мкраскагт установлена, што форма зацвярдзелых лгаз, вырабленых з эпаксщнага клею, з'яуляецца сферычнай. Даследвант радыяцыйнай устойл1васщ мжракапшярнай лшзы, вырабленнай з элакаднага клею, паказат яе здольнасдь выгрымл1ваць паток рэнтгенаусюх фатонау з энерпяй 18 КзВ на працягу 1 гадзты пры шчыльнасш патоку 1.7x1014 фат/с/мм2.

У рамках тэорьн аберацы! Ззйдэля трэцяга парадку праведзены разлк сферычных аберацый рэнтгенаускай лшзы. У прыбл1жэнш геаметрычнай оптыю распрацавана методыка разлуку рэнтгенааптычных параметрау лшзы.

Пры дапамозе лiнзы сфакусавана рэнтгенаускае выпраменьванне з энерпяй фатонау 18 КэВ з сшхратрошай крынщы у пляму мкронных памерау. Атрыманы павял1чаныя адлюстравант тэставага аб'екта у жорстих рэнтгенаусюх промнях.

Распрацавана астэма для атрымання штэнауных вузканаюраваных пучкоу рэнтгенаускага выпраменьвання з паменшаным вуглавым расходжакнем на аснове конусападобнага хашляра.

SUMMARY

Kolchevsky Nickolai Nickolaevich

FORMATION OF MICROBEAMS OF HARD X-RAYS BY A COMPOUND REFRACTIVE LENS

X-ray lenses, glass capillary,

The thesis aim is: to develop a technique for manufacturing refracting x-ray lens for photons with energy of 5-50 KeV; on a basis of theoretical studies of processes of distribution of x-rays in medium and refraction at the boundary of two environments, having the spherical form, to investigate peculiarities of formation of microbeams of x-ray radiation by the specified lens; to study an application opportunity of refracting optics for forming images of test objects in hard x-rays.

Is shown, as a material of a x-ray lens organic polymers satisfy to the requirements. A technique for manufacturing a set of biconcave lenses in glass capillary is developed, it consists in coating internal surface of capillary by thin polymer film of a liquid, disturbance of which gives birth to a set of lenses. Is shown, that the thickness of lenses is proportional to capillary radius and does not depend on a used material of a lens. By a optical method is established, that the form of hardened epoxy lenses is spherical. The researches of radiating stability of a microcapillary lens made from epoxy glue, have shown their high tolerance to severe radiation damage of 1.7x1014 photons/s/mm2 of the 18 KeV X-rays for an exposure time 1 h.

On the base of the Zeidel theory of aberration of the third order a spherical aberrations of a x-ray lens is calculated. In approximation of geometrical optics a procedure of account of a lens parameters is developed.

With the help of a lens a synchrotron x-ray radiation with the energy equals 18 KeV is focused in a micrometer spot. The increased images of test object are received in hard x-rays.

System for reception intensive sharply directed beams of x-ray radiation with reduced divergence on a basis of tapered glass capillary is developed.