Рефракционные и дифракционные элементы для фокусировки синхротронного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ЗВЕДЕНИЕ

Глава

1.1 Фокусировка рентгеновских лучей и получение изображения

1.2 Развитие преломляющей рентгеновской оптики

1.2.1 Первая идея

1.2.2 Составная Преломляющая Линза

1.2.3 Современное состояние

Глава

Взаимодействие излучения с веществом

2.1 Модель вынужденных колебаний

2.2 Комплексный показатель преломления

2.3 Декремент коэффициента преломления 20 :2.4 Поглощение

2.5 Коэффициенты для соединений веществ

5.2 Теория фокусировки

5.3 Сагиттальное отклонение в случае основной асимметричной дифракции

5.4 Расчет

5.5 Конструкция и изготовление

5.6 Метрология поверхности

5.7 Подавление высших гармоник

5.8 Эксперимент

5.9 Результат

Глава 6

Сагиттальная фокусировка в случае Лауэ - дифракции

6.1 Теория

6.2 Расчет

6.3 Конструкция и изготовление

6.4 Эксперимент

6.5 Результат 83

7 Заключение 85

8 Приложение

Расчет спектральной интенсивности 90

9 Ссылки 92 Ф

•г*

Введение

Актуальность проблемы.

Рентгеновский анализ играет важную роль во многих областях науки и технологии. Рентгеновская дифракция, рефлектометрия и флуоресцентный анализ - мощные инструменты в полупроводниковой промышленности, исследовании материалов, геологии, биологии и медицине. С момента открытия рентгеновского излучения, разрабатываются различные методы его фокусировки для применения в методах рентгеновского анализа с высоким пространственным разрешением. Это становится все более и более важным в областях, связанных с миниатюризацией различных объектов. В наше время, для этого требуется применение методов, обеспечивающих пространственное разрешение на микронном и суб-микронном уровне.

Так как, рентгеновское излучение, как и видимый свет - является частью электромагнитного спектра, то представляет интерес применить его для получения высококачественных изображений, что объясняется короткой длиной волны и следовательно - высоким пространственным разрешением. В противовес электронной микроскопии - рентгеновская микроскопия может исследовать образцы в их естественном состоянии (жидкость, газ). Кроме того, это дает возможность наблюдения не только поверхности, но и внутренней структуры. В области мягкого рентгена, в рентгеновской микроскопии используют Френелевские зонные пластины - которые хорошо работают в этом диапазоне.

Целью диссертационной работы являлись разработка и применение устройств фокусировки синхротронного излучения, испускаемого источниками СИ второго поколения обладающих высокой расходимостью пучков.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие конкретные задачи.

1. Определить эффективные методы фокусировки излучения коротковолнового и длинноволнового диапазона.

2. Провести теоретическое изучение свойств преломляющей линзы с использованием законов геометрической оптики и дифракционной теории. Оценить соответствие результатов полученных при рассмотрении разных теорий.

3. Исходя из рассмотрения влияния различных факторов на свойства преломляющей рентгеновской линзы, определить подходы для достижения максимального размера апертуры линзы.

4. Изготовить составную преломляющую линзу, обладающую широкой апертурой

5. Провести испытания составной преломляющей линзы с использованием синхротронного излучения испускаемого источником второго поколения. Провести оценку соответствия результатов эксперимента и теории.

6. С использованием динамической теории дифракции изучить возможности дифракционной оптики для фокусировки длинноволнового рентгеновского излучения.

7. Изготовить фокусирующие элементы принцип действия, которых основан на эффекте дифракции.

8. Провести эксперимент по фокусировке синхротронного излучения. Изучить влияние состояния поверхности кристалла взаимодействующей с излучением на эффективность фокусировки.

Научная новизна работы

1. Опробован и получил подтверждение метод получения 2D составных преломляющих линз обладающих широкой апертурой. Такая возможность предоставляется либо при использовании материала с низким Z или большим радиусом кривизны поверхности линзы. В данной работе использованы обе возможности.

2. Проведен теоретический анализ свойств составной линзы с применением разработанной программы основанной на алгоритме Ray Tracing, (метод геометрической оптики), а так же проведен анализ свойств линзы с использованием дифракционной теории. Для решения задачи в рамках этой теории используется метод пропагаторов, позволяющий рассчитать полный профиль распределения интенсивности излучения и фазы волны на любом расстоянии от фокусирующей системы.

3. Разработан алгоритм коррекции изображений, получаемых линзами со сферическим и параболическим профилем поверхности. Подходы геометрической оптики, использованные в этом алгоритме, позволяют рассчитать траектории различных лучей с возможностью их отклонения на многочисленных границах объекта, а также рассчитать поглощение излучения вдоль найденной траектории и спрогнозировать возможные искажения, вносимые в изображения, получаемые с использованием рефракционных линз.

4. Для минимизации потерь при фокусировке длинноволнового рентгеновского излучения, предложены и испытаны фокусирующие кристаллы-монохроматоры: принцип действия которых основан на дифракции, в отличие от линз, использующих эффект рефракции и эффективность которых уменьшается при работе с длинноволновой частью, ввиду его высокого поглощения при прохождении в материале.

Практическая и научная ценность работы

1. Предложенная широкоапертурная линза используется в качестве эффективного фокусирующего элемента для формирования микропучков, при работе с источниками СИ второго поколения, обладающих высокой расходимостью пучка. С использованием данной линзы для построения изображения источника излучения проведена настройка магнитной системы накопителя с целью получения минимального поперечного размера источника излучения.

2. Разработанный программный комплекс может быть использован для теоретического исследования мульти-линзовых систем, заключающегося в анализе распределения пучков в линзах с различным профилем фокусирующей поверхности и наблюдении структуры формируемых изображений. Кроме того, данная программа позволяет изучать влияние различных факторов (профиля линзы, неравномерности поглощения излучения в материале линзы, шероховатости поверхности), приводящих к искажению изображений.

3. На примере фокусирующих кристаллов показана возможность создания интегрированного устройства, выполняющего несколько функций. Подобное объединение позволяет уменьшить число оптических компонентов взаимодействующих с пучком, что упрощает настройку оборудования и как следствие - повышает эффективность использования излучения.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Предложенный метод решения задачи получения широкоапертурных линз, позволяет достигать размера апертуры линзы, сопоставимой с размером источника СИ.

2. Разработанный метод коррекции, основанный на алгоритме Ray Tracing, учитывающий неравномерное поглощение излучения в материале - улучшает качество восстановленных изображений.

3. Предложенные фокусирующие кристаллы-монохроматоры, уменьшают число оптических элементов и повышают эффективность фокусировки в области мягкого рентгеновского излучения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов. Материал изложен на 98 страницах, включает 64 рисунка, 4 таблицы и библиографический список из 49 наименований.

Выводы к диссертации

1. По результатам анализа способов фокусировки рентгеновского излучения определены предпочтительные способы для коротковолнового и длинноволнового диапазонов. В коротковолновой области, для получения малых фокусных расстояний, предпочтение отдается рефракционным линзам. Различные типы линз и материалов, применяемых для их изготовления, простота в эксплуатации, позволяют удовлетворить большинство потребностей в аппаратном обеспечении большинства экспериментов. Иной подход применяется при фокусировке длинноволнового рентгеновского излучения. В этом случае предпочтение отдается оптике, принцип работы которой основан на эффекте дифракции.

2. Для получения составных широкоапертурных преломляющих линз, предложен технологичный и нетоксичный в отличие от бериллия материал с малым атомным номером. На стадии изготовления линзы проведено исследование причин, способных вызвать искажение фокусирующей поверхности при применении пластичных материалов.

3. Для анализа свойств линз с применением методов геометрической оптики разработана программа, моделирующая изменение траектории луча при прохождении границы раздела двух сред. Модифицированная версия данной программы используется для исследования свойств сложных многолннзовых систем, т.н. рентгеновских объективов.

4. По аналогии с оптикой видимого света, рассмотрены различные виды аберраций и причины их возникновения, при работе с рентгеновским излучением. Идеальным, свободным от аберраций является параболический профиль. Несмотря на это, линзы, с отличным от параболического профиля поверхности могут использоваться для получения высококачественных изображений. Для этого падающий на линзу пучок необходимо коллнмнровать до поперечного размера много меньше радиуса кривизны линзы.

5. Получено изображение источника СИ представляющего в поперечном сечении эллипс. Форма изображения согласовывается с формой, предсказываемой теорией синхротронного излучения, из чего следует вывод о работоспособности линзы. Дальнейшее применение подобной линзы возможно в качестве инструмента для диагностики и настройки источника СИ, и для построения рентгеновского микроскопа обладающего высоким пространственным разрешением.

6. Выявлено, что все линзы из материалов с высоким атомным номером, независимо от их профиля, вносят искажение в пропорции получаемого изображения. Это вызвано тем, что по мере увеличения расстояния от оптической оси, интенсивность лучей проходящих через материал уменьшается. Разработан метод восстановления реального изображения

7. Основываясь на принципах динамической теории дифракции, предложены и апробированы фокусирующие кристаллы - монохроматоры для длинноволнового и коротковолнового диапазонов рентгеновского излучения. Эксперимент подтвердил выводы теории: наблюдается фокусировка излучения, сопровождаемая увеличением интенсивности потока излучения в фокальной плоскости.

7 Заключение

Предложен метод получения 20 составных преломляющих линз обладающих широкой апертурой. Такая возможность предоставляется при использовании материала с низким Ъ или большим радиусом кривизны поверхности линзы. В данной работе использованы обе возможности. В качестве материала линзы был выбран стеарин: в состав, которого входят элементы с малым Ъ, а так же ввиду простоты его обработки. Применение широкоапертурных линз для фокусировки пучка, обладающего высокой расходимостью (синхротронные источники второго поколения, самые многочисленные), или при большом расстоянии от источника излучения до места, где возможно поместить экспериментальное оборудование: позволяет более эффективно использовать излучение. Фокусировка может с успехом заменить процесс обычного коллимирования, интенсивность излучения в пятне при этом будет выше. Поскольку 20 линза является изображающей, представляется интерес в создании на её основе рентгеновского микроскопа, что обеспечит более высокое пространственное разрешение по сравнению со световой микроскопией. Устройство и принцип работы, которого показан на Рис. 7.1.

Монохроматизированное излучение ч. I Образец

Рис. 7.1 Устройство и принцип работы рентгеновского микроскопа.

В оптике видимого света получить фокусное расстояние порядка 1 мм. не вызывает особых затруднений, поэтому габаритные размеры таких микроскопов не велики. В рентгеновской же оптике фокусные расстояния составляют порядка 1 м. И при получении разумного увеличения в 10-20 крат изображение будет строиться на расстоянии ¿2 =10 - 20м. Если же образец вращать вдоль оси, перпендикулярной падающему пучку, предоставляется возможность получить трехмерное изображение внутренней структуры исследуемого образца, т.н. микротомография.

С помощью созданной линзы впервые было получено изображение одного из источников синхротронного излучения накопительно-ускорительного комплекса Сибирь-2. Полученные данные явились существенной информацией для оптимизации работы источника. Другим направлением данной работы, являлась разработка фокусирующей оптики для длинноволнового участка рентгеновского излучения. Здесь основная проблема заключается в высоком поглощении излучения в материале. Очевидно, что наряду с эффективной фокусировкой необходимо принять меры направленные на минимизацию потерь, вызванных поглощением. В этом случае, для фокусировки представляется целесообразным применить эффект дифракции вместо рефракции. Используя это явление, был предложен фокусирующий кристалл - основанный на эффекте дифракции по Брэггу. Другим элементом, более пригодным для коротковолнового диапазона является монокристалл использующий эффект Лауэ дифракции. Кроме того, использование монокристалла позволяет объединить несколько рентгенооптических элементов в одно устройство, что так же способствует повышению эффективности использования излучения. Подобная интеграция выражается в том, что фокусирующий элемент на основе монокристалла кремния выполняет так же функцию монохроматора -уменьшая тем самым общее число элементов взаимодействующих с излучением. Однако, при изготовлении подобной оптики необходимо учитывать один важный момент, от которого напрямую зависит эффективность фокусировки - это состояние поверхности после обработки, которая должна иметь вид зеркала, т.е. отсутствовать следы механической обработки, что достигается полировкой.

Применительно к дифракционной оптике, значительный интерес представляется в возможности изменения фокусного расстояния, независимо от длины волны излучения, и как следствие, если это необходимо - поддерживать постоянное фокусное расстояние. Для преломляющей оптики это не вызывает затруднений: можно менять число элементарных линз в держателе. Это самый простой и быстрый способ, позволяющий производить соответствующие манипуляции непосредственно при прохождении пучка и наблюдать результат. В дифракционной оптике это возможно только изменением радиусом кривизны поверхности. В простейшем случае для этого необходимо иметь несколько кристаллов с разным профилем и менять их по мере необходимости, или во втором варианте: изгибать топкий кристалл. В первом случае процесс смены кристаллов довольно трудоемкий и длительный, кроме того, они могут быть механически повреждены. Второй вариант, как говорилось выше, требует прецизионных механизмов. Но есть другой способ: (Рис. 7.2) заключающийся в придании фокусирующей поверхности конического профиля.

В этом случае одновременно с поворотом на требуемый угол Брэгга, кристалл можно перемещать вдоль продольной оси, так, что пучок будет падать на участки с разной кривизной поверхности. Таким образом, появляется возможность поддержки или произвольного изменения фокусного расстояния независимо от длины волны излучения.

1. F. Langevelde, D. Bowen, G. Tros, R. Vis, A. Huizing and D. D. Boer. Ellipsoid X-ray focusing for synchrotron radiation microprobe analysis at the SRS, Daresbury, UK, Nuclear 1.struments and Methods in Physics Research, A 292, 1990, pp. 719-727.

2. Y. Suzuki and F. Uchida. Hard X-ray microprobe with total-reflection mirrors. Rev. Sci. lustrum., 63(1), 1992, pp. 578-581.

3. J. Underwood and T. Barbee. Layered synthetic microstructures as Bragg diffractors for X-rays and extreme ultraviolet theory and predicted performance. Applied Optics, 20( 17), 1981, pp. 3027-3034.

4. P. Kirkpatrick and A. Baez. Formation of optical images by X-rays. J. Opt. Soc. Am., 38(9), 1948, pp. 766-774.

5. J. Underwood, A Thomson, Y. Wu and R. Giauque. X-ray microprobe using multilayer mirrors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 266, 1988, pp. 296-302.

6. J. Underwood. High-energy X-ray microscopy with multilayer reflectors. Rev. Sci. lustrum., 57(8), 1986, pp. 2119-2123.

7. D. Bilderback, B. Larson, T. Barbee. G. Ice and C. Sparks. Design of doubly focusing, tunable (5 30 keV), wide bandpass optics made from layered synthetic microstructures. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 208, 1983, pp. 201-203.

8. A. Thompson, Y. Wu, J. Underwood and T. Barbee. Focusing of synchrotron radiation X-ray beams, usinf synthetic multilayer mirrors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A255, 1987, pp. 603-605.

9. J. Kirz. Phase zone plates for X-rays and the extreme uv. J. Opt. Soc. Am., 64(3), 1973, pp. 301-309.

10. W. Yun, P. Viccaro, B. Lai and J. Chrzas. Coherent hard X-ray focusing optics and applications. Rev. Sci. lustrum., 63(1), 1992, pp. 582-585.

11. E. Tarazona, P. Elleaume, Y. Hartman, A. Snigirev and I. Snigireva. 2D imagind of an undulator source by two phase circular Bragg-Fresnell lens. Rev. Sci. lustrum., 65(6), 1994, pp. 1959-1963.

12. A. Snigirev. The recent development of Bragg-Fresnel crystal optics. Experiments and applications at the ESRF. Rev. Sci. Instrum., 66(2), 1995, pp. 2053-2058.

13. D. Bilderback, S. Hoffman, and D. Thiel. Nanometer spatial resolution achieved in hard X-ray imaging and Laue diffraction experiments. Science, 263, 1994, pp. 201-203.

14. S. Hoffman, D. Thiel and D. Bilderback. Developments in tapered monocapillary and polycapillary glass X-ray concentrators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A347, 1994, pp. 384-389.

15. P. Kirkpatrick. X-ray images by refractive focusing. J.Opt. Soc. Am., 39:9:796, 1949.

16. S. Suehiro, H. Miyaji and H. Hayashi. Refractive lens for X-ray focus. Nature, 352:385386, 1991.

17. A. G. Michette. No X-ray lens. Nature, 353:510, 1991.

18. A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigereva and B. Lengeler. A compound refractive lens for focusing high energy X-rays. Nature, 384:49-51, 1996.

19. ESRF Highlights 97-98 Techniques and Instrumentation

20. B. Lengeler. Linsensyteme für Röntgenstrahlen. Spectrum der Wissenschaft. Pp. 25-30,1997.

21. A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, A. Souvorov and B. Lengeler. Focusing of hight-energy X-rays by compound refractive lenses. Applied Optics, 37(4), 1998, pp. 653 662.

22. P. Ellealume. Two-plane focusing of 30 keV undulator radiation. J. Synchrotron. Rad., 5,1998, pp 1-5.

23. A. Baron, Y. Kohmura, V. Krishnamurthy, Y. Shvyd'ko and T. Ishikava. Beryllium and Aluminium refractive collimators for Synchrotron radiation. J. Synchrotron. Rad., 6, 1999, pp 953-956.

24. Yu. I. Dudchik, N. N. Kolchevsky. Fabricationtechnique and ray tracing calculations for microcapillary X-ray lens. Proceedings ofSPIE, Vol. 4145 (2001) pp 235-242.

25. Y. Kohmura, M. Avaji, Y. Suzuki, T. Ishikawa, Yu. I. Dudchik, N. N. Kolchevsky. Evaluation of X-ray refractive lens made of liquid material. Instrumentation and Technicues. (2002) pp 49 50.

26. E. M. Dufresne et all. Lithium metal for x-ray refractive optics. Applied Physics Letters. Vol.79, number 25, 2001.

27. B. Nohammer et all. Diamond planar refractive lens. Paul Scherrer inst. PSI. Scientific report. Vol 1, 2002.

28. R. W. James. The optical principles of the diffraction of X-rays. Cornell university press. 1967.

29. J. W. Robinson. Handbook of spectroscopy. Vol. I. CRC Press, Inc., Boca Raton. Florida. 33431, US, 1980.

30. W. J. Veigele. Mass attenuation and absorption cross section for 94 elements; 0.1 keV to 1 Mev, chap. 3, pp. 28 154. Vol. 1 of Robinson, 1980.

31. B. Lengeler, J. Tiimmler, A. Snigirev, I. Snigireva, C. Raven. Transmission and gain of singly and doubly focusing refractive X-ray lenses. Journal of Applied Physics, Vol. 84, Numb. 11,5855 -5861, 1998.

32. Zichun Le and Jingqiu Liang. A formulation for the performance of compound X-ray refractive lenses. Journal of Optics, Vol A, 374-379, 2003.

33. P. Ellealume. Optimization of compound refractive lenses for X-rays. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Vol. A-412, 483 506. 1998.

34. R. H. Pantell, J. Feinstein, H. R. Beguiristain, M. A. Piestrup, C. K. Gary and J. T. Cremer. The effect of unit lens alignment and surface roughness on X-ray compound lens performance. Review of scientific instruments. Vol. 72, number 1, 48-52. 2001.

35. А. Н. Артемьев, Ю. В. Крылов, К. Г. Потловский, В. А. Резвов, JI. И. Юдин, Ю. JI. Юпинов. Контроль смещения орбиты электронов и пучков излучения. Атомная энергш, Т.93, Вып. 6. 448-451.2002.

36. В. Batterman, Н. Cole. Dynamical diffraction of X Rays by perfect crystals. Reviews of modem physics, Vol. 36, Numb. 3, 681 - 717, 1964.

37. Jaromir Hrdy. Refraction in general asymmetric X-ray Bragg diffraction. J. Synchrotron Rad., 8, 1200-1202, 2001.

38. Jaromira Hrda, Kirill Potlovskiy, Jaromir Hrdy, Venceslava Slehtova. Influence of the crystal-surface unevenness on the angular spread of X-ray diffracted beam. Institute of Physics Publishing, Journal of Physics D: Applied Physics. Vol. 38 2005.

39. J. Hrdy, J. Hoszovska, C. Mocuta, N. Artemiev and A. Freund. Diffractive refractive optics: the possibility of sagittal focusing in Laue-case diffraction. J. Synchrotron Rad., 10, 233-235,2003.

40. Z. Zhong, С. Kao, C. Siddons, J. Hastings. J.Appl. Cryst. 34, 504-509. 2001a.

41. Z. Zhong, C. Kao, C. Siddons, J. Hastings. J.Appl. Cryst. 34, 504-509. 2001b.

42. A. Thompson et al. X-ray Data Booklet. Lawrence Berkeley National Laboratory University of California, 2001.

43. Материалы диссертации отражены в следующих публикациях:

44. К. Г. Потловский, А. Н. Артемьев, Н. А. Артемьев, В. В. Квардаков, В. Г. Кон,

45. С. С. Передков. Разработка и исследование рентгеновской преломляющей линзы на Курчатовском источнике СИ. Известия академии наук. Серия физическая, 2004, том 68, №4,477-481.

46. J. Hrda, К. Potlovskiy, J. Hrdy, and V. Slechtova. Influence of the crystal surface unevenness on the angular spread of x-ray diffracted beam. Book of abstracts. 7th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging. XTOP 2004.

47. К. Г. Потловский, А. Н. Артемьев, Н. А. Артемьев, В. В. Квардаков, В. Г. Кон, С. С. Передков. Разработка, создание и испытание рентгеновской линзы. Изд-во. Российский научный центр "Курчатовский институт" Москва 2002.

48. К.Г. Потловский, И.С. Смирнов. Алгоритм Ray-Tracing в расчетах рентгенооптических схем на основе составных преломляющих линз. Научно техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. Москва 2004 г., 430-431.

49. Jaromira Hrdä, Kirill Potlovskiy, Jaromir Hrdy, Vönceslava Slehtovä. Influence of the crystal-surface unevenness on the angular spread of X-ray diffracted beam. Institute of Physics Publishing, Journal of Physics D: Applied Physics. Vol. 38 2005.