Рентгенооптические свойства поликапиллярных линз и их применение в дифрактометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



На правах рукописи

КУЛ1АХОВ ДЛИМ АДИЛЕВНЧ

РЕНТГЕНООПГИЧЕСКИЕСВОЙСТВА ПОЛИ КАПИЛЛЯРНЫХ ЛИНЗ II ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ДИФРАКТОМЕТРИИ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г о ш 2013

НАЛЬЧИК-2013

005062197

Работа выполнена на кафедре физических основ микро- и наноэлек-троники ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» и в Институте Рентгеновской Оптики, г. Москва

Научный руководитель: Тешев Руслан Шахбанович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Хоконов Мурат Хазреталиевпч,

доктор физико-математических наук, профессор, Кабардино-Балкарский государственный университет, заведующий кафедрой теоретической физики

Мустафаев Гусейн Абакарович,

доктор технических наук, профессор, Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)

Ведущая организация: Воронежский государственный

университет

Защита состоится « —? » июля 2013 года в час. на заседании

диссертационного совета Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КБГУ по адресу: г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, корпус 1.

Автореферат разослан « 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, ^—-ч/

доктор физико-математических наук, профессор С_A.A. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Поликапиллярная оптика — современный мощный инструмент управления рентгеновским излучением, находит всё большее применение в широком спектре направлений науки и техники. Это обусловлено, прежде всего, работой систем поликапиллярной оптики в широком диапазоне энергетического и углового спектра, малыми размерами оптических систем и возможностью применения лабораторных, и даже маломощных источников рентгеновского излучения. Применение рентгеновских поликапиллярных линз дает возможность переводить расходящийся пучок от рентгеновского источника в параллельный пучок или же сфокусировать его, позволяет создавать приборы нового поколения — рентгеновские спектрометры, рефлектометры. Особенностью этих приборов является их компактность, чрезвычайно малая доза излучения, которая практически совпадает с естественным фоном;

Таким образом, исследование и обоснование целесообразности применения рентгеновских поликапиллярных линз и полулинз является актуальной задачей и имеет значительный теоретический и практический интерес для широкого круга приложений, в том числе для современных нанотехнологий, микросхемотехники и медицинских исследований. Проведённые в работе исследования актуальны в связи с необходимостью создания современных приборов таких, как дифрактометры и спектрометры, с целью совершенствования и полноценного их применения.

Степень ее разработанности

Несмотря на преимущества, даваемые поликапиллярной оптикой, на сегодняшний день практически отсутствуют работы по исследованию фокусирующих и изображающих рентгенооптических свойств поликапиллярной оптики последнего поколения. Большая часть современных работ в области управления и фокусировки рентгеновского излучения выполнена с использованием элементов оптики скользящего падения, фазовых пластинок и других типов рентгеновской оптики, преимущественно на основе синхротронных источников, работа на которых крайне дорога и малодоступна.

Цель данной работы заключалась в исследовании рентгенооптических свойств поликапиллярных линз и полулинз, установление особенностей и возможностей их использования в дифрактометрии для исследования свойств твёрдых тел и соединений.

Для достижения поставленной цели была разработана и создана установка для экспериментального исследования рентгенооптических параметров поликапиллярных линз, полулинз и рентгеновских трубок, на которой, по разработанной методике, необходимо было решить следующие задачи:

— исследование основных параметров поликапиллярных систем: фокусные расстояния, плотность потока рентгеновских квантов в фокусном пятне, трансмиссия, размер фокусного пятна;

- исследование возможности фокусировки поликапиллярной оптикой излучения, генерируемого мощными импульсными источниками;

- исследование протяжённости фокусного пятна поликапиллярной линзы и выявление возможности использования данной особенности в рентгенооптиче-ской схеме Дебая-Шеррера и в экспериментах по микродифракции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана и создана многофункциональная экспериментальная установка для исследования основных параметров поликапиллярных рентгено-оптических систем.

2. Разработана методика и проведено комплексное исследование рентгеновских поликапиллярных линз и полулинз.

3. Разработана новая методика исследования анодных пятен рентгеновских трубок с получением ЗО изображения.

4. Впервые осуществлена фокусировка рентгеновского излучения импульсных рентгеновских источников поликапиллярной оптикой.

5. Впервые проведено исследование протяжённости фокусного пятна рентгеновской поликапиллярной линзы и обнаружена возможность получения основных схем дифрактометрии, используя поликапиллярную линзу.

Практическая значимость работы

1. Создана автоматизированная многофункциональная установка -стенд для экспериментального исследования рентгенооптических параметров микрокапиллярных структур.

2. Отработаны методики исследования поликапиллярных линз и полулинз, позволяющие получать всю необходимую информацию для дальнейшего их использования в аналитических приборах.

3. Показана возможность использования поликапиллярной оптики для фокусировки рентгеновского излучения импульсных рентгеновских источников, что позволит расширить использование данных источников в различных областях науки техники.

4. Разработана методика исследования анодных пятен рентгеновских трубок имеющая ряд преимуществ, в сравнении с широко известными методами: простота, достаточно высокая точность, широкий диапазон размеров исследуемых анодов, сокращение времени исследования и получение объемного изображения.

5. Проведено исследование протяжённости фокусного пятна поликапиллярной линзы, позволяющее на одном приборе осуществить все основные схемы дифрактометрии и микродифракцию, используя одну лишь поликапиллярную линзу.

Разработанная установка внедрена в Институте Рентгеновской Оптики (г. Москва) и используется для комплексного исследования рентгенооптических поликапиллярных систем. Результаты НИР могут использоваться для исследования источников рентгеновского излучения, для создания много-

функционального рентгено-дифракционного комплекса и оптимизации работы импульсных источников рентгеновского излучения.

Методология и методы исследования

Методология диссертационной работы связана с поиском возможных применений поликапиллярных линз в дифрактометрии для исследования свойств твёрдых тел и соединений.

В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования рентгенооптических характеристик (методы «максимального счета» и «минимального пятна») поликапиллярной оптики, а также метод «острой кромки» для измерения диаметра фокусных пятен поликапиллярных линз, полулинз и рентгеновских трубок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизированная многофункциональная экспериментальная установка для исследования основных параметров рентгенооптических систем.

2. Результаты комплексного исследования параметров рентгеновских поликапиллярных систем: переднее и заднее фокусные расстояния, трансмиссия, коэффициент усиления.

3. Результаты исследования по фокусировке рентгеновского излучения импульсных рентгеновских источников поликапиллярной оптикой.

4. Разработанная методика исследования анодных пятен рентгеновских трубок.

5. Результаты исследования протяжённости фокусного пятна поликапиллярной линзы и выявление возможности использования данной особенности в экспериментах по микродифракции и по схеме параллельного пучка.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности

Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследований по специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния», включающей теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений на природу изменений физических свойств конденсированных веществ. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 4 и 6 Паспорта специальности 01.04.07. - «Физика конденсированного состояния».

Степень достоверности и апробация результатов. При выполнении экспериментов использовалась серийно выпускаемая и уникальная измерительная аппаратура, погрешность которой обеспечивала достоверность полученных результатов. Результаты, полученные в данной работе, определяются применением современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также имеющимися литературными данными.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, семинарах и совещаниях: Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике». Нальчик, 2009-2012 гг.; VII Международ-

ная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Алматы, 2011 г.; Семинар «Современные технологии в современном машиностроении». Москва: 2011 г., 2012 г.; Международная научная конференция «Неделя горняка». Москва: 2011 г., 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития». Одесса, 2012 г.

Личный вклад автора. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающей полученные лично им результаты, а также в соавторстве с сотрудниками Института Рентгеновской Оптики и Кабардино-Балкарского государственного университета.

Публикации

По теме исследований опубликованы 11 печатных работ, в том числе 4 научные статьи в центральных физических журналах, входящих в список ВАК РФ, и 1 статья в зарубежным издании.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка литературы, включающего 99 наименований. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, кратко излагаются основные задачи и формулируются цели диссертационной работы, определены методы исследования, выделены научная новизна и практическая значимость, основные защищаемые положения, приведены сведения об апробации работы и другие общие характеристики работы.

В первой главе диссертации описываются существующие на сегодняшний день способы управления пучками рентгеновского излучения, такие, как рентгеновские зеркала, зеркала Киркпатрика - Бозе, щели Соллера и др. Все эти способы основаны на однократном отражении рентгеновского излучения от поверхности [1]. Низкая эффективность классических элементов рентгеновской оптики, основанных на однократном отражении рентгеновского излучения от поверхности, обусловлена малыми углами захвата. Принципиально новые возможности открываются в связи с разработкой предложенных М. А. Кумаховым элементов рентгеновской оптики, основанных на многократных отражениях рентгеновского излучения от специальным образом изогнутых поверхностей. Создаваемые на этой основе различные рентгенооптические системы позволяют управлять рентгеновскими пучками в широком спектре частот и углов [2].

Поликапиллярная рентгеновская оптика - оптика многократного отражения, выгодно отличается от существующих рентгенооптических систем однократного отражения по своим параметрам, таким, как угол захвата (апер-

тура), эффективность поворота на большие углы, увеличение концентрации рентгеновского излучения в фокальном пятне. Управление рентгеновским излучением можно осуществлять и монокапиллярной системой - системой состоящей из пучка одинаковых монокапилляров, плотно упакованных в поперечной плоскости таким образом, чтобы упаковка была строго упорядочена. Однако поликапиллярная система (рисунок 1) намного эффективнее монокапиллярной, это обусловлено тем, что при малом критическом угле апертурный угол будет мал:

АФт « вс « 1, (1)

следовательно, передаваемая мощность также будет мала:

где Тт - коэффициент пропускания, зависящий от геометрических параметров монокапилляра и от качества внутренней отражающей поверхности канала.

Рисунок 1 - Структура поликапилляра

В поликапиллярной системе апертурный угол значительно превосходит критический угол:

срР»вс, (3)

и соответственно мощность системы:

»>(Д <РР?ТР> (4>

где Т — коэффициент пропускания поликапиллярной системы.

На сегодняшний день существует пять поколений рентгеновских поликапиллярных линз. Первые рентгеновские линзы, собранные в Инстшуте Рентгеновской Оптики, имели довольно большие геометрические размеры [3]. Они собирались вручную из отдельных монокапилляров. Современные микролинзы и полулинзы имеют геометрические размеры в десятки миллиметров, фокусные расстояния от долей миллиметра и размеры фокусных пятен в единицы микрон, а размеры единичных капилляров достигли нанометрового размера

К основным возможностям поликапиллярной оптики можно отнести следующее: создание квазипараллельного пучка рентгеновских лучей, с помощью поликапиллярной полулинзы, создание сходящегося и расходящегося рентгеновского излучения, с помощью поликапиллярной линзы, монохрома-тизация рентгеновского излучения, фильтрация дифракционных отражений с помощью поликапиллярных растров и др.

За последние годы на основе поликапиллярной оптики было разработано новое поколение аналитических приборов и установок: спектрометры, малогабаритные дифрактометры, микронасосы, сенсоры. Для успешной реализации этих возможностей необходимо совершенствовать технологию изготовления современных линз и полулинз, всесторонне исследовать их свойства и характеристики, а также проводить исследования с целью поиска новых возможных применений.

Во второй главе описывается разработанная и созданная нами автоматизированная многофункциональная экспериментальная установка для измерения основных параметров поликапиллярных рентгенооптических систем.

Блок-схема экспериментальной установки, представленная на рисунке 2, включает в себя: держатель с линзой (1); источник рентгеновского излучения, в качестве которого используется рентгеновская трубка БС-11 (2); блок детектирования (3), включающий в себя сцинтилляционный детектор в качестве основного элемента, полупроводниковый детектор, регистрирующий энергетический спектр рентгеновского излучения, выходящего из линзы или рентгеновской трубки и систему визуализации для наглядной фокусировки рентгеновского излучения; контроллер, управляющий работой шаговых двигателей (4); амплитудно-цифровой преобразователь (5); персональный компьютер (6).

Установка создана с применением высокоточного механического и электронного оборудования фирмы 51апс1а. Электронное оснащение и программное обеспечение, позволяющие автоматически управлять процессами измерения и обрабатывать экспериментальные данные, созданы нами.

X

Рисунок 2 - Блок-схема установки

Экспериментальная установка совмещает функции измерительной установки контроля качества поликапиллярных линз и полулинз и установки физических исследований микрофокусной поликапиллярной оптики. При создании экспериментальной установки приоритет отдавался многофункциональности перед простотой эксплуатации.

Ввиду низких значений критического угла, важной проблемой при использовании поликапиллярных структур в составе оптических систем является юстировка. Под юстировкой линзы понимается взаимное совмещение оптических осей, входящих в оптическую систему устройств: излучатель, линза, детектор. Данная процедура осуществляется посредством позиционирования в точку, соответствующую максимальной скорости счёта на детекторе при постоянном потоке рентгеновского излучения от источника. Особенностью данного стенда является использование двух видов юстировки: механической и элекгронно-лучевой.

Механическая юстировка осуществляется посредством перемещений на основе механических подвижек — традиционно используемая методика, заимствованная из оптических исследований. Она реализована на основе автоматизированного сканирования пространственных областей переднего и заднего фокусов линзы. Использование линейных подвижек и точечного изотропного источника, каковым в данной геометрии можно считать фокусное пятно рентгеновской трубки, в большинстве случаев снимает необходимость в точной угловой настройке линзы.

Элекгронно-лучевая юстировка связана с перемещением электронного пучка в пределах анода рентгеновской трубки и имеет несомненное преимущество, т.к. возможная скорость перемещений электронного пучка значительно выше, нежели скорость соответствующих механических перемещений.

На персональный компьютер автоматизированной системы устанавливается интерфейсная программа, предоставляющая пользователю возможность задавать параметры эксперимента. Персональный компьютер по иБВ-интерфейсу соединяется с электронными блоками управления, которые, отрабатывая команды интерфейсной программы, подают питающее напряжение на управляющие устройства, и датчики (двигатели перемещения, блок питания рентгеновского источника, блок детектирования и др.). Сигналы с датчиков также обрабатываются электронным блоком управления и передаются в персональный компьютер, где запоминаются и обрабатываются в соответствии с задачами эксперимента.

В третьей главе описывается методика измерений и приводятся экспериментальные результаты исследования основных параметров поликапиллярных рентгенооптических систем на медном (8 кэВ, таблица 1) и молибденовом (17 кэВ, таблица 2) источниках рентгеновского излучения: переднее и заднее фокусные расстояния (погрешность измерений ± 0.1 мм), диаметры фокусных пятен (погрешность измерения ± 0.5 мкм), интенсивность излучения в фокусном пятне, а также трансмиссия Тг и коэффициент усиления К, рассчитываемые по следующим формулам:

= Щ4' <5>

к_в\Л+/г+ЦгТг (6)

где Ых - счёт детектора с линзой, Ы2 - счёт детектора без линзы, - расстояние от источника до линзы (фокусное расстояние), К - расстояние от источника до детектора, в отсутствие линзы (счёт тот же, что и с линзой), - входной диаметр линзы, йа - диаметр диафрагмы, й - диаметр фокусного пятна, в = £>, / ^ - угол захвата, Ь - длина линзы, /,, /2 - фокусные расстояния, — входной диаметр линзы.

Таблица 1 - Параметры поликапиллярных линз (8 кэВ)

Линза Р1. мм мм в. рад А, имп/с Тг, % с!„ мкм АГ-10"3

Мод. Эксп. Мод. Эксп. Мод. Эксп.

1 37 4,5 0,038 142000 8,5 7,0 25 27 1,6 1,2

2 37 4,2 0,036 120000 10 8,9 23 26 2 1,6

3 29 2,0 0,043 88500 3,4 2,9 30 33 0,56 0,3

4 37 3,1 0,042 86000 3,1 2,7 15 18 2,3 1,71

5 42 2 0,038 80000 2 2,1 17 15 0,9 1,3

6 40 2,5 0,041 105000 4,7 5,1 25 22 1,25 1,7

7 35 2 0,037 90000 4 3 18 20 1,51 0,91

8 10 3 0,15 40000 1 1,2 25 20 0,76 1,23

9 13 3,2 0,071 37000 1,4 0,8 16 15 0,9 0,6

10 19 1,1 0,044 13500 0,3 0,24 14 12 0,1 0,12

Сравнивания результаты, полученные на медном и молибденовом источниках, приходим к выводу о том, что с увеличением энергии трансмиссия линзы снижается, но при этом происходит и уменьшение диаметра фокусного пятна. Уменьшение трансмиссии обусловлено тем, что с увеличением энергии рентгеновского излучения угол захвата уменьшается. Размер фокусного пятна зависит от критического угла. С увеличением энергии уменьшается критический угол, а расходимость лучей за каналом определяется двойным критическим углом. Это условие выполняется, когда не учитывается прошивание рентгеновским излучением стенок линзы. Другими словами, с увеличением энергии возрастает вероятность того, что лучи, которые перестают отражаться из-за превышения критического угла, не поглощаются в стекле, а выходят наружу. Этим объясняется незначительные отклонения результатов моделирования от экспериментальных данных.

Линза 01, мм 02, мм 1_, мм мм Я2, мм в, рад Тг, % (З3, мкм К К)-3

Мод. Эксп. Мод. Эксп. Мод. Эксп.

1 1,39 0,32 54 39 4,7 0,035 4 2,9 20 21 1,1 0,7

2 1,32 0,33 56 37 4,3 0,036 5 2,5 25 29 0,96 0,36

3 1,25 0,40 57 31 2,0 0,04 2 1,5 24 28 0,45 0,24

4 1,58 0,48 58 38 3 0,041 3 2 16 15 1,9 1,46

5 1,6 0,3 54 42 2 0,038 1,5 1,8 15 13 0,8 1,47

6 1,62 0,3 57 42 2,2 0,038 3,5 3 20 19 1,23 1,22

7 1,3 0,55 58 35 1,9 0,037 2 1,5 20 18 0,63 0,57

8 1,5 0,51 33 10 2,5 0,15 1 1 15 17 5,6 1,6

9 0,93 0,18 42 15 3 0,062 0,1 0,5 12 13 0,04 0,4

10 0,85 0,17 43 19 1 0,044 0,4 0,2 11 11 0,19 0,15

В данной работе предложен новый метод исследования рентгеновских источников с помощью поликапиллярной линзы, суть которого заключается в следующем. Поликапиллярной линзой осуществляется сканирование излучения, выходящего из анода рентгеновской трубки, что регистрируется детектором. Размер анодного пятна определяется шириной на полувысоте полученного результата сканирования за вычетом диаметра фокусного пятна линзы. Точность исследования обусловлена тем, что размер фокусного пятна линзы значительно меньше анодного пятна рентгеновской трубки. Метод является универсальным, поскольку позволяет исследовать трубки с различными размерами анодных пятен. Данная методика позволяет не только измерять размер анодного пятна, но и получать трехмерное распределение интенсивности излучения в аноде.

На рисунках 3 и 4 приведены результаты сканирования рентгеновской трубки БС-11 с магнитной фокусировкой, предлагаемым методом и методом «острой кромки» соответственно.

Рисунок 3 - Сканирование излучения рентгеновской трубки поликапиллярной линзой

!

рентгеновской трубки методом «острой кромки»

Отличительной особенностью предлагаемого метода является значительное повышение точности (разрешающей способности) по сравнению с методом «острой кромки» (рисунок 5).

Рисунок 5 - Трехмерное изображение распределения интенсивности рентгеновской трубки

В работе впервые экспериментально доказана возможность фокусировки мощных импульсных источников рентгеновского излучения с помощью поликапиллярной линзы. В качестве источника использовался прибор с ускоряющим напряжением 100 кВ и током пучка 500 А. Анодное пятно данного источника имело форму кольца, размером 2 мм, в результате фокуси-

ровки рентгеновского излучения было получено пятно диаметром 330 мкм (рисунок 6), что соответствует шестикратному уменьшению.

Одним из важнейших направлений использования приборов, в основе которых лежит мощное импульсное излучение, могут быть задачи, решаемые в криминально-судебной медицине: экспресс-обнаружение металлических и неметаллических инородных частиц в случаях взрывной травмы, экспресс-диагностика невидимых кровоизлияний, характерных для применения огнестрельного оружия.

Кроме медицинских задач на базе "Дина 2" создаются портативные рентгеновские аппараты для дефектоскопии и аппараты для контроля трубопроводов. Использование в подобных приборах в качестве фокусирующей системы поликапиллярных линз и полулинз позволит обеспечить локальность исследования, увеличить концентрацию рентгеновского излучения в пятне, а также избавиться от рассеянного излучения.

Рисунок 6 - Исходное и сфокусированное анодное пятно импульсного источника

В четвёртой главе проводится исследование прохождения рентгеновских лучей через поликапиллярную линзу и формирование энергетической области рентгеновских лучей в фокальной области линзы, а также экспериментальное исследование и моделирование протяжённости фокусного пятна поликапиллярных линз.

Исследован ряд линз с целью определения поперечных и продольных размеров протяжённой области. При этом измерения проводились для пяти различных случаев. Вначале, входной торец исследуемой поликапиллярной линзы был полностью открыт, а затем, поочередно на торец линзы устанавливались диафрагмы диаметром 5,3,1 и 0.4 мм.

43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 5$ 57 58 59 60 фокусное расстояние, мм

420

г

г 370 I 320 | 270

220

54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 фокусное расстояние, мм

47434950515253545556 575859606162636465 66

фокусное расстояние, мм

| 320

^ А

« 270 ■

с 220 о.

I

120

44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 фокусное расстояние, мм

фокусное расстояние, мм

Рисунок 7 — Зависимость протяжённой области от фокусного расстояния при разных диафрагмах: а) полностью открытый торец, 7.5 мм; б) 5 мм; в) 3 мм; г) 1 мм; д) 0.4 мм

С помощью диафрагмы отсекается периферийная часть входного торца линзы для увеличения размера протяжённой области и уменьшения диаметра параллельного пучка На рисунке 7 представлены зависимости размера фокусного пятна от фокусного расстояния для различных диаметров диафрагм. Однако при этом происходит снижение интенсивности рентгеновского излучения на выходе линзы. В связи с этим напрашивается вопрос об эффективности использования линзы, снабжённой диафрагмой в экспериментах по микродифракции. В таблице 3 проводится сравнение интенсивности рентгеновского пучка, фокусируемого поликапиллярной линзой с интенсивностью в пучке такого же диаметра, полученного с помощью коллиматора и щели. Расстояние «источник излучения - детектор с коллиматором» совпадает с геометрией линз. Сравнение проводилась на медном источнике мощностью 0.15 Вт.

Таблица 3 - Сравнение интенсивностей рентгеновского излучения после линзы и коллиматоров

Счет, имп/сек

Линза с диафрагмой 0.4 мм 19500

Коллиматор 100 мкм 1200

Щель 100 мкм 4000

Анализ полученных результатов свидетельствует об эффективности использования поликапиллярных линз в экспериментах по микродифракции даже с учетом ее диафрагмирования. Как видно из рисунка 7, протяжённая область имеет минимальный размер пучка в определённой точке, находящейся на оптической оси, но при этом на некотором участке размеры пучка незначительно отклоняются от минимального значения. Учитывая сказанное можно допустить, что в протяжённой области пучки рентгеновского излучения распространяются квазипараллельно и на этом участке возможна реализация рентгенодифракционной схемы Дебая - Шеррера.

Для проверки предложенной идеи был создан прецизионный многофункциональный экспериментальный стенд, отличающийся от описанного выше наличием гониометрического устройства, позиционно-чувствительного детектора и возможности совместного перемещения системы «рентгеновский источник-линза» вдоль и поперек оптической оси. Гониометр является основным узлом созданной установки, на котором установлен держатель образцов, создающий оптимальную геометрию для получения и регистрации дифракционной картины. Внешний вид установки представлен на фотографии (рисунок 8).

Рисунок 8 - Внешний вид экспериментальной установки

В качестве защиты от расходящегося рентгеновского излучения используются свинцовые стекла, толщиной 2 мм и автоматическая заглушка источника излучения, позволяющая перекрывать рентгеновский пучок без выключения высоковольтного источника питания.

Экспериментально обнаружен (и подтверждён серией съёмок) нелинейный характер сечений плоскостями, параллельными оси пучка, самого пучка, сформированного рентгеновской поликапиллярной линзой. Вместо проекции сечений в виде сходящейся в точечном фокусе и расходящейся после него линейной зависимости, ограниченной на проекции прямыми линиями обнаружена более сложная картина. Визуально показан и подтверждён расчётами тороидальный характер центральной части протяжённого фокуса с гиперболическими входами и выходами из него и лишь с последующей, после протяжённого тора, линейной зависимостью размера пучка от изменения расстояния до серединной части тороидального протяжённого фокуса (рисунок 9).

Рисунок 9 — Визуальное изображение протяжённой области фокуса линзы

Нами проведено исследование ряда моно- и поликристаллических образцов. Наличие продольного перемещения системы «рентгеновский источник-линза» позволило реализовать все основные дифрактометрические схемы (сходящийся, параллельный и расходящийся пучки).

Дифракционная картина на сходящемся пучке (рисунок 10) получена на монокристаллах кремния. Принцип действия данной схемы заключается в следующем: излучение, генерируемое рентгеновской трубкой, сколлимиро-ванное поликапиллярной линзой, дифрагирует на кристаллической решетке облучаемого монокристалла. Угловое распределение интенсивности дифрагированного излучения регистрируется линейно-координатным детектором и обрабатывается цифровыми устройствами с целью определения углового положения, интенсивностей и ширин на полувысоте дифракционных пиков, изменение которых определяет отклонение угла среза монокристаллических пластин от определенной ориентации. Ширина пика дифракции зависит от качества обработки монокристаллической поверхности пластины, поэтому одновременно с идентификацией ориентации пластины в дифрактометре, дает возможность оценить и качество поверхности.

Рисунок 10 - Результат дифракционного отражения от монокристалла кремния на сходящемся пучке

На рисунках 11-13 представлены спектры, полученные на протяжённом участке фокуса поликапиллярной линзы. Углы на пиках указаны в градусах по 26. Сравнивая полученные углы дифракции с табличными значениями, приходим к выводу о том, что исследуемые образцы представляют собой поликристаллы РЬ, ЫаС1 и А1203.

Рисунок 11 - Съёмка РЬ на протяженном участке

45.75»

Рисунок 12 - Съёмка ЫаС1 на протяженном участке

43.398° 57.567°

68.28°

бос нга 1«ю 1200 1400 16® юоо гооо гзое 2400 гв» 2воо за» згео з«оо эбсе

Рисунок 13 — Съёмка А1203 на протяженном участке

Съёмка на расходящемся пучке (рисунок 14) производится по схеме 0 (об-разец)-20 (детектор), с использованием позиционно-чувствителъного детектора, который в отличие от сцинтиллядионного детектора обладает достаточно широким окном и поэтому необходимости в перемещении детектора, нет.

к г

¥

Рисунок 14 - Результат дифракционного отражения от поликристалла свинца на расходящемся пучке

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и создана уникальная автоматизированная многофункциональная экспериментальная установка для исследования оптических характеристик микро - и нанокапиллярных рентгеновских линз и полулинз.

2. Отработана методика комплексного исследования параметров поликапиллярных линз и полулинз.

3. Экспериментально обнаружена протяжённая область фокуса рентгеновской поликапиллярной линзы и проведено её исследование. Эксперименты по микродифракции и по схеме Дебая-Шеррера на протяжённом фокусе поликапиллярных линз позволят по новому подойти к исследованию свойств материалов, технологии производства изделий электронной техники и при модификации свойств поверхности твердого тела, так как интенсивность рентгеновского пучка в этой области на два порядка превышает интенсивности в классических схемах.

4. Разработана новая методика исследования анодных пятен рентгеновских источников, принципиальным отличием которого от существующих методов является возможность получения трехмерного изображения распределения интенсивности рентгеновского излучения в анодном пятне.

5. Впервые показана возможность фокусировки излучения, генерируемого мощными импульсными источниками поликапиллярной оптикой. Использование в приборах, основанных на взрывной электронной эмиссии, в качестве фокусирующей системы поликапиллярных линз и полулинз позво-

лит обеспечить локальность исследования, увеличить концентрацию рентгеновского излучения в пятне, а также избавиться от рассеянного излучения.

Проведёнными исследованиями показана уникальная возможность использования одной рентгеновской линзы для построения сразу основных трёх рентгенооптических схем дифрактометрических съёмок: съёмки в сходящемся пучке, съёмки в параллельном пучке и съёмки в расходящемся пучке. Все три рентгенооптические схемы съёмок впервые совмещены в одном рентгеновском дифрактометре с подвижным вдоль оси первичного пучка исследуемого объекта. Они позволяют при одной установке образца, исследуя одну и ту же облучаемую область, проводить эксперименты по микродифракции (метод Хирша-Келлара), эксперименты по брэгговской дифракции (метод Брегга-Брентано и его разновидность метод Зеемана-Болина), эксперименты по схеме параллельного первичного пучка (метод Дебая-Шеррера).

Проведенные экспериментальные исследования демонстрируют возможность создания многофункционального рентгеновского дифрактометри-ческого комплекса для исследования ориентации срезов монокристаллических пластин и качества их поверхности, фазового состава, структуры и деформации в твердых телах. Данный комплекс может быть использован как в научно - исследовательских лабораториях, так и на промышленных предприятиях, занимающихся неорганическими материалами и монокристаллами.

Цитируемая литература

1. Мазурицкий, М.И. Способы фокусировки и разложения в спектр рентгеновского излучения / М.И. Мазурицкий // Соросовский образовательный журнал. 2001. - Т. 7, № 10. - С. 95-101.

2. Kumakhov, М.А. Polycapillary optics and its applications / M.A. Ku-makhov // Proceedings of SPIE. - 2004. - V. 5943. - P. 102-116.

3. Kumakhov, M.A. History of evolution of the x-ray and neutron capillary optics / M.A. Kumakhov // Optics of beams. Institute For Roentgen Optical Systems. Moscow. - 1993. - P. 3-17.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Даничев, В.В. Количественный рентгенофлуоресцентный анализ содержания железа в песке /В.В. Даничев, A.A. Болотоков, A.A. Кумахов // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. Естественные науки. — 2008. -№ 2. - С. 48-49.

2. Кумахов, A.A. Современные методы рентгеновского неразрушающего контроля / A.A. Кумахов, A.A. Болотоков // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — М., 2011. - В. 9. — С. 211-216.

3. Кумахов, A.A. Методика измерения источников рентгеновского и нейтронного излучения с помощью поликапиллярной оптики / A.A. Кумахов, И.В. Дмитриев // ЖТФ. - 2011. - Т. 81. В. 6. - С. 85-87.

4. Фурсей, Г.Н. Возможность фокусировки наносекундных импульсов рентгеновского излучения / Г.Н. Фурсей, И.В. Дмитриев, A.A. Бегидов,

A.A. Кумахов // Журнал Практическая силовая электроника. - 2012. -

B. 2(46). - С. 50-55.

Статьи в других журналах и сборниках трудов конференций:

5. Кумахов, A.A. Распределение интенсивности излучения через микрокапиллярные линзы / A.A. Кумахов, A.M. Кумахов A.A. Болотоков // Материалы Международной научно-технической конференции «Микро- и нано-технологии в электронике». - Нальчик: Каб.-Балк. ун.-т, 2009. - С. 208.

6. Кумахов, A.A. Исследование поликапиллярных рентгеновских линз нового поколения / A.A. Кумахов., Р.Ш. Тешев., A.M. Кумахов // Тр. VII Международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». -Алматы. - 2011. - С. 550-555.

7. Кумахов, A.A. Рентгеновские поликапиллярные линзы и их использование в материаловедении / A.A. Кумахов., A.A. Болотоков // Сб. научных трудов семинара «Современные технологи в современном машиностроении». - М.: Московский государственный горный университет. - 2011. -

C. 270-276.

8. Kumakhov, A.A. Measurement of X-Ray and Neutron Sources with Polycapillary Optics / A.A. Kumakhov, I.V. Dmitriev // Technical Physics. -2011.-Vol. 56, №6.-P. 211-216.

9. Кумахов, A.A. Определение остаточного напряжения в деталях горных машин методом рентгеновской дифрактометрии / A.A. Кумахов, A.A. Болотоков, М.В. Алексеев // Сб. научных трудов семинара «Современные технологии в современном машиностроении». - М.: Московский государственный горный университет. - 2012. - С. 434-440.

10. Кумахов, A.A. Методика фокусировки рентгеновского излучения с помощью микрокапиллярных полулинз / A.A. Кумахов, Р.Ш. Тешев, A.M. Кумахов // Международная научно-техническая конференция «Микро-и нанотехнологии в электронике». - Нальчик. - 2012. - С. 194—196.

11. Кумахов, A.A. Теоретическая оценка основных параметров поликапиллярных систем / A.A. Кумахов, Д.В. Зайцев, Д.И. Груев, Р.Ш. Тешев, A.M. Кумахов // Международная научно-практическая конференция. «Научные исследования и их практическое применение». Современное состояние и пути развития. - Одесса - 2012. - С. 71-77.

В печать 31.05.2013. Тираж 100 экз. Заказ № 6833. Полиграфический участок ИПЦ КБГУ 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБУ ВПО «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Х.М. БЕРБЕКОВА»

04201360294 ¿^У/——^

КУМАХОВ АЛИМ АДИЛЕВИЧ

РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫХ ЛИНЗ И ИХ

ПРИМЕНЕНИЕ В ДИФРАКТОМЕТРИИ

01.04.07 - ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НУЧНЫЙ: РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор ТЕШЕВ Р. Ш.

Нальчик-2013

Содержание

Введение 3

1. ФОКУСИРОВКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 8 1.1. Способы фокусировки рентгеновского излучения 8 1.2 Форма и материал линзы 20 1.3. Возможности поликапиллярной оптики 29 1.3. Некоторые особенности работы поликапиллярной линзы 48

2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 53

2.1. Описание экспериментального стенда 53

2.2. Описание основных блоков системы 58

2.3. Детектирующие устройства 61

2.4.Моделирование прохождения РИ через поликапиллярную оптику 71

3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 82

3.1. Методика измерений 82

3.2. Экспериментальные результаты и их интерпретация 91

4. АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫХ СТРУКТУР 102

4.1. Использование поликапиллярной оптики в классических схемах дифрактометрии 103

4.2. Прецизионное многофункциональное устройство для исследования возможности использования поликапиллярной линзы в основных схемах дифрактометрии 106

4.3. Описание основных блоков системы 109 4.4 Исследование протяженной области фокуса поликапиллярных линз 110

4.5. Методика эксперимента и обсуждение результатов 118

4.6. Опытный образец многофункционального дифрактометрического комплекса 123 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 126 ЛИТЕРАТУРА 128

Введение

Актуальность темы диссертации. Поликапиллярная оптика -современный мощный инструмент управления рентгеновским излучением, находит все большее применение в широком спектре направлений науки и техники. Это обусловлено, прежде всего, работой систем поликапиллярной оптики в широком диапазоне энергетического и углового спектра, малыми размерами оптических систем и возможностью применения лабораторных, и даже маломощных источников рентгеновского излучения. Применение рентгеновских поликапиллярных линз дает возможность переводить расходящийся пучок от рентгеновского источника в параллельный пучок или же сфокусировать его, позволяет создавать приборы нового поколения -рентгеновские спектрометры, рефлектометры. Особенностью этих приборов является их компактность, чрезвычайно малая доза излучения, которая практически совпадает с естественным фоном.

Таким образом, исследование и обоснование целесообразности применения рентгеновских поликапиллярных линз и полулинз является актуальной задачей и имеет значительный теоретический и практический интерес для широкого круга приложений, в том числе для современных нанотехнологий, микросхемотехники и медицинских исследований. Проведенные в работе исследования актуальны в связи с необходимостью создания современных приборов таких, как дифрактометры и спектрометры, с целью совершенствования и полноценного их применения.

Степень ее разработанности

Несмотря на преимущества, даваемые поликапиллярной оптикой, на сегодняшний день практически отсутствуют работы по исследованию фокусирующих и изображающих рентгеноогпических свойств поликапиллярной оптики последнего поколения. Большая часть современных работ в области управления и фокусировки рентгеновского излучения выполнена с

использованием элементов оптики скользящего падения, фазовых пластинок и других типов рентгеновской оптики, преимущественно на основе синхротронных источников, работа на которых крайне дорога и малодоступна.

Цель данной работы заключалась в исследовании рентгенооптических свойств поликапиллярных линз и полулинз, установление особенностей и возможностей их использования в дифрактометрии для исследования свойств твердых тел и соединений.

Для достижения поставленной цели была разработана и создана установка для экспериментального исследования рентгенооптических параметров поликапиллярных линз, полулинз и рентгеновских трубок, на которой, по разработанной методике, необходимо было решить следующие задачи:

- исследование основных параметров поликапиллярных систем: фокусные расстояния, плотность потока рентгеновских квантов в фокусном пятне, трансмиссия, размер фокусного пятна;

- исследование возможности фокусировки поликапиллярной оптикой излучения, генерируемого мощными импульсными источниками;

- исследование протяженности фокусного пятна поликапиллярной линзы и выявление возможности использования данной особенности в рентгенооптической схеме Дебая-Шеррера и в экспериментах по микродифракции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана и создана многофункциональная экспериментальная установка для исследования основных параметров поликапиллярных рентгенооптических систем.

2. Разработана методика и проведено комплексное исследование рентгеновских поликапиллярных линз и полулинз.

3. Разработана новая методика исследования анодных пятен рентгеновских трубок с получением ЗЭ изображения.

4. Впервые осуществлена фокусировка рентгеновского излучения импульсных рентгеновских источников поликапиллярной оптикой.

5. Впервые проведено исследование протяженности фокусного пятна рентгеновской поликапиллярной линзы и обнаружена возможность получения основных схем дифрактометрии, используя поликапиллярную линзу.

Практическая значимость работы

1. Создана автоматизированная многофункциональная установка - стенд для экспериментального исследования рентгенооптических параметров микрокапиллярных структур.

2. Отработаны методики исследования поликапиллярных линз и полулинз, позволяющие получать всю необходимую информацию для дальнейшего их использования в аналитических приборах.

3. Показана возможность использования поликапиллярной оптики для фокусировки рентгеновского излучения импульсных рентгеновских источников, что позволит расширить использование данных источников в различных областях науки и техники.

4. Разработана методика исследования анодных пятен рентгеновских трубок, имеющая ряд преимуществ, в сравнении с широко известными методами: простота, достаточно высокая точность, широкий диапазон размеров исследуемых анодов, сокращение времени исследования и получение объемного изображения.

5. Проведено исследование протяженности фокусного пятна поликапиллярной линзы, позволяющее на одном приборе осуществить все основные схемы дифрактометрии и микродифракцию, используя одну лишь поликапиллярную линзу.

Разработанная установка внедрена в Институте Рентгеновской Оптики (ИРО) (г. Москва) и используется для комплексного исследования рентгенооптических поликапиллярных систем. Результаты НИР могут использоваться для исследования источников рентгеновского излучения, для создания многофункционального рентгено-дифракционного комплекса и оптимизации работы импульсных источников рентгеновского излучения.

Методология и методы исследования

Методология диссертационной работы связана с поиском возможных применений поликапиллярных линз в дифрактометрии для исследования свойств твердых тел и соединений.

В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования рентгенооптических характеристик (методы «максимального счета» и «минимального пятна») поликапиллярной оптики, а также метод «острой кромки» для измерения диаметра фокусных пятен поликапиллярных линз, полулинз и рентгеновских трубок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизированная многофункциональная экспериментальная установка для исследования основных параметров рентгенооптических систем.

2. Результаты комплексного исследования параметров рентгеновских поликапиллярных систем: переднее и заднее фокусные расстояния, трансмиссия, коэффициент усиления.

3. Результаты исследования по фокусировке рентгеновского излучения импульсных рентгеновских источников поликапиллярной оптикой.

4. Разработанная методика исследования анодных пятен рентгеновских трубок.

5. Результаты исследования протяженности фокусного пятна поликапиллярной линзы и выявление возможности использования данной

особенности в экспериментах по микродифракции и по схеме параллельного пучка.

Степень достоверности и апробация результатов. При выполнении экспериментов использовалась серийно выпускаемая и уникальная измерительная аппаратура, погрешность которой обеспечивала достоверность полученных результатов. Результаты, полученные в данной работе, определяются применением современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также имеющимися литературными данными.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, семинарах и совещаниях: Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике». Нальчик, 2009-2012 гг.; VII Международная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Алматы, 201 1 г.; Семинар «Современные технологии в современном машиностроении». Москва: 2011 г., 2012 г.; Международная научная конференция «Неделя горняка». Москва: 2011 г., 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития». Одесса, 2012 г.

1. ФОКУСИРОВКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Способы фокусировки рентгеновского излучения

До недавнего времени возможность создания оптических систем для получения рентгеновских изображений различных предметов казалась невозможной. В последние годы разработана техника создания и обработки сверхгладких поверхностей для использования их с целью управления и монохроматизации рентгеновского излучения. Благодаря современным технологическим достижениям стало возможным создание различных элементов дифракционной рентгеновской оптики, таких, как многослойные интерференционные зеркала и зонные дифракционные пластинки, а также отражающие и пропускающие решетки. Самым молодым элементом рентгеновской оптики является рентгеновская поликапиллярная линза.

Поликапиллярная линза М.А. Кумахова является мощным, современным инструментом для управления и фокусировки рентгеновского излучения. Управление рентгеновским излучением осуществляется на основе его прохождения через полые каналы - капилляры, собранные в пучки различных конфигураций [1-3].

В основе работы поликапиллярной оптики М.А. Кумахова лежит явление полного внешнего отражения [4]. Известно, что рентгеновские лучи могут отражаться от гладкой поверхности. Этот эффект был обнаружен Комптоном в 20-е годы прошлого века и исследовался многими учеными. Большой вклад в эти исследования внесли и отечественные ученые: А.И. Алиханьян, А.И. Алиханов, Л.А. Арцимович и другие [5-7]. Были обнаружены наличие критического угла как максимального угла, при котором возможно отражение, и его зависимости от различных параметров, в том числе от материала поверхности и энергии излучения. Результаты исследований широко известны и опубликованы в ряде справочников [8].

Основная зависимость критического угла описывается следующей формулой

Ь,СО

ал)

где Н- постоянная Планка, СО - частота собственных колебаний электронов в материале:

\Ат0е2

ю„=л-—> (1-2)

Р М те

где е — заряд электрона, те — его масса, пе— концентрация электронов.

На рисунке 1.1 представлены результаты единичного отражения рентгеновских лучей от различных материалов.

X = 1 39 Коэффициент единичного отражения

о о. 1 I 1 I , ЭЮ2 [densltv=2 48) 2п |с1еп$^у=7 13) N1 (с1епя1у=Ь 90<Л Си (аеп51(у=8 96)

ш Ад (аепя1у=10 5)

о 1 1 32!

о

о

1Л см. о I г" Д

о 1 1

о !

00 50 100 150 200 ' Угол

Рис. 1.1. Коэффициент единичного отражения от различных материалов для

энергии излучения 8 кэВ

\

Рентгенооптические свойства отражающих материалов определяются в основном показателем преломления вещества. Создание оптических приборов

для рентгеновских лучей осложняется тем, что все материалы являются поглощающими. Для того чтобы подчеркнуть это обстоятельство, коэффициент преломления обычно записывают в комплексной форме:

п = \-8-ip, ■ (1.3)

где ¡3 - показатель поглощения вещества, причем для любого материала. Отсюда легко заключить, что действительная часть (1— д) показателя преломления рентгеновских лучей практически равна 1, точнее, меньше единицы, поскольку б>>0. Иными словами, можно сказать, что вакуум в этой области спектра оптически более плотная среда по сравнению с веществом [9].

Когда рентгеновские лучи входят из вакуума в среду, угол скольжения уменьшается. Поэтому в рассматриваемом диапазоне длин волн невозможно применение традиционной преломляющей оптики для видимого света. Оказывается, что невозможно применение отражающих зеркал нормального падения [10]. Коэффициент отражения электромагнитной волны от плоской поверхности определяется формулой Френеля:

,-2

sin в-4п2 -cos2 О .

----- 9 V '

У1 -COS2 в

где в - угол скольжения падающего и отраженного луча.

При почти нормальном падении лучей (0~9О°) приведенное выше уравнение Френеля сводится к следующему:

(1.5)

Ввиду того, что 5 и показатель поглощения /? малы (—1 мы видим, что

отражение рентгеновских лучей от поверхности при больших углах падения крайне незначительно.

Однако при малых углах скольжения ситуация существенно меняется. Принципиально новые возможности открываются с использованием различных

т=

рентгенооптических систем скользящего падения, основанных на явлении полного внешнего отражения. Данное явление имеет место на границе раздела вакуум-диэлектрик. Для веществ с большим коэффициентом отражения (/?~0) данное явление имеет место при углах скольжения, меньших критического угла О . Критический угол определяется из соотношения 0,<дъ6с — п — 1 — 8 или

скольжения в меньше критического угла 6 , и значение коэффициента отражения незначительно (в больше вс) в случаях когда отношение ^

велико отражение происходит относительно плавно.

Вопрос обработки отражающих поверхностей выходит на первый план, ввиду того, что в оптике скользящего падения речь идет о предельно малых углах. Влияние шероховатости поверхности на параметры отраженного пучка имеет для рентгеновской оптики немаловажное значение. Так, для стандартных

Уменьшение углов скольжения приводит к значительному уменьшению светосилы приборов, основанных на принципах скользящего падения.

Наиболее широко используются приборы и оборудование, основанные на явлениях единичного отражения рентгеновского излучения. На рисунке 1.2, в качестве примера системы для фокусировки или формирования параллельного пучка рентгеновского излучения приводится параболическое зеркало. Применение подобных зеркал приводит к повышению эффективности рентгеновских трубок до 100 раз. Подобное возрастание эффективности рентгеновских трубок позволяет использовать их вместо синхротронного излучения в ряде биологических, медицинских, . структурных и материаловедческих исследований.

переходе к низким коэффициентам отражения, когда угол

углов скольжения

шероховатость не должна превышать 1-2 нм.

Зеркало

(\1oiyi применяться многослойные покрытия

с разными показателями преломления)

(Фогола! чик или излучатель)

Рис. 1.2. Принцип работы параболического зеркала

Применение зеркал с многослойными покрытиями с разными показателями преломления позволит осуществлять фильтрацию и управления поляризацией в синхротронных источниках [11]. В случае полного внешнего отражения система зеркал Киркпатрика-Бозе [12], как и эллипсоидальное зеркало, имеет преимущество пропускания широкой спектральной полосы падающего рентгеновского излучения. Как правило, в системах зеркал Киркпатрика-Бозе применяются цилиндрические или сферические зеркала, позволяющие добиться уменьшения размеров фокальных пятен до Юмкм, а фокусные пятна, получаемые с помощью эллиптических зеркал, достигают размеров порядка 1 мкм. Достижение таких размеров становится возможным при получении эллиптической поверхности с субмикронной шероховатостью [13]. Данная система зеркал (рис. 1.3) находит применение и в многослойном варианте. Многослойные зеркала имеют углы отражения в 5 раз превышающие углы при полном внешнем отражении. Однако в этом случае возникают трудности, связанные с настройкой энергии вне полосы пропускания многослойной структуры. П