Патент на изобретение №2208227

(54) РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом является получение высокой яркости излучения во входной апертуре аналитических установок при использовании дешевых источников. Комплекс, предназначенный для проведения исследований в рентгеновском диапазоне излучения одновременно на нескольких аналитических установках, содержит источник расходящегося рентгеновского излучения, каналы транспортировки излучения к аналитическим установкам и аппаратуру этих установок для спектрометрических, дифрактометрических исследований, получения изображений внутренней структуры объектов, рентгеновской литографии и т.д. Излучение транспортируется к установкам квазипараллельными пучками, формируемыми рентгеновским “полулинзами”, представляющими собой совокупность изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок. Каждая из “полулинз” захватывает часть расходящегося излучения рентгеновского источника. Предпочтительным видом источника является рентгеновская трубка. Пучки излучения, направляемые к нескольким аналитическим установкам, могут быть получены также с помощью общей для этих установок “полулинзы”, выходной пучок которой расщепляется на несколько пучков с помощью монохроматоров, установленных на пути первоначального пучка под углом к направлению его распространения, каждый из которых перехватывает часть поперечного сечения первоначального пучка. В частном случае комплекс может содержать “полную” рентгеновскую линзу, фокусирующую излучение источника в области, находящейся на входе одной из аналитических установок. 26 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к технике исследования и испытания веществ, материалов или приборов с использованием рентгеновского излучения.

Предшествующий уровень техники
Известны комплексы для проведения указанных исследований и испытания одновременно на нескольких аналитических установках (см. Синхротронное излучение. Под ред. К.Кунца. Москва, издательство “Мир”, 1981, с. 80-89 [1]). В таких комплексах используется общий для всех аналитических установок источник излучения. Последний представляет собой синхротрон или, в более современных комплексах, накопительное кольцо. Выводимое из синхротрона или накопительного кольца синхротронное излучение транспортируется к аналитическим установкам (рабочим станциям). Из весьма широкополосного синхротронного излучения выделяется необходимая для проведения конкретных исследований или испытаний спектральная полоса (в случае, к которому относится предлагаемое изобретение – полоса в рентгеновском диапазоне). Состав аппаратуры каждой аналитической установки определяется специализацией ее на том или ином виде исследований или испытаний.

Известно, однако, что источники синхротронного излучения, в том числе накопительные кольца, представляют собой сложнейшие капитальные сооружения, стоимость которых достигает сотен миллионов долларов. Так, накопительные кольца, спектр излучения которых включает рентгеновский диапазон, имеют диаметр не менее 50 м ([1], с. 80).

При их эксплуатации, учитывая гигантские размеры, сложнейшей проблемой является поддержание приемлемой степени вакуума, в том числе в сообщающихся с накопителем каналах транспортировки синхротронного излучения к аналитическим установкам, удаленным от периферии кольца на десятки метров, и экспериментальном объеме каждой аналитической установки. Нарушение вакуума в любой из аналитических установок может вывести из строя приборы не только в самом накопителе, но и во всех связанных с ним устройствах ([1], с. 80).

Само выделение рентгеновского излучения и формирование нескольких пучков по числу аналитических установок из узконаправленного пучка, выходящего из синхротрона или накопительного кольца, которое должно осуществляться в вакууме, представляет собой серьезную задачу, решаемую системой зеркал скользящего падения и кристаллов. При каналах упомянутой протяженности необходимо принятие специальных мер для контроля и поддержания положения каждого из сформированных пучков, ширина которых в вертикальной плоскости составляет единицы миллирадианов. Так, смещение пучка на расстоянии 40 м всего на 10 мм означает потерю одного-двух порядков интенсивности, в зависимости от апертуры аналитической установки ([1], с.85).

Для синхротронов и накопительных колец указанных размеров весьма сложно решается также задача защиты от радиации как персонала, эксплуатирующего собственно синхротрон или накопитель, так и исследовательского персонала аналитических установок.

Наконец, комплексы на основе синхротронов или накопительных колец настолько дороги, что финансировать их строительство может далеко не каждое государство. Поэтому их количество исчисляется единицами и в последние десятилетия государствам приходится объединяться, чтобы построить такие комплексы. В качестве примера может быть назван Европейский центр синхротронного излучения (Гренобль, Франция).

Несмотря на отмеченные недостатки источники синхротронного излучения в настоящее время являются практически единственным видом источников, позволяющих получить достаточную для целей исследований и испытаний спектральную плотность узконаправленного излучения в требуемом рабочем диапазоне одновременно для нескольких аналитических установок.

Поэтому очень важным является создание комплекса, легко доступного для ученых и инженеров, в котором могла бы быть получена высокая яркость излучения во входной апертуре аналитических установок при использовании дешевых источников.

Задача создания комплекса, свободного от названных недостатков (гигантские размеры и чрезвычайно высокая стоимость, проблемы поддержания вакуума и обеспечения радиационной безопасности, формирования нескольких пучков и управления ими при транспортировании излучения к аналитическим установкам) решается предлагаемым изобретением.

Раскрытие изобретения
Предлагаемый измерительно-испытательный комплекс для исследований в рентгеновском диапазоне излучения одновременно на нескольких аналитических установках, как и известный, содержит источник излучения, каналы транспортировки излучения к аналитическим установкам и аппаратуру аналитических установок.

В отличие от известного предлагаемый комплекс в качестве источника излучения содержит источник расходящегося рентгеновского излучения, каждый канал транспортировки излучения к аналитическим установкам содержит рентгеновскую линзу в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и выполненную с возможностью преобразования его в квазипараллельное. В качестве источника расходящегося рентгеновского излучения могут быть использованы рентгеновская трубка, лазерный или плазменный источники.

Таким образом, получение названных видов технического результата обеспечивается предлагаемым изобретением благодаря отказу от использования синхротрона или накопительного кольца как источника излучения и применению в качестве такого источника, в частности, стандартной рентгеновской трубки, и рентгеновских линз для отбора излучения и формирования узконаправленных квазипараллельных пучков, транспортирующих рентгеновское излучение к аналитическим установкам.

Кроме того, комплекс дополнительно может содержать рентгеновскую линзу в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и выполненную с возможностью его фокусирования, а также аналитическую установку, выполненную с возможностью размещения объекта исследования с совмещением требуемой его части с областью фокусирования рентгеновского излучения.

При использовании в предлагаемом комплексе в качестве источника расходящегося рентгеновского излучения рентгеновской трубки последняя может быть выполнена с различными видами анода, в частности микрофокусным, прострельным, вращающимся, сложным, вольфрамовым. Использование рентгеновской трубки, в которой анод выполнен микрофокусным или прострельным, целесообразно для получения излучения, расходящегося в большом телесном угле; трубки со сложным анодом – для обеспечения возможности получения различных спектральных линий излучения соответственно химическим элементам, входящим в состав анода; трубки с вращающимся анодом – для обеспечения возможности получении большой мощности благодаря улучшению отвода тепла; трубки с вольфрамовым анодом – для получения широкополосного рентгеновского излучения.

В случаях, когда в качестве источника расходящегося рентгеновского излучения предлагаемый комплекс содержит рентгеновскую трубку с вращающимся или сложным либо вольфрамовым анодом, он может дополнительно содержать, по меньшей мере, один монохроматор, установленный на пути квазипараллельного пучка, формируемого рентгеновской линзой, с возможностью выделения и отражения части этого пучка в направлении аналитической установки. В этих случаях квазипараллельный пучок, формируемый одной рентгеновской линзой, используется для обеспечения рентгеновским излучением, по меньшей мере, двух аналитических установок.

В случае, если аналитическая установка, входящая в состав предлагаемого комплекса, предназначена для проведения спектрометрических исследований, она содержит средство для размещения исследуемого образца, детектор возбужденного в образце излучения, подключенный к выходу детектора спектрометрический тракт и подключенное к выходу последнего средство обработки и отображения информации. Такая аналитическая установка размещается со стороны выходной фокусной области, входящей в состав комплекса рентгеновской линзы, установленной с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и выполненной с возможностью его фокусирования. Эта аналитическая установка должна быть выполнена с возможностью совмещения требуемой части исследуемого образца с фокусной областью указанной линзы.

В аналитических установках, к которым транспортируется квазипараллельный пучок излучения, имеются, в частности, следующие возможности.

Если такая аналитическая установка предназначена для проведения спектрометрических исследований, она содержит рентгеновскую линзу в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную и выполненную с возможностью фокусирования квазипараллельного пучка излучения, и средство для размещения исследуемого образца с совмещением требуемой его части с областью фокусирования рентгеновского излучения. Кроме того, данная аналитическая установка содержит детектор возбужденного в исследуемом образце излучения, подключенный к выходу детектора спектрометрический тракт и подключенное к выходу последнего средство обработки и отображения информации.

В случае, если аналитическая установка в составе предлагаемого комплекса, к которой транспортируется квазипараллельный пучок излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований, она содержит средство для размещения исследуемого образца и ориентации его относительно направления распространения пучка, детектор излучения, дифрагированного на исследуемом образце, и средство для взаимного позиционирования детектора и исследуемого образца, а также подключенное к выходу детектора средство обработки и отображения информации.

В случае, если аналитическая установка в составе предлагаемого комплекса, к которой транспортируется квазипараллельный пучок излучения, предназначена для получения изображения внутренней структуры объектов, она содержит средство для позиционирования объекта и детектор прошедшего через объект излучения со средствами визуализации и регистрации изображения.

В случае, если аналитическая установка в составе предлагаемого комплекса, к которой транспортируется квазипараллельный пучок излучения, предназначена для осуществления рентгеновской литографии, она содержит средство для размещения маски и установленное за ним средство для размещения подложки с нанесенным на ее поверхность слоем резиста.

Краткое описание фигур чертежей
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых показаны:
– на фиг.1 – состав и взаимное расположение основных частей предлагаемого комплекса;
– на фиг.2 – распространение рентгеновского излучения с многократным полным внешним отражением по отдельному каналу рентгеновской линзы;
– на фиг.3 – схематическое изображение рентгеновской линзы для фокусирования расходящегося излучения (“полной” линзы);
– на фиг.4 – схематическое изображение рентгеновской линзы для преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное (“полулинзы”);
– на фиг. 5 – состав и взаимное расположение аппаратуры аналитической установки, предназначенной для проведения спектрометрических исследований, в случае, когда излучение источника транспортируется к этой установке “полной” рентгеновской линзой, фокусирующей расходящееся излучение источника;
– на фиг.6 – то же, в случае, когда к аналитической установке транспортируется квазипараллельное излучение, сформированное “полулинзой”;
– на фиг. 7 – состав и взаимное расположение аппаратуры аналитической установки, к которой транспортируется квазипараллельное излучение, предназначенной для проведения дифрактометрических исследований;
– на фиг. 8 – состав и взаимное расположение аппаратуры аналитической установки, к которой транспортируется квазипараллельное излучение, предназначенной для получения изображения внутренней структуры объекта;
– на фиг. 9 – состав и взаимное расположение аппаратуры аналитической установки, к которой транспортируется квазипараллельное излучение, предназначенной для осуществления рентгеновской литографии;
– на фиг. 10 – вариант “геометрии” расположения составных частей предлагаемого комплекса при использовании монохроматоров для “расщепления” квазипараллельного пучка на части, транспортируемые к нескольким аналитическим установкам.

Варианты осуществления изобретения
Предлагаемый комплекс (фиг.1) содержит рентгеновскую трубку 1, являющуюся общим источником рентгеновского излучения для аналитических установок (рабочих станций) 5, каждая из которых имеет состав аппаратуры, соответствующий специализации аналитической установки на определенном виде исследований, измерений или испытаний. В телесном угле, соответствующем формируемому рентгеновской трубкой 1 излучению, размещено несколько (по числу аналитических установок 5) рентгеновских линз 2, каждая из которых захватывает часть излучения рентгеновской трубки 1 в телесном угле 3 и преобразует воспринимаемое ею расходящееся излучение в пучок 4 квазипараллельного излучения. Фокусные области рентгеновских линз 2 со стороны их входных торцов по возможности совмещены друг с другом и с центром выходной апертуры рентгеновской трубки 1.

Выходной пучок 4 каждой из линз 2 направлен на входную апертуру соответствующей аналитической установки 5. Аналитические установки 5 расположены от рентгеновских линз 2 на расстоянии, выбираемом из соображений удобства размещения (чтобы расстояние между пучками в зоне размещения аналитических установок было достаточно для размещения аппаратуры и персонала).

Рентгеновские линзы 2, выполненные с возможностью преобразования расходящегося рентгеновского излучения в квазипараллельное, вместе с формируемыми ими квазипараллельными пучками 4 образуют каналы транспортировки рентгеновского излучения от источника (рентгеновской трубки 1) к аналитическим установкам (рабочим станциям) 5.

В частном случае комплекс может содержать также одну или несколько рентгеновских линз 6, фокусирующих воспринимаемое ими расходящееся излучение рентгеновской трубки в малой области, находящейся в заданном месте на входе специализированной аналитической установки 8, требующей именно такого характера воздействующего на исследуемый объект рентгеновского излучения. Сфокусированному выходному пучку рентгеновского излучения линзы 6 на фиг.1 соответствует телесный угол 7. При необходимости в комплексе, не имеющем фокусирующих линз 6 непосредственно в зоне излучения рентгеновской трубки, эквивалентное названному выше воздействие может быть получено путем включения в состав аналитической установки 5 линзы, аналогичной одной из линз 2, но ориентированной противоположно ей. Такая линза преобразует квазипараллельный пучок 4 рентгеновского излучения в сфокусированный пучок.

Защита персонала аналитических установок от прямого рентгеновского излучения трубки 1 обеспечивается экраном 9, имеющим отверстия по размеру сечения пучков 4, 7. Защитный экран 9 может находиться как вблизи аналитических установок 5, 8 (этот случай показан на фиг.1), так и вблизи выходных торцов рентгеновских линз 2, 6. Поскольку длина пучков 4 может составлять несколько метров и более, в первом случае размеры экрана 9 значительно больше, чем во втором. Однако во втором случае следует ожидать большего влияния неточностей изготовления защитного экрана на вероятность воздействия на персонал прямого излучения рентгеновской трубки 1.

Важнейшими элементами предлагаемого комплекса, благодаря использованию которых удается обеспечить достижение технического результата, составляющие которого были перечислены выше при раскрытии изобретения, являются рентгеновские линзы.

Первые линзы для управления рентгеновским излучением (фокусирования расходящегося излучения, формирования параллельного потока из расходящегося излучения, фокусирования параллельного излучения и др.), представляли собой совокупность изогнутых требуемым образом каналов 10 (фиг.2) транспортировки излучения, в которых излучение испытывает многократное полное внешнее отражение от стенок 11. Процесс многократного полного внешнего отражения отдельного кванта рентгеновского излучения при распространении по одному из каналов 10 рентгеновской линзы показан на фиг.2 ломаной линией 12. Такие линзы изготавливались в виде множества капилляров или поликапилляров, проходящих через отверстия или ячейки поддерживающих структур, установленных на определенном расстоянии по длине линзы (см. В.А.Аркадьев, А.И.Коломийцев, М. А.Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с. 529-537 [2]; патент США 5192869 (опубл. 09.03.93) [3]). Линза в целом имеет форму бочки (т. е. сужается к обоим торцам), если она предназначена для фокусирования расходящегося излучения, или полубочки (т.е. сужается только к одному из торцов), если она предназначена для преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное или для фокусирования такого излучения.

В дальнейшем для обозначения линз двух названных типов, в том числе и имеющих отличное от описанного конструктивное выполнение, получили распространение соответственно термины “полная” линза и “полулинза”. Соответствующая терминология используется и ниже при описании предлагаемого изобретения.

Известна также линза, в которой стенки соседних каналов транспортировки излучения контактируют друг с другом по всей длине, а сами каналы имеют переменное по длине поперечное сечение, изменяющееся по тому же закону, что и полное поперечное сечение линзы (V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M. A. Kumakhov, A. V. Noskin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp. 177-178) [4]; патент США 5570408 (опубл. 29.10.96) [5]). “Полная линза” и “полулинза” с такими каналами схематически показаны на фиг.3 и фиг.4 соответственно.

“Полная” линза (фиг.3) имеет каналы, изогнутые таким образом, что продолжения их влево и вправо от соответствующих торцов сходятся в левой 13 и правой 14 фокусных областях, размер которых имеет порядок диаметра отдельного канала. Кривизна каналов, расположенных ближе к периферии “полной” линзы, больше, чем каналов, находящихся ближе к ее оптической оси 15, совпадающей с продольной осью симметрии. Для обеспечения фокусирования расходящегося рентгеновского излучения квазиточечный источник должен находиться в одной из фокусных областей, тогда фокусирование происходит в другой фокусной области.

“Полулинза”, показанная на фиг. 4, при подаче расходящегося излучения слева обеспечивает преобразование его в квазипараллельное излучение, выходящее из правого торца. Изгиб каналов, различный на разном удалении от оптической оси 15 “полулинзы”, обеспечивает пересечение продолжений их левых концов в фокусной области 16 “полулинзы”, которая должна совпадать с расположением квазиточечного источника расходящегося рентгеновского излучения; у выходного торца (правого по фиг.4) каналы “полулинзы” параллельны. При подаче квазипараллельного рентгеновского излучения на правый по фиг.4 торец “полулинзы” оно фокусируется в фокусной области 16, расположенной у левого торца.

Ввиду использования источника (рентгеновской трубки), создающего непосредственно рентгеновское излучение, никаких средств для выделения излучения рентгеновского диапазона из излучения источника в описываемом комплексе не требуется. Отбор излучения и распределение его по каналам транспортировки к аналитическим установкам тоже не требует применения каких-либо специальных средств или технических приемов: достаточно расположить линзы 2, 6 в зоне выхода излучения из трубки 1 на расстоянии, обеспечивающем близость фокусных областей линз к эффективному геометрическому центру излучения трубки 1.

Не требуется также никаких особых средств для поддержания требуемой траектории сформированных лучей (рентгеновских пучков 4, 7) на пути к аналитическим установкам 5, 8; достаточно обеспечить взаимную механическую неподвижность рентгеновской трубки 1 и линз 2, 6. Свойства рентгеновской трубки 1 и рентгеновских линз 2, 6 стабильны и позволяют обходиться без каких-либо подстроек после правильной первоначальной установки.

Поскольку длина пучка транспортируемого квазипараллельного излучения, т. е. расстояние между выходными торцами рентгеновских линз и аналитическими установками, не превышает нескольких метров (такое расстояние достаточно для удобного размещения аппаратуры аналитических установок и персонала), затухание и рассеяние рентгеновского излучения невелико. Поэтому транспортировка излучения возможна непосредственно в воздушной среде, без принятия каких-либо мер по вакуумированию, благодаря чему никаких проблем, связанных с поддержанием вакуума, в предлагаемом комплексе не существует.

Радиационная защита, реализуемая с помощью экрана 9, конструктивно весьма проста и при небольшой мощности рентгеновской трубки 1 (которая, как будет показано ниже, может оказаться вполне приемлемой) может быть обеспечена даже обычными строительными конструкциями.

В отличие от синхротрона, которому присущ импульсный характер излучения, параметры которого не могут быть изменены персоналом аналитических установок, излучение рентгеновской трубки может быть как непрерывным, так и импульсным с желаемыми параметрами последнего. Благодаря возможности работы при непрерывном излучения в предлагаемом комплексе могут проводиться исследования, для которых импульсное излучение неприемлемо (например, из-за того, что при одинаковой с непрерывным излучением средней интенсивности импульсного излучения возможны проявления нелинейных эффектов в исследуемой среде, вызванных весьма большой интенсивностью в импульсе).

Аналитические установки в составе предлагаемого комплекса могут быть предназначены для решения большого количества весьма разнообразных фундаментальных и прикладных задач. Это – дифрактометрия и топография простых, сложных а также белковых кристаллов; это – рентгенофлуоресцентный анализ с помощью сфокусированных рентгеновских пучков; это – получение изображения внутренней структуры различных объектов, включая биологические, в том числе в медицинских целях; это – анализ новых материалов и лекарственных средств, анализ “чипов”, свойств и качества поверхностей, и т.д.

В случае, если аналитическая установка, входящая в состав предлагаемого комплекса, предназначена для проведения спектрометрических исследований, она содержит (фиг.5) средство 17 для размещения исследуемого образца 18, детектор 19 возбужденного в образце излучения, подключенный к выходу детектора 19 спектрометрический тракт 20 и подключенное к выходу последнего средство 21 обработки и отображения информации. Такая аналитическая установка 8 размещается со стороны выходной фокусной области 22 “полной” рентгеновской линзы б, входящей в состав комплекса (см. также фиг.1), установленной с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника 1 и выполненной с возможностью его фокусирования. Средство 17 для размещения исследуемого образца должно обеспечивать возможность совмещения требуемой части исследуемого образца 18 с выходной фокусной областью 22 (правой по фиг.1, фиг.5) “полной” линзы 6. Сведения об элементах спектрометрического тракта 20 (усилителях, режекторе наложений, многоканальном амплитудном анализаторе и др. ), а также о средстве 21 обработки и отображения информации приведены, в частности, в книге: Р. Вольдсет. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. Москва, Атомиздат, 1977 [6], глава 2. Основной областью применения спектрометрических исследований является определение элементного состава образца с оценкой количественного содержания в нем различных химических элементов.

Аналогичная рассмотренной аналитическая установка может использовать и квазипараллельное рентгеновское излучение, пучок которого сформирован одной из “полулинз” 2 (фиг.1). Для этого достаточно дополнить установку 8, показанную на фиг.5, “полулинзой” 23 (см. фиг.6, где показана получившаяся в результате такого дополнения установка 5). Роль выходной фокусной области “полной” линзы выполняет фокусная область 24 “полулинзы” 23.

В случае, если аналитическая установка 5 в составе предлагаемого комплекса, к которой транспортируется квазипараллельный пучок излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований, она содержит (фиг. 7) средство 17 для размещения исследуемого образца 18 и ориентации его относительно направления распространения пучка 4, детектор 19 излучения, дифрагированного на исследуемом образце, и средство 25 для взаимного позиционирования детектора 19 и исследуемого образца 18, а также подключенное к выходу детектора 19 средство 26 обработки и отображения информации. К средству 25 для взаимного позиционирования детектора и исследуемого образца и средству 17 для размещения исследуемого образца и ориентации его относительно направления распространения пучка предъявляется требование обеспечения высокой угловой точности, и они выполняются в виде гониометрических механизмов. Основной областью применения такой аналитической установки являются исследования кристаллических образцов.

В случае, если аналитическая установка 5 в составе предлагаемого комплекса, к которой транспортируется квазипараллельный пучок излучения, предназначена для получения изображения внутренней структуры объектов, она содержит (фиг.8) средство 17 для размещения объекта 18 и детектор 27 прошедшего через объект излучения. В простейшем случае в качестве такого детектора используется обычная рентгеновская пленка в защищающей ее от воздействия света упаковке. Такая пленка одновременно выполняет функцию средства регистрации изображения, а после проявления – также функцию средства его визуализации. Другие схемы получения изображений, применимые в аналитических установках предлагаемого комплекса, описаны, например, в европейской заявке ЕР 0742150 (опубл. 31.07.96) [7].

В случае, если аналитическая установка 5 в составе предлагаемого комплекса, к которой транспортируется квазипараллельный пучок излучения, предназначена для осуществления рентгеновской литографии, она содержит (фиг.9) средство 28 для размещения маски 29 и установленное за ним средство 30 для размещения подложки 31 с нанесенным на ее поверхность слоем резиста 32. Более сложные схемы см., например, в патенте США 5175755 (опубл. 29.12.92) [8].

Ряд других примеров структуры аналитических установок, в том числе с использованием в их составе рентгеновских “полных” линз и “полулинз” описан, например, в патенте США 5497008 (опубл. 05.03.96) [9] и европейском патенте ЕР 0555376 (опубл. 18.03.98)[10].

Если в качестве материала анода трубки используется вольфрам, то с помощью монохроматоров можно отбирать самые разные длины волн, так как излучение вольфрама весьма широкополосное и интенсивное.

Если в качестве анода используется сложная мишень, выполненная из нескольких химических элементов, то монохроматоры будут селективно отбирать те или иные длины волн характеристических излучений сложного анода.

Выбор типа используемого источника расходящегося рентгеновского излучения определяется, в частности, решаемой задачей. Так, излучение лазерных и плазменных источников, лежащее в мягком рентгеновском диапазоне, можно использовать при проведении исследований в биологии, медицине, для микроскопии и др. Кроме того, такие источники, а также рентгеновские трубки достаточной мощности, могут быть использованы в комплексах, содержащих аналитические установки (рабочие станции), с помощью которых решаются задачи рентгеновской литографии (как контактной, так и проекционной) и LIGA-технологии.

В зависимости от типа рентгеновской трубки можно использовать различную “геометрию” расположения анода трубки, рентгеновской линзы и аналитической установки.

Рассмотренная выше “геометрия”, показанная на фиг.1, когда каждой аналитической установке соответствует своя рентгеновская линза, формирующая пучок излучения только для этой аналитической установки, является одной из возможных. В этой “геометрии” целесообразно применение, например, трубок с прострельным или микрофокусным анодом. Такие трубки излучают практически в полупространство, поэтому в телесном угле их излучения можно расположить большое число “полулинз” и “полных линз”.

На фиг. 10 показана иная “геометрия”, в большей степени характерная для рентгеновского источника в виде трубки (условно показана позицией 1) с вращающимся анодом. При использовании такой трубки источник излучения является линейным. Трубка имеет два выходных окна. Рентгеновские оптические устройства могут “забирать” только излучение, выходящее из этих двух окон. Для обеспечения возможности работы большого количества аналитических установок на пути сформированного рентгеновской “полулинзой” 2 квазипараллельного пучка 4 расположено под разными углами несколько (5 – 10) монохроматоров 33, которые “перехватывают” различные части 34 поперечного сечения первоначального пучка 4, выходящего из “полулинзы” 2, и направляют отраженные части 35 первоначального пучка 4 к аналитическим установкам 5. В качестве монохроматоров 33 могут быть использованы, например, кристаллы с плоскостями среза, не параллельными кристаллическим плоскостям, и слоистые структуры. Тип монохроматора и угол его ориентации относительно направления пучка рентгеновского излучения, выходящего из “полулинзы”, определяют требуемую степень коллимации дифрагированной на нем части пучка.

Таким образом, при использовании в качестве источника расходящегося излучения рентгеновской трубки каналы транспортировки излучения к аналитическим установкам могут быть подразделены на следующие части:
в “геометрии”, показанной на фиг.1:
– промежуток рентгеновская трубка 1 (точнее – ее анод) – входной торец рентгеновской линзы 2 или 7 (в пределах телесного угла 3);
– каналы рентгеновской линзы 2 или 7;
– промежуток выходной торец рентгеновской линзы 2 или 7 – аналитическая установка 5 или 8 (в пределах поперечного сечения выходного пучка 4 линзы 2 или телесного угла 7, соответствующего выходному пучку линзы 6);
в “геометрии”, показанной на фиг.10:
– промежуток рентгеновская трубка 1 (точнее – ее анод) – входной торец рентгеновской линзы 2 (в пределах телесного угла 3);
– каналы рентгеновской линзы 2;
– промежуток выходной торец рентгеновской линзы 2 – монохроматор 33 (в пределах поперечного сечения части 34 выходного пучка 4 линзы 2);
– промежуток монохроматор 33 – аналитическая установка 5 (в пределах поперечного сечения отраженного монохроматором пучка 35).

Проведем сравнение параметров излучения современных синхротронов и рентгеновской трубки в комплексе предлагаемой конструкции.

В книге [1] на рис. 15 (с. 20) приведена кривая яркости излучения английского синхротрона “Doris” (E=2 ГэВ, ток 300 мА). Как видно из этого рисунка, в окрестности 10 кэВ этот синхротрон излучает 10¹⁰ фотон/сэВ(мрад)², т. е. в узком телесном угле, равном 1 мрад, и узком спектральном диапазоне, равном 1 эВ, “Doris” излучает в течение секунды порядка 10¹⁰ фотонов. Рентгеновская трубка мощностью 1 Вт за такое же время излучает изотропно примерно 310¹¹ фотонов. Это – квазимонохроматические фотоны в спектральном диапазоне шириной около 10 эВ. Соответственно, трубка мощностью 10 кВт излучает 310¹⁵ фотонов за 1 секунду.

С помощью рентгеновской “полулинзы”, преобразующей расходящееся излучение в квазипараллельное, используемой в предлагаемом комплексе, можно получить следующее количество фотонов, транспортируемых квазипараллельно с угловой расходимостью около 3 мрад:
N = 310¹⁵(_з)²4 фот/c(3 мрад)²10эB,
где _з – апертура захвата излучения рентгеновской трубки “полулинзой”,
– коэффициент передачи “полулинзы”.

Считая, что _з=0,1 рад, =0,3, получаем
N=2,510¹¹ фот/сэВ(мрад)²,
т. е. в предлагаемом комплексе рентгеновская трубка со средней мощностью 10 кВт, сопряженная с оптикой, дает в том же спектральном и угловом интервале в 25 раз более высокую интенсивность, чем синхротрон “Doris”. Отсюда видно, что одинаковую с синхротроном “Doris” плотность излучения в окрестности 10 кэВ можно получить в предлагаемом комплексе при мощности трубки всего 400 Вт. Такие и даже более мощные трубки широко используются в научных исследованиях, например в дифрактометрии. Так, компания Philips использует для дифрактометрии трубку мощностью 2,5 кВт.

В настоящее время изготавливаются и свободно продаются трубки с вращающимся анодом мощностью от 30 до 100 кВт. Стоимость этих трубок вместе с генератором составляет около 100 тысяч долларов, что примерно на 3 порядка ниже стоимости синхротрона.

Из приведенных расчетов и примеров видны эффективность и целесообразность использования предлагаемого решения.

Промышленная применимость
Предлагаемый комплекс в силу своей относительной простоты и дешевизны по сравнению с традиционными средствами доступен для широкого круга специалистов и позволяет существенно расширить масштабы применения рентгеновских исследований, испытаний и измерений, обеспечивая приемлемую яркость излучения во входной апертуре аналитических установок. Можно предположить, что в перспективе он сможет найти широкое применение в крупных и средних физических лабораториях.

Источники информации
1. Синхротронное излучение. Под ред. К. Кунца. Москва, издательство “Мир”, 1981.

2. В.А.Аркадьев, А.И.Коломийцев, М.А.Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с. 529-537.

3. Патент США 5192869 (опубл. 09.03.93).

4. V. M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I. Yu, Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian AS SR, USSR, pp. 177-178).

5. Патент США 5570408 (опубл. 29.10.96).

6. Р. Вольдсет. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. Москва, Атомиздат, 1977.

7. Европейская заявка ЕР 0742150 (опубл. 31.07.96).

8. Патент США 5175755 (опубл. 29.12.92).

9. Патент США 5497008 (опубл. 05.03.96).

10. Европейский патент ЕР 0555376 (опубл. 18.03.98).

Формула изобретения

1. Измерительно-испытательный комплекс для исследований в рентгеновском диапазоне излучения одновременно на нескольких аналитических установках, содержащий источник излучения, каналы транспортировки излучения к аналитическим установкам и аппаратуру аналитических установок (5), отличающийся тем, что в качестве источника излучения он содержит источник (1) расходящегося рентгеновского излучения, по меньшей мере один канал транспортировки излучения к аналитическим установкам (5) образован рентгеновской линзой (2) в виде совокупности изогнутых каналов (10) с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок (11) вместе с пучком излучения (4), формируемым этой линзой, установленной и выполненной с возможностью захвата части (3) расходящегося рентгеновского излучения источника (1) и преобразования его в квазипараллельный пучок.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рентгеновскую линзу (6) в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную и выполненную с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника (1) и его фокусирования, а также аналитическую установку (8), размещенную со стороны выходной фокусной области (22) указанной рентгеновской линзы (6) и выполненную с возможностью позиционирования объекта (18) исследования для совмещения требуемой его части с выходной фокусной областью (22) указанной рентгеновской линзы (6).

3. Комплекс по п.2, отличающийся тем, что аналитическая установка (8), размещенная со стороны выходной фокусной области (22) указанной рентгеновской линзы (6), предназначена для проведения спектрометрических исследований и содержит детектор (19) излучения, возбужденного в исследуемом образце (18), подключенный к выходу детектора спектрометрический тракт (20) и подключенное к выходу последнего средство (21) обработки и отображения информации.

4. Комплекс по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он в качестве источника расходящегося рентгеновского излучения содержит рентгеновскую трубку (1).

5. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что рентгеновская трубка (1) выполнена с микрофокусным анодом.

6. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что рентгеновская трубка (1) выполнена с прострельным анодом.

7. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что рентгеновская трубка (1) выполнена с вращающимся анодом.

8. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что рентгеновская трубка (1) выполнена со сложным анодом.

9. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что рентгеновская трубка (1) выполнена с вольфрамовым анодом.

10. Комплекс по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один монохроматор (33), установленный с возможностью выделения и отражения в направлении аналитической установки части (34, 35) квазипараллельного пучка (4), формируемого рентгеновской линзой (2), установленной с возможностью захвата части расходящегося рентгеновского излучения источника и выполненной с возможностью преобразования его в квазипараллельный пучок.

11. Комплекс по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он в качестве источника расходящегося рентгеновского излучения содержит плазменный или лазерный рентгеновский источник.

12. Комплекс по любому из пп. 1-3 и 5-9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований и содержит средство (17) для размещения исследуемого образца (18) и ориентации его относительно направления распространения квазипараллельного пучка (4), детектор (19) излучения, дифрагированного на исследуемом образце, и средство (25) для взаимного позиционирования детектора и исследуемого образца, а также подключенное к выходу детектора (19) средство (26) обработки и отображения информации.

13. Комплекс по любому из пп. 1-3 и 5-9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для получения изображения внутренней структуры объекта и содержит средство (17) для позиционирования объекта (18) и детектор (27) прошедшего через объект излучения со средствами визуализации и регистрации изображения.

14. Комплекс по любому из пп.1-3 и 5-9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для осуществления рентгеновской литографии и содержит средство (28) для размещения маски (29) и установленное за ним средство (30) для размещения подложки (31) с нанесенным на ее поверхность слоем резиста (32).

15. Комплекс по любому из пп.1-3 и 5-9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения спектрометрических исследований и содержит рентгеновскую линзу (23) в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную и выполненную с возможностью фокусирования квазипараллельного пучка излучения, средство (17) позиционирования исследуемого образца (18) для совмещения требуемой его части с областью (24) фокусирования рентгеновского излучения, детектор (19) возбужденного в исследуемом образце (18) излучения, подключенный к выходу детектора (19) спектрометрический тракт (20) и подключенное к выходу последнего средство (21) обработки и отображения информации.

16. Комплекс по п. 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований и содержит средство (17) для размещения исследуемого образца (18) и ориентации его относительно направления распространения квазипараллельного пучка (4), детектор (19) излучения, дифрагированного на исследуемом образце, и средство (25) для взаимного позиционирования детектора и исследуемого образца, а также подключенное к выходу детектора (19) средство (26) обработки и отображения информации.

17. Комплекс по п. 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для получения изображения внутренней структуры объекта и содержит средство (17) для позиционирования объекта (18) и детектор (27) прошедшего через объект излучения со средствами визуализации и регистрации изображения.

18. Комплекс по п. 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для осуществления рентгеновской литографии и содержит средство (28) для размещения маски (29) и установленное за ним средство (30) для размещения подложки (31) с нанесенным на ее поверхность слоем резиста (32).

19. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения спектрометрических исследований и содержит рентгеновскую линзу (23) в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную и выполненную с возможностью фокусирования квазипараллельного пучка излучения, средство (17) позиционирования исследуемого образца (18) для совмещения требуемой его части с областью (24) фокусирования рентгеновского излучения, детектор (19) возбужденного в исследуемом образце (18) излучения, подключенный к выходу детектора (19) спектрометрический тракт (20) и подключенное к выходу последнего средство (21) обработки и отображения информации.

20. Комплекс по п.10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований и содержит средство (17) для размещения исследуемого образца (18) и ориентации его относительно направления распространения квазипараллельного пучка (4), детектор (19) излучения, дифрагированного на исследуемом образце, и средство (25) для взаимного позиционирования детектора и исследуемого образца, а также подключенное к выходу детектора (19) средство (26) обработки и отображения информации.

21. Комплекс по п.10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований и содержит средство (17) для позиционирования объекта (18) и детектор (27) прошедшего через объект излучения со средствами визуализации и регистрации изображения.

22. Комплекс по п.10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для осуществления рентгеновской литографии и содержит средство (28) для размещения маски (29) и установленное за ним средство (30) для размещения подложки (31) с нанесенным на ее поверхность слоем резиста (32).

23. Комплекс по п.10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения спектрометрических исследований и содержит рентгеновскую линзу (23) в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную и выполненную с возможностью фокусирования квазипараллельного пучка излучения, средство (17) позиционирования исследуемого образца (18) для совмещения требуемой его части с областью (24) фокусирования рентгеновского излучения, детектор (19) возбужденного в исследуемом образце (18) излучения, подключенный к выходу детектора (19) спектрометрический тракт (20) и подключенное к выходу последнего средство (21) обработки и отображения информации.

24. Комплекс по п.11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения дифрактометрических исследований и содержит средство (17) для размещения исследуемого образца (18) и ориентации его относительно направления распространения квазипараллельного пучка (4), детектор (19) излучения, дифрагированного на исследуемом образце, и средство (25) для взаимного позиционирования детектора и исследуемого образца, а также подключенное к выходу детектора (19) средство (26) обработки и отображения информации.

25. Комплекс по п.11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для получения изображения внутренней структуры объекта и содержит средство (17) для позиционирования объекта (18) и детектор (27) прошедшего через объект излучения со средствами визуализации и регистрации изображения.

26. Комплекс по п.11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для осуществления рентгеновской литографии и содержит средство (28) для размещения маски (29) и установленное за ним средство (30) для размещения подложки (31) с нанесенным на ее поверхность слоем резиста (32).

27. Комплекс по п.11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из аналитических установок (5), к которой транспортируется квазипараллельный пучок (4) излучения, предназначена для проведения спектрометрических исследований и содержит рентгеновскую линзу (23) в виде совокупности изогнутых каналов с использованием многократного полного внешнего отражения рентгеновского излучения от их стенок, установленную и выполненную с возможностью фокусирования квазипараллельного пучка излучения, средство (17) позиционирования исследуемого образца (18) для совмещения требуемой его части с областью (24) фокусирования рентгеновского излучения, детектор (19) возбужденного в исследуемом образце (18) излучения, подключенный к выходу детектора (19) спектрометрический тракт (20) и подключенное к выходу последнего средство (21) обработки и отображения информации.

РИСУНКИ