Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Появление новых мощных источников жесткого рентгеновского излучения, таких как: источники синхротронного излучения третьего поколения (Spring-8 (Япония), European Synchrotron Radiation Facility (Франция), Advanced Photon Source (США)) и микрофокусных рентгеновских аппаратов, выпускаемых фирмами Siemens, Philips, Kevex, стимулировало работы по преломляющей оптике для жестких рентгеновских лучей. Поскольку показатель преломления вещества для рентгеновских фотонов меньше единицы, то фокусировка рентгеновского излучения может быть осуществлена при помощи двояковогнутой линзы. Однако, расчеты показывают, что фокусное расстояние такой линзы составляет величину 50-100 м, которая является слишком большой для каких-либо практических применений. Этот факт являлся основой для широко распространенного убеждения, что преломляющая оптика для рентгеновских лучей невозможна.
Попытки уменьшить фокусное расстояние линзы привели к созданию нового типа преломляющей рентгеновской линзы, предложенной А.Снигиревым и др. в 1996 г. Линза состоит из большого числа (10-300) двояковогнутых микролинз, изготовленных из материала с малым порядковым номером (бериллий, углерод, полимер, алюминий) и расположенных соосно. Первоначально линза была выполнена путем сверления большого количества отверстий в пластине из алюминия. Роль линз играли перешейки между отверстиями. Эксперименты, проведенные на синхротроне ESRF зо Франции, показали возможность фокусировки рентгеновских фотонов с энергией 10-15 КзВ в пятно размером в несколько микрометров. Эти работы фактически послужили толчком к началу исследований в области преломляющей рентгеновской оптики. В 1999 году появились сообщения о проведении целого ряда исследований в области физики твердого тела на синхротроне ESRF (Франция) с использованием преломляющих рентгеновских линз. Линза использовалась для получения интенсивного пучка рентгеновского излучения с энергией 15- 20 КэВ микронных размеров. Пучок обладает малой угловой расходимостью и, как было показано, может успешно применяться для методов микродифракции, флуоресцентного анализа, микротомографии. Такие исследования позволяют получить информацию об остаточных напряжениях в кристаллической решетке, о размерах области кристалла, о когерентно рассеивающей рентгеновские лучи, локальной плотности дислокаций. Особый интерес к работам в
2 области преломляющей оптики связан с возможностью создания микроскопа, работающего в жестком рентгеновском диапазоне энергий фотонов (5-50 КзВ).
К моменту постановки задачи на выполнение исследований в области преломляющей рентгеновской оптики наиболее перспективной виделась проблема разработки и создания двухмерных преломляющих линз, которые, в отличие от линз, предложенных А.Снигиревым и др., могли бы оказаться пригодными не только для фокусировки излучения, но и для формирования изображения объектов в рентгеновских лучах. Разработка таких линз включает выбор материала для линзы, разработку методики ее изготовления, проведение большого количества расчетов рентгенооптических параметров фокусирующих систем, а также получение определенного опыта работы по практическому использованию лииз для целей рентгеновской микроскопии. Все это, как казалось на момент постановки задачи на исследование, должно заложить надежный базис для развития исследований в области изображающей оптики для жестких рентгеновских фотонов. Поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.
Связь работы с крупными научными программами, темами Диссертационная работа выполнялась с 1997 по 2000 годы на кафедре физической электроники Белорусского государственного университета и в лаборатории элионики НИИ прикладных физических проблем им. А.Н.Сезченко в соответствии с плановыми научными исследованиями в рамках НИР "Конусообразный микрокапилляр -новый элемент рентгеновской оптики" и "Изображающая оптика для жестких рентгеновских лучей" Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь (проекты Ф 97-036 и Ф 99-056 соответственно).
Цель и задачи исследования
Цель работы состоит в разработке метода изготовления преломляющей рентгеновской линзы для фотонов с энергией 5-50 КэВ, в исследовании особенностей формирования микропучков рентгеновского излучения указанной линзой, а также в изучении возможности применения преломляющей оптики для получения изображения тестовых объектов в жестких рентгеновских лучах.
Объект и предмет исследования
В работе исследовалась система упорядочение расположенных
двояковогнутых линз, изготовленных из материала слабо
поглощающего рентгеновское излучение. Исследовались
з конусообразные стеклянные микрокапилляры, изготовленные методом вытяжки из расплава под действием силы тяжести.
Изучался процесс формирования системы линз в стеклянном капилляре, а также их способность фокусировать рентгеновское излучение. Изучались возможности конусообразных микрокапилляров формировать остронаправленные пучки рентгеновского излучения.
Методология и методы проведенного исследования Методология и методы исследования основаны на теоретическом изучении процессов распространения рентгеновского излучения в веществе и преломления на границах раздела двух сред, имеющих сферическую форму. При разработке преломляющих линз использовались сведения из гидродинамики об особенностях поведения жидкостей на границе раздела двух сред. Форма поверхности линз исследовалась оптическим методом. При определении радиационной стойкости материала линзы применялись данные из теории взаимодействия ионизирующих излучений с полимерами. Экспериментальные исследования распространения рентгеновского излучения в стеклянном капилляре проводились с использованием рентгеновского дифрактометра.
Научная новизна и значимость полученных результатов
В результате выполнения настоящей работы впервые разработана методика изготовления и изготовлена многоэлементная преломляющая (микрокапиллярная) рентгеновская линза.
Разработана модель рентгеновской линзы, проведен расчет хода лучей в линзе и определены параметры линзы, обеспечивающие фокусировку рентгеновского излучения с энергией фотонов 18 КзВ в пятно размером в несколько микрометров.
Получены увеличенные в 3 раза изображения тестового объекта в жестких рентгеновских лучах с использованием разработанной линзы как объектива.
Практическая значимость полученных результатов
Результаты, полученные в ходе выполнения исследований, могут
найти применение в микроскопии объектов с использованием жестких
рентгеновских лучей и, в частности, при разработке рентгеновского
микроскопа.
Разработанная методика изготовления преломляющей линзы
может быть применена для создания объективов микроскопов,
4 обеспечивающих микронное разрешение объектов в рентгеновских лучах с энергией фотонов порядка 20 КэВ.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1 .Методика формирования системы двояковогнутых сферических микролинз с заданным радиусом кривизны, состоящая в нанесении на внутреннюю поверхность стеклянного капилляра пленки смачивающей жидкости, состоящей из легких атомов. Форма поверхности таких отвердевших полимерных капель-линз, периодически расположенных в капилляре, является сферической. Линзы, изготовленные из эпоксидного клея, являются стойкими к воздействию потока рентгеновских фотонов с энергией 18 КэВ в течении 1 ч при интенсивности потока, равной 4.8 Вт/мм2.
2,Модель для расчетов параметров многоэлементной преломляющей линзы (фокусного расстояния, продольных и поперечных аберраций, пропускания, коэффициента усиления плотности потока фотонов в фокусе системы). Расчет учитывает комплексный показатель преломления вещества п равный: n=l~(5-H(3)N, где 5, р- коэффициенты, характеризующие преломление и поглощение рентгеновских лучей в материале, N- число линз.
З.Результаты экспериментальных исследований физических свойств и определения параметров микрокапиллярной линзы для фотонов синхротронного излучения с энергией 18 КэВ. Различие в экспериментально определенных и рассчитанных значениях размера фокусного пятна связано с наличием оптически наблюдаемых неоднородностей в материале линзы. Получены увеличенные изображения тестового объекта в виде золотой сетки (толщина проволоки - 5.6 мкм, размер ячейки- 16.7 мкм) в рентгеновских лучах.
Личный вклад соискателя
В диссертации изложены результаты, полученные автором лично. Соавторы работ доктор физ.-мат. наук, чл.-корр. НАН Беларуси Комаров Ф.Ф. и кандидат физ.-мат. наук Дудчик Ю.И. являются научными руководителями. Они сформулировали задачу и участвовали в обсуждении результатов работы. Соавторы работ Кохмура И., Аваджи М., Сузуки И., Ишикава Т. проводили эксперименты с микрокапиллярной линзой на синхротроне SPring-8 в Японии и участвовали в обсуждении полученных результатов.
Апробация результатов диссертации
Большая часть результатов исследований, изложенных в диссертации, докладывалась на: Второй международной научной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", ВИТТ-97, Минск; Третьем белорусском семинаре по сканирующей зондовой микроскопии, Гродно, 1998; Второй национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов И электронов для исследований материалов,РСНЗ-99, 23-27 мая Москва; International Conference on X-ray microscope, XRM-99, Aug. 1-6, California, USA; Третьей международной научной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", ВИТТ-99, 6-8 окт. Минск; Восьмой республиканской научной конференции студентов к аспирантов по физике конденсированных сред, г. Гродно, 2000.
Опубликованность результатов
По результатам диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах, 2 статьи издано в сборниках докладов конференций и 5 работ представлено в виде тезисов докладов конференций, получено 1 положительное решение по заявке на выдачу патента Республики. Объем опубликованных материалов — 48 страниц.
Структура и объем диссертации
Диссертация содержит введение, общую характеристику работы, основную часть, состоящую из 4х глав, заключение и список использованных источников. Объем диссертации 128 печатных страниц. Диссертация содержит 55 рисунков на 55 страницах и 11 таблиц на 5 страницах. Список литературы включает 103 наименования.
