Содержание к диссертации
Введение
Глава 1
1.1 Фокусировка рентгеновских лучей и получение изображения 9
1.2 Развитие преломляющей рентгеновской оптики 12
1.2.1 Первая идея 12
1.2.2 Составная Преломляющая Линза 13
1.2.3 Современное состояние 14
Глава 2 Ззаимодействие излучения с веществом
2.1 Модель вынужденных колебаний 18
2.2 Комплексный показатель преломления 19
2.3 Декремент коэффициента преломления 20 :
2.4 Поглощение 22
2.5 Коэффициенты для соединений веществ 23
2.6 Заключение 24
Глава 3 Составная Преломляющая Линза
3.1 Теория фокусировки рентгеновских лучей составной линзой 25
3.2 Сферическая аберрация 29
3.3 Отношение интенсивностей 29
3.4 Эффективность фокусировки 31
3.5 Усиление, как функция свойств материала 32
3.6 Коэффициент передачи 32
3.7 Применяемые материалы 34
Глава 4 Составная преломляющая линза со сферическим профилем
4.1 Предварительный расчет 37
4.2 Термостабилыюсть 38
4.3 Влияние разориентации отдельных линз на качество составной линзы 39
4.4 Ray-Tracing 40
4.4.1 Допущения и аппроксимации 40
4.4.2 Ray-Tracing алгоритм 41
4.4.3 Ray-Tracing результат 42
4.5 Конструкция линзы 44
4.6 Метрология 47
4.7 Эксперимент 47
4.7.1 Экспериментальная установка 48
4.8 Результаты 50
4.9 Влияние хроматической аберрации 51
4.10 Влияние поглощения в материале линзы 53
Глава 5 Фокусирующий кристалл-монохроматор
5.1 Введение 56
5.2 Теория фокусировки 57
5.3 Сагиттальное отклонение в случае основной асимметричной дифракции 59
5.4 Расчет 61
5.5 Конструкция и изготовление 63
5.6 Метрология поверхности 63
5.7 Подавление высших гармоник 65
5.8 Эксперимент 69
5.9 Результат 71
Глава 6 Сагиттальная фокусировка в случае Лауэ - дифракции
6.1 Теория 73
6.2 Расчет 76
6.3 Конструкция и изготовление 78
6.4 Эксперимент 81
6.5 Результат 83
7 Заключение 85
8 Приложение
Расчет спектральной интенсивности 90
9 Ссылки 92
- Фокусировка рентгеновских лучей и получение изображения
- Теория фокусировки рентгеновских лучей составной линзой
- Влияние разориентации отдельных линз на качество составной линзы
- Сагиттальное отклонение в случае основной асимметричной дифракции
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Рентгеновский анализ играет важную роль во многих областях науки и технологии. Рентгеновская дифракция, рефлектометрия и флуоресцентный анализ - мощные инструменты в полупроводниковой промышленности, исследовании материалов, геологии, биологии и медицине.
С момента открытия рентгеновского излучения, разрабатываются различные методы его фокусировки для применения в методах рентгеновского анализа с высоким пространственным разрешением. Это становится все более и более важным в областях, связанных с миниатюризацией различных объектов. В наше время, для этого требуется применение методов, обеспечивающих пространственное разрешение на микронном и суб-микронном уровне.
Так как, рентгеновское излучение, как и видимый свет - является частью электромагнитного спектра, то представляет интерес применить его для получения высококачественных изображений, что объясняется короткой длиной волны и следовательно - высоким пространственным разрешением. В противовес электронной микроскопии - рентгеновская микроскопия может исследовать образцы в их естественном состоянии (жидкость, газ). Кроме того, это дает возможность наблюдения не только поверхности, но и внутренней структуры. В области мягкого рентгена, в рентгеновской микроскопии используют Френелевские зонные пластины - которые хорошо работают в этом диапазоне.
Целью диссертационной работы являлись разработка и применение устройств фокусировки синхротронного излучения, испускаемого источниками СИ второго поколения обладающих высокой расходимостью пучков.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие конкретные задачи.
Определить эффективные методы фокусировки излучения коротковолнового и длинноволнового диапазона.
Провести теоретическое изучение свойств преломляющей линзы с использованием законов геометрической оптики и дифракционной теории. Оценить соответствие результатов полученных при рассмотрении разных теорий.
3. Исходя из рассмотрения влияния различных факторов на свойства преломляющей рентгеновской линзы, определить подходы для достижения максимального размера апертуры линзы.
4. Изготовить составную преломляющую линзу, обладающую широкой апертурой
Провести испытания составной преломляющей линзы с использованием синхротронного излучения испускаемого источником второго поколения. Провести оценку соответствия результатов эксперимента и теории.
С использованием динамической теории дифракции изучить возможности дифракционной оптики для фокусировки длинноволнового рентгеновского излучения.
Изготовить фокусирующие элементы принцип действия, которых основан на эффекте дифракции.
Провести эксперимент по фокусировке синхротронного излучения. Изучить влияние состояния поверхности кристалла взаимодействующей с излучением на эффективность фокусировки.
Научная новизна работы
Опробован и получил подтверждение метод получения 2D составных преломляющих линз обладающих широкой апертурой. Такая возможность предоставляется либо при использовании материала с низким Z или большим радиусом кривизны поверхности линзы. В данной работе использованы обе возможности.
Проведен теоретический анализ свойств составной линзы с применением разработанной программы основанной на алгоритме Ray Tracing, (метод геометрической оптики), а так же проведен анализ свойств линзы с использованием дифракционной теории. Для решения задачи в рамках этой теории используется метод пропагаторов, позволяющий рассчитать полный профиль распределения интенсивности излучения и фазы волны на любом расстоянии от фокусирующей системы.
Разработан алгоритм коррекции изображений, получаемых линзами со сферическим и параболическим профилем поверхности. Подходы геометрической оптики, использованные в этом алгоритме, позволяют рассчитать траектории различных лучей с возможностью их отклонения на многочисленных границах объекта, а также рассчитать поглощение излучения вдоль найденной траектории и спрогнозировать возможные искажения, вносимые в изображения, получаемые с использованием рефракционных линз. 4. Для минимизации потерь при фокусировке длинноволнового рентгеновского излучения, предложены и испытаны фокусирующие кристаллы-монохроматоры: принцип действия которых основан на дифракции, в отличие от линз, использующих эффект рефракции и эффективность которых уменьшается при работе с длинноволновой частью, ввиду его высокого поглощения при прохождении в материале.
Практическая и научная ценность работы
Предложенная шпрокоапертурпая линза используется в качестве эффективного фокусирующего элемента для формирования микропучков, при работе с источниками СИ второго поколения, обладающих высокой расходимостью пучка. С использованием данной линзы для построения изображения источника излучения проведена настройка магнитной системы накопителя с целью получения минимального поперечного размера источника излучения.
Разработанный программный комплекс может быть использован для теоретического исследования мульти-линзовых систем, заключающегося в анализе распределения пучков в линзах с различным профилем фокусирующей поверхности и наблюдении структуры формируемых изображений. Кроме того, данная программа позволяет изучать влияние различных факторов (профиля линзы, неравномерности поглощения излучения в материале линзы, шероховатости поверхности), приводящих к искажению изображений.
На примере фокусирующих кристаллов показана возможность создания интегрированного устройства, выполняющего несколько функций. Подобное объединение позволяет уменьшить число оптических компонентов взаимодействующих с пучком, что упрощает настройку оборудования и как следствие - повышает эффективность использования излучения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Предложенный метод решения задачи получения широкоапертурных линз, позволяет достигать размера апертуры линзы, сопоставимой с размером источника СИ.
Разработанный метод коррекции, основанный на алгоритме Ray Tracing, учитывающий неравномерное поглощение излучения в материале - улучшает качество восстановленных изображений.
Предложенные фокусирующие кристаллы-монохроматоры, уменьшают число оптических элементов и повышают эффективность фокусировки в области мягкого рентгеновского излучения.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов. Материал изложен на 98 страницах, включает 64 рисунка, 4 таблицы и библиографический список из 49 наименований.
В главе 1 рассматриваются способы фокусировки рентгеновского излучения. Новым оптическим устройством является CRL (Compound Refractive Lens - Составная Преломляющая Линза). CRL применяются в диапазоне от 8 до 100 keV (жесткое рентгеновское излучение), где другие устройства работают не эффективно. Благодаря их узкой оптической направленности и малым габаритам - процесс ориентировки относительно пучка не вызывает затруднений. История идеи о фокусировке излучения преломлением, а так же современное состояние приведено в главе 3. В главе 4 рассматривается взаимодействие излучения с веществом и некоторые физические явления, влияющие на работу линзы. Так же рассмотрен принцип фокусировки рентгеновского излучения составными преломляющими линзами и их оптические свойства.
Представляет значительный интерес, возможность интегрирования нескольких оптических устройств, выполняющих разные функции в одно. Рассмотрению этой идеи и ее практической реализации на примере сагиттальной фокусировки по Брэггу и Лауэ, посвящена вторая часть работы.
Работа по исследованию составной преломляющей линзы была выполнена в Российском Научном Центре "Курчатовский Институт". Полученная линза используется как часть рентгеновского микроскопа обладающего высоким пространственным разрешением. К настоящему времени разработаны несколько вариантов CRL, которые успешно используются как для получения изображений, так и в качестве коллиматора для получения параллельных пучков. Линзы, описанные в большинстве опубликованных работ, имеют малые апертуры, порядка ста микрон и применяются в источниках СИ третьего поколения. Основными излучателями на источниках СИ третьего поколения являются вставные излучатели - ондулляторы. Именно на ондулляторном излучении были получены наиболее эффектные результаты с рентгеновскими линзами. Ондуляторное излучение имеет очень малую расходимость и линзы, обладающие малой апертурой, порядка ста микрон, оказываются достаточно эффективными. Около 25 источников СИ в мире, являются источниками второго поколения. Основными источниками излучения на накопителях второго поколения являются поворотные магниты или змейки, излучение из которых обладает существенно большей расходимостью по сравнению с ондуляторами. Именно поэтому так важно иметь рентгеновские линзы, обладающие относительно большой апертурой. Вторая часть, посвященная дифракционной оптике, и фокусировке длинноволнового рентгеновского излучения выполнена совместно с институтом Физики, Чешской Академии Наук (Прага).
Фокусировка рентгеновских лучей и получение изображения
Первая попытка в получении изображения или, по крайней мере, фокусировка рентгеновских лучей - была предпринята с использованием изогнутых зеркал, что обуславливается высоким коэффициентом отражения в положении Брэгга изогнутого кристалла [1] (для монохроматического излучения), или с применением эффекта полного внешнего отражения [2]. Зеркалам на основе монокристаллов присуща низкая общая интенсивность отражения, что является следствием узкого диапазона длин волн, удовлетворяющих условию Брэгга. Кроме того, они обладают сильным астигматизмом -вызванным малым углом наклона ( 0.5) [3]. Рис. 1.1.1 иллюстрирует этот эффект.
В 1948 г. Киркпатрик и Байец (Kirkpatrick and Baez) представили устройство, состоящее из двух цилиндрических зеркал. Зеркала располагались одно за другим вдоль оптической оси и перпендикулярно относительно друг друга, что позволяло производить фокусировку по двум направлениям и избежать астигматизма [4]. Дальнейшее развитие тонкопленочной технологии позволило получать многослойные зеркала [5], [6], [7], [8]. Эти зеркала используют принцип Брэгга для отражения от слоев искусственно созданной микроструктуры - являющейся чередованием слоев материалов с высоким и низким Z, такими как вольфрам и углерод. Толщина одного слоя составляет несколько ангстрем. Угол падения в несколько раз больше в сравнении с зеркалами на основе полного внешнего отражения (зависит от толщины слоев) и обладают более широким энергетическим спектром, чем зеркала из монокристаллов, что увеличивает интегральную интенсивность. Однако, зеркала имеют одно сильное отрицательное свойство: заключающееся в отклонении отраженного пучка от первоначального направления и следовательно - более трудоемкому процессу юстировки оптической системы.
Френелевские зонные пластины лишены такого недостатка, что позволило им стать мощным инструментом в физике рентгеновских лучей. В оптике видимого света, они представляют слабый интерес ввиду их низкой эффективности, высокой хроматичности и созданию значительного фона, но в области мягкого рентгена они являются идеальным инструментом для микроанализа. В области жесткого рентгена, применение зонных пластин затруднено ввиду сложности их конструкции. Зонные пластинки состоят из чередующихся непрозрачных и прозрачных колец Рис. 1.1.2. Теоретическая эффективность составляет примерно 10%.
Другими устройствами, относящиеся к классу зонных пластин являются фазовые зонные пластины [9], [10] и Брэгг - Френелевские линзы [11], [12], [13], [14]. В теории, эффективность много больше, чем у Френелевских пластинок, и может достигать 40%. Оба типа: Френелевские зонные пластины и фазовые пластины, не эффективны для энергий выше 20 keV.
Брэгг - Френелевские линзы, работают подобно фазовой пластине, но на эффекте отражения, а не пропускания. Зоны так же формируют различие фаз на /г при помощи различия в рельефе отражающей поверхности (Рис. 1.1.3) . Различие в оптической длине лучей (AS), отраженных от z=0 и z= h, определяется следующей зависимостью: согласно закону Брэгга. Поэтому. Брэгг - Френелевские линзы могут применяться непосредственно с белым излучением, без монохроматора. Они могут быть использованы на энергиях до 100 keV [15]. Подобно зеркалам, изменяют первоначальное направление лучей, и угол отражения зависит от энергии падающего излучения.
Другим устройством, применяемым только для получения микрофокусировки -является сужающийся капилляр (Рис. 1.1.4).
С его помощью невозможно получить изображение. В первом приближении, размер сфокусированного пятна будет определяться диаметром капилляра на выходе, что позволяет получать субмикронный размер [16], [17]. Для увеличения интенсивности в сфокусированном пятне, увеличивают входную апертуру: объединяя несколько капилляров вместе. К недостатку капилляра можно отнести то, что пучок на выходе имеет сильную расходимость и поэтому, образец должен располагаться непосредственно у его выхода, что в некоторых экспериментах приводит к затруднению в расположении средств детектирования. Так же ввиду сильной расходимости, невозможно применение капилляров в экспериментах микродиффракции.
В своих опытах Рентген пытался использовать преломляющие оптические элементы для получения изображения и фокусировки излучения. Но, ввиду незначительного преломления и несовершенства методик измерения, Рентген не смог зафиксировать этот эффект, и на основании этого было сделано заключение, что лучи не преломляются, и следовательно преломляющие линзы не могут быть применены для фокусировки и получения изображения. Далее, возможность применить эффект преломления для фокусировки рентгеновского излучения была снова высказана Киркпатриком (Kirkpatrick) в 1949году [18] .И на тот период этот метод был снова признан неэффективным. Дело в том, что преломляющие линзы, используемые в оптике видимого света неприменимы для работы в рентгеновском диапазоне. Это вызвано тем, что коэффициент преломления рентгеновского луча отличается от единицы всего на 10"5- 10"6, а так же большого коэффициента поглощения в материале линзы.
Теория фокусировки рентгеновских лучей составной линзой
Так как все вещества являются поглотителями в рентгеновском диапазоне - важно рассмотреть распространение излучения через вещество с точки зрения поглощения. Очевидно, что минимальное расстояние d между двумя поверхностями, расположено вдоль оптической оси линзы. Предположим, что луч распространяется параллельно этой оси, но смещен на некоторую величину х.
Аппроксимируя профиль поверхности около оптической оси как параболический, получим зависимость коэффициента передачи проходящего излучения через такую линзу для области, ограниченной величиной х и не превышающей радиус кривизны R. где ls длина ослабления, определяемая рассеянием. Среднеквадратичная величина апертуры 2 является одной из важнейших характеристик линзы. Она зависит от фокусного расстояния, энергии фотонов и Z (для чистых материалов), но не зависит от их плотности. Линзы из графита и алмаза будут иметь одинаковые апертуры для данной энергии и фокусного расстояния, однако будут иметь разное число элементарных линз, обратно пропорционально плотности. При достаточно низкой энергии ослабление излучения, вызванное абсорбцией 4лрА. преобладает над рассеянием /, и 2 преобразовывается в В области высоких энергий, где основной вклад в поглощение вносит Комптоновское рассеяние, которое пропорционально Z и стремиться к При прохождении через линзу с параболическим профилем пучка, подчиняющегося распределению Гаусса, обладающего неким среднеквадратичным размером о и пренебрегая несфокусированной частью излучения, общий коэффициент передачи Т(х0) может быть записан как Выражения (3.6.5) - (3.6.7) могут быть применены и в случае сферического профиля поверхности, если среднеквадратичная величина а или апертура меньше радиуса кривизны R. Следствием из вышесказанного является то, что, изменяя радиус кривизны можно влиять на коэффициент передачи. Распространение пучка через линзу с малым радиусом кривизны ограничено апертурой, в то время как потери вызванные поглощением излучения характерны для профиля с большим радиусом кривизны. Естественно, это утверждение справедливо для эквивалентных фокусных расстояний, т. к. во втором случае увеличивается число элементарных линз и, следовательно, увеличивается расстояние, преодолеваемое излучением в материале. Преобразовав выражение (3.6.5) можно получить зависимость коэффициента пропускания Т как функцию от к, или вычислить оптимальные величины радиуса кривизны Ropt и Тор1. Как следует из вышесказанного - предпочтение необходимо отдавать материалам с низким Z. В этом пункте рассматриваются другие, не менее важные свойства материалов, оказывающих влияние на качество линзы. Неоднородность материала, при прохождении через него рентгеновских лучей -является причиной возникновения негативного эффекта - малоуглового рассеяния. Этот эффект приводит к возникновению фона и "размытию" фокусного пятна. Такой неоднородностью может являться локальное изменение плотности, т. е. поры или трещины, а в случае композита - флуктуация в соотношении компонентов. Очевидно, что материалы, обладающие высоким значением малоуглового рассеяния непригодны в качестве материала для линзы. По аналогии с оптикой видимого света - это означает, применить для линзы матовое стекло. Другим важным параметром для материала линзы является его стабильность в рентгеновском пучке. Фотоны высоких энергий разрушают химические связи в материале. Металлы восстанавливаются благодаря наличию в них свободных электронов, в диэлектриках, не имеющих свободных электронов - происходит накопление дефектов, вызывающих постепенное разрушение. Поэтому использование пластиков, относящихся к классу диэлектриков на первый взгляд не желательно. Однако, это справедливо в случае применения линзы для фокусировки излучения испускаемого ондулятором, которое представляет собой пучок малого диаметра (менее 1мм), обладающего высокой интенсивностью и малой расходимостью, в этом случае пластик разрушается в течении нескольких часов. В случае фокусировки излучения, получаемого от поворотного магнита, где интенсивность излучения на порядок ниже, чем у ондулятора - время работы линзы увеличивается на порядок. Еще одна характеристика материала - это простота обработки и технологичность. С точки зрения получения высокого коэффициента передачи, литий (2=3) представляется как лучший выбор. Но это вещество ввиду высокого окисления должно храниться, обрабатываться и эксплуатироваться в сухой и инертной атмосфере. Кроме того, литий обладает низкой вязкостью и высокой адгезией, что вызывает затруднение в получении поверхности с высокой чистотой обработки. Следующий материал в периодической таблице - бериллий (Z=4). Бериллий обладает высокой твердостью и хрупкостью при комнатной температуре и вдобавок - токсичен. РІсходя из его механических свойств, обработку можно проводить сверлением или электро-эррозией. Штамповку бериллия возможно произвести при температуре выше 800 С. Бор (Z=5) и его соединения характеризует высокая твердость и обработка возможна только электро-эррозией. Кроме того, значительное число соединений обладают высоким малоугловым рассеянием. Углерод (2=6) так же обрабатывается электро-эррозией и сверлением. Магний {2,=12)- хрупкий при комнатной температуре, но может быть обработан штамповкой при температуре 400 С в инертной атмосфере. Алюминий {2=14), самый высокотехнологичный и легко обрабатываемый материал, но обладающий самым высоким поглощением из всех рассмотренных. В итоговой таблице обобщены и кратко рассмотрены различные материалы с точки зрения устойчивости к синхротронному излучению и простоты или трудности их механической обработки.
Влияние разориентации отдельных линз на качество составной линзы
Это распределение так же можно получить из изображения, приняв во внимание, что оно уменьшено в соответствии с коэффициентом r/rs. Из рисунка видно, что размеры и их отношение, полученные из изображения, не соответствуют размерам реального источника: FWHM горизонтальный dh = 336 тс, вертикальный dv = 200 тс. Отношение d//dv = 1.68. Таким образом, можно сделать следующее утверждение: для определения размера источника из его изображения - необходимо внести поправку на поглощение в линзе. Применим это утверждение к полученному в эксперименте изображению. Тогда, размеры FWHM источника излучения составляют: горизонтальный dh = 2.3 mm, вертикальный dv =1.1 тт. Отношение d//dv -2.1.
Здесь необходимо сделать одно важное замечание. Данная корректировка может применяться только в том случае, если размер источника меньше эффективной апертуры линзы и линза выполнена из материала с низким Z.
Фокусировка длинноволнового рентгеновского излучения с помощью рефракционной оптики мало эффективна ввиду его сильного поглощения при прохождении через материал. В этом случае представляется вполне логичным решением применить иной физический эффект для построения фокусирующего элемента. Одним из таких эффектов - является дифракция рентгеновских лучей монокристаллом. Дифракция -наиболее исследованное явление и технология обработки достаточно отработана. Кроме того, используя в качестве материала монокристалл - можно осуществить интеграцию нескольких отдельных устройств выполняющих разные функции в один, что приведет к уменьшению количества элементов взаимодействующих с излучением. Следствием является: простота настройки оптической схемы, минимизация потерь и увеличение эффективности. Подобную интеграцию можно осуществить, объединив в одном устройстве, монохроматор и фокусирующий элемент. В этой части работы будет рассмотрена реализация подобного устройства на примере сагитально фокусирующего кристалла в случае Брэгг и Лауэ дифракции. Однако, необходимо отметить, что Лауэ дифракция все же подразумевает распространение излучения через вещество, поэтому подобный элемент все же предпочтительно применять для коротковолнового диапазона.
С точки зрения геометрии, дифракция рентгеновских лучей по Брэггу от симметричного монокристалла представляется как отражение от зеркала. В этом случае угол между падающим лучом и поверхностью кристалла эквивалентен углу между поверхностью и дифрагированным лучом, и оба луча находятся в плоскости перпендикулярной дифракционной. Но, это не выполняется, если поверхность кристалла не параллельна кристаллографическим плоскостям. В этом случае наблюдается отклонение от модели зеркала. Здесь имеют место два крайних случая. Первый, падающий луч находится в плоскости, перпендикулярной поверхности кристалла и его дифракционным плоскостям. Это случай асимметричной дифракции по Брэггу. Второй, поверхность повернута относительно нормали к плоскостям дифракции на угол 90 . Этот случай называется наклонной дифракцией. Если угол поворота отличен от 90, имеется комбинация асимметричного и наклонного случаев. Пример двух крайних случаев: наклонной и асимметричной дифракции, полихроматического пучка, представлен на Рис. 5.1.1.
Этот эффект получил название эффект дифракции - рефракции и может быть объяснен с применением динамической теории дифракции рентгеновского излучения в монокристалле [40]. Подобное сочетание можно использовать для построения устройств, одновременно выполняющих две функции: как монохроматора, так и фокусирующего элемента.
Более точно, в случае асимметричной дифракции по Брэггу, не только угол между падающим пучком и поверхностью отличается от угла между дифрагированным пучком и поверхностью, но так же угол между падающим пучком (более точно - центром области дифракции) и кристаллографическими плоскостями (0Д+Д0„).
Сагиттальное отклонение в случае основной асимметричной дифракции
Предложен метод получения 2D составных преломляющих линз обладающих широкой апертурой. Такая возможность предоставляется при использовании материала с низким Z или большим радиусом кривизны поверхности линзы. В данной работе использованы обе возможности. В качестве материала линзы был выбран стеарин: в состав, которого входят элементы с малым Z, а так же ввиду простоты его обработки. Применение широкоапертурных линз для фокусировки пучка, обладающего высокой расходимостью (синхротронные источники второго поколения, самые многочисленные), или при большом расстоянии от источника излучения до места, где возможно поместить экспериментальное оборудование: позволяет более эффективно использовать излучение. Фокусировка может с успехом заменить процесс обычного коллимирования, интенсивность излучения в пятне при этом будет выше. Поскольку 2D линза является изображающей, представляется интерес в создании на её основе рентгеновского микроскопа, что обеспечит более высокое пространственное разрешение по сравнению со световой микроскопией. Устройство и принцип работы, которого показан на Рис.
В оптике видимого света получить фокусное расстояние порядка 1 мм. не вызывает особых затруднений, поэтому габаритные размеры таких микроскопов не велики. В рентгеновской же оптике фокусные расстояния составляют порядка 1 м. И при получении разумного увеличения в 10-20 крат изображение будет строиться на расстоянии L2 =10 - 20м. Если же образец вращать вдоль оси, перпендикулярной падающему пучку, предоставляется возможность получить трехмерное изображение внутренней структуры исследуемого образца, т.н. микротомография.
С помощью созданной линзы впервые было получено изображение одного из источников синхротронного излучения накопительно-ускорительного комплекса Сибирь-2. Полученные данные явились существенной информацией для оптимизации работы источника. Другим направлением данной работы, являлась разработка фокусирующей оптики для длинноволнового участка рентгеновского излучения. Здесь основная проблема заключается в высоком поглощении излучения в материале. Очевидно, что наряду с эффективной фокусировкой необходимо принять меры направленные на минимизацию потерь, вызванных поглощением. В этом случае, для фокусировки представляется целесообразным применить эффект дифракции вместо рефракции. Используя это явление, был предложен фокусирующий кристалл - основанный на эффекте дифракции по Брэггу. Другим элементом, более пригодным для коротковолнового диапазона является монокристалл использующий эффект Лауэ дифракции. Кроме того, использование монокристалла позволяет объединить несколько рентгенооптических элементов в одно устройство, что так же способствует повышению эффективности использования излучения. Подобная интеграция выражается в том, что фокусирующий элемент на основе монокристалла кремния выполняет так же функцию монохроматора -уменьшая тем самым общее число элементов взаимодействующих с излучением. Однако, при изготовлении подобной оптики необходимо учитывать один важный момент, от которого напрямую зависит эффективность фокусировки - это состояние поверхности после обработки, которая должна иметь вид зеркала, т.е. отсутствовать следы механической обработки, что достигается полировкой.
Применительно к дифракционной оптике, значительный интерес представляется в возможности изменения фокусного расстояния, независимо от длины волны излучения, и как следствие, если это необходимо - поддерживать постоянное фокусное расстояние. Для преломляющей оптики это не вызывает затруднений: можно менять число элементарных лпнз в держателе. Это самый простой и быстрый способ, позволяющий производить соответствующие манипуляции непосредственно при прохождении пучка и наблюдать результат. В дифракционной оптике это возможно только изменением радиусом кривизны поверхности. В простейшем случае для этого необходимо иметь несколько кристаллов с разным профилем и менять их по мере необходимости, или во втором варианте: изгибать тонкий кристалл. В первом случае процесс смены кристаллов довольно трудоемкий и длительный, кроме того, они могут быть механически повреждены. Второй вариант, как говорилось выше, требует прецизионных механизмов. Но есть другой способ: (Рис. 7.2) заключающийся в придании фокусирующей поверхности конического профиля.
В этом случае одновременно с поворотом на требуемый угол Брэгга, кристалл можно перемещать вдоль продольной оси, так, что пучок будет падать на участки с разной кривизной поверхности. Таким образом, появляется возможность поддержки или произвольного
По результатам анализа способов фокусировки рентгеновского излучения определены предпочтительные способы для коротковолнового и длинноволнового диапазонов. В коротковолновой области, для получения малых фокусных расстояний, предпочтение отдается рефракционным линзам. Различные типы линз и материалов, применяемых для их изготовления, простота в эксплуатации, позволяют удовлетворить большинство потребностей в аппаратном обеспечении большинства экспериментов. Иной подход применяется при фокусировке длинноволнового рентгеновского излучения. В этом случае предпочтение отдается оптике, принцип работы которой основан на эффекте дифракции.
Для получения составных широкоапертурных преломляющих линз, предложен технологичный и нетоксичный в отличие от бериллия материал с малым атомным номером. На стадии изготовления линзы проведено исследование причин, способных вызвать искажение фокусирующей поверхности при применении пластичных материалов.
Для анализа свойств линз с применением методов геометрической оптики разработана программа, моделирующая изменение траектории луча при прохождении границы раздела двух сред. Модифицированная версия данной программы используется для исследования свойств сложных многолинзовых систем, т.н. рентгеновских объективов.
По аналогии с оптикой видимого света, рассмотрены различные виды аберраций и причины их возникновения, при работе с рентгеновским излучением. Идеальным, свободным от аберраций является параболический профиль. Несмотря на это, линзы, с отличным от параболического профиля поверхности могут использоваться для получения высококачественных изображений. Для этого падающий на линзу пучок необходимо коллимировать до поперечного размера много меньше радиуса кривизны линзы.
