Введение к работе
з
Актуальность темы
Рентгеновская фокусирующая оптика находит применение в различных
областях рентгеновского анализа, например, в качестве объективов телескопов и
микроскопов, в аппаратуре рентгеновского структурного и спектрального анализа,
а специальной медицинской аппаратуре и т.п. Основное требование,
предъявляемое к фокусирующей оптике - это формирование пучка излучения
с необходимыми геометрическими и спектральными характеристиками.
Наиболее сложной с точки зрения расчета и проектирования рентгеновских
фокусирующих систем является аппаратура для определения
пространственной структуры биологических молекул. Изучение структурно-функциональных связей биологических систем - это важнейшая задача биологической физики. Молекулы, которыми занимается биофизика, характеризуются многими особенностями, отличающими их от молекул неживой природы. Будучи макромолекулами, белки и нуклеиновые кислоты не являются статическими системами, в отличие от макромолекул синтетических полимеров. Это динамические системы, поведение которых определяется положением и функцией каждого элемента, образующего молекулу. Сложность проектирования фокусирующих устройств для рентгеноструюурного анализа связана с особенностями биологических макромолекул:
большая молекулярная масса (10s...106 дальтон );
большие периоды повторяемости;
- низкая рассеивающая способность биологических объектов, состоящих из
легких атомов, таких, как C,N,O.H;
малое по сравнению с неорганическими веществами время жизни под рентгеновским излучением, связанное с радиационными повреждениями молекул;
большая мозаичность.
В аппаратуре для исследования структуры биологических объектов рентгено-оптическая система должна формировать первичный пучок с высокой степенью монохроматизации, максимальной удельной интенсивностью и с минимальной угловой расходимостью. Кроме того, рентгеновские фокусирующие устройства допжиы обеспечивать высокую стабильность взаимного расположения и формы рабочих поверхностей оптических элементов.
Учитывая вышесказанное, можно заключить, что разработка методов расчета рентгеновских фокусирующих систем является актуальной научно-технической задачей.
Целью настоящей работы является разработка методов расчета конструктивных параметров рентгеновских фокусирующих систем, предназначенных для работы в аппаратуре рентгено-структурного анализа биологических объектов.
Для разработки методов расчета необходимо было решить следующие задачи:
-
Усовершенствовать методы расчета конструктивных параметров рентгеновских фокусирующих устройств со стационарным профилем;
-
Создать методики расчета упругодеформированных фокусирующих монохроматоров с переменным поперечным сечением;
-
Провести сравнительный анализ различных вариантов таких устройств и выработать практические рекомендации для применения тех или иных систем в зависимости от требований, предъявляемых к проектируемой аппаратуре рентгено-структурного анализа.
-
Разработать алгоритм расчета хода действительных лучей в асферических системах скользящего падения;
-
Разработать алгоритм расчета хода действительных лучей во внеосеовых асферических системах, не имеющих оси симметрии.
На базе решения этих задач в работе созданы основы теории расчета рентгеновских фокусирующих устройств, предназначенных для работы в аппаратуре рентгено-структурного анализа биологических объектов.
Методы исследования. В работе проведено математическое моделирование различных рентгено-оптических систем. Выполнено физическое моделирование конструкций рентгеновских фокусирующих систем. Результаты физического моделирования подтвердили корректность математических моделей. По результатам математического и физического моделирования были разработаны реальные конструкции рентгено-оптических систем.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методики расчета конструктивных параметров рентгеновских фокусирующих устройств со стационарным профилем, а также упругодеформированных фокусирующих монохроматоров с переменным поперечным сечением.
-
Алгоритм расчета хода действительных лучей в асферических системах скользящего падения.
3. Алгоритм расчета хода действительных лучей во внеосеовых асферических системах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Проведен сравнительный анализ различных вариантов фокусрующих систем и даны рекомендации по их применению.
-
Разработаны методики расчета конструктивных параметров зеркальных фокусирующих устройств, построенных на основе поверхностей второго порядка (эллипсоида вращения, коаксиально расположененых гиперболоида и эллипсоида, двух коаксиально расположененых параболоидов).
-
Разработаны методики математического моделирования фокусирующих систем, состоящих из двух и четырех упругодеформированных цилиндрических зеркал и упругодеформированного монохроматора с переменным поперечным сечением.
Практическая ценность работы состоит в том, что систематизированы методики расчета различных типов рентгеновских фокусирующих устройств, предложены инженереные решения фокусирующих рентгено-оптических систем, разработана конструкция системы, состоящей из четырех упругодеформированных цилиндрических зеркал, разработано програмное обеспечение для расчета хода действительных лучей.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Диссертация является обобщением результатов, полученных при разработке и конструировании рентгеновских фокусирующих систем в специальном конструкторском бюро рентгеновского и кристаллооптического приборостроения, и при эксплуатации этих систем в лаборатории структуры белка института кристаллографии и в институте биологической физики (г.Пущино). Програмное обеспечение для расчета хода действительных лучей через асферические системы "скользящего" падения установлено на компьютер в лаборатории кафедры прикладной оптики и может быть использовано студентами для расчета оптических систем при изучении курса "Прикладная оптика".
Достоверность полученных в работе выводов и рекомендаций подтверждается результатами математического и физического моделирования.
Апробация работы.
Основные положения работы и отдельные разделы диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной оптики МИИГАиК. Разработан и внедрен на 2 Государственном подшипниковом заводе (ныне АООТ
6 "ШПЗ") рентгеноструктурныи анализатор, предназначенный для исследования
структуры приповерхностного слоя дорожек качения шариковых подшипников,
содержащий фокусирующую четырехзеркальную систему, что подтверждается
актом о внедрении.
Разработана и внедрена в практику на научно-производственной фирме
"ЭКТОПУС" рентгеновская фокусирующая система для прецессионной камеры,
содержащая четыре зеркала, попарно расположенных во взаимно
перпендикулярных плоскостях, что подтверждается актом о внедрении.
Публикации.
По теме диссертации получены два авторских свидетельства и один патент на изобретения.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 155 страниц машинописного текста (в том числе 8 таблиц и 21 рисунок). Список литературы включает 32 наименования, из них 18 на иностранных языках.
