Рентгенооптические свойства поликапиллярных линз и их применение в дифрактометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Кумахов, Алим Адилевич

• Кумахов, Алим Адилевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кумахов, Алим Адилевич

Содержание

Введение

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

2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. Описание экспериментального стенда

2.2. Описание основных блоков системы

2.3. Детектирующие устройства

2.4.Моделирование прохождения РИ через поликапиллярную оптику

3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Методика измерений

3.2. Экспериментальные результаты и их интерпретация

4. АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫХ СТРУКТУР

4.1. Использование поликапиллярной оптики в классических схемах дифрактометрии

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

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

4.5. Методика эксперимента и обсуждение результатов

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рентгенооптические свойства поликапиллярных линз и их применение в дифрактометрии»

Введение

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

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

Степень ее разработанности

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

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

Практическая значимость работы

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Кумахов, Алим Адилевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

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

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

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

5. Впервые показана возможность фокусировки излучения, генерируемого мощными импульсными источниками поликапиллярной оптикой. Использование в приборах, основанных на взрывной электронной эмиссии, в качестве фокусирующей системы поликапиллярных линз и полулинз позволит обеспечить локальность исследования, увеличить концентрацию рентгеновского излучения в пятне, а также избавиться от рассеянного излучения.

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кумахов, Алим Адилевич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Kumakhov М.А. Status of polycapillary optics and perspectives // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - p. 20 - 25.

2. Кумахов М.А. Линза для управления излучением в виде потока нейтральных или заряженных частиц, способ изготовления таких линз и содержащие такие линзы аналитическое устройство, устройство для лучевой терапии и устройства для контактной и проекционной литографии // Патент № 99121277/06. - 2001.

3. Кумахов М.А. Устройство для получения рентгеновского излучения повышенной интенсивности // Патент № 2002119000/20. - 2002.

4. Kumakhov М.А. X-ray capillary optics. History of development and present status. Kumakhov optics and application. Muradin A. Kumakhov. Editor // Proceedings of SPIE. - 2000. - v. 4155. - P.2-12.

5. Compton A.H. // Philos. Mag. - 1923 -45 -1121.

6. Алиханов А.И., Арцимович Л.А. //ЖЭТФ. - 1933. -т. 3. — с. 1 15.

7. Алиханов А.И. Оптика рентгеновских лучей. // Л. - 1933.

8. http://www.nist.gov/pml/data/xraytrans/index.cfm

9. Комаров Ф.Ф. и др. // Поверхность: физика, химия, механика. - 1986 - (6) -31

Ю.Борн М., Вольф Э. Основы оптики: // Пер. с англ. - М.: Наука. - 1973. -720 с.

11 .Зеркальная рентгеновская оптика. Под ред. А.В. Виноградова. // Л.: Машиностроение, - 1989. - с. 75-1 14.

12.Kirkpatrick P. and Baez V. // J. Opt. Soc. Am., - 1948. - 38. - p. 766.

13.HowellsM. //Opt. Eng., - 1995.-34.-p. 410.

14.Chavanne J., Ellesume P., Tarazona E., Hartman Y.M., Snigireva I.I. and Snigirev A.A. // Rev. Sci. Instrum., - 1994. - 65. - p. 1959.

15.Kuznetsov S.M., Snigireva 1.1., Snigirev A.A., Engstrem P. and Riekel C. // Appl. Phys. Lett., - 1994. - 65. - p. 827.

16.Блохин М.А. Методы рентгеноспектральных исследований. // М: Изд-во физ.-мат. лит., - 1959. - 386 с.

17.Bonnelle С., Mande С., Advances in X-ray Spectroscopy. // Oxford; N. Y.: Pergamon Press, - 1982. - 423 p.

18.Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. - 2-е изд., перер. // М.: Гос. изд. технич. - теор. лит-ры, - 1957. - 518 с.

19.Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. Изд.2-е, доп. и перераб. // 1978. - 278 с.

20.Кузьмин Р.Н. Рентгеновская оптика // Соросовский образовательный журнал. - №2. - 1997. - с. 92-98.

21.Cesáreo R. X - ray physics: interaction with matter, production, detection // La Rivista del Nuovo Cimento. 2000. - v. 23. - Ser. 4. - №.7. - 234 p.

22.Кумахов М.А. Устройства для управления рентгеновским излучением и гамма-квантов//Патент № 1322888,- 1984.

23.Кумахов М.А. Линза для концентрации излучения в виде потока нейтральных или заряженных частиц со сканированием положения фокусного пятна // Патент № 2002109024/20. - 2002.

24.Kumakhov М.А. Polycapillary optics and its applications. // Proceedings of SPIE. - 2004. - v. 5943. - P. 102-116.

25.Cheremisin S.M., Gruev D. I., Zaitsev D.V. X-ray transmission of Kumakhov polycapillary lens up to 50 keV. // Proceedings of SPIE. - 2004. - v. 5943. -p. 175-180.

26.Болотоков А.А., Зайцев Д.В., Лютцау А.В., Щербаков А.С. Поликапиллярная оптика Кумахова и аналитические приборы на ее основе. // Аналитика. - 2012. №4 - с. 14-23.

27.Аркадьев В.А., Кумахов М.А. Многократное отражение рентгеновского излучения на изогнутой поверхности // Поверхность: физика, химия, механика, - 1986.-№10. - с. 25 - 32.

28.Лютцау А.В., Болотоков А.А, Ибраимов Н.С., Лихушина Е.В., Зайцев Д.В., Никитина С.В. Поликапиллярная оптика Кумахова и ее применение. // Отчет ИРО.

29.Аркадьев В.А., Коломийцев А.И., Кумахов М.А., и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. // УФЫ - 1989. - т. 157, -№3,- с. 529-537.

30.Дабагов С.Б. Каналирование нейтральных частиц в микро- и нанокапиллярах.//УФН.-2003,-т. 173-№10.-с. 1083-1106.

31 .Nikitina S V et al. // Proceedings of SPIE. - 1994. - v. 2278. - p. 191.

32.Аркадьев B.A. и др. // УФН, - 1989. - т. 157. - 493.

33.Yiming Yana and Walter M. Gibson Polycapillary optics and x-ray analytical techniques. // JCPDS. - 2002. - v. 45. - p. 298-305.

34.Джон Стронг. Практика современной физической лаборатории. // Пер. с англ. ОГИЗ. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва - Ленинград. - 1948. - 444 с.

35 .http://chemfiles.narod.ru/nature/prakt_neorg/steklo/steklo.html.

36.Скурихин В.И. и др. Установка для изготовления стеклянных трубок. // А.с. Jfc 363668. СССР. Опубл. в Б.И. - 1973 - Л4.

37.Технология стекла. Под ред. И.И. Китайгородского. // М.: Стройиздаг. -1967.

38. Kumakhov М.А. History of evolution of the x-ray and neutron capillary optics. // Optics of beams. IROS. Moscow. - 1993.-p. 3-17.

39.Kumakhov M.A, Shovkun V.Ya, // Preprint IAE-5418/14 Moscow: IAE. -1991.

40.Nikitina S.V., Zaytsev D.V., Sokolov N.I. Achievements of capillary technology. // Proceedings of SPIE. - 2004. - v. 5943. - p. 123-126.

41.Дудчик Ю.И., Кольчевский H.H., Комаров Ф.Ф. Рентгенооптические параметры микрокапиллярной линзы // Письма в ЖТФ. - 1998. - т. 24. -№24. - с. 19-23.

42.Physical and Chemical Aspects of Forming Capillary Periodic Structures" S. Nikitina, D. Zaytsev, S. Zezin. // "Channeling 2004" - International Conference on Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena (2004, Frascati, Italy).

43.Kumakhov M A. Kumakhov Optics and Applications: Selected Research Papers on Kumakhov Optics and Application 1998 ^ 2000. // Proceedings SPIE. -2000. v. 4155. Bellingham, Wash.

44.Kumakhov MA, Sharov V A // Nature. - 1992. - 357 - 390.

45.Кумахов А.А., Болотоков А.А. Современные методы рентгеновского неразрушающего контроля. // Горный информациионно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 201 1. - Вып.9. - с. 21 1-216.

46.Кумахов А.А., Болотоков А.А., Алексеев М.А. Измерение остаточных напряжений в деталях горных машин методом рентгеновской дефектометрии. // Семинар «Современные технологи в горном машиностроении». М. Московский государственный горный университет. -2012.-с. 434-440.

47.Gamaliy A.F. and others. The use of Kumakhov lenses in diagnostics of osteoporosis. Proceedings of SPIE. - 2004- v. 5943. - p. 202-210.

48.Kumakhov M.A., Gamaliy A.F. Scattered x-rays in medical diagnostics. Proceedings of SPIE. - 2004 - V. 5943.-p. 210-219.

49.Даничев В.В., Болотоков А.А, Кумахов А.А. Количественный рентгенофлуоресцентный анализ содержания железа в песке. // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. - 2008. - №2. - с. 48-49.

50.Nikitina S.V. and others. Use of the Kumakhov lenses in x-ray diffraction investigations. //Optics of beams. IROS. Moscow. - 1993.-p. 38-43.

51.Arkadiev V.A., Gruev D.I., Kumakhov M.A. X-ray lens for forming quasiparallel beam. Optics of beams. Institute For Roentgen Optical Systems. Moscow. - 1993. -p .27-33.

52.Ibraimov N.S. and others. Kumakhov optics use in reflectometry // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - p. 128-131.

53.Кумахов М.А. Устройство для получения рентгеновского излучения повышенной интенсивности // Патент № 2002119000/20. - 2002.

54.Ibraimov N.S., Likhushina E.V., Mikhin O.V. Monocrystal diffractometer-comparator // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - p. 202-206.

55.Кумахов А.А., Болотоков А.А. Рентгеновские поликапиллярные линзы и их использование в материаловедении. Сб. научных трудов. // Семинар «Современные технологи в современном машиностроении». М. Московский государственный горный университет. - 2011. - с. 270-276.

56.Nikitina S.V., Ozerov Y.V., Petukhov V.P. et al. Parameters of soft X-ray sources equipped with polycapillary halflens at the exit // Proceedings of SPIE. -2001.-v. 4765.-p. 207-210.

57.Ibraimov N.S., Nikitina S.V. et al. X-Rays radiation filtration by means of Kumakhov lenses//Proceedings of SPIE. - 2001. - V. 4765. - p. 183-188.

58.Кумахов М.А. Монохроматор рентгеновского излучения. Патент № 2004127737/22.-2004.

59.Nikitina S.V., Ibraimov N.S., Zvonkov A.D. et al. Kumakhov optics in a portable X-ray assembly for the stress-strain and element analyses // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - p. 163-166.

60.Ibraimov N.S., Nikitina S.V., Likhushina E.V. X-ray assembly for phase and element analysis of inorganic materials // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765.-p. 197-201.

61.Ibraimov N.S., Lyuttsau A.V. and others. Raster polycapillary collimating system for position-sensitive detector of diffracted x-rays. // Proceedings of SPIE. - 2004. - V. 5943. - p. 284-292.

62.Фурсей Г.Н., Дмитриев И.А., Скуратник Я.Б., Бегидов А.А., Кумахов А.А. Возможность фокусировки мощных наносекундных импульсов рентгеновского излучения. Журнал Практическая силовая электроника. -2012.-№2(46).-с. 50-55.

76.Акимов Ю. К., Каланин А. И., Кушнирук В. Ф., Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике // М. - 1989.

77.Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С., Основы экспериментальных методов ядерной физики, 3 изд. // М. - 1985.

78.Ляпидевский В. К., Методы детектирования излучений.// М. - 1987.

79.3аневский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978.

80.Priladyshev A., and others. Focusing of the synchrotron radiation by means of the Kumakhov's polycapillary optics, p. 542. // VI Национальная Конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов 12-17 ноября 2007г.

81.Arkadiev V.A., Kumakhov М.А. Concentration of synchrotron radiation with capillary focusing systems // Optics of Beams. M: IROS. - 1993. - p. 43 - 50.

82.Nikitina S.V., Dabagov S.B., Fedorchuk R.V. et al. Synchrotron radiation focusing by means of Kumakhov lenses // Proceedings of SPIE. -1994. -V.2278. - p. 190-199.

83.Xiao Q.F. et al. Guiding hard X-rays with polycapillary fiber // Nuclear instruments and methods in physics research A. - 1994. - V.347. - p. 397-400.

84.Murashova V.A., Dabagov S.B., Fedorchuk R.V., Yakimenko M.N. Capillary optics: features of synchrotron radiation focusing // Kumakhov optics and application. Proceedings of SPIE. - 2000. - v. 4155. - p. 28-39.

85.Vincze L., Proost K., Vekemans B. et al. Suitability of polycapillary optics for focusing of monochromatic synchrotron radiation as used in trace level micro-XANES measurements//J. Anal. At. Spectrom. - 2002. - №1 7. - p. 177-182.

86.Priladyshev A.A. Simulation of x-ray transmission through polycapillary structure. // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - P.73 - 77.

87.Mikhin O.V., Ibraimov N.S., and others. Metrology features of Kumakhov lens parameters determination. // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - P. 132— 136.

88.Кумахов А.А., Тешев P.III., Кумахов A.M. Методика фокусировки рентгеновского излучения с помощью микрокапиллярных линз. //

Международная научно-техническая конференция «Микро-и нанотехнологии в электронике». - Нальчик. - 2012. - с. 194-196.

89.BSEN 12543 PI. Scanning method.

90.BS EN 12543 Pl. Slit camera radiographic method.

91.BS 6932 Method for measurement of the effective focal spot size of mini-focus and micro-focus x-ray tubes used of industrial radiography.

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

93.Пеликс Е.А. Техника рентгенографирования импульсными рентгеновскими аппаратами серии «АРИНА». // «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» - Ялта. -2006.

94.Пеликс Е.А. Импульсные рентгеновские аппараты на базе взрывной электронной эмиссии. // Доклад в Шанхае. - 2008г.

95 .http://www.spectroflash.ru.

96.Фурсей Г.Н., Пеликс Е.А., Ибрагимов А.А. Медицинская рентгеновская техника нового поколения на основе наноструктур и нанотехнологий. // Труды Академии медико-технических наук. - 2010. - с. 36-39.

97.Фурсей Г.Н., Пеликс Е.А. Импульсная медицинская рентгеновская техника нового поколения. // Практическая силовая электроника. — 2011. — № 44. - с. 47-51.

98.Ibraimov N.S., Likhushina E.V., Mikhin О. V. Monocristal diffractometer-comparator. // Proceedings of SPIE. - 2001. - v. 4765. - p. 202-206.

99.Beloshitskiy V.V., Gruev D.I. Statistical theory of x-ray radiation propagation through asymmetrical Kumakhov polycapillary lens. // Proceedings of SPIE. -2004.-v. 5943.-p. 1-6. ,