способ фазовой рентгенографии объектов и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ фазовой рентгенографии объектов, заключающийся в том, что в многокристальном рентгеновском спектрометре отражение от монокристалла монохроматора выбирают асимметричным с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁-₁)/sin(₁+₁) < 1,

где ₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индексами Миллера (hkl);

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монокристалла,

определяют кривую дифракционного отражения (КДО) монокристалла анализатора, исследуемый объект размещают в рентгеновском пучке перед анализатором и регистрируют изображения объекта, отличающийся тем, что анализатор устанавливают в положение Лауэ, определяют КДО монокристалла анализатора в условиях освещения его нерасходящимся пучком и определяют расстояние _i между самыми сильными соседними максимумами углового Пенделлезунга, блок монохроматоров формируют из одного или нескольких монокристаллов, коэффициент асимметрии первого монохроматора выбирают из условия

b₁ sin2_c/sin2(₁-_c),

где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора,

при наличии n последовательных монохроматоров задаются величинами b₂,... , b_k-1, b_k+1,..., b_n и рассчитывают коэффициент асимметрии k-го монохроматора по формуле

b_k< _i/(_ob¹₁^/2b₂...b_k-1b_k+1...b_n),

где _o - полуширина упомянутой КДО монокристалла анализатора,

кривизна поверхности монокристаллов монохроматоров и анализатора не превышает величины _i/2L, где L - размер освещенной области на поверхности монокристалла в плоскости дифракции, выбирают толщину монокристалла анализатора t так, чтобы она удовлетворяла однвременно условиям

t 1/,

где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в монокристалле,

t = _hkl(2m+1)/2C,

где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе;

C - фактор поляризации;

m - целое число,

юстируют упомянутые монохроматоры, устанавливая их в угловых положениях в пределах КДО монохроматоров, размещают исследуемый объект на расстоянии от анализатора, для регистрации изображения объекта выбирают угловые положения анализатора в пределах его КДО, регистрацию изображения ведут либо в обоих пучках за анализатором - прошедшем и дифрагированном, либо в одном из них.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в монокристалле анализатора выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b < 1.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в монокристаллах монохроматоров и аализатора выбирают отражающие плоскости с индексами низких порядков.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в n последовательно установленных монокристаллах многокристально спектрометра используют брэгговские отражения от плоскостей типа hkl, (-h)(-k)(-l),..., (h)(k)(l) где = (-1)^j-1, = 1,2,..., (n + 1).

5. Способ по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что угловые положения монохроматоров и анализатора контролируют с помощью мониторных каналов, мониторные каналы образуют из детекторов, установленных за каждым из монокристаллов по ходу пучка, выработанный детекторами сигнал направляют в устройство сравнения текущего сигнала с реперным, дифференциальный сигнал, выработанный упомянутым устройством, направляют на исполнительные механизмы позиционирования монокристаллов, содержащихся в рентгеновском спектрометре.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в части пучка перед анализатором размещают тестовый объект, имеющий форму, поддающуюся аналитическому описанию, расчетным путем определяют распределение интенсивности в изображении тестового объекта в условиях падения на него пучка с заданной расходимостью, двумерным координатно-чувствительным детектором регистрируют распределение интенсивности в изображении тестового объекта в отсутствии исследуемого объекта, сравнивают расчетное и зарегистрированное распределения интенсивностей, юстировочными движениями устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают, фиксируют в этом положении показания во всех мониторных каналах, которые рассматриваются как реперные, за исключением канала анализатора, устанавливают объект в рентгеновском пучке, вносят корректировку в показания мониторного канала анализатора в связи с ослаблением излучения в объекте и рассматривают эти показания как реперные, ведут регистрацию изображения объекта, во время которой осуществляют мониторинг за положением всех монокристаллов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на месте анализатора в положении Лауэ размещают клиновидный монокристалл, за клиновидным монокристаллом в любом из пучков - прошедшем или дифрагированном - располагают двумерный координатно-чувствительный детектор, угол наклона клина выбирают из условия

= _hkl/I_p,

где величина l_p удовлетворяет условию

H/3 > I_p ,

где H - размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора,

рассчитывают распределение интенсивностей интерференционных полос за клиновидным монокристаллом в том из пучков, прошедшем или дифрагированном, в котором расположен упомянутый детектор, двумерным координатно-чувствительным детектором регистрируют фактическое распределение интенсивностей интерференционных полос в выбранном пучке и сравнивают его с расчетным, юстировочными движениями монохроматоров добиваются такого их взаимного расположения, при котором зарегистрированное и расчетное распределения совпадают, фиксируют монохроматоры в этих положениях, определяя соответствующие реперные сигналы, клиновидный монокристалл заменяют анализатором согласно выбранной рентгенооптической схеме, юстируют анализатор, используя упомянутый координатно-чувствительный детектор, устанавливают объект и определяют реперный сигнал для мониторного канала анализатора, ведут регистрацию изображения объекта, во время которой осуществляют мониторинг за положением всех монокристаллов.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что объект поворачивают в рентгеновском пучке вокруг одной или нескольких осей.

9. Способ фазовой рентгенографии объектов, заключающийся в том, что в многокристальном рентгеновском спектрометре отражение от монокристалла монохроматора выбирают асимметричным с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁-₁)/sin(₁+₁) < 1,

где ₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индиксами Миллера (hkl), а

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монокристалла,

определяют кривую дифракционного отражения (КДО) монокристалла анализатора, исследуемый объект размещают в рентгеновском пучке перед анализатором и регистрируют изображения объекта, отличающийся тем, что анализатор устанавливают в положение Брэгга, по упомянутой КДО монокристалла анализатора определяют угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО, и угловую ширину столика Дарвина _в, блок монохроматоров формируют из одного или нескольких монокристаллов, коэффициент асимметрии первого монохроматора выбирают из условия

b₁ sin2_c/sin2(₁-_c),

где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора,

при наличии n последовательных монохроматоров задаются величинами b₂,... , b_k-1, b_k+1,..., b_n и рассчитывают коэффициент асимметрии k-го монохроматора по формуле

b_k< _i/(_ob¹₁^/2b₂...b_k-1b_k+1...b_n),

кривизна поверхости монокристаллов монохроматоров и анализатора не превышает величины /2L, где L - размер освещенной области на поверхности монокристалла в плоскости дифракции, выбирают толщину анализатора t так, чтобы выполнялось условие t > 10_hkl, где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе, юстируют упомянутые монохроматоры, устанавливая их в угловые положения в пределах КДО монохроматоров, размещают исследуемый объект на расстоянии от анализатора, для регистрации изображения объекта анализатора устанавливают в угловые положения в пределах КДО анализатора.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для регистрации изображения объекта анализатор устанавливают в угловые положения, отклоненные от точного брэгговского на угол при условии, что



11. Способ по п.9, отличающийся тем, что в монокристалле анализаторе выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b > 1 или b < 1.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что в монокристаллах монохроматоров и анализатора выбирают отражающие плоскости с индиксами низких порядков.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что в n последовательно установленных монокристаллах многокристального спектрометра используют брэгговские отражения от плоскостей типа hkl, (-h)(-k)(-l),..., (h)(k)(l), где = (-1)^j-1, j = 1, 2,..., (n + 1).

14. Способ по любому из пп.9 - 13, отличающийся тем, что угловые положения монохроматоров и анализатора контролируют с помощью мониторных каналов, мониторные каналы образуют из детекторов, установленных за каждым из монокристаллов по ходу пучка, выработанный детекторами сигнал направляют в устройство сравнения текущего сигнала с реперным, дифференциальный сигнал, выработанный упомянутым устройством, направляют на исполнительные механизмы позиционирования монокристаллов, содержащихся в рентгеновском спектрометре.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что в части пучка перед анализатором размещают тестовый объект, имеющий форму, поддающуюся аналитическому описанию, расчетным путем определяют распределение интенсивности в изображении тестового объекта в условиях падения на него пучка с заданной расходимостью, двумерным координатно-чувствительным детектором регистрируют распределение интенсивности в изображении тестового объекта в отсутствие исследуемого объекта, сравнивают расчетное и зарегистрированное распределения интенсивностей, юстировочными движениями устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают, фиксируют в этом положении показания во всех мониторных каналах, которые рассматриваются как реперные, за исключением канала анализатора, устанавливают объект в рентгеновском пучке, вносят корректировку в показания мониторного канала анализатора в связи с ослаблением излучения в объекте и рассматривают эти показания как реперные, ведут регистрацию изображения объекта, во время которой осуществляют мониторинг за положением всех монокристаллов.

16. Способ по п.9, отличающийся тем, что на месте анализатора в положении Лауэ размещают клиновидный монокристалл, за клиновидным монокристаллом в любом из пучков - прошедшем или дифрагированном - располагают двумерный координатно-чувствительный детектор, угол наклона клина выбирают из условия

= _hkl/I_p,

где величина l_p удовлетворяет условию

H/3 > I_p ,

где H - размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора,

рассчитывают распределение интенсивностей интерференционных полос за клиновидным монокристаллом в том из пучков, прошедшем или дифрагированном, в котором расположен упомянутый детектор, двумерным координатно-чувствительным детектором регистрируют фактическое распределение интенсивностей интерференционных полос в выбранном пучке и сравнивают его с расчетным, юстировочными движениями монохроматоров добиваются такого их взаимного расположения, при котором зарегистрированное и расчетное распределения совпадают, фиксируют монохроматоры в этих положениях, определяя соответствующие реперные сигналы, клиновидный монокристалл заменяют анализатором согласно выбранной рентгенооптической схеме, юстируют анализатор, используя упомянутый координатно-чувствительный детектор, устанавливают объект и определяют реперный сигнал для мониторного канала анализатора, ведут регистрацию изображения объекта, во время которой осуществляют мониторинг за положением всех монокристаллов.

17. Способ по любому из пп.9 - 16, отличающийся тем, что объект поворачивают в рентгеновском пучке вокруг одной или нескольких осей.

18. Способ фазовой рентгенографии объектов, заключающийся в том, что в многокристальном рентгеновском спектрометре отражение от монокристалла монохроматора выбирают асимметричным с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁-₁)/sin(₁+₁) < 1,

где ₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индексами Миллера (hkl),

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монокристалла,

определяют кривую дифракционного отражения (КДО) монокристалла анализатора, исследуемый объект размещают в рентгеновском пучке перед анализатором и регистрируют изображения объекта, сформированные брэгговским отражением от анализатора, отличающийся тем, что блок монохроматоров формируют из одного или нескольких монокристаллов, систему мониторинга выполняют двухканальной, причем в первом канале устанавливают двумерный координатно-чувствительный детектор, анализатор приготавливают в виде плоскопараллельной пластины с одним или двумя клиновидными участками на краях пластины, углы клиньев выбирают из условия = _hkl/I_p,

где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе;

величина l_p удовлетворяет условию

H/3 > I_p ,

где H - размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора,

выбирают толщину плоскопараллельной части анализатора t из условия

t 1/,

где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в монокристалле,

анализатор устанавливают в положение Лауэ, рассчитывают распределения интенсивностей интерференционных полос в пучках, прошедшем и дифрагированном на клиновидных участках анализатора в условиях освещения их рентгеновским пучком с заданной расходимостью, образуют первый мониторный канал, установив двумерный координатно-чувствительный детектор в части пучка, прошедшего или дифрагированного от клиновидного участка анализатора, образуют второй мониторный канал, разместив один из детекторов в части пучка, прошедшего или дифрагированного от плоскопараллельного участка анализатора, а остальные - в пучках, отраженных каждым из монохроматоров, регистрируют распределение интенсивности интерференционных полос в первом мониторном канале в отсутствие объекта, сравнивают расчетное распределение с зарегистрированным, юстировочными движениями устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают, в этом положении элементов рентгенооптической схемы определяют показания детекторов, установленных за монохроматорами, которые в дальнейшем рассматривают как реперные, устанавливают объект в рентгеновском пучке, определяют показания детектора, установленного за анализатором, и рассматривают эти показания как реперные, ведут регистрацию изображения объекта, во время которой по второму мониторному каналу контролируют угловые положения всех монокристаллов, используя реперные показания детекторов.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что анализатор приготавливают с одним клиновидным участком так, чтобы основание клина было перпендикулярным или параллельным плоскости дифракции.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что анализатор приготавливают с двумя взаимно перпендикулярными клиновидными участками.

21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что после юстировки размещают двумерный координатно-чувствительный детектор в пучке, прошедшем или отраженном от плоскопараллельного участка анализатора, не занятом вторым мониторным каналом, и ведут регистрацию изображения объекта.

22. Способ по любому из пп.18 - 21, отличающийся тем, что объект поворачивают в рентгеновском пучке вокруг одной или нескольких осей.

23. Устройство для фазовой рентгенографии объектов, включающее многокристальный рентгеновский спектрометр, в котором монохроматор выполнен в виде монокристалла с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁-₁)/sin(₁+₁) < 1,

где ₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индексами Миллера (hkl);

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монокристалла, установленного в положение брэгговской дифракции по отношению к упомянутым плоскостям (hkl),

монокристалл анализатора, характеризующийся кривой дифракционного отражения (КДО) с известной полушириной _o, установлен в положение брэгговской дифракции по отношению к падающему на него пучку, средства для размещения объекта установлены перед анализатором, система регистрации изображения объекта установлена после анализатора, отличающееся тем, что блок монохроматоров выполнен из одного или нескольких монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок, анализатор установлен в положение Лауэ, первый монохроматор выполнен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b₁ sin2_c/sin2(₁-_c), где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора, при наличии n последовательных монохроматоров с коэффициентами асимметрии отражающих плоскостей b₂, ..., b_k-1, b_k+1,..., b_n k-й монохроматор с коэффициентом асимметрии

b_k< _i/(_ob¹₁^/2b₂...b_k-1b_k+1...b_n),

где _o - угловое расстояние между самыми сильными соседними максимумами углового Пенделлезунга на упомянутой КДО анализатора при условии освещения его нерасходящимся пучком,

кривизна поверхности монокристаллов монохроматоров и анализатора не превышает величины _i/2L, где L - размер освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов в плоскости дифракции, анализатор выполнен с толщиной t, одновременно удовлетворяющей двум условиям

t 1/,

где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в монокристалле,

t = _hkl(2m+1)/2C,

где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе;

C - поляризационный множитель,

m - целое число,

средства для размещения исследуемого объекта установлены на расстоянии от анализатора, все монокристаллы снабжены средствами для их юстировки в пределах углов их КДО, система регистрации изображения снабжена средствами для ее установки за анализатором либо в обоих пучках, прошедшем и дифрагированном, либо в одном из пучков.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что монокристалл анализатор приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b > 1.

25. Устройство по п.23, отличающееся тем, что монокристаллы монохроматоров и анализатора приготовлены с отражающими плоскостями, имеющими индексы низких порядков.

26. Устройство по п.23, отличающийся тем, что n последовательно установленных монокристаллов многокристального спектрометра приготовлены с отражающими плоскостями типа hkl, (-h)(-k)(-l),...,(h)(k)(l), где = (-1)^j-1, j = 1,2,..., n + 1.

27. Устройство по любому из пп.23 - 26, отличающееся тем, что оно снабжено мониторными каналами для контроля угловых положений монохроматоров и анализатора, включающими детекторы излучения, устройства сравнения текущего сигнала с реперным, связанные с исполнительными устройствами позиционирования каждого монокристалла.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что детекторы излучения, входящие в мониторные каналы, выполнены в виде сцинтилляционных счетчиков и установлены за соответствующими монокристаллами в части пучка, не использующейся для формирования изображения объекта.

29. Устройство по п.27, отличающееся тем, что детекторы, входящие в мониторные каналы, выполнены в виде ионизационных камер, имеющих рентгенопрозрачные и бесструктурные входное и выходное окна, и установлены за соответствующими монокристаллами в части пучка, использующейся для формирования изображения объекта.

30. Устройство по п.27, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью размещения перед анализатором тестового объекта, имеющего форму, поддающуюся аналитическому описанию, в части пучка, содержащей изображение тестового объекта, установлен двумерный координатно-чувствительный детектор, все элементы рентгенооптической схемы снабжены юстировочными средствами, а также средствами фиксации этих элементов, упомянутый двумерный координатно-чувствительный детектор соединен с устройством сравнения расчетного и зарегистрированного распределений интенсивности, которое соединено с исполнительными устройствами позиционирования каждого монокристалла.

31. Устройство по п.27, отличающееся тем, что введено средство для замены анализатора клиновидным монокристаллом, установленным в положении Лауэ и выполненным с углом клина , определяемым из условия

= _hkl/I_p,

где величина l_p удовлетворяет условию

H/3 > I_p ,

где H - размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора,

за клиновидным монокристаллом в выбранном пучке - прошедшем или дифрагированном - расположен упомянутый двумерный координатно-чувствительный детектор, соединенный с устройством сравнения фактического распределения интенсивностей с расчетным, которое соединено с исполнительными устройствами позиционирования каждого из монохроматоров, устройства позиционирования монохроматоров снабжены средствами их фиксации в угловых положениях, при которых расчетное и фактическое распределения интенсивностей совпадают.

32. Устройство по любому из пп.23 - 31, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит средства сканирования объекта в пучке, сформированном блоком монохроматоров.

33. Устройство по любому из пп.23 - 32, отличающееся тем, что устройство содержит средства для поворотов объекта в пучке вокруг одной или нескольких осей.

34. Устройство для фазовой рентгенографии объектов, включающее многокристальный рентгеновский спектрометр, в котором монохроматор выполнен в виде монокристалла с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁-₁)/sin(₁+₁) < 1,

где ₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индексами Миллера (hkl),

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монокристалла, установленного в положение брэгговской дифракции по отношению к упомянутым плоскостям (hkl),

монокристалл анализатора, характеризующийся кривой дифракционного отражения (КДО) с известной полушириной _o, установлен в положение брэгговской дифракции по отношению к падающему на него пучку, средства для размещения объекта установлены перед анализатором, система регистрации изображения объекта установлена после анализатора по ходу дифрагированного рентгеновского пучка, отличающееся тем, что блок монохроматоров выполнен из одного или нескольких монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок, анализатор установлен в положение Брэгга, первый монохроматор выполнен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей

b₁ sin2_c/sin2(₁-_c),

где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора,

при наличии n последовательных монохроматоров с коэффициентами асимметрии b₂, . . ., b_k-1, b_k+1,..., b_n k-й монохроматор выполнен с коэффициентом асимметрии

b_k< _i/(_ob¹₁^/2b₂...b_k-1b_k+1...b_n),

где - угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО анализатора;

_в - ширина столика Дарвина упомянутой КДО,

кривизна поверхности монокристаллов монохроматоров и анализатора не превышает величины /2L где L - размер освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов в плоскости дифракции, анализатор выполнен с толщиной t, удовлетворяющей требованию

t > 10_hkl,

где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе,

средства для размещения исследуемого объекта установлены на расстоянии от анализатора, все монокристаллы установлены с возможностью их юстировки в пределах углов их КДО.

35. Устройство по п.34, отличающееся тем, что анализатор установлен с возможностью фиксации в угловых положениях, отклоненных от точного брэгговского на угол при условии, что



36. Устройство по п.34, отличающееся тем, что монокристалл анализатора приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b > 1 или b < 1.

37. Устройство по п.34, отличающееся тем, что монокристаллы монохроматоров и анализатора приготовлены с отражающими плоскостями, имеющими индексы низких порядков.

38. Устройство по п.34, отличающееся тем, что n последовательно установленных монокристаллов многокристального спектрометра приготовлены с отражающими плоскостями типа hkl, (-h)(-k)(-l),..., (h)(k)(l), где = (-1)^j-1, j = 1, 2,..., (n + 1).

39. Устройство по любому из пп.34 - 38, отличающееся тем, что оно снабжено мониторными каналами для контроля угловых положений монохроматоров и анализатора, включающими детекторы излучения, устройства сравнения текущего сигнала с реперным, связанные с исполнительными устройствами позиционирования каждого монокристалла.

40. Устройство по п.39, отличающееся тем, что детекторы излучения, входящие в мониторные каналы, выполнены в виде сцинтилляционных счетчиков и установлены за соответствующими монокристаллами в части пучка, не использующейся для формирования изображения объекта.

41. Устройство по п.39, отличающееся тем, что детекторы, входящие в мониторные каналы, выполнены в виде ионизационных камер, имеющих рентгенопрозрачные и бесструктурные входное и выходное окна, и установлены за соответствующими монокристаллами в части пучка, использующейся для формирования изображения объекта.

42. Устройство по п.39, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью размещения перед анализатором тестового объекта, имеющего форму, поддающуюся аналитическому описанию, в части пучка, содержащей изображение тестового объекта, установлен двумерный координатно-чувствительный детектор, все элементы рентгенооптической схемы снабжены юстировочными средствами, а также средствами фиксации этих элементов, упомянутый двумерный координатно-чувствительный детектор соединен с устройством сравнения расчетного и зарегистрированного распределений интенсивности, которое соединено с исполнительными устройствами позиционирования каждого монокристалла.

43. Устройство по п.39, отличающееся тем, что введено средство для замены анализатора клиновидным монокристаллом, установленным в положение Лауэ и выполненным с углом клина определяемым из условия

= _hkl/I_p,

где величина l_p удовлетворяет условию

H/3 > I_p ,

где H - размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора.

за клиновидным монокристаллом в выбранном пучке - прошедшем или дифрагированном - расположен упомянутый двумерный координатно-чувствительный детектор, соединенный с устройством сравнения фактического распределения интенсивностей с расчетным, которое соединено с исполнительными устройствами позиционирования каждого из монохроматоров, устройства позиционирования монохроматоров снабжены средствами их фиксации в угловых положениях, при которых расчетное и фактическое распределение интенсивностей совпадают.

44. Устройство по любому из пп.34 - 43, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит срдства сканирования объекта в пучке, сформированном блоком монохроматоров.

45. Устройство по любому из пп.34 - 44, отличающееся тем, что устройство содержит средства для поворота объекта в пучке вокруг одной или нескольких осей.

46. Устройство для фазовой рентгенографии объектов, включающее многокристальный рентгеновский спектрометр, в котором монохроматор выполнен в виде монокристалла с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁-₁)/sin(₁+₁) < 1,

где ₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индексами Миллера (hkl),

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монокристалла, установленного в положение брэгговской дифракции по отношению к упомянутым плоскостям (hkl),

монокристалл анализатора, характеризующийся кривой дифракционного отражения (КДО) с известной полушириной _o, установлен в положение брэгговской дифракции по отношению к падающему на него пучку, средства для размещения объекта установлены перед анализатором, система регистрации изображения объекта установлена после анализатора, отличающееся тем, что блок монохроматоров выполнен из одного или нескольких монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок, устройство содержит двухканальную систему мониторинга, анализатор выполнен в виде плоскопараллельной пластины с одним или двумя клиновидными участками на краях пластины и установлен в положение Лауэ, клиновидные участки анализатора выполнены с углами клиньев , выбираемыми из условия

= _hkl/I_p,

где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе,

величина l_p удовлетворяет условию

H/3 > I_p ,

где H - размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора;

плоскопараллельный участок анализатора выполнен с толщиной t 1/, где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в монокристалле, первый мониторный канал установлен в пучке, прошедшем или отраженном от клиновидного участка анализатора, и снабжен упомянутым двумерным координатно-чувствительным детектором, который через устройство сравнения текущего распределения сигнала в картине полос интерференции с расчетным распределением связан с исполнительными устройствами позиционирования всех монокристаллов в пределах соответствующих КДО, второй мониторный канал выполнен в виде детекторов излучения, установленных в пучках, отраженных от монохроматоров, и в пучке, прошедшем или отраженном от плоскопараллельного участка анализатора, каждый детектор излучения связан с соответствующими устройствами сравнения текущего сигнала с реперным и исполнительными устройствами позиционирования монокристаллов, средства для размещения исследуемого объекта установлены на расстоянии от анализатора, система регистрации изображения снабжена средствами для ее установки за анализатором либо в обоих пучках, прошедшем и дифрагированом, либо в одном из пучков.

47. Устройство по п.46, отличающееся тем, что анализатор содержит один клиновидный участок с основанием, перпендикулярным или параллельным плоскости дифракции.

48. Устройство по п.46, отличающееся тем, что анализатор содержит два взаимно перпендикулярных клиновидных участка.

49. Устройство по любому из пп.46 - 48, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит средства сканирования объекта в пучке, сформированном блоком монохроматоров.

50. Устройство по любому из пп.46 - 49, отличающееся тем, что устройство содержит средства для поворота объекта в пучке вокруг одной или нескольких осей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения рентгеновских изображений внутренней структуры объектов, слабо поглощающих рентгеновское излучение, в частности медико-биологических, а также к устройствам для получения таких изображений.

Известно, что традиционные методы рентгенографии, основанные на регистрации абсорбционных рентгеновских изображений, ограничены в чувствительности и не способны обеспечить уверенное распознавание внутренних органов живых организмов без применения контрастирующих веществ, в качестве которых широко используются воздух, соли бария и растворы иодосодержащих соединений [1] . В последние годы были опубликованы результаты экспериментальных работ, в которых для исследований таких объектов используются методы рефракционной и фазовой рентгенографии [2 - 5]. Несмотря на различие в наименованиях и способах получения изображения, эти методы используют близкие средства, а именно выделение узкого спектра рентгеновского излучения; формирование рентгеновского пучка с ограниченной расходимостью, иногда не превышающей долей угловой секунды, для чего используется одно или несколько брэгговских отражений от совершенных монокристаллов, именуемых монохроматорами; освещение этим пучком исследуемого объекта; формирование изображения объекта с помощью брэгговского отражения от еще одного совершенного монокристалла, именуемого анализатором; и регистрацией этого изображения двумерной системой регистрации. Эффект повышения чувствительности к внутренним структурам достигается за счет регистрации границ раздела сред с различными коэффициентами преломления излучения. Хотя величины углов преломления малы и составляют угловые секунды или их доли, кристалл-анализатор в процессе брэгговской дифракции преобразует эти малые возмущения волнового фронта в значительные изменения интенсивности в пределах дифрагированного и/или прошедшего пучка. Как следует из анализа способов-аналогов, полуширина кривой отражения анализатора и выбор рабочей точки на нем (углового положения в пределах или за пределами кривой отражения) являются решающими для получения изображения объекта во всех способах фазовой рентгенографии.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [2], сущность которого состоит в том, что в двухкристальном спектрометре от кристалла монохроматора выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b₁ < 1. Коэффициент асимметрии b₁ определяется следующим образом:

b₁= sin(₁- ₁)/sin(₁+ ₁),

где

₁ - угол Брэгга системы отражающих плоскостей, в данном случае, с индексами Миллера (511);

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью кристалла, фиг. 1.

В этой схеме регистрируют угловое распределение интенсивности отражения от второго кристалла (анализатора), вращающая его вокруг оси, приходящей через кристалл и перпендикулярной плоскости дифракции, которое называется кривой дифракционного отражения (КДО), и определяют полуширину (ширину на половине высоты) КДО - ₀. Можно предположить (этих данных нет в материалах статьи), что в способе-прототипе ширина кривой отражения от анализатора составляет около угловой секунды. Исследуемый объект, которым является мишень, состоящая из пластиковых сфер, заключенных в оболочку, составленную, например, из 5 мкм слоя (CD₂)_n, 0,5 мкм слоя Pb и 5 мкм слоя Be, размещают непосредственно на кристалле-анализаторе. Кристалл-анализатор устанавливают в положение на отражение - по Брэггу. Изображение объекта дважды регистрируют в пучке, отраженном от анализатора, последовательными съемками на одну фотопластинку, причем, анализатор с лежащим на нем объектом отклоняют совместно регистратором от точного брэгговского положения на угол ₀, (в описанном эксперименте - на 30"", 40"", 50"" 2,510^-4рад).

Очевидно, что излучавшийся описанным методом объект характеризовался очень высокими скачками плотности: _Pb = 11,3 г/см³, _Be = 1,85 г/см³, 2 г/см³, а следовательно, и высокими градиентами коэффициента преломления на границах слоев. Оценки показывают, что в способе-прототипе отклонения падающего на объект псевдоплоского пучка от направления своего первоначального распространения достигали 1,67 10^-4 рад = 33,4"" и более (измерения проводились в характеристическом излучении K₁- линии меди - 8,05 кэВ). Поэтому отклоненный анализатор оказывался в брэгговском положении относительно таких отклоненных рентгеновских пучков, отражал эти пучки, что и регистрировала фотопленка.

Однако гораздо более перспективно использовать новый метод рентгенографии, основанный на регистрации пучков, отклоненных от направления первоначального распространения на границах раздела сред, для исследования более однородных по составу объектов, внутренняя структура которых не дает контраста на абсорбционных изображениях, в частности, медико-биологических. Плотности всех мягких тканей живых организмов близки к единице (плотности воды), причем, отличия в плотности разных тканей (исключая костную) составляют менее 0,05 Г/см³, следовательно, характерные углы отклонения первоначально нерасходящегося пучка составят менее 10^-6 рад. Способ-прототип не пригоден для исследования таких объектов.

Целью изобретения является создание способа исследования внутренней структуры объектов, которые характеризуются, с одной стороны, слабым поглощением рентгеновского излучения, а с другой - малыми градиентами плотности (или, что то же самое, коэффициента преломления излучения). В первую очередь, речь идет о медико-биологических объектах. Этот способ относится к разряду способов фазовой рентгенографии, поскольку изменение направления псевдоплоского пучка в объекте логично описать как фазовые изменения волнового фронта, которые при дифракции в анализаторе преобразуются в изменения интенсивности, что и регистрируется детектором.

Очевидно, что как и во всех методах, обеспечивающих условия наблюдения и регистрации фазовых соотношений, возникающих в псевдоплоском пучке (например, световой и рентгеновской интерферометрии), параметры, взаимная ориентация, юстировка и точность поддержания углового положения всех элементов оптической схемы - монохроматора (или монохроматоров) и анализатора, а также совершенство оптических элементов сильно влияют на качество получаемой информации. Способ-прототип не дает правил взаимной оптимизации этих параметров.

В связи с этим цель изобретения состоит также в том, чтобы предложить такой способ фазовой рентгенографии объектов, преимущественно медико-биологических, в котором эти параметры были бы оптимизированы для повышения чувствительности метода, контрастности формируемых изображений, адекватности представления сформированного фазового изображения, а также экспрессности проводимых исследований.

Цель изобретения состоит также в том, чтобы предложить устройство, осуществляющее упомянутый способ.

Для достижения указанных целей в способе получения фазовых изображений преимущественно медико-биологических объектов, в отличие от способа-прототипа, анализатор размещают в положение Лауэ (на просвет). Для каждой схемы расположения кристаллов устанавливают зависимость коэффициента отражения анализатора в условиях освещения его нерасходящимся пучком и определяют расстояния _i между тремя самыми сильными соседними максимумами углового Пенделлезунга. Блок монохроматоров формируют из одного или нескольких монокристаллов, причем, коэффициент асимметрии первого монохроматора выбирают из условия: b₁ sin2_c/sin2(₁- _c), где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора. При наличии n последовательных монохроматоров задаются величинами b₂,..., b_k-1, b_k+1,... b_n, и рассчитывают коэффициент асимметрии k-го монохроматора по формуле



где ₀ - полуширина упомянутой кривой отражения анализатора;

k= 2, 3,...n.

Монохроматоры и анализатор выполняют в виде плоскопараллельных пластин, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными и рассчитанными величинами b_n (для монохроматоров) и условием Лауэ для анализатора, а кривизна кристаллов не превышает величины _i/2L, где L - размер освещенной области на поверхности кристалла в плоскости дифракции. Выбирают толщину каждого монохроматора t_k из условия.

где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора.

Выбирают толщину анализатора t таким образом, чтобы она удовлетворяла одновременно условиям:



где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе;

C - фактор поляризации;

m - целое число.

Приготовленные указанным образом монохроматоры устанавливают в многокристальном спектрометре и юстируют (настраивают) в угловых положениях в пределах углов брэгговского отражения. Затем размещают исследуемый объект на расстоянии от анализатора, и для регистрации изображения объекта выбирают угловые положения анализатора в пределах его КДО. Изображение регистрируют либо в обоих пучках за анализатором - прошедшем и дифрагированном, либо в одном из пучков.

В предложенном способе фазовой рентгенографии в анализаторе выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b < 1.

В другом варианте способа анализатор устанавливают в положение Брэгга (на отражение). По упомянутой КДО анализатора определяют угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО, и угловую ширину столика Дарвина _B. Блок монохроматоров формируют из одного или нескольких монокристаллов, причем, коэффициент асимметрии первого монохроматора выбирают из условия

b₁ sin2_c/sin2(₁- _c),

где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора.

При наличии n последовательных монохроматоров задаются величинами b₂,... , b_k-1, b_k+1,...b_n, рассчитывают коэффициент асимметрии k-го монохроматора по формуле:



Монохроматоры и анализатор выполняют в виде плоскопараллельных пластин, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными величинами b_n (для монохроматоров) и условием Брэгга для анализатора, а кривизна кристаллов не превышает величины /2L, где L - размер освещенной области на поверхности кристалла в плоскости дифракции. Выбирают толщину каждого монохроматора t_k из условия



где

- линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора.

Выбирают толщину анализатора t таким образом, чтобы одновременно выполнялись условия



где

- угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

- угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью анализатора.

Приготовленные указанным образом монохроматоры устанавливают в многокристальном спектрометре и юстируют в пределах углов брэгговского отражения. Между блоком монохроматоров и анализатором размещают исследуемый объект на расстоянии от анализатора, и устанавливают анализатор в угловые положения в пределах углов брэгговского отражения для регистрации изображения объекта.

Способ фазовой рентгенографии по второму варианту, отличающийся тем, что для регистрации изображения объекта анализатор устанавливают в угловые положения, отклоненные от точного брэгговского на угол при условии, что _B/2 < || < (_B/2+).

Способ фазовой рентгенографии по второму варианту, отличающийся тем, что в анализаторе выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b > 1.

Способ фазовой рентгенографии по второму варианту, отличающийся тем, что в анализаторе выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b < 1.

Способ фазовой рентгенографии по любому из вариантов, отличающийся тем, что в кристаллах монохроматорах и анализаторе выбирают отражающие плоскости с индексами низких порядков.

Способ фазовой рентгенографии по любому из вариантов, отличающийся тем, что в n последовательно установленных кристаллах многокристального спектрометра реализуются брэгговские отражения от плоскостей типа hkl, (-h)(-k)(-l),..., (h)(k)(l), где = (-l)^j-1, j = 1,2,...(n+1).

Способ фазовой рентгенографии по любому из вариантов, отличающийся тем, что монохроматоры юстируют, устанавливая их в точном брэгговском положении.

Способ фазовой рентгенографии по любому из вариантов, отличающийся тем, что монохроматоры юстируют, устанавливая один или более из монохроматоров на склоне соответствующей КДО.

Способ фазовой рентгенографии по любому из вариантов, отличающийся тем, что угловые положения монохроматоров и анализатора контролируют с помощью мониторных каналов. Мониторные каналы образуют из детекторов, установленных за каждым из монокристаллов по ходу пучка, сигнал с детектором направляют в устройство сравнения текущего сигнала с реперным, а дифференциальный сигнал, выработанный упомянутым устройством, направляют на исполнительные устройства позиционирования кристаллов, которые содержатся в рентгеновском спектрометре.

Способ фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающийся тем, что в части пучка перед анализатором размещают тестовый объект, имеющий форму, поддающуюся аналитическому описанию. Расчетным путем определяют распределение интенсивности в изображении тестового объекта в условиях падения на него пучка с заданной расходимостью, а двумерным координатно-чувствительным детектором регистрируют распределение интенсивности в изображении тестового объекта в отсутствие исследуемого объекта. Затем сравнивают расчетное и зарегистрированное распределения интенсивностей и юстировочными движениями устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают. Фиксируют в этом положении показания во всех мониторных каналах, которые рассматриваются как реперные, за исключением канала анализатора. После размещения объекта в рентгеновском пучке вносят корректировку в показания мониторного канала анализатора в связи с ослаблением излучения в объекте и рассматривают эти показания как реперные. Ведут съемку изображения объекта, во время которой осуществляют мониторинг за положением всех кристаллов.

Способ фазовой рентгенографии, отличающийся тем, что на месте анализатора в положении Лауэ размещают клиновидный монокристалл. За клиновидным кристаллом в любом из пучков - прошедшем или дифрагированном - располагают двумерный координатно-чувствительный детектор. Угол наклона клина выбирают из условия: = _hkl/l_p, где величина l_p удовлетворяет условию: H/3 > l_p >> , где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции, а - пространственное разрешение упомянутого детектора. Рассчитывают распределение интенсивностей интерференционных полос за клиновидным кристаллом в том из пучков, прошедшем или дифрагированном, в котором расположен координатно-чувствительный детектор. Двумерным координатно-чувствительным детектором регистрируют фактическое распределение интенсивностей интерференционных полос в выбранном пучке и сравнивают его с расчетным. Юстировочными движениями монохроматоров добиваются такого их взаимного расположения, при котором зарегистрированное и расчетное распределения совпадают. Фиксируют монохроматоры в этих положениях и определяют реперные сигналы в мониторных каналах монохроматоров, соответствующие этим положениям монохроматоров. Затем клиновидный монокристалл заменяют анализатором согласно выбранной рентгенооптической схеме, анализатор юстируют, используя упомянутый координатно-чувствительный детектор, и определяют реперный сигнал для мониторного канала анализатора. Ведут съемку изображения объекта, во время которой осуществляют мониторинг за положениями всех кристаллов.

Способ фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, в котором анализатор юстируют, определяя его КДО и сравнивая экспериментальные значения с расчетными.

Вариант способа фазовой рентгенографии преимущественно медико-биологических объектов, отличающийся от известного решения тем, что блок монохроматоров формируют из одного или нескольких монокристаллов. Систему мониторинга за положением кристаллов выполняют двухканальной, причем, в первом канале устанавливают двумерный координатно-чувствительный детектор. Анализатор приготавливают в виде плоскопараллельной пластины с клиновидными участками на краях пластины, и углы клиньев выбирают из условия

= _hkl/l_p,

где величина l_p удовлетворяет условию: H/3 > l_p >> ,

где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции;

- пространственное разрешение упомянутого детектора.

Выбирают толщину плоскопараллельной части анализатора t из условия t 1/ и устанавливают анализатор в положение Лауэ (на просвет). Затем рассчитывают распределения интенсивностей интерференционных полос в пучке, прошедшем и дифрагированном на клиновидных участках анализатора в условиях освещения их рентгеновским пучком с заданной расходимостью. При этом образуют первый мониторный канал, установив координатно-чувствительный детектор в части пучка, прошедшего или отраженного от клиновидного участка анализатора. Затем образуют второй мониторный канал, разместив один из детекторов в части пучка, прошедшего или отраженного от плоскопараллельного участка анализатора, а остальные - в пучках, отраженных каждым из монохроматоров. Первым мониторным каналом регистрируют распределение интенсивности интерференционных полос в отсутствие объекта, затем сравнивают расчетное распределение с зарегистрированным и юстировочными движениями устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают. В этом положении элементов рентгеновской схемы определяют показания детекторов второго мониторного канала, установленных за монохроматорами, и рассматривают их как реперные. Затем устанавливают объект в рентгеновском пучке и определяют реперные показания детектора, установленного за анализатором. При этом ведут регистрацию изображения объекта, во время которой по второму мониторному каналу контролируют угловые положения всех кристаллов, используя реперные показания детекторов.

Способ фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающийся тем, что анализатор приготавливают с одним клиновидным участком таким образом, чтобы основание клина было перпендикулярным плоскости дифракции.

Способ фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающийся тем, что анализатор приготавливают с одним клиновидным участком таким образом, чтобы основание клина было параллельным плоскости дифракции.

Способ фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающийся тем, что анализатор приготавливают с двумя взаимно перпендикулярными клиновидными участками.

Способ фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающийся тем, что после юстировки размещают координатно-чувствительный детектор в пучке, прошедшем или отраженном от плоскопараллельного участка анализатора, не занятом вторым мониторным каналом, и ведут съемку этим детектором.

Способ фазовой рентгенографии по любому из предыдущих вариантов, отличающийся тем, что объект сканируют в пучке, сформированном блоком монохроматоров.

Способ фазовой рентгенографии по любому из предыдущих вариантов, отличающийся тем, что объект поворачивают в рентгеновском пучке вокруг одной или нескольких его осей.

Предлагаемые варианты способа фазовой рентгенографии преимущественно биологических объектов осуществлены в устройстве фазовой рентгенографии.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в [2] и включающее монокристальный рентгеновский спектрометр, в котором блок монохроматора выполнен в виде монокристалла с коэффициентом асимметрии

b₁= sin(₁- ₁)/sin(₁+ ₁) < 1,

где

₁ - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей с индексами Миллера (hkl);

₁ - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью кристалла, установленного в положение брэгговской дифракции по отношению к упомянутым плоскостям (hkl).

Устройство-прототип также включает монокристаллический анализатор, характеризующийся кривой дифракционного отражения (КДО) с известной полушириной ₀, который установлен в положение брэгговской дифракции по отношению к падающему на него пучку. Исследуемый объект размещен непосредственно на анализаторе, система регистрации (здесь рентгеновская пленка) установлена после анализатора по ходу дифрагированного пучка. Устройство содержит средства для совместного поворота объекта, анализатора и регистратора как единой системы на углы, превышающие ширину КДО анализатора и лежащие по обе стороны от его точного брэгговского положения.

Предлагаемое устройство отличается тем, что блок монохроматоров выполнен из одного или нескольких монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок, а анализатор установлен в положение Лауэ (на просвет). Первый монохроматор выполнен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей

b₁ sin2_c/sin2(₁- _c),

где

_c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора.

При наличии n последующих монохроматоров с коэффициентами асимметрии отражающих плоскостей b₂,..., b_k-1, b_k+1, ... b_n, k-ый монохроматор выполнен с коэффициентом асимметрии



где

_i - угловое расстояние между тремя самыми сильными соседними максимумами на упомянутой КДО анализатора при условии освещения его плоским пучком.

Монохроматоры и анализатор выполнены в виде плоскопараллельных пластин из совершенных монокристаллов, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными и рассчитанными величинами b_n (для монохроматоров) и условием Лауэ для анализатора, причем, кривизна кристаллов не превышает величины _i/2L, где L - размер освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов в плоскости дифракции. Монохроматоры выполнены с толщиной t_k, удовлетворяющей условию



где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора. Анализатор выполнен с толщиной t, одновременно удовлетворяющей двум условиям



где

_hkl - глубина экстракции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе;

C - поляризационный множитель;

m - целое число.

Средства для размещения исследуемого объекта установлены на расстоянии от анализатора. Все кристаллы снабжены средствами для их юстировки в пределах углов брэгговского отражения, а система регистрации изображения дополнительно снабжена средствами для ее установки в пучке, прошедшем через анализатор, либо в обоих пучках - прошедшем в дифрагированном одновременно.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что анализатор приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b < 1.

Во втором варианте установки для фазовой рентгенографии блок монохроматоров выполнен из одного или нескольких монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок, и анализатор установлен в положение по Брэггу (на отражение). Первый монохроматор приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей

b₁ sin2_c/sin2(₁- _c),

где

_c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора.

При наличии n последовательных монохроматоров с коэффициентами асимметрии b₂, ..., b_k-1, b_k+1, b_n, k-ый монохроматор выполнен с коэффициентом асимметрии



где

- угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО анализатора;

_B - ширина столика Дарвина упомянутой КДО.

Монохроматоры и анализатор выполнены в виде плоскопараллельных пластин совершенных монокристаллов, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными величинами b_n (для монохроматоров) и условием Брэгга для анализатора, причем, кривизна кристаллов не превышает величины /2L, где L - размер освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов в плоскости дифракции. При этом монохроматоры выполнены с толщиной t_k, удовлетворяющей условию



где

- линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора.

Анализатор выполнен с толщиной t, одновременно удовлетворяющей двум требованиям



где

- угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

- угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью анализатора.

Держатель исследуемого объекта установлен на расстоянии от анализатора и все кристаллы установлены с возможностью их юстировки в пределах углов брэгговского отражения.

Устройство для фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающееся тем, что анализатор установлен с возможностью фиксации в угловых положениях, отклоненных от точного брэгговского на угол при условии, что _B/2 < || < (_B/2+).

Устройство для фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающееся тем, что анализатор приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b > 1.

Устройство для фазовой рентгенографии по последнему варианту, отличающееся тем, что анализатор приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b < 1.

Устройство для фазовой рентгенографии по двум последним вариантам, отличающееся тем, что кристаллы монохроматоры и анализатор приготовлены с отражающими плоскостями, имеющими индексы низких порядков.

Устройство для фазовой рентгенографии по двум последним вариантам, отличающееся тем, что n последовательно установленных кристаллов многокристального спектрометра приготовлены с отражающими плоскостями типа



Устройство для фазовой рентгенографии по двум последним вариантам, отличающееся тем, что монохроматоры установлены в точных брэгговских положениях.

Устройство для фазовой рентгенографии по двум последним вариантам, отличающееся тем, что один или более из монохроматоров установлены на склонах соответствующих КДО.

Устройство для фазовой рентгенографии по любому из вариантов, отличающееся тем, что оно снабжено мониторными каналами для контроля угловых положений монохроматоров и анализатора. Мониторные каналы выполнены в виде детекторов излучения, связанных с устройствами сравнения текущего сигнала с реперным, которые, в свою очередь, связаны с исполнительными устройствами позиционирования каждого кристалла, входящими в состав рентгеновского спектрометра.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что детекторы выполнены в виде сцинтилляционных счетчиков и установлены за соответствующими кристаллами в части пучка, не использующейся для формирования изображения.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что детекторы выполнены в виде ионизационных камер, имеющих рентгенопрозрачные и бесструктурные входные и выходные окна, которые установлены за соответствующими кристаллами в части пучка, использующейся для формирования изображения.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что в части пучка перед анализатором размещен тестовый объект, имеющий форму, поддающуюся аналитическому описанию. Для того тестового объекта расчетным путем определено распределение интенсивности в изображении в условиях падения на него пучка с заданной расходимостью. В пучке или части пучка, содержащей изображение тестового объекта, установлен двумерный координатно-чувствительный детектор, регистрирующий распределение интенсивности в изображении тестового объекта за анализатором в отсутствие исследуемого объекта. Все элементы рентгенооптической схемы снабжены юстировочными средствами, обеспечивающими такое их взаимное расположение, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают, а также средствами фиксации этих положений. Упомянутый координатно-чувствительный детектор соединен с блоком сравнения расчетного и зарегистрированного распределений интенсивностей, который, в свою очередь, соединен с исполнительными устройствами позиционирования каждого кристалла.

Устройство для фазовой рентгенографии, отличающееся тем, что содержит средства для установки на месте анализатора клиновидного монокристалла в положении Лауэ. Упомянутый монокристалл выполнен с углом клина , определенным из условия = _hkl/l_p, где величина l_p удовлетворяет условию: H/3 > l_p >> , где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции, а - пространственное разрешение упомянутого детектора, и для него известно распределение интенсивностей интерференционных полос в любом из пучков - прошедшем или дифрагированном. За клиновидным монокристаллом в выбранном пучке - прошедшем или дифрагированном - расположен двумерный координатно-чувствительный детектор, регистрирующий фактическое распределение интенсивностей в интерференционных полосах за клиновидным монокристаллом. Упомянутый координатно-чувствительный детектор соединен со блоком сравнения фактического распределения интенсивностей с расчетным, который, в свою очередь, соединен с исполнительными устройствами позиционирования каждого из монохроматоров. Устройства позиционирования монохроматоров снабжены средствами фиксации монокристаллов в угловых положениях, при которых расчетное и фактическое распределения интенсивностей совпадают. Устройство дополнительно содержит средства для замены клиновидного монокристалла анализатором в соответствии с выбранной рентгенооптической схемой и средства его юстировки.

Третий вариант устройства отличается тем, что блок монохромоторов выполнен из одного или нескольких монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок. Устройство также содержит двухканальную систему мониторинга. Анализатор выполнен в виде плоскопараллельной пластины с клиновидными участками на краях пластины и установлен в положение Лауэ (на просвет), причем, клиновидные участки анализатора выполнены с углами клиньев , выбираемых из условия

= _hkl/l_p,

где величина l_p удовлетворяет условию: H/3 > l_p >> ,

где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции:

- пространственное разрешение упомянутого детектора.

Плоскопараллельный участок анализатора выполнен с толщиной t 1/.

Первый мониторный канал установлен в пучке, прошедшем или отраженном от клиновидного участка анализатора и снабжен двумерным координатно-чувствительным детектором, предназначенным для первичной прецизионной юстировки всех кристаллов и выработки реперных сигналов для второго мониторного канала. Упомянутый координатно-чувствительный детектор через устройство сравнения текущего распределения сигнала в картине полос интерференции с расчетным распределением связан с исполнительными устройствами позиционирования кристаллов, входящих в состав устройства. Монохромоторы и анализатор снабжены средствами для их прецизионного позиционирования в пределах соответствующих КДО. Второй мониторный канал выполнен в виде детекторов, установленных в пучках, отраженных от монохроматоров, и в пучке, прошедшем или отраженном от плоскопараллельного участка анализатора. Каждый детектор связан с соответствующими устройствами сравнения сигнала с реперным, определенным в результате прецизионной первичной юстировки, произведенной с помощью первого мониторного канала, и с исполнительными устройствами позиционирования кристаллов.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что анализатор содержит один клиновидный участок с основанием, перпендикулярным плоскости дифракции.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что анализатор содержит один клиновидный участок с основанием, параллельным плоскости дифракции.

Устройство для фазовой рентгенографии по предыдущему варианту, отличающееся тем, что анализатор содержит два взаимно перпендикулярных клиновидных участка.

Устройство для фазовой рентгенографии по любому из упомянутых вариантов, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит средства сканирования объекта в пучке, сформированном блоком монохроматоров.

Устройство для фазовой рентгенографии по любому из упомянутых вариантов, отличающееся тем, что устройство содержит средства для поворотов объекта в пучке вокруг одной или нескольких его осей.

Устройство для фазовой рентгенографии по любому из упомянутых вариантов, отличающееся тем, что входное окно двумерного координатно-чувствительного детектора имеет рентгеночувствительную область прямоугольной формы, размеры которой совпадают с размерами поля зрения, образованного блоком монохроматоров и анализатором.

Возможность осуществления вариантов способа фазовой рентгенографии преимущественно медико-биологических объектов и вариантов устройства, предназначенного для осуществления этого способа, доказана в нижеследующих материалах.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 - схема асимметричного отражения от монокристалла при условии b<1:1 - излучения W анода для различных толщин анализатора, приготовленного из монокристалла кремния (отражающие плоскости - 220), установленного в геометрии Лауэ при t = 1150 мкм;

фиг.3 - то же при t = 1340 мкм;

фиг.4 - усредненная КДО анализатора толщиной 1340 мкм;

фиг. 5 - схематическое изображение устройства для фазовой рентгенографии с анализатором, установленным по Лауэ; проекция на плоскость дифракции;

фиг. 6 - расчетная КДО характеристического K₁ - излучения W анода для анализатора толщиной 5 мм, приготовленного из монокристалла кремния (отражающие плоскости - 220), установленного в геометрии Брэгга, при этом расчет выполнен в приближении падающей плоской волны;

фиг. 7 - схематичное изображение устройства для фазовой рентгенографии с анализатором, установленным по Брэггу; проекция на плоскость дифракции;

фиг.8 - схематичное изображение устройства для фазовой рентгенографии, в котором для юстировки рентгенооптической схемы использован тест-объект;

фиг. 9 - схематичное изображение устройства для фазовой рентгенографии с анализатором, имеющим клиновидный участок, в котором предусмотрены два мониторных канала;

фиг. 10 - пример выполнения анализатора с клиновидными участками: (а) пример выполнения анализатора с клиновидным участком, имеющим основание, перпендикулярное плоскости дифракции; (б) ориентация такого анализатора в рентгенооптической схеме; (в) пример выполнения анализатора с клиновидным участком, имеющим основание, параллельное плоскости дифракции; (г) пример выполнения анализатора с двумя взаимно перпендикулярными клиновидными участками;

фиг. 11, а) и б) - изображения брюшной полости лабораторной мыши: (а) абсорбционное и (б) фазовое с Лауэ анализатором.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В варианте способа получения фазовых изображений преимущественно медико-биологических объектов в известном способе используют анализатор в положении Лауэ (на просвет). Расчетным путем, пользуясь известной динамической теорией (например, [6]), устанавливают угловую зависимость коэффициента отражения анализатора в условиях освещения его плоской волной и определяют угловое расстояние _i между тремя самыми сильными соседними максимумами Пенделлезунга. Блок монохроматоров преобразуют, составляя его из n монокристаллов, установленных таким образом, чтобы пучок отражался от них последовательно. Коэффициент асимметрии первого монохроматора выбирают из условия:

b₁ sin2_c/sin2(₁- _c),

где

_c - критический угол полного внешнего отражения (ПВО) рентгеновского излучения от поверхности монохроматора. Такой выбор следует делать с предпочтением выполнения равенства в приведенной формуле. Это, во-первых, обеспечивает максимальную величину приемной апертуры первого монохроматора и, тем самым, максимально возможную интенсивность пучка, используемого рентгенооптической схемой, так как из кристаллооптики известно, что приемная апертура кристалла пропорциональна (b₁)^-1/2 и чем она больше, тем большая доля упавшего на кристалл излучения отражается: во-вторых, выполнение указанного условия гарантирует от потерь интенсивности, которые могут произойти при попадании падающего на первый монохромотор пучка в область углов ПВО.

Далее для оптимизации условий освещения объекта задаются величинами коэффициентов асимметрии монохроматоров, начиная со второго и за исключением одного, например, k-го. Коэффициент асимметрии этого последнего монохроматора выбирают из условия



Выполнение этих требований позволяет сформировать пучок, угловая расходимость которого не превышает _i. Для того, чтобы обеспечить максимальный коэффициент отражения от монохроматоров и исключить появление побочных максимумов, обусловленных отражением от обратной стороны кристалла, толщину каждого монохроматора t_k выбирают из условия



где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей; а

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора.

Проходя через объект, сформированный блоком монохроматоров, пучок изменяется в соответствии с ослаблением и преломлением на границах раздела сред в объекте. Для того, чтобы решить задачу регистрации таких отклоненных пучков наилучшим образом, т.е. обеспечить условия формирования наиболее контрастного фазового изображения, следует оптимизировать последний оптический элемент схемы - анализатор и оптимально выбрать рабочие точки в пределах его КДО. При этом очевидно, что чем уже КДО анализатора и чем круче ее склоны, тем чувствительнее схема к изменению направления падающего на анализатор пучка. Обычно для получения наибольшего контраста следует выбирать рабочие точки именно на таких крутых склонах КДО. Кроме того, желательно, чтобы рабочая точка анализатора соответствовала наибольшей возможной интенсивности дифрагированного пучка. Для этого предлагается воспользоваться свойствами КДО анализатора в условиях падения на него слабо расходящегося пучка излучения.

Известно, что интенсивность в форме КДО монокристалла зависят, кроме прочего, от его толщины и совершенства. На фиг.2 и 3 приведен пример кривых отражения от плоскостей типа (220) в Si при освещении монохроматическим излучением W для двух толщин анализатора - 1150 мкм и 1340 мкм. На кривых четко проявляются пики Пенделлезунга, связанные с дифракцией плоской волны на совершенном монокристалле. Для сравнения на фиг.4 приведена усредненная по углу кривая дифракционного отражения анализатора толщиной 1340 мкм, которая реализуется в случае, когда параметры монохроматоров не удовлетворяют сформулированным выше требованиям и пики Пенделлезунга усредняются. При этом очевидно, что в этом случае коэффициент отражения анализатора ниже, склоны кривой более пологие и, следовательно, чувствительность к изменению коэффициента преломления в объекте ниже.

Из приведенных кривых следует, что выгодно вести съемку в пределах частичного максимума Пенделлезунга, и тогда чувствительность рентгенооптической схемы будет определяться уже не полушириной усредненной КДО - ₀, которую используют во всех упомянутых схемах [2 - 5], а полушириной этого частичного максимума - . Кроме того, правильно подобранная толщина анализатора дает возможность использовать "обостренный" центральный пик [фиг.3] и тем самым воспользоваться отражением с максимально возможной интенсивностью. Такого "обострения" можно добиться, если выбрать толщину анализатора в соответствии с формулой



где

_hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отображению в анализаторе;

C - фактор поляризации, равный 1 для -поляризации и cos 2 для -поляризации;

m - целое число.

На выбор толщины анализатора также должно быть наложено дополнительное условие полупоглощения излучения t 1/, где - линейный коэффициент ослабления в кристалле, иначе интенсивность пучка за кристаллом будет слабой для экспрессной регистрации изображения.

Монохроматоры и анализатор выполняют в виде плоскопараллельных пластин, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными и рассчитанными величинами b_n (для монохроматоров) и условием Лауэ для анализатора. Очевидно, что все элементы рентгенооптической схемы должны быть достаточно совершенными для того, чтобы удовлетворились условия формирования псевдоплоского пучка и получения максимумов Пенделлезунга после отражения от анализатора. Для этого кривизна кристаллов не должна превышать величины _i/2L, где L - размер освещенной области на поверхности кристалла в плоскости дифракции. При выполнении этого условия можно быть уверенным, что деформации кристалла не "сгладят" частичные максимумы КДО при выбранных параметрах монохроматоров.

После того, как все кристаллы установлены в соответствие с рентгенооптической схемой (фиг. 5), их юстируют, устанавливая в угловые положения в пределах углов брэгговского отражения, а исследуемый объект, в отличие от прототипа. размещают на расстоянии от анализатора. Поскольку характерные углы отклонения первоначально псевдоплоского пучка в медико-биологических объектах практически всегда не превышают кривой отражения, рабочую точку анализатора выбирают в пределах КДО. Наилучший контраст изображения обеспечивается при соблюдении всех вышеперечисленных условий. Поскольку в рассматриваемом случае фазовые изображения объекта формируются в обоих пучках за анализатором - прошедшим и дифрагированном - регистратор устанавливают с возможностью регистрации либо обоих изображений одновременно, либо каждого изображения в отдельности.

Для дополнительного обострения (сужения) КДО в анализаторе выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b < 1.

В другом варианте способа получения фазовых изображений преимущественно медико-биологических объектов в случае, когда анализатор установлен в положение Брэгга (на отражение), по упомянутой КДО определяют угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО, и угловую ширину столика Дарвина _В (фиг. 6).

В этом варианте способа анализатор устанавливают в положение Брэгга (фиг. 7). В отличие от способа-прототипа, предлагается использовать один или более монохроматоров, причем коэффициент асимметрии первого монохроматора выбирается из условия

b₁ sin2_c/sin2(₁- _c),

где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора.

Условия выбора b₁ в первом и втором вариантах способа совпадают. Однако далее используются специфические характеристики КДО монокристалла, установленного по Брэггу, а именно ширина столика Дарвина и ширина склона КДО. Так, если блок монохроматоров содержит n кристаллов, то задаются коэффициентами асимметрии всех кристаллов, кроме k-го, а k-й монохроматор приготавливают с коэффициентом асимметрии



Монохроматоры и анализатор выполняют в виде плоскопараллельных пластина, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными величинами b_n (для монохроматоров) и условием Брэгга для анализатора. Требование к совершенству элементов рентгенооптической схемы (кристаллов) для рассматриваемого случая изменяется по сравнению с предыдущим случаем (анализатора по Лауэ), поскольку контрольной величиной здесь становится угловая ширина склона КДО , а именно кривизна кристаллов не должна превышать величины /2L, где L - размер освещенной области на поверхности кристалла в плоскости дифракции. Выполнение этих требований позволяет сформировать пучок, угловая расходимость которого не превышает .

Для того, чтобы обеспечить максимальный коэффициент отражения от монохроматоров и исключить появление побочных максимумов, обусловленных отражением от обратной стороны кристалла, толщина каждого монохроматора t_k выбирается из условия



где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей;

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора.

Так как анализатор установлен в положении Брэгга, то его толщину t выбирают таким образом, чтобы одновременно выполнялись условия

t > 10_hkl и ,

где - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей, а - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью анализатора. Выполнение первого условия обеспечивает наиболее полное отображение внутренней структуры объекта, как показывают теоретические расчеты фазового изображения объектов. Выполнение второго условия обусловлено теми же соображениями, что и в случае монохроматоров, то есть, оно гарантирует отсутствие значимого по интенсивности пучка, отраженного от обратной стороны анализатора и, следовательно, отсутствие боковых максимумов в КДО, которые в данном случае не имеет смысла использовать для получения изображения из-за их малой интенсивности. Наличие побочных максимумов будет уменьшать высоту центрального максимума, так как общий интеграл под кривой отражения даже в идеальных условиях не может превысить единицы.

Вслед за выбором и первоначальной установкой всех монокристаллов, их юстируют, устанавливая в угловые положения в пределах углов брэгговского отражения каждого из кристаллов.

В отличие от способа-прототипа в предлагаемом способе исследуемый объект устанавливают на некотором расстоянии от анализатора для того, чтобы обеспечить возможность исследования объекта произвольной формы и большого размера, включая органы человеческого тела.

Поскольку исследуемые объекты характеризуются малыми градиентами коэффициентов преломления в них рентгеновского излучения, регистрацию изображения осуществляют при отклонении анализатора на углы в пределах его КДО.

В тех случаях, когда требуется особо высокая чувствительность, анализатор устанавливают с отклонением от точного брэгговского положения на углы , заключенные в интервале _B/2 < || < (_B/2+). В этих угловых интервалах происходит максимальное изменение коэффициента отражения анализатора, следовательно, обеспечивается максимальная чувствительность к изменениям направления пучка, падающего на анализатор.

Для повышения чувствительности к отклонениям первоначально псевдоплоского пучка в объекте в анализаторе выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b > 1. При этом приемная апертура анализатора уменьшается по сравнению с симметричным положением в (b)^-1/2 раз.

Для повышения разрешающей способности при регистрации изображения объекта в анализаторе наоборот выбирают асимметричное отражение с коэффициентом асимметрии b < 1.

Для того, чтобы обеспечить максимальную светосилу рентгенооптической схемы, в монохроматорах и анализаторе следует выбирать отражения низких порядков, в тех случаях, когда упомянутые монокристаллы имеют кубическую структуру (например, кремний или германий).

Той же цели служит использование бездисперсионной схемы, которая характеризуется следующим выбором порядков отражений:

hk1, (-h)(-k)(-1), ..., (h)(k)(l), где = (-1)^j-1, j=1,2, ... (n+1). Это последнее правило справедливо безотносительно к структуре монокристаллов, использующихся для приготовления элементов рентгенооптической схемы.

Избирательность чувствительности рентгенооптической схемы определяется не только угловым положением анализатора в пределах КДО, но и угловыми положениями каждого из монохроматоров, поэтому в зависимости от особенностей структуры исследуемого объекта монохроматоры юстируют, устанавливая их либо в точном брэгговском положении, либо выводя один или более из монохроматоров на склон соответствующей КДО. Использование склонов КДО в установке элементов рентгенооптической схемы позволяет избирательно настраивать схему на выявление структур с заранее заданными градиентами плотностей.

Учитывая, что способ получения фазовых изображений преимущественно медико-биологических объектов характеризуется высокими требованиями к точности взаимного расположения всех элементов рентгенооптической схемы, следует вести контроль за угловым положением монохроматоров и анализатора, либо только анализатора, если есть уверенность, что угловые положения монохроматоров остаются неизменными в течение всего времени съемки объекта. Для этого предусматривают соответствующие мониторные каналы. Мониторные каналы образуют из детекторов, установленных за каждым кристаллом по ходу пучка. Сигнал с детектора поступает в устройство сравнения текущего сигнала с реперным, которое вырабатывает дифференциальный сигнал. Последний направляют на исполнительное устройство позиционирования каждого кристалла. Для этой процедуры необходимо вначале выработать те реперные сигналы, с которыми будут сравниваться текущие сигналы, поступающие с соответствующего детектора. Для этого предлагается использовать несколько способов.

Первоначальная настройка рентгенооптической схемы и выработка реперных сигналов для последующего мониторинга могут осуществляться с помощью тестового объекта (фиг. 8). Для этого в части пучка, сформированного блоком монохроматоров, перед анализатором размещают тестовый объект, имеющий простую форму, которая может быть описана аналитически, например, волокно или капилляр, заполненный известным веществом. Упомянутое вещество лучше выбрать таким образом, чтобы его плотность была близка плотности капилляра. Это повысит точность настройки схемы. Для такого объекта можно, используя динамическую теорию формирования фазовых изображений [7], рассчитать распределение интенсивности в его изображении в условиях падения пучка с заданной расходимостью. Расходимость задается параметрами блока монохроматоров. Такое же распределение интенсивностей должно быть зарегистрировано двумерным координатно-чувствительным детектором, который устанавливается за анализатором по ходу пучка. Оба распределения сравнивают и юстировочными движениями, автоматически или оператором, устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором картины расчетного и зарегистрированного распределений совпадают с разумной точностью, например, 10%. Это положение можно рассматривать как прецизионную юстировку схемы, по ее окончании фиксируют показания во всех мониторных каналах, которые в дальнейшем рассматриваются как реперные, за исключением показания канала анализатора, которое определяется после установки объекта в рентгеновском пучке и внесения корректировки в показания мониторинга канала анализатора в связи с ослаблением излучения в объекте. Затем ведут съемку изображения объекта, во время которой, используя заранее настроенные мониторные каналы, осуществляют автоматическое слежение за положением всех кристаллов.

Другой вариант юстировки и выработки реперных сигналов осуществляют с помощью клиновидного монокристалла известного совершенства, которым замещают анализатор. Клин приготавливают таким образом, чтобы как минимум три полосы интерференции попадали во входное окно детектора, и чтобы каждая полоса хорошо описывалась элементами дискретизации координатно-чувствительного детектора. Для этого угол клина следует выбрать из условия: = _hkl/l_p, где величина l_p удовлетворяет двойному неравенству H/3 > l_p >> , где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции, а - пространственное разрешение упомянутого детектора. Клиновидный монокристалл устанавливают в положение по Лауэ. Координатно-чувствительный детектор размещают за анализатором в любом из пучков - прошедшим или дифрагированном.

Распределение интенсивностей в полосах интерференции предварительно рассчитывают по формулам динамической теории [6], двухкоординатный детектор регистрирует фактическое распределение интенсивностей и направляет эти данные в устройство сравнения обоих распределений. Юстировочными движениями всех кристаллов добиваются совпадения упомянутых распределений. Это может происходить автоматически, либо с помощью оператора. Юстировка считается законченной, если распределения совпали с определенной разумной точностью, поэтому по-видимому, точность 10% следует считать достаточно высокой для этой операции.

По окончании юстировки монохроматоры фиксируют и определяют реперные сигналы в соответствующих мониторных каналах. Клиновидный монокристалл заменяют анализатором согласно выбранной рентгенооптической схеме и юстируют его. Юстировку можно проводить тем же координатно-чувствительным детектором. Юстируя анализатор, добиваются равномерного распределения интенсивности по полю изображения, а также ее равномерного ослабления при повороте монокристалла вокруг оси, перпендикулярной плоскости отражения в пределах КДО. Любая неравномерность интенсивности по полю изображения недопустима. Эту неравномерность нельзя скорректировать соответствующей обработкой изображения, как это обычно делается при регистрации абсорбционных изображений объектов, поскольку ее наличие свидетельствует либо о присутствии остаточных напряжений в каком-либо из кристаллов, либо о непараллельности отражающих плоскостей. Любое из этих несовершенств нарушает условия формирования наилучшего фазового контраста.

После юстировки анализатора определяют реперный сигнал для мониторного канала, который совместно с другими используют для слежения за положением монокристаллов в процессе съемки объекта.

Клиновидный монокристалл играет также роль средства измерения, так как известно, что картина интерференции, образующаяся при дифракции на нем псевдоплоского пучка, зависит от расходимости пучка, сформированного блоком монохроматоров [8] . Вращая клиновидный монокристалл в пределах его кривой отражения и фиксируя картину полос интерференции, определяют степень когерентности падающего на него пучка, причем, знание величины поперечной компоненты длины когерентности позволяет определить расходимость падающего пучка.

Анализатор также можно юстировать с помощью сцинтилляционного детектора, сравнивая его КДО с расчетной. Этот вариант является единственно возможным в отсутствие координатно-чувствительного детектора.

Третий вариант способа получения фазовых изображений преимущественно медико-биологических объектов отличается от известного способа тем, что он предлагает путь для первоначальной прецизионной общей юстировки рентгенооптической схемы и последующего мониторинга за положениями всех кристаллов без замены анализатора клиновидным монокристаллом. Как уже упоминалось, дефект или неверная юстировка любой из компонент схемы неизбежно скажется на качестве волны, приготовленной блоком монохроматоров, и на качестве формируемого анализатором изображения, то есть, на чувствительности, разрешающей способности и других характеристиках рассматриваемого способа. Это может привести к невозможности получения фазового изображения объектов, отличающихся слабыми градиентами плотностей, в особенности, медико-биологических.

Для осуществления первоначальной прецизионной юстировки рентгеновского спектрометра предлагается в существующем способе выполнить блок монохроматоров из одного или более монокристаллов, а систему мониторинга изготовить двухканальной, причем, в первом канале установить двумерный координатно-чувствительный детектор. Далее предлагается приготовить анализатор в виде плоскопараллельной пластины с клиновидными участками на ее краях. Углы клиньев должны быть выбраны из условия: = _hkl/l_p, где величина l_p удовлетворяет условию H/3 > l_p >> , где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции, а - пространственное разрешение упомянутого детектора. Выполнение первого неравенства обеспечит регистрацию не менее, чем трех интерференционных полос в распределении интенсивности псевдоплоского пучка, претерпевшего дифракцию на клиновидном участке анализатора. А выполнение второго является гарантией того, что упомянутые интерференционные полосы будут хорошо разрешаться координатно-чувствительным детектором. Толщина плоскопараллельной части анализатора t должна соответствовать условию t l/. Приготовленный таким образом анализатор следует установить в положение Лауэ (на просвет) [фиг.9].

Как уже упоминалось, распределения интенсивностей интерференционных полос в пучках, прошедшем и дифрагированном на клиновидных участках анализатора в условиях освещения их рентгеновским пучком с заданной расходимостью, рассчитывают, пользуясь известными уравнениями динамической теории [6]. Для регистрации этого распределения образуют первый мониторный канал, установив координатно-чувствительный детектор в части пучка, прошедшего или отраженного от клиновидного участка анализатора. Второй мониторный канал образуют многокомпонентным по числу кристаллов, входящих в рентгенооптическую схему. Один из детекторов размещают в части пучка, прошедшего или отраженного от плоскопараллельного участка анализатора, другие - за монохроматорами.

Тогда при дифракции псевдоплоского пучка на клиновидном участке анализатора за последним будет формироваться интерференционная картина в виде регулярного набора полос, интенсивности которых при прочих равных условиях будут определяться величиной расходимости пучка, сформированного блоком монохроматоров. Расстояние между полосами и их форма будут зависеть от наличия в монохроматорах и анализаторе остаточных напряжений, а также от степени параллельности отражающих плоскостей монокристаллов. Зарегистрировав интерференционную картину дифракции на клине в отсутствие объекта, судят о качестве рентгенооптической схемы. Если схема настроена правильно, а качество оптических элементов достаточно высокое для реализации способа фазовой рентгенографии, полосы интерференции будут строго параллельны друг другу и образующей клина, а распределение интенсивности в них совпадет с расчетным. Если на части изображения полосы гаснут, теряют контраст, то нарушена взаимная юстировка кристаллов в блоке монохроматоров и/или юстировка фокуса рентгеновской трубки относительно коллимационного устройства и блока монохроматоров. Если полосы изогнуты, то следовательно, в одном или нескольких кристаллах наличествуют остаточные деформации или упругие деформации, возникшие при установке кристаллов в кристаллодержатели. В первом случае монокристаллы нужно повторно обработать, во втором - переустановить.

Распределение интенсивностей в полосах и расстояние между ними зависит от взаимного углового расположения всех монокристаллов. Сравнивая это распределение с предварительно рассчитанным, судят о качестве юстировки и юстировочными движениями устанавливают такое взаимное расположение всех элементов рентгенооптической схемы, при котором регистрируемая картина интерференции наблюдается с заданным (рассчитанным) контрастом. При этом трудно предположить, что совпадение будет полным, поэтому разумной может считаться 10% оценка степени совпадения.

Достигнув совпадения расчетной картины интерференции с измеренной, фиксируют интенсивности, регистрируемые детекторами во втором мониторном канале. После этого устанавливают объект в рентгеновском пучке и вносят корректировку в показания детектора, установленного за анализатором, в связи с ослаблением излучения в объекте. Далее рассматривают эти показания как реперные. Затем ведут регистрацию изображения объекта, во время которой по второму мониторному каналу контролируют угловое положение всех кристаллов, используя реперные показания детекторов.

В предлагаемом способе анализатор может быть приготовлен с одним клиновидным участком таким образом, чтобы основание клина было перпендикулярным плоским дифракции [фиг.10, а)]. В этом случае интерференционные полосы будут перпендикулярны плоскости дифракции, т.е. плоскости чертежа на фиг. 10 б).

Кроме того, в предлагаемом способе анализатор может быть приготовлен с одним клиновидным участком таким образом, чтобы основание клина было параллельным плоскости дифракции [фиг. 10, в)]. В этом случае интерференционные полосы будут также параллельны плоскости дифракции.

В этом же способе анализатор может быть приготовлен с двумя взаимно перпендикулярными клиновидными участками [фиг.10, г)]. Тогда в одной установке анализатора можно проконтролировать однородность интенсивности и расходимости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если распределение интенсивности за обоими клиновидными участками соответствует расчетному, можно с высокой степенью быть уверенным в том, что параметры пучка, падающего на объект, соответствуют требованиям получения фазовых изображений.

В предлагаемом способе после прецизионной юстировки кристаллов координатно-чувствительный детектор, входящий в первый мониторный канал, может использоваться для регистрации изображения, для чего его перемещают в пучок, прошедший или отраженный от плоскопараллельного участка анализатора, не занятый вторым мониторным каналом, и ведут съемку этим детектором.

Если размер исследуемого объекта или области, исследуемой на объекте, превышает размеры пучка, формируемого блоком кристаллов-монохроматоров, объект сканируют в этом пучке.

Для построения стерео изображений внутренней структуры объекта и для получения по ним томографических срезов объект поворачивают в рентгеновском пучке вокруг одной или нескольких его осей.

Описанный выше способ реализуется в устройстве для фазовой рентгенографии преимущественно медико-биологических объектов.

Первый вариант устройства, схематично изображенный на фиг.5, включает источник излучения 1, за которым установлен коллиматор 2, имеющий входную и выходную щели, ограничивающие пучок, падающий на первый монохроматор 3. Первый монохроматор, входящий в состав блока монохроматоров, приготовлен с коэффициентом асимметрии его отражающих плоскостей: b₁ sin 2_c/ sin 2(₁- _c), где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора. На фиг.5 представлен случай n = 2, коэффициент асимметрии второго монохроматора определяется из условия b₂ < _i/(₀b¹₁^/2). Параметры _I и ₀ определяются по КДО, аналогичных приведенным на фиг. 2 и 3.

За блоком монохроматоров размещен исследуемый объект 5, вслед за объектом по ходу пучка на некотором расстоянии в положение Лауэ установлен анализатор 6. В устройстве, предназначенном для получения фазовых изображений преимущественно медико-биологических объектов, все элементы рентгенооптической схемы выполнены с соблюдением специальных требований, a именно монохроматоры и анализатор выполнены в виде плоскопараллельных пластин, изготовленных из совершенных монокристаллов, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными и рассчитанными величинами b₁ и b₂ для монохроматоров и условием Лауэ для анализатора. Для удовлетворения условий формирования фазового контраста кривизна кристаллов не превышает величины _i/2L, где L - размер освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов.

Приготавливая монохроматоры, следует руководствоваться соображением, что толщина t_k каждого монокристалла должна удовлетворять условию, которое обеспечивает максимальное значение коэффициента отражения от данного монокристалла



где - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей; а

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора.

Если выполнены условия, наложенные выше на совершенство, толщину и коэффициенты асимметрии монохроматоров, появляется возможность воспользоваться эффектом "обострения" КДО анализатора, который позволяет использовать эффективно более узкий и интенсивный частичный пик Пенделлезунга. Этот эффект проявляется при определенных толщинах t анализатора, а именно



где _hkl - глубина экстинкции, отвечающая выбранному отражению в анализаторе;

C - поляризационный множитель; a

m - целое число.

Толщина анализатора также должна удовлетворять условию t 1/.

На фиг. 2 б) приведен пример того, как оптимальный выбор толщины анализатора, в данном случае равной 1340 мкм, обеспечивает "обострение" КДО анализатора. Центральный пик Пенделлезунга в этом случае имеет ширину, почти в 5 раз меньшую полуширины КДО, продемонстрированной на фиг.4. При этом очевидно, что выполнение этого требования возможно только тогда, когда расходимость пучка, падающего на анализатор, не превышает углового расстояния между соседними пиками Пенделлезунга. Это обеспечивается условиями, наложенными на b₁ и b₂.

Как уже упоминалось, углы отклонения первоначально певдоплоского пучка на границах раздела сред в медико-биологических объектах практически всегда не превышают полуширины КДО анализатора, поэтому все монокристаллы, входящие в состав устройства установлены с возможностью выбора и поддержания их угловых положений во время съемки в пределах собственных КДО. Стремясь к максимальной светосиле рентгенооптической схемы в тех случаях, когда речь идет о возможности ее использования для диагностических целей, для установки анализатора следует выбирать угловые положения, соответствующие наиболее интенсивному частичному пику Пенделлезунга КДО.

Поскольку в тех случаях, когда анализатор установлен по Лауэ, оба пучка - прошедший и дифрагированный - содержат фазовые изображения объекта, устройство дополнительно включает средства для установки системы регистрации как в прошедшем пучке, так и в обоих пучках одновременно. На фиг.5 устройство регистрации изображения 7 установлено в пучке, прошедшем через анализатор.

Для дополнительного сужения КДО анализатора и повышения чувствительности схемы анализатор может быть приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b < 1.

В другом варианте реализации устройство для фазовой рентгенографии преимущественно медико-биологических объектов, схематично изображенное на фиг. 7, состоит из источника 1, за которым следует коллиматор 2, имеющий входную и выходную щели, ограничивающие пучок, падающий на первый монохроматор 3. Первый монокристалл в блоке монохроматоров 3 выполнен с коэффициентом асимметрии b₁ sin2 _c/sin2(₁- _c),

где

_c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора. На фиг. 7 показан случай n = 2 как наиболее вероятный для выполнения. Коэффициент асимметрии b₂ должен быть определен из условия

b₂ < /(_Bb¹₁^/2),

где

- угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО анализатора, а _B - ширина столика Дарвина упомянутой КДО.

Упомянутые величины определяются по КДО анализатора, аналогичной приведенной на фиг.6.

За блоком монохроматоров установлен исследуемый объект 5, и на некотором расстоянии от него, в положении Брэгга - анализатор 6. Как и в первом варианте выполнения все компоненты устройства приготовлены с соблюдением нижеследующих специальных условий. В предлагаемом устройстве монохроматоры и анализатор приготовлены в виде плоскопараллельных пластин совершенных монокристаллов, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными величинами b₁ и b₂ (для монохроматоров) и условием Брэгга для анализатора, причем, кривизна кристаллов не превышает величины /2L, где L - разрез освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов в плоскости дифракции. Выполнение этого условия гарантирует, что все кристаллы, входящие в состав рентгенооптической схемы, не содержат остаточных напряжений, которые могли бы нарушить формирование фазового контраста по всему полю зрения.

Для того, чтобы обеспечить максимальные значения коэффициентов отражения монокристаллов, в предлагаемом устройстве приготавливают все кристаллы с толщиной t_k, которая выбирается из условия



где

- линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле, _k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей, а _k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью соответствующего монохроматора.

Кроме того, толщина анализатора t должна подчиняться условию t > 10_hkl, где _hkl - длина экстинкции выбранного отражения в монокристалле. Как уже упоминалось, выполнение последнего условия обеспечивает наиболее адекватное представление внутренней структуры объекта, которое позволяет провести восстановление структуры объекта по его фазовому изображению.

Все кристаллы, составляющие рентгенооптическую схему, установлены с возможностью их юстировки в пределах углов брэгговского отражения каждого монокристалла.

В рассмотренном варианте устройства регистратор 7 установлен в пучке, отраженном от анализатора. Детектор 8, осуществляющий мониторинг, установлен в пучке, прошедшем через анализатор. Особенность дифракции слабо расходящейся волны на совершенных монокристаллах состоит в том, что в некоторых случаях на малоугловом склоне возможно наблюдение пучка с интенсивностью, достаточной для целей мониторинга, даже при большой толщине анализатора. Эти можно воспользоваться в некоторых экспериментах.

В случаях, когда требуется максимальная чувствительность при регистрации фазовых изображений объектов, состоящих из мягких тканей и характеризующихся крайне низкими значениями градиентов плотности на границах внутренних структур, предлагаемое устройство отличается тем, что анализатор в нем установлен с возможностью фиксации в угловых положениях, отклоненных от точного брэгговского на угол при условии, что _B/2 < || < (_B/2+). Эти угловые положения соответствуют склонам КДО, где изменение коэффициента отражения происходит максимально быстро.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность при регистрации, устройство содержит анализатор, приготовленный с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b > 1.

Более высокое разрешение обеспечит устройство, в котором анализатор приготовлен с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b < 1.

Для того, чтобы обеспечить максимальную светосилу рентгенооптической схемы, предлагаемые устройства снабжены монохроматорами и анализатором, приготовленными с отражающими плоскостями, имеющими индексы низких порядков. Это условие касается тех случаев, когда элементы рентгенооптической схемы приготовлены из монокристаллов, имеющих кубическую структуру, например, кремния или германия.

Использование бездисперсионной схемы в расположении всех кристаллов, входящих в рентгенооптическую схему, которая характеризуется следующей последовательностью индексов брэгговских отражений hkl, (-h)(-k)(-1), . .., (h)(k)(l), где = (-1)^j-1, j = 1,2,...,(n+1), также позволяет максимально повысить светосилу рентгенооптической схемы. Это условие справедливо вне зависимости от типа кристаллической решетки используемых монокристаллов. Его выполнение становится практически непременным, если источником является рентгеновская трубка ввиду ограниченности потока излучения. Однако при работе с синхротронным излучением выполнение этого условия необязательно.

Для того, чтобы осуществить возможность регулирования чувствительности устройства к тем или иным структурам в исследуемом объекте, предлагаемые устройства снабжают средствами для установки монохроматоров либо в точном брэгговском положении, либо для установки одного или более из монохроматоров на склонах соответствующих КДО.

Учитывая, что угловые положения всех кристаллов должны устанавливаться и поддерживаться с точностями, превышающими десятую долю угловой секунды, в состав любого из предлагаемых устройств включены средства контроля угловых положений монохроматоров и анализатора. Для рассмотрения этих средств следует обратиться к фиг. 5. Средства мониторинга выполнены в виде детекторов - 8, 8" и 8"", установленных за анализатором и монохроматорами, соответственно. Детекторы через устройства сравнения текущего сигнала с реперным 9, 9" и 9"" связаны с исполнительными устройствами позиционирования соответствующих кристаллов 10, 10" и 10"". Детекторы 8" и 8"" изображены пунктиром для того, чтобы подчеркнуть, что они используют либо часть пучка в том случае, когда они выполнены в виде сцинтилляционных счетчиков, либо установлены в пучке, если выполнены в виде пропорциональных камер. В этом последнем случае они имеют рентгенопрозрачные входные и выходные окна, не дающие собственного фазового изображения.

Для определения качества монокристаллов, входящих в состав ренггенооптической схемы, и их прецизионной юстировки в любом из предлагаемых устройств используется тестовый объект простой формы, например, волокно или капилляр, размещенный перед анализатором и занимающий небольшую часть пучка, сформированного блоком монохроматоров (фиг. 8). В этом варианте рассмотрен случай с одним монохроматором n= 1. В пучке, прошедшем или отраженном от монохроматора, или в части такого пучка, содержащего изображение тестового объекта, установлен двумерный координатно-чувствительный детектор 7, регистрирующий распределение интенсивности в изображении тестового объекта в отсутствие исследуемого объекта. Координатно-чувствительный детектор соединен с устройством сравнения расчетного и зарегистрированного распределений интенсивностей 11, которое связано с устройствами позиционирования монокристаллов 10 и 10". Устройство содержит также мониторные каналы, составленные из детекторов 8 и 8", которые через устройства сравнения текущего сигнала с реперными 9 и 9" связаны с устройствами позиционирования 10 и 10" и служат для контроля за положением всех кристаллов после юстировки с помощью координатно-чувствительного детектора 7.

Для более предсказуемого определения качества монохроматоров и их прецизионной юстировки в любое из предлагаемых устройств включают также клиновидный монокристалл, который установлен в устройстве вместо анализатора в положение Лауэ. Клиновидный монокристалл приготовлен с углом клина , который выбран из условия = _hkl/l_p, где величина l_p удовлетворяет условию H/3 > l_p >> , где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции, а - пространственное разрешение упомянутого детектора. Для клина заранее расчетным путем определено распределение интенсивности в интерференционных полосах. За клиновидным монокристаллом в любом из пучков - прошедшем или дифрагированном, установлен двумерный координатно-чувствительный детектор, регистрирующий действительное распределение интенсивности в полосах интерференции. Детектор соединен с устройством сравнения экспериментально измеренного распределения интенсивностей с расчетным, а последнее имеет выход на устройства позиционирования всех монокристаллов. Устройства позиционирования снабжены средствами фиксации монохроматоров в выбранных положениях. В устройстве предусмотрена возможность замены клиновидного монокристалла анализатором, которая может быть выполнена в виде набора кристаллодержателей, имеющих одинаковые посадочные места для размещения на гониометре анализатора в фиксированном положении.

В третьем варианте устройство фазовой рентгенографии преимущественно медико-биологических объектов, схематично представленное на фиг. 9, содержит источник рентгеновского излучения 1, за которым следует коллиматор 2, имеющий входную и выходную щели, ограничивающие пучок, попадающий в блок монохроматоров (3-4 на фиг. 9). Последний выполнен из одного или нескольких (в данном случае двух) монокристаллов, последовательно отражающих падающий на них рентгеновский пучок. За блоком монохроматоров по ходу пучка размещен анализатор 6. Анализатор выполнен в виде плоскопараллельной пластины с клиновидными участками на краях и установлен в положение Лауэ (на просвет). Клиновидные участки анализатора a (фиг. 10) выполнены с углами клиньев , выбираемых из условия = _hkl/l_p, где величина l_p удовлетворяет условию: H/3 > l_p >> , где H - размер входного окна координатно-чувствительного детектора в плоскости дифракции, а - пространственное разрешение упомянутого детектора. Плоскопараллельный участок анализатора b выполнен с толщиной t1/ .

Для регистрации упомянутых распределений предназначен первый мониторный канал, снабженный двумерным координатно-чувствительным детектором 7, который установлен именно в таком пучке (на фиг. 9 на участок a(R) в дифрагированном пучке. Этот канал также снабжен устройством сравнения 11 текущего распределения сигнала в картине полос интерференции с распределением, заранее рассчитанным в условиях падения на анализатор пучка с заданной расходимостью. Координатно-чувствительный детектор также связан с видео-контрольным устройством (ВКУ) 12 и через буферную память 13 - с ЭВМ 14, имеющей монитор 15.

Монохроматоры и анализатор снабжены устройствами 10 для их прецизионного позиционирования (юстировки) в пределах соответствующих КДО. Первый мониторный канал предназначен для первичной прецизионной юстировки всех кристаллов и выработки реперных сигналов для второго мониторного канала.

Второй мониторный канал выполнен в виде детекторов 8 (детекторы 8" и 8"" и связанные с ними устройства не показаны, чтобы не загромождать чертеж на фиг. 7; они выполнены аналогично тому, как это представлено на фиг. 5 и 8, которые установлены в пучке, прошедшем или отраженном от плоскопараллельного участка анализатора, на фиг. 9 мониторный канал анализатора установлен в части пучка b(T), прошедшего через плоскопараллельный участок кристалла) и в пучках, отраженных от монохроматоров. Эти детекторы связаны с устройством сравнения текущего сигнала с реперным 9, который определяется в результате прецизионной первичной юстировки, выполненной с помощью первого мониторного канала. Устройства 9 связаны с устройствами позиционирования кристаллов 10. Этот второй канал обеспечивает мониторинг за положениями всех (или нескольких) кристаллов после прецизионной юстировки, осуществляемой с помощью первого канала.

Устройство по последнему варианту может быть выполнено с анализатором, содержащим один клиновидный участок с основанием, перпендикулярным плоскости дифракции [фиг. 10, a)] , и тогда схема хода пучков в плоскости дифракции будет выглядеть, как на фиг. 10 б). Анализатор также может содержать клиновидный участок с основанием, параллельным плоскости дифракции [фиг. 10 в)] . На фиг. 10, а) и в) клиновидные участки обозначены латинскими буквами a, а плоскопараллельные участки - буквами b.

Возможет вариант выполнения такого устройства с анализатором, содержащим два взаимно перпендикулярных клиновидных участка [фиг. 10, г)]. В таком варианте предоставляется возможность одновременного контроля за качеством пучка (однородностью интенсивности и расходимости) в двух направлениях, например, параллельно и перпендикулярно плоскости дифракции.

В случае, когда размеры исследуемого объекта превышают размер пучка, формируемого блоком монохроматоров, каждое из предложенных устройств может быть снабжено средствами сканирования объекта.

Для того, чтобы обеспечить получение стерео изображений и томографических сечений в фазовой рентгенографии, любое из описанных устройств может содержать средства для поворотов объекта в пучке вокруг одной или нескольких осей.

Особенности рентгенооптической схемы фазовой рентгенографии таковы, что блок монохроматоров образует прямоугольный пучок, размер которого в плоскости дифракции, как правило, в несколько раз превышает размер в перпендикулярной плоскости. Для того, чтобы обеспечить оптимальную регистрацию такого изображения, входное окно координатно-чувствительного детектора выполняют прямоугольным с размерами, совпадающими с размерами поля зрения, сформированного блоком монохроматоров и анализатором.

Используя фиг. 5, покажем, как работает предлагаемое устройство по первому варианту.

Рентгеновское излучение от источника 1 через коллиматор 2 падает на первый монохроматор 3, коэффициент асимметрии которого удовлетворяет условию b_l sin2_c/sin2(₁- _c), где _c - критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от поверхности монохроматора. Ширины входной и выходной щелей коллиматора равны, соответственно, h_o и h_l. Обычно величины h_o и h_l выбирают близкими величине проекции фокуса рентгеновской трубки на плоскость дифракции.

Рассмотрим случай, когда блок монохроматоров выполнен из двух кристаллов. В большинстве случаев этого достаточно для того, чтобы приготовить пучок с необходимой расходимостью. Тогда коэффициент асимметрии второго монохроматора 4 должен быть выбран из условия

b₂ < _i/₀(b₁),

где

_i - угловое расстояние между тремя самыми сильными соседними максимумами Пенделлезунга на упомянутой КДО анализатора [фиг. 2 и 3] и ₀ - полуширина КДО анализатора [фиг. 4].

Монохроматоры 3, 4 и анализатор 6 выполнены в виде плоскопараллельных пластин, изготовленных из совершенных монокристаллов, поверхности которых ориентированы относительно отражающих плоскостей в соответствии с выбранными и рассчитанными величинами b₁ и b₂ и условием Лауэ для анализатора. Для удовлетворения условий формирования фазового контраста кривизна кристаллов не превышает величины /2L, где L - размер освещенной области на поверхности каждого из монокристаллов. Величину L₁ области, освещенной на первом монокристалле, входящем в блок монохроматоров, рассчитывают по формуле L₁= h₁/tg (₁- ₁), а величину области L₂, освещенной на втором монокристалле, рассчитывают по формуле L₂=h₂/tg (₂- ₂), где h₂ - поперечный размер пучка, который отражается от первого монохроматора. Если размер второго монокристалла таков, что весь пучок, идущий на него от первого монохроматора, отражается, то h₂=h₁/b₁.

Учитывая, что монохроматоры приготовлены таким образом, что толщина t_k каждого монокристалла подчинена условию



где

- линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения в кристалле;

_k - угол Брэгга выбранной системы отражающих плоскостей; а

_k - угол между системой отражающих плоскостей и поверхностью монохроматора, можно быть уверенным, что достигнуто максимальное значение коэффициента отражения от данного монокристалла.

Отразившись от второго (последнего) монокристалла, пучок приобретает расходимость = ₀(b₁)^1/2b₂. Его ширина становится равной h₂. Это практически параллельный, высоко когерентный пучок падает на исследуемый объект 5. Здесь он испытывает ослабление и преломление на границах внутренней структуры. Эксперимент показывает, что общая расходимость пучка при работе с медико-биологическими объектами увеличивается незначительно - на (5 - 10)%. Таким образом, на анализатор 6 приходит по-прежнему слабо расходящийся пучок, который, однако, характеризуется возмущениями волнового фронта, зависящими от координаты. Если оставаться в терминах расходимости, то можно сказать, что в объектах, являющихся предметом нашего интереса, локальные возмущения расходимости составляют порядка 10^-6 - 10^-8. При этом характерные полуширины КДО анализатора по Лауэ составляют 510^-6 - 510^-7, т.е. превышают величины, которые должны быть зарегистрированы.

Анализатор играет ключевую роль в формировании фазовых изображений. Это именно тот оптический элемент системы, который преобразует фазовые изменения, произошедшие в почти нерасходящемся пучке после его прохождения через объект, в изменения интенсивности. Расчеты и эксперимент показывают, что для получения высоко контрастных изображений медико-биологических объектов, очень перспективно использовать характеристики Пенделлезунга КДО анализатора - угловых биений интенсивности, которые проявляются лишь в случаях либо очень тонких кристаллов, либо пренебрежимых расходимостей падающего на них пучка. Требование к расходимости пучка сформулировано выше.

Так, если выполнены условия, наложенные выше на совершенство, толщину и коэффициенты асимметрии монохроматоров, появляется возможность воспользоваться эффектом "обострения" КДО анализатора, который позволяет использовать эффективно более узкий и интенсивный частичный пик Пенделлезунга. Этот эффект проявляется при определенных толщинах анализатора, установленного по Лауэ, а именно, при условии, когда его толщина t одновременно удовлетворяет упомянутым выше условиям [фиг. 2-4]. Из фиг. 3 ясно, что характерные полуширины пиков Пенделлезунга приблизительно в 5 - 10 раз уже полуширин соответствующих КДО, и мы стремимся воспользоваться этой возможностью. При этом возможен и другой путь подхода к решению этой проблемы - выбор отражений высоких порядков, обладающих меньшими полуширинами [3], но этот путь непригоден при построении диагностического прибора, так как ведет к более, чем десятикратным потерям интенсивности в рентгенооптической схеме. Используя предлагаемое решение, можно в некоторых случаях даже увеличить интенсивность в отраженном пучке [фиг. 2 и 3]. Стремясь к максимальной светосиле рентгенооптической схемы в тех случаях, когда речь идет о возможности ее использования для диагностических целей, мы предлагаем использовать наиболее интенсивный частичный пик Пенделлезунга КДО.

Как упоминалось выше, углы отклонения первоначально псевдоплоского пучка на границах раздела сред в медико-биологических объектах практически всегда гораздо меньше полуширины КДО анализатора, поэтому устройства позиционирования всех монокристаллов, входящие в состав устройства, обладают точностями, не меньшими ширин частичных максимумов КДО. Так в брэгговской плоскости обеспечивается точность позиционирования монокристаллов не хуже 0,2"", а в антибрэгговской - не хуже 0,1"".

Итак, за анализатором по Лауэ пучок расщепляется на два: прошедший и дифрагированный. Оба содержат фазовые изображения объекта и оба могут быть зарегистрированы. Обычно сцинтилляционный детектор (счетчик) 8 устанавливается в дифрагированном пучке, а двумерный координатно-чувствительный детектор 7 - в прошедшем пучке, но их можно поменять местами. Изображение можно регистрировать также на пленку или фотопластинку в зависимости от требований к качеству изображения и экспрессности получения снимка.

На фиг. 11, а) и б) приведены фазовые изображения белой мыши, на которых представлено четкое изображение артериальной системы брюшной полости и частично грудная аорта, бедренные и хвостовая артерии. Эти изображения получены без использования иодосодержащих контрастирующих веществ, которые обычно применяются для исследования сосудов. Эти изображения получены в AgK₁ излучении в схеме с двумя монохроматорами и анализатором, установленным в положении Лауэ.

Обычно анализатор приготавливают с симметричными отражающими плоскостями. Хотя возможности работы с асимметричными отражениями в случае Лауэ ограничены, иногда мы использовали небольшие степени асимметрии b = 0,5 - 0,2 для дополнительного сужения КДО. Этим можно достичь дополнительного повышения чувствительности схемы.

Рассмотрим теперь, как работает устройство с анализатором, установленным в положение Брэгга (фиг. 7). Особенности работы в этой схеме становятся понятны, если обратиться к КДО монокристалла, работающего на отражение (фиг. 6). В этом случае КДО характеризуется участком, где коэффициент отражения изменяется слабо, такой участок называется "столиком Дарвина" и его ширина _В обычно принимается равной полуширине всей КДО. При этом мы различаем эти понятия. По обе стороны от столика Дарвина КДО весьма резко уменьшается практически до нуля. Собственно склонами КДО воспользоваться весьма сложно, так как в интересующей нас области длин волн их угловые ширины . не превышают половины угловой секунды, и задача заключается в том, чтобы удержать монокристаллы с точностью, которая должна составлять (1/5 - 1/10) .

Немногочисленные исследователи, работающие в этой технике, пользуются съемкой либо в точном брэгговском положении (в пределах столика Дарвина) [3] , либо на далеких склонах КДО [2]. Однако наши эксперименты показали, что в некоторых случаях, например при исследовании молочной железы, наиболее контрастные и информативные снимки регистрируются при установке анализатора на малоугловом склоне КДО вблизи его максимума. При этом интенсивность в дифракционном пучке возрастает как минимум в два раза по сравнению со схемой анализатора по Лауэ, а диагностическая ценность изображений практически не ухудшается.

В связи с этим в варианте устройства с анализатором, установленным по Брэггу, критической угловой характеристикой, используемой для выбора остальных параметров рентгенооптической схемы, служит ширина склона КДО анализатора . Если величина оптимального коэффициента асимметрии первого монохроматора выбирается из того же условия, что и в первом варианте устройства, то в условии для определения коэффициента асимметрии k-го монохроматора величина _i заменяется на величину - угловые интервалы положений анализатора, соответствующие склонам КДО анализатора, при этом место полуширины ₀ занимает _B - ширина столика Дарвина. Требования к качеству обработки и кривизне кристаллов остается таким же, как и в первом устройстве.

Работа второго устройства аналогична работе первого до момента отражения от анализатора, в этом случае регистрируется только дифрагированный пучок, в котором и размещают регистратор 7; прошедший пучок, который можно наблюдать и за достаточно толстым монокристаллом на малоугловом склоне ДКО, служит средством дополнительного контроля за юстировкой кристаллов, если в нем установлен сцинтилляционный детектор 8.

Наши эксперименты показали, что в случаях, когда требуется максимальная чувствительность при регистрации фазовых изображений объектов, состоящих из мягких тканей и характеризующихся крайне низкими значениями градиентов плотности на границах внутренних структур, необходимо обеспечить установку анализатора в угловых положениях, отклоненных от точного брэгговского на угол при условии, что _B/2 < || < (_B/2+). Именно в этих угловых положениях были получены наиболее контрастные и информативные изображения аденокарциномы молочной железы, причем структура изображения была близка к структуре снимка, сделанного с гистологического среза той же опухоли, и позволяла проследить характер новообразования и пути метастазирования.

Дополнительного повышения чувствительности можно достигнуть, приготовив анализатор с коэффициентом асимметрии отражающих плоскостей b > 1. Мы работали с b 2. Наоборот, выбор анализатора с b < 1 позволяет повысить пространственное разрешение.

В тех случаях, когда коэффициент асимметрии анализатора превышает единицу, сечение отраженного от него пучка сужается по сравнению с сечением упавшего пучка в соответствующее число раз. Для того, чтобы обеспечить лучшее представление изображения объекта, плоскость приемного окна регистратора следует установить под углом, отличным от 90^o, к оси отраженного пучка. При расчете такого угла следует учесть имеющуюся в схеме вертикальную расходимость : = H_a/l_a, где H_a - размер анализатора (или пуска) в антибрэгговской плоскости, а l_a - расстояние от анализатора до фокуса рентгеновской трубки.

Для того, чтобы достигнуть масштаба 1 : 1 в представлении объекта, следует развернуть плоскость приемного окна регистратора на угол к пучку, отраженному от анализатора, причем = arcsin{h₂/[b(h₂+ l_a-rtg)]}, где l_a-r - расстояние между центрами анализатора и плоскости приемного окна регистратора (фиг. 5).

Высокая светосила является одним из основных требований к диагностическому устройству. Для устройств, использующих монохроматические и практически нерасходящиеся пучки, по сути дела когерентные пучки, выполнить это условие непросто, так как от источника отбирается малая доля излучения, поэтому любые средства, позволяющие сохранить отобранную энергию, крайне важны. Одна из возможностей максимально использовать энергию рентгеновского пучка - выбор в кристаллах отражающих плоскостей с наибольшими коэффициентами отражения. В кубических кристаллах, таких как кремний или германий, это плоскости с индексами Миллера низших порядков. По существу, предпочтительными являются отражения (111) и (220). В кварце набор таких типов отражающих плоскостей гораздо шире.

Использование дисперсии рентгенооптических схем может привести к интересным результатам, однако, на сегодняшний день эти попытки следует полностью отнести к работе с источниками синхротронного излучения. Для работы с обычными источниками бездисперсионные схемы пока являются единственно перспективными. Это схемы, в которых, во-первых, используются отражения от одного типа плоскостей, причем, нормали к плоскостям в последовательно расположенных кристаллах должны быть антипараллельны, например 220, -220, 220.

Рентгеновский спектрометр, входящий в состав предлагаемых устройств, предоставляет средства для установки любого из монохроматоров либо в точном брэгговском положении, либо отклоненным от него. Многовариантность таких установок позволит настроить устройство на преимущественную регистрацию различных градиентов плотности в объекте. Реально этим средством настройки можно воспользоваться только при наличии достаточной мощности источника излучения.

Устройство снабжено средствами контроля за юстировкой всех кристаллов и последующего контроля за их положением. Эти средства могут быть различными, различными могут быть и способы их работы. Например, на фиг. 5 изображен вариант устройства, в котором за каждым монокристаллом установлен мониторный канал. Часть рентгеновского пучка, отраженного от данного монокристалла, например монохроматора 3, пропускается следующим кристаллом-монохроматором 4, например, из-за того, что размер этого второго монохроматора меньше размера, необходимого для отражения всего падающего на него пучка. В таком случае эта неиспользованная часть пучка попадает в детектор излучения 8". Сигнал с детектора 8" поступает на устройство 9", где происходит сравнение текущего сигнала с некоторым реперным, и разностный сигнал направляется на устройство позиционирования 10" монокристалла 3. Аналогично работают детекторы 8 и 8"" с устройствами сравнения текущего сигнала с реперным 9 и 9"" и устройствами позиционирования 10 и 10"" соответствующих монокристаллов 4 и 6.

Контроль качества монокристаллов, входящих в блок монохроматоров, а также их первичная юстировка, которая заканчивается выработкой упомянутого реперного сигнала, которая производится с помощью клиновидного монокристалла известного совершенства - клина, который устанавливают в положение Лауэ вместо анализатора в любом из вариантов. Здесь мы пользуемся известным свойством отражения от клиновидного монокристалла - образованием интерференционных полос или полос равной толщины при освещении монокристалла пучком с малой расходимостью. При тех параметрах пучка, который обеспечиваются блоком монохроматоров в обсуждаемом устройстве, распределение интенсивности в полосах равной толщины может быть рассчитано по известным формулам динамической теории дифракции [6], при этом параметры пучка определяются из характеристик блока монохроматоров. Любое искажение формы полос, неравномерное по полю изменение интенсивности при вращении клина вокруг оси (перпендикулярной плоскости отражения) гониометра, на котором он установлен, отсутствие контраста в полосах на каком-либо участке картины дифракции и пр. свидетельствует либо о наличии остаточных напряжений в монокристаллах, либо о неверной их юстировке. Если юстировка монохроматоров не приносит желаемого результата - совпадения распределения интенсивности в полосах равной толщины с разумной точностью, например 10%, монохроматоры заменяют. При этом в случае, если не удается установить, какой из монохроматоров не удовлетворяет требованиям необходимого качества, тестирование следует начинать с первого. Тогда второй монохроматор убирают, клин размещают в пучке, отраженном от первого монохроматора, и проверяют его качество. При необходимости первый монохроматор либо заменяют, либо подвергают его поверхности вторичной обработке. После получения удовлетворительного результата устанавливают второй монохроматор и тестируют его, затем так далее.

После того, как все монохроматоры протестированы и установлены в заданные угловые положения, снимаются показания детектором 8" и 8"", которые считаются реперными для дальнейшего мониторинга. Клин заменяется анализатором, который устанавливают в соответствии с рентгеновской схемой и юстируют. После юстировки анализатора устанавливают объект и снимают показания детектора 8, которое будет считаться реперным для дальнейшего мониторинга.

Качество анализатора и правильность его юстировки контролируют, сравнивая экспериментально полученную КДО с расчетной. Когда характеристики экспериментальной и расчетной КДО совпадут с разумной точностью, например 10%, устанавливается объект и фиксируется показание детектора 8, которое в дальнейшем будет считаться реперным (фиг. 5). Это трудоемкий прием, и им имеет смысл пользоваться только в случае, если отсутствует координатно-чувствительный детектор.

Крайне важным является контроль и исключение возможного и нежелательного изгиба анализатора. Изгиб приводит к неоднородному распределению интенсивности отражения и пространственному смещению этого распределения при повороте анализатора, поэтому для оптимального выбора кристалла-анализатора помимо съемки КДО мы успешно использовали координатно-чувствительный детектор, с помощью которого контролировали однородность распределения интенсивности и отсутствие пространственного смещения отраженного пучка.

Для оценки качества рентгеновских элементов предлагается также использовать тест-объект, который устанавливается перед анализатором в той его части, которая либо не будет занята изображением объекта, либо изображение которой можно легко удалить из изображения объекта после его регистрации. Тест-объект может использоваться в обоих вариантах устройства. Он может служить не только для контроля качества анализатора при известном качестве монохроматоров, но и наоборот, для контроля качества монохроматоров, если качество и характеристики анализатора каким-либо образом установлены предварительно.

Обязательное условие для тест-объекта - наличие простой формы, например цилиндрической, которая легко описывается аналитически (фиг. 8). Для такого объекта распределение интенсивности за анализатором известно из расчета. Это распределение содержится в системе сравнения интенсивностей 11, с которой связан координатно-чувствительный детектор 7, регистрирующий реальное распределение за анализатором. Если экспериментально определенное распределение не совпадает с расчетным, производят либо дополнительную юстировку кристаллов, используя для этого исполнительные механизмы позиционирования монокристаллов 10 и 10", либо замену одного или нескольких элементов схемы.

Регистрация изображения может производиться одновременно с мониторингом положения анализатора в том случае, если тест-объект расположен в части пучка, не занятом изображением.

Длительная экспериментальная работа, связанная с получением фазовых изображений медико-биологических объектов, показала, что в устройстве для фазовой рентгенографии желательно предусмотреть возможность оперативного контроля за качеством установки всех кристаллов в кристаллодержателе спектрометра, а также качества юстировки, поскольку с течением времени в кристаллах могут появиться деформации в местах крепления. Не всегда удобно для этой цели использовать клин, заменяя им анализатор. Для этого в третьем варианте устройства используется специально приготовленный анализатор с одним или более клиновидными участками на краях (фиг. 9). В этом устройстве рентгеновский пучок малой расходимости, сформированный одним или несколькими монохроматорами, падает на такой анализатор, причем, одновременно на плоскопараллельный и клиновидный участки. Часть пучка, продифрагировавшая на клиновидном участке анализатора, представляет собой набор интерференционных полос, направление которых совпадает с направлением ножа клина. Такие полосы называются полосами равного наклона, они регистрируются двумерным координатно-чувствительным детектором 7 в любом из пучков - прошедшем или дифрагированном. Если все элементы рентгенооптической схемы отъюстированы должным образом, распределение интенсивности поперек полос совпадает с распределением, рассчитанным по известным формулам [6] с учетом известных: параметров схемы, угла клина, расходимости падающего на клин пучка. Качественное сравнение расчетного и экспериментального распределений может производиться оператором, а количественное - в устройстве сравнения. Оператор на ВКУ 12 (фиг. 9) наблюдает картину распределения полос и по характеру искажений картины интерференции определяет предварительно, какое нарушение имеет место в рентгенооптической схеме. При этом оператор, используя ручное управление устройством позиционирования, медленно поворачивает анализатор вокруг оси гониометра, и следит за изменениями картины дифракции. Грубые нарушения выявляются при наблюдении, например деформации одного из кристаллов, проявляются как искривления полос; непараллельность осей вращения кристаллов проявляется как неравномерное погасание полос по длине. Сложнее выявляется неверное угловое положение каждого из кристаллов в пределах КДО - его можно выявить сравнением расчетного и экспериментального распределения интенсивности в полосах. Это сравнение производится автоматически. Для этого данные с координатно-чувствительного детектора 7 поступают на устройство сравнения 11 картины распределения интенсивностей с расчетной. Дифференциальный сигнал с последнего устройства направляется на исполнительные устройства позиционирования анализатора 10 и монохроматоров 10" и 10"". Все описанные действия производятся в отсутствие объекта.

Когда после серии юстировочных движений и, если это необходимо, после замены или переустановки непригодных для работы элементов рентгенооптической схемы принимается решение о готовности к съемке, определяются показания сцинтилляционных детекторов (счетчиков) 8"и 8"", которые установлены на каждом из монохроматоров. Эти значения рассматриваются при дальнейшем мониторинге как реперные. Реперное показание сцинтилляционного детектора 8, который установлен в части пучка, прошедшего или отраженного от плоскопараллельного участка анализатора, определяется после установки в пучок объекта исследования. После этого можно производить съемку, осуществляя автоматическое слежение за состоянием схемы уже по сцинтилляционным детекторам. При этом дифференциальные сигналы с устройств сравнения сигналов 9, 9" и 9"" поступают на исполнительные механизмы 10, 10" и 10"" устройств позиционирования монокристаллов образующих рентгенооптическую схему.

Регистрация изображения ведется на рентгеновскую пленку или пластинку, которые устанавливаются непосредственно за анализатором. Для регистрации используется также координатно-чувствительный детектор, который в этом случае выводится из первого канала и устанавливается в пучке, прошедшем или отраженном от плоскопараллельного участка анализатора, который не занят вторым мониторным каналом.

Наиболее эффективным для предварительной юстировки кристаллов, по-видимому, является анализатор с двумя взаимно перпендикулярными клиновидными участками [фиг. 11, г] . После дифракции на таком кристалле имеется две взаимно перпендикулярные системы интерференционных полос - параллельные и перпендикулярные плоскости дифракции. Юстировка по этим системам позволяет достаточно хорошо установить кристаллы перед съемкой.

Особенности схемы формирования пучка блоком монохроматоров таковы, что освещаемая на объекте область имеет форму прямоугольника, вытянутого в антибрэгговском направлении. При этом отношение размера сторон прямоугольника может составлять от 1:5 до 1:10. При этом, очевидно, что для получения кадра изображения производится сканирование объекта - непрерывное или пошаговое - набор стоп-кадров.

Для получения стерео изображений объекта вначале регистрируется его изображение в нескольких проекциях, минимум, в трех. Для этого объект поворачивают вокруг известной оси на заданный угол. Регистрацию проводят электронным координатно-чувствительным детектором 7 (фиг. 9), способным представить изображение как набор данных, соответствующих интенсивности излучения в каждой точке. Сигнал с координатно-чувствительного детектора поступает в буферную память 13. Затем эти данные направляют в компьютер 14 и, пользуясь одной из многочисленных имеющихся программ, строят стерео изображение, которое представляется на дисплее 15. Имея в своем распоряжении такое стерео изображение, несложно получить любой его срез. Эта информация будет намного богаче той, которая регистрируется компьютерным томографом, так как в ней будет отражено не только распределение участков внутренней структуры, имеющих различное ослабление излучения, но и распределение границ, на которых произошло изменение фазы первоначально слабо расходящегося пучка.

Приведем один из возможных примеров выполнения устройства.

Устройство для получения фазовых рентгенограмм содержит источник рентгеновского излучения - рентгеновскую трубку с W анодом, для которого длина волны K₁ линии характеристического излучения равна 0,209 . Для построения рентгенооптической схемы многокристального спектрометра выбираем монокристаллы Si, отражения типа 220 (угол Брэгга = 3,03^o) и блок монохроматоров, состоящий из двух монокристаллов. Учитывая, что кристаллический угол ПВО кремния на излучении этой длины волны равен 4,6" (угл. мин), следуя установленному нами правилу, определяем, что величина первого коэффициента асимметрии должна быть больше 0,013. Учитывая доступную точность резки монокристаллического слитка, зададимся величиной b₁ = 0,043, и эта оценка будет реальной. При этом угол скольжения падающего на первый монохроматор пучка равен 0,25^o.

Принимая размер проекции фокусного расстояния рентгеновской трубки в брэгговской плоскости равным 0,5 мм, выбираем ширину обеих щелей коллиматора h₀ и h₁ равной 0,4 мм. Исходя из этого, ширина пучка в брэгговском направлении после отражения от первого монохроматора станет равной h₁(b₁)^-1/2= 9 мм. При этом размер первого монохроматора в плоскости дифракции L_M1 = h₁/tg 0,25^o 90 мм.

Обратившись к КДО по Лауэ на фиг. 2 и 3, определим, что расстояние между самыми сильными соседними пиками Пенделлезунга не превышает _i=0,1"". Принимая во внимание, что полуширина КДО симметричного отражения от анализатора составляет 0,586"", получаем оценку для коэффициента асимметрии второго монохроматора b₂ < 0,1""/(0,586"" (0,043)^1/2) = 0,82. Если мы выберем b₂ = 0,7, размер второго монохроматора в плоскости дифракции будет равным L_M2 = 206 мм. Сегодня промышленность позволяет выращивать слитки такого размера для нужд полупроводникового производства, поэтому изготовление кристалла этого или близкого размера представляется реальным.

Для того, чтобы осуществить идею образования мониторного канала, установленного за соответствующим кристаллом, следует выбрать, например, L_M2 = 180 мм. Тогда 26 мм пучка не отразится от второго кристалла, этот участок пучка можно использовать для установки в нем детектора 8".

Размер освещаемой области на объекте в плоскости дефракции в этом случае будет равным 9 мм /b₂ = 12,8 мм. В антибрэгговской плоскости размер кристалла составляет 150 мм. Этот размер в основном будет определяться возможным достижимым размером кристаллов монохроматоров и анализатора в этом направлении. Толщина монохроматоров должна значительно превышать 6 мм, поэтому монохроматоры приготавливают, например, с толщиной около 6 мм, чтобы исключить значимые отражения от обратной поверхности кристаллов.

Учитывая, что _i = 0,1"" 0,510^-6 рад, определим, что кривизна первого монохроматора должна быть не более 0,5 10^-6/(2 90 мм) = 0,28 10^-8 мм^-1, кривизна второго монохроматора - не более 0,5 10^-6/2 206 мм = 0,12 10^-8 мм^-1, а кривизна анализатора - не более 0,5 10^-6/(2 12,8 мм) = 1,95 10^-8 мм^-1.

В устройстве, где толщина анализатора составляет, например, 1340 мкм, есть возможность воспользоваться эффектом "обострения" максимума Пенделлезунга и для съемки выбирать рабочие точки в пределах центрального частичного максимума с полушириной .. При этом выполняется и условие t < 1. В анализаторе, как было указано выше, выбирается симметричное отражение типа 220.

Для получения качественных фазовых изображений критична обработка поверхностей всех кристаллов. Последовательными травлением, шлифовкой, полировкой и снова травлением, в том числе химико-механическим, достигается полное снятие наклепа, образующего в процессе резки монокристаллического слитка на пластины. Наличие остаточных напряжений выявляется уже при первичной юстировке кристаллов, примеры проявления этого дефекта были описаны выше. Практика показывает, что в некоторых случаях повторные обработки уже готовых поверхностей дают хороший результат.

Имея в виду, что ширина поля изображения составляет 12,8 150 мм², объект необходимо сканировать для получения полного кадра, например, 150 150 мм². Такого кадра достаточно для съемок конечностей, некоторых суставов, участка головы и других органов.

Вариант устройства, использующего характеристическое излучение K₁ линии W, пригоден для получения изображения практически любого органа человеческого тела и может рассматриваться как самый перспективный для целей диагностики.

Для оптимизации работы координатно-чувствительного детектора, например, телевизионного типа, входное окно последнего формируется из набора четырех волоконно-оптических блоков 60 мм, масштабирующих изображение до четырех участков 15 мм. Каждый из этих участков изображения регистрируется ПЗС-матрицей.

Ниже приведен пример выполнения варианта устройства с анализатором, установленным в положение Брэгга. В отличие от вышеприведенного, рассмотрим вариант устройства для исследования медико-биологических объектов и лабораторных животных, он отличается использованием характеристической K₁ линии A_g, . Оптические элементы устройства выполнены из совершенного монокристаллического кремния. Выберем отражающие плоскости типа 220, угол Брэгга = 8,40^o, схему 220, -220, 220 и рассчитаем параметры монохроматоров. Основываясь на сформулированных выше условиях и учитывая технологические возможности существующего оборудования, выберем коэффициент асимметрии первого монохроматора равным 0,02. Тогда угол скольжения падающего на первый монохроматор пучка составит 24", а размер освещаемой области на кристалле в брэгговской плоскости L_M1 = 70 мм при размере щелей 0,4 мм.

Для повышения чувствительности рентгенооптической схемы зададимся коэффициентом асимметрии анализатора b = 1,5. Имея в виду, что в этом случае угловая величина склона КДО анализатора не превышает 0,5"", а ширина столика Дарвина равна 0,31"", определим желаемый коэффициент асимметрии второго монохроматора b₂ < 0,5""/(1,31"" (0,02)^1/2) = 2,7. Это означает, что второй монохроматор в данном случае не является необходимым для осуществления предлагаемого способа фазовой рентгенографии, - достаточно двухкристальной схемы 220, -220 (фиг. 8).

Ширина пучка после отражения от первого монохроматора в предлагаемым устройстве составит 0,4 мм/0,02 = 20 мм, а размер освещаемой области на анализаторе в плоскости отражения - 110 мм.

Толщина монохроматора должна намного превышать значение (2,3/0,74)cos(8,40^o - 0,33^o) = 3 мм при = 0,74 мм^-1, а толщина анализатора - значения 3,1 мм и 10_hkl = 70 мкм. Таким образом, изготовив все кристаллы толщиной 6 мм, мы выполним все поставленные условия. При этом размеры кристаллов составят: монохроматор - 90 50 6 мм³, анализатор - 110 90 6 мм³.

Кривизна кристаллов не должна превышать: для монохроматора - 5,5 10^-6/(2 70 мм) = 3,9 10^-8 мм^-1, для анализатора - 5,5 10^-6/(2 110 мм) = 2,5 10^-8 мм^-1. Поскольку коэффициент асимметрии анализатора превышает единицу, сечение отраженного от него пучка сужается по сравнению с сечением упавшего пучка в соответствующее число раз, в данном случае 1,5. Принимая разумными величину вертикальной расходимости = 4,5^o и расстояния от центра анализатора, до центра приемной плоскости регистратора (например, рентгеновской пленки или входного окна координатно-чувствительного детектора) l_a-r = 120 мм, получим, что для того, чтобы обеспечить представление изображения объекта в масшатбе 1:1, следует согласно описанной выше процедуре развернуть приемную плоскость регистратора на угол = arcsin {20 мм/[1,5(20 мм + 120 мм tg4,5^o)]} = 26,2^o.

Рассмотрим пример выполнения третьего варианта устройства, осуществляющего соответствующий способ фазовой рентгенографии. Ключевым элементом устройства является специально приготовленный анализатор с одним или несколькими клиновидными участками на краях. Обратимся к первому из вариантов выполнения предлагаемых устройств. Для определения угла клина заметим, что размер входного окна двумерного координатно-чувствительного детектора, используемого для регистрации распределения интенсивностей в интерференционных полосах, H = 12,8 мм. Разрешающая способность описанного детектора составит около 0,06 мм, следовательно, величина l_p должна удовлетворять условию: 4,2 мм > l_p >> 0,06. Выберем для определенности l_p = 1 мм. Тогда, учитывая, что экстинкционная длина, соответствующая симметричному отражению от плоскостей типа (220) в монокристалле кремния при освещении его излучением с длиной волны 0,201 , равна 0,1267 мм, определим угол клина равным = 0,1267/1 рад = 6,8^o. Таким образом, приготовлен клиновидный участок шириной не менее 3 мм, чтобы на нем реализовалось не менее трех полос равного наклона. Приготовив анализатор и установив его в спектрометре, рассмотрим, каким образом будет происходить юстировка рентгенооптической схемы.

На фиг. 9 схематично показан пример выполнения устройства с анализатором, имеющим клиновидные участки на краях. Рентгеновский пучок, проходя от источника 1 через коллиматор 2, падает под скользящим углом на первый монохроматор 3, отражаясь от которого, падает на второй монохроматор 4. Блок монохроматоров формирует таким образом слабо расходящийся пучок, величина расходимости которого известна, так как параметры монохроматоров 3 и 4 определены. Поскольку параметры анализаторов также известны, расчетным способом определяется картина распределения интенсивности в полосах равной толщины в пучке, например, отраженным от клиновидного участка анализатора - участок a(R) на фиг. 9. Координатно-чувствительный детектор 7 установлен таким образом, что он одновременно регистрирует и картину распределения полос равной толщины, и изображение объекта после установки последнего в рентгеновский пучок (участок пучка b(R)). Сцинтилляционный же детектор 8 установлен таким образом, что он регистрирует только пучок, прошедший через плоскопараллельный участок анализатора.

Вначале оператор наблюдает картину полос на видеоконтрольном устройстве 12, оценивает качество оптических элементов схемы и степень их юстировки, наблюдая за картиной распределения интенсивности в интерференционных полосах и за ее изменениями в процессе поворота анализатора вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции и проходящей через центр кристалла. Основные типы нарушений и их влияние на распределение картины полос описаны выше. Вслед за тем, как оператор принял решение о соответствии наблюдаемой картины основным признаком параллельности и равномерности интенсивности в полосах, а также равномерному погасанию при отклонении анализатора от точного положения Брэгга, для более точной установки кристаллов в заданных углах вводится в действие устройство сравнения текущего распределения интенсивностей в полосах с заранее рассчитанным 11. Последнее связано с исполнительными механизмами поворота всех кристаллов 10, 10" и 10"". Исполнительные механизмы обеспечивают поворот всех кристаллов вокруг двух осей: вокруг брэгговской оси для всех кристаллов, вокруг азимутальной оси для кристаллов, установленных по Лауэ, и вокруг оси наклона для кристаллов, установленных по Брэггу. Мы имеем возможность ограничиться юстировочными поворотами вокруг двух осей, поскольку при изготовлении грани всех кристаллов приготавливаются с точностью не хуже 5".

После окончания юстировочных операций фиксируются величины сигналов, идущих от детекторов 8, 8" и 8"", которые представляют собой сцинтилляционные счетчики, в пучок вводится объект, и в показания детектора 8 вносится поправка в связи с ослаблением пучка. В дальнейшем контроль за положением кристаллов ведется автоматически с помощью упомянутых детекторов и приводом устройств позиционирования.

Литература

1. Evance S. Quality of x-ray diagnostic images and metod of there of there improvement. In: The Physics of Medical Imaging. Ed. by Steve Webb. 1988. Adam Hiller, Bristol and Phyladelphia.

2. Foerster E., Goetz K., Zaumseil P. Double Crystal Diffractometry for the Characterization of Targets for Laser Fusion Experiments. Kristal und Technik, 1980, 15, N 8; p. 937 - 945.

3. Подурец К.М., Соменков В.А., Шильштейн С.Ш. Радиография с рефракционным контрастом. ЖТФ, 1989, т. 59, N 6, с. 115 - 121.

4. T. J. Davis, D.Gao, T.E.Gureyev, A.W.Stevenson, S.W.Wilkins. Phase-Contrast Imaging of Weakly absorbing Materials Using Hard X-rays. Letters to Nature. Nature, v. 373, Feb. 1995, p. 595 - 598.

5. Ingal V.N., Beliaevskaya E.A., Efanov V.P. Method for obraining the image of the internal structure of object. Russian Patent N 2012872. Priority date: 14 of May 1991. USA, Patent N 5319694.

6. Пинскер З.Г. Рентгеновская кристаллооптика. -М.: Наука, 1982.

7. Бушуев В. А., Ингал В.Н., Белявская Е.А. Динамическая теория формирования изображений некристаллических объектов в методе фазово-контрастной интроскопии. Кристаллография, 1996, N 5, с. 9 - 16.

8. Ингал В.Н., Беляевская Е.А. ЖТФ, 1993, т. 63, вып. 6, с. 137 - 145.