линза для управления излучением в виде потока нейтральных или заряженных частиц, способ изготовления таких линз и содержащее такие линзы аналитическое устройство, устройство для лучевой терапии и устройства для контактной и проекционной литографии

Формула изобретения

1. Линза для преобразования излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, содержащая соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированные входными концами с возможностью захвата излучения используемого источника, отличающаяся тем, что она выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции, при этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних капилляров, сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

2. Линза по п.1, отличающаяся тем, что стенки каналов транспортировки излучения имеют с внутренней стороны покрытие из одного или нескольких слоев, выполненных из одного и того же или различных химических элементов.

3. Линза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что все сублинзы самой высокой степени интеграции заключены в общую оболочку, которая является внешней оболочкой линзы.

4. Линза по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью фокусирования расходящегося излучения, для чего входные и выходные концы каналов транспортировки излучения ориентированы соответственно в первую и вторую фокусные точки.

5. Линза по п.4, отличающаяся тем, что соотношение поперечного размера и радиуса кривизны, по меньшей мере, периферийных по отношению к оптической оси каналов транспортировки излучения выбрано из условия лишь частичного заполнения излучением поперечного сечения их выходных концов.

6. Линза по п.4 или 5, отличающаяся тем, что ее прилегающая к оптической оси часть выполнена непроницаемой для указанного излучения.

7. Линза по любому из пп.4 - 6, отличающаяся тем, что она выполнена с различными со стороны входа и выхода радиусами кривизны каналов транспортировки излучения.

8. Линза по п. 4, отличающаяся тем, что каналы одной или нескольких сублинз, расположенных вблизи продольной оси линзы, выполнены с возможностью транспортировки излучения в них при однократном полном внешнем отражении или без него.

9. Линза по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное или наоборот, для чего одни концы каналов транспортировки излучения ориентированы в фокусную точку, а другие параллельны друг другу.

10. Линза по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью изменения поперечного размера пучка на выходе по сравнению с входным, для чего она имеет форму тела вращения с образующей, имеющей перегиб, и параллельными продольной оси концами каналов, причем диаметры линзы со стороны входа и выхода различны.

11. Линза по любому из пп.1 - 10, отличающаяся тем, что сублинзы выполнены с оболочками из того же материала, что и стенки каналов транспортировки излучения, или близкого к нему по коэффициенту температурного расширения.

12. Линза по любому из пп.1 - 11, отличающаяся тем, что стенки каналов транспортировки излучения, внешняя оболочка линзы и оболочки сублинз выполнены из стекла, керамики или металла.

13. Способ изготовления линз для преобразования излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, содержащих каналы транспортировки излучения с использованием в них полного внешнего отражения, включающий две или более стадий получения заготовок, на каждой из которых заполняют трубчатую оболочку ранее изготовленными заготовками, в качестве которых на первой стадии используют капилляры, а на каждой из последующих стадий - заготовки, полученные в результате осуществления предыдущей стадии, затем осуществляют вытягивание трубчатой оболочки вместе с заполняющими ее заготовками в печи, поддерживая скорость подачи в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, при постоянном соотношении между этими скоростями, после чего получают заготовки, являющиеся результатом данной стадии, путем разрезания выходящего из печи изделия по длине, по окончании последней стадии заполняют заготовками, полученными на этой стадии, трубчатую оболочку, которую вместе с заполняющими ее заготовками вытягивают в печи, поддерживая скорость подачи в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, и периодически изменяя соотношение между указанными скоростями для образования на выходящем из печи изделии утолщений, затем из этого изделия путем разрезания его по длине получают линзы в виде участков изделия, содержащих только одно утолщение, причем на всех этапах осуществления способа используют трубчатые оболочки, выполненные из того же материала, что и капилляры, либо близкого к нему по коэффициенту температурного расширения, а процессы вытягивания трубчатых оболочек с заполняющими их заготовками ведут при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов заготовок при температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних заготовок.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что каждую из стадий получения заготовок завершают стравливанием оболочек заготовок.

15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что для получения желаемой формы продольного сечения линз регулируют скорость вытягивания в процессе формирования утолщения.

16. Способ по любому из пп.13 - 15, отличающийся тем, что для получения полных линз разрезание вытягиваемого из печи изделия осуществляют по обе стороны от максимального поперечного сечения утолщения на расстоянии от него, меньшем расстояния до точки перегиба образующей.

17. Способ по любому из пп.13 - 15, отличающийся тем, что для получения полулинз разрезание вытягиваемого из печи изделия осуществляют в месте максимального поперечного сечения утолщения и по обе стороны от него на расстоянии, меньшем расстояния до точки перегиба образующей.

18. Способ по любому из пп.13 - 15, отличающийся тем, что для получения линз в виде тела вращения с образующей, имеющей перегиб, и концами каналов, параллельными продольной оси линзы, разрезание выходящего из печи изделия осуществляют в сечениях, соответствующих максимуму утолщения, и по обе стороны от него в сечениях, находящихся по другую сторону от точек перегиба образующей на отрезках изделия, где диаметр его постоянен.

19. Аналитическое устройство, содержащее источник излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, средство позиционирования исследуемого объекта, расположенное с возможностью воздействия на последний излучения указанного источника, один или несколько детекторов излучения, расположенных с возможностью воздействия на них излучения, прошедшего через исследуемый объект или возбужденного в нем, одну или несколько линз для преобразования излучения указанного источника или возбужденного в исследуемом объекте излучения, расположенных на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту и (или) на пути от последнего к одному или нескольким из указанных детекторов излучения и содержащих соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированные входными концами с возможностью захвата транспортируемого излучения, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из указанных линз выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции, при этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних капилляров, сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

20. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью сканирования по поверхности или объему исследуемого объекта совмещенных фокусов линз, расположенных на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту и от последнего - к детектору.

21. Аналитическое устройство по п. 20, отличающееся тем, что линза, расположенная на пути излучения от исследуемого объекта к детектору, выполнена с возможностью формирования квазипараллельного пучка, между нею и детектором установлены кристалл-монохроматор или многослойная дифракционная структура с возможностью варьирования их положения и угла падения на них указанного квазипараллельного пучка для обеспечения выполнения условия Брэгга для различных длин волн излучения, возбужденного в исследуемом объекте.

22. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что в качестве упомянутого источника использован синхротронный или другой источник, дающий параллельный пучок, а линза, расположенная на пути излучения этого источника к исследуемому объекту, выполнена с возможностью фокусирования такого пучка.

23. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что в качестве источника используется микрофокусный рентгеновский источник с прострельным анодом.

24. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что указанный источник представляет собой источник широкополосного рентгеновского излучения, транспортируемого одновременно двумя линзами, выполненными с возможностью формирования квазипараллельного пучка, между выходом каждой из этих линз и средством для позиционирования исследуемого объекта расположено по одному кристаллу-монохроматору, при этом один из них установлен с возможностью выделения излучения, имеющего длину волны ниже, а другой - выше линии поглощения элемента, наличие которого проверяется в исследуемом объекте, в устройстве имеются два детектора, каждый из которых расположен после средства для позиционирования исследуемого объекта таким образом, чтобы принимать прошедшее через исследуемый объект излучение, сформированное одним из кристаллов-монохроматоров.

25. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что наряду с указанным источником оно содержит еще один источник, оба источника являются источниками рентгеновского излучения, при этом излучение одного источника имеет длину волны ниже, а другого источника - выше линии поглощения элемента, наличие которого проверяется в исследуемом объекте, между каждым из источников и средством позиционирования исследуемого объекта установлено по одной линзе, выполненной с возможностью формирования квазипараллельного пучка, в устройстве имеются два детектора, каждый из которых расположен после средства для позиционирования исследуемого объекта таким образом, чтобы принимать прошедшее через исследуемый объект излучение, сформированное одной из линз.

26. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что указанный источник представляет собой рентгеновский источник с анодом, обеспечивающим получение излучения с двумя характеристическими длинами волн - ниже и выше линии поглощения элемента, наличие которого проверяется в исследуемом объекте, между этим источником и средством для позиционирования исследуемого объекта расположена одна линза, выполненная с возможностью формирования квазипараллельного пучка, перед этой линзой или после нее установлен вращающийся экран с чередующимися окнами, закрытыми фильтрами, прозрачными для одной и непрозрачными для другой из указанных длин волн.

27. Аналитическое устройство по п. 19, отличающееся тем, что на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту установлены линза и вторичная мишень, при этом линза выполнена с возможностью фокусирования излучения источника на вторичной мишени.

28. Аналитическое устройство по п.27, отличающееся тем, что между вторичной мишенью и средством для позиционирования исследуемого объекта установлена вторая линза, выполненная с возможностью формирования квазипараллельного излучения.

29. Аналитическое устройство по п.27 или 28, отличающееся тем, что вторичная мишень выполнена из бериллия или другого легкого металла.

30. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту расположены установленные последовательно линза и кристалл-монохроматор или многослойная дифракционная структура, при этом линза выполнена и ориентирована с возможностью формирования квазипараллельного пучка, падающего под углом 45^o на кристалл-монохроматор или многослойную дифракционную структуру для формирования ими поляризованного излучения, а детектор расположен под углом 90^o к направлению распространения указанного поляризованного излучения.

31. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту расположены установленные последовательно линза и кристалл-монохроматор, при этом линза выполнена и ориентирована с возможностью формирования квазипараллельного пучка, падающего на кристалл-монохроматор под углом Брэгга, а на пути излучения от исследуемого объекта к детектору установлен идентичный указанному кристалл параллельно ему или с незначительным отклонением от параллельности для обеспечения возможности фиксации детектором фазового контраста областей исследуемого объекта, имеющих разную плотность и вызывающих неодинаковую рефракцию падающего на них излучения.

32. Аналитическое устройство по п.19, отличающееся тем, что в качестве указанного источника использован источник рентгеновского излучения, а средство для позиционирования исследуемого объекта выполнено с возможностью проведения исследований частей или органов человеческого тела.

33. Аналитическое устройство по п.32, отличающееся тем, что источник рентгеновского излучения имеет молибденовый анод, а средство для позиционирования исследуемого объекта выполнено с возможностью проведения маммографических исследований.

34. Аналитическое устройство по п.33, отличающееся тем, что указанная линза, расположенная на пути излучения от источника рентгеновского излучения с молибденовым анодом к исследуемому объекту, выполнена с возможностью формирования квазипараллельного пучка с поперечным сечением, достаточным для одновременного воздействия на всю исследуемую область, а расположение детектора выбрано из условия обеспечения расстояния между ним и исследуемым объектом не менее 30 см.

35. Аналитическое устройство по п.32, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью вращательного движения относительно друг друга, с одной стороны, средства для позиционирования исследуемого объекта, и, с другой стороны, источника излучения, линзы установленной между ним и средством позиционирования исследуемого объекта, и детектора, выход которого подключен к компьютерным средствам обработки результатов детектирования, при этом линза выполнена с возможностью фокусирования излучения, создаваемого источником, внутри исследуемого объекта.

36. Устройство для лучевой терапии, содержащее один или несколько источников излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, и средство для позиционирования тела пациента или его части, подлежащей облучению, отличающееся тем, что между каждым из указанных источников и указанным средством для позиционирования установлена линза для фокусирования излучения на опухоли пациента, содержащая соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированные входными концами с возможностью захвата транспортируемого излучения, выполненная в виде совокупности сублинз различной степени интеграции, при этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних капилляров, сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и темпераутре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

37. Устройство для лучевой терапии по п.36, отличающееся тем, что в качестве указанных источников использованы выходы атомного реактора или ускорителя, формирующие квазипараллельные пучки тепловых или надтепловых нейтронов.

38. Устройство для лучевой терапии по п.37, отличающееся тем, что указанные линзы выполнены с возможностью поворота нейтронных пучков.

39. Устройство для контактной рентгеновской литографии, содержащее источник мягкого рентгеновского излучения, линзу для преобразования расходящегося излучения указанного источника в квазипараллельное, содержащую соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, и средства для размещения маски и подложки с нанесенным на нее резистом, отличающееся тем, что указанная линза выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции, при этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой заключенную в общую оболочку совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних капилляров, сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

40. Устройство для проекционной рентгеновской литографии, содержащее источник мягкого рентгеновского излучения, линзу для преобразования расходящегося излучения указанного источника в квазипараллельное, предназначенное для облучения маски, средство для размещения маски, линзу для передачи рентгеновского изображения маски с уменьшением его размера на резист, средство для размещения подложки с нанесенным на ее резистом, при этом обе указанные линзы содержат соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из указанных линз выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции, при этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних капилляров, сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления в каналах сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз, концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы, при этом входные диаметры каналов транспортировки излучения второй из указанных линз превышают выходные диаметры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам для дефектоскопии и диагностики в технике и медицине, использующим излучение в виде потока нейтральных или заряженных частиц, в частности рентгеновское излучение, а также к средствам, в которых указанное излучение используется в лечебных целях или для контактной либо проекционной литографии в микроэлектронике. Общим для всех названных средств является наличие в их составе одной или нескольких линз для осуществления требуемого преобразования указанного излучения. Конструкция такой линзы и способ изготовления таких линз также являются предметом предлагаемой группы изобретений.

Использование разных типов излучений - рентгеновского и гамма-излучения, нейтральных и заряженных частиц в различных областях, таких как приборостроение, медицина, микроэлектроника и др. за последние 20 - 30 лет существенно расширилось. Создаются все более мощные источники рентгеновского излучения и мощные безопасные источники нейтронов. Эти источники решают важные фундаментальные и прикладные задачи, стоящие перед наукой и индустрией.

К сожалению, указанные источники очень дороги. Для того, чтобы построить такие источники, как Европейский центр синхротронного излучения (Гренобль, Франция), нужны совместные усилия нескольких государств.

Поэтому очень важным является создание оптических устройств, которые могли бы существенно увеличить эффективную яркость дешевых и доступных источников, что позволило бы обойтись без использования уникальных источников, подобных названному выше.

В конце 80-х - начале 90-х годов завершающегося столетия были созданы линзы для управления рентгеновским и другими излучениями высоких энергий.

Первые линзы для управления излучением (фокусирования расходящегося излучения, формирования параллельного потока из расходящегося излучения, фокусирования параллельного излучения или другого преобразования), представляли собой совокупность каналов транспортировки излучения, в которых излучение испытывает многократное полное внешнее отражение. Такие линзы изготавливались в виде множества капилляров или поликапилляров, проходящих через отверстия или ячейки поддерживающих структур, установленных на определенном расстоянии по длине линзы (см.: В.А.Аркадьев, А.И.Коломийцев, М.А.Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, т. 157, вып. 3, с. 529-537 [1]; патент США N 5192869 (опубл. 09.03.93) [2]). Линза в целом имеет форму бочки (т.е. сужается к обоим торцам), если она предназначена для фокусирования расходящегося излучения, или полубочки (т.е. сужается только к одному из торцов), если она предназначена для преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное или для фокусирования такого излучения.

В дальнейшем для обозначения линз двух названных типов, в том числе и имеющих отличное от описанного конструктивное выполнение, получили распространение соответственно термины "полная линза" и "полулинза".

Возможны и иные формы линз, отличные от "классических" бочки или полубочки, например линза выполнена "бутылкообразной" формы в виде тела вращения с образующей, имеющей перегиб, когда на одном или обоих концах каналы параллельны. Такие линзы могут быть использованы в качестве фильтров излучения (для отсечения высокоэнергетической части спектра источника), для преобразования размера сечения входного пучка и др.

Описанные выше линзы, относимые к линзам первого поколения, собираются вручную и довольно громоздки. Они позволяют фокусировать рентгеновское излучение с энергией квантов вплоть до 10 кэВ и получить фокусное пятно диаметром порядка 0,5 мм.

Известна также монолитная линза, в которой стенки соседних каналов транспортировки излучения контактируют друг с другом по всей длине, а сами каналы имеют переменное по длине поперечное сечение, изменяющееся по тому же закону, что и полное поперечное сечение линзы (V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P. I. Zhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, p. 177-178) [3]: патент США N 5570408 (опубл. 29.10.96) [4]).

С помощью этих линз удается фокусировать излучение с энергиями квантов до 20-25 кэВ. Поперечный размер канала транспортировки составляет около 10 микрон, а в ряде случаев удается добиться размеров канала до 2-3 микрон.

Такой же порядок имеет минимальный размер фокусного пятна. В настоящее время эти линзы, называемые линзами второго поколения, являются наиболее эффективными концентраторами рентгеновского излучения при использовании в качестве источников излучения рентгеновских трубок.

Недостатком монолитных линз является плохая повторяемость форм и размеров. Кроме того, практически не удается создать линзы достаточно большого (2-3 см и более) диаметра с субмикронными каналами.

В международных заявках PCT/RU94/00189 и PCT/RU94/00146 (международные публикации WO 96/01991 [5] и WO 96/02058 [6] от 25.01.96) описаны полная линза и полулинза, выполненные в виде совокупности плотно уложенных миниатюрных линз, каждая из которых представляет монолитную линзу. В такой конструкции удается получить соответственно большие, чем в обычной монолитной линзе, поперечные размеры. Благодаря увеличению апертуры увеличивается угол захвата излучения точечного источника. Однако размеры поперечного сечения каналов транспортировки излучения и фокусного пятна в этой линзе остаются такими же, как и в обычной монолитной линзе, а укладка миниатюрных линз для придания нужной формы линзе в целом должна производиться вручную.

Линза, выполненная из плотно уложенных миниатюрных линз, относящаяся к третьему поколению линз рассматриваемого назначения, наиболее близка к предлагаемой.

Технический результат, достигаемый в предлагаемой линзе, заключается в увеличении степени фокусирования излучения благодаря уменьшению поперечного сечения каналов, обеспечении возможности использования частиц более высоких энергий, а также в упрощении технологии изготовления благодаря исключению необходимости индивидуальной подгонки миниатюрных линз при компоновке их в единую структуру.

Для достижения данного результата предлагаемая линза для преобразования излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, как и наиболее близкая к ней известная, содержит соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированные входными концами с возможностью захвата излучения используемого источника.

В отличие от указанной известной, предлагаемая линза выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции. При этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования уложенных в пучок капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних капилляров. Сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Концы этой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

Указанная единая структура и линзы каждой из степеней интеграции могут иметь оболочку из того же материала, что и капилляры, либо близкого к нему по значению коэффициента температурного расширения.

Оболочки повышают жесткость конструкции и прочность линзы. Однако линза, в которой сублинзы не имеют оболочек, обладает большей прозрачностью.

Благодаря описанному выполнению предлагаемая линза, которая может быть названа интегральной линзой вследствие объединения в ней чрезвычайно большого количества (10⁶ и более) каналов транспортировки излучения (поэтому применительно к сублинзам использовано понятие степени интеграции), имеет каналы значительно меньшего поперечного сечения, чем монолитная линза, известная из [3, 4], или миниатюрные линзы в составе линзы, известной из [5, 6], так как на каждой стадии вытягивания происходит уменьшение диаметра каналов. Соответственно повышается степень фокусирования излучения, т.е. уменьшается размер фокусного пятна.

Все сублинзы самой высокой степени интеграции могут быть заключены в общую оболочку. Последняя в этом случае является внешней оболочкой линзы.

В ряде приложений оказывается полезным наличие на внутренней стороне стенок каналов транспортировки излучения покрытия из одного или нескольких слоев из одного и того же или разных химических элементов. Покрытия наносятся перед изготовлением интегральной линзы на внутреннюю сторону трубок, из которых получают капилляры. При этом важно, чтобы коэффициент теплового расширения материала покрытий был близок к коэффициенту теплового расширения материала, из которого изготавливают капилляры. В этом случае процесс идет без осложнений. Многослойные периодические покрытия позволяют реализовать преимущества, обусловленные интерференционными явлениями, возникающими при отражении от поверхностей, имеющих такие покрытия. В частности, возможна, монохроматизация излучения, транспортируемого по каналам с такими покрытиями стенок. Нанесение шероховатого покрытия приводит к появлению диффузной составляющей при отражении и может создать условия для транспортировки излучения при углах падения, превышающих критический угол полного внешнего отражения.

Как и известные линзы предыдущих поколений, полная интегральная линза выполняется с возможностью фокусирования расходящегося излучения; для этого входные и выходные концы каналов транспортировки излучения ориентированы, соответственно, в первую и вторую фокусные точки. В первой из них при использовании линзы размещают источник излучения; во второй точке формируется фокусное пятно линзы.

Для преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное, как и при использовании линз предыдущих поколений, применяется интегральная полулинза, в которой одни концы каналов транспортировки излучения ориентированы в первую фокусную точку, а другие концы параллельны друг другу.

Полные интегральные линзы для фокусирования расходящегося излучения не всегда целесообразно делать симметричными. Если размер рентгеновского источника достаточно большой, то имеет смысл фокусное расстояние со стороны входного торца линзы делать большим, а фокусное расстояние со стороны выходного торца - меньшим, чтобы фокусное пятно было небольшим. Для этого радиус кривизны каналов в примыкающей ко входному торцу половине линзы должен быть больше, чем радиус кривизны каналов в половине линзы, примыкающей к выходному торцу, т.е. линза должна быть асимметричной относительно среднего по ее длине поперечного сечения.

Интегральная линза может быть выполнена также в виде тела вращения с образующей, имеющей перегиб, и разными диаметрами со стороны входа и выхода, в частности для изменения размера поперечного сечения транспортируемого пучка. В этом случае она имеет "бутылкообразную" форму.

При создании линз является традиционным требование, чтобы все каналы транспортировки линз были заполнены излучением полностью. Для этого необходимо, чтобы фактор заполнения = R(_кр)²/2d был больше или равен 1 (здесь R - радиус кривизны канала, d - диаметр канала, _кр- критический угол полного внешнего отражения).

Не всегда, однако, выполнение этого условия является целесообразным.

В случае когда 1, размер фокусного пятна линзы равен d+2f_выхкр, где f_вых - фокусное расстояние линзы со стороны выходы. Это означает, что размер фокусного пятна линзы невозможно сделать меньше d. Если отказаться от требования 1, то будет иметь место лишь частичное заполнение каналов излучением. При этом рентгеновские фотоны или нейтроны "прижимаются" к периферийной по отношению к оптической оси линзы стороне стенок каналов транспортировки. Если фактор << 1, то эффективный размер каналов может быть намного меньше, чем размер каналов d. При этом общая трансмиссия линзы уменьшается. Но пропорционально уменьшается и размер фокусного пятна, а площадь фокусного пятна уменьшается еще более резко, благодаря чему возрастает плотность излучения в фокусном пятне.

Линзы рассматриваемого назначения обладают аберрацией, заключающейся в том, что положение фокусного пятна в продольном направлении довольно размыто. Характерный размер размытости, как правило, превышает в десятки и более раз размер фокусного пятна в поперечном направлении. Очень большой вклад в эту размытость дают каналы транспортировки излучения, прилегающие к оптической оси линзы. Участие этих каналов в формировании фокусного пятна приводит к увеличению и поперечных его размеров, так как эти каналы имеют меньшую (вплоть до нулевой) кривизну и для них невозможно выполнить условие << 1 и даже условие < 1.

В одном из частных случаев выполнения предлагаемой линзы влияние этих каналов на размытость фокусного пятна в продольном направлении и увеличение его поперечных размеров можно исключить, закрыв прилегающую к оптической оси часть линзы со стороны входа или выхода экранами или сделав эту часть непроницаемой для излучения иным способом. Например, можно выполнить сплошной (не имеющей каналов) ту ее часть, где могли бы находиться сублинзы, для каналов которых 1.

Особенностью другого частного случая выполнения предлагаемой линзы является то, что каналы одной или нескольких сублинз, расположенных вблизи продольной оси линзы, выполнены с возможностью транспортировки излучения в них при однократном полном внешнем отражении или без него. Для этого они могут быть выполнены, например, меньшей длины, чем каналы сублинз, более удаленных от продольной оси линзы. Благодаря этому уменьшаются потери излучения в каналах указанных сублинз, и общий коэффициент трансмиссии линзы возрастает. Такой же результат достигается (правда, в сочетании с увеличением размытия фокусного пятна) при выполнении центральных каналов с большим диаметром.

Операции, выполняемые на различных этапах технологического процесса изготовления предлагаемой интегральной линзы, однотипны и не зависят от того, какова степень интеграции используемых на каждом этапе сублинз. Наиболее подходящим материалом для изготовления интегральных линз является стекло; возможно использование также других материалов, например, керамики, металлов, сплавов.

Предлагаемый способ изготовления интегральных линз включает две или более стадий получения заготовок. На каждой из этих стадий формируют пучок из ранее изготовленных заготовок, заполняя ими трубчатую оболочку.

В качестве заготовок на первой стадии используют капилляры, а на каждой из последующих стадий - заготовки, полученные в результате осуществления предыдущей стадии. Затем осуществляют вытягивание трубчатой оболочки вместе с заполняющими ее заготовками в печи, поддерживая скорость подачи в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, при постоянном соотношении между этими скоростями, после чего получают заготовки, являющиеся результатом данной стадии, путем разрезания выходящего из печи изделия по длине.

По окончании последней стадии заполняют заготовками, полученными на этой стадии, трубчатую оболочку, которую вместе с заполняющими ее заготовками вытягивают в печи, поддерживая скорость подачи в печь более низкой, чем скорость выхода изделия из печи, периодически изменяя соотношение между этими скоростями для образования на выходящем из печи изделии бочкообразных утолщений, затем из этого изделия путем разрезания его по длине получают линзы в виде участков изделия, содержащих только одно бочкообразное утолщение.

На всех этапах осуществления способа используют трубчатые оболочки, выполненные из того же материала, что и капилляры, либо близкого к нему по коэффициенту температурного расширения, а процессы вытягивания трубчатых оболочек с заполняющими их заготовками ведут при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов заготовок и при температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних заготовок.

В зависимости от того, как производится разрезание (в сечениях, расположенных симметрично или асимметрично по обе стороны от максимума бочкообразного утолщения, либо в сечении, соответствующем максимуму утолщения, и по обе стороны от него), получают симметричные или несимметричные полные линзы либо полулинзы.

Режим скорости вытягивания (соотношение между скоростью подачи в печь трубчатой оболочки с заготовками и скоростью выхода изделия из печи) определяет форму линзы. В частности, изменение этого соотношения в процессе формирования бочкообразного утолщения приводит к получению линзы с разными радиусами кривизны ее каналов по разные стороны от максимума бочкообразного утолщения.

Линзу в виде тела вращения с образующей, имеющей перегиб, и концами каналов, параллельными продольной оси линзы, ("бутылкообразную" линзу) получают, отделяя участок выходящего из печи изделия, заключенный между максимумом бочкообразного утолщения и сечением, находящимся по другую сторону от точки перегиба образующей на отрезке изделия, где диаметр его постоянен.

Для получения линз, не имеющих оболочек, охватывающих сублинзы, каждую из стадий получения заготовок завершают стравливанием оболочек. Аналогично, если необходимо получить линзы без внешней оболочки, осуществляют стравливание этой оболочки.

Предлагаемый способ имеет аналог - способ по патенту США N 5812631 (опубл. 22.09.98) [10]. По этому способу тоже осуществляют несколько стадий вытягивания заготовок, представляющих собой помещенные в общую оболочку заготовки, полученные на предыдущей стадии. Режим вытягивания из печи изделия, служащего исходным для получения линзы путем отрезания участка этого изделия, в этом способе позволяет непосредственно получить полулинзу, а для получения полной линзы осуществляют повторное вытягивание в печи указанного изделия, подаваемого в печь другим концом. Это усложняет технологический процесс.

Однако гораздо более существенен другой недостаток данного способа. Он не предусматривает соблюдение условия, заключающегося в обеспечении приведенного выше соотношения давлений в капиллярах и пространстве между заготовками. Без соблюдения этого условия тонкостенные капилляры, обычно используемые для изготовления линз рассматриваемого назначения, при вытягивании сплющиваются, т.е. получение пригодной для практического использования линзы невозможно. Поэтому способ по указанному патенту США осуществим (т.е. позволяет получить принципиально работоспособные линзы) только при использовании капилляров, полученных из толстостенных (имеющих диаметр канала, сравнимый с толщиной стенки) трубок. Такое же соотношение сохраняется и в готовой линзе, вследствие чего она имеет весьма малую прозрачность. Например, если диаметр канала капилляра примерно равен толщине стенок, то прозрачность снижается почти на порядок. Она дополнительно снижается вследствие того, что данный известный способ предусматривает получение только таких линз, в которых присутствуют внутренние оболочки, так как не содержит операций по их удалению с поверхности заготовок.

Предлагаемый способ свободен от отмеченных недостатков известного.

Описанная в том же патенте США линза охарактеризована как линза, полученная по охраняемому этим патентом способу. В силу названных особенностей способа и обусловленных ими недостатков получаемая линза не только отлична от предлагаемой, но и не может считаться более близкой к ней, чем линзы, описанные в международных заявках PCT/RU94/00189 и PCT/RU94/00146 (международные публикации WO 96/01991 [5] и WO 96/02058 [6] от 25.01.96).

Одним из приложений предлагаемой интегральной линзы является аналитическое устройство - средство для анализа структуры (распределения плотности) объектов (включая медицинские и другие биологические объекты), элементного состава изделий и материалов. Использование для этих целей излучений, в частности рентгеновского, известно уже давно (см., например: Автоматизация производства и промышленная электроника. М.: Советская энциклопедия, 1964, т. 32, с. 277, т. 1, с. 209 [7]; Физика визуализации изображений в медицине. Под ред. С.Уэбба, т. 1. М.: Мир, 1991 [8]; Р.Вольдсет. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. М.: Атомиздат, 1977 [9]).

Качественно новый этап развития таких устройств начался с применением в них линз для управления используемым излучением. Наиболее близким к предлагаемому является аналитическое устройство по патенту США N 5497008 (опубл. 05.03.96) [11].

В состав этого аналитического устройства входит источник излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, и средство позиционирования исследуемого объекта, расположенное с возможностью воздействия на этот объект излучения источника. Кроме того, аналитическое устройство содержит один или несколько детекторов излучения, расположенных с возможностью воздействия на них излучения, прошедшего через исследуемый объект или возбужденного в нем, одну или несколько линз для преобразования излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, расположенных на пути излучения от источника к исследуемому объекту и (или) на пути от последнего к одному или нескольким из указанных детекторов излучения и содержащих соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением.

При этом известное аналитическое устройство по патенту США N5497008 предусматривает использование в нем известных на время его разработки сборных (т. е. первого поколения) или монолитных (т.е. второго поколения) поликапиллярных линз. Как указывалось выше, эти линзы не обеспечивают возможность работы в области достаточно высоких энергий, а также не дают возможность создания малых фокусных пятен, что ограничивает точность и разрешающую способность анализа.

Техническим результатом, достигаемым в предлагаемом аналитическом устройстве, является повышение точности и разрешающей способности анализа, а также расширение возможностей анализа за счет применения излучений с более высокими энергиями, что становится возможным благодаря преимуществам предлагаемой интегральной линзы.

Предлагаемое аналитическое устройство, как и известное, содержит источник излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, средство позиционирования исследуемого объекта, расположенное с возможностью воздействия на последний излучения указанного источника, один или несколько детекторов излучения, расположенных с возможностью воздействия на них излучения, прошедшего через исследуемый объект или возбужденного в нем, одну или несколько линз для преобразования излучения указанного источника или возбужденного в исследуемом объекте излучения, расположенных на пути излучения от источника к исследуемому объекту и (или) на пути от последнего к одному или нескольким из указанных детекторов излучения и содержащих соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированные входными концами с возможностью захвата транспортируемого излучения.

В отличие от известного, по меньшей мере, одна из указанных линз выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции, при этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних капилляров. Сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

Возможен целый ряд характерных геометрий расположения интегральных линз в аналитическом устройстве в сочетании с некоторыми другими его конструктивными особенностями.

Так, аналитическое устройство может быть выполнено с возможностью сканирования по поверхности или объему исследуемого объекта совмещенных фокусов линз, расположенных на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту и от последнего - к детектору. При такой геометрии возможен трехмерный локальный анализ, если объект сканируется в трех измерениях. Чувствительность метода здесь весьма высока, так как на детектор попадает излучение, в основном, из области, где обе линзы имеют общий фокус.

В этой геометрии возможен частный случай, когда интегральная линза, расположенная на пути излучения от исследуемого объекта к детектору, формирует квазипараллельный пучок, а между нею и детектором установлены кристалл-монохроматор или многослойная дифракционная структура с возможностью варьирования их положения и угла падения на них указанного квазипараллельного пучка для обеспечения выполнения условия Брэгга для различных длин волн излучения, возбужденного в исследуемом объекте. Использование линзы существенно уменьшает потери по сравнению с коллимационным методом получения параллельного пучка, падающего на монохроматор.

В другой геометрии в качестве упомянутого источника использован синхротронный или другой источник, дающий параллельный пучок, а линза, расположенная на пути излучения этого источника к исследуемому объекту, выполнена с возможностью фокусирования такого пучка.

Еще одна геометрия характеризуется тем, что в аналитическом устройстве используется источник широкополосного рентгеновского излучения, транспортируемого одновременно двумя линзами, выполненными с возможностью формирования квазипараллельного пучка. Между выходом каждой из этих линз и средством для позиционирования исследуемого объекта расположено по одному кристаллу-монохроматору, при этом один из них установлен с возможностью выделения излучения, имеющего длину волны ниже, а другой - выше линии поглощения элемента, наличие которого проверяется в исследуемом объекте. В устройстве имеются два детектора, каждый из которых расположен после средства для позиционирования исследуемого объекта таким образом, чтобы принимать прошедшее через исследуемый объект излучение, сформированное одним из кристаллов-монохроматоров. Разность выходных сигналов детекторов пропорциональна концентрации проверяемого элемента.

Сходными показателями обладают две другие описанные ниже геометрии.

В одной из них аналитическое устройство содержит наряду с указанным источником еще один источник рентгеновского излучения, при этом излучение одного источника имеет длину волны ниже, а другого источника - выше линии поглощения элемента, наличие которого проверяется в исследуемом объекте. Между каждым из источников и средством позиционирования исследуемого объекта установлено по одной линзе, выполненной с возможностью формирования квазипараллельного пучка. В устройстве имеются два детектора, каждый из которых расположен после средства для позиционирования исследуемого объекта таким образом, чтобы принимать прошедшее через исследуемый объект излучение только одного из источников. Разность выходных сигналов детекторов, как и в предыдущем случае, пропорциональна концентрации проверяемого элемента.

В другой геометрии указанный источник представляет собой рентгеновский источник с анодом, обеспечивающим получение излучения с двумя характеристическими длинами волн - ниже и выше линии поглощения элемента, наличие которого проверяется в исследуемом объекте. Между этим источником и средством для позиционирования исследуемого объекта расположена одна линза, выполненная с возможностью формирования квазипараллельного пучка. Перед этой линзой или после нее установлен вращающийся экран с чередующимися окнами, закрытыми фильтрами, прозрачными для одной и непрозрачными для другой из указанных длин волн. Разность выходных сигналов детектора, соответствующих двум соседним окнам, пропорциональна концентрации проверяемого элемента.

Еще один вид геометрии характеризуется использованием излучения вторичной мишени, установленной на пути излучения от указанного источника к исследуемому объекту после линзы. При этом линза выполнена с возможностью фокусирования излучения источника на вторичной мишени. Это позволяет облучить исследуемый объект монохроматическим излучением вторичной мишени, что повышает чувствительность анализа в случаях, когда проверяемые на предмет наличия в объекте элементы обладают линиями поглощения, близкими к линии излучения вторичной мишени. Наличие линзы, концентрирующей излучение источника на мишени, позволяет компенсировать недостаток этого метода, обусловленный невысокой интенсивностью вторичного излучения.

Чувствительность метода дополнительно повышается в геометрии со вторичной мишенью, характеризующейся наличием между вторичной мишенью и средством для позиционирования исследуемого объекта второй линзы.

Преимущества использования поляризованного излучения для облучения исследуемого объекта в данном случае - такие, же как при описываемой ниже геометрии, в которой на пути излучения от источника к исследуемому объекту расположены установленные последовательно линза и кристалл-монохроматор или многослойная дифракционная структура. При этом линза выполнена и ориентирована с возможностью формирования квазипараллельного пучка, падающего под углом 45^o на кристалл-монохроматор или многослойную дифракционную структуру для формирования ими поляризованного излучения, а детектор расположен под углом 90^o к направлению распространения указанного поляризованного излучения. В этой геометрии благодаря поляризационной селекции резко падает фон, обусловленный комптоновским рассеянным излучением.

Следующая геометрия реализует метод фазового контраста. В этой геометрии в аналитическом устройстве на пути излучения от источника к исследуемому объекту расположены установленные последовательно линза и кристалл-монохроматор. При этом линза выполнена и ориентирована с возможностью формирования квазипараллельного пучка, падающего на кристалл-монохроматор под углом Брегга, а на пути излучения от исследуемого объекта к детектору уста-" новлен идентичный указанному кристалл параллельно ему или с незначительным отклонением от параллельности. Это обеспечивает возможность фиксации детектором фазового контраста областей исследуемого объекта, имеющих разную плотность и вызывающих неодинаковую рефракцию падающего на них излучения.

Типичная для медицинских приложений геометрия предусматривает использование источника рентгеновского излучения и выполнение средства для позиционирования исследуемого объекта с возможностью проведений исследований частей или органов человеческого тела.

В частности, для использования аналитического устройства в маммографии источник рентгеновского излучения имеет молибденовый анод, а средство для позиционирования исследуемого объекта выполнено с возможностью проведения исследований молочной железы.

При этом интегральная линза расположена на пути излучения от источника рентгеновского излучения с молибденовым анодом к исследуемому объекту и выполнена с возможностью формирования квазипараллельного пучка с поперечным сечением, достаточным для одновременного воздействия на всю исследуемую область, а расположение детектора выбрано из условия обеспечения расстояния между ним и исследуемым объектом не менее 30 см. Использование параллельного пучка и такой выбор расстояния позволяют обеспечить хороший контраст получаемого изображения без использования специальных средств уменьшения влияния рассеянного излучения, возникающего в исследуемом объекте.

Еще одной из возможных областей применения предлагаемого аналитического устройства в медицинской диагностике является компьютерная томография.

В уже описанной геометрии, предусматривающей использование источника рентгеновского излучения и выполнение средства для позиционирования исследуемого объекта с возможностью проведении исследований частей или органов человеческого тела, предусмотрена возможность вращательного движения относительно друг друга, с одной стороны, упомянутого средства для позиционирования, и, с другой стороны, источника излучения, линзы установленной между ним и средством для позиционирования исследуемого объекта, и детектора, выход которого подключен к компьютерным средствам обработки результатов детектирования. При этом интегральная линза выполнена с возможностью фокусирования излучения, создаваемого источником, внутри исследуемого объекта. Точка фокусирования играет роль виртуального источника излучения, помещенного внутрь исследуемого объекта, что обусловливает принципиальное отличие от обычного сканирующего компьютерного томографа, где детектором воспринимается прошедшее через исследуемый объект излучение источника, расположенного вне исследуемого объекта. Благодаря этому может быть существенно упрощена процедура получения изображения небольших областей исследуемого объекта.

Известны устройства для лучевой терапии, содержащие один или несколько источников излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц (в частности, рентгеновского излучения, потока протонов), оптическую систему для коллимирования пучков каждого из источников и средство для позиционирования тела пациента или его части, подлежащей облучению (см.: Sandro Rossi and Ugo Amaldi. The TERA Programme: Status and Prospects. In: Advances in Neutron Capture Therapy. Volume I, Medicine and Physics. Proceedings of the Seventh International Symposium on Neutron Capture Therapy for Cancer. Zurich, Switzerland, 4-7 September 1996. ELSEVIER, Amsterdamm - Lausanne - New York - Oxford - Shannon - Singapore - Tokyo, 1997 [12]).

При использовании такого устройства здоровые ткани, находящиеся на пути излучения к опухоли, расположенной в глубине, подвергаются интенсивному облучению.

Предлагаемое изобретение, относящееся к устройству для лучевой терапии, направлено на получение технического результата, заключающегося в уменьшении дозы облучения, получаемой тканями, окружающими опухоль. Этот результат достигается путем фокусирования излучения на опухоли, благодаря чему при той же дозе, полученной опухолью, концентрация излучения в здоровых тканях, в частности на коже пациента, значительно снижается.

Для получения указанного результата предлагаемое устройство, как и известное, содержит один или несколько источников излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, а также средство для позиционирования тела пациента или его части, подлежащей облучению.

В отличие от известного, в предлагаемом устройстве для лучевой терапии между каждым из указанных источников и указанным средством для позиционирования установлена линза для фокусирования излучения на опухоли пациента, содержащая соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированные входными концами с возможностью захвата транспортируемого излучения. Данная линза выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции. При этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних капилляров. Сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

В качестве указанных источников могут быть использованы, в частности, атомный реактор или ускоритель, на выходах которых сформированы квазипараллельные пучки тепловых или надтепловых нейтронов.

При этом используемая интегральная линза может быть выполнена с криволинейной продольной осью для поворота нейтронного пучка.

Еще одной из областей применения предлагаемой интегральной линзы является микроэлектроника, конкретнее - рентгеновская литография.

Известно устройство для контактной рентгеновской литографии, содержащее источник мягкого рентгеновского излучения, линзу для преобразования расходящегося излучение указанного источника в квазипараллельное, содержащую соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, и средства для размещения маски и подложки с нанесенным на нее резистом (патент США N 5175755, опубл. 29.12.92 [13]).

В этом патенте предлагается использовать для литографии линзы первого и второго поколений. Однако ни один из этих типов линз не обеспечивает решение задач литографии в микроэлектронике. Ни в сборных линзах (линзы первого поколения), ни в монолитных линзах (линзы второго поколения) технологически невозможно реализовать размер канала на входе порядка 1 микрона и на выходе порядка 0,1 микрона при выходной апертуре 10 см² и более, что необходимо для литографии в микроэлектронике.

Техническим результатом изобретения, относящегося к устройству для контактной литографии, является получение пригодного для использования в микроэлектронике средства.

Указанные параметры вполне реализуемы в предлагаемом устройстве, использующем интегральную линзу.

Предлагаемое устройство, как и известное устройство для контактной рентгеновской литографии, содержит источник мягкого рентгеновского излучения, линзу для преобразования расходящегося излучения указанного источника в квазипараллельное, содержащую соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением, и средства для размещения маски и подложки с нанесенным на нее резистом.

В отличие от указанного известного, в предлагаемом устройстве указанная линза выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции. При этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних капилляров. Сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

Из уже названного патента США 5175755 [13] известно также устройство для проекционной рентгеновской литографии.

Это устройство содержит источник мягкого рентгеновского излучения, линзу для преобразования расходящегося излучение указанного источника в квазипараллельное, предназначенное для облучения маски, средство для размещения маски, линзу для передачи рентгеновского изображения маски с уменьшением его размера на резист, средство для размещения подложки с нанесенным на нее резистом. При этом обе указанные линзы содержат соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением.

Это устройство при использовании в нем известных на момент его создания линз Первого и второго поколений (т.е. сборной и монолитной линз), как и рассмотренное выше устройство для контактной литографии, непригодно для использования в микроэлектронике ввиду невозможности получить в таких линзах диаметры каналов, обеспечивающие требуемую точность воспроизведения изображения маски на резисте.

Техническим результатом изобретения, относящегося к устройству для проекционной литографии, является получение пригодного для использования в микроэлектронике средства. Достижение этого результата становится возможным благодаря использованию в устройстве предлагаемых интегральных линз.

Предлагаемое устройство для проекционной рентгеновской литографии, как и указанное известное, содержит источник мягкого рентгеновского излучения, линзу для преобразования расходящегося излучение указанного источника в квазипараллельное, предназначенное для облучения маски, средство для размещения маски, линзу для передачи рентгеновского изображения маски с уменьшением его размера на резист, средство для размещения подложки с нанесенным на нее резистом. При этом обе указанные линзы содержат соприкасающиеся своими стенками каналы транспортировки излучения с полным внешним отражением.

В отличие от указанного известного, в предлагаемом устройстве для проекционной литографии, по меньшей мере, вторая из указанных линз выполнена в виде совокупности сублинз различной степени интеграции. При этом сублинза наименьшей степени интеграции представляет собой совокупность каналов транспортировки излучения, являющуюся результатом совместного вытягивания и формования пучка капилляров при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов капилляров и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления стенок соседних капилляров. Сублинза каждой более высокой степени интеграции представляет собой совокупность сублинз предыдущей степени интеграции, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз. Все сублинзы самой высокой степени интеграции скомпонованы в единую структуру, являющуюся результатом их совместного вытягивания и формования при давлении газовой среды в пространстве между ними менее давления внутри каналов сублинз и температуре, достаточной для размягчения материала и сплавления соседних сублинз; концы упомянутой единой структуры обрезаны и образуют входной и выходной торцы линзы.

Для уменьшения размера изображения, передаваемого на резист, вторая из используемых в устройстве линз выполнена в виде тела вращения с образующей, имеющей перегиб, и с параллельными продольной оси линзы входными и выходными концами каналов, причем входной диаметр линзы больше выходного. Такое же соотношение имеет место между диаметрами отдельных каналов транспортировки излучения на входе и выходе линзы.

Соотношение указанных диаметров, которое на практике должно быть значительно больше 1, определяет степень уменьшения изображения маски при передаче его на резист, и, следовательно, степень миниатюризации изготавливаемых изделий микроэлектроники.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1,8,9 - схематические изображения соответственно полной линзы, по лулинзы и линзы в виде тела вращения с образующей, имеющей перегиб;

на фиг. 2 - процесс многократного отражения излучения при распространении его по каналу транспортировки;

на фиг. 3 - формирование фокусного пятна;

на фиг. 4, 5 - процессы многократного отражения излучения при распространении его по каналу транспортировки и формирования фокусного пятна в случае, когда имеет место эффект "прижимания" излучения к внешней стороне стенки канала;

на фиг. 6 - полная линза с центральной частью, не содержащей каналов транспортировки излучения;

на фиг. 7 - полная линза с неодинаковыми радиусами кривизны каналов со стороны входа и со стороны выхода;

на фиг. 10 - схематическое изображение поперечного сечения предлагаемой линзы;

на фиг. 11 - схематическое изображение одной из сублинз;

на фиг. 12 - схема осуществления операции вытягивания при изготовлении заготовок в предлагаемом способе;

на фиг. 13 - схема выполнения операции вытягивания и формования на заключительном этапе осуществления предлагаемого способа;

на фиг. 14 - схематическое изображение изделия, получаемого в результате вытягивания и формования на заключительном этапе предлагаемого способа, с указанием расположения сечений разрезания для получения разных видов линз;

на фиг. 15-24 - различные варианты геометрии расположения составных частей предлагаемого аналитического устройства, используемого преимущественно в технических целях;

на фиг. 25 - использование интегральной линзы в аналитическом устройстве, предназначенном для медицинской диагностики;

на фиг. 26 - использование интегральной линзы в аналитическом устройстве, применяемом в компьютерной сканирующей томографии;

на фиг. 27, 28 - использование интегральной линзы в лучевой терапии;

на фиг. 29, 30 - геометрия расположения составных частей предлагаемых устройств для контактной и проекционной литографии.

Полная интегральная линза 1 (фиг. 1) имеет входной 2 и выходной 3 фокусы, расположенные на ее оптической оси 4 в точке пересечения продолжений осевых линий каналов транспортировки излучения. Один из таких каналов 5 показан на фиг. 2. Захваченная входным концом канала частица движется в канале по траектории 6, отражаясь от стенок 7 канала под углами менее критического значения _кр угла полного внешнего отражения. Величина _кр имеет порядок нескольких миллирадианов. Каналы в поперечном сечении имеют размеры порядка долей микрона, а количество их, как уже отмечалось, имеет порядок миллиона. Поэтому приводимые изображения условны и масштаб на чертежах весьма далек от реального.

Из фиг. 3, иллюстрирующей формирование фокусного пятна излучением, выходящим из каналов 5, видно, что фокусное пятно в продольном направлении размыто и может иметь размер 9, значительно превышающий размер 8 в поперечном направлении. Это явление относится к одному из видов аберраций в оптических системах. Для уменьшения такой аберрации может быть рекомендовано при изготовлении интегральной линзы исходить не из традиционного условия заполнения излучением всего поперечного сечения канала транспортировки ( 1), а из противоположного условия ( < 1) или даже из условия << 1. Характер траектории 6 частицы, захваченной каналом, в этом случае иллюстрируется фиг. 4.

Отражение при этом происходит каждый раз от одной и той же стороны стенки 7 канала 5, и излучение как бы "прижимается" к ней, занимая небольшую часть поперечного сечения канала. В результате размер фокусного пятна определяется размером этой части поперечного сечения канала и достигается такой же эффект, как и при уменьшении указанного сечения. Поскольку для уменьшения степени заполнения излучением поперечного сечения канала, при прочих равных условиях, необходимо уменьшать радиус кривизны каналов, продолжения их выходных концов сходятся в области фокуса под большими углами. Благодаря этому уменьшается размытие фокусного пятна в продольном направлении, что способствует устранению упомянутой выше аберрации. Описанные явления иллюстрируются фиг. 5, на которой зачернены части 10 каналов 5, участвующие в транспортировке излучения. Видно, что размеры фокусного пятна 11 в обоих направлениях меньше, чем на фиг. 3.

Для центральных (прилегающих к оптической оси линзы) каналов, имеющих меньшую кривизну, чем периферийные, выполнение условий << 1 или <1 может оказаться невозможным. Для исключения их негативного влияния центральная часть линзы может быть выполнена не содержащей каналов транспортировки излучения (см. фиг. 6, на которой штриховкой показана сплошная центральная часть 12) или закрыта со стороны источника экраном.

В симметричной (относительно среднего по длине линзы поперечного сечения) полной линзе каждый канал имеет постоянный радиус кривизны, который тем меньше (т. е. кривизна канала больше), чем более удален канал от оптической оси 4 линзы (см. фиг. 1, фиг. 6). Полная линза может быть выполнена и несимметричной относительно указанного сечения, как показано на фиг. 7. В несимметричной линзе кривизна каждого канала непостоянна по его длине. При этом она

больше для концов всех каналов, примыкающих к одному из торцов, и меньше для противоположных концов тех же каналов, примыкающих к другому торцу. На фиг. 7 меньшую кривизну (больший радиус кривизны) имеют каналы, примыкающие к левому торцу. Центр кривизны может занимать разное положение (на фиг. 7 - позиции 13 и 14) для различных участков каналов концов.

Интегральная полулинза 14 (фиг. 8а) имеет только один фокус 2 со стороны меньшего (левого по фиг. 8а) торца. Концы каналов, примыкающие к этому торцу, ориентированы в направлении фокуса 2. Концы каналов, примыкающие к большему (правому по фиг. 8а) торцу, параллельны оптической оси 4 полулинзы 14. Если фокус 2 совмещен с точечным источником, излучение 15 на выходе полулинзы 14 квазипараллельно. При подаче такого излучения 16 со стороны большего торца (фиг. 8б) выходными становятся концы каналов, примыкающие к меньшему (правому по фиг. 8б) торцу. Выходящее из полулинзы 14 излучение в этом случае концентрируется в фокусе.

Торцы полной линзы 1 и полулинзы 14, обращенные к фокусам, могут быть обработаны для придания им формы сферы с центром в соответствующем фокусе, как показано на фиг. 1, фиг. 7 и фиг. 8а, б. В этом случае обеспечиваются равные условия захвата излучения точечного источника для всех каналов.

"Бутылкообразная" линза 17 (фиг. 9) имеет концы каналов со стороны обоих торцов, параллельные оптической оси линзы. Такая линза имеет форму тела вращения с "перегибом образующей. Входной квазипараллельный пучок 16, подаваемый на меньший (левый по фиг. 9) торец преобразуется ею в выходной квазипараллельный пучок 16" большего сечения. При подаче входного излучения на больший (правый по фиг. 9) торец, наоборот, происходит уменьшение поперечного размера выходного пучка по сравнению со входным. Если входной пучок является носителем изображения, например рентгеновского, и распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка имеет характер, соответствующий этому изображению, то масштаб изображения на выходе линзы соответствующим образом изменяется. В интегральной линзе изменение масштаба изображения может достигать двух порядков, а малый диаметр каналов в сочетании с отсутствием затеняющего влияния оболочек сублинз (в случае, когда при изготовлении линзы осуществляется их стравливание) обеспечивает хорошее качество воспроизведения деталей изображения.

Общая для всех типов интегральных линз картина поперечного сечения (с учетом сделанного выше замечания относительно условности изображения и его масштаба) показана на фиг. 10. На этом чертеже изображен частный случай, в котором как линза в целом, так и сублинзы, имеют оболочки. Каналы 5 транспортировки излучения находятся внутри оболочки 18 сублинз наименьшей (первой) степени интеграции. Группы таких сублинз, образующие сублинзы следующей (второй) степени интеграции, заключены в оболочки 19. Совокупность таких сублинз образует линзу в целом с оболочкой 20.

Форма одной из периферийных (удаленных от оптической оси линзы) сублинз 18,19 показана на фиг. 11.

Следует обратить внимание на то, что конструкция предлагаемой интегральной линзы не представляет собой просто результат сборки в прямой последовательности сначала каналов-капилляров в линзы первой степени интеграции, затем группирование последних в линзы второй степени интеграции, и т.д. Эта конструкция неразрывно связана с предлагаемым способом изготовления, чем и объясняется присутствие в ее характеристике признаков этого способа. Сублинзы любой степени интеграции и интегральная линза появляются не по мере сборки, а только в результате осуществления способа в целом - после завершения формования, которому предшествуют несколько стадий вытягивания. До проведения формования еще нет ни линзы в целом, ни входящих в ее состав сублинз, а есть только заготовки с прямыми каналами. Присутствующее в характеристике интегральной линзы "формование" как признак сублинз различной степени интеграции и линзы в целом является именно упомянутым выше формованием, осуществляемым на заключительном этапе способа. Только после такого формования части интегральной линзы, называемые сублинзами самой высокой степени интеграции и части этих сублинз, называемые сублинзами более низких степеней интеграции, приобретают свойства линз, отличающие их от набора параллельных каналов. Вместе с тем изготовленную интегральную линзу уже нельзя разобрать на сублинзы и отдельные каналы. Поэтому сублинза, показанная на фиг. 11, не существует вне интегральной линзы в целом (аналогично тому, как из интегральной микросхемы не могут быть физически выделены отдельные электронные компоненты). Не существуя "самостоятельно", каждая сублинза выполняет подчиненную роль в составе линзы в целом, что и отражается приставкой "суб" в ее названии. Эта причина обусловливает использование термина "сублинза" (а не "линза") для обозначения составных элементов интегральной линзы.

Таким образом, не только большое количество каналов в линзе в целом и в каждой из сублинз, но и отмеченные обстоятельства являются основанием для использования термина "интегральная" в названии предлагаемого изобретения, относящегося к линзе, и понятия "степень (уровень) интеграции" для характеристики сублинз. В сублинзе первой степени (уровня) интеграции интегрированы (объединены) лишь отдельные капилляры, в сублинзах второй и более высоких степеней интеграции интегрированы уже элементы, сами в функциональном отношении являющиеся линзами (сублинзы первой, второй и т.д. степеней интеграции).

Как было отмечено выше при характеристике предлагаемого изобретения, относящегося к интегральной линзе, оболочки сублинз, наличие которых обусловлено технологией изготовления и для устранения которых необходимо дополнять способ изготовления операциями травления этих оболочек, играют и позитивную роль, повышая жесткость конструкции. Для них необходимо использовать такой же материал, как и для капилляров, либо близкий к нему по значению коэффициента температурного расширения. Оболочки, устранение которых усложняет технологический процесс, лишь незначительно ухудшают прозрачность линзы. Более существенно их негативное влияние на равномерность передачи интенсивности излучения по поперечному сечению пучка. Поэтому использование линз без оболочек, охватывающих сублинзы, необходимо не столько для повышения прозрачности линзы, сколько для устранения причины неравномерности передачи интенсивности по поперечному сечению пучка, что может быть важно в ряде приложений.

Для изготовления описанных линз по предлагаемому способу трубчатую оболочку 21 (фиг. 12), например, стеклянную, заполненную заготовками, полученными на предыдущей стадии способа, подают вертикально в печь 22 с помощью верхнего привода 23 и осуществляют вытягивание ее из печи со скоростью, превышающей скорость подачи, с помощью нижнего привода 24. В результате вытягивания получают изделие 25 существенно меньшего диаметра, чем диаметр оболочки 21 на входе в печь. Температура в печи должна быть достаточна для размягчения материала и сплавления соседних заготовок, заполняющих трубчатую оболочку 21. На первой стадии в качестве заготовок, которыми заполняют трубчатую оболочку, используют капилляры, в частности, стеклянные, полученные из стекла той же марки, что и оболочка. Сами стеклянные капилляры могут быть получены по аналогичной технологии путем вытягивания стеклянных трубок с последующим разрезанием их на капилляры требуемой длины.

При вытягивании в печи создают осесимметричное температурное поле с показанным на фиг. 12 распределением температуры Т по высоте L печи, имеющим узкий максимум 27. Область перехода первоначального диаметра трубчатой оболочки 21, заполненной заготовками, в меньший диаметр изделия 25 находится в зоне узкого пика 27 распределения температуры по высоте печи.

Чтобы предотвратить сплющивание ("схлопывание") капилляров в процессе вытягивания, сопровождающегося сжатием заготовок, помещенных в трубчатую оболочку, давление в пространстве между ними поддерживают более низким, чем внутри каналов заготовок (в конечном счете, важно поддержание более высокого, чем в указанном пространстве, давления в каналах капилляров сублинз наименьшей степени интеграции). Для этого верхние концы каналов заготовок перед помещением заготовок в оболочку закрывают (например, оплавляют верхние концы заготовок), а в процессе вытягивания осуществляют отсос газа из верхнего конца оболочки с помещенными в нее заготовками (отсос схематически показан позицией 28 на фиг. 12). Герметизации нижних концов каналов заготовок и оболочки с помещенными в нее заготовками не требуется, так как близкий к герметизации результат достигается благодаря существенному уменьшению диаметра выходящего из печи изделия по сравнению с исходным диаметром оболочки с заготовками, подаваемой в печь сверху.

Полученное в результате вытягивания изделие после охлаждения разрезают, получая заготовки для следующей стадии. Ими вновь заполняют трубчатую оболочку и осуществляют вытягивание, аналогично предыдущей стадии.

Полученные на каждой стадии заготовки перед заполнением ими трубчатой оболочки, предназначенной для использования на следующей стадии, подвергают травлению кислотой для удаления материала оболочек, если необходимо получить линзу, сублинзы которой не имеют оболочек.

Описанных стадий выполняют несколько (обычно 3 - 5), после чего переходят к заключительному этапу осуществления способа. На этом этапе (фиг. 13) вытягивание изделия из печи периодически замедляют и вновь ускоряют, в результате чего возникают утолщения 28, соединенные сужениями 29. Части утолщений, непосредственно примыкающие к максимуму, имеют бочкообразную форму. Регулированием переменной скорости вытягивания, т.е. соотношения скоростей верхнего и нижнего приводов добиваются желаемой кривизны бочкообразных образующих, по которым расположены каналы, в том числе возможно получение несимметричных относительно максимума утолщений. На этом этапе, как и на предыдущих стадиях получения заготовок, осуществляют закрытие верхних концов каналов заготовок перед помещением их в трубчатую оболочку и отсос газа из верхнего конца оболочки с помещенными в нее заготовками (на фиг. 13 отсос не показан).

Полученное на данном этапе изделие с периодическими утолщениями (фиг. 14) разрезают по длине, получая линзы требуемого типа. Позиции 30, 31, 32 на фиг. 14 показывают участки изделия, отделяя которые можно получить, соответственно, полную линзу, полулинзу или "бутылкообразную" линзу.

При использовании интегральных линз в аналитических устройствах при дефектоскопии, элементном анализе, анализе внутренней структуры объектов и диагностике в технике и медицине возможно огромное число геометрий взаимного расположения источников излучения, объекта анализа, средств детектирования излучения, линз и других элементов. Ниже рассматриваются лишь отдельные из них в сочетании с некоторыми конструктивными особенностями аналитического устройства, связанными с соответствующими геометриями.

Одним из конструктивных элементов аналитического устройства является средство для позиционирования исследуемого объекта, далее называемого иногда также образцом. Поскольку при работе аналитического устройства происходит взаимодействие излучения с образцом, далее как правило, упоминается непосредственно исследуемый объект (образец), а не средство для его позиционирования, хотя именно оно (а не образец) является конструктивным элементом аналитического устройства.

Высокая эффективность анализа благодаря фокусированию излучения источника в одной точке на поверхности исследуемого образца в сочетании со сбором рассеянного образцом излучения в некотором телесном угле с последующей концентрацией его на детекторе достигается благодаря геометрии, показанной на фиг. 15. Здесь полные линзы 1 и 1" имеют совмещенный фокус 34, которым могут сканироваться поверхность или внутренние области образца 33. Детектор 35 воспринимает сфокусированное второй линзой 1" излучение. Использование линзы 1, фокусирующей на объекте анализа излучение точечного источника 2, и упомянутой выше линзы 1 позволяет осуществить анализ при маломощном источнике 2.

Похожая геометрия (без второй линзы 1") применяется в энергодисперсионном методе, когда используется полупроводниковый детектор. При этом линза 1 фокусирует излучение на объекте (образце), детектор 35 вплотную придвигается к образцу 33 и регистрирует как флуоресцентное, так и рассеянное образцом излучение. В такой геометрии интегральная линза 1 увеличивает поток фотонов на образце, а приближение детектора к образцу дает возможность собрать большее количество фотонов. Линза 1 очищает спектр источника от высокоэнергетических фотонов, которые дают на образце большой фон рассеянного излучения. Благодаря фокусированию излучения на малую область образца 33 обеспечивается локализация анализа.

Важным частным случаем конструкции аналитического устройства является использование рентгеновских трубок с прострельным анодом. Если применяется линза с очень малым фокусным расстоянием (например, линза, в которой при факторе << 1 возникает эффект "прижимания" излучения к внешней стороне каналов транспортировки), то такую линзу можно вплотную придвинуть к прострельному аноду. При этом размеры линзы можно сделать небольшими, сохраняя одновременно большой угол захвата. Особенно эффективна такая комбинация (трубка с прострельным анодом плюс интегральная линза) в случае, если анод является микрофокусным (0,1 - 100 микрон). Так как телесный угол излучения прострельного анода велик (близок к полусфере), трубку с прострельным анодом можно использовать эффективно одновременно с несколькими линзами, каждая из которых захватывает излучение из части указанного телесного угла.

Применительно к описанным схемам и тем, которые будут рассматриваться в дальнейшем, необходимо заметить, что они содержит минимум элементов, достаточный для выполнения устройством функции анализа - получения той или иной информации об исследуемом объекте. Для того, чтобы обеспечить получение информации, наиболее удобной для непосредственного использования, повысить оперативность получения информации в наиболее наглядной форме, и др. целей аналитические устройства дополняются подключаемыми к выходу детектора средствами обработки и представления информации. Такие средства осуществляют преобразования выходных сигналов детектора, осуществляют их визуализацию синхронно с механическими перемещениями элементов аналитического устройства, и т. д. Упомянутая синхронизация требует связи средств обработки и представления информации со средствами, осуществляющими перемещения. Средства обработки и представления информации, применяемые совместно с аналитическими устройствами, достаточно хорошо известны (см., например, средства, описанные в [8] , [9] ), и их функции и структура не зависят от того, каким образом получены сигналы, несущие информацию об объекте анализа. Именно поэтому в качестве выхода аналитического устройства принято рассматривать выход детектора - элемента, чувствительного к излучению, являющемуся результатом взаимодействия излучения источника с объектом анализа и поэтому несущему информацию о свойствах последнего. Такой подход к описанию аналитических устройств принят и в патентной литературе (см., например, [4], [5], [6]).

В следующей из рассматриваемых геометрий (фиг. 16) применено средство монохроматизации излучения, возбужденного в образце 33 - кристалл-монохроматор 36. Излучение монохроматизируется благодаря тому, что условия отражения от него параллельного пучка выполняются в очень узком интервале энергий частиц. Для получения параллельного пучка и одновременно для сбора излучения, рассеиваемого исследуемым объектом, используется полулинза 14. Ее фокус совмещен с фокусом полной линзы 1, фокусирующей излучение точечного источника 2 в точке 34, принадлежащей объекту анализа. Варьирование энергии частиц, попадающих на детектор 35, путем изменения углового положения кристалла-монохроматора позволяет более детально исследовать свойства образца, в частности исследовать его на наличие в нем определенных химических элементов.

Геометрия по фиг. 17 отличается от предыдущей тем, что вместо точечного источника предусматривается использование источника квазипараллельного излучения 17, в качестве которого может выступать, например, синхротронный источник. Полулинза 14" фокусирует излучение этого источника в точке 34, являющейся одновременно фокусом полулинзы 1, создающей квазипараллельный пучок для монохроматора 36.

Общей особенностью следующих двух геометрий (фиг. 18 и фиг. 19) является то, что исследуется одновременно проходящее через образец и возбужденное в нем излучение при воздействии на образец монохроматическими излучениями двух близких длин волн.

В геометрии по фиг. 18 такие излучения получают от одного широкополосного точечного источника 2 с помощью двух кристаллов-монохроматоров 36 и 36", облучая их параллельными пучками, полученными с помощью полулинз 14 и 14", общий фокус которых совпадает с источником 2. Для предотвращения прямого попадания излучения источника 2 на образец 33 между ними может быть установлен поглощающий экран (на чертеже не показан). Выходные сигналы детекторов 35 и 35" различаются в той степени, в какой различна реакция исследуемого объекта на облучение его потоками частиц с разными, но близкими энергиями. Разность этих сигналов несет информацию только о таком различии. Поэтому если одна из упомянутых энергий выше, а другая - ниже линии поглощения элемента, наличие которого необходимо выявить в образце, то благодаря исключению влияния на разность выходных сигналов детекторов 35 и 35" всех прочих факторов чувствительность устройства очень высока. Данная геометрия применима, например, в ангиографии, когда в кровь пациента вводят йод, и позволяет увеличить чувствительность метода примерно на два порядка по сравнению со случаем, когда в отсутствие линз для обеспечения параллельности излучения, падающего на монохроматоры, приходится увеличивать расстояние между ними и источником.

В геометрии по фиг. 19, реализующей тот же принцип, для получения частиц с разными, но близкими энергиями, используются два разных точечных источника 2 и 2", излучение которых имеет ярко выраженные характеристические линии: у одного выше, а у другого ниже линии поглощения подлежащего выявлению элемента. Излучение каждого из этих источников преобразуется в квазипараллельное излучение, воздействующее непосредственно на образец 33, полулинзами 14 и 14".

Еще один вариант реализации того же принципа представлен на фиг. 20. В этой геометрии излучения с двумя энергиями, воздействующие на образец 33, формируются поочередно в результате пропускания излучения одного и того же широкополосного точечного источника 2 через чередующиеся окна-фильтры вращающегося экрана 37. Эти окна чередуются таким образом, что прозрачны для одной и не прозрачны для другой из длин волн излучения, которое должно воздействовать на объект анализа. Вращающийся экран 37 с окнами может быть установлен как после полулинзы 14, преобразующей расходящееся излучение источника в квазипараллельное (этот случай показан на фиг. 20), так и перед нею. Разность выходных сигналов детектора 35, соответствующая двум соседним положениям вращающегося экрана 37, может быть использована таким же образом, как и в геометриях по фиг. 18 и фиг. 19.

В геометрии по фиг. 21 предусмотрено использование вторичной мишени 38, позволяющее получить монохроматическое излучение с длиной волны, определяемой свойствами мишени. Недостатком известных устройств с вторичной мишенью является весьма низкая интенсивность вторичного излучения. Благодаря использованию в описываемой геометрии линзы 1 влияние этого недостатка устраняется. Линза 1 концентрирует излучение источника на мишени в малой области 34 фокусного пятна. Излучение со вторичной мишени 38 попадает на исследуемый объект 33, в котором возникает флуоресцентное излучение, попадающее на детектор 35. Такая геометрия позволяет облучить исследуемый объект достаточно интенсивным монохроматическим излучением вторичной мишени.

В геометрии по фиг. 22 образец 35 тоже облучается монохроматическим излучением, однако источником его является не вторичная мишень, а кристалл-монохроматор 36. Параллельный пучок, необходимый для формирования монохроматического излучения, формируется из расходящегося излучения широкополосного источника 2 полулинзой 14. Варьируя угловое положение кристалла-монохроматора, можно изменять длину волны (энергию частиц) излучения, воздействующего на исследуемый объект.

В геометрии по фиг. 23 также использован кристалл-монохроматор 36, облучаемый квазипараллельным пучком, формируемым полулинзой 14. В этой геометрии используется свойство кристалла-монохроматора формировать поляризованное излучение. Для этого упомянутый квазипараллельный пучок направлен на кристалл-монохроматор 36 под углом = 45^o. Дифрагированное излучение от кристалла-монохроматора 36 попадает на исследуемый образец 33, а излучение от исследуемого образца 33 - на детектор 35, установленный под углом 90 к направлению распространения поляризованного излучения кристалла-монохроматора 36. Благодаря этому имеет место поляризационная селекция, и детектор 35 свободен от влияния фона, создаваемого рассеянным комптоновским излучением, возникающим в исследуемом образце при воздействии на него излучения от кристалла-монохроматора 36.

Вместо кристалла-монохроматора в этой геометрии можно использовать мишень из легкого металла, например бериллия.

Геометрия по фиг. 24 используется для реализации метода фазового контраста. В этом методе образец облучается монохроматическим излучением, создаваемым первым кристаллом-монохроматором 36, параллельный пучок для которого формируется из расходящегося излучения источника 2 полулинзой 14. Излучение падает на кристалл-монохроматор 36 под углом Брегга _Бр. После образца установлен второй кристалл-монохроматор 36", идентичный первому, с возможностью варьирования в небольших пределах его углового положения относительно положения, параллельного первому. При наличии в образце неоднородностей, имеющих отличную от соседних областей плотность, излучение, проходя через такие неоднородности, преломляется в них иначе, чем в соседних областях. Это может быть зафиксировано появлением сигнала на выходе детектора 35 при определенном положении второго кристалла-монохроматора. Чувствительность метода фазового контраста намного выше по сравнению с непосредственной фиксацией различия плотностей, например, по различию интенсивностей излучения, прошедшего через соседние области объекта с разными, но близкими плотностями. Использование линз позволяет работать при увеличенных абсолютных значениях интенсивности квазипараллельного излучения, падающего на кристалл-монохроматор, и излучения, попадающего на детектор, без увеличения мощности источника.

Выше, на примере использования в ангиографии, уже говорилось о возможности использования аналитического устройства для целей медицинской диагностики.

На фиг. 25 также показано использование интегральной полулинзы в аналитическом устройстве, решающем задачи медицинской диагностики. Исследуемый объект - часть или орган человеческого тела 39 облучается квазипараллельным излучением, формируемым полулинзой 14 из расходящегося излучения источника 2, находящегося в фокусе этой полулинзы. Детектор 35 воспринимает двумерное распределение интенсивности излучения, прошедшего через объект 39, интерпретируемое как распределение плотности объекта в соответствующей проекции. Особенностью данной геометрии является то, что детектор должен быть расположен достаточно далеко от объекта - на расстоянии не менее 30 см. Благодаря тому, что объект облучается квазипараллельным пучком, удаление детектора практически не сказывается на уровне полезного сигнала, несущего информацию о распределении плотностей объекта. Однако при этом существенно ослабляется влияние рассеянного излучения, возникающего в объекте, благодаря чему повышается контрастность изображения.

Интегральная полулинза в данном случае выполняется с возможностью создания поля облучения размером порядка 20 х 20 см². Если детектор располагается на указанном расстоянии от объекта, то в этой геометрии вообще нет необходимости в использовании каких-либо средств для подавления рассеянного излучения. При этом решаются обе проблемы - проблемы пространственного разрешения и дозы. Пусть, например, детектор находится на расстоянии 50 см от объекта. При расходимости пучка в 10^-4 радиана будем иметь разрешение, равное 10^-4х50=50х10^-3см = 50 микрон. В то же время на расстоянии 50 см от объекта рассеянное в объекте ненаправленное излучение достигает детектора со значительным (более чем в 30 раз) ослаблением. Поэтому можно обойтись без антирассеивающих растов, использование которых для повышения контрастности изображения сопряжено с увеличением дозы облучения.

Использование интегральных линзы позволяет решить задачи ранней диагностики онкологических заболеваний благодаря достигаемому разрешению порядка 50 - 100 микрон. В маммографических исследованиях целесообразно использовать в качестве источника рентгеновскую трубку с молибденовым анодом (E=17,5 кэВ).

Еще одной перспективной областью использования аналитических устройств с интегральными линзами в медицинской диагностике является сканирующая компьютерная томография. В современных томографах получают картину распределения плотности тканей человеческого организма путем регистрации интенсивности прошедшего от источника к детектору излучения. Для того, чтобы получить расчетным путем информацию о распределении плотности в том или ином срезе с хорошим разрешением, приходится делать большое число (обычно более ста) облучений этого среза под разными углами. При этом доза обычно велика - порядка 1 рентгена.

Использование интегральной линзы с высокой степенью фокусирования излучения позволяет радикально изменить ситуацию. Как показано на фиг. 26, полная линза 1 располагается между источником 2 и пациентом 39 таким образом, чтобы второй фокус был расположен внутри исследуемой области. Детектор 35, как обычно, находится по другую сторону пациента в направлении выхода излучения. Точка, в которой фокусируется излучение, играет роль виртуального источника излучения, помещенного внутрь исследуемого объекта. Благодаря этому в сочетании с чрезвычайно малыми размерами такого источника существенно уменьшается геометрическая нерезкость от источника. Нерезкость от источника U выражается формулой:

U=bd/l,

где b - размер источника,

d - расстояние от объекта до источника,

l - расстояние от объекта до детектора.

Когда источник находится вне объекта, d и l - одного порядка, а нерезкость U одного порядка с b, т.е. с размером источника. Если же источник находится внутри объекта и вплотную приближен к выявляемому дефекту (в данном случае - опухоли), то d << 1, что и объясняет уменьшение нерезкости от источника. Благодаря малому размеру фокусного пятна интегральной линзы нерезкость дополнительно уменьшается, что в конечном счете должно позволить обойтись меньшим количеством облучений для получения достаточной точности реконструкции изображения.

Благодаря возможности совмещения фокуса с любой желаемой точкой внутри исследуемой области может быть значительно упрощена процедура получения изображения при исследовании небольших объектов. Например, если необходимо исследовать область размером порядка 1 см² в районе легких, выходной фокус линзы можно непосредственно расположить вблизи этой выделенной области. Фокус можно перемещать в этой области с точностью, равной размеру фокусного пятна линзы. Если, например, фокусное расстояние равно 20 см, то при энергии 50 кэВ, когда _кр 510^-4радиан, это фокусное пятно имеет размер порядка 0,1 мм.

В показанной на фиг. 26 геометрии элемент 40 условно изображает наличие жесткой связи между источником 2, интегральной полной линзой 2 и детектором 35. При проведении томографического исследования эти три объекта должны участвовать во вращении относительно средства для позиционирования пациента 39 как одно целое (возможен и вариант вращения средства позиционирования вместе с пациентом при неподвижных источнике 2, линзе 1 и детекторе 35).

При использовании интегральных линз в лучевой терапии, иллюстрируемом фиг. 27 и фиг. 28, достигаемый результат обусловлен их более высокими показателями, которыми являются как размер фокусного пятна, так и величина фокусного расстояния, при котором, при прочих равных условиях, обеспечивается данный размер фокусного пятна. На фиг. 27 показано устройство для лучевой терапии, в котором используется точечный источник 2, а на фиг. 28 - источник параллельного излучения 16, например выход атомного реактора или ускорителя, формирующих квазипараллельные пучки тепловых или надтепловых нейтронов. Излучение направлено в сторону пациента 39 и сфокусировано внутри опухоли 41. Поворот нейтронного пучка, выводимого из реактора, для придания ему направления, удобного для использования в устройстве для лучевой терапии, может быть осуществлен с помощью линзы (не обязательно интегральной) с криволинейной продольной осью.

В лучевой терапии серьезной проблемой является обеспечение высокой интенсивности облучения опухоли в сочетании с малым облучением окружающих тканей и кожи. Для этого необходимо, чтобы лучи пересекалось на опухоли под большими углами. Чем больше эти углы, тем на большую площадь поверхности кожи больший объем окружающих опухоль тканей распределяется излучение, перед тем как достигнуть опухоли.

Интегральная линза как средство фокусирования излучения, в особенности описанная выше линза, в которой имеет место эффект "прижимания" излучения к внешним сторонам стенок каналов, обладает именно теми свойствами, которые необходимы для разрешения этих проблем - она может обеспечить высокое качество фокусировки при большом отношении выходной апертуры к фокусному расстоянию (последнее свойство способствует тому, чтобы лучи сходящиеся при фокусировании, пересекались под большими углами).

Для создания больших градиентов дозы на опухоли предлагаемое устройство может содержать несколько линз, облучающих опухоль с разных позиций. Для дополнительного уменьшения дозы, получаемой кожей, система линз может быть выполнена с возможностью перемещения с сохранением пересечения создаваемых линзами пучков излучения на опухоли.

Проведенные эксперименты показывают, что даже при небольших энергиях - порядка 25-30 кэВ на глубинах до 5 см доза на опухоли может превысить дозу на поверхности. В эксперименте использовались водные фантомы толщиной от 1 до 5 см.

Устройства для литографии, в которых также может быть использована предлагаемая интегральная линза, схематически представлены на фиг. 29 и фиг. 30.

В первом из них, предназначенном для контактной литографии, средство 43 для размещения подложки с резистом расположено в непосредственной близости от средства 42 для размещения маски. Последнее расположено напротив выходного торца интегральной полулинзы 14, формирующей квазипараллельный пучок из расходящегося пучка источника 2. В данном случае особенно важна однородность квазипараллельного пучка, т.е. равномерность интенсивности излучения по его поперечному сечению. Поэтому рентгеновская литография является той областью, где необходимо использовать интегральные линзы, в которых сублинзы не имеют оболочек.

Устройство для проекционной литографии отличается от рассмотренного тем, что между средством 42 для размещения маски и средством для размещения подложки с резистом установлена "бутылкообразная" линза 16, обращенная меньшим торцом в сторону средства 43 для размещения подложки с резистом. Размер ее большего торца примерно равен размеру выходного торца полулинзы 14. Наличие "бутылкообразной" линзы 16, ориентированной указанным образом, обеспечивает передачу изображения маски на резист с уменьшением. Степень уменьшения масштаба изображения определяется соотношением входного и выходного диаметров линзы. Такую же величину имеет отношение диаметров отдельных каналов (капилляров) на входе и линзы. Поскольку это отношение может быть значительно больше 1, при использовании устройства для проекционной литографии могут быть получены элементы микроэлектроники с малыми размерами. Для "бутылкообразной" линзы 16, используемой в устройстве для проекционной литографии, в еще большей степени, чем для полулинзы 14, важно выполнение сублинз без оболочек.

Подводя итог изложенному, необходимо дополнительно подчеркнуть, что переход от монолитных линз [4] и линз, выполненных в виде ансамбля миниатюрных линз [5], [6], к интегральным линзам как новому поколению средств управления излучениями высоких энергий не просто обеспечивает рост точностных показателей средств с использованием таких линз соответственно показателям самих линз. В ряде случаев он позволяет создать приемлемые для практического применения устройства (транспортабельные, пригодные для герметизации при использовании в условиях агрессивных сред, имеющие приемлемую стоимость, и т.д.), препятствием для чего в прошлом были как габаритные, стоимостные и т.п. показатели самих линз, так и невозможность использования простых и дешевых источников излучения.

Источники информации

1. В. А. Аркадьев, А. И. Коломийцев, М.А.Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой. Успехи физических наук, 1989, т. 157, вып. 3, с. 529-537.

2. Патент США N 5192869 (опубл. 09.03.93).

3. V. M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I. Yu. Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19), 1990, Elbrus settement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, p. 177-178.

4. Патент США N5570408 (опубл. 29.10.96).

5. Международная заявка PCT/RU94/00189 (международная публикация WO 96/01991 от 25.01.96).

6. Международная заявка PCT/RU94/00146 (международная публикация WO 96/02058 от 25.01.96).

7. Автоматизация производства и промышленная электроника. М.: Советская энциклопедия, 1964, т. 32, с. 277, т. 1, с. 209.

8. Физика визуализации изображений в медицине. Под ред. С.Уэбба. М.: Мир, 1991.

9. Р. Вольдcет. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения, М.: Атомиздат, 1977.

10. Патент США N 5812631 (опубл. 22.09.98).

11. Патент США N 5497008 (опубл. 05.03.96).

12. Sandro Rossi and Ugo Amaldi. The TERA Programme: Status and Pro pects. In: Advances in Neutron Capture Therapy. Volume I, Medicine and Physic Proceedings of the Seventh International Symposium on Neutron Capture Therapy fc Cancer. Zurich, Switzerland, 4-7 September 1996. ELSEVIER, Amsterdamm Lausanne - New York - Oxford - Shannon - Singapore - Tokyo, 1997.

13. Патент США N5175755 (опубл. 29.12.92).