способ управления потоком рентгеновского излучения и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления потоком рентгеновского излучения путем контролируемых энергетических воздействий на блок управления, состоящий из дифракционной среды и подложки, отличающийся тем, что изменяют геометрическую форму поверхности подложки, дифракционной среды и ее дифракционные параметры путем одновременных неоднородных энергетических воздействий на подложку блока управления и на внешнюю поверхность дифракционной среды блока управления.

2. Система управления потоком рентгеновского излучения, включающая источник рентгеновского излучения и блок управления, состоящий из дифракционной среды и подложки, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена устройством коррекции углового смещения дифракционного пучка, соединенным с компьютером, подключенным к регистрирующей камере, блок управления снабжен стабилизатором температуры и позиционером, подложка выполнена с чередующимися в ней элементами управления геометрическими параметрами подложки, функционально связанными с физическими параметрами элементов, их геометрическими параметрами и величиной оказываемого на них энергетического воздействия.

3. Система управления потоком по п.1, отличающаяся тем, что дифракционная среда выполнена в виде кристаллической или многослойной периодической структуры с нанесенным на нее поглощающим энергетическое воздействие покрытием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рентгеновской оптике, в частности к устройствам для отражения, фокусировки и монохроматизации потока рентгеновского излучения, и может быть использовано для проведения процессов в рентгеновской литографии, рентгеновской микроскопии, рентгеновской спектроскопии, в дифрактометрах, а также в астрономии, физике, биологии, медицине и других областях техники, где используется рентгеновское излучение.

Известно устройство для фокусировки рентгеновского излучения, защищенное патентом Российской Федерации патент РФ №2080669, МПК G 21 K 1/06, опубликованное 1997.05.27. Устройство фокусировки рентгеновского излучения содержит основание и два корпуса, размещенные на нем друг за другом по оси рентгеновского излучения, с симметричной установкой каждой из двух пар зеркал, при этом каждая пара зеркал повернута одна относительно другой на 90° и каждое зеркало снабжено индивидуальным механизмом консольного изгиба. Зеркала выполнены в виде пластинок постоянной толщины, в основании которых лежат асимметричные трапеции с криволинейными в основании сторонами, а ось симметрии трапеции параллельна оси пучка рентгеновского излучения.

Недостатком устройства для фокусировки рентгеновского излучения является наличие большого числа механических приспособлений, обеспечивающих необходимые параметры изгиба.

Вторым недостатком данного устройства является ограниченный контроль параметров кривизны изгибаемой поверхности, необходимый для достижения заданных параметров фокусировки рентгеновского излучения.

Перечисленные недостатки данного устройства делает его затруднительным в широком использовании в приборах рентгеновской оптики и оптики видимого и ИК-диапазонов.

Известен способ для изгиба кристаллов, защищенный патентом Российской Федерации №919248, МПК B 28 D 5/00, опубликованный 10 февраля 2000). Способ изгиба включает установку кристалла между оправками, поверхность одной из которых покрывают клеящим составом, нагрев кристалла с оправками и снятие оправок после приобретения кристаллом формы. В качестве оправок используют пластины из мартенситных сплавов, обладающих "эффектом памяти формы", которые перед установкой между ними кристалла предварительно изгибают до заданного радиуса при температуре начала обратного мартенситного превращения, выпрямляют их при комнатной температуре, а нагрев осуществляют до температуры конца обратного мартенситного превращения.

Недостатком данного способа является невозможность динамического управления параметрами изгиба кристалла в процессе настройки фокусирующей системы, что ограничивает его применение в рентгенооптических системах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является устройство для управления потоком рентгеновского излучения и способ его получения, защищенный патентом Российской Федерации №2109358, МПК G 21 K 1/06, опубликованный 20 апреля, 1998.

Устройство состоит из подложки и чередующихся слоев с различными декрементами, выполненных из материала, состоящего из атомов углерода и водорода. При этом различие декрементов слоев обеспечивается путем разного содержания водорода в слоях и разной пространственной структуры слоев. Способ получения устройства заключается в создании на подложке многослойной структуры с изменяющимися по заданному закону значениям декрементов составляющих ее слоев. При этом формирование, по крайней мере, одного из слоев производится путем осаждения из газовой углеродосодержащей среды. Изобретение позволяет улучшить рабочие характеристики устройств для управления потоком рентгеновского излучения за счет уменьшения коэффициента поглощения рентгеновского излучения, увеличения разрешающей способности и широкополостности, получения более совершенных границ раздела между слоями.

Недостатком устройства является отсутствие механизмов корректировки рельефа поверхности подложки, с помощью которого возможно динамически подстраивать параметры подложки под рентгенооптическую схему и, следовательно, улучшить управляемость потоком рентгеновского излучения. Кроме того, изготовление такой подложки, представляющей собой дифракционную решетку с глубиной профиля, составляющей единицы или десятки нанометров, и супергладкой поверхностью, является сложной технической задачей.

Недостатком способа является сложность в создании на подложке многослойной структуры с изменяющимися по заданному закону значениями декрементов составляющих ее слоев, способных заданным образом формировать рентгеновский пучок.

Перечисленные недостатки известного способа и устройства для его осуществления не позволяют интерактивно формировать рентгеновский пучок с необходимыми параметрами и делают его затруднительным в широком использовании в рентгеновских установках, использующих фокусирующую оптику.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением - совершенствование способа управления потоком рентгеновского излучения (РИ) при дифракционной рентгенолитографии, а также при облучении биологических объектов в устройствах рентгеновской оптики и системы для его осуществления.

Технический результат от использования изобретения - повышение эффективности управления потоком РИ за счет динамической корректировки сходимости рентгеновского пучка.

Указанный результат достигается тем, что в способе управления потоком рентгеновского излучения путем контролируемых энергетических воздействий на блок управления, состоящий из дифракционной среды и подложки, изменяют геометрическую форму поверхности подложки, дифракционной среды и ее дифракционные параметры путем одновременных неоднородных энергетических воздействий на подложку блока управления и на внешнюю поверхность дифракционной среды блока управления.

Указанный результат достигается тем, что система управления потоком рентгеновского излучения, включающая источник рентгеновского излучения и блок управления, состоящий из дифракционной среды и подложки, дополнительно снабжена устройством коррекции углового смещения дифракционного пучка, соединенным с компьютером, подключенным к регистрирующей камере, блок управления снабжен стабилизатором температуры и позиционером, подложка выполнена с чередующимися в ней элементами управления геометрическими параметрами подложки, функционально связанными с физическими параметрами элементов, их геометрическими параметрами и величиной оказываемого на них энергетического воздействия.

Дифракционная среда может быть выполнена в виде кристаллической или многослойной периодической структуры, с нанесенным на нее поглощающим энергетическое воздействие покрытием.

В способе управления потоком РИ путем контролируемых энергетических воздействий на элементы дифракционного блока управления (ДБУ) потоком РИ энергетическое воздействие, оказываемое на подложку ДБУ, вызывает геометрической изменение формы изгиба поверхности дифракционной среды (ДС) и изменяет сходимость РИ, энергетическое воздействие на дифракционную среду ДБУ локально изменяет ее дифракционные параметры и корректирует сходимость рентгеновского пучка.

Способ и система для его осуществления предполагают динамическое управление параметрами рентгеновского пучка при использовании его в приборах и устройствах рентгеновской оптики. Для осуществления такого управления используется разработанные нами способ и система управления параметрами РИ с энергиями квантов в диапазоне 5-150 кэВ.

На чертеже дано схематическое изображение основных элементов системы. Система содержит источник РИ 1, ДБУ рентгеновского излучения 2 с устройством стабилизации температуры и позиционером, корректор углового смещения дифракционного пучка, далее именуемый как корректор пучка (КП) 3, соединенный с компьютером 4, соединенным с регистрирующей камерой 5.

В качестве источника РИ используются источник синхротронного излучения или острофокусная рентгеновская трубка с размером фокусного пятна, определяемым задачами фокусировки, например 0,1×0,1 мм². ДБУ 2 состоит из дифракционной среды 6 и подложки 7, см. чертеж. В качестве ДС 6 могут быть использованы кристаллические пластины, например, кремния, пиролитического графита и т.д., а также многослойные структуры, например W/C. В качестве подложки 7 используется модульная система, состоящая из предварительно изогнутой по заданной геометрической форме упругой пластины, например титановой. Форма пластины определяется рентгенооптической схемой конкретной установки, задачами управления РИ и может иметь вид, например параболического цилиндра. С внутренней стороны этой пластины крепится ДС, с внешней стороны пластины, в углублениях сделанных определенной формы, например треугольной, размещены активные элементы. В качестве активных элементов используются терморасширяющие элементы (ТЭ) или пьезоэлементы (ПЭ) 8, которые изменяют свои размеры под действием температуры, в случае использования ТЭ или напряжения, в случае использования ПЭ, и, следовательно, изменяют геометрическую форму подложки и, соответственно, геометрическую форму ДС. Форма и размеры углублений и, соответственно, форма и размеры ТЭ и ПЭ рассчитываются под определенную рентгенооптическую схему.

В качестве ТЭ используются металлы, например бронза, и др. В качестве ПЭ можно использовать пьзокерамику, например группу пьезокерамических материалов типа цирконата-титаната свинца (ЦТС) и др. В качестве устройства стабилизации температуры используется термостат с водяной системой охлаждения или любое другое устройство, например устройство, работающее с использованием термоэлектрического эффекта Пельтье. В качестве позиционера используется устройство, собранное, например, на пьезодвигателях, позволяющее проводить подстройку дифракционной среды под Брэгговский угол дифракции. Управление потоком РИ осуществляют как в автоматическом, так и в ручном режимах с помощью графического интерфейса программного обеспечения компьютера.

Управление потоком РИ может осуществляться следующим образом. На ДБУ 2 от источника РИ 1 направляют рентгеновский пучок углом к поверхности ДС 6, удовлетворяющему брэгговскому условию дифракции. Изменение формы и сходимости рентгеновского пучка дифрагированного от ДС 6 осуществляется путем одновременного энергетического воздействия на подложку 7 и внешнюю поверхность ДС 6. Энергетическое воздействие на подложку осуществляется с целью изменения геометрической формы ее поверхности и, следовательно, геометрической формы поверхности ДС. В случае использования ТЭ указанные изменения достигаются посредством контролируемого изменения температуры ДБУ 2. В случае использования ПЭ указанные изменения достигаются посредством контролируемого изменения подаваемого на них напряжения. С целью корректировки угловой сходимости рентгеновского пучка на ДС 6 воздействуют модулированным по энергии или интенсивности энергетическим (электронным, световым, инфракрасным и т.д.) пучком, способным локально изменять температуру поверхности ДС. Например, температурное воздействие может быть осуществлено через КП 3, представляющее собой блок, в который входит оптическое устройство (лазер, проекционная лампа и т.д.) и устройство для управления положением светового пучка на поверхности ДС 6 (рефлекторы и оптические модуляторы). Способ температурного воздействия на ДС 6 может быть выполнен также с помощью мультимедийного проектора (например, VPL-CS1, Barco SLM G5, BarcoGraphics 9300/BarcoReality 9300 и т.д.). Воздействие может быть осуществлено непосредственно на ДС 6 или через волоконную оптику (световоды), светодиодную матрицу и т.д. В качестве компьютера 4 используется компьютер, функциональные возможности которого не ниже Pentium 4.

Модулированный энергетический пучок создает на поверхности ДС 6 температурное поле, локально изменяет ее дифракционные параметры, вызывает локальные угловые смещения брэгговских отражений от ДС. Угловые смещения брэгговских отражений, функционально связанны с распределением энергетического воздействия на поверхности ДС. За счет контролируемого изгиба поверхности ДС, а также за счет управляемого смещения брэгговских отражений рентгеновских лучей от участков ДС формируют пространственно-неоднородный рентгеновский пучок. Размер, форма и распределение интенсивности в созданном рентгеновском пучке функционально связаны с формой поверхности ДС, изменяемой с помощью подложки, распределением температурного поля в ДС и, следовательно, с величиной температурного воздействия на ДС. В случае, когда используемое энергетическое воздействие, например световое, слабо поглощается ДС, используется предварительное "чернение" освещаемой поверхности ДС (на поверхность ДСБУ наносится поглощающий оптическое излучение слой, например, сульфида свинца (PbS)).

Температурная зависимость угла брэгговского отражения _ij для точки поверхности кристалла с координатами ij выражается следующим образом:

где _ij - брэгговский угол для (hkl) плоскостей в точке с координатами ij; t_ij - значение температуры поверхности кристалла в точке с координатой ij; - длина волны; - коэффициент теплового расширения кристалла в направлении вектора обратной решетки; d_ij=d_0ij+ d_ij; d_0ij - значение межплоскостного расстояния в точке поверхности кристалла при температуре t ₀, t₀ - температура не освещенной области кристалла; d_ij - изменение межплоскостного расстояния в точке с координатами ij, вызванное изменением температуры t_ij в этой точке.

Фокусируемый пучок регистрируется камерой 5. В качестве регистрирующей камеры может быть использована, например, рентгеновская цифровая камера SMART (The Small Molecule Analytical Research Too), производимая фирмой Siemens.

Управление параметрами рентгеновского пучка, т.е. формой, размером и сходимостью, осуществляют через графический интерфейс компьютера 4 интерактивно в ручном или в автоматическом режимах с использованием программных средств, например, с использованием технологии нейронных сетей.

Исходной информацией для включения того или иного режима работы программы является серия изображений проекции рентгеновского пучка регистрируемого камерой 5, полученных при изменении геометрических параметров ДС, и изменении в пространственном распределении энергетического воздействия на поверхность ДС.

Заявляемый способ и система для его осуществления позволяют динамически изменять параметры рентгеновских пучков, что позволит:

1. Использовать системы в дифракционных LIGA технологиях, в том числе в технологии глубокой рентгеновской литографии для формирования микроструктур в полимерах, металле или керамике.

2. Облучать опухоли с различными анатомо-топографическими параметрами первичного очага и обеспечивать эффективную защиту органов высокого радиационного риска за счет ограничений поглощенных доз в заданных направлениях.

3. Интерактивно, заданным образом изменять параметры дифракционных максимумов кристаллов. Это позволит, например, изменять величину области дифракционного отражения от исследуемого кристалла.

4. Возможность создания с помощью светового пучка на поверхности кристалла или многослойной структуре необходимого профиля тепловой деформации позволяет управлять их дисперсионными свойствами.