Способы фокусировки рентгеновского излучения
Рассмотрены физические основы фокусировки рентгеновского излучения и технологические требования к рентгенооптическим системам. Систематизированы данные о различных способах фокусировки и анализа рентгеновского излучения, их применение, параметры существующих и перспективных установок. Проанализирова...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Успехи физики металлов |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2010
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98121 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Способы фокусировки рентгеновского излучения / В.Е. Сторижко, М.В. Ильяшенко, В.Б. Молодкин, А.Ю. Гаевский, В.Л. Денисенко, О.И. Денисенко, С.А. Вершинский // Успехи физики металлов. — 2010. — Т. 11, № 1. — С. 1-17. — Бібліогр.: 51 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859636654379106304 |
|---|---|
| author | Сторижко, В.Е. Ильяшенко, М.В. Молодкин, В.Б. Гаевский, А.Ю. Денисенко, В.Л. Денисенко, О.И. Вершинский, С.А. |
| author_facet | Сторижко, В.Е. Ильяшенко, М.В. Молодкин, В.Б. Гаевский, А.Ю. Денисенко, В.Л. Денисенко, О.И. Вершинский, С.А. |
| citation_txt | Способы фокусировки рентгеновского излучения / В.Е. Сторижко, М.В. Ильяшенко, В.Б. Молодкин, А.Ю. Гаевский, В.Л. Денисенко, О.И. Денисенко, С.А. Вершинский // Успехи физики металлов. — 2010. — Т. 11, № 1. — С. 1-17. — Бібліогр.: 51 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Успехи физики металлов |
| description | Рассмотрены физические основы фокусировки рентгеновского излучения и технологические требования к рентгенооптическим системам. Систематизированы данные о различных способах фокусировки и анализа рентгеновского излучения, их применение, параметры существующих и перспективных установок. Проанализированы достоинства и недостатки существующих методик.
Physical grounds of X-ray focusing and technological requirements for X-ray optics system’ are considered. Data on various focusing methods and analyzing X-ray radiation, their using, available and prospective parameters of facilities are systematized. Advantages and disadvantages of available methods are analyzed.
Розглянуто фізичні основи фокусування Рентґенового випромінення та технологічні вимоги до рентґенооптичних систем. Систематизовано дані про різні способи фокусування та аналізи Рентґенового випромінення, їх застосування, параметри існуючих і перспективних пристроїв. Проаналізовано переваги та недоліки існуючих методик.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:16:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
1
PACS numbers: 07.85.Qe, 07.85.Tt, 41.50.+h, 61.05.cp, 68.37.Yz, 81.70.-q, 87.59.-e
Способы фокусировки рентгеновского излучения
В. Е. Сторижко, М. В. Ильяшенко, В. Б. Молодкин
*, А. Ю. Гаевский
*,
В. Л. Денисенко, О. И. Денисенко, С. А. Вершинский
Институт прикладной физики НАН Украины,
ул. Петропавловская, 58,
40030 Сумы, Украина
*Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины,
бульв. Акад. Вернадского, 36,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
Рассмотрены физические основы фокусировки рентгеновского излучения
и технологические требования к рентгенооптическим системам. Система-
тизированы данные о различных способах фокусировки и анализа рент-
геновского излучения, их применение, параметры существующих и пер-
спективных установок. Проанализированы достоинства и недостатки су-
ществующих методик.
Physical grounds of X-ray focusing and technological requirements for X-ray
optics system’ are considered. Data on various focusing methods and analyz-
ing X-ray radiation, their using, available and prospective parameters of fa-
cilities are systematized. Advantages and disadvantages of available methods
are analyzed.
Розглянуто фізичні основи фокусування Рентґенового випромінення та
технологічні вимоги до рентґенооптичних систем. Систематизовано дані
про різні способи фокусування та аналізи Рентґенового випромінення, їх
застосування, параметри існуючих і перспективних пристроїв. Проаналі-
зовано переваги та недоліки існуючих методик.
Ключевые слова: рентгеновское излучение, рентгенооптическая система.
(Получено 16 октября 2009 г.)
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновское излучение несёт важную информацию об окружаю-
Успехи физ. мет. / Usp. Fiz. Met. 2010, т. 11, сс. 1—17
Оттиски доступны непосредственно от издателя
Фотокопирование разрешено только
в соответствии с лицензией
© 2010 ИМФ (Институт металлофизики
им. Г. В. Курдюмова НАН Украины)
Напечатано в Украине.
2 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
щем мире. Это и рентгеновская (и гамма-) астрономия, и диагно-
стика плазмы, исследование биологических объектов, изучение
структуры твёрдого тела и т.д. Кроме того, рентгеновское излуче-
ние применяют для влияния (стимулирующего или угнетающего)
на биологические ткани, активирования физико-химических реак-
ций, рентгеновской литографии и в др. областях.
Поэтому создание и совершенствование методов и устройств
рентгеновской оптики помогло бы решить множество фундамен-
тальных и прикладных задач. Но долгое время эта проблема была
неразрешима из-за возникающих трудностей, т.к. использование
рентгеновской оптики не сводится к простому масштабированию по
соотношению длин волн устройств оптического диапазона, а связа-
но с преодолением новых трудностей, вытекающих из фундамен-
тальных физических законов.
Тем не менее, к настоящему времени достигнут существенный
прогресс в этой области.
1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное из-
лучение с длинами волн в диапазоне примерно от 0,01 до 150 нм.
Взаимодействие рентгеновского излучения с электронами атома в
веществе описывается комплексной диэлектрической постоянной:
ε = − δ + β1 2 2i , (1)
которая дает комплексный коэффициент преломления [1]:
( )λ
= ε ≈ − δ + β = − +
π
2
1 21 1
2
a eN r
n i f if , (2)
где Na – плотность атомов, re – классический радиус электрона и
λ – длина волны. Зависимость декремента δ и показателя поглоще-
ния β от атомного номера содержится в атомном факторе рассеяния
f1 + if2, который является комплексной величиной.
Так как коэффициент преломления меньше единицы, рентгенов-
ское излучение, падающее на вещество, полностью отражается, ес-
ли угол скольжения θ меньше критического угла
2cθ = δ , (3)
который получен из закона Снеллиуса.
Обычные зеркала малоприменимы для рентгеновского излуче-
ния. Так при падении, близком к нормальному, соотношение ин-
тенсивностей отразившегося излучения к падающему:
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 3
= δ + β2 2
0 ( ) 4I I . (4)
Ввиду малости δ и β отражение крайне незначительно. Положе-
ние меняется при углах падения, близких к 90° (случай скользяще-
го падения). Поскольку рентгеновские лучи падают из среды с
большим показателем преломления (вакуум) на среду с меньшим
показателем преломления (любое вещество, для которого n < 1), то в
среду волна не может проникнуть, и падающее излучение отразится
обратно в первую среду аналогично полному внутреннему отраже-
нию для видимого света.
2. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЗЕРКАЛА
Исторически первые действующие рентгенооптические системы
собирались на основе малоугловых рентгеновских зеркал большого
радиуса кривизны. Однако у таких систем большие аберрации.
Имеются два принципиальных пути преодоления астигматизма.
Первый использует пару сферических вогнутых зеркал, оси враще-
ния которых перпендикулярны друг к другу, так что каждое зерка-
ло исправляло астигматизм другого – схема Киркпатрика—Баеца
(рис. 1).
Во втором методе используется зеркало, радиус кривизны кото-
рого значительно больше в одном направлении, чем в другом. По-
добную форму имеет внутренняя поверхность трубы, слабо изогну-
той по длине.
На рисунке 2 показаны три такие системы [1]. Параболическое
зеркало скользящего падения фокусирует лучи, параллельные оси,
и, очевидно, свободно от сферической аберрации, как показано на
рис. 2, а. Однако такое зеркало имеет следующий недостаток: сте-
пень увеличения изображения меняется по апертуре, т.е. страдает
от комы. Вольтер показал, что кома может быть ослаблена при ис-
пользовании двух различных поверхностей второго порядка. На
рис. 2, б изображена вольтеровская система I рода. Лучи сначала
отражаются от параболоида, подобного параболоиду, показанному
Рис. 1. Принципиальная схема микроскопа, исправляющего астигматизм
сферических зеркал при скользящем падении.
4 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
на рис. 2, а, а затем от гиперболоида, один из фокусов которого сов-
падает с фокусом параболоида. В вольтеровской системе II рода (см.
рис. 2, в) вторым элементом является гиперболоид с внешним от-
ражением; это аналог известного кассегреновского телескопа.
Методы рентгеновской оптики, основанные на отражении при
скользящем падении, являются в настоящее время наиболее разра-
ботанными и находят наиболее широкое применение.
Значительно повысить возможности зеркальной рентгеновской
оптики удалось с помощью многослойных покрытий. Сейчас уже
вполне доступны многослойные покрытия, которые усиливают от-
ражающую способность зеркал в широком диапазоне углов и в то
же время обеспечивают спектральную селективность. В простей-
шем варианте эти покрытия представляют собой чередующиеся
тонкие слои двух веществ с различными показателями преломле-
ния. Высокая отражающая способность таких зеркал есть резуль-
тат когерентного сложения слабых отражений от большого числа
поверхностей раздела. Коэффициент отражения от одной поверхно-
сти I/I0 составляет 10−4
при λ = 45 Å, т.е. амплитудный коэффици-
ент отражения |R| равен 10−2, и, следовательно, чтобы достигнуть
Рис. 2. Оптические системы скользящего падения, использующие в каче-
стве отражателей поверхности второго порядка.
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 5
полного отражения, необходимо порядка сотни поверхностей.
3. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА
Френелевские зонные пластинки так же, как зеркала и линзы, мо-
гут фокусировать свет и формировать изображения. В своей про-
стейшей форме зонная пластинка представляет собой дифракцион-
ную маску, состоящую из чередующихся прозрачных и непрозрач-
ных концентрических зон. Они должны иметь одинаковые площа-
ди, поэтому радиусы границ между зонами увеличиваются пропор-
ционально корню квадратному из их номера. Разрешающая спо-
собность зонной пластинки на данной частоте пропорциональна
ширине внешней прозрачной зоны.
Для рентгеновской микроскопии используют два типа зонных
пластинок. Во-первых, зонные пластинки, которые можно исполь-
зовать в качестве конденсора для освещения объектов. Как прави-
ло, такие пластинки должны иметь диаметр до 9 мм и довольно
большое число зон (до 3,8⋅104). Во-вторых, используются зонные
пластинки с высоким пространственным разрешением для получе-
ния изображения объекта (см. рис. 3). Ширина внешней зоны пла-
стинок drn должна быть как можно меньше. Поэтому зонные пла-
стинки с высоким разрешением имеют очень малые диаметры – от
двадцати до нескольких сот микрометров. Такие пластинки назы-
вают микрозонными [2, 5, 24].
Зонные пластинки не являются единственной альтернативой от-
ражательной рентгеновской микроскопии. Впечатляющие резуль-
таты получены с помощью, так называемой, контактной микроско-
пии. Для этой простой, но эффективной методики вообще не требу-
ются рентгенооптические системы. Исследуемый образец приво-
дится в контакт с чувствительным по отношению к излучению ма-
териалом, например рентгеновской пленкой или фоторезистом. По-
Рис. 3. Зонная пластинка: а – принципиальная схема, б – фокусировка
монохроматического излучения.
6 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
сле экспонирования и проявления изображение, полученное на
пленке, увеличивается в обычном световом микроскопе, а на фото-
резисте – в электронном микроскопе. В последнем случае удалось
вплотную приблизиться к разрешению 100 Å. Просвечивающая
электронная микроскопия в этом случае более предпочтительна,
чем сканирующая, так как она дает количественную информацию,
которую легче интерпретировать. Несмотря на то, что эта методика
очень удобна, по-видимому, она не позволит исследовать динамиче-
ские процессы. Таким образом, сохраняется важный стимул разви-
тия микроскопии на зонных пластинках [1].
4. РЕНТГЕНОВСКАЯ КРИСТАЛЛООПТИКА. МЕТОДЫ
ИЗОГНУТОГО КРИСТАЛЛА
Основная специфика этих методов состоит в дифракционном отра-
жении и одновременной фокусировке лучей большой поверхностью
изогнутого монокристалла. В литературе фокусирующие методы
делятся на две группы: методы отражения (принцип Брэггов) и ме-
тоды прохождения (принцип Лауэ).
По методу Иоганна на круге фокусировки (рис. 4) расположены
точечный источник, вершина кристалла и детектор монохромати-
ческого излучения. Отражающие атомные плоскости параллельны
наружной поверхности кристалла. Кристалл изогнут по цилиндри-
ческой поверхности радиуса 2R с центром в точке О. Очевидно, что
даже в плоскости круга фокусировки лучи, дифрагировавшие в
центре и на краях кристалла, попадут в разные точки окружности.
Круг фокусировки называют кругом Роуланда.
По методу Иогансона вышлифовывается из монокристалла тонкая
пластинка по форме поверхности кругового цилиндра радиуса 2R. В
этой пластинке атомы расположены по плоскостям, параллельным
касательной плоскости в средней точке кристалла. Затем пластинку
Рис. 4. Схемы фокусировки лучей, испытавших брэгговское отражение от
поверхности изогнутого кристалла,Иоганна иИогансона.
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 7
изгибают по форме поверхности кругового цилиндра радиуса R с
центром в O′. При этом отражающие атомные плоскости принимают
форму поверхностей кругового цилиндра радиуса 2R с центром в
точке O. Как видно из рис. 4, в методе Иогансона поверхность кри-
сталла расположена вдоль фокального круга и лучи, отраженные под
углом Брэгга в центре и от краев кристалла, сойдутся в одной точке.
Увеличение дифракционной зоны на поверхности кристалла в мето-
де Иогансона обеспечивает большую апертуру.
Для коротковолнового излучения выполнение закона Брэггов
возможно лишь при малых углах θ. Наиболее удобными являются
методы Кошуа и Дю-Монда, в которых лучи, проходящие через
кристалл, дифрагируют на атомных плоскостях, расположенных
перпендикулярно изгибаемой поверхности кристалла. Ход лучей
показан на рис. 5. Монокристальные пластинки изогнуты анало-
гично методу Иоганна по круговой цилиндрической поверхности
радиуса 2R. Отражающие атомные плоскости располагаются вееро-
образно, следуя направлениям радиусов изгиба кристалла. Дефоку-
сировка в этих методах меньше, чем в методе Иоганна [2—6, 42—44].
5. ОПТИКА КУМАХОВА
Диапазон энергии, который может управляться с помощью поли-
капиллярной оптики Кумахова (см. рис. 6), простирается от сотен
эВ до 60 кэВ. Оптические системы имеют очень большой угол захва-
та (аналог угла зрения) – от 6° до 10°. На этом принципе также бы-
ли созданы нейтронные поликапиллярные линзы, эффективно фо-
кусирующие пучки нейтронов [7, 8].
«Оптика Кумахова» основана на многократном полном внешнем
отражении рентгеновских лучей и позволяет отклонять излучение
на углы, в сотни раз превышающие критический угол. Рентгенов-
Рис. 5. Схемы прохождения излучения через изогнутый кристалл Кошуа и
Дю-Монда.
8 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
ский волновод (см. рис. 7, а) представляет собой полый стеклянный
капилляр с гладкой внутренней поверхностью, что позволяет рент-
геновским фотонам много раз отражаться от поверхности. Рентге-
новские линзы (см. рис. 7, б) представляют собой монолитную сис-
тему изогнутых стеклянных капиллярных волноводов различной
длины и конфигурации.
Пучок рентгеновского излучения, выходящий из каждого ка-
пилляра, имеет расходимость близкую к критическому углу (см.
формулу 3), который определяется энергией рентгеновского излу-
чения и материалом капилляра [9—17, 51].
6. ФОКУСИРУЮЩИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Еще один вид рентгенооптических систем – фокусирующие перио-
дические структуры, в которых чередуются слои из легких и тяжелых
элементов. При этом слои из легких элементов служат «каналами»
для излучения, а тяжелые слои отражают излучение. Минимальный
период отражающей структуры должен быть не менее c/ωp, где ωp –
плазменная частота материала отражающей поверхности, c – ско-
Рис. 7. Ход лучей в волноводе (а) и ход лучей в рентгеновской поликапил-
лярной линзе (б).
Рис. 6. Сборная рентгенооптическая система (линза Кумахова) 1-го поко-
ления и рентгенооптическая полулинза 2-го поколения (а) и линзы 2—5-го
поколений (б).
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 9
рость света. Это условие необходимо для того, чтобы существовало
полное внешнее отражение в рентгеновском и гамма-диапазоне.
Геометрия фокусировки такими слоями изображена на рис. 8,
где первая система фокусирует излучение в одном измерении, а
вторая – в другом, перпендикулярном первому. Такие периодиче-
ские фокусирующие системы лучше использовать в гамма-оптике,
так как гамма-кванты достаточно хорошо проходят через слои, об-
разованные легкими элементами [9].
7. ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА С ПОМОЩЬЮ
ЕДИНИЧНОГО СУЖАЮЩЕГОСЯ КАПИЛЛЯРА
Одним из способов получения рентгеновских пучков с размерами
менее 50 нм является применение сужающегося параболического (в
более простом случае конусного) капилляра.
Рассмотрим, для примера, как происходит фокусировка и сжа-
тие рентгеновского пучка в случае конусной геометрии (см. рис. 9).
Рентгеновские лучи испытывают полное внешнее отражение от
гладкой внутренней поверхности капилляра при углах падения α,
Рис. 8. Схема фокусировки излучения на периодических слоях.
Рис. 9. Схема линейного конусного капилляра с несколькими отражения-
ми попавшего в него рентгеновского луча.
10 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
меньших критического. Первое отражение происходит под углом
α + β, где β – половинный угол капиллярного конуса. Второе отра-
жение происходит под углом α + 3β, а n-ное под углом α + (2n−1)β.
При падении под углом больше критического рентгеновский луч
поглощается поверхностью и не участвует в процессе фокусировки
[18, 19].
8. ПРЕЛОМЛЯЮЩАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА
Основная трудность в создании обычных для оптики видимого све-
та линз в рентгеновском диапазоне длин волн – малое отличие пока-
зателя преломления от единицы
5( 1 10n −δ = − ≈ 610 )−
и относи-
тельно высокое поглощение излучения [3]. Анализ соотношений
между δ и β показывает, что для элементов преломляющей оптики
пригоден сравнительно узкий набор материалов, в которых прелом-
ление превалирует над поглощением (химические элементы, неорга-
нические и органические соединения с 12effZ ≤ 14 ) [3, 49].
8.1. Единичные параболические короткофокусные линзы
Единичные параболические линзы были созданы из кремния по
технологии глубокого фотоанодного травления. Параметры прелом-
ляющих профилей (параболоиды вращения) линз (рис. 10): радиу-
сы кривизны R = 0,35 мкм, апертура A = 8 мкм, оптическая ось пер-
пендикулярна к поверхности исходной пластины. Линзы компоно-
вались в виде квадратной матрицы, число элементов в которой было
достаточным, чтобы перекрывать сечение падающего пучка. Фо-
кусные расстояния составляют от
22 10−⋅ м для излучения CuKα
(8,05 кэВ) до (6,5
29,5) 10−⋅ м на MoKα (17,5 кэВ).
Изучение свойств сформированных единичных линз было прове-
дено также на источнике синхротронного излучения ESRF (Гренобль,
Франция) в диапазоне энергий 17—30 кэВ (рис. 10в) при регистрации
на высокоразрешающую цифровую камеру. Размер фокального пят-
на не превышал 0,7 мкм. Измеренные фокальные расстояния соот-
ветствовали расчетным. Отличительные особенности разработанных
линз исследованы в работах [32—36].
8.2. Планарные линзы на основе кремния и других материалов
Параболические линзы из кремния (рис. 11), представляют собой
набор преломляющих профилей с одинаковым фокусным расстоя-
нием 1 м (E = 17,4 кэВ) и апертурой A = 100 мкм, кратность единич-
ных линз в ряду увеличивалась от p = 1 до p = 8 с соответствующим
ростом радиуса кривизны R от 3,3 до 26,4 мкм [37—41]. Глубина
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 11
рельефа до 100 мкм была достигнута путем глубокого плазмохими-
ческого травления, и ее увеличение возможно при учете изменения
радиуса кривизны парабол по глубине рельефа.
Планарные линзы из поликристаллического алмаза [21] были
получены путем осаждения слоев алмаза из газовой фазы при воз-
буждении разряда в микроволновой плазме на кремниевые матри-
цы. В указанных матрицах предварительно формировался рисунок
единичных параболических линз методами прецизионной лито-
графии и плазмохимического травления. Линзы имели фокусное
расстояние 50 см при энергии 9 кэВ. Эксперименты были проведены
на линиях ID15 и ID22 ESRF в монохроматическом излучении при
использовании излучения третьей гармоники ондулятора, а также
излучения со сплошным спектром в интервале от 6 до 40 кэВ.
Рис. 10. Короткофокусные параболические линзы и фокусировка излучения
матрицей линз: (а) общий вид матрицы линз; (б) преломляющий профиль
единичной линзы с наложением формы оптимальной параболы; (в) снимок
фокальных пятен, полученныйна линииВМ05 при энергии 30 кэВ.
Рис. 11. Планарные параболические линзы: (а) снимок РЭМ; (б) снимок
фокальных пятен, полученный на линии ВМ05 при энергии 17 кэВ; (в) за-
висимость фактора усиления планарных линз от кратности набора по из-
мерениям на СИ [20].
12 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
На сегодняшний день ученые из ESRF, Российского научного цен-
тра «Курчатовский институт» и Института проблем технологии
микроэлектроники и особочистых материалов (РФ, Черноголовка)
разработали новый рентгеновский интерферометр с использованием
билинзовой системы (рис. 12). Билинзовая система [50] может быть
применена для изучения образцов размерами вплоть до 10 нм [25—31].
Преломляющая рентгеновская линза работает, как и линза для
видимого излучения, и позволяет получать уменьшенные изобра-
жения источника излучения. Эта особенность линзы используется
для получения микрофокусных пучков от синхротронных источ-
ников излучения.
Для этих источников, как правило, область пространства, в кото-
рой формируется рентгеновский пучок, удалена от объекта иссле-
дования на расстояния, значительно превышающие фокусное рас-
стояние линзы.
Размер фокусного пятна S1 рентгеновской линзы можно опреде-
лить, пользуясь следующими формулами:
1 1 1
a b f
+ = , (5)
Рис. 12. Одиночная кремниевая билинза, состоящая из шести параболических
линз. Изображение полученонасканирующемэлектронноммикроскопе.
Рис. 13. Схема микрокапиллярной рентгеновской линзы: 1 – пучок рент-
геновского излучения; 2 – диафрагма; 3 – стеклянный микрокапилляр;
4 – клей; f – фокусное расстояние линзы; 2F – размер фокусного пятна,
d – толщина линзы.
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 13
1
f
S S
a f
=
−
, (6)
где a – расстояние от источника излучения до линзы, b – расстоя-
ние от линзы до плоскости изображения, f – фокусное расстояние,
S – размер источника излучения.
Для исследований была изготовлена преломляющая линза, со-
стоящая из 114 сферических микролинз из эпоксидного клея с ра-
диусом кривизны 100 мкм [22, 23]. Линза изготовлена методом по-
следовательного формирования пузырьков воздуха в стеклянном
капилляре, предварительно заполненном эпоксидным клеем (рис.
13, 14). Требуемый радиус кривизны отдельной микролинзы выби-
рался из того, что радиус кривизны линзы с достаточной степенью
точности совпадает с радиусом канала капилляра.
9. ПТИХОГРАФИЯ
Как правило, при построении оптических изображений объектов
фазовая информация теряется. При этом становится невозможным
простое Фурье-преобразование дифракционного паттерна в дейст-
вительное пространство с нанометровым разрешением.
В настоящее время существуют методы получения изображений,
лишенные этих недостатков, в частности, метод когерентного ди-
фракционного имиджинга, или CDI (coherent diffractive imaging).
Объект освещается когерентным электромагнитным излучением, на-
пример, с помощью лазера или рентгеновского источника. При этом
дифракционная картина, образующаяся в дальней Фраунгоферовской
зоне, связана через Фурье-преобразование с функцией пропускания
объекта. Целью CDI является прямое восстановление оптической
функции пропускания образца по его дифракционной картине.
В принципе, CDI позволяет получать разрешение, ограниченное
только длиной волны используемого излучения.
Одним из расширений CDI является птихография (ptychography),
предложенная Hoppe и Hegerl более 30 лет назад. Образец освещается
Рис. 14. Фотография фрагмента микрокапиллярной линзы, полученная с
помощью оптического микроскопа.Диаметр канала капилляра 200 мкм.
14 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
сквозь весьма малое отверстие диафрагмы (pinhole) когерентным
рентгеновским излучением, поступающим с синхротрона (см. рис.
15). Объект перемещается поперек пучка с шагом, в 5–10 раз мень-
шим диаметра сечения пучка. На каждом шаге записывается ди-
фракционное изображение предмета CCD-детектором.
Полученный набор перекрывающихся дифракционных изобра-
жений затем обрабатывается специальным итерационным алго-
ритмом для реконструкции единственного изображения предмета.
На рисунках 16 и 17 показаны результаты, полученные на рент-
Рис. 15. Схема экспериментальной установки для рентгеновской дифрак-
ционной микроскопии с перемещаемым образцом.
Рис. 16. Девять дифракционных изображений, полученных с 15×15 пере-
крывающихся позиций.
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 15
геновском монохроматическом источнике SLS (Swiss Light Source) с
энергией 6 кэВ (λ = 0,21 нм). На расстоянии 35 м от источника рас-
положен pinhole (отверстие) с апертурой 10 мкм. В качестве образца
использовалась френелевская зонная пластинка, изготовленная из
золота.
Были получены дифракционные изображения с 15×15 перекры-
вающихся позиций, сдвинутых относительно друг друга на 3 мкм,
девять из которых изображены на рис. 16. Изображения записыва-
лись на связанный волокном CCD-детектор (Photonic Science
Hystar) с эффективным размером пикселя 4,5 мкм, который был
расположен в 2,25 м от образца. Время экспозиции 1 сек на каждое
размещение. Полученное разрешение порядка 200 нм в основном
ограничено динамическим диапазоном и отношением сигнал—шум
CCD-детектора [45—48].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как следует из вышеизложенного обзора, созданные в настоящее
время элементы рентгеновской оптики позволяют создать ком-
пактные (лабораторные) установки для целей рентгенофлуорес-
центного анализа, флуоресцентной микротомографии, рефлекто-
метрии, дифрактометрии, топографии, рентгеновской голографии,
обеспечивающие высокую пространственную разрешающую спо-
собность в субмикронном и нанометровом диапазонах.
В ИПФ НАН Украины ведутся работы по созданию источника ква-
зимонохроматического рентгеновского излучения с использованием
двух различных способов возбуждения. Для получения сфокусиро-
ванного протонного пучка МэВ-ных энергий используется аналитиче-
ский ускорительный комплекс ИПФ НАН Украины. Второй способ
возбуждения заключается в применении сфокусированного элек-
тронного пучка. В качестве элементов рентгеновской оптики будут
Рис. 17. Френелевская зонная пластинка, изготовленная из золота.
16 В. Е. СТОРИЖКО, М. В. ИЛЬЯШЕНКО, В. Б. МОЛОДКИН и др.
использованы разработки Института проблем технологии микроэлек-
троники и особочистых материалов РАН (г. Черноголовка, РФ). Рабо-
ты ведутся в рамках проекта № 376—09 ведомственной программы
«Программа научного приборостроения НАН Украины» совместно с
Институтом металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Дж. Х. Андервуд, Д. Т. Аттвуд, УФН, 151, № 1: 105 (1987).
2. М. И. Мазурицкий, Соросовский образовательный журнал, 7, № 10: 95 (2001).
3. А. Мишетт, Оптика мягкого рентгеновского излучения (Москва: Мир: 1989).
4. М. А. Блохин, Методы рентгеноспектральных исследований. (Москва:
Изд. физ.-мат. лит.: 1959).
5. Г. Шмаль, Д. Рудольф, Рентгеновская оптика и микроскопия (Москва:
Мир: 1987).
6. Р. Джеймс, Оптические принципы дифракции рентгеновских лучей (Моск-
ва: Изд. иностр. лит.: 1950).
7. В. А. Чуриков, Письма в ЖТФ, 29, № 23: 75 (2003).
8. Н. А. Власов, Нейтроны (Москва: Наука: 1971).
9. В. А. Аркадьев, А. И. Коломийцев, М. А. Кумахов, И. Ю. Пономарев, И. А.
Ходеев, Ю. П. Чертов, И. М. Шахпаронов, УФН, 157, № 3: 529 (1989).
10. М. А. Кумахов, Излучение каналированых частиц в кристаллах (Москва:
Энергоатомиздат: 1986).
11. Г. Р. Алимов, М. А. Кумахов, А. Т. Муминов, ЖТФ, 77, № 9: 123 (2007).
12. А. Ю. Романов, Письма в ЖТФ, 32, № 4: 51 (2006).
13. А. Ю. Романов, Письма в ЖТФ, 30, № 23: 32 (2004).
14. А. Ю. Романов, Письма в ЖТФ, 31, № 5: 47 (2005).
15. В. Д. Гелевер, А. Ю. Романов, Письма в ЖТФ, 31, № 5: 52 (2005).
16. А. Ю. Романов, И. В. Дмитриев, А. Ю. Акулов, Инженерная физика, № 1:
43 (2004).
17. Б. Ненсель, Ф. Рёссигер, Электроника: НТБ, № 5: 50 (2001).
18. М. А. Блохин, Физика рентгеновских лучей (Москва: ГИТТЛ: 1957).
19. Ю. И. Дудчик, Ф. Ф. Комаров, Я. А. Константинов, ЖТФ, 68, № 5: 90 (1998).
20. В. В. Аристов и др., Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. ис-
след., № 1: 13 (2001).
21. A. A. Snigirev et al., Proc. SPIE ‘Design and Microfabrication of Novel X-Ray
Optics’ (Seattle: 2002), vol. 4783, p. 1.
22. Ю. И. Дудчик, Н.Н. Кольчевский, Ф.Ф. Комаров, Письма в ЖТФ, 24, № 24:
19 (1998).
23. Ю. И. Дудчик, Л. А. Власункова, Ф. Ф. Комаров, О. Л. Войтик, К. И. Делен-
дик, А. А. Снигирев, И. И. Снигирева, М. В. Григорьев, 7-я междунар. конф.
«Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск: 2007), с. 248.
24. А. В. Куюмчан, В. Г. Кон, И. И. Снигирева, А. А. Снигирев, А. А. Исоян,
С. М. Кузнецов, В. В. Аристов, Е. Шулаков, Поверхность. Рентген., син-
хротрон. и нейтрон. исслед., № 2: 29 (2006).
25. V. G. Kohn, I. Snigireva, A. Snigirev, Поверхность. Рентген., синхротрон. и
нейтрон. исслед., № 1: 33 (2003).
26. A. A. Snigirev et al., Proc. SPIE ‘High Heat Flux and Synchrotron Radiation
СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 17
Beamlines’ (San Diego: 1997), vol. 3151, p. 164.
27. A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, and B. Lengeler, Nature, No. 384: 49 (1996).
28. I. Snigireva et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A, 467—468: 982 (2001).
29. I. Snigireva et al., Proc. SPIE ‘X-Ray Micro- and Nano-Focusing: Applications
and Techniques II’ (San Diego: 2001), vol. 4499, p. 64.
30. I. Snigireva, V. Kohn, and A. Snigirev, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A,
467—468: 925 (2001).
31. A. Snigirev et al., Appl. Opt., 37, No. 4: 653 (1998).
32. В. В. Аристов, Л. Г. Шабельников, УФН, 178, № 1: 61 (2008).
33. В. В. Аристов и др., Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. ис-
след., № 1: 7 (1999).
34. L. G. Shabel’nikov et al., J. Phys. IV, 104: 227 (2003).
35. Л. Г. Шабельников, Материалы нац. совещ. «Рентгеновская оптика – 2002»
(март 2002 г.) (Н. Новгород: Ин-т физики микроструктур РАН: 2002), с. 80.
36. Л. Г. Шабельников, И. А. Щелоков, В. А. Юнкин, Ю. Н. Пальянов, А. Ф.
Хохряков, Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед., № 1:
41 (2002).
37. В. В. Аристов и др., Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. ис-
след., № 1: 79 (1999).
38. В. В. Аристов, М. В. Григорьев, С. М. Кузнецов, Л. Г. Шабельников, По-
верхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед., № 1: 89 (2001).
39. В. В. Аристов, Г. А. Павлов, Л. Г. Шабельников, Способ изготовления
рентгеновских преломляющих линз (Патент РФ № 2298852. 10 мая 2007).
40. L. Shabel’nikov et al., Proc. SPIE ‘Design and Microfabrication of Novel X-Ray
Optics’ (Seattle: 2002), vol. 4783, p. 55.
41. Л. Г. Шабельников, Способ изготовления рентгеновских преломляющих
линз профилем вращения (Патент № 2297681. 20 апреля 2007).
42. Т. Чен, Письма в ЖТФ, 28, № 18: 29 (2002).
43. Т. Чен, ЖТФ, 72, № 6: 5 (2002).
44. Т. Чен, Письма в ЖТФ, 28, № 6: 1 (2002).
45. W. Hoppe, Acta Cryst., A25: 508 (1969).
46. R. Hegerl and W. Hoppe, Ber. Bunsen-Ges, Phys. Chem. 74: 1148 (1970).
47. J. M. Rodenburg et al., Phys. Rev. Lett., 98, No. 3 (2007).
48. I. Johnson et al., Phys. Rev. Lett., 100, No. 15 (2008).
49. А. Г. Турьянский, И. В. Пиршин, Приборы и техника эксперимента, № 5:
90 (2000).
50. A. Snigirev et al., Phys. Rev. Lett., 103, No. 6 (2009).
51. Ф. К. Алиев, Г. Р. Алимов, А. Т. Муминов, Б. С. Османов, В. В. Скворцов,
ЖТФ, 75, № 8: 90 (2005).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98121 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1608-1021 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:16:18Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сторижко, В.Е. Ильяшенко, М.В. Молодкин, В.Б. Гаевский, А.Ю. Денисенко, В.Л. Денисенко, О.И. Вершинский, С.А. 2016-04-09T10:23:39Z 2016-04-09T10:23:39Z 2010 Способы фокусировки рентгеновского излучения / В.Е. Сторижко, М.В. Ильяшенко, В.Б. Молодкин, А.Ю. Гаевский, В.Л. Денисенко, О.И. Денисенко, С.А. Вершинский // Успехи физики металлов. — 2010. — Т. 11, № 1. — С. 1-17. — Бібліогр.: 51 назв. — рос. 1608-1021 PACS numbers: 07.85.Qe, 07.85.Tt, 41.50.+h, 61.05.cp, 68.37.Yz, 81.70.-q, 87.59.-e https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98121 Рассмотрены физические основы фокусировки рентгеновского излучения и технологические требования к рентгенооптическим системам. Систематизированы данные о различных способах фокусировки и анализа рентгеновского излучения, их применение, параметры существующих и перспективных установок. Проанализированы достоинства и недостатки существующих методик. Physical grounds of X-ray focusing and technological requirements for X-ray optics system’ are considered. Data on various focusing methods and analyzing X-ray radiation, their using, available and prospective parameters of facilities are systematized. Advantages and disadvantages of available methods are analyzed. Розглянуто фізичні основи фокусування Рентґенового випромінення та технологічні вимоги до рентґенооптичних систем. Систематизовано дані про різні способи фокусування та аналізи Рентґенового випромінення, їх застосування, параметри існуючих і перспективних пристроїв. Проаналізовано переваги та недоліки існуючих методик. Работы ведутся в рамках проекта № 376—09 ведомственной программы «Программа научного приборостроения НАН Украины» совместно с Институтом металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Успехи физики металлов Способы фокусировки рентгеновского излучения Способи фокусування рентґенового випромінення Techniques for X-Ray Focusing Article published earlier |
| spellingShingle | Способы фокусировки рентгеновского излучения Сторижко, В.Е. Ильяшенко, М.В. Молодкин, В.Б. Гаевский, А.Ю. Денисенко, В.Л. Денисенко, О.И. Вершинский, С.А. |
| title | Способы фокусировки рентгеновского излучения |
| title_alt | Способи фокусування рентґенового випромінення Techniques for X-Ray Focusing |
| title_full | Способы фокусировки рентгеновского излучения |
| title_fullStr | Способы фокусировки рентгеновского излучения |
| title_full_unstemmed | Способы фокусировки рентгеновского излучения |
| title_short | Способы фокусировки рентгеновского излучения |
| title_sort | способы фокусировки рентгеновского излучения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98121 |
| work_keys_str_mv | AT storižkove sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT ilʹâšenkomv sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT molodkinvb sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT gaevskiiaû sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT denisenkovl sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT denisenkooi sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT veršinskiisa sposobyfokusirovkirentgenovskogoizlučeniâ AT storižkove sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT ilʹâšenkomv sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT molodkinvb sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT gaevskiiaû sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT denisenkovl sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT denisenkooi sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT veršinskiisa sposobifokusuvannârentgenovogovipromínennâ AT storižkove techniquesforxrayfocusing AT ilʹâšenkomv techniquesforxrayfocusing AT molodkinvb techniquesforxrayfocusing AT gaevskiiaû techniquesforxrayfocusing AT denisenkovl techniquesforxrayfocusing AT denisenkooi techniquesforxrayfocusing AT veršinskiisa techniquesforxrayfocusing |