Устройство для управления кривой качания рентгеновского кристалла-монохроматора

Полезная модель относится к рентгеновской оптике, в частности к технике формирования рентгеновского излучения с использованием устройства для управления кривой качания рентгеновского кристалла-монохроматора (КМ), и может быть использована в рентгеновском структурном анализе при настройке рентгеновского монохроматора, выполненного на основе КМ с брэгговской поверхностью его дифрагирующего слоя, подвергающегося для изменения рабочих параметров кривой качания КМ тепловому воздействию видимым и/или инфракрасным излучением. Технический результат заявляемой полезной модели - разработка устройства для управления кривой качания рентгеновского КМ повышенной эффективности в результате расширения функциональных возможностей настройки КМ и обеспечения ее повышенной технологичности за счет появления функции изменения углового положения кривой качания КМ в результате введения в конструкцию заявляемого устройства средства изменения температуры дифрагирующего слоя КМ, с возможностью его исполнения в виде технологичного элемента Пельтье, при выигрышном изменении полуширины кривой качания КМ в результате технологичного изменения градиентного температурного распределения вдоль дифрагирующего слоя на основе изменения мощности более простого, чем мультимедийный проектор, и без оптического транспаранта источника теплового воздействия оптическим излучением, выполненного в виде лазерного источника, имеющего увеличенную ширину (например, 55° и выше) диаграммы направленности его излучения с распределением интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка, приближающимся к линейному. Для достижения указанного технического результата в устройстве для управления кривой качания рентгеновского КМ, представляющем собой источник теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ излучением видимого и/или инфракрасного диапазона длин волн, выполненный с возможностью распределения его интенсивности вдоль дифрагирующего слоя, приводящего в результате поддержания температурного градиента в дифрагирующем слое вдоль него к продольному распределению межплоскостных расстояний в нем в соответствии с задаваемой формой кривой качания, и с возможностью изменения мощности излучения, обеспечивающего изменение температурного градиента в дифрагирующем слое, приводящего к градиентному продольному изменению межплоскостных расстояний в нем в соответствии с выбранной полушириной кривой качания КМ, упомянутый источник теплового воздействия выполнен в виде лазерного источника, имеющего увеличенную ширину диаграммы направленности его излучения с распределением интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка, приближающимся к линейному, а предлагаемое устройство снабжено дополнительным средством изменения температуры дифрагирующего слоя КМ, приводящего к одинаковому изменению межплоскостных расстояний вдоль дифрагирующего слоя в соответствии с условием регулирования углового положения кривой качания.

Полезная модель относится к рентгеновской оптике, в частности к технике формирования рентгеновского излучения с использованием устройства для управления кривой качания рентгеновского кристалла-монохроматора (КМ), и может быть использована в рентгеновском структурном анализе при настройке рентгеновского монохроматора, выполненного на основе КМ с брэгговской поверхностью его дифрагирующего слоя, подвергающегося для изменения рабочих параметров кривой качания КМ тепловому воздействию видимым и/или инфракрасным излучением.

В основе известной технологии управления кривой качания рентгеновского кристалла-монохроматора, заключающегося в управлении полной шириной на уровне полумаксимума (далее полушириной) указанной кривой качания (см. статью Трушина В.Н. и др. «Термоиндуцированное управление дисперсионными свойствами кристаллов» - Известия РАН. Сер. физическая. 2011, том 75, 1, с. 1110-1113), заложена возможность создания с помощью источника излучения в дифрагирующем слое КМ различного продольного профиля его тепловой деформации (в результате поддержания температурного градиента воздействия излучения вдоль дифрагирующего слоя) в зависимости от требуемых дифракционных параметров КМ (см. изобретение «Способ управления потоком рентгеновского излучения и система для его осуществления» по патенту РФ 2278432, G21K 1/06, 2005).

Использование КМ с управляемой полушириной кривой качания в рентгеновской топографии обеспечивает возможность получения дополнительной информации о реальной структуре блочных кристаллов. При последовательном увеличении полуширины кривой качания КМ можно расширять область дифракционного отражения от исследуемого кристалла, анализировать форму и размеры блоков на отдельных участках его поверхности. Такая ситуация возможна, когда угол разориентировки блоков в кристалле превышает полуширину кривой качания от отдельного блока, а также при значительных вариациях параметров решетки исследуемого кристалла и наличии изгиба его поверхности.

Известное устройство для управления кривой качания рентгеновского кристалла-монохроматора (см. изобретение «Способ формирования рентгеновского излучения и рентгеновский монохроматор» по патенту РФ 2449394, G21K 1/06, 2012), выбранное заявителем в качестве прототипа заявляемого устройства, представляет собой источник теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ оптическим излучением видимого диапазона длин волн, выполненный с возможностью мультимедийного (с помощью мультимедийного проектора - в варианте исполнения более близкого по совпадаемым существенным признакам устройства-прототипа без отдельного средства - оптического транспаранта) распределения его интенсивности вдоль дифрагирующего слоя, приводящего в результате поддержания температурного градиента воздействия излучения вдоль дифрагирующего слоя к продольному распределению межплоскостных расстояний в дифрагирующем слое в соответствии с задаваемой формой кривой качания, и с возможностью изменения мощности излучения, обеспечивающего изменение температурного градиента его воздействия вдоль дифрагирующего слоя, приводящего к градиентному продольному изменению межплоскостных расстояний в соответствии с выбранной полушириной кривой качания КМ.

Вместе с тем, управление полушириной кривой качания КМ с помощью устройства-прототипа в результате изменения мощности излучения и, соответственно, например линейного температурного градиента его воздействия вдоль дифрагирующего слоя, сопряжено с сопутствующим угловым смещением кривой качания (см. фиг. 2 к описанию изобретения по патенту РФ 2449394), обусловленным изменением угла наклона указанных линейных температурных градиентов и вызванным им изменением межплоскостных расстояний вдоль дифрагирующего слоя КМ, что недостаточно эффективно в связи с сужением настроечных возможностей КМ при управлении его кривой качания.

Технический результат заявляемой полезной модели - разработка устройства для управления кривой качания рентгеновского КМ повышенной эффективности в результате расширения функциональных возможностей настройки КМ и обеспечения ее повышенной технологичности за счет появления функции изменения углового положения кривой качания КМ в результате введения в конструкцию заявляемого устройства средства изменения температуры дифрагирующего слоя КМ, с возможностью его исполнения в виде технологичного элемента Пельтье, при выигрышном изменении полуширины кривой качания КМ в результате технологичного изменения градиентного температурного распределения вдоль дифрагирующего слоя на основе изменения мощности более простого, чем мультимедийный проектор, и без оптического транспаранта источника теплового воздействия оптическим излучением, выполненного в виде лазерного источника, имеющего увеличенную ширину (например, 55° и выше) диаграммы направленности его излучения с распределением интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка, приближающимся к линейному.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для управления кривой качания рентгеновского КМ, представляющем собой источник теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ излучением видимого и/или инфракрасного диапазона длин волн, выполненный с возможностью распределения его интенсивности вдоль дифрагирующего слоя, приводящего в результате поддержания температурного градиента в дифрагирующем слое вдоль него к продольному распределению межплоскостных расстояний в нем в соответствии с задаваемой формой кривой качания, и с возможностью изменения мощности излучения, обеспечивающего изменение температурного градиента в дифрагирующем слое, приводящего к градиентному продольному изменению межплоскостных расстояний в нем в соответствии с выбранной полушириной кривой качания КМ, упомянутый источник теплового воздействия выполнен в виде лазерного источника, имеющего увеличенную ширину диаграммы направленности его излучения с распределением интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка, приближающимся к линейному, а предлагаемое устройство снабжено дополнительным средством изменения температуры дифрагирующего слоя КМ, приводящего к одинаковому изменению межплоскостных расстояний вдоль дифрагирующего слоя в соответствии с условием регулирования углового положения кривой качания.

В частном случае исполнения предлагаемого устройства для управления кривой качания рентгеновского КМ источник теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ может быть выполнен в виде полупроводникового лазера с инфракрасным излучением с диаграммой направленности шириной 55° и выше, установленного с нерабочей стороны кристалла-монохроматора с возможностью обеспечения приближающегося к линейному распределения интенсивности излучения в ограниченном половиной диаграммы направленности поперечном полусечении лазерного пучка, пропущенного через диафрагму, а дополнительное средство регулирования температуры дифрагирующего слоя кристалла-монохроматора может быть выполнено в виде средства охлаждения дифрагирующего слоя, например элемента Пелтье с водоблоком.

Для обеспечения точной настройки КМ в предлагаемом устройстве для управления кривой качания рентгеновского КМ лазерный источник теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ с увеличенной шириной диаграммы направленности его излучения и распределением его интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка, приближающимся к линейному, а также дополнительное средство регулирования температуры дифрагирующего слоя кристалла-монохроматора могут быть оснащены аппаратно-программным обеспечением управления их мощностью в соответствии с программным режимом настройки кристалла-монохроматора.

На фиг. 1 показана структурная блок-схема заявляемого устройства для управления кривой качания рентгеновского КМ; на фиг. 2 - полученные в результате программного моделирования профили изменяемых линейных температурных градиентов вдоль дифрагирующего слоя КМ (см. фиг. 2а) и, соответствующие им кривые качания КМ (см. фиг. 2б), демонстрирующие возможность компенсационного изменения углового положения кривой качания КМ при изменении полуширины кривой качания КМ в результате изменения мощности лазерного источника теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ с расширенной диаграммой направленности его излучения и приближающимся к линейному распределением интенсивности излучения в ограниченном половиной диаграммы направленности поперечном полусечении лазерного пучка, пропущенного через диафрагму; на фиг. 3 - соответствующая профилям продольных температурных градиентов в дифрагирующем слое КМ на фиг. 2а кривая программно заданного изменения тока питания лазерного источника теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ в составе заявляемого устройства.

Предлагаемое устройство для управления кривой качания рентгеновского КМ (см. фиг. 1а) содержит полупроводниковый лазерный источник 1 с инфракрасным излучением, установленный с нерабочей стороны КМ под ним (с возможностью теплового воздействия на дифрагирующий слой КМ) на теплопроводящем основании 2, с расположенным под ним элементом Пельтье 3 с водоблоком 4.

К лазерному источнику 1 и элементу Пельте 3 подключены источники их питания, соответственно 5 и 6, оснащенные микроконтроллерами их управления и подсоединенные к общему компьютерному блоку 7 для программно заданной настройки КМ (см. интерфейс управления автоматизированной настройки КМ на фиг. 3 с развернутым графиком питания лазерного источника 1 в соответствии с заданными кривыми качания КМ на фиг. 2а).

В настоящем примере выполнения на брэгговскую отражательную поверхность КМ нанесено теплопоглощающее покрытие 8, выполняющее роль термостабилизирующего экрана при настройке и работе КМ.

В качестве лазерного источника 1 может быть использован полупроводниковый лазер с диаграммой направленности 55°, показанный со структурой А на фиг. 4 в статье Авруцкого И.А. и др. «Полупроводниковые лазеры на длину волны 980 нм с тоннельно-связанными волноводами» - Квантовая электроника, 1997, т. 24, 2, с. 123-126, а в качестве источников питания 5 и 6 - программируемые двухканальные источники постоянного тока GW INSTEK GPD-73303D.

Элементом Пельтье 3 может послужить изделие указанного назначения отечественной фирмы КРИОТЕРМ (см. сайт фирмы-изготовителя в Интернет: http://shop.kryotherm.ru/).

Изложенное выше устройство для управления кривой качания рентгеновского КМ функционирует следующим образом.

Для настройки КМ путем программно заданного изменения мощности лазерного источника 1 получают требуемую кривую качания (одну из показанных на фиг. 2б), для чего после заданного изменения полуширины кривой качания (в результате изменения температурного градиента в дифрагирующем слое КМ вдоль слоя и соответствующего изменения продольного распределения межплоскостных расстояний в нем, приближенных к линейной зависимости, которая предпочтительна для симметричной формы кривой качания КМ и обеспечивается в результате пропускания лазерного пучка с приближенным к линейному распределением интенсивности его излучения в ограниченном половиной диаграммы направленности поперечном полусечении лазерного пучка через окно диафрагмы (на фиг. 1 не показана) с ее угловым смещением (такое же угловое смещение см. на фиг. 2 к описанию изобретения по патенту РФ 2449394) производят компенсационное угловое смещение кривой качания путем программно согласованного с изменением мощности лазерного источника 1 изменения мощности элемента Пелтье 3, для охлаждения дифрагирующего слоя и соответствующего одинакового уменьшения межплоскостных расстояний вдоль дифрагирующего слоя КМ, приводящего к возвратному угловому смещению кривой качания КМ (в других реализациях заявляемого устройства для регулирования углового положения кривой качания КМ может быть предусмотрено как уменьшение, так и увеличение температуры дифрагирующего слоя).

Работоспособность предлагаемого устройства подтверждает программное моделирование.

В примере моделирования термоиндуцированного управления полушириной кривой качания КМ (см. фиг. 2) использовалась программа, входными данными для которой послужили: коэффициент теплового расширения КМ, длина волны рентгеновского излучения и распределение температуры в дифрагирующем слое КМ вдоль его брэгговской отражательной поверхности.

При этом формировалось распределение температуры в виде сетки 200×200 ячеек (локальных областей) и для каждой ячейки-области строилась кривая Гаусса с полушириной, определенной из экспериментальной кривой качания КМ, в качестве которого послужил кристалл KDP (KH2PO4). Результирующая кривая качания КМ (см. результирующие кривые качания на фиг. 2б) представляет собой сумму кривых качания от всех ячеек-областей.

Угловой сдвиг кривой качания (изменение ее полуширины) для каждой элементарной ячейки-области рассчитывался по формуле:

где _ij - брэгговский угол для (hkl) плоскостей в точке с координатами ij;

d_ij - межплоскостное расстояние для (hkl) плоскостей при комнатной температуре;

- компонент тензора теплового расширения КМ в направлении вектора обратной решетки с индексами (hkl);

t_ij - приращение температуры в точке дифрагирующей зоны с координатами ij относительно комнатной температуры;

- длина волны рентгеновских лучей.

Физический механизм, лежащий в основе функционирования заявляемого устройства для управления кривой качания ренгеновского КМ на основе программного моделирования, заключается в световом (энергетическом) воздействии на дифрагирующий слой КМ, в котором формируют заданное температурное поле с распределением температуры вдоль координаты, ось которой параллельна брэгговской отражательной плоскости КМ. В этом случае локальное изменение положений дифракционных максимумов в соответствии с формулой (1) приводит к симметричному изменению формы кривой качания КМ. Температурный градиент в дифрагирующем слое вдоль оси, параллельной брэгговской отражательной поверхности КМ, определяет полуширину его кривой качания (которая в настоящем физическом механизме совпадает с кривой дифракционного отражения). Отклонение указанного распределения температуры от линейного приводит к нежелательной асимметрии формы кривой качания КМ, а также изменение температурного градиента в дифрагирующем слое вдоль него в связи с изменением полуширины кривой качания КМ вызывает сопутствующее угловое смещение последней.

Изменение температуры дифрагирующего слоя приводит к одинаковому изменению межплоскостных расстояний вдоль дифрагирующего слоя КМ, в результате чего появляется возможность компенсационного углового смещения кривой качания КМ путем подбора указанной температуры.

Сочетание использования лазерного источника 1 и элемента Пельтье 3 при программно согласованном изменении их мощности обеспечивает управляемое (стабильно обратимое) изменение параметров решетки дифрагирующего слоя КМ и полуширины кривой качания КМ с возможностью угловой коррекции положения кривой качания.

В результате обеспечивается повышение эффективности приборно-технологического уровня настройки КМ: проведенные измерения показали, что полуширина кривой качания КМ при изменении мощности лазерного источника 1 может изменяться от нескольких угловых секунд до нескольких угловых минут в условиях программно согласуемого изменения мощности элемента Пельтье 3 для настроечного регулирования кривой качания КМ.

1. Устройство для управления кривой качания рентгеновского кристалла-монохроматора, представляющее собой источник теплового воздействия на дифрагирующий слой кристалла-монохроматора излучением видимого и/или инфракрасного диапазона длин волн, выполненный с возможностью распределения его интенсивности вдоль дифрагирующего слоя, приводящего в результате поддержания температурного градиента в дифрагирующем слое вдоль него к продольному распределению межплоскостных расстояний в нём в соответствии с задаваемой формой кривой качания, и с возможностью изменения мощности излучения, обеспечивающего изменение температурного градиента в дифрагирующем слое, приводящего к градиентному продольному изменению межплоскостных расстояний в нём в соответствии с выбранной полной шириной на уровне полумаксимума кривой качания кристалла-монохроматора, отличающееся тем, что упомянутый источник теплового воздействия выполнен в виде лазерного источника, имеющего увеличенную ширину диаграммы направленности его излучения с распределением интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка, приближающимся к линейному, а предлагаемое устройство снабжено дополнительным средством изменения температуры дифрагирующего слоя кристалла-монохроматора, приводящего к одинаковому изменению межплоскостных расстояний вдоль дифрагирующего слоя в соответствии с условием регулирования углового положения кривой качания.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник теплового воздействия на дифрагирующий слой кристалла-монохроматора выполнен в виде полупроводникового лазера с инфракрасным излучением с диаграммой направленности шириной 55° и выше, установленного с нерабочей стороны кристалла-монохроматора с возможностью обеспечения приближающегося к линейному распределения интенсивности излучения в ограниченном половиной диаграммы направленности поперечном полусечении лазерного пучка, пропущенного через диафрагму.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительное средство регулирования температуры дифрагирующего слоя кристалла-монохроматора выполнено в виде средства охлаждения дифрагирующего слоя, например элемента Пелтье с водоблоком.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лазерный источник теплового воздействия на дифрагирующий слой кристалла-монохроматора с увеличенной шириной диаграммы направленности его излучения и радиальным распределением его интенсивности вдоль поперечного сечения лазерного пучка, приближающимся к линейному, а также дополнительное средство регулирования температуры дифрагирующего слоя кристалла-монохроматора оснащены аппаратно-программным обеспечением управления их мощностью в соответствии с программным режимом настройки кристалла-монохроматора.