_{МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ}

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Кафедра физической электроники

Формирование изображений объектов в рентгеновских лучах

Курсовая работа студента 4 курса

Колесника Алексея Сергеевича

Руководитель:канд.физ.-мат.наук,

доцент кафедры физ. электроники

Кольчевский Николай Николаевич

Минск 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. Рентгеновское излучение 4

1.1 Источники рентгеновского излучения 4

1.2 Применение рентгеновского излучения 12

Глава 2. Изображающая рентгеновская оптика 14

2.1 Получение изображения без использования оптики 14

2.2 Микроскопия с использованием зеркал 16

2.3 Сканирующая микроскопия 18

Глава 3. Преломляющая оптика 24

3.1 Преломляющая рентгеновская оптика 24

3.2 3D преломляющая линза 26

3.3 Расчет 30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 38

Введение

Исследования спектральных и фокусирующих свойств преломляющей рентгеновской линзы. Одним из недостатков преломляющих линз является малая апертура линзы: апертура преломляющих рентгеновских линз имеет размер менее одного миллиметра, в то время как размер синхротронного луча составляет несколько миллиметров. Предлагаются системы на основе трехмерного группирования преломляющих линз для увеличения апертуры. Трехмерная преломляющая рентгеновская линза состоит из микро - пузырьков, помещенных в стеклянную трубку. Обсуждаются свойства трехмерной преломляющей рентгеновской линзы.

Целью работы является разрешить проблему ориентации 3д гексагональной структуры преломляющих линз относительно источника и объекта. Получить формулы показывающие на какой угол поворачивается структура при получении заданного направления или каким будет направление если мы повернём структуру на заданный угол, а так же найти число линз в единичном сечении.

Ключевые понятия: рентгенооптика, составные преломляющие линзы, источники излучения, имитация построения лучей, 3D преломляющая линза.

Глава 1. Рентгеновское излучение

1.1 Источники рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны приблизительно от 1 до 10^-5нм (в энергиях квантов – от 1 МэВ до 10 эВ). Положение рентгеновской области на общем спектре электромагнитных волн показано на рис. 1. Длина волны рентгеновского излучения  связана с энергией рентгеновского фотона E_f соотношением:

E_f =1239.842 [эВ нм]. (1.1)

Спектральный диапазон рентгеновского излучения по особенности взаимодействия с веществом условно разбивают на мягкое и жесткое рентгеновское излучение. Для мягкого рентгеновского излучения с энергией фотонов около 1 КэВ пробег фотонов в веществе составляет несколько микрометров. Мягкий рентгеновский диапазон – условно к нему можно отнести область длин волн от 10 до 300 Å – один из наиболее труднодоступных на шкале электромагнитных волн. В отличие от обычного рентгеновского излучения, мягкое рентгеновское излучение поглощается не только в веществе, но и в воздухе. В мягком рентгеновском диапазоне лежат энергии квантов, ионизирующих электроны К-оболочек легких элементов от гелия до натрия. Кроме того, кванты, испускаемые при L-оболочках более тяжелых элементов, также лежат в МР диапазоне. При увеличении энергии фотонов длина пробега увеличивается пропорционально энергии фотонов в кубе и для жестких рентгеновских фотонов может составлять десятки сантиметров. Большая проникающая способность жесткого рентгеновского излучения позволяет исследовать достаточно толстые объекты без помещения их в вакуум или создания однородного тонкого среза объекта.

Рис.1. Шкала электромагнитных волн

Так, излучение с длиной волны δ < 0,4 Å обладает высокой проникающей способностью и используется для просвечивания промышленных изделий и человеческого тела, а длинноволновое (δ > 10 Å) поглощается в воздухе, тончайших пленках и срезах биологических препаратов.

Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов (первый боровский радиус равен 0.1нм), что позволяет исследовать атомную структуру веществ. В рентгеновской области существенно различаются коэффициенты поглощения отдельных химических элементов. Существенное различие в поглощении нашло применение в рентгеноспектральном анализе позволяющем устанавливать химический состав объекта.

При прохождении направленного пучка рентгеновских лучей через вещество интенсивность пучка вдоль начального направления ослабляется двумя различными путями:

• путем исчезновения фотона – так называемого истинного поглощения

• путем изменения первоначального направления фотона – так называемого рассеяния.

Исчезновение фотона в процессе истинного поглощения происходит в результате фотоэффекта, когда энергия фотона затрачивается на ионизацию атома. Появляющийся при этом фотоэлектрон движется с кинетической энергией, полученной им в момент вырывания из атома. По истечении некоторого промежутка времени τ атом возвращается в свое нормальное состояние путем целого каскада различных переходов. В результате истинного поглощения энергия первичного фотона преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов и оже-электронов и в “лучевую” энергию вторичных фотонов. Очевидно, что сумма энергий всех вторичных фотонов и всех оже-электронов одного каскада равна энергии ионизации атома, затраченной первичным фотоном в процессе фотоэффекта.

Доминирующим процессом в рентгеновском диапазоне энергий фотонов является поглощение, и именно это определяет используемые типы оптических элементов (зеркала, решетки, зонные пластины).

Для возбуждения рентгеновского излучения необходимо получить свободные электроны, сообщить им достаточную энергию и затормозить с помощью, поставленной на их пути, мишени или посредством магнитных полей. Реализация процессов получения, ускорения и торможения электронов осуществляется в специальных электровакуумных приборах – рентгеновских трубках, ускоряющих трубках и камерах электронных ускорителей.

Рентгеновские трубки

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Обычно трубки снабжены тремя электродами, один из которых называется анод, и испускает рентгеновские лучи, и требует охлаждения. Два электрода обеспечивают протекание тока через катод. Катод под действием тока разогревается и испускает электроны (рис.1.1.).

Между катодом и анодом приложено высокое напряжение, под действием которого электроны ускоряются в направлении анода. Накаленный катод помещался внутри фокусирующего цилиндра для сжатия электронного пучка. В зависимости от формы сфокусированного электронного пучка различают трубки с круглым и линейчатым фокусом (длинный узкий штрих позволял получить резкое рентгеновское изображение). Для получения высокоинтенсивного излучения применяют трубки с вращающимся анодом и импульсные рентгеновские трубки.

А)

Б)

Рис.1.1. Схема (А) и фотография (Б) рентгеновской трубки

Подвергаемый бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку большая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера, чаще всего выбирается вольфрам, медь, молибден. Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.

Синхротронные источники

Синхротронное рентгеновское излучение испускается заряженными частицами (электронами, протонами, позитронами) движущимися с релятивистскими скоростями по искривленным траекториям. Генерация синхротронного излучения, обусловлена наличием у частицы центростремительного ускорения. Предсказанное в конце прошлого века, и открытое почти 50 лет назад (1948 г.), синхротронное излучение рассматривалось вначале как «помеха» в работе циклических ускорителей – синхротронов. Только в последние 10-20 лет синхротронного излучения привлекло внимание исследователей и технологов исключительным богатством своих специфических свойств и возможностью их практического применения.

В настоящее время разработаны и разрабатываются специализированные аналоги синхротронов – так называемые накопители электронов или накопительные кольца, – предназначенные исключительно для генерации синхротронного излучения. Движение электронов по криволинейной траектории обеспечивает магнитное поле, которое создается в накопительном кольце с помощью поворотных магнитов, схематически структура накопительного кольца.

Синхротронное излучение обладает следующими уникальными свойствами.

1. Синхротронное излучение - излучение, с исключительно высокой коллимацией пучка. Пучок синхротронного излучения испускается электроном по касательной к траектории и имеет угловую расходимость равную -1, где ‑ релятивистский фактор (отношение энергии электронов E в накопителе к энергии покоя электрона E0 = 0.511 МэВ); для типичных значений E1 ГэВ имеем - 10³ и  1 мрад. Заметим, что при указанных значениях энергии электронов они движутся в накопителе практически со скоростью света.

2. Синхротронное излучение обладает широким, непрерывным, легко перестраиваемым спектром, перекрывающим практически весь рентгеновский диапазон и область ультрафиолетового излучения (0.1 - 100 нм). Для описаний спектральных свойств СИ вводится понятие критической длины волны с. Это длина волны, которая делит энергетический спектр СИ на две равные части. Суммарная энергия излучаемых фотонов с длинами волн меньше с равна суммарной энергии фотонов с длинами волн больше с. Связь критической длины волны с радиусом кривизны траектории электрона R в данной точке определяется формулой:

c=4R^-3/3, (1.2)

При типичных значениях Е = 1 ГэВ и R = 10 м, критическая длина волны попадает в область мягкого рентгеновского спектра (5 нм).

3. СИ обладает очень высокой интенсивностью. Интенсивность СИ в наиболее важном для исследований и технологии рентгеновском диапазоне более чем на 5 порядков превышает интенсивность рентгеновских трубок.

4. СИ обладает естественной поляризацией: строго линейной на оси пучка (вектор электрического поля лежит в плоскости орбиты электронов) и строго циркулярной на его периферии. Поляризация СИ играет важную роль во многих прецизионных методах исследования материалов и структур микроэлектроники.

Основные работы ведутся на синхротронных источниках третьего поколения (SPring-8, APS, ESRF), характеризующихся высокой яркостью, направленностью и монохроматичностью испускаемого излучения, такие источники являются дорогостоящими, в настоящее время в мире их число не превышает 50.

Традиционно источники синхротронного излучения условно делят на четыре поколения:

• Первое поколение — синхротроны, построенные для экспериментов по физике высоких энергий, где синхротронное излучение было побочным явлением. На этих установках впервые начали отрабатываться методики использования синхротронного излучения;

• Второе поколение — синхротроны, специально построенные для генерации СИ. В основном использовали для генерации излучения поворотные магниты. Первым ускорителем, построенным специально для использования синхротронного излучения стал синхротрон Tantalus, запущенный в 1968 году в США;

• Третье поколение — источники СИ сегодняшнего дня (рис.1.2). При проектировании синхротронов 3-го поколения в их конструкции предусматривалось большое число длинных (5 и более метров) прямолинейных промежутков, предназначенных для установки специальных вставок, генерирующих СИ — вигглеров и ондуляторов.

Рис.1.2. Фотография синхротронного источника третьего поколения

Использование для генерации излучения специализированных устройств гораздо более энергоэффективно — большая часть излучаемой электронами энергии выводится непосредственно на экспериментальные станции, при этом снятие магнитного поля с неиспользуемых в отдельные моменты времени вставных устройств позволяет также существенно уменьшить энергопотребление экспериментальной установки. Следует указать, что мощность потерь энергии электронами на одном вставном устройстве может превышать 300 кВт.

• Четвёртое поколение источников синхротронного излучения — это проекты, которые не являются более синхротронами. Дальнейшее совершенствование накопителей, а именно: повышение плотности электронов, повышение яркости источника СИ уже физически невозможно. Критическим параметром стал эмиттанс — фактически, фазовый объём, занимаемый электронами при движении по орбите. При этом оказывается, что если даже в начальный момент инжекции электроны имели очень маленький эмиттанс, в процессе многократного (миллиарды раз) прохождения по орбите, они «забывают» о своем начальном состоянии, и эмиттанс пучка далее определяется квантовыми флуктуациями синхротронного излучения. Для уменьшения эмиттанса (и т.о. повышения яркости) предлагаются источники на базе лазеров на свободных электронах, а также линейных ускорителей с рекуперацией энергии «MARS»

Строительство синхротронов ведётся во всех прогрессивных странах мира: США, Россия, Япония, Франция, Канада, Испания, Австралия, Великобритания, Корея, Швейцария, Дания, КНР. С картой, расположения рентгеновских синхротронов, можно ознакомиться на рисунке 1.3.

Рис.1.3. Расположение синхротронов на мировой карте