Сканирующий рентгеновский микроскоп с линейчатым растром

 

Использование: просвечивание объектов, содержащих субмикронные неоднородности. Сущность изобретения: сканирующий рентгеновский микроскоп с линейчатым растром содержит источник электронов, устройство фокусировки и отклонения электронного луча, тонкопленочную мишень, направляющую рентгеновское излучение структуру, систему детектирования рентгеновского излучения, Новым в микроскопе является то, что направляющая рентгеновское излучение структура выполнена последовательным нанесением пропускающих и отражающих слоев на подложку и расположена в плоскости, параллельной плоскости мишени. 4 ил.

Изобретение относится к рентгеновской технике и микроскопии и может быть использовано для просвечивания объектов/ содержащих субмикронные неоднородности.

Известен радиационный интроскоп с линейчатым растром/ содержащим источник рентгеновского излучения/ щелевую диафрагму/ одномерную матрицу детекторов.

Недостаток устройства состоит в необходимости механического сканирования образца малыми шагами/ сравнимыми с требуемым разрешением.

Известен генератор пучка рентгеновских лучей малого диаметра/ содержащий источник электронов/ устройство их фокусировки и отклонения/ прострельный анод с большим числом разнесенных точек из материала/ испускающего рентгеновские лучи/ устройство формирования пучков рентгеновского излучения малого диаметра/ устройство визуализации рентгеновского излучения.

Недостатком устройства является то/ что оно не обеспечивает микронного разрешения просвечиваемых неоднородностей.

Известно устройство для сканирования образца рентгеновскими лучами малого диаметра/ которое содержит источник электронов/ устройство их отклонения и фокусировки/ прострельную тонкопленочную мишень/ полностью поглощающую электронный пучок и направляющую рентгеновское излучение структуру в виде матрицы капилляров/ состыкованную с мишенью со стороны/ противоположной стороне падения электронного пучка/ детектор ионизирующего излучения.

Недостатком устройства является его малая разрешающая способность при просвечивании объектов рентгеновским излучением с энергией фотонов ≥ 10 кэВ/ ограниченная процессами рассеяния фотонов и электронов в мишени в направлениях/ перпендикулярных электронному пучку.

Целью изобретения является обеспечение возможности обнаружения скрытых объектов субмикронных размеров путем уменьшения шага сканирования образца пучком рентгеновского излучения с уменьшенной длиной волны и расходимостью.

Поставленная цель достигается тем/ что в сканирующем рентгеновском микроскопе с линейчатым растром/ содержащем источник электронов/ устройство фокусировки и отклонения электронного луча/ тонкопленочную мишень/ направляющую рентгеновское излучение структуру/ систему детектирования рентгеновского излучения/ мишень нанесена на гладкую подложку из материала/ сильно поглощающего рентгеновское излучение/ и расположена перпендикулярно пучку электронов/ направляющая рентгеновское излучение структура выполнена последовательным нанесением на подложку мишени чередующихся слоев материала/ один из которых пропускают характеристическое рентгеновское излучение атомов мишени/ а другие полностью отражают его при скользящих углах падения/ меньших критического/ длина структуры L в направлении параллельном плоскости подложки выбрана из соотношения: k^-_o¹< L< k^-_п¹, чередующиеся слои структуры выполнены из материалов/ электронная плотность которых выбрана из соотношения: ρ_o-ρ_п> ρ_м, где k_o,k_п-показатели ослабления характеристического рентгеновского излучения атомов мишени материалом отражающего и пропускающего слоев соответственно/ ρ_o, ρ_п, ρ_м-объемная электронная плотность материала отражающего слоя/ пропускающего слоя/ мишени соответственно.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает/ что в предлагаемом устройстве применена направляющая рентгеновское излучение структура с уменьшенным размером канала/ пропускающего рентгеновское излучение. Это уменьшение достигнуто за счет того/ что структура выполнена последовательным нанесением пропускающих и отражающих слоев на подложку. Уменьшение толщины пропускающего рентгеновское излечение слоя обеспечивает уменьшение шага сканирования образца рентгеновским пучком.

Несмотря на то/ что явления полного внешнего отражения и выхода рентгеновского излучения из образца при малых углах скольжения известны/ расположение отражающих слоев направляющей рентгеновское излучение структуры в плоскости/ параллельной плоскости мишени/ позволило не только решить задачу о направлении рентгеновского излучения в выделенную группу каналов структуры путем сканирования электронного пучка по поверхности мишени/ но и сформировать веерный пучок с уменьшенной угловой расходимостью в направлении перпендикулярном плоскости подложки.

На фиг.1 показана структурная схема рентгеновского сканирующего микроскопа/ содержащего электронную пушку 1/ устройство отклонения и фокусировки электронного луча 2/ тонкопленочную мишень 3/ направляющую рентгеновское излучение структуру 4/ которые размещены на подложке 5/ поглотитель рентгеновских лучей 6/ кристалл-монохроматор 7/ одномерную матрицу детекторов рентгеновского излучения 8/ 9 и 10 - отражающие и пропускающие слой структуры/ 11/ 12 - некоторые возможные траектории рентгеновских лучей/ 13 - просвечиваемый объект; на фиг.2 - вид микроскопа со стороны падения электронного луча/ 14 - линия/ по которой перемещается фокусное пятно электронного луча/ 15 - траектории рентгеновских лучей; на фиг.3 цифрами 16/ 17/ 18 показаны траектории рентгеновских лучей/ выходящих из мишени 3/ расположенной на подложке 5. Мишень облучается электронным пучком 1. Цифрами 19 и 20 показаны соответственно отражающие и пропускающие слои структуры; на фиг.4 кривой 1 показана угловая зависимость выхода фотонов K_α- серии атома серебра из серебряной мишени/ а кривой 2 - угловая зависимость коэффициента отражения фотонов K_α- серии атома серебра границей раздела слоев алюминий-тантал.

Основные функции/ выполняемые каждым из структурных компонентов микроскопа заключены в следующем. Электронная пушка/ устройство отклонения и фокусировки электронного луча обеспечивают попадание электронов в требуемую точку на поверхности мишени. Мишень с гладкой поверхностью служит для генерации рентгеновского излучения. Многослойная структура пропускает рентгеновское излучение/ попадающее на границу раздела через торцевую часть под углом меньше критического и эффективно поглощает излучение/ попадающее на границу раздела под углом больше критического. Подложка служит основой для нанесения тонкопленочной мишени и направляющей рентгеновское излучение структуры/ отводит тепло. Она обеспечивает расположение отражающих плоскостей структуры в плоскости/ параллельной плоскости мишени. Поглотитель рентгеновских лучей поглощает рентгеновские лучи/ выходящие через верхний слой структуры. Кристалл-монохроматор отражает фотоны характеристического рентгеновского излучения атомов мишени. Одномерная матрица детекторов регистрирует число квантов/ прошедших через ту или иную часть образца.

Сканирующий рентгеновский микроскоп работает следующим образом. На мишень для генерации рентгеновского излучения направляют пучок электронов с энергией/ например/ 40 кэВ. Мишень выполнена из серебра и нанесена на подложку из германия. Поверхность подложки выполнена гладкой. Толщина слоя серебра выбрана равной 1000 . На подложку мишени и вплотную к ней нанесена многослойная структура/ состоящая из чередующихся слоев алюминия и тантала. Слой алюминия пропускает характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ) атомов мишени/ слой тантала полностью отражает ХРИ атомов мишени при углах скольжения меньше критического. Толщина слоев алюминия выбрана равной 600 / тантала 300 . Энергия фотонов К_α серии ХРИ атомов серебра равна 22/2 кэВ. Пробег этих фотонов в тантале равен 14 мкм/ в алюминии 1430 мкм/ в германии 55 мкм. Длина структуры в направлении распространения излучения выбрана равной 1000 мкм. Число слоев структуры не ограничено и выбрано равным 500. Из-за преломления на границе раздела мишень-вакуум рентгеновские фотоны выходят из мишени/ как это показано на фиг.3/ в основном под углом/ большим Θ_км/ где Θ_км- критический угол полного внешнего отражения квантов от границы раздела вакуум-мишень. Угловая зависимость выхода фотонов К_α серии ХРИ атомов серебра из серебра показана кривой 1 на фиг.4. Расчет проводился по известной методике.

Фотоны/ траектории которых показаны цифрами 16/ 17/ 18 на фиг.3 попадают на торцевую часть структуры. На фиг.4 кривой 2 показана зависимость коэффициента отражения фотонов К_α серии ХРИ атомов серебра границей раздела слоев алюминий-тантал от угла скольжения фотонов. Излучение эффективно отражается при углах скольжения/ меньших Θ_кс/где Θ_кс- критический угол полного внешнего отражения излучения границей пропускающего и отражающего слоев. Та часть излучения/ которая попадает в пропускающий канал (каналы) под углом скольжения Θ из интервала Θ_км<Θ<Θ_кс/ захватывается каналом/ распространяется в нем/ последовательно отражаясь от соседних слоев из тяжелого материала и попадает на просвечиваемый образец. Необходимо выполнение условия Θ_кс>Θ_кмили равносильного ρ_o-ρ_п>ρ_м/где ρ_o,ρ_п,ρ_м- объемные электронные плотности материалов отражающего слоя/ пропускающего слоя/ мишени соответственно. Таким образом формируются веерные пучки рентгеновского излучения/ распространяющиеся вдоль одного (нескольких) канала с уменьшенной угловой расходимостью в направлении перпендикулярном плоскости подложки.

Сканирование образца рентгеновским пучком в направлении/ перпендикулярном плоскости подложки/ осуществляется путем перемещения электронного луча по поверхности мишени вдоль линии/ показанной на фиг.2. Электронный пучок фокусируется в точку размером/ например/ 1·1 мкм². Расстояние у (фиг. 3)/ на котором рентгеновские лучи пересекают торцевую часть направляющей рентгеновское излучение структуры связано с тем расстоянием х/ на которое точка попадания электронного луча отстоит от торцевой части структуры/ как y= x·Θ_км. При x = 1000 мкм y = 1000 мкм·3·10^-3рад = 3 мкм.Размер торцевой части/ на которую фокусируется захватываемой структурой пучок δy=x·(Θ_кс-Θ_км)= = 1000мкм ·3·10^-4=0,3мкм.При x = 10000 мкм/ y = 30 мкм/ δy = = 3 мкм.

Разрешение микроскопа в направлении параллельном плоскости подложки/ зависит/ как и его увеличение/ от размеров фокусного пятна электронного луча/ расстояния от фокусного пятна до объекта исследования/ расстояния от объекта до детектора/ размеров одной ячейки матрицы детекторов и определяется известным способом.

Заявленная геометрия расположения мишень-структура (в одной плоскости) позволяет использовать для возбуждения рентгеновского излучения пучки электронов с энергией 40-100 кэВ и выше. Это обеспечивается возможностью осуществления эффективного отвода тепла от подложки.

Использование кристалла-монохроматора в описанной конструкции позволяет ослабить тормозной фон и увеличить отношение сигнал/шум.

Предлагаемый рентгеновский сканирующий микроскоп прост в изготовлении и не требует сложной юстировки рентгенооптической системы.

Формула изобретения

СКАНИРУЮЩИЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП С ЛИНЕЙЧАТЫМ РАСТРОМ, содержащий источник электронов, устройство фокусировки и отклонения электронного луча, тонкопленочную мишень для генерации рентгеновского излучения, формирущую рентгеновские пучки структуру и систему детектирования рентгеновского излучения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности обнаружения объектов субмикронных размеров, мишень нанесена на подложку из материала, поглощающего рентгеновское излучение, генерируемое мишенью, и расположена перпендикулярно пучку электронов, а формирующая рентгеновские пучки структура выполнена в виде чередующихся микронных слоев материалов, один из которых пропускает характеристическое рентгеновское излучение мишени, а другой - отражает его при скользящих углах падения, нанесенных на ту же подложку, что и мишень, рядом с ней, причем длина L структуры в направлении распространения рентгеновского пучка, параллельном плоскости подложки, выбрана из условия K_o^-1 < L < K_n^-1 , чередующиеся слои структуры выполнены из материалов, электронная плотность которых отвечает соотношению ρ_o- ρ_n> ρ_м , где K_о, K_n - коэффициенты ослабления характеристического рентгеновского излучения атомов мишени материалом отражающего и пропускающего слоев соответственно, ρ_o , ρ_n , ρ_м - объемная электронная плотность материалов отражающего слоя, пропускающего слоя и мишени соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4