Устройство для фокусировки рентгеновского излучения

 

Предложено устройство для фокусировки рентгеновского излучения, содержащее 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^o и каждое зеркало снабжено индивидуальным механизмом консольного крепления для изгиба зеркала. Зеркала выполнены в виде пластинок постоянной толщины, при этом ширина пластинок меняется по закону, описываемому приведенной в описании патента системой уравнений. Указанное выполнение зеркал позволяет получить форму упругоизогнутой поверхности зеркала, описываемую уравнением логарифмической спирали. 3 ил.

Изобретение относится к научному приборостроению, конкретнее к средствам для фокусировки рентгеновского излучения, применяемым в рентгеноструктурном анализе.

Известно устройство для фокусировки рентгеновского излучения [Franks A. // Proc. Phys. Soc. 1955, V, B 68, P 1054] содержащее основание и два корпуса, размещенные на нем друг за другом по оси пучка рентгеновского излучения. В каждом корпусе установлено зеркало и механизм его четырехточечного изгиба, включающий пару подвижных опор, пару неподвижных опор и нажимной элемент. При этом зеркала и их механизмы изгиба повернуты вокруг общей оси корпусов друг относительно друга на 90^o.

Недостатком этого устройства является его невысокая светосила.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для фокусировки рентгеновского излучения (авт. св. СССР N 1324072 Устройство для фокусировки рентгеновского излучения Корнев А.Н. Голуб Ю.В. Циглер И.Н. Михайлов А.М. // БИ. 1987, N 26, c. 231 (Прототип)), содержащее основание и два корпуса, размещенные на нем друг за другом по оси пучка рентгеновского излучения. В каждом корпусе симметрично установлены пары зеркал, и механизмы их изгиба, включающие расположенные между зеркалами две неподвижные опоры с расчетными диаметрами, зависящими от расстояния между источником рентгеновского излучения и приемником, а также от положения опоры относительно источника, две подвижные опоры и нажимные элементы. Изогнутые зеркала приобретают форму боковых поверхностей прямых эллиптических цилиндров, в совпадающих фокусах которых находятся центр фокального пятна источника рентгеновского излучения и центр приемника.

К недостаткам этого устройства относятся: высокие точностные требования, предъявляемые при изготовлении неподвижных опор; сложность перефокусировки устройства при изменении расстояния между источником рентгеновского излучения и приемником. Для проведения такой перефокусировки необходимо изготавливать новые неподвижные опоры с другими диаметрами; невысокое качество изображения, ограниченное аберрациями, присущими принятой рентгенооптической схеме устройства. Наибольшее влияние на качество оказывает кома.

Цель предлагаемого технического решения упрощение перефокусировки устройства при изменении расстояния между источником и приемником рентгеновского излучения, а также улучшение качества изображения, создаваемого оптической системой за счет уменьшения аберраций системы, в частности комы.

Поставленная цель достигается тем, что каждое из зеркал, стоящих в корпусах, установленных на одном основании друг за другом по оптической оси, дополнительно снабжается механизмом консольного изгиба, установленным в корпусе с возможностью поворота вокруг оси, параллельной отражающей поверхности недеформированного зеркала, и с возможностью поступательного перемещения вдоль оси, перпендикулярной этой поверхности.

Кроме того, зеркала выполнены в виде пластинок постоянной толщины, в основании которых лежат осесимметричные трапеции с криволинейными боковыми сторонами, а ось симметрии трапеции параллельна оси пучка рентгеновского излучения.

Зависимость между шириной b(x) поперечного сечения зеркала и расстоянием x от этого сечения до места крепления зеркала в механизме его консольного изгиба описывается системой уравнений: где b(x) ширина, (мм), поперечного сечения зеркала на расстоянии x, (мм), от места его крепления в механизме консольного изгиба; P сосредоточенная нагрузка, (H), приложенная к зеркалу в точке, ближайшей к источнику рентгеновского излучения, например 100 Н; L расстояние, (мм), от центра фокального пятна источника рентгеновского излучения до центра приемника, выбирается конструктивно, например 340 мм; Θ_c критический угол, (рад), полного внешнего отражения рентгеновского излучения от зеркала, зависящий от плотности материала отражающего покрытия зеркала и длины волны излучения, эти величины определяются конструктором, например, материал покрытия золото, плотность μ = 19,3 г/см длина волны излучения λ = 0,154 нм., Θ_c= 34,4ʹ или 0,01 рад; ϕ угол, (рад), между радиусом-вектором, проведенным из центра приемника рентгеновского излучения к точке зеркала, удаленной от места его крепления в механизме консольного изгиба на расстояние x (мм), и осью пучка рентгеновского излучения;
E модуль упругости материала зеркала, (Н/мм²), для стекла марки К8 модуль упругости, например, составляет 82300 Н/мм².

h толщина зеркала, (мм), выбирается из конструктивных или технологических соображений, например, для зеркала шириной 20 мм и длиной 100 мм толщина выбирается равной 4 мм.

x₂ абсцисса, (мм), точки зеркала, наиболее удаленной от источника рентгеновского излучения.

Снабжение каждого из зеркал механизмом консольного изгиба, установленным в корпусе с возможностью поворота вокруг оси, параллельной отражающей поверхности недеформированного зеркала, и с возможностью поступательного перемещения вдоль оси, перпендикулярной этой поверхности, позволяет в процессе перефокусировки устройства при изменении расстояния между источником рентгеновского излучения и приемником за счет взаимных поворотов изогнутых зеркал и их поступательного перемещения установить их отражающие поверхности в такое положение, при котором лучи, идущие из центра источника, отразятся от поверхности зеркал и попадут в центр приемника, образовав на нем изображение фокального пятна источника. Благодаря консольной схеме нагружения зеркал отпадает необходимость в двух неподвижных опорах, расположенных между зеркалами, что упрощает перефокусировку устройства.

Выполнение зеркал в виде пластиной постоянной толщины, в основании которых лежат осесимметричные трапеции с криволинейными боковыми сторонами, с осью симметрии, параллельной оси пучка рентгеновского излучения, и с зависимостью между шириной поперечного сечения и расстоянием от этого сечения до места крепления зеркала в механизме его консольного изгиба, описываемой системой уравнений (1) и (2), позволяет получить форму упругоизогнутой поверхности зеркала, описываемую уравнением логарифмической спирали: r = a exp(kϕ),
где ρ текущий радиус-вектор, (мм), точки в полярной системе координат;
a константа, (мм), зависящая от расстояния между источником рентгеновского излучения и приемником;
k безразмерная константа, зависящая от угла q_o
ϕ текущий угол точки в полярной системе координат.

Придание деформированной поверхности зеркала формы, описываемой уравнением логарифмической спирали, позволяет уменьшить суммарные аберрации устройства за счет уменьшения комы, что вытекает из оптических свойств логарифмической спирали (пучок лучей, падающий из источника, имеющего конечные поперечные линейные размеры, на зеркало, точки которого лежат на этой математической кривой, отражается в точку, совпадающую с ее фокусом).

На фиг. 1 проиллюстрирован процесс нахождения зависимости между шириной поперечного зеркала и расстоянием от этого сечения до места крепления зеркала в механизме его консольного изгиба.

Нахождение зависимости осуществляется следующим образом:
1. По принятым из конструктивных соображений длине волны l рентгеновского излучения и плотности материала отражающей поверхности зеркала m определяют предельный угол полного внешнего отражения q_c.

2. Совмещают при построении центр полярной системы ρ, ϕ, координат с центром приемника рентгеновского излучения. Учитывая свойство логарифмической спирали, заключающееся в том, что все радиусы-векторы ρ образуют с касательными одинаковый угол q причем tgΘ = 1/k определяют константы логарифмической спирали k и a, при Θ = Θ_c, L=2a cosϕ и ϕ = -Θ_c:

где L расстояние между центром источника рентгеновского излучения и центром приемника.

3. Совместив центры декартовой XV и полярной ρ, ϕ систем координат, по принятым из конструктивных соображений длине зеркала I_m и расстоянию вдоль оси X от центра фокального пятна источника рентгеновского излучения до ближайшей к источнику точки зеркала s₁ определяют координаты x₁, x₂ и углы v₁, ϕ₂ между радиусом-вектором ρ и осью пучка рентгеновского излучения в ближайшей и наиболее удаленной от источника точках 1 и 2 зеркала:
x₁=L-s₁ (5)
x₂=L-l_m-s₁ (6)
Углы v₁ и ϕ₂ вычисляются методом последовательных приближений из решения уравнения:
x_i= a exp(kϕ_i)cosϕ_i (7)
4) По найденным углам ϕ₁ и ϕ₂ определяют ординаты y₁ и y₂ точек 1 и 2 зеркала и величину прогиба зеркала Δy = y₁-y₂.

y_i= a exp(kϕ_i)sinϕ_i (8)
5) По найденному значению величины максимального прогиба зеркала Δy из решения дифференциального уравнения упругой линии консольно нагруженного зеркала определяют величину сосредоточенной нагрузки P, приложенной в точке 1, принимая в первом приближении, что зеркало имеет постоянную ширину b₀ (толщина зеркала h и ширина зеркала b₀ задаются из конструктивных или технологических соображений):
P = 3ΔyEb_oh²/(12l³_m) (9)
6) Приравнивая вторые производные

для логарифмической спирали и y''= 12P x/(Eb(x) h²) упругой линии консольно нагруженного зеркала, находят окончательную зависимость между шириной b(x) поперечного сечения зеркала и расстоянием от этого сечения до места крепления зеркала в механизме его консольного изгиба, т.е. расстоянием до точки 2:

Определения всех используемых переменных и констант приведены выше.

7) Получение значения ширины поперечного сечения b(x) для проверки правильности решения (14) подставляют в уравнение (11) упругой линии консольно нагруженного зеркала и решают его численными методами в интервале абсцисс x₁.x₂, получая профиль деформированного зеркала y(x).

Устройство для фокусировки рентгеновского излучения иллюстрируется следующими графическими материалами:
На фиг. 1 изображена схема, иллюстрирующая определение зависимости между шириной поперечного сечения и расстоянием от этого сечения до места закрепления зеркала.

На фиг. 2 изображена рентгенооптическая схема предлагаемого устройства.

На фиг. 3 схематично изображено предлагаемое устройство, общий вид, один из корпусов устройства изображен в разрезе, фронтальная проекция.

Рентгенооптическая схема состоит из источника рентгеновского излучения (1), двух горизонтальных зеркал (2), двух вертикальных зеркал (3), исследуемого объекта (4), приемника рентгеновского излучения (5) и заглушек (6) первичного пучка.

Предлагаемое устройство состоит из основания (7), на котором установлены два одинаковых корпуса (8). В каждом корпусе расположены два зеркала, закрепленных в механизмах консольного изгиба, состоящих из оправы (9), прижимов (10), упругих передаточных элементов (11) и нажимных винтов (12).

Оправа установлена в корпусе при помощи устройства поворота (13), имеющего регулировочный винт (14), и устройства поступательного перемещения (15) с регулировочным винтом (16).

Устройство для фокусировки рентгеновского излучения работает следующим образом:
При приложении нагрузки от нажимных винтов (12) через упругие передаточные элементы (11) к зеркалу (2) или (3), закрепленному в оправе (9) с помощью прижимов (10), на зеркале возникает момент сил, который приводит к его деформации, в результате чего отражающая поверхность зеркала приобретает форму боковой поверхности прямого цилиндра, в основании которого лежит логарифмическая спираль. Деформированные зеркала (2) или (3) с помощью регулировочных винтов (14) и (16) механизмов поворота (13) и поступательного перемещения (15), приводятся в положение, при котором обеспечивается фокусировка излучения источника (1) на приемник (5). Для устранения первичного пучка, не претерпевшего отражений от поверхности зеркал (2) и (3), используются заглушки (6). Механизмы поворота (13) и поступательного перемещения (15) могут использоваться независимо друг от друга для приведения каждого из зеркал (2) или (3) в необходимое положение, что позволяет упростить юстировку прибора и легко перестраивать систему на различные расстояния L между источником (1) и приемником (5) рентгеновского излучения.

Формула изобретения

Устройство для фокусировки рентгеновского излучения, содержащее основание и два корпуса, размещенные на нем друг за другом по оси пучка рентгеновского излучения, в каждом из которых установлены симметрично оси пучка пары зеркал, при этом пары зеркал повернуты друг относительно друга вокруг оси пучка на 90^o, отличающееся тем, что каждое из зеркал снабжено механизмом консольного крепления для его изгиба, установленным в корпусе с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и проходящей через место консольного крепления зеркала, с возможностью поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном поверхности зеркала, каждое зеркало выполнено в виде пластины постоянной толщины, при этом зависимость между шириной пластина в ее поперечном сечении и расстоянием от этого сечения до места крепления пластины в механизме его консольного крепления описывается системой уравнений


где b (x) ширина поперечного сечения пластины на расстоянии х от места ее крепления в механизме консольного изгиба, мм;
Р сосредоточенная нагрузка, приложенная к зеркалу в точке, ближайшей к источнику рентгеновского излучения, Н;
L расстояние от центра фокального пятна источника рентгеновского излучения до центра приемника, мм;
Θ_c критический угол полного внешнего отражения рентгеновского излучения от зеркала, рад;
ϕ угол между радиусом-вектором, приведенным из центра приемника рентгеновского излучения к точке зеркала, удаленной от места его крепления в механизме консольного изгиба на расстояние х, и осью пучка рентгеновского излучения, рад;
Е модуль упругости материала зеркала, Н/мм²;
h толщина пластины, мм;
k₂ абсцисса точки зеркала, наиболее удаленной от источника рентгеновского излучения, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3