Устройство для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц и способ его изготовления (варианты)

 

Использование: для фокусирования, формирования квазипараллельного пучка из расходящегося, поворота квазипараллельного пучка и др. Обеспечивает повышение точности размещения каналообразующих элементов при упрощении технологии изготовления устройства, уменьшение потерь энергии излучения, улучшение качества фокусировки или степени параллельности преобразуемого пучка. Сущность изобретения: устройство имеет множество каналообразующих элементов 10 (моно- или поликапилляров), поддерживаемых разделительными элементами нескольких установленных по его длине опорных структур. Каждая из опорных структур содержит набор параллельных друг другу разделительных элементов 5, ориентированных по нормали к оптической оси устройства. Разделительные элементы выполнены в виде отрезков проволоки или металлических полосок, причем элементы ближайших друг к другу опорных структур ориентированы взаимно перпендикулярно. Способ изготовления устройства по обоим вариантам включает взаимное размещение предварительно изготовленных каналообразующих и разделительных элементов, формирование из последних опорных структур, фиксацию каналообразующих элементов и совокупностей разделительных элементов, образующих опорные структуры, для придания оптической системе требуемой формы. При формировании опорных структур разделительные элементы ориентируют параллельно друг другу и перпендикулярно оптической оси. Разделительные элементы ближайших друг к другу опорных структур ориентируют взаимно перпендикулярно. По первому варианту каналообразующие элементы поочередно проталкивают через промежутки между разделительными элементами каждой из опорных структур. По второму варианту, наоборот, проталкивают разделительные элементы между каналообразующими элементами, предварительно уложенными вдоль оптической оси изготавливаемого устройства. 3 с. и 36 з.п.ф-лы, 10 ил. "O

Изобретение относится к области технической физики, а именно к устройству для преобразования (фокусирования, поворота и др.) пучков гамма- и рентгеновских фотонов, нейтронов, заряженных частиц, ультрафиолетового, инфракрасного излучения и способам его изготовления.

Известны устройства для управления пучками нейтральных или заряженных частиц, основанные на использовании явлений интерференции и дифракции, такие как зонные пластинки Френеля, кристаллы, многослойные зеркала [1]. Эти устройства весьма селективны, так как выбирают из широкого пучка малую его часть.

Известны также устройства, основанные на использовании одно- и двукратного отражения [2] . При использовании таких устройств невозможно добиться большой концентрации излучения и большого угла поворота.

Эти ограничения устранены в устройствах, использующих многократное отражение.

В частности, известно устройство для преобразования пучков излучения с помощью многократного отражения в системе изогнутых капилляров [3]. Недостатком такого устройства является значительное ослабление излучения, обусловленное неточностями расположения каналов-капилляров при изготовлении устройства, а также относительно узкая спектральная полоса, обусловленная использованием капилляров, диаметр которых превышает оптимальный поперечный размер каналов. Попытка использовать капилляры меньшего диметра в данной конструкции наталкивается на значительные инженерные трудности.

В известном устройстве по патенту [4] эти недостатки частично устранены благодаря применению опорных структур, представляющих собой расположенные на определенном расстоянии друг от друга по длине устройства диски с отверстиями, через которые пропущены каналообразующие элементы - стеклянные моно- или поликапилляры. Данное и подобные ему устройства получили название линз (когда излучение фокусируется из точки в точку) или полулинз (когда расходящееся излучение трансформируется в квазипараллельное). Оптическая система такого устройства напоминает по форме бочку или полубочку и получила название соответственно линзы или полулинзы. Системы, выполненные из монокапилляров, известны как линзы (полулинзы) первого поколения, а выполненные из поликапилляров - как линзы (полулинзы) второго поколения.

Способ изготовления такого устройства, требующий выполнения огромного количества отверстий и последовательного пропускания каждого из нескольких тысяч моно- или поликапилляров через отверстия, принадлежащие каждому из дисков (которых должно быть не менее 5 - 6) и расположенные в каждом диске по-разному, чрезвычайно трудоемок, дорог и длителен.

Кроме того, названным конструкции и способу присущи недостатки, приводящие к невозможности обеспечить желаемую точность фокусировки излучения или формирования квазипараллельного пучка. Это обусловлено тем, что минимальное расстояние между отверстиями диска трудно получить менее 50 мкм. Неточность расположения центра отверстия на лучших современных станках достигает 5 мкм. Крайне сложным является контроль положения этих отверстий. Кроме того, сама форма отверстий может быть только круглой, что весьма ограничивает технологию. Обычно неточность наружного диаметра каналообразующего элемента (моно- или поликапилляра) на длине около 20 см достигает 10 - 20 мкм. Поскольку диаметр отверстий должен быть не менее самого большого диаметра каналообразующего элемента в используемой партии, это приводит к искажению ориентации капилляров и соответственно к ухудшению трансмиссии и другим нежелательным последствиям. При последовательном пропускании через ряд отверстий каждого из моно- или поликапилляров возможно повреждение их концов, что тоже снижает качественные показатели изготовленного устройства. Все опорные диски должны быть выставлены очень точно по отношению к оси оптической системы. Контроль точности выставки также является сложной задачей.

В патенте [4] описано и другое устройство, наиболее близкое к предлагаемому. Оно тоже содержит совокупность каналообразующих элементов в виде стеклянных моно- или поликапилляров и несколько опорных структур, расположенных по длине устройства. Опорные структуры выполнены в виде наборов разделительных элементов, расположенных в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, и представляющих собой прилегающие друг к другу пластины с параллельными краями, по одному из которых выполнены углубления, служащие для размещения каналообразующих элементов. Каждый набор разделительных элементов выполняет такую же роль, как и опорный диск в описанной выше конструкции.

Технология изготовления подобного устройства в указанном патенте [4] не описана, но следует представить, что она может включать предварительное изготовление каналообразующих и разделительных элементов, сборку из последних соответствующих структур, установку их в требуемых местах вдоль оптической оси изготавливаемого устройства и последующее пропускание моно- или поликапилляров через отверстия, образованные углублениями каждого из разделительных элементов и прилегающих к нему краем соседнего элемента.

Такой конструкции и возможному способу ее изготовления присущи основные недостатки описанных выше устройства и способа, так как не исключены факторы, обусловливающие трудоемкость изготовления и отмеченные причины снижения показателей качества изготовленного устройства.

Предлагаемыми изобретениями, относящимися к устройству для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц и способу его изготовления, представленному двумя вариантами, решается задача получения технического результата, заключающегося в повышении точности размещения каналообразующих элементов и упрощении технологии изготовления устройства. Следствиями первого из указанных видов технического результата являются уменьшение потерь энергии излучения, улучшение качества фокусировки или степени параллельности преобразуемого пучка частиц, расширение диапазона используемых энергий частиц в сторону больших значений; следствием второго из названных результатов является сокращение времени изготовления, трудоемкости и стоимости устройства. Кроме того, обеспечивается достижение других видов технического результата в описываемых ниже различных частных случаях осуществления изобретений, возможность реализации которых появляется или облегчается благодаря использованию предлагаемого принципа конструктивного решения устройства.

Предлагаемое устройство для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц, как и наиболее близкое к нему известное по патенту [4], имеет множество каналообразующих элементов, поддерживаемых разделительными элементами нескольких установленных по длине устройства опорных структур, при этом каждая из опорных структур содержит набор параллельных друг другу разделительных элементов, ориентированных по нормали к оптической оси устройства.

В отличие от указанного известного в предлагаемом устройстве разделительные элементы выполнены в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями, плоскости которых параллельны оптической оси устройства, причем разделительные элементы ближайших друг к другу опорных структур ориентированы взаимно перпендикулярно.

Разделительные элементы предпочтительно выполнять из проволоки или металлических полосок, натянутых выше предела упругости, но ниже предела текучести металла, из которого они изготовлены. Это облегчает процесс сборки и повышает точность изготовления опорных структур благодаря тому, что такие проволока или полоски становятся прямыми, жесткими и имеют стабильный диаметр (толщину) по длине.

Для обеспечения жесткости конструкции концы отрезков проволоки или металлических полосок могут быть приклеены к каналообразующим элементам, принадлежащим поверхностному слою образуемой ими оптической системы.

Пространство между каналообразующими элементами и между разделительными элементами опорных структур может быть, кроме того, заполнено компаундом, благодаря чему обеспечивается большая жесткость конструкции.

Жесткость конструкции может быть обеспечена также путем выполнения опорных структур в виде рамок, на противоположных сторонах которых закреплены концы разделительных элементов, а рамки прикреплены к продольным направляющим, образующим каркас оптической системы.

В частном случае ближайшие друг к другу опорные структуры образуют пары, имеющие общую рамку, с расположением разделительных элементов одной из опорных структур данной пары на минимальном расстоянии от перпендикулярных им разделительных элементов второй опорной структуры той же пары.

При этом крепление по меньшей мере одной из рамок может быть выполнено с возможностью регулирования ее положения на направляющих и фиксации в выбранном положении. Такое выполнение обеспечивает возможность подстройки оптических параметров устройства, в частности фокусного расстояния.

Указанная возможность реализуется, в частности при выполнении наиболее удаленных от оптической оси устройства частей поверхности направляющих как частей одной и той же цилиндрической резьбовой поверхности с размещенной на последней гайкой, к которой с зазором прикреплено соосное с нею кольцо. Рамка в угловых частях, находящихся в зазоре между гайкой и кольцом, имеет отверстия или вырезы по форме поперечного сечения направляющих, которыми она надета на последние.

При наличии в конструкции предлагаемого устройства направляющих, к которым прикреплены рамки опорных структур, в том числе и при креплении одной или нескольких из них с возможностью регулирования положения в продольном направлении, тоже возможно заполнение компаундом пространства между каналообразующими элементами и между разделительными элементами опорных структур.

Отрезки проволоки, из которых выполнены разделительные элементы, принадлежащие одной и той же опорной структуре, могут быть выполнены с диаметром, изменяющимся по мере удаления разделительного элемента от оптической оси устройства, при этом диаметры разделительных элементов опорных структур, находящихся в разных местах вдоль оптической оси устройства, также различны. Аналогично при выполнении разделительных элементов из металлических полосок последние могут иметь толщину, изменяющуюся по мере удаления разделительного элемента от оптической оси устройства, при этом толщины разделительных элементов опорных структур, находящихся в разных местах вдоль оптической оси устройства, также различны. В обоих этих случаях обеспечивается возможность получения оптической системы требуемой формы при выполнении всех опорных структур с одинаковым количеством разделительных элементов, так как диаметрами (толщинами) последних определяются расстояния между соседними каналообразующими элементами, а изменение этих расстояний вдоль оптической оси определяет форму оптической системы.

В частном случае диаметры (толщины) разделительных элементов уменьшается по мере удаления их от оптической оси устройства с одновременным уменьшением расстояния между ними и соответствующим уменьшением диаметров каналообразующих элементов.

В другом частном случае диаметр (толщина) разделительных элементов опорных структур по мере их удаления от оптической оси устройства уменьшается с сохранением без изменения или увеличением расстояния между ними и использованием вблизи оптической оси устройства каналообразующих элементов в виде монокапилляров, а в средней части и на периферии - в виде поликапилляров, при этом поликапилляры, более удаленные от оптической оси устройства, имеют меньший внутренний диаметр.

В обоих этих частных случаях обеспечивается дополнительное увеличение коэффициента передачи устройства для транспортируемого излучения с высокими энергиями частиц.

Для того чтобы каналы транспортировки на одном из концов оптической оси устройства были параллельны друг другу, на этом конце может быть установлено несколько пар опорных структур с одинаковыми и одинаково расположенными разделительными элементами.

На одном или обоих концах оптической оси устройства каналообразующие элементы могут быть уложены вплотную друг к другу, что обеспечивает наилучшее использование площади поперечного сечения для транспортировки излучения.

Уложенные вплотную друг к другу на одном или обоих концах оптической оси устройства каналообразующие элементы могут быть зажаты в рамки.

Оба варианта предлагаемого способа изготовления устройства для преобразования пучков нейтральных и заряженных частиц предусматривают как и известный способ изготовления устройства по патенту [4] операции по взаимному размещению предварительно изготовленных каналообразующих и разделительных элементов, формирование из последних опорных структур и фиксацию каналообразующих элементов и совокупностей разделительных элементов, образующих опорные структуры, для придания оптической системе требуемой формы.

В предлагаемом способе по первому варианту в отличие от известного опорные структуры формируют из разделительных элементов в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями, которые ориентируют параллельно друг другу и перпендикулярно оптической оси изготавливаемого устройства. Кроме того, плоскости металлических полосок ориентируют параллельно будущей оптической оси устройства. При этом разделительные элементы ближайших друг к другу опорных структур ориентируют взаимно перпендикулярно, на каналообразующие элементы последовательно проталкивают через находящиеся а требуемом расстоянии от оптической оси промежутки между разделительными элементами всех опорных структур.

В предлагаемом способе по второму варианту, наоборот, формирование опорных структур осуществляют путем проталкивания между каналообразующими элементами, предварительно размещенными вдоль будущей оптической оси изготавливаемого устройства, разделительных элементов в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями. При этом разделительные элементы одной и той же опорной структуры ориентируют параллельно друг другу и размещают таким образом, чтобы промежутки между ними, в которых размещают каналообразующие элементы, для каждой из опорных структур находились на требуемом расстоянии от оптической оси устройства, причем разделительные элементы ближайших друг к другу опорных структур ориентируют взаимно перпендикулярно.

В одном из частных случаев изготовления устройства для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц по обоим вариантам предлагаемого способа при формировании опорных структур из разделительных элементов концы последних приклеивают к каналообразующим элементам, принадлежащим поверхностному слою образуемой ими оптической системы.

В еще одном из частных случаев выполнения предлагаемого способа по обоим вариантам при формировании опорных структур из разделительных элементов концы последних закрепляют на противоположных сторонах рамок, установленных на требуемых расстояниях друг от друга, и торцов оптической системы изготавливаемого устройства вдоль ее оптической оси.

При этом способ может включать операции крепления рамок к продольным направляющим, образующим каркас оптической системы.

Ближайшие друг к другу опорные структуры могут формироваться в виде пар, имеющих общую рамку, с расположением разделительных элементов одной из опорных структур данной пары на минимальном расстоянии от перпендикулярных им разделительных элементов второй опорной структуры той же пары.

В частном случае крепление по меньшей мере одной из рамок осуществляют с возможностью регулирования ее положения вдоль направляющих и фиксации в выбранном положении. Такое крепление обеспечивает возможность подстройки оптических параметров устройства, в частности фокусного расстояния.

В другом частном случае осуществления способа по обоим предлагаемым вариантам при формировании опорных структур из разделительных элементов в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями их концы закрепляют на противоположных сторонах рамок, являющихся элементами технологической оснастки.

Для дополнительного увеличения жесткости и прочности изготовляемого устройства после завершения взаимного размещения всех разделительных и каналообразующих элементов изготавливаемого устройства пространство между каналообразующими и разделительными элементами заполняют компаундом, а концы разделительных элементов, выступающие за сформированную после затвердевания компаунда наружную поверхность оптической системы устройства, обрезают.

Во всех частных случаях осуществления способа по обоим вариантам при выполнении разделительных элементов в виде отрезков проволоки или металлических полосок их целесообразно предварительно подвергать натяжению выше предела упругости, но ниже предела текучести металла, из которого она изготовлена. Это обеспечивает прямолинейность, жесткость разделительных элементов и постоянство их диаметра (толщины) по длине, что в свою очередь способствует повышению точности взаимного размещения каналообразующих элементов.

В обоих вариантах осуществления предлагаемого способа в частных случаях их реализации, предусматривающих крепление концов отрезков проволоки или металлических полосок, из которых формируют опорные структуры, к противоположным сторонам рамок, являющихся конструктивными элементами устройства, рамки могут быть установлены на продольных направляющих, образующих каркас оптической системы.

При этом в процессе сборки рамки одной или нескольких опорных структур закрепляют на указанных продольных направляющих с возможностью регулирования их положения вдоль оптической оси устройства. По окончании сборки посредством перемещения таких рамок вдоль оптической оси осуществляют настройку устройства, подавая излучение на один из торцов оптической системы и регистрируя распределение его интенсивности после выхода из другого торца. Возможность подстройки (перестройки) сохраняется и в изготовленном устройстве, если по окончании настройки рамки фиксируют с возможностью изменения в последующем их положения.

В тех случаях, когда ближайшие друг к другу опорные структуры группируют попарно и размещают на минимальном расстоянии друг от друга (вплоть до непосредственного касания отрезков проволоки или металлических полосок, из которых они сформированы), каналообразующие элементы (моно- или поликапилляры) оказываются размещенными в квадратной или прямоугольной сетке. Причем это - не тканая сетка, в которой каждый квадрат или прямоугольник образован перехлестывающимися в его углах нитями. Соседние слои ориентированных взаимно перпендикулярно отрезков проволоки или металлических полосок, образующих в проекции в направлении оптической оси устройства квадраты или прямоугольники, расположены рядом друг с другом свободно, жестко натянуты, но имеют достаточную гибкость для проталкивания через них капилляров и упругость для сохранения формы оптической системы даже без заполнения межкапиллярного пространства компаундом (когда их концы приклеены к каналообразующих элементов наружного слоя или закреплены на рамках, входящих в конструкцию устройства).

Предлагаемый способ в обоих вариантах его осуществления обеспечивает идеальное квадратное или прямоугольное отверстие, образуемое взаимно перпендикулярными разделительными элементами опорных структур, которое пригодно для капилляров с поперечным сечением различной формы, в частности круглой, квадратной, шестигранной.

Предлагаемый способ обеспечивает также нужное регулируемое соотношение прочности, жесткости и упругости решеток опорных структур путем выбора металла проволоки или полосок и подбора натяжения разделительных элементов при креплении их концов. Это позволяет устанавливать в указанных решетках капилляры с заданным полем допуска практически без зазоров.

Благодаря применению проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями обеспечивается отсутствие острых кромок у отверстий, через которые пропущены каналообразующие элементы. Это в свою очередь позволяет легко устанавливать капилляры в решетку опорной структуры в процессе сборки и снизить интенсивность процессов в месте контакта отрезков проволоки или полосок со стеклом капилляров в уже собранном устройстве. Площадь этого контакта ввиду круглого сечения проволоки и наличия скругленных краев у металлических полосок одинакова для всех капилляров, установленных в решетку опорной структуры, и зависит только от диаметра или толщины направляющих элементов (весьма стабильных в случае применения проволоки или металлических полосок, предварительно обработанных описанным выше образом).

На фиг. 1 показан каркас оптической системы; на фиг. 2 - вид с торца на каркас оптической системы; на фиг. 3 - фрагмент рамки с решеткой разделительных элементов в виде полосок; на фиг. 4 - конструкция узла перемещения рамки вдоль направляющих; на фиг. 5 - вид сбоку на оптическую систему устройства типа полулинзы; на фиг. 6 - вид сбоку на оптическую систему устройства типа линзы; на фиг. 7 - торец оптической системы с непостоянным периодом проволочной решетки; на фиг. 8 - пример устройства, в котором диаметр проволочных разделительных элементов непостоянен в пределах одной и той же опорной структуры; на фиг. 9 - пример устройства, в котором проволочные разделительные элементы с одинаковым расстоянием между ними принадлежат разным опорным структурам, расположенным в нескольких местах вдоль оптической оси; на фиг. 10 - пример устройства для поворота параллельного пучка излучения.

В частном случае выполнения предлагаемого устройства, иллюстрируемом фиг. 1 - 4, оптическая система расположена в каркасе, имеющем четыре продольные направляющие 1 (фиг. 1) в виде прямых стержней, жестко скрепленных друг с другом поперечными стержнями 2, расположенными в торцевых частях каркаса. В торцевых плоскостях, образованных указанными поперечными стержнями 2, размещены жестко скрепленные с направляющими 1 рамки-окна (фиг. 2, на которой показан вид на каркас с торца), размеры и форма которых подбираются так, что они плотно охватывают концы каналообразующих элементов оптической системы.

По длине каркаса, показанного на фиг. 1, расположено еще несколько прямоугольных рамок 4. Каждая такая рамка (фиг. 3) имеет решетку, образованную парой опорных систем из взаимно перпендикулярных разделительных элементов 5 в виде металлических полосок. Поясним, что применительно к полоскам имеется в виду взаимная перпендикулярность длинных сторон полосок, принадлежащих разным опорным системам данной пары (аналогично перпендикулярности отрезков проволоки в случае, когда разделительные элементы выполнены из таких отрезков); такие же стороны полосок одной и той же опорной системы параллельны друг другу, а плоскости полосок обеих опорных систем параллельны оптической оси устройства. Концы полосок закреплены на противоположных сторонах рамки 4 (на фиг. 3 рамка показана схематически, без верхней и правой стенок). Рамки с указанными решетками образуют совокупность опорных структур оптической системы устройства. Разделительные элементы 5 каждой из опорных структур данной пары находятся на минимально возможном (в направлении вдоль оптической оси) расстоянии от элементов другой структуры этой же пары.

В случае выполнения разделительных элементов из проволоки пары опорных структур имеют еще большее сходство с решеткой (сеткой). От сетки в общепринятом смысле ее отличает то, что в ней взаимно перпендикулярные отрезки проволоки в местах, где они контактируют, не переплетены друг с другом.

Заметим, что разделительные элементы могут быть выполнены и из неметаллических нитей. Проволочные разделительные элементы обладают преимуществами, вытекающими из описанных выше при раскрытии сущности изобретения свойств используемой проволоки, которые она приобретает в результате натяжения выше предела упругости, но ниже предела текучести металла. Эти же преимущества присущи разделительным элементам в виде металлических полосок. Последние предпочтительно применять при изготовлении устройства больших размеров, когда проволочные разделительные элементы не могут обеспечить достаточных жесткости и прочности конструкции. В этом случае, регулируя положение каналообразующих элементов подбором толщины полосок (аналогично тому, как это делается подбором диаметра отрезков проволоки), можно независимо регулировать жесткость и прочность, подбирая ширину полосок (под последней понимается их размер вдоль оптической оси устройства).

Наиболее удаленные от оптической оси устройства части 6 поверхности направляющих 1 выполнены как части одной и той же цилиндрической резьбовой поверхности (на фиг. 4,a одна из направляющих 1 показана вместе с угловой зоной рамки 4). Все направляющие охвачены круглой гайкой 7, к которой с зазором прикреплено соосное с нею кольцо (фиг. 4,б). Угловые части рамки 4, находящиеся в зазоре между гайкой 7 и кольцом 8, имеют отверстия или вырезы по форме поперечного сечения направляющих 1 (фиг. 4,а), которыми рамка надета на направляющие. При вращении гайки 7 по резьбе вместе с нею вращается и перемещается вдоль направляющих кольцо 8. В зависимости от направления вращения обращенные к рамке 4 поверхности гайки 7 или кольца 8 предают ей усилие в осевом направлении, что вызывает поступательное перемещение рамки 4 в этом направлении в желаемую сторону. Гайка 7 и кольцо 8 одновременно фиксируют рамку 4 в определенном положении на направляющих 1.

В данной конструкции простым вращением одной или нескольких гаек, приводящим к перемещению рамок с проволочными решетками, находящимися ближе к торцам оптической системы, достигаются изменение фокусного расстояния и размера фокусного пятна, а также оптимальные условия для трансмиссии благодаря тому, что при таком перемещении решеток вдоль изогнутых каналообразующих элементов меняется ориентация последних.

В том случае, когда для реализации возможности изменения фокусного расстояния оптической системы несколько рамок оставлены подвижными, размер рамки-окна на торце подбирается так, что между концами каналообразующих элементов остается некоторый зазор, так как без этого нельзя обеспечить упомянутое изменение ориентации каналообразующих элементов.

Каналообразующие элементы - стеклянные монокапилляры и/или поликапилляры - проходят вдоль оптической системы через отверстия, образованные пересечением взаимно перпендикулярных проволочных (или выполненных из металлических полосок) элементов решеток разных рамок.

На фиг. 5 показана схематически оптическая система - полулинза, переводящая расходящееся излучение в квазипараллельное. Если в качестве каналообразующих элементов 10 используются одинаковые по диаметру моно- или поликапилляры, то диаметр проволочных разделительных элементов в разных решетках в зависимости от положения, занимаемого ими на продольных направляющих 1, различен, как видно на фиг. 5. Этим изменением регулируется изгиб каналообразующих элементов и в конечном счете определяется внешняя геометрическая форма оптической системы.

При использовании предлагаемого устройства излучение подают на один из торцов оптической системы. Излучение попадает в каналы транспортировки каналообразующих элементов и, испытав в каждом из этих каналов многократное отражение, покидает оптическую систему, выходя из другого ее торца.

Пример фокусирующей оптической системы - линзы показан на фиг. 6.

В полулинзах иногда желательно получать на выходе однородное и интенсивное излучение. Это затруднено, так как в периферийных, т.е. удаленных от оси оптической системы каналах транспортировки, излучение испытывает большее число отражений и соответственно в этих каналах происходят большие потери интенсивности. Чтобы добиться однородности излучения на выходе при использовании каналообразующих элементов одинакового диаметра, период решетки, образуемой пересечениями проволочных разделительных элементов, должен уменьшаться по мере удаления от оптической оси, как схематически показано на фиг. 7. Это достигается использованием в одной и той же опорной структуре проволочных разделительных элементов 5 разного диаметра (фиг. 8). На периферии количество каналов транспортировки 10, приходящихся на единицу площади, больше, чем в центральной части оптической системы. Кроме того, внешние диаметры каналообразующих элементов могут быть выбраны уменьшающимися от оптической оси к периферии.

Описанные меры дают возможность более точно ориентировать концы каналов транспортировки на источник или на фокусное пятно. Для достижения этого же результата можно проволочные разделительные элементы с одинаковым расстоянием между ними располагать не в одной поперечной плоскости, а на разных местах вдоль оптической оси, как показано на фиг. 9. В этом случае количество разделительных элементов 5 в каждой опорной структуре уменьшается, а количество опорных структур растет (так как под одной опорной структурной понимается совокупность разделительных элементов, расположенных в одной и той же плоскости, нормальной к оптической оси).

Внешняя форма моно- или поликапилляров, используемых в предлагаемом устройстве, может быть разной - круглой, гексагональной, квадратной, прямоугольной и т.д. Целесообразно использовать капилляры квадратной и прямоугольной формы. При этом достигается наиболее плотная упаковка каналов транспортировки.

Из рассмотренных примеров ясно, что предлагаемая конструкция устройства с проволочными (или изготовленными из металлических полосок) разделительными элементами может быть использована не только тогда, когда диаметры каналообразующих элементов различны в зависимости от удаления их от оптической оси, но и в тех случаях, когда диаметр каждого из каналообразующих элементов изменяется по его длине.

В качестве каналов транспортировки оптической системы можно использовать расширяющиеся, например, конусообразные, каналы, в фокусе которых при использовании устройства помещают источник излучения. Если между источником и узким концом такой конусообразной оптической системы поместить объект, то изображение объекта на ее выходе получится увеличенным. Подобная система для передачи изображения может быть выполнена также с использованием поликапилляров с прямоугольной или квадратной внешней формой поперечного сечения. В этой системе капилляры расположены с возможностью одновременной их ориентации на источник. Для такой ориентации один конец поликапилляров уложен в решетку проволочных разделительных элементов, а другой конец плотно обжат. Диаметр проволочных разделительных элементов подбирается или рассчитывается так, чтобы концы их были строго ориентированы на одну и ту же точку.

Данную систему можно использовать в качестве рентгеновского антирассеивающего растра в медицинской диагностике, так как капилляры пропускают только то излучение, которое падает на их поверхность под углом, не превышающим критический угол Френеля. Рассеянное же излучение, возникающее в объекте, поглощается стенками капилляров.

Возможно также в рамках предлагаемой конструкции с опорными структурами из проволочных или выполненных в виде металлических полосок разделительных элементов реализовать оптическую систему, представляющую собой ансамбль, составленный из небольших оптических систем, например, миниатюрных линз или полулинз. В качестве миниатюрной линзы можно использовать, в частности поликапилляр, внешняя форма которого напоминает линзу. То же самое относится к полулинзе. Собранные вместе так, что они имеют общий фокус, миниатюрные линзы или полулинзы образуют ансамбль, обладающий высокой эффективностью.

В зависимости от расположения разделительных элементов устройство предлагаемой конструкции может быть создано не только для фокусирования излучения, преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное (или наоборот), но и для поворота излучения на большие углы. В последнем случае устройство является бендером (от англ. bend - изгибать). На фиг. 10 показаны входной 11 и выходной 12 пучки бендера. Бендер предпочтительно выполнять из квадратных или прямоугольных моно- или поликапилляров, так как при этом достигается их наиболее плотная упаковка. В бендере, оптическая ось которого криволинейна, используются рамки с решетками разделительных элементов, фиксируемые иным образом, чем описано выше, например на криволинейных направлениях или на общем основании, либо используется вариант конструкции без рамок - с приклеиванием концов разделительных элементов к капиллярам, принадлежащим поверхностному (наружному) слою оптической системы. Кроме того, обеспечение жесткости бендера возможно в конструкции, в которой межкапиллярное пространство и промежутки между разделительными элементами заполнены компаундом. С помощью бендера можно эффективно поворачивать квазипараллельные пучки нейтронов из атомных реакторов, синхротронное излучение, каналированное излучение и т.д.

Технология изготовления предлагаемого устройства заключается в следующем.

Для реализации любого из двух предлагаемых вариантов способа изготовления устройства для преобразования пучков нейтральных и заряженных частиц предварительно на основе расчетов подбирают проволоки различных диаметров или металлические полоски соответствующей толщины со скругленными краями. Такие полоски могут быть получены, например, путем раскатывания проволоки с исходным диаметром, превышающим требуемую толщину полоски. Куски проволоки или полоски натягивают выше предела упругости, но ниже предела текучести металла. Подвергнутые такому воздействию проволока или металлическая полоска становятся абсолютно прямыми, точность (постоянство по длине) диаметра либо толщины доходит до долей микрона.

Затем из кусков проволоки или полосок получают отрезки для изготовления разделительных элементов опорных структур. На этом же подготовительном этапе набирают комплект каналообразующих элементов в соответствии с данными, полученными при проектировании устройства. Подготавливают также две рамки, предназначенные для установки на торцах устройства.

Расчеты при проектировании могут быть выполнены с использованием любых известных соотношений, связывающих между собой параметры устройства в целом, параметры капилляров и их положение в различных поперечных сечениях по длине устройства, поскольку с точки зрения этих соотношений безразлично, какими именно конструктивными средствами обеспечивается положение капилляров. В частности, могут быть использованы соотношения, имеющиеся в работе (Arcadiev V.A., Fayazov R.F., Kumahov M.A. Design of wide pass band system or focusing hard X-ray radiation. - Preprint IAE - 4711/3, Moscow, 1988).

Дальнейшее осуществление способа различно для двух предлагаемых вариантов.

В первом варианте из проволоки или металлических полосок изготавливают решетки в виде ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях отрезков. В каждой решетке отрезки проволоки или металлические полоски, являющиеся разделительными элементами и ориентированные одинаково, образуют опорную структуру, т.е. решетка образована парой таких структур. Концы отрезков проволоки или металлических полосок в каждой решетке закрепляют на противоположных сторонах рамки, которые либо войдет в состав изготавливаемого устройства, либо является частью технологического оборудования. Шаг размещения проволочных отрезков или полосок в каждой рамке и выбор их диаметров осуществляют в соответствии с результатами упомянутых проектных расчетов. Рамки с решетками располагают в расчетных местах по длине будущей оптической оси устройства. В местах расчетного положения торцов устанавливают предварительно подготовленные соответствующие рамки. По меньшей мере одна из этих рамок может иметь решетку, например, если изготавливается устройство типа полулинзы (фиг. 5). В этом случае вторая рамка рассчитывается на плотное обжатое набора каналообразующих элементов; если изготавливается линза (фиг. 6), таким образом выполняют обе торцевые рамки.

После этого каналообразующие элементы, выбираемые из предварительно подготовленного комплекта, поочередно проталкивают через квадратные или прямоугольные отверстия проволочных решеток в порядке их размещения вдоль будущей оптической оси устройства. В одной из модификаций этого варианта способа, в которой рамки с проволочными решетками или металлическими полосками являются составными частями изготавливаемого устройства, часть рамок закрепляют жестко на продольных направляющих, а остальные - с возможностью регулирования их положения. Они удерживаются от произвольного перемещения вдоль направляющих и вместе с этим могут быть перемещены в этом направлении при наличии необходимости путем вращения гаек, находящихся на резьбе продольных направляющих, описанных выше при раскрытии возможного конструктивного выполнения устройства.

После описанной сборки возможет этап настройки устройства на требуемые фокусные расстояние, размер фокусного пятна и другие параметры. Для этого на один из торцов устройства подают расходящееся излучение "точечного источника", если изготавливается устройство типа линзы, или квазипараллельное излучение, если изготавливается устройство типа полулинзы, и регистрируют излучение в предполагаемой фокальной плоскости у противоположного торца. Продольным перемещением нескольких решеток посредством вращения гаек добиваются требуемой концентрации излучения в плоскости наблюдения.

На этом осуществление способа в данном варианте заканчивается, если рамки являются составными частями устройства. Если же использованные рамки являются технологическими элементами, осуществляют заполнение компаундом межкапиллярного пространства и промежутков между проволочными отрезками или металлическими полосками. После отвердевания компаунда обрезают концы проволочных отрезков, выступающие за пределы внешней поверхности изготовленной оптической системы, и вынимают ее из технологических рамок.

Заполнение компаундом возможно и при изготовлении устройства, в котором рамки с решетками проволочных разделительных элементов являются составными частями, если не предполагаются подстройка или перестройка его параметров в процессе эксплуатации.

В частном случае до или вместо заполнения компаундом концы проволочных отрезков или металлических полосок приклеивают к капиллярам, принадлежащим внешнему (образующему наружному поверхность оптической системы) слою. Такое устройство, как и заполненное компаундом, может эксплуатироваться без рамок, но прочность его меньше.

Во втором варианте предлагаемого способа каналообразующие элементы (моно- или поликапилляры) насыпают в одну из торцевых рамок. После этого через слои капилляров протягивают отрезки проволоки или металлические полоски, располагая плоскости последних параллельно будущей оптической оси (сначала в одном, затем в перпендикулярном направлении). Концы проволочных отрезков или металлических полосок вначале выходят за наружную поверхность линзы. Поэтому их легко сдвигают вдоль оптической оси в то положение, в котором должна находиться образуемая ими решетка. Затем таким же образом укладываются следующие два взаимно перпендикулярных ряда проволочных отрезков или металлических полосок для образования второй решетки и т.д. После окончания укладки всех разделительных элементов (отрезков проволоки или металлических полосок) устанавливают предварительно подготовленную рамку на второй торец.

Затем проводят испытание линзы с рентгеновским источником. В процессе испытания отрезки проволоки или полоски перемещают таким образом, что они занимают оптимальное положение. Этот этап является важным, так как перемещением проволоки можно добиться опытным путем наилучших параметров устройства.

После того как все проволочные решетки установлены в окончательное положение, концы проволочных отрезков могут быть приклеены к капиллярам наружного слоя или закреплены на противоположных сторонах рамок, которые станут составными частями устройства. Эти рамки могут быть установлены, как и в первом варианте способа, на продольных направляющих либо на общем основании. При установке рамок на направляющих может быть получено устройство, допускающее подстройку (перестройку). Возможно также заполнение промежутков между каналообразующими элементами и между проволочными разделительными элементами компаундом с обрезанием после его отвердевания концов проволочных отрезков, выступающих за пределы внешней поверхности оптической системы.

Способ в обоих вариантах во многом напоминает процесс шитья с помощью иголки и нитки.

В обоих вариантах устройство может быть изготовлено с использованием в качестве каналообразующих элементов не моно- или поликапилляров, а миниатюрных линз или полулинз. Сборка ансамбля таких линз или полулинз не представляет технических трудностей, когда форма миниатюрных линз выдержана достаточно точно. Во многих случаях в температурном поле, например в печи, в которой имеются два привода с изменяющимися скоростями, удается вытянуть капиллярные линзы или полулинзы. Эти оптические системы имеют меняющийся вдоль оси оптической системы диаметр каналов, а радиус кривизны этих каналов уменьшается от центра к периферии оптической системы.

Предлагаемые изобретения, относящиеся к конструкции устройства для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц и двум вариантам способа его изготовления, упрощают и удешевляют получение устройств указанного назначения одновременно с повышением точности их выходных параметров. Это создает предпосылки для более широкого продвижения технических средств, использующих такие устройства, в медицинскую практику, микроэлектронные технологии, дефектоскопию и другие области.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц, содержащее множество каналообразующих элементов, поддерживаемых разделительными элементами нескольких установленных по длине устройства опорных структур, при этом каждая из опорных структур содержит набор параллельных друг другу разделительных элементов, ориентированных по нормали к оптической оси устройства, отличающееся тем, что разделительные элементы выполнены в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями, плоскости которых параллельны оптической оси устройства, причем разделительные элементы ближайших одна к другой опорных структур ориентированы взаимно перпендикулярно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отрезки проволоки или металлические полоски выполнены из заготовок, предварительно натянутых выше предела упругости, но ниже предела текучести металла, из которого они изготовлены.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что каналообразующие элементы выполнены в виде стеклянных моно- или поликапилляров.

4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что концы отрезков проволоки или металлических полосок приклеены к каналообразующим элементам, принадлежащим поверхностному слою образуемой им оптической системы.

5. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что опорные структуры выполнены в виде рамок, на противоположных сторонах которых закреплены концы разделительных элементов, при этом рамки прикреплены к продольным направляющим, образующим каркас оптической системы устройства.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ближайшие одна к другой опорные структуры образуют пары, имеющие общую рамку, с расположением на минимальном расстоянии вдоль оптической оси устройства разделительных элементов одной из опорных структур данной пары от перпендикулярных им разделительных элементов другой опорной структуры той же пары.

7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что пространство между каналообразующими элементами и между разделительными элементами опорных структур заполнено компаундом.

8. Устройство по п. 5 или 6, отличающееся тем, что крепление по меньшей мере одной из рамок выполнено с возможностью регулирования ее положения на продольных направляющих и фиксации в выбранном положении.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что наиболее удаленные от оптической оси устройства части поверхности продольных направляющих выполнены как части одной и той же цилиндрической резьбовой поверхности, на них размещена гайка, к которой с зазором прикреплено соосное с нею кольцо, а рамка в угловых частях, находящихся в зазоре между гайкой и кольцом, имеет отверстия или вырезы по форме поперечного сечения направляющих, которыми она надета на последние.

10. Устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что отрезки проволоки или металлические полоски, из которых выполнены разделительные элементы, принадлежащие одной и той же опорной структуре, имеют соответственно диаметр или толщину, изменяющиеся в зависимости от удаления разделительного элемента от оптической оси устройства, при этом указанные размеры разделительных элементов опорных структур, находящихся в разных местах вдоль оптической оси устройства, также различны.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что разделительные элементы выполнены с уменьшением диаметра или толщины по мере их удаления от оптической оси устройства при одновременном уменьшении расстояния между ними и соответствующем уменьшении поперечных размеров каналообразующих элементов.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что разделительные элементы опорных структур выполнены с уменьшением диаметра или толщины по мере их удаления от оптической оси устройства при постоянном или увеличивающемся расстоянии между ними, при этом канолообразующие элементы вблизи оптической оси устройства выполнены в виде монокапилляров, а в средней части и на периферии - в виде поликапилляров, причем поликапилляры, более удаленные от оптической оси устройства, имеют меньшие поперечные размеры каналов капилляров.

13. Устройство по любому из пп.1 - 12, отличающееся тем, что несколько пар опорных структур, расположенных вблизи одного из концов оптической оси устройства, выполнены с одинаковыми и одинаково расположенными разделительными элементами.

14. Устройство по любому из пп.1 - 13, отличающееся тем, что возле одного или обоих концов оптической оси устройства каналообразующие элементы уложены вплотную друг к другу.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что на одном или обоих концах оптической оси устройства каналообразующие элементы зажаты в рамки.

16. Способ изготовления устройства для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц, включающий взаимное размещение предварительно изготовленных каналообразующих и разделительных элементов, формирование из последних опорных структур и фиксацию каналообразующих элементов и совокупностей разделительных элементов, образующих опорные структуры, для придания оптической системе требуемой формы, отличающийся тем, что формирование опорных структур осуществляют из разделительных элементов в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями, плоскости которых параллельны оптической оси устройства, при этом разделительные элементы одной и той же опорной структуры ориентируют параллельно друг другу и перпендикулярно оптической оси изготавливаемого устройства, разделительные элементы ближайших одна к другой опорных структур ориентируют взаимно перпендикулярно, а каналообразующие элементы поочередно проталкивают через промежутки между разделительными элементами каждой из опорных структур.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что разделительные элементы в виде отрезков проволоки или металлических полосок выполняют из заготовок, предварительно подвергнутых натяжению выше предела упругости, но ниже предела текучести металла, из которого они изготовлены.

18. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что в качестве каналообразующих элементов используют стеклянные моно- или поликапилляры.

19. Способ по любому из пп.16 - 18, отличающийся тем, что концы отрезков проволоки или металлических полосок приклеивают к каналообразующим элементам, принадлежащим поверхностному слою образуемой ими оптической системы.

20. Способ по любому из пп.16 - 18, отличающийся тем, что при формировании опорных структур из разделительных элементов концы последних закрепляют на противоположных сторонах рамок, которые устанавливают на требуемых расстояниях одна от другой и торцов оптической системы изготавливаемого устройства вдоль ее оптической оси.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что ближайшие одна к другой опорные структуры формируют в виде пар, имеющих общую рамку, и располагают разделительные элементы одной из опорных структур данной пары на минимальном расстоянии в направлении вдоль оптической оси устройства от перпендикулярных им разделительных элементов второй опорной структуры той же пары.

22. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что используют рамки, являющиеся элементами технологической оснастки, при этом после завершения взаимного размещения всех разделительных и каналообразующих элементов изготавливаемого устройства пространство между каналообразующими элементами и между разделительными элементами заполняют компаундом, а концы разделительных элементов, выступающие за сформированную после затвердевания компаунда наружную поверхность устройства, обрезают.

23. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что используют рамки, являющиеся элементами технологической оснастки, при этом после завершения взаимного размещения всех разделительных и каналообразующих элементов изготавливаемого устройства разделительные элементы приклеивают к каналообразующим элементам, принадлежащим внешнему слою образуемой ими оптической системы, а концы разделительных элементов, выступающие за пределы наружной поверхности оптической системы, обрезают.

24. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что края рамок прикрепляют к продольным направляющим, образующим каркас оптической системы.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что крепление по меньшей мере одной из рамок к продольным направляющим осуществляют с возможностью регулирования ее положения на продольных направляющих и фиксации в выбранном положении.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что после завершения взаимного размещения каналообразующих элементов и разделительных элементов опорных структур с приданием оптической системе требуемой формы осуществляют ее подстройку путем перемещения рамок, установленных с возможностью регулирования их положения, подавая при этом излучение на один из торцов оптической системы и регистрируя распределение его интенсивности после выхода из другого торца, и по завершении подстройки фиксируют указанные рамки относительно продольных направляющих.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что по завершении подстройки оптической системы пространство между каналообразующими элементами и между разделительными элементами заполняют компаундом.

28. Способ изготовления устройства для преобразования пучков нейтральных или заряженных частиц, включающий взаимное размещение предварительно изготовленных каналообразующих и разделительных элементов, формирование из последних опорных структур и фиксацию каналообразующих элементов и совокупностей разделительных элементов, образующих опорные структуры, для придания оптической системе требуемой формы, отличающийся тем, что формирование опорных структур осуществляют путем проталкивания между каналообразующими элементами, предварительно уложенными вдоль оптической оси изготавливаемого устройства, разделительных элементов в виде отрезков проволоки круглого сечения или металлических полосок со скругленными краями, плоскости которых параллельны оптической оси устройства, при этом разделительные элементы одной и той же опорной структуры ориентируют параллельно друг другу и размещают так, чтобы промежутки между ними, в которых размещены каналообразующие элементы, для каждой из опорных структур находились на требуемом расстоянии от оптической оси устройства, а разделительные элементы ближайших одна к другой опорных структур ориентируют взаимно перпендикулярно.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что разделительные элементы в виде отрезков проволоки или металлических полосок выполняют из заготовок, предварительно подвергнутых натяжению выше предела упругости, но ниже предела текучести металла, из которого они изготовлены.

30. Способ по п.28 или 29, отличающийся тем, что в качестве каналообразующих элементов используют стеклянные моно- или поликапилляры.

31. Способ по любому из пп.28 - 30, отличающийся тем, что концы отрезков проволоки или металлических полосок приклеивают к каналообразующим элементам, принадлежащим поверхностному слою образуемой ими оптической системы.

32. Способ по любому из пп.28 - 30, отличающийся тем, что при формировании опорных структур из разделительных элементов концы последних закрепляют на противоположных сторонах рамок, которые устанавливают на требуемых расстояниях одна от другой и торцов оптической системы изготавливаемого устройства вдоль ее оптической оси.

33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что ближайшие одна к другой опорные структуры формируют в виде пар, имеющих общую рамку, и располагают разделительные элементы одной из опорных структур данной пары на минимальном расстоянии в направлении вдоль оптической оси устройства от перпендикулярных им разделительных элементов второй опорной структуры той же пары.

34. Способ по п.32 или 33, отличающийся тем, что используют рамки, являющиеся элементами технологической оснастки, при этом после завершения взаимного размещения всех разделительных и каналообразующих элементов изготавливаемого устройства пространство между каналообразующими элементами и между разделительными элементами заполняют компаундом, а концы разделительных элементов, выступающие за сформированную после затвердевания компаунда наружную поверхность устройства, обрезают.

35. Способ по п.32 или 33, отличающийся тем, что используют рамки, являющиеся элементами технологической оснастки, при этом после завершения взаимного размещения всех разделительных и каналообразующих элементов изготавливаемого устройства разделительные элементы приклеивают к каналообразующим элементам, принадлежащим внешнему слою образуемой ими оптической системы, а концы разделительных элементов, выступающие за пределы наружной поверхности оптической системы, обрезают.

36. Способ по п.32 или 33, отличающийся тем, что края рамок прикрепляют к продольным направляющим, образующим каркас оптической системы.

37. Способ по п.36, отличающийся тем, что крепление по меньшей мере одной из рамок к продольным направляющим осуществляют с возможностью регулирования ее положения на продольных направляющих и фиксации в выбранном положении.

38. Способ по п.37, отличающийся тем, что после завершения взаимного размещения каналообразующих элементов и разделительных элементов опорных структур с приданием оптической системе требуемой формы осуществляют ее подстройку путем перемещения рамок, установленных с возможностью регулирования их положения, подавая при этом излучение на один из торцов оптической системы и регистрируя распределение его интенсивности после выхода из другого торца, и по завершении подстройки фиксируют указанные рамки относительно продольных направляющих.

39. Способ по п.38, отличающийся тем, что по завершении подстройки оптической системы пространство между каналообразующими элементами и между разделительными элементами заполняют компаундом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10