Рентгеновская линза на основе эффекта отражения
Владельцы патента RU 2634332:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) (RU)
Использование: для фокусировки коротковолнового излучения. Сущность изобретения заключается в том, что рентгеновская линза на основе эффекта отражения включает изогнутое параболическое основное зеркало, фокусирующее в меридиональной плоскости, при этом непосредственно на основном зеркале сформированы боковые эллиптические зеркала, фокусирующие в сагиттальной плоскости, и количество боковых зеркал может быть более одного. Технический результат: упрощение изготовления продукта, фокусирующего в двух плоскостях без уменьшения его апертуры. 3 ил.
Настоящее изобретение относится к области машиностроения, в частности приборостроения, а именно изготовления элементов рентгеновской оптики. В диапазоне энергий фотонов, простирающемся от мягкого рентгеновского до вакуумного ультрафиолетового излучения, коэффициент поглощения излучения материалами настолько велик, что различного вида оптические элементы, базирующиеся даже на тонкой мембране, не могут дать выигрыша в интенсивности в силу большого ослабления излучения мембраной. Поэтому в настоящее время для фокусировки такого вида излучения используют отражающие зеркала скользящего падения, причем угол падения (отсчитываемый от поверхности зеркала) θ лежит в диапазоне от десятых долей до единиц градусов. Зеркала выполняют с изогнутой в одной плоскости по цилиндрическому или эллиптическому закону рабочей поверхностью (более точно - с учетом кубической нелинейности [J.F. McGee, D.R. Hesser, J.W. Milton, X-ray reflection optics. Recent developments. Springer Verlag. 1969]). Фокус в таком случае имеет форму линии. Для фокусировки излучения по двум координатам предложено сферическое зеркало скользящего падения. Фокусное расстояние такого зеркала характеризуется двумя величинами: в меридиональной плоскости - определяемой формулой Fm=Rsinθ/2, а в сагиттальной - Fs=R/2sinθ [А. Мишетт. Оптика мягкого рентгеновского излучения, Москва, «Мир», 1989, стр. 62]. Здесь R - радиус кривизны зеркала. Недостаток данного технического решения состоит в том, что фокусные расстояния отличаются в sin-2 θ раз, и это отношение может достигать сотен и тысяч и изображение сильно астигматично.
Для обеспечения фокуса в виде точки фокусные расстояния Fm и Fs уравнивают путем задания различного радиуса кривизны в меридиальной Rm и сагиттальной Rs плоскостях [F. Jentzsch, Optische Versuch mit , Phys. Z., 30 (1929) 268-273], при этом рабочая поверхность зеркала соответствует тороидальной поверхности. Предложено скреплять два одномерных с искривленной поверхностью зеркала перпендикулярно друг другу, что обеспечивает получение точечного фокуса [Патент ЕР 1060477 В1, Single corner Kirkpatrick-Baez beam condition optic assembly]. В этом случае пучок рентгеновского излучения поочередно попадает сначала на одно, а затем, после отражения, на второе зеркало. Однако проблема состоит в том, что процесс изготовления поверхностей с высокой точностью воспроизведения заданной кривизны и оптическим качеством полировки очень трудоемкий и, как результат, такие зеркала имеют высокую стоимость. Чтобы удешевить продукт, было предложено изгибать отражающие зеркала [J.A. Howell, P. Horowitz, Ellipsoidal and bent cylindrical condensing mirrors for synchrotron radiation, Nucl. Instr. Meth. 125(1975) 225-230], которые аналогично упомянутому выше решению можно сориентировать в плоскостях, перпендикулярных друг другу. Такое решение является одним из наиболее близких к заявленному техническому решению. Однако в данном случае величина рабочей апертуры системы ограничена как габаритами зеркал, так и габаритами системы изгибания, а также их стоимостью.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение изготовления и удешевление продукта, фокусирующего в двух плоскостях без уменьшения его апертуры. Поставленная задача решается методом формирования на изогнутой по требуемому закону поверхности, обозначенной как основное зеркало боковых зеркал (фиг. 1-3), причем:
- боковые зеркала базируются на искривленной поверхности, фокусирующей излучение лишь в одной меридиональной плоскости;
- боковые зеркала фокусируют излучение в сагиттальной плоскости;
- количество боковых зеркал может быть одно либо несколько, в последнем случае они располагаются симметрично относительно оптической оси в сагиттальной плоскости линзы;
- расстояние между соседними боковыми зеркалами задается условием прохождения отраженного луча, не касаясь соседних зеркал;
- угол поворота боковых зеркал относительно оптической оси в сагиттальной плоскости задается условием прохождения отраженного луча, не касаясь соседних боковых зеркал;
- для обеспечения прохождения отраженного луча длина и угол поворота боковых зеркал варьируются;
- поверхность, фокусирующая излучение в одной меридиональной плоскости, может изготавливаться из материала с высоким атомным номером;
- поверхность, фокусирующая излучение в меридиональной плоскости, может изготавливаться из чередующихся слоев, выполненных из материалов с низким и высоким значением атомного номера;
- боковые зеркала могут изготавливаться из материала с высоким атомным номером;
- боковые зеркала могут изготавливаться из чередующихся слоев, выполненных из материалов с низким и высоким значением атомного номера;
- линза может фокусировать излучение в широком диапазоне энергий фотонов в случае формирования отражающей поверхности из одного материала;
- линза может фокусировать излучение в узком спектральном диапазоне энергий фотонов в случае формирования отражающих поверхностей из чередующихся слоев материалов с различным атомным номером.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является концентрация излучения в широком (или относительно узком, в зависимости от количества отражающих слоев на поверхности основного зеркала) диапазоне энергий фотонов на заданном расстоянии F от линзы. Расстояние до изображения линзы Ft для случая, когда длина самой линзы много меньше фокусного расстояния, рассчитывается с помощью формул тонкой линзы [А. Мишетт. Оптика мягкого рентгеновского излучения, Москва, «Мир», 1989, стр. 95]:
где: a и b - расстояние от источника излучения до линзы и от линзы до изображения (фиг. 1).
Таким образом, линза состоит из зеркал с одинаковой кривизной, с которыми поочередно взаимодействует излучение, и отклоняется зеркалами в направлении фокуса. Поэтому для точечных источников излучения с изотропной угловой расходимостью основное зеркало и боковое зеркало (фиг. 1) сравнимы по величине рабочей апертуры как в сагиттальной, так и в меридиональной плоскости.
С другой стороны, излучение из кольцевых ускорителей заряженных частиц распространяется в широком угловом диапазоне в горизонтальной плоскости, но сконцентрировано в малом угле (определяемом энергией и массой покоя заряженных частиц) в вертикальной плоскости. Поэтому при концентрации излучения на объект горизонтальный размер луча в несколько раз может превышать его вертикальный размер. Чтобы принять весь луч в горизонтальной плоскости, горизонтальную апертуру линзы увеличивают, что решается путем увеличения числа боковых зеркал отражающей линзы (фиг. 2, фиг. 3). Например, при скользящем угле падения θ=0,05 рад на основное зеркало длиной 
линза имеет приемную апертуру 
. Соответственно, угол падения на боковое зеркало, находящееся у оптической оси θ=0,05 рад, а угол падения на следующее за ним от оптической оси боковое зеркало 2θ=0,1 рад.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
- общий вид линзы с одним боковым зеркалом и ходом лучей (фиг. 1);
- общий вид линзы с увеличенной апертурой в сагиттальной плоскости (фиг. 2, фиг. 3).
Изготовление линзы с вышеописанными фокусирующими элементами базируется на возможности формирования структур с высоким аспектным отношением (отношение ширины к высоте) путем использования метода глубокой рентгенолитографии или фотолитографии. При этом размеры структур переносят с помощью коллимированного с высокой степенью луча синхротронного излучения (в случае рентгенолитографии) или коллимирующей оптики (в случае фотолитографии). Размеры переносятся в толстый слой фото- или рентгеночувствительного материала (резиста), а искажение размеров в глубину слоя не существенно. Перенос размеров структур осуществляют со специальной маски (рентгено- или фотошаблона), на которой нанесена топология боковых зеркал с заданной кривизной. Для формирования маски может быть использована как технология электронной литографии, так и фотолитография, рентгеновская или ионная литография.
Применение фото-, рентгенолитографического метода переноса рисунка маски позволяет формировать боковые зеркала из различных материалов. В силу того, что при скользящем падении малая часть излучения поглощается в поверхности зеркала, боковые зеркала могут быть изготовлены из полимерного материала (резиста). Также боковые зеркала могут быть сформированы из тяжелых металлов, таких как медь, никель, золото, рений, методом последующего электрохимического осаждения (и удаления резиста в дальнейшем). Степень шероховатости отражающей стенки бокового зеркала не превышает при этом степени шероховатости боковой стенки исходной структуры из резиста.
Описание фигур
Фиг. 1. Линза с одним боковым зеркалом. (Механизм изгиба основного зеркала не показан.) Излучение попадает на основное эллиптическое зеркало под скользящим углом в меридиональной плоскости и, отражаясь, встречает на своем пути боковое эллиптическое зеркало, от которого отражается в сагиттальной плоскости. После чего излучение покидает линзу. Центр изгиба зеркал находится в одной плоскости, и кривизна зеркал одинакова, поэтому линза фокусирует по обеим координатам независимо, а фокус находится в точке. 1 - боковое зеркало; 2 - плоскость изображения; 3 - основное зеркало; 4 - источник излучения.
Фиг. 2. Линза с несколькими боковыми зеркалами. В отличие от линзы с одним боковым зеркалом данная линза имеет увеличенную апертуру в сагиттальной плоскости, а боковые зеркала расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, но имеют различную длину с целью вывода без помех отраженного излучения. 1 - боковое зеркало.
Фиг. 3. Линза с несколькими боковыми зеркалами. В отличие от линзы с одним боковым зеркалом данная линза имеет увеличенную апертуру в сагиттальной плоскости. Боковые зеркала имеют одинаковую длину, но расположены на различном расстоянии друг от друга с целью вывода без помех отраженного излучения. 1 - боковое зеркало.
Работает линза следующим образом. Первоначально линза ориентируется относительно источника излучения так, чтобы направление распространения излучения совпадало с ее оптической осью (с оптической осью основного зеркала в случае линзы с одним боковым зеркалом). На оптической оси линзы между источником излучения и линзой устанавливается апертурная диафрагма. Излучение, прошедшее сквозь диафрагму, попадает сначала на основное зеркало, затем, после отражения, попадает на боковые зеркала. В результате в плоскости изображения концентрируются фотоны определенного диапазона энергий (в зависимости от состава отражающих поверхностей и угла падения излучения на зеркала), что может быть зафиксировано рентгеновским детектором с энергетическим разрешением. В общем случае на детекторе будет наблюдаться видоизмененный спектр первичного излучения. Предполагается проводить изготовление линз методом LIGA на базе глубокой рентгенолитографии, а линзы - использовать для фокусировки синхротронного излучения ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазона спектра с целью повышения освещенности объекта.
Технология изгибания плоского зеркала достаточно подробно описана в литературе [А. Мишетт. Оптика мягкого рентгеновского излучения, Москва, «Мир», 1989, стр. 91].
Рентгеновская линза на основе эффекта отражения, включающая изогнутое параболическое основное зеркало, фокусирующее в меридиональной плоскости, отличающаяся тем, что непосредственно на основном зеркале сформированы боковые эллиптические зеркала, фокусирующие в сагиттальной плоскости, и количество боковых зеркал может быть более одного.
