научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СФЕРИЧЕСКИ ИЗОГНУТОГО КРИСТАЛЛА КВАРЦА НА РЕНТГЕНОВСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ С λ = 8.42 Å Физика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СФЕРИЧЕСКИ ИЗОГНУТОГО КРИСТАЛЛА КВАРЦА НА РЕНТГЕНОВСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ С λ = 8.42 Å»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, < 2, с. 139-142

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.386+548.7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СФЕРИЧЕСКИ ИЗОГНУТОГО КРИСТАЛЛА КВАРЦА НА РЕНТГЕНОВСКОМ

о

ИЗЛУЧЕНИИ С 1 = 8.42 А

© 2004 г. Е. О. Баронова*, Р. В. Гаранин, Н. В. Жидков, М. М. Степаненко*, Н. А. Суслов

РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики' Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 *Институт ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт", Россия, 123183, Москва, пл. И.В. Курчатова, 1 Поступила в редакцию 24.06.2003 г.

Приведены результаты экспериментов по определению пространственного разрешения сферического кристалла кварца на рентгеновском излучении с X = 8.42 А. Для определения пространственной разрешающей способности сферического кристалла использовалась схема регистрации двумерных рентгеновских изображений тест-объектов. Измеренная по записи изображения разрешающая способность кристалла в предположении гауссовой функции размытия точки составила 2 мкм.

В Институте лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ на лазерной установке "Ис-кра-5" для решения ряда фундаментальных и прикладных задач широким фронтом проводятся эксперименты по взаимодействию лазерного излучения с различными типами мишеней [1-4]. В этих исследованиях для трактовки результатов экспериментов важное значение имеет информация, извлекаемая из рентгеновских изображений мишени. Одним из подходящих инструментов для получения таких изображений может стать сферически изогнутый кристалл. Поэтому исследование его свойств, прежде всего пространственного разрешения, имеет важное практическое значение.

Хорошо известно использование сферически изогнутого кристалла в качестве светосильного фокусирующего спектрографа с одномерным пространственным разрешение [5]. В таком спектрографе в меридиональной плоскости происходит спектральная фокусировка, в сагиттальной -пространственная. Регистратор располагается на круге Роуланда, источник - вне круга Роуланда на расстоянии а = -^т 0/сов20 от вершины кристалла. При этом расстояния от вершины кристалла до источника и регистратора соответственно а и Ь удовлетворяют формуле линзы

1 + 1 = 1

а Ь

(1)

где = Я/28т 0 - сагиттальное фокусное расстояние, Я - радиус кривизны кристалла, 0 - угол Брегга.

При углах 0, близких к нормали, сферически изогнутый кристалл используется как рентгенов-

ский микроскоп для получения монохроматических изображений с хорошим пространственным разрешением, практически одинаковым в обеих плоскостях. Пространственное разрешение в такой схеме определяется аберрациями сферической поверхности и качеством изгиба кристалла. Следует отметить, однако, что использование сферически изогнутого кристалла в схеме рентгеновского микроскопа возможно лишь для X, близких к значениям 2й/п, где п - порядок дифракции. Это накладывает определенное ограничение на применение этой схемы, но обеспечивает высокую монохроматичность получаемого изображения.

При 0 - 90° с помощью сферически изогнутого кристалла можно также реализовать монохроматическую рентгеновскую просветку микрообъектов. Схема использования сферически изогнутого кристалла в режиме рентгеновской просветки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема использования сферического кристалла в режиме рентгеновской просветки.

Рис. 2. Принципиальная схема эксперимента. 1 - лазерное излучение, 2 - круг Роуланда, 3 - подсвечивающая мишень, 4 - рентгеновское излучение, 5 - тест-объект, 6 - сферически изогнутый кристалл, 7,9, - защитные фильтры, 8 - кассета с защитным кожухом, 10 - изображение сетки, 11 - фотопленка.

В этом случае источник располагается вблизи круга Роуланда. Теневое изображение объекта, помещенного на расстоянии а между источником и кристаллом, формируется на расстоянии Ь в соответствии с формулой линзы (1). Следует заметить, что изображение точечного элемента просвечиваемого объекта формируется лишь малой частью сферической поверхности кристалла, а не всей его апертурой. Это обстоятельство обеспечивает малые значения аберраций и соответственно высокое пространственное разрешение.

Кристалл, применяемый в наших исследованиях, был изготовлен по следующей технологии. Плоская пластина механически ненапряженного кварца была сошлифована до толщины 230 мкм, затем отполирована с обеих сторон. Диаметр пластины 10 мм. Измеренное отклонение атомных плоскостей от механической поверхности кристалла 10''.

На стеклянной пластине толщиной 10 и 012 мм была вышлифована и отполирована вогнутая сферическая поверхность радиусом 500 мм. Точность изготовления составляла 0.1 мм в радиусе.

Пластина кварца в беспылевых условиях прижималась к изготовленной сферической поверхности до осуществления так называемого полного оптического контакта. В условиях оптического контакта кристалл прикрепляется к подложке с помощью сил Ван-дер-Ваальса. Преимуществами такого вида соединения двух поверхностей являются: отсутствие между двумя поверхностями слоя клея неконтролируемой толщины, неразру-шаемость под действием потоков нейтронного излучения, высокое оптическое качество полученной поверхности, возможность визуального контроля положения и размера возможных частиц пыли между двумя поверхностями.

Для определения радиуса кривизны сферически изогнутого кристалла с помощью объектива и

отверстия в экране 050 мкм формировался квазиточечный источник излучения Не-№-лазера. Отраженное кристаллом лазерное излучение фокусировалось на экран вблизи отверстия. Варьируя расстояние от кристалла до экрана, добивались минимального размера сфокусированного пятна. Радиус кривизны данного сферического кристалла составил 501 ± 0.5 мм.

Для определения пространственной разрешающей способности сферического кристалла в рентгеновском излучении использовалась схема регистрации двумерных изображений тест-объектов. Принципиальная схема эксперимента представлена на рис. 2.

Для получения подсвечивающего рентгеновского излучения (р.и.) использовалась мишень из магния, на которую фокусировалось излучение основной гармоники (к =1.315 мкм) одного из каналов йодной лазерной установки "Искра-5". Длительность лазерного импульса составляла ~0.4 нс, энергия излучения, подведенная к мишени, ~270 Дж. Лазерное излучение фокусировалось на мишень сферической линзой в пятно 0 ~ 0.6 мм.

2й исследуемого кристалла кварца составляет ~8.5 А, поэтому для получения двумерного изображения, т.е. при квазинормальном падении излучения на кристалл, использовалось излучение Ьуа-линии М§ с к = 8.42 А, угол Брэгга при этом составлял б = 81.5°. В качестве тест-объектов использовались сетки с размером ячейки 100 мкм и диаметром проволочек 20 мкм.

Тест-объекты располагались от кристалла на расстоянии а таком, чтобы с одной стороны, обеспечить максимально возможное увеличение М, при котором увеличенная в М раз разрешающая способность кристалла Ах превышала бы разрешающую способность регистратора, а с другой стороны, позволяющем разместить все элементы схемы внутри вакуумной камеры. В на-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

141

шем случае доступным оказалось увеличение М = = 4.01. Длина экспериментальной сборки при этом составляла ~1.3 м.

Изображения регистрировались на фотопленку УФ-4, чувствительную к рентгеновскому излучению и обладающую высоким пространственным разрешением ~3-5 мкм. Для снижения уровня фоновой засветки от рассеянного р.и. кассета с фотопленкой помещалась в защитный кожух, выполняющий роль коллиматора. Отметим, что в такой схеме изображение самого подсвечивающего источника формируется вблизи круга Роу-ланда с увеличением ~1, поэтому установка в этом месте небольшой ограничительной диафрагмы позволяет эффективно подавить рассеянное фоновое излучение. Для уменьшения интенсивности рассеянного р.и. перед защитным кожухом устанавливался дополнительный фильтр из лавсана толщиной 3.5 мкм со слоем А1 толщиной 0.1 мкм.

Настройка кристалла производилась с помощью Ие-Ке-лазера. Для этого тонкий луч направлялся на вершину кристалла со стороны кассеты, примерно через ее середину. Затем кристалл поворачивался на заданный угол б, удовлетворяющий условию Брэгга. Далее, на расстоянии а от вершины кристалла устанавливались тестовые сетки. Подсвечивающая мишень располагалась вблизи круга Роуланда, при этом отраженный от вершины кристалла юстировочный луч проходил через центр подсвечивающей мишени. Сетки ориентировались так, чтобы её проволочки были параллельны сагиттальной и меридиональной плоскостям кристалла. В конце настройки устанавливались фильтры и кассета с пленкой. Кассета с пленкой устанавливалась от вершины кристалла на расстоянии, соответствующем наилучшей фокусировке в меридиональной плоскости. При подготовке эксперимента все элементы крепились на одном швеллере и устанавливались в камеру взаимодействия.

Зарегистрированное в эксперименте теневое изображение тестовой сетки представлено на рис. 3. Из рисунка видно, что в эксперименте за счет фокусировки в меридиональной плоскости получены резкие контрастные изображения вертикальных проволочек и размытые из-за астигматизма изображения горизонтальных проволочек. Хорошее изображение сетки получено во

° (л 1 Л тл всем поле зрения диаметром — I 1 - — I , где и =

= 5.6 мкм - диаметр нашего кристалла. Плотность почернения на изображении составляет ~1.3.

Для количественной оценки пространственного разрешения сферического кристалла на микроденситометре ИФО-451 с увеличением 200 были записаны изображения ряда вертикальных проволочек. Ширина щели при этом составляла

Рис. 3. Фрагмент изображения тестовой сетки.

100 мкм, что в пересчете на фотопленку составляет 5 мкм. Как видно из рис. 3, пространственное разрешение кристалла не хуже ~10 мкм, поэтому при определении пространственного разрешения по записи необходимо аккуратно учитывать и вклад щели.

Далее записи оцифровывались и с помощью характеристической кривой пересчитывались в интенсивности р.и. При этом использовалась характеристическая кривая для излучения с близкой к = 7.75 А, которая была получена для данной фотопленки на импульсном р.и. в специальных эксперим

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком