устройство для формирования рентгеновского пучка и устройство для изгиба кристалла

Формула изобретения

1. Устройство для формирования рентгеновского пучка, содержащее два кристалла-монохроматора в бездисперсионной схеме дифракции с возможностью перемещения одного из них в направлении первичного рентгеновского пучка и поворота кристаллов-монохроматоров для осуществления последовательной брэгговской дифракции, отличающееся тем, что первый кристалл-монохроматор установлен с возможностью перемещения вдоль первичного пучка с фиксацией в двух дискретных положениях, а второй кристалл-монохроматор имеет возможность изгиба в сагиттальной плоскости, причем в первом фиксированном положении первого кристалла-монохроматора обеспечена возможность перекрытия диапазона брэгговских углов от 3 до 8,25°, а во втором фиксированном положении - от 8,25 до 80°.

2. Устройство для изгиба кристалла, содержащее механизм перемещения, два неподвижных и два подвижных цилиндрических стержня, между которыми расположены оконечные части изгибаемого кристалла и оси которых смещены относительно друг друга, отличающееся тем, что неподвижные стержни опираются на верхнюю поверхность плоскопараллельной пластины в области ее торцов, к торцам пластины присоединены Г-образные кронштейны, параллельные поверхности которых контактируют с неподвижными стержнями, а параллельные поверхности торцов верхних перекладин Г-образных кронштейнов контактируют с подвижными стержнями, пластина с Г-образными кронштейнами охвачена ломаными плечами плавающего коромысла с установленными на его концах цилиндрическими пальцами, опирающимися на поверхности подвижных стержней перпендикулярно к ним, а между нижней поверхностью пластины и средней точкой коромысла расположен механизм перемещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области рентгенодифракционных и рентгенотопографических неразрушающих методов исследования структуры и контролю качества материалов и предназначено для формирования рентгеновского пучка, в частности пучка синхротронного излучения (СИ), с помощью кристаллов-монохроматоров.

Известен двухкристальный монохроматор (A.Darovsky, I.Meshkovsky, P.Coppens // Rev.Sci.Instrum. 1995. V.66. №2. Р.2085 - 2087), в котором предусмотрена возможность вращения монохроматора как целого для изменения угла Брэгга в интервале 3,5-23°. Неизменность пространственного положения сформированного пучка обеспечивается автоматическим изменением вертикального расстояния между кристаллами. Диапазон энергии сформированного пучка: 3-31 кэВ.

Известен также двухкристальный монохроматор (D.M. Mills, M.T.King // Nucl.Instrum.Methods. 1983. V.208. Р.341-347), в котором первый кристалл имеет возможность вращения вокруг оси, отстоящей от направления первичного пучка СИ на расстоянии h/2 (h - расстояние между осями кристаллов по вертикали) и линейного перемещения вдоль нормали к отражающим плоскостям. Второй кристалл имеет возможность перемещения вдоль направления пучка, отраженного первым кристаллом. Для Si(III) интервал энергии пучка: 3,5-21 кэВ.

В качестве прототипа выбрано устройство для формирования рентгеновского пучка (Н.Г.Гаврилов, В.И.Кондратьев, В.М.Цуканов, М.А.Шеромов, А.И.Анчаров, И.Л.Жогин, Б.П.Толочко, М.Р.Шарафутдинов, А.Н.Шмаков // Материалы XIV Российской конференции по использованию синхротронного излучения (СИ-2002), Новосибирск, 15-19 июля 2002 г., С.169), содержащее два кристалла-монохроматора в бездисперсионной схеме дифракции с возможностью перемещения одного из них в направлении первичного рентгеновского пучка и поворота кристаллов-монохроматоров для осуществления последовательной брэгговской дифракции. Движение первого кристалла, на который направляют синхротронный пучок (и всего узла первого кристалла), производится горизонтальной подвижкой через сильфон с помощью штока. Изменение высоты пучка, определяемое вертикальным положением второго кристалла, равно 40 мм. Диапазон энергии при работе с кристаллами Si (III) составляет 5-19 кэВ. Ось вращения второго кристалла неподвижна, а поворот этого кристалла складывается из двух частей: первая часть - это относительно быстрый поворот с помощью рычага, опирающегося на ролик, точная подстройка поворота кристалла обеспечивается с помощью механизма, использующего напряженную волновую передачу с высоким коэффициентом передачи, который изменяет угол между рычагом и плоскостью кристалла. Аналогичный узел тонкой подстройки имеется и на оси первого кристалла, но он используется лишь для предварительной настройки монохроматора, требующейся после замены кристаллов.

Данная конструкция двухкристального монохроматора позволяет обойтись минимумом регулировок при его работе. При этом оптимальный выбор параметров конструкции (положение роликов и рычагов) позволяет уменьшить изменения положения (высоты) выходного пучка по всему рабочему диапазону энергии до достаточно низкого уровня в 10 мкм.

Однако такая конструкция монохроматора достаточно громоздка и не обеспечивает ширины диапазона энергии сформированного рентгеновского пучка, необходимого для решения целого класса задач по структурной характеризации конденсированных сред.

Сформированный при последовательной бездисперсионной дифракции на двух плоских кристаллах-монохроматорах пучок обладает очень малой угловой расходимостью (порядка нескольких угловых секунд). При этом плотность потока рентгеновских гамма-квантов определяется как отношение интегральной интенсивности пучка и его поперечного сечения. Для целого ряда рентгеновских методик требуется ее радикальное увеличение, что достижимо при фокусировке пучка. С целью фокусировки пучка в двухкристальном монохроматоре может быть предусмотрена замена держателя второго кристалла- монохроматора на изгибающее устройство в сагиттальной плоскости (т.е. в плоскости, нормальной плоскости дифракции).

Известно устройство для изгиба кристалла (J.C.Haselgrove, A.R.Faruqi, H.E.Huxsley, U.V.Arndt// J.Physics E. 1977. V.10. P.1035-1044), содержащее два неподвижных и два подвижных цилиндрических стержня, между которыми расположены оконечные части изгибаемого кристалла, оси которых смещены друг относительно друга. Первая пара стержней лежит на плоском столике, через который посредством механизма перемещения осуществляется передача изгибающего усилия на оба конца кристалла. Однако данная конструкция не гарантирует строгую параллельность всех стержней, что может привести к неоднородному изгибу фокусирующего кристалла.

Задачей изобретений является создание устройства для формирования рентгеновского пучка, в котором конструкция монохроматора отличается компактностью и обеспечивает ширину диапазона энергии рентгеновского пучка, необходимую для решения задач по структурной характеризации конденсированных сред, при сохранении его пространственного положения, а также устройства для изгиба кристалла, в котором конструкция устройства позволяет добиться равномерного распределения изгибающего усилия и избежать неоднородной деформации фокусирующего кристалла.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для формирования рентгеновского пучка, содержащем два кристалла-монохроматора в бездисперсионной схеме дифракции с возможностью перемещения одного из них в направлении первичного рентгеновского пучка и поворота кристаллов-монохроматоров для осуществления последовательной брэгговской дифракции, первый кристалл-монохроматор установлен с возможностью перемещения вдоль первичного пучка с фиксацией в двух дискретных положениях, а второй кристалл-монохроматор имеет возможность изгиба в сагиттальной плоскости, причем в первом фиксированном положении первого кристалла-монохроматора обеспечена возможность перекрытия диапазона брэгговских углов от 3° до 8,25°, а во втором фиксированном положении - от 8,25° до 80°.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в устройстве для изгиба кристалла, содержащем механизм перемещения, два неподвижных и два подвижных цилиндрических стержня, между которыми расположены оконечные части изгибаемого кристалла и оси которых смещены друг относительно друга, неподвижные стержни опираются на верхнюю поверхность плоскопараллельной пластины в области ее торцов, к торцам пластины присоединены Г-образные кронштейны, параллельные поверхности которых контактируют с неподвижными стержнями, а параллельные поверхности торцов верхних перекладин Г-образных кронштейнов контактируют с подвижными стержнями, пластина с Г-образными кронштейнами охвачена ломаными плечами плавающего коромысла с установленными на его концах цилиндрическими пальцами, опирающимися на поверхности подвижных стержней перпендикулярно к ним, а между нижней поверхностью пластины и средней точкой коромысла расположен механизм перемещения.

Изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для формирования рентгеновского пучка, а на фиг.2 - схема устройства для изгиба кристалла.

Устройство для формирования рентгеновского пучка содержит первый кристалл-монохроматор 1 и второй кристалл-монохроматор 2, установленные в вакуумной камере 3.

Кристалл-монохроматор 2 установлен с возможностью перемещения вдоль направления первичного пучка излучения на расстояние L. Перемещение кристалла-монохроматора 2 может быть осуществлено с помощью винтовой пары. Кристалл-монохроматор 1 установлен с возможностью перемещения из одного фиксированного положения в другое, соответствующее переходу к диапазону брэгговского угла 8,25-80°. Перемещение кристалла-монохроматора 1 может быть осуществлено с помощью винтовой пары. Для осуществления последовательной брэгговской дифракции оба кристалла-монохроматора имеют возможность поворота с помощью червячной передачи или рычажного торсионного механизма с линейным пьезоприводом. Кристалл-монохроматор 2 имеет также возможность изгиба в сагиттальной плоскости при помощи устройства, представленного на фиг.2.

Устройство для изгиба кристалла содержит цилиндрические пальцы 4 коромысла, подвижные стержни 5, Г-образные кронштейны 6, неподвижные стержни 7, изгибаемый кристалл 8, базовую пластину 9, плавающее коромысло 10, механизм перемещения, например, в виде винтовой пары 11, связанной с двигателем и редуктором (не показаны).

Устройство для формирования рентгеновского пучка работает следующим образом. Пучок рентгеновского (синхротронного) излучения (СИ) направляют на первый кристалл-монохроматор 1, находящийся в первом фиксированном положении, который поворачивается вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной плоскости рисунка, на брэгговский угол, соответствующий выбранной энергии пучка. Для того чтобы пучок, отраженный от первого кристалла-монохроматора 1, попал на второй кристалл-монохроматор 2, последний перемещают в горизонтальном направлении (вдоль направления первичного пучка) на необходимое для этого расстояние и устанавливают под тем же брэгговским углом, что и первый кристалл 1. Таким образом, получают монохроматизированный пучок на выходе устройства с энергией, соответствующей брэгговскому углу в диапазоне 3-8,25°. Для перехода к более мягкому диапазону энергий, которому соответствуют брэгговские углы от 8,25 до 80°, первый кристалл-монохроматор фиксируют во втором положении (обозначенном на фиг.1 пунктиром), затем описанная выше процедура повторяется.

Изгиб кристалла-монохроматора 2 осуществляется при помощи устройства, приведенного на фиг.2, следующим образом.

Винтовая пара 11, приводимая во вращение двигателем и опирающаяся на базовую пластину 9, осуществляет перемещение равноплечего коромысла 10, имеющего возможность качаться вокруг шарнира, расположенного на конце винта. Цилиндрические пальцы 4, закрепленные на концах коромысла 10, нажимают на подвижные стержни 5, лежащие на изгибаемом кристалле 8 и опирающиеся боковыми поверхностями на параллельные между собой плоскости верхних перекладин Г-образных кронштейнов 6. Неподвижные стержни 7, на которых лежит изгибаемый кристалл, опираются на базовую пластину 9 и параллельные между собой плоскости Г-образных кронштейнов 6. При смещении подвижных стержней 5 относительно неподвижных 7, кривизна зажатого между ними кристалла 8 пропорциональна выдвижению винта винтовой пары 11.

Такая конструкция устройства для изгиба позволяет добиться равномерного распределения изгибающего усилия и избежать деформаций, связанных с неравномерной толщиной и жесткостью кристалла, поскольку изгибающее усилие, создаваемое винтовой парой 11, равномерно распределяется как между подвижными стержнями 5, так и между концами каждого подвижного стержня.