Устройство для формирования направленного пучка рентгеновского излучения

Устройство для формирования направленного пучка рентгеновского излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области технической физики, а именно к средствам для формирования направленного пучка рентгеновского излучения из расходящегося пучка, создаваемого точечным или квазиточечным источником.

Известны устройства указанного назначения, представляющие собой рентгеновские линзы, содержащие множество (до сотен тысяч) каналов-капилляров для транспортирования рентгеновского излучения с использованием явления полного внешнего отражения (патент США №5192869, опубл. 09.03.93 [1]; патент Российской Федерации №2164361, опубл. 20.03.2001 [2]). Такие устройства обладают хорошими показателями функционирования, однако сложны в изготовлении, требуя выполнения большого количества ручных операций.

Поэтому наряду с совершенствованием устройств указанного типа продолжается разработка и более простых устройств, содержащих небольшое количество (один или несколько) каналов. Так, известны устройства, содержащие отражающую поверхность, которой является внутренняя сторона поверхности, ограничивающей тело вращения, образующей которого является прямая линия. В устройстве по европейскому патенту №0244504 (опубл. 27.10.1993 [3]) 0244504 (опубл. 27.10.1993 [3]) отражающая поверхность имеет цилиндрическую форму, в устройстве по патенту США №5,101,422 (опубл. 31.03.1992 [4]) - форму сужающегося в сторону выхода конуса, в устройстве по патенту Республики Беларусь №3662 (опубл. 30.12.2000 [5]) - форму расширяющегося к выходу конуса.

Для устройств [3]-[5] характерна малая величина угла захвата рентгеновского излучения. Под углом захвата понимается телесный угол, из которого устройство может "собирать" расходящееся излучение источника, подлежащее преобразованию в направленный пучок. Для указанных устройств угол захвата представляет собой конус с углом при вершине, не превышающим 2Θ_кр, где Θ_кр - критический угол полного внешнего отражения. Это объясняется тем, что излучение, вошедшее в устройство под углом более Θ_кр к его продольной оси (которой является ось вращения образующей указанной поверхности), не может пройти на выход ни непосредственно, ни в результате отражения от упомянутой поверхности. Далее в качестве меры угла захвата будет рассматриваться величина угла при вершине упомянутого конуса.

Известно также устройство по патенту США №5,768,339 (опубл. 16.06.1998 [6]). Это устройство тоже содержит отражающую поверхность, которой является внутренняя сторона поверхности, ограничивающей тело вращения. При этом образующей этой поверхности является парабола, фокус которой расположен на оси вращения. При использовании устройства точечный или квазиточечный источник излучения должен быть совмещен с этой точкой. Анализ принципа действия данного устройства показывает, что его угол захвата, понимаемый в описанном выше смысле, составляет 4Θ_кр. Это объясняется тем, что в соответствии со свойствами параболоида вращения луч, исходящий из фокуса, после отражения имеет направление, параллельное оси вращения. В то же время отраженный луч образует с падающим лучом, исходящим из фокуса, угол, не превышающий 2Θ_кр (так как лучи, падающие на отражающую поверхность под углом более Θ_кр, не могут отразиться от нее). Поэтому угол между исходящим из фокуса лучом, способным отразиться, и осью вращения тоже не превышает 2Θ_кр. Но этот угол составляет половину полного угла захвата, т.е. последний составляет 4Θ_кр, т.е. в два раза больше, чем у устройств, известных из патентов [3]-[5]. Однако и этот угол остается малым по сравнению с углом захвата устройств [1], [2], выполненных в виде капиллярной линзы.

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в увеличении угла захвата излучения источника.

Известное устройство по патенту [6] наиболее близко к предлагаемому изобретению.

Устройство для формирования направленного пучка рентгеновского излучения согласно предлагаемому изобретению, как и наиболее близкое к нему известное по патенту [6], содержит отражающую поверхность в виде поверхности вращения и имеет фокусную точку, расположенную на осевой линии указанной поверхности вращения.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве в отличие от наиболее близкого к нему известного образующая указанной поверхности вращения имеет форму кривой, касательная к которой в любой точке кривой образует с направлением на указанную фокусную точку один и тот же угол, не превышающий критического угла полного внешнего отражения для рентгеновского излучения используемого диапазона. При этом отражающая поверхность является либо внутренней поверхностью профилированного трубчатого элемента, выполненного из отражающего рентгеновское излучение материала или имеющего покрытие из такого материала, либо поверхностью профилированного канала в монолитном теле, выполненном из отражающего рентгеновское излучение материала или имеющем покрытие из такого материала на поверхности указанного канала, либо границей между поверхностью профилированного монолитного стержня из рентгенопрозрачного материала и слоем нанесенного на этот стержень покрытия из отражающего рентгеновское излучение материала.

Благодаря такой форме образующей отражающей поверхности для любой ее точки существует способный отразиться луч, исходящий из фокусной точки. Иначе говоря, не существует такого направления исходящего луча, при котором он не мог бы отразиться, что и объясняет возможность увеличения угла захвата. Излучение по мере приближения к выходу устройства, повторно отражаясь, все больше "прижимается" к отражающей поверхности, и после выхода из нее формируется направленный пучок сконцентрированного излучения. При этом наличие описанных путей реализации отражающей поверхности позволяет использовать при изготовлении устройства разнообразные технологические приемы, обеспечивающие соблюдение условий, предъявляемых к форме этой поверхности.

В частном случае выполнения устройства угол между осью вращения и направлением из фокусной точки в наиболее удаленную от нее точку указанной кривой меньше указанного угла между касательной к кривой в любой ее точке и направлением на фокусную точку. При выполнении этого условия формируемый пучок будет нерасходящимся.

Устройство может быть выполнено таким образом, что касательная к указанной кривой в ее концевой точке, наиболее удаленной от фокусной точки, параллельна осевой линии. В этом случае обеспечивается формирование пучка выходного излучения, практически параллельного продольной оси устройства, совпадающей с упомянутой осью вращения (отклоняющегося от этой оси не более чем на угол Θ_кр).

Предлагаемое устройство может дополнительно содержать одну или несколько отражающих поверхностей, коаксиально вложенных в указанную. При этом для каждой из таких дополнительных поверхностей должно быть выполнено указанное условие, относящееся к углу между касательной к образующей кривой, являющейся образующей этой поверхности, и направлением на фокусную точку. При таком выполнении устройства оно формирует пучок, распределение интенсивности излучения в котором более равномерно.

Устройство может дополнительно содержать отражающую поверхность, симметричную указанной отражающей поверхности относительно плоскости, перпендикулярной к указанной осевой линии и проходящей через указанную концевую точку, в которой касательная к указанной кривой параллельна осевой линии. В этом случае устройство может формировать сфокусированный пучок, симметричный захватываемому устройством входному пучку и сходящийся в точке, расположенной на продольной оси симметрично фокусной точке.

В последнем случае между двумя указанными симметричными по отношению друг к другу отражающими поверхностями может быть расположена сопряженная с ними цилиндрическая отражающая поверхность. Такое конструктивное выполнение создает дополнительные технологические возможности, в частности позволяет получить желаемую общую длину устройства.

При выполнении предлагаемого устройства с одной или несколькими коаксиально вложенными дополнительными отражающими поверхностями каждая из отражающих поверхностей может быть сопряжена с цилиндрической отражающей поверхностью своей частью, в которой концевая точка образующей параллельна осевой линии.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами фиг.1-6, на которых устройство представлено схематически, и фиг.7-9, на которых показаны различные возможные случаи его практической реализации:

- на фиг.1 - продольный разрез предлагаемого устройства в случае, когда оно имеет единственную отражающую поверхность;

- на фиг.2 - устройство по фиг.1 и распределение интенсивности излучения в его выходном пучке;

- на фиг.3 - устройство, имеющее внешнюю отражающую поверхность, аналогичную показанной на фиг.1, и вложенные в нее отражающие поверхности, а также распределение интенсивности излучения в выходном пучке этого устройства;

- на фиг.4 - устройство, содержащее отражающую поверхность, показанную на фиг.1, сопряженную с симметричной ей поверхностью;

- на фиг.5 - устройство, аналогичное показанному на фиг.4, но имеющее цилиндрическую вставку между симметрично расположенными отражающими поверхностями;

- на фиг.6 - устройство, аналогичное показанному на фиг.3, но имеющее цилиндрические части, сопряженные с каждой из отражающих поверхностей;

- на фиг.7 - выполнение устройства в виде профилированного тонкостенного трубчатого элемента, внутренняя сторона которого выполняет роль отражающей поверхности;

- на фиг.8 - устройство, в котором отражающей поверхностью является поверхность канала, выполненного в монолитном теле;

- на фиг.9 - устройство, выполненное в виде монолитного профилированного рентгенопрозрачного стержня, покрытого отражающим материалом, граница которого с поверхностью стержня является отражающей поверхностью для рентгеновского излучения.

Предлагаемое устройство имеет (фиг.1) отражающую поверхность в виде поверхности тела вращения. Образующая этого тела вращения имеет форму кривой 1 (в дальнейшем обозначение 1 будет использоваться в тексте также для самой отражающей поверхности, поскольку она пересекается с плоскостью чертежа по линии 1). Касательная к кривой 1 в любой ее точке (см., например, точки P₁, Р₂, Р₃; чтобы избежать загромождения чертежа, касательная 3 показана только для точки P₁) образует с направлением на фокусную точку F (для точки P₁ такое направление обозначено 9), лежащую на оси 2 вращения, один и тот же угол α. Указанная ось 2 является также продольной осью устройства и его оптической осью. При этом угол α не превышает критического угла полного внешнего отражения для рентгеновского излучения используемого диапазона (т.е. α≤Θ_кр). Благодаря выполнению этого условия любой луч точечного или квазиточечного источника, расположенного в фокусной точке F, достигший отражающей поверхности 1, может отразиться. В нижней части фиг.1 показаны два таких луча - Х₄ и X₅, достигающих отражающей поверхности соответственно в точках Р₄ и Р₅. Отраженный луч X₄₁ далее вновь достигает отражающей поверхности в точке Р₆. Можно показать, исходя из охарактеризованного выше свойства образующей поверхности вращения 1, что угол между лучом X₄₁ и касательной плоскостью к этой поверхности в точке Р₆ будет меньше, чем в предшествующей точке Р₄. Поэтому этот луч тоже отразится в виде луча Х₄₂, но под меньшим углом, чем породивший его луч X₄₁. Иначе говоря, в результате последовательных отражений луч все больше "прижимается" к отражающей поверхности. Масштаб чертежа не позволяет показать большое количество отражений, поэтому на фиг.1 лучи Х₅₁ и Х₄₂ покидают устройство, выходя из него через левый торец.

В результате описанных процессов формируется направленный пучок излучения, большая часть которого сосредоточена вблизи поверхности конуса или цилиндра, в зависимости от направления касательной к отражающей поверхности в окрестности выхода устройства, т.е. в точке, наиболее удаленной от фокусной.

Если выходной торец устройства соответствует линии на фиг.1, соединяющей точки Р₀ и Р₆, в которых касательная к кривой 1 параллельна осевой линии 2 (такая касательная 4 показана для точки Р₀), то обеспечивается формирование пучка квазипараллельного выходного излучения, отклоняющегося от продольной оси 2 устройства не более чем на угол α≤Θ_кр. Форма этого пучка близка к цилиндрической. Распределение интенсивности излучения в этом пучке вдоль его диаметра имеет вид, показанный в левой части фиг.2. В периферийной части распределение выходит за пределы поперечного размера устройства, что объясняется прохождением на выход части излучения источника, распространяющегося в интервале углов ±α без отражения от поверхности 1. Максимум интенсивности в части пучка, близкой к его периферии, является результатом упомянутого "прижимания" излучения к отражающей поверхности. В центральной части пучка интенсивность излучения снова мала, поскольку обусловлена (как и на периферии пучка) непосредственным прохождением на выход излучения источника без концентрации этого излучения отражающей поверхностью.

Если выходной торец устройства находится левее линии, соединяющей точки Р₀ и Р₆, в которых касательная к кривой 1 параллельна осевой линии 2 (часть кривой 1 левее точек Р₀ и Р₆ показана ни фиг.1 пунктиром), то формируется пучок, основная часть излучения которого сосредоточена в пределах сужающегося конуса. Распределение интенсивности излучения в этом пучке вдоль его диаметра аналогично показанному в левой части фиг.2.

В обоих описанных выше случаях угол между осью 2 вращения (продольной осью устройства) и направлением из фокусной точки F в наиболее удаленную от нее точку указанной кривой не превышает угла α между касательной к кривой в любой ее точке и направлением на фокусную точку. Например, если концевой (наиболее удаленной от фокуса) точкой является показанная на фиг.1 точка Р₀, то имеет место равенство угла между направлением в эту точку из точки F и осью 2. Именно этот угол (угол α между осью 2 и наклонной пунктирной линией) показан на фиг 1. Такое же условие выполняется для точки Р₆. Для любой точки кривой 1, расположенной левее точек Р₀ и Р₆ (эта часть кривой 1 изображена на фиг.1 пунктиром), обсуждаемый угол будет меньше α. Иначе говоря, выполнение рассматриваемого условия для обсуждаемого угла гарантирует, что выходной пучок будет нерасходящимся, т.е. близким по форме к цилиндру или к конусу, сужающемуся по мере удаления от выхода устройства.

Если выходной торец устройства находится правее линии, соединяющей точки Р₀ и Р₆, в которых касательная к кривой 1 параллельна осевой линии 2, то формируется пучок, основная часть излучения которого сосредоточена в пределах расширяющегося конуса. Распределение интенсивности излучения в этом пучке вдоль его диаметра тоже аналогично показанному в левой части фиг.2.

На фиг.1 показан угол 1/2 ϕ₃ - половина угла захвата. Как видно из приведенного объяснения и чертежа, этот угол зависит от расстояния между фокусной точкой F и входным (правым по фиг.1) торцом устройства: чем меньше это расстояние, тем больше угол захвата. Поэтому ограничений принципиального характера для увеличения угла захвата не существует. Теоретически угол захвата мог бы быть даже более 2π стерадиан, но для этого пришлось бы помещать точечный источник в фокусную точку, находящуюся внутри устройства (левее его правого торца).

На практике уменьшение расстояния между фокусной точкой F и правым торцом устройства может быть затруднено тем, что при приемлемых размерах устройства и соотношении этих размеров друг с другом упомянутое расстояние и радиус R₂ входного торца оказываются весьма малыми. Тем не менее реально может быть получен угол захвата, существенно превышающий предельно достижимый угол захвата для наиболее близкого известного устройства по патенту [6].

Так, например, при соотношении радиусов выходного и входного торцов R₁/R₂=11 (например, R₁=11 мкм, R₂=1 мкм) угол захвата ϕ₃≈10Θ_кр, т.е. в 2,5 раза больше, чем в устройстве по патенту [6]. Это позволяет более чем в 6 раз (2,5²) улучшить использование энергии источника.

Выше была отмечена неравномерность распределения интенсивности излучения вдоль диаметра выходного пучка устройства по фиг.1. В большинстве практических задач, требующих наличия излучения высокой яркости в весьма "тонком" пучке, эта особенность не является существенным негативным фактором. Но если необходимо получить более равномерное распределение интенсивности излучения в пучке, то устройство может быть снабжено дополнительными отражающими поверхностями, вложенными в изображенную на фиг.1, как показано на фиг.3, где такими вложенными поверхностями являются поверхности 11 и 21, коаксиальные внешней поверхности 1. Для каждой из вложенных поверхностей должны быть выполнены те же условия, что и для внешней поверхности 1, в том числе условие параллельности касательной в одной из концевых точек осевой линии (продольной оси устройства) 2. Поэтому показанные на фиг.3 концевые точки Р₀, 23, 33 должны находиться на одной и той же прямой 6, проходящей через фокусную точку F и образующей с осевой линией 2 угол α≤Θ_кр.

В устройстве по фиг.3 каждая из отражающих поверхностей 1, 21, 31 захватывает часть того пучка излучения источника, который захватывается устройством по фиг.1. Каждая из них формирует свой пучок с максимумом интенсивности в его периферийной части. Поэтому суммарное распределение интенсивности излучения в выходном пучке устройства имеет вид, показанный в левой части фиг.3.

Для формирования сфокусированного пучка, симметричного захватываемому устройством входному пучку, предлагаемое устройство выполняется в соответствии с фиг.4. В этом случае оно дополнительно содержит отражающую поверхность 11, симметричную отражающей поверхности 1 относительно плоскости 5, перпендикулярной к осевой линии 2 и проходящей через концевую точку Р₀, в которой касательная 4 к образующей поверхности вращения 1 параллельна осевой линии 2. При таком выполнении устройство формирует пучок, сходящийся в точке F₂, расположенной на продольной оси 2 симметрично фокусной точке F₁, в которой размещен источник расходящегося излучения. Такая работа устройства обеспечивается в силу принципа обратимости траекторий фотонов (см.: М.А.Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.35 [7]). Этот принцип заключается в том, что если в устройство со стороны его выхода, используемого как вход, подать пучок, форма которого соответствует первоначальному выходному пучку, но с противоположным направлением лучей, то на стороне бывшего входа, рассматриваемого теперь как выход, может быть получен пучок, форма которого соответствует первоначальному входному, но при противоположном направлении распространения лучей. Действительно, поскольку вторая отражающая поверхность 11 симметрична первой поверхности 1, то выходное излучение правой по фиг.4 половины устройства, содержащей поверхность 1, попадая в идентичную ей левую половину, претерпевает в ней обратное преобразование, в результате чего на выходе формируется пучок, симметричный той части пучка излучения источника, находящегося в точке F₁, которая захватывается устройством. Сказанное иллюстрируется траекториями двух лучей на фиг.4. Первый из них (Х₄), отражаясь в точке Р₄, становится лучом X₄₁, который после отражения в точке P₆ становится лучом Х₄₂ и далее после отражения в точке Р₇ - лучом Х₄₃, который достигает выходной фокусной точки F₂. Аналогично, луч Х₅ достигает фокусной точки F₂ после отражения в точке P₅, где он становится отраженным лучом X₅₁, и отражения в точке Р₇, где он становится отраженным лучом Х₅₂, который приходит в фокусную точку F₂.

Симметричные отражающие поверхности 1 и 11 необязательно должны быть соединены одна с другой непосредственно. Они могут быть разделены цилиндрической вставкой 16 (фиг.5). Штриховые линии 8, 7 на фиг.5 соответствуют границам поверхностей 1 и 11. Вставка 16 может быть полезна по тем или иным соображениям технологического характера, например, для обеспечения требуемой общей длины устройства.

Аналогично, устройство по фиг.3 может быть снабжено цилиндрическими вставками 26, 36, сопряженными с вложенными поверхностями 23 и 33, чтобы сделать их длину одинаковой с длиной внешней отражающей поверхности 1 и длиной устройства в целом, а внешняя поверхность 1 тоже может быть сопряжена с цилиндрической частью 16 (см. фиг.6). Штриховые линии 8, 10, 12 на фиг.6 соответствуют границам поверхностей 1, 21, 31. Указанные цилиндрические части не нарушают работу устройства.

При изготовлении предлагаемого устройства могут быть использованы технологические приемы, описанные в патенте Российской Федерации №2096353 (опубл. 20.11.1997 [8]).

В частности, устройство по фиг.4 может быть изготовлено в виде профилированного трубчатого элемента (см. фиг.7) со стенкой 111, внутренняя сторона которой выполняет роль отражающих поверхностей 1, 11, соответствующих поверхностям 1, 11 на фиг.4. Отражающие поверхности 1, 11 могут принадлежать непосредственно стенке 111. В этом случае их материал идентичен материалу стенки. Но отражающая поверхность может быть образована и покрытием из другого материала, нанесенного на внутреннюю сторону стенки 111. Технология нанесения отражающего покрытия также описана в патенте [8]. Аналогично описанному выше могут быть реализованы и устройства по фиг.1, фиг.5.

На фиг.8 представлен вариант выполнения устройства по фиг.4, в котором роль отражающих поверхностей 1, 11 играет поверхность профилированного канала 110, выполненного в монолитном теле 112. В этом случае отражающей поверхностью может быть как непосредственно поверхность канала 110 (т.е. материал отражающей поверхности идентичен материалу монолитного тела 112), так и нанесенное на поверхность канала отражающее покрытие. Подобным образом может быть реализовано и устройство по фиг.1, фиг.5.

На фиг.9 представлен вариант выполнения устройства по фиг.4 в виде монолитного профилированного рентгенопрозрачного стержня 113, покрытого слоем 114 отражающего материала. Граница последнего с поверхностью стержня выполняет роль отражающих поверхностей 1,11, соответствующих поверхностям 1, 11 на фиг.4. Аналогично могут быть реализованы и устройства по фиг.1, фиг.5.

Технология получения вложенных одна в другую поверхностей также описана в патенте [8]. С использованием этой технологии могут быть реализованы устройства по фиг.3 и фиг.6.

Предлагаемое устройство может найти применение в разнообразных рентгеновских аналитических приборах: в дифракционных исследованиях и измерениях, в частности при стресс-анализе, рентгенофлуоресцентном анализе для определения элементного состава веществ и материалов, в медицине, в том числе для воздействия на злокачественные новообразования, а также в устройствах для получения изображения внутренней структуры объекта.

Известно [1], что принципы управления рентгеновским излучением применимы для гамма-излучения и нейтронного излучения. Поэтому предлагаемое устройство может быть использовано также для формирования пучков частиц, имеющих энергию, характерную для таких излучений.

1. Устройство для формирования направленного пучка рентгеновского излучения, содержащее отражающую поверхность в виде поверхности вращения и имеющее фокусную точку, расположенную на осевой линии указанной поверхности вращения, отличающееся тем, что образующая указанной поверхности вращения имеет форму кривой, касательная к которой в любой точке этой кривой образует с направлением на указанную фокусную точку один и тот же угол, не превышающий критического угла полного внешнего отражения для рентгеновского излучения используемого диапазона, при этом отражающая поверхность является либо внутренней поверхностью профилированного трубчатого элемента, выполненного из отражающего рентгеновское излучение материала или имеющего покрытие из такого материала, либо поверхностью профилированного канала в монолитном теле, выполненном из отражающего рентгеновское излучение материала или имеющем покрытие из такого материала на поверхности указанного канала, либо границей между поверхностью профилированного монолитного стержня из рентгенопрозрачного материала и слоем нанесенного на этот стержень покрытия из отражающего рентгеновское излучение материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол между осью вращения и направлением из фокусной точки в наиболее удаленную от нее точку указанной кривой меньше указанного угла между касательной к кривой в любой ее точке и направлением на фокусную точку.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что касательная к указанной кривой в ее концевой точке, более удаленной от фокусной точки, параллельна осевой линии.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанная отражающая поверхность сопряжена с цилиндрической отражающей поверхностью своей частью, в которой концевая точка образующей параллельна осевой линии.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит одну или несколько отражающих поверхностей, коаксиально вложенных в указанную отражающую поверхность, причем для каждой из них выполнено указанное условие, относящееся к углу между касательной к кривой, являющейся образующей поверхности, и направлением на фокусную точку.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждая из указанных отражающих поверхностей сопряжена с цилиндрической отражающей поверхностью своей частью, в которой концевая точка образующей параллельна осевой линии.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит отражающую поверхность, симметричную указанной отражающей поверхности относительно плоскости, перпендикулярной к указанной осевой линии и проходящей через указанную концевую точку, в которой касательная к указанной кривой параллельна осевой линии.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что между двумя указанными симметричными по отношению друг к другу отражающими поверхностями расположена сопряженная с ними цилиндрическая отражающая поверхность.