Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИССЕРТАЦИЯ, РАЗНОЕ

Разработка методов метрологии и модификации оптической поверхности алмазной рентгеновской оптики

irina_krut2019 2070 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 69 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 15.01.2020
Цели: 1) разработать метрологические подходы анализа криволинейных оптических поверхностей рентгеновских преломляющих алмазных линз с помощью лабораторного инструментария; 2) разработать лабораторные методы модификации оптической поверхности алмазной CRL с целью снижения шероховатости ее поверхности. В рамках поставленных целей были определены и решены следующие научные задачи: 1) провести анализ существующих методов метрологии оптических поверхностей 2) определить основные геометрические параметры нового поколения алмазных CRL методами оптической и электронной микроскопии 3) оценить погрешность выбранных метрологических подходов при исследовании алмазных преломляющих линз 4) провести анализ существующих методов контролируемой модификации алмазных криволинейных поверхностей 5) апробировать метод ионно-лучевой литографии для уменьшения шероховатости оптической криволинейной поверхности алмазной преломляющей линзы.
Введение

Начиная с момента открытия в 1895 году, рентгеновское излучение нашло широкое применение в самых различных областях науки и промышленности, начиная с медицины, микроэлектроники, структурной биологии, заканчивая фемтосекундной химией. Сегодня различные методы диагностики с использованием жесткого рентгеновского излучения (от 10 до 100 кэВ) обладают огромным потенциалом для исследования структур и материалов на микро- и нано-размерном масштабе. Совершенствование методов исследования неразрывно связано с улучшением параметров источников рентгеновского излучения. Сегодня во всем мире активно идут разработки и строительство новых синхротронных источников 4-го поколения и лазеров на свободных электронах (XFEL), обладающих беспрецедентной яркостью и мощностью излучения, а также высокой степенью пространственной когерентности. Однако новые и обновленные источники требуют поиска новых рентгенооптических материалов и оптических элементов для управления параметрами пучка и транспорта излучения, способных выдерживать экстремальные термические и радиационные нагрузки и передавать излучение с сохранением его когерентных свойств. И такой вид оптики был предложен 20 лет назад - преломляющая рентгеновская оптика (Compound Refractive Lens, CRL). Сегодня данный вид оптики успешно используется для подготовки, транспорта и формирования пучков рентгеновского излучения на ведущих синхротронах 3-го поколения [1, 2]. Однако несмотря на широкое распространение CRL, преломляющая оптика продолжает сегодня активно развиваться [3]. Сравнительно недавно были представлены алмазные CRL для новых рентгеновских источников с высокой терморадиационной нагрузкой, которые показали свою высокую эффективность на источниках СИ [4, 5]. Однако, из-за высокой прочности и твердости алмаза, преломляющие линзы изготавливаются исключительно методом лазерной абляции, что не позволяет получать высококачественные оптические поверхности. Поэтому в рамках выполнения данной работы были поставлены и выполнены следующие цели и задачи.
Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ 5 1.1. Рентгеновское излучение 5 1.2. Синхротронное излучение 8 1.3 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом 10 1.3.1 Показатель преломления 10 1.3.2 Фокусировка рентгеновского излучения 12 1.3. Преломляющая рентгеновская оптика 14 1.4. Алмазные преломляющие рентгеновские линзы 17 ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ 23 2.1. Метод лазерной абляции 23 2.2. Метод электронной микроскопии 24 2.3. Метод ионно-лучевой литографии 29 2.2.3 Двулучевая система FIB-SEM Zeiss CrossBeam 540 36 2.4. Точность изготовления рентгеновской линзы 42 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 45 3.1. Исследование алмазных преломляющих линз методом оптической микроскопии 45 3.2. Метрология алмазных линз методом электронной микроскопии 48 3.3. Микрообработка оптической поверхности алмазных рентгеновских линз 52 3.3.1 Отладка процесса травления алмаза методом FIB 52 3.3.2 Микрообработка алмазной преломляющей линзы методом FIB 55 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 61
Список литературы

1. Snigirev, A., V. Kohn, I. Snigireva, and B. Lengeler. A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays // Nature. 1996. Vol. 384(6604). P. 49-51. 2. Snigirev A., Snigireva I. Hard X-ray microoptics //Modern Developments in X-Ray and Neutron Optics. Springer, Berlin, Heidelberg, 2008. С. 255-285. 3. Petrov A. K. et al. Polymer X-ray refractive nano-lenses fabricated by additive technology // Optics Express. 2017. Т. 25. №. 13. С. 14173-14181. 4. Polikarpov, M., Kononenko, T. V., Ralchenko, V. G., Ashkinazi, E. E., Konov, V. I., Snigireva, I., Ershov, P., Kuznetsov, S., Yunkin, V., Polikarpov, V. M. & Snigirev, A. Diamond X-ray refractive lenses produced by femto-second laser ablation // Proceedings of SPIE. 2016. Vol. 9963. P. 99630Q. 5. Polikarpov, M., Snigireva, I., Morse, J., Yunkin, V., Kuznetsov, S. & Snigirev, A. Large-acceptance ?diamond planar refractive lenses manufactured by laser cutting // Journal of Synchrotron Radiation. 2015. Vol. 22. P. 23-28. ? 6. Attwood, D. and A. Sakdinawat. X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation: Principles and Applications // Cambridge University Press. Cambridge, UK. 2017. 7. Als-Nielsen, J. and D. McMorrow. Elements of Modern X-ray Physics // John Wiley & Sons. second edition. 2011. 8. Snigirev, A., V. Kohn, I. Snigireva, and B. Lengeler. A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays // Nature. 1996. Vol. 384(6604). P. 49-51. 9. Kohn, V.G. An exact theory of imaging with a parabolic continuously refractive X-ray lens //Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2003. Vol. 97(1). P. 204-215. 10. Kohn, V.G. Semianalytical theory of focusing synchrotron radiation by an arbitrary system of parabolic refracting lenses and the problem of nano-focusing // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2009. Vol. 3(3). P. 358-364. 11. Bilderback, D.H., S.A. Hoffman, and D.J. Thiel. Nanometer spatial resolution achieved in hard X-ray imaging and Laue diffraction experiments // Science. 1994. Vol. 263(5144). P. 201-203. 12. Tummler, J. Development of Compound Refractive Lenses for Hard X Rays. A Novel Instrument in Hard X-ray Analysis // Rheinisch-Westfa?lische Technische Hochschule (RWTH) Aachen. 2000. 13. Lengeler, B., C.G. Schroer, B. Benner, T.F. Gu?nzler, M. Kuhlmann, J. Tu?mmler, A.S. Simionovici, M. Drakopoulos, A. Snigirev, and I. Snigireva. Parabolic refractive X-ray lenses: a breakthrough in X-ray optics // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2001. Vol. 467- 468(PART II). P. 944-950. 14. Schroer, C.G., B. Lengeler, B. Benner, T.F. Gu?nzler, M. Kuhlmann, A.S. Simionovici, S. Bohic, M. Drakopoulos, A. Snigirev, I. Snigireva, and W.H. Schro?der. Microbeam production using compound refractive lenses: Beam characterization and applications. // X-Ray Micro- and Nano-Focusing: Applications and Techniques II. 2001. San Diego, CA. Vol. 4499. P. 52-63. 15. Lengeler, B., C.G. Schroer, B. Benner, A. Gerhardus, T.F. Gunzler, M. Kuhlmann, J. Meyer, and C. Zimprich. Parabolic refractive X-ray lenses // J Synchrotron Radiat. 2002. Vol. 9(Pt 3). P. 119-24. 16. Schroer, C.G., M. Kuhlmann, B. Lengeler, T.F. Gu?nzler, O. Kurapova, B. Benner, C. Rau, A.S. Simionovici, A.A. Snigirev, and I. Snigireva. Beryllium parabolic refractive x-ray lenses. // Design and Microfabrication of Novel X-Ray Optics. 2002. Seattle, WA. Vol. 4783. P. 10-18. 17. Kuznetsov, S., I. Snigireva, A. Snigirev, C. Schroer, and B. Lengeler. X-ray optical objective based on Al and Be compound refractive lenses. // Design and Microfabrication of Novel X- Ray Optics II. 2004. Denver, CO. Vol. 5539. P. 200-207. 18. Lengeler, B., C.G. Schroer, M. Kuhlmann, B. Benner, T.F. Gu?nzler, O. Kurapova, F. Zontone, A. Snigirev, and I. Snigireva. Beryllium parabolic refractive x-ray lenses. // Design and Microfabrication of Novel X-Ray Optics II. 2004. Denver, CO. Vol. 5539. P. 1-9. 19. Bruno, L., G.S. Christian, K. Marion, B. Boris, G. Til Florian, K. Olga, Z. Federico, S. Anatoly, and S. Irina. Refractive x-ray lenses // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Vol. 38(10A). P. A218. 20. Snigirev, A., I. Snigireva, M. Lyubomirskiy, V. Kohn, V. Yunkin, and S. Kuznetsov. X-ray multilens interferometer based on Si refractive lenses // Proceedings of SPIE. 2014. Vol. 9207. P. 920703. 21. Michael, D., Z. Jo?rg, S. Anatoly, S. Irina, H. Maik, E. Karl, A. Vitalii, S. Leonid, and Y. Vecheslav. X-ray standing wave microscopy: Chemical microanalysis with atomic resolution // Applied Physics Letters. 2002. Vol. 81. P. 2279. 22. Ershov, P., S. Kuznetsov, I. Snigireva, V. Yunkin, A. Goikhman, and A. Snigirev. Fourier crystal diffractometry based on refractive optics // Journal of Applied Crystallography. 2013. Vol. 46(5). P. 1475-1480. 23. Wilhelm, F., G. Garbarino, J. Jacobs, H. Vitoux, R. Steinmann, F. Guillou, A. Snigirev, I. Snigireva, P. Voisin, D. Braithwaite, D. Aoki, J.P. Brison, I. Kantor, I. Lyatun, and A. Rogalev. High pressure XANES and XMCD in the tender X-ray energy range // High Pressure Research. 2016. Vol. 36(3). P. 445-457. 24. Shvyd'ko, Y., S. Stoupin, V. Blank, and S. Terentyev. Near-100% Bragg reflectivity of X-rays // Nat Photon. 2011. Vol. 5(9). P. 539-542. 25. Stoupin, S., S.A. Terentyev, V.D. Blank, Y.V. Shvyd'ko, K. Goetze, L. Assoufid, S.N. Polyakov, M.S. Kuznetsov, N.V. Kornilov, J. Katsoudas, R. Alonso-Mori, M. Chollet, Y. Feng, J.M. Glownia, H. Lemke, A. Robert, M. Sikorski, S. Song, and D. Zhu. All-diamond optical assemblies for a beam-multiplexing X-ray monochromator at the Linac Coherent Light Source // Journal of Applied Crystallography. 2014. Vol. 47(4). P. 1329-1336. 26. Zhang, L., A.A. Snigirev, I.I. Snigireva, G. Naylor, A. Madsen, F. Zontone, M. Di Michiel, and P. Elleaume. Thermo-mechanical analysis and design optimization of front-end compound refractive lens // Proceedings of SPIE. 2004. Vol. 5539. P. 48-58. 27. Snigirev, A., V. Yunkin, I. Snigireva, M.D. Michiel, M. Drakopoulos, S. Kuznetsov, L. Shabelnikov, M. Grigoriev, V. Ralchenko, I. Sychov, M. Hoffmann, and E. Voges. Diamond refractive lens for hard X-ray focusing // Proceedings of SPIE. 2002. Vol. 4783. 28. Stoupin, S., Y.V. Shvyd'ko, D. Shu, V.D. Blank, S.A. Terentyev, S.N. Polyakov, M.S. Kuznetsov, I. Lemesh, K. Mundboth, S.P. Collins, J.P. Sutter, and M. Tolkiehn. Hybrid diamond-silicon angular-dispersive x-ray monochromator with 0.25-meV energy bandwidth and high spectral efficiency // Opt Express. 2013. Vol. 21(25). P. 30932-46. 29. Abeln, T., F. Radtke, and F. Dausinger. High precision drilling with short-pulsed solid-state lasers // Proc. Laser Microfabrication Conf. ICALEO '99 (San Diego, CA). 2000. Vol. 88. P. 192-203. 30. Antipov, S., S.V. Baryshev, S. Baturin, R. Kostin, S. Stoupin, and G. Chen. Thermal analysis of the diamond compound refractive lens // Proceedings of SPIE. 2016. Vol. 9963. P. 99630R- 5. 31. Ralchenko, V.G., A.V. Khomich, A.V. Baranov, I.I. Vlasov, and V.I. Konov. Fabrication of CVD Diamond Optics with Antireflective Surface Structures // Physica status solidi (a). 1999. Vol. 174(1). P. 171-176. 32. Bjiorkman, H., P. Rangsten, P. Hollman, and K. Hjort. Diamond replicas from microstructured silicon masters // Sensors and Actuators A. 1999. Vol. 73. P. 20-29. 33. Yunkin, V., M.V. Grigoriev, S. Kuznetsov, A.A. Snigirev, and I.I. Snigireva. Planar parabolic refractive lenses for hard x-rays: technological aspects of fabrication // Proceedings of SPIE. 2004. Vol. 5539. P. 226-234. 34. Nohammer, B., J. Hoszowska, A.K. Freund, and C. David. Diamond planar refractive lenses for third- and fourth-generation X-ray sources // J Synchrotron Radiat. 2003. Vol. 10(Pt 2). P. 168-71. 35. Isakovic, A.F., A. Stein, J.B. Warren, S. Narayanan, M. Sprung, A.R. Sandy, and K. Evans- Lutterodt. Diamond kinoform hard X-ray refractive lenses: design, nanofabrication and testing // J Synchrotron Radiat. 2009. Vol. 16(Pt 1). P. 8-13. 36. Ribbing, C., B. Cederstro?m, and M. Lundqvist. Microstructured diamond X-ray source and refractive lens // Diamond and Related Materials. 2003. Vol. 12(10-11). P. 1793-1799. 37. Alianelli, L., K.J.S. Sawhney, A. Malik, O.J.L. Fox, P.W. May, R. Stevens, I.M. Loader, and M.C. Wilson. A planar refractive x-ray lens made of nanocrystalline diamond // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 108(12). P. 123107. 38. Malik, A.M., O.J.L. Fox, L. Alianelli, A.M. Korsunsky, R. Stevens, I.M. Loader, M.C. Wilson, I. Pape, K.J.S. Sawhney, and P.W. May. Deep reactive ion etching of silicon moulds for the fabrication of diamond x-ray focusing lenses // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2013. Vol. 23(12). P. 125018. 39. Fox, O.J., L. Alianelli, A.M. Malik, I. Pape, P.W. May, and K.J. Sawhney. Nanofocusing optics for synchrotron radiation made from polycrystalline diamond // Opt Express. 2014. Vol. 22(7). P. 7657-68. 40. Amann, J., W. Berg, V. Blank, F.J. Decker, Y. Ding, P. Emma, Y. Feng, J. Frisch, D. Fritz, J. Hastings, Z. Huang, J. Krzywinski, R. Lindberg, H. Loos, A. Lutman, H.D. Nuhn, D. Ratner, J. Rzepiela, D. Shu, Y. Shvyd'ko, S. Spampinati, S. Stoupin, S. Terentyev, E. Trakhtenberg, D. Walz, J. Welch, J. Wu, A. Zholents, and D. Zhu. Demonstration of self-seeding in a hard-X-ray free-electron laser // Nat Photon. 2012. Vol. 6(10). P. 693-698. 41. Abeln, T., F. Radtke, and F. Dausinger. High precision drilling with short-pulsed solid-state lasers // Proc. Laser Microfabrication Conf. ICALEO '99 (San Diego, CA). 2000. Vol. 88. P. 192-203. 42. Dausinger, F., H. Hugel, and V.I. Konov. Micromachining with ultrashort laser pulses: from basic understanding to technical applications // Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 5147. P. 106- 115. 43. Ramanathan, D. and P.A. Molian. Micro- and Sub-Micromachining of Type IIa Single Crystal Diamond Using a Ti:Sapphire Femtosecond Laser // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2002. Vol. 124(2). P. 389-396. 44. Su, S., J. Li, G.C.B. Lee, K. Sugden, D. Webb, and H. Ye. Femtosecond laser-induced microstructures on diamond for microfluidic sensing device applications // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 102(23). P. 231913. 45. Yao, N. (2007). Introduction to the focused ion beam system. In Yao, N., editor,Focused Ion Beam Systems: Basics and Applications. Cambridge University Press. 46. Orloff J., Swanson L., Utlaut M. High Resolution Focused Ion Beams: FIB and its Applications: The Physics of Liquid Metal Ion Sources and Ion Optics and Their Application to Focused Ion Beam Technology (Volume 512). – 2003. 47. Sigmund P. Sputtering by ion bombardment theoretical concepts// Sputtering by particle bombardment I. – Springer, Berlin, Heidelberg, 1981. – P. 9-71. 48. Giannuzzi L. A. et al. (ed.). Introduction to focused ion beams: instrumentation, theory, techniques and practice. – Springer Science & Business Media, 2004. 49. Reyntjens S., Puers R. A review of focused ion beam applications in microsystem technology //Journal of micromechanics and microengineering. 2001. №. 4. P. 287. 50. Focused ion beam technology and applications. Melngailis.J. J. Vac. Sci. Technol. B 5(2) pp469-495 (1987) 51. Nanoscale effects in focused ion beam processing. Frey.L, Lehrer.C and Ryssel.H. Appl. Phys. A 76 pp1017-1023 (2003). 52. Application of a focused ion beam system to micro and nanoengineering. Langford.R.M, Petford-Long.A.K, Rommeswinkle.M and Egelkamp.S. Materials Science and Technology 18 pp743-748 (2002). 53. Melngailis J. Focused ion beam technology and applications //Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics Processing and Phenomena. 1987. Vol. 5(2). P. 469-495. 54. Hecht, E. Optics // Addison-Wesley. 4th Edition. 2002. 55. Adams, D. P., et al. "Focused ion beam milling of diamond: effects of H 2 O on yield, surface morphology and microstructure." Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena 21.6 (2003): 2334-2343.
Отрывок из работы

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ Рентгеновское излучение Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1985 году. Подобно видимому свету, рентгеновское излучение является электромагнитной волной. Однако, рентгеновские лучи нельзя детектировать невооруженным глазом. Границы различных видов электромагнитных излучений, например инфракрасного, видимого, ультрафиолетового или рентгеновских лучей, точно не определены (рисунок 1.1) Однако, принято считать, что рентгеновское излучение имеет следующие границы - от 250 эВ до 100 кэВ, что соответствует длинам волн от 5 нм до 0,1 A [6]. Характеристики каждой части электромагнитного спектра в основном определяются длиной волны (?) излучения. Таким образом, взаимодействие видимого света и рентгеновских лучей с веществом существенно отличается. Благодаря более короткой длине волны рентгеновских лучей они обладают высокой проникающей способностью и подходят для изучения структуры конденсированного вещества на атомном уровне. Рисунок 1.1 - Электромагнитный спектр от ИК до ?-излучения. Большая глубина проникновения и короткая длина волны рентгеновских лучей делают их интересными с точки зрения методов визуализации объектов в проходящих лучах (радиографии) и микроскопии. Методы рентгеновского анализа, такие как рентгеновская дифракция, флуоресценция и абсорбционная спектроскопия, позволяют детально исследовать кристаллическую структуру, элементный состав, химическое состояние вещества и другое. Однако использование методов визуализации и возможности получения 3D и 4D (пространственную и временную) информации об образце без его разрушения открывают огромные перспективы для исследователей в различных областях науки. Классический способ получения рентгеновских лучей основан на возникновении тормозного и характеристического рентгеновского излучения в результате взаимодействия высокоэнергетических электронов с атомами твердого тела (рисунок 1.2б). Тормозное излучение имеет сплошной спектр, поскольку оно возникает в результате замедления электронов при взаимодействии с атомами мишени или поверхностью тела. Рисунок 1.2. а) Процесс генерации характеристического излучения. б) Спектр от рентгеновской трубки, состоящий из дискретных характеристических линий, наложенных на непрерывный тормозной фон. Характеристическое излучение является результатом взаимодействия высокоэнергетических электронов с электронной структурой атомов, в результате чего происходит релаксация атома с последующим испусканием кванта характеристического рентгеновского излучения (рисунок 1.2а). Характеристические рентгеновские лучи уникальны для каждого элемента периодической таблицы, что активно используется в ряде аналитических методов исследования. Одним из наиболее важных параметров для характеристики рентгеновских источников является яркость излучения. Яркость определяется как отношение количества фотонов в секунду в заданной полосе пропускания ?E/E, деленное на размер источника S и телесный угол ?. Параметр яркости используется для сравнения различных источников рентгеновского излучения (рисунок 1.3): Яркость= (Число фотонов/сек)/(?(?мм?^2 размер источника)•(0.1%BW) ) (1.1) Рисунок 1.3 – Развитие и увеличение яркости источников рентгеновского излучения Синхротронное излучение Появление ускорителей частиц в 1950 годах дало мощный толчок в развитии источников синхротронного излучения. Синхротронное излучение (СИ) - термин, характеризующий электромагнитное излучение, которое получают путем движения по замкнутой орбите заряженных частиц (как правило, электронов, иногда позитронов), со скоростью, близкой к скорости света. Таким образом, синхротрон представляет собой ускоритель частиц, или ускоряющее кольцо, используемое в качестве источника света, которое может быть применено к широкому кругу экспериментальных целей. Для поддержания электронного пучка на орбите, используются различные типы магнитов, такие, как поворотные магниты, квадрупольные и секступольные магниты. Объекты синхротронного излучения, обладающие наибольшей яркостью, такие как ESRF в Гренобле или PETRA III в Гамбурге, состоят из накопительного кольца, отклоняющего электроны при энергиях несколько ГэВ, и последующей генерации излучения [7] как в поворотных магнитах, которые заставляют двигаться электроны по замкнутой орбите, так и в специальных устройствах, таких как вигглеры или ондуляторы, встраиваемых в прямые участки накопительного кольца. Полученное таким образом излучение спектрально фильтруют в монохроматоре и направляют в экспериментальную кабину. На рисунке 1.4 показан рисунок электронного накопительного кольца и схематический путь электрона, проходящего через ондулятор. Рисунок 1.4. Схематическое изображение рентгеновского электронного накопителя и ондулятора. Накопительные кольца состоят из прямых сегментов, расположенных в кольцевой форме и соединенных с помощью поворотных магнитов. Поворотные магниты используются для изменения направления распространения электронного пучка и исторически являются первыми источниками света для экспериментов с синхротронным излучением. Спектр, излучаемый из этих поворотных магнитов, представляет собой широкую полосу длин волн. Необходимо применять спектральную фильтрацию, если требуется узкая полоса пропускания. Другой возможностью переноса кинетической энергии электронов в электромагнитное излучение является использование «ондуляторов», размещенных в прямых сегментах накопительного кольца. Ондуляторы создают гораздо более узкое спектральное излучение и состоят из периодически расположенных дипольных магнитов, которые заставляют электронный пучок колебаться с длиной волны ?_u, что соответствует периодичности магнитного поля. Поэтому электрон излучает во время ускорения в соответствии с излучающим диполем. В рамках быстрого электрона, проходящего через магнитное расположение, его периодичность ?_u будет сжиматься до ?^'=?_u/? (1.2) с коэффициентом Лоренца: ?=1/v(1-?^2 ) (1.3) Где ? = v / c - относительная скорость электронов v и скорость света в вакууме c. Поэтому излучаемый свет имеет частоту f^'=c/?^' =c?/?_u (1.4) Для стационарного наблюдателя f^' отличается из-за допплеровского сдвига во время излучения. Сила сдвига зависит от относительной скорости и, следовательно, от угла наблюдения ?. Для полученных рентгеновских лучей это приводит к радиальной зависимости длины волны от формы пучка. Влияние допплеровского сдвига на испускаемую световую частоту с рассмотренными релятивистскими эффектами можно записать в виде f=(f^' )/(?(1-?•cos?)) (1.5) Рассмотрение только центральной части пучка (? = 0) приводит к f=(с )/(?_u (1-?)) (1.6) Что касается электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света ? = v / c?1, уравнение можно записать в виде 1 - ? ? 1/(2?^2). Испускаемая длина волны по длине пучка может быть рассчитана как ?=?_u/(2?^2 ) (1.7) Это описывает, что длина волны электромагнитного излучения от ондулятора зависит от периодичности магнитного устройства и коэффициента Лоренца, который является главным образом параметром конструкции синхротронного объекта. 1.3 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом 1.3.1 Показатель преломления Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом с точки зрения оптики описывается через показатель преломления n: n=1-?+i? (1.8) где ? - декремент показателя преломления, который показывает насколько сильно преломляются рентгеновские лучи при попадании из вакуума в материал. В рентгеновском диапазоне он имеет положительное значение порядка 10-6 при энергиях фотонов 20 кэВ. Мнимая часть ? показателя преломления n описывает поглощение, причем ? меньше ? на 2-3 порядка (10 9). Они обе могут быть получены из выражения для структурного фактора рассеяния f= Z + f' + if'', где Z - атомное число, а f' + if''- дисперсионная поправка. Что позволяет представить показатель преломления в другом виде: n=1-C(Z+f'+if''), (1.9) где ?=N_A/2? r_0 ?^2 ?/A (Z+f^' ), (1.10) ?=N_A/2? r_0 ?^2 ?/A ?f^'?^'=??/4?, (1.11) C=N_A/2? r_0 ?^2 ?/A (1.12) Здесь N_A - число Авогадро, а ? = 2nc/? - длина волны падающего рентгеновского излучения. Параметры ? и A - плотность и атомная масса материала. В связи с тем, что практически для всех материалов отношение Z/A находится в пределах от 0,3 до 0,5, параметр ?, представляющий плотность, является единственным параметром материала, который оказывает влияние на уменьшение показателя преломления. N_A ? / A представляет собой число атомов в интересующем объеме, а значение r_0 = e_0^2/ (4n?_0 m_0 c^2) - боровский радиус электрона, где m_0 - масса покоя электрона. Поэтому, рассеяние ядром не учитывается, поскольку масса ядра на три порядка тяжелее массы электрона. Даже при игнорировании поглощения (? = 0), показатель преломления n для рентгеновских лучей в веществе меньше единицы. Поэтому для рентгеновского излучения вещество оптически тоньше вакуума и в результате фазовая скорость рентгеновского излучения в веществе больше, чем в вакууме. Это не нарушает релятивистского закона, потому что только фазовая скорость, v_ph = ? / k больше, чем c. Групповая скорость, v_(gr )= ?/k, которая является решающей величиной для передачи информации, не превышает вакуумной скорости света c. В качестве примера в таблице 1.1 показаны значения показателя преломления ? для различных элементов. Таблица 1.1. Декремент показателя преломления, ?, бериллия (Be), алюминия (Al), алмаза (C) и кремния (Si) для различных энергии?. Материал Плотность Значение ? [10-6] для различных энергий [кэВ] 5 10 15 20 30 Be 1.85 13.66 3.41 1.51 0.85 0.38 C (алмаз) 3.52 29.33 7.30 3.24 1.82 0.81 Al 2.70 22.19 5.46 2.42 1.35 0.60 Si 2.33 19.83 4.89 2.16 1.21 0.54 1.3.2 Фокусировка рентгеновского излучения Для понимания принципа работы преломляющей рентгеновской линзы необходимо рассмотреть преломление рентгеновских лучей в материале. Для этого рассмотрим плоскую волну, распространяющаяся в среде с комплексным показателем преломления n1, которая падает на гладкую поверхность раздела сред, имеющей показатель преломления n2. В общем случае при этом будут наблюдаться прошедшая и отраженная волны. Причем распространение прошедшей волны будет описываться законом Снеллиуса, который также действует в рентгеновском диапазоне n_1•cos?_1=n_2•cos?_2 (1.13) где ?_1 и ?_2 - углы между поверхностью и падающим и преломленным лучом соответственно. На рисунке 1.5 показана разница преломления для видимого света и рентгеновских лучей. В рентгеновском диапазоне луч преломляется от нормали, так как показатель преломления меньше единицы. Кроме того, преломление от нормали поверхности означает, что возникает полное внешнее отражение (рисунок 1.5в), когда угол падения критического угла: ?_с=v2? (1.14) Это указывает на то, что полное внешнее отражение происходит только при очень малых углах. Так как декремент показателя преломления очень мал ( ? ??10?^(-6)), критический угол будет порядка единиц милирадиан. Этот эффект широко используется в рентгеновском инструментарии, в том числе для фокусировки рентгеновского излучения с помощью изогнутых зеркал. Рисунок 1.5. (a) Преломление для видимого света. Показатель преломления больше единицы, угол преломления ?_2 больше угла падения ?_1. (б) Преломление для рентгеновских лучей. Показатель преломления меньше единицы, угол преломления ?_2 меньше угла падения ?_1. в) Полное внешнее отражение. Преломляющая рентгеновская оптика Малое значение декремента показателя преломления и сравнительно большое значение коэффициента затухания рентгеновских лучей в веществе по сравнению с видимым светом в стекле является основной трудностью при разработке преломляющих линз. Именно по этой причине эти линзы долгое время считались непрактичными. Однако, в 1996 году были изготовлены первые составные преломляющие рентгеновские линзы (CRL) [1]. Анатолии? Снигирев с коллегами провели эксперимент с составными преломляющими линзами, в котором показывают возможность фокусировки рентгеновского излучения с размером пятна в несколько микрометров. В настоящий момент преломляющая оптика получила широкое распространение и внедрение: более 1000 статей выпущено по тематике преломляющей оптики, данный тип оптики является стандартным инструментом фокусировки на мировых исследовательских станциях синхротронного излучения.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Диссертация, Разное, 122 страницы
3050 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg