CC BY
13
(Д-iL'f -,7й ,'П'Ф •! .И к» о н к .« и о ц о Я ..If Я ной ц и И Я Г» • •» м ,
,1 ; , ; у, УДК 539.172.5
.Ьэ) "яЬНой lo aoii г! U nnjsrivU': да "-v«|l Л vimibnt. .шм- ni поги/1Ч"
РАЗЛОЖЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО СПЕКТРА
В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ ~ 10 кэВ ПУТЕМ РЕФРАКЦИИ НА ПОЛИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЕ АЛМАЗА
А. Г. Турьянский. И. В. Пиршин, Р. А. Хмельницкий
Показано, что дисперсионные характеристики алмаза обеспечивают эффективное пространственное разделение характеристических рентгеновских линий с энергией ~ 10 кэВ при рефракции излучения на краю полированной пластины в области углов скольжения < 1°. Это позволяет анализировать спектр направленных пучков от непрерывных и импульсных источников излучения и осуществлять монохроматизацию спектра в измерительных схемах с использованием тонких ленточных пучков.
В большинстве случаев для анализа спектрального состава рентгеновского излу чения с энергией ~ ЮкэВ и для его монохроматизации используются совершенные монокристаллы 5г, Се, ЫР, кварца и других материалов [1, 2]. Достигаемое при этом энергетическое разрешение 8Е обычно находится в пределах 1-10 эВ. При использовании ряда последовательных отражений с асимметричным положением кристаллов может быть получено разрешение ~ 1 мэВ [3]. Однако такие схемы сверхмонохромати-зации используются только при работе на синхротронах, поскольку требуют высокой спектральной плотности излучения. По существу, во многих методах рентгеновской диагностики, связанных с фазовым анализом поликристаллических структур, малоугловым рассеянием, рентгеновской рефлектометрией и рентгенофлуоресцентным анализом состава, обеспечиваемое кристаллами - монохроматорами разрешение по энергии, является избыточным и поэтому приводит к существенной потере светосилы.
В настоящей работе впервые показано, что при определенных условиях облучения рентгенооптические свойства алмаза обеспечивают эффективное разложение спектра
полихроматического рентгеновского пучка, которое может быть практически использовано в указанных выше методах рентгеновской диагностики.
град
Рис. 1. Экспериментальная схема измерения. 1, 4, 7, 8 - щелевые диафрагмы; 2 - коллимиру-ющий экран, 3 - пластина алмаза; 5,6- полупрозрачные монохроматоры; 9, 10 - детекторы, 11 - выравнивающий ослабитель.
Рис. 2. Расчетные зависимости угла отклонения характеристического излучения СиКа (нечетные номера кривых) и СиКр при рефракции на краю оптически полированных пластин из различных материалов: алмаз, монокристалл Si, поликристаллы W и Си.
Пусть на боковую грань оптически полированной пластины с показателем преломления гг(А) = 1 — ¿(А) — i/3(А) падает под углом, близким к 7г/2, параллельный монохроматический рентгеновский пучок с длиной волны А и плотностью потока квантов Pq (см. рис. 1). Если отношение абсолютных величин мнимой и действительной частей декремента показателя преломления [3/6 « 1, то, как показано в [4], угловое отклонение пучка Ф при малых углах скольжения 0, отсчитываемых от полированной поверхности до оси пучка, может быть представлено в виде
Ф = [в2 + 2<5(А)]1/2 - в. (1)
При этом интенсивность преломленного пучка определяется выражением
LytgB
I = P0LXT(9) J cos6exp(-£^)dz, (2)
о
где Ly, Lx - размеры преломляющей грани по оси у и в направлении, перпендикулярном плоскости yz (перпендикулярно плоскости чертежа), координата z отсчитывается от преломляющей поверхности по нормали, Т(0) - коэффициент пропускания, ц - линейный коэффициент ослабления, равный Атт/З/Х. Величина интеграла в (2) является
эффективной шириной анализируемого пучка Н или, если рассматривать пластину как анализатор, шириной его входной апертуры. При Ly » l/р, и 9 < 1° получаем I = PoLJ/ц, то есть Н = 0/ц.
Как видно из (1), максимальный угол отклонения, равный (2<5(А))1/'2, можно получить при углах скольжения в —► 0. Хотя при переходе рентгеновского пучка из материала в вакуум или воздух эффекта полного внутреннего отражения не наблюдается, однако при 0 —► 0 для любого материала при отражении на границе раздела коэффициент пропускания Т(в) —► 0, а длина пути излучения от боковой грани до границы раздела неограниченно возрастает. Поэтому очевидно, что для практической реализации дисперсионного эксперимента в рентгеновском диапазоне необходим выбор материала и области углов скольжения, которые бы обеспечивали как достаточное разрешение по углу, так и достаточную для регистрации потока ширину входной апертуры Н.
На рис. 2 показаны рассчитанные по формуле (1) зависимости Ф(0) для характеристических линий СиКа и СиКр соответственно с энергией 8.04 и 8.91 кэВ при рефракции в геометрии рис. 1 на пластинах из монокристалла Si, алмаза, поликристаллических образцов Си и W. В таблице приведены значения Н для тех же материалов и LiF при различных углах скольжения, рассчитанные для случая Ly » 1/ц и в < 1°. Как видно из сопоставления приведенных данных, только алмаз обеспечивает в рассматриваемом диапазоне малых углов скольжения эффективную ширину апертуры, достаточную для проведения экспериментов с использованием стандартных рентгеновских трубок. Отметим, что дисперсионный элемент на основе Ве дает существенно меньшее угловое разрешение, поскольку величина ¿(А) пропорциональна физической плотности материала р, а отношение р(Ве)/р(алмаз) = 0.52.
Для экспериментальной проверки изложенных выше соображений нами была изготовлена пластина из природного алмаза размером 6x4x0.4 мм3. Полировка поверхности осуществлялась алмазным порошком АСМ28/20. По данным атомно-силовой микроскопии среднеквадратичное отклонение рельефа от плоскости на базе ~ 25 мкм составляло ~ 10 им. Отклонение от плоскостности (завал краев) вследствие прогиба пластины при механической обработке достигало ±0.006°. В качестве источника полихроматического рентгеновского излучения использовалась рентгеновская трубка БСВ-22 с медным анодом. Угловая ширина падающего на образец пучка составляла 0.008°. Характеры стические линии СиКа и CuKß выделялись с помощью тонких пластин полупрозрачного пиролитического графита. В брэгговском положении при настройке монохроматора 5
Таблица
Эффективная ширина входной апертуры для различных преломляющих
материалов, нм
Материал
в, град 1У Си ЫГ Алмаз
0.05 2.65 18.1 60.3 105.5 529.3
0.1 5.3 36.3 121 211 1059
0.25 13.3 90.7 301 527 2647
0.3 15.9 109 362 633 3176
0.6 31.8 218 724 1266 6352
0.65 34.5 236 784 1371 6881
на линию СиКа коэффициент пропускания для линии СиКр составлял 88%. Это обеспечивало возможность сбора данных с помощью двух сцинтилляционных детекторов 9, 10 за один цикл углового сканирования. Для удобства сравнения регистрируемые ин тенсивности спектральных линий выравнивались с помощью ослабителя 11. Угловой шаг сканирования составлял 0.002°, ширина приемной щели 4 равнялась 30 мкм.
I, имп/с Кр
Рис. 3. Угловые диаграммы интенсивности для линий СиКа и СиКр при рефракции на краю полированной пластины алмаза: 1 - угол скольжения в = 0.64°, 2 - в — 0.24°, 3 - в = 0.09°.
На рис. 3 приведены результаты измерения угловых диаграмм интенсивности при
фиксированных углах скольжения первичного пучка в = 0.64°, 0.24°, 0.09°. Соответствующие указанным углам пары характеристических линий обозначены цифрами 1-3. Вблизи Ф = 0 наблюдается интенсивный максимум, обусловленный прохождением части прямого пучка через зазор между образцом 3 и коллимирующим экраном 2 и используемый в качестве углового репера. Несмотря на наличие шероховатостей и неплоскостности, для всех углов скольжения наблюдается надежное угловое разделение спектральных линий. Отметим также, что экспериментальные кривые приведены без какой-либо математической обработки. Как показывают оценки, введение поправки на аппаратную функцию должно приводить к более чем двукратному уменьшению полуширины рефракционных пиков.
Таким образом, следует ожидать, что при улучшении качества обработки поверхности преломляющей пластины и уменьшении приемной апертуры детектирующего элемента может быть получено разрешение < 100 эВ, то есть значительно лучше, чем для полупроводниковых детекторов. В сочетании с координатно-чувствительным детектором, например, на основе ПЗС-матрица+сцинтиллятор, это может позволить проводить качественный и количественный анализ спектра как импульсных, так и непрерывных источников рентгеновского излучения.
Работа выполнена при поддержке ФЦП "Интеграция" (проект N АО 133).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Рентгенотехника. Справочник по ред. В. В. Клюева. М., Машиностроение, книга 2, 1980.
[2] В е a u m о n t J. H., Hart M. Multiple Bragg Reflection Monochromators for Synchrotron X Radiation. J. Phys. E: Sei. Instrum., 7, 823 (1974).
[3] Matsushita T., Hashizume H. Handbook on Synchrotron Radiation, 1, 290 (1983).
[4]Турьянский А. Г., Пиршин И. В. Рентгеновская рефрактометрия поверхностных слоев. ПТЭ, N 6, 104 (1999).
Поступила в редакцию 26 января 2000 г.
