CZ299759B6

CZ299759B6 - Optický clen pro rentgenovou mikroskopii

Info

Publication number: CZ299759B6
Application number: CZ20070494A
Authority: CZ
Inventors: Chadzitaskos@Goce
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2008-11-12
Also published as: WO2009012732A4; CZ2007494A3; EP2168130B1; WO2009012732A2; WO2009012732A3; EP2168130A2

Abstract

Optická soustava zobrazující rentgenové zárení o vlnové délce .lambda. je tvorena alespon jedním monokrystalem (1) s atomovými rovinami (2) rovnobežnými s optickou osou (3), jejichž vzájemná vzdálenost v klidovém stavu je d.sub.0.n. a kde prícný prurez (S) monokrystalu (1) je promenný vzhledem k optické ose (3). Vzdálenejší a/nebo bližší strana monokrystalu (1), která je na tuto optickou osu (3) kolmá, je opatrena zarízením pro vyvolání a udržení tažné nebo tlacné síly (F) ve smeru kolmém na atomové roviny (2) tohoto monokrystalu (1). Velikostprícného prurezu (S) monokrystalu (1) ve vzdálenosti (R) od optické osy (3) je prímo úmerná predem zvolenému prícnému prurezu (S.sub.0.n.) a tažné respektive tlacné síle (F) a neprímo úmerná modulu pružnosti (E) daného monokrystalu (1) ve smeru pusobící síly (F) a je dána vztahem (I), a síla F je odvozena ze vztahu (II), kde .lambda. je vlnová délka rentgenového zárení, (s) je vzhledem k podélné ose monokrystalu (1) predmetová a zároven i obrazová vzdálenost, (S.sub.0.n.) je podle požadavku aplikace predem zvolený prícný prurez monokrystalu (1) ve vzdálenosti (R.sub.0.n.) od optické osy (3) a n je prirozené císlo, pricemž znaménko (+) predstavuje tažnou sílu a znaménko (-) predstavuje tlacnou sílu.

Description

Optický člen pro rentgenovou mikroskopii

Oblast techniky s

Předkládané řešení se týká rentgenového optického elementu vhodného zejména pro rentgenovou mikroskopii a ostatní rentgenové zobrazovací systémy.

i () Dosavadní stav těch n i ky/

Rentgenovým zářením se rozumí elektromagnetické záření o vlnových délkách menších než 10 nm. Místo optických čoček ve viditelné oblasti světla jsou dosud používány pro rentgenovou mikroskopii jako zobrazovací členy Presnelovy zonální desky, bikonkávní refraktivní X čočky, póly kápi lární optika nebo Góbclova zrcadla.

Presnelovy zonální desky jsou Presnelovy čočky vyrobené pomocí elektronové litografie. Na matrici jsou biograficky, avšak možné jsou i jiné způsoby výroby, vyrobeny prstýnky respektive části soustředných paraboloidů, tak, aby se záření vycházející z bodu na středové ose prstýnků (optické ose) soustřeďovalo po průchodu prstýnky opět do bodu na této ose. Tyto prstýnky nebo jejich části jsou o tloušťce řádově desítky nm a výšce kolem 1000 nin. Tyto desky jsou používány jako kondenzory záření pro skenovací a zobrazovací mikroskopy, u zobrazovacích mikroskopů jsou použity též jako objektivy.

Další možná realizace Fresnelových zonálních desek je jejích vytvoření soustavou destiček, kde na jednotlivých segmentech jsou pásky rovnoběžně a stejně daleko od sebe. Průměry' těchto optických členů jsou maximálně několik centimetrů.

Bikonkávní refraktivní X čočky využívají toho. že index lomu některý ch materiálů pro rentgenoví vé záření je o málo menší nez jedná a soustava stejných dutin umístěných za sebou realizuje spojnou čočku s velkou ohniskovou vzdáleností, V praxi se používají často dva zkřížené systémy bikonkávních čoček, z nichž každý fokusuje záření pouze v jednom směru. Výsledkem je fokusace do bodu, který je díky malému rozdílu indexů lomu látky a vzduchu relativně daleko od čoček, řádově metry.

Polykapilární optika je tvořena soustavou zakřivených kapilár, které vedou rentgenové záření a soustřeďují ho do bodu.

Gobelova zrcadla jsou desky, tvořené střídajícími se tenkými vrstvami dvou kovů, například wolfram a křemík, mající tvar části povrchu rotačního elipsoidu. Tato zrcadla fokusují monochromatické rentgenové záření do bodu.

Všechny výše popsané optické členy mají velký poměr ohniskové vzdálenosti k průměru, tedy poměrně velkou ohniskovou vzdálenost a malé průměry a jejich výroba je nákladná. Používají se v rentgenové mikroskopii pro normální i tzv. skenovací mikroskopy. U skenovacího mikroskopu jc svazek optikou fokusován do bodu na vzorku a detektorem je snímána intenzita prošlého rentgenového záření. Postupným proměřením všech bodů provedeným tak, žc se posouvá vzorek ve dvou navzájem kolmých směrech, se získá jeho obraz vdané vlnové délce. Informace o intenzitě záření z detektorů rentgenového záření nebo z digitálních snímačů jako jsou například CCD kamery, které mohou být použity místo detektorů, jsou vedeny do počítače, kde je zpracováván výsledný obraz.

Při všech výše uvedených příkladech dochází k poměrně velké absorpci rentgenového záření a všechny systémy mají také relativně velké ohniskové vzdálenosti, ledy obrazové a předmětové

CZ 299759 Bó vzdálenosti, a fungují pro delší vlnové délky, kolem 10 nm. Též výroba takových součástek je velice náročná na výrobní zařízení a tím nákladná.

Podstata vynálezu

Všechny výše uvedené nedostatky zlepšuje optická soustava využívající monokrystal, který zobrazuje rentgenové záření o vlnové délce A podle předkládaného řešení. Tato soustava je tvořena alespoň jedním monokrystalem s atomovými rovinami rovnoběžnými s optickou osou, tedy s ío přímkou, která spojuje zobrazovaný bod se středem jeho obrazu, jejichž vzájemná vzdálenost v klidovém stavu je d₀. Příčný průřez monokrystalu je proměnný a vzhledem k optické ose vzdálenější nebo bližší strana monokrystalu, která je na tuto optickou osu kolmá, je opatřena zařízením pro vyvolání tahu nebo tlaku a pro udržení tažné nebo tlačné síly ve směru kolmém na atomové roviny tohoto monokrystalu. Velikost příčného průřezu S monokrystalu ve vzdálenosti R od optické osy je přímo úměrná předem zvolenému pněnému průřezu S_o a tažné respektive tlačné síle P a nepřímo úměrná modulu pružnosti E daného monokrystalu ve směru působící síly. Velikost příčného průřezu monokrystalu je dána vztahem z

a síla F je odvozena ze vztahu

F = ±S,E ηλ

V²v<)

R,. + A — 1 kde s je vzhledem k podélné ose monokrystalu předmětová a zároveň i obrazová vzdálenost a S<> jc podle požadavků aplikace předem zvolený příčný průřez monokrystalu ve vzdálenosti R_o od optické osy a n je přirozené číslo. Znaménko + je pro tažnou sílu, znaménko - pro tlačnou sílu v obou vzorcích. Dále, jak již bylo uvedeno, λ je vlnová délka rentgenového záření a S_o je předem zvolený příčný průřez ve vzdálenosti R₍₎.

V dalším možném uspořádání je optická soustava tvořena minimálně dvěma stejnými monokrystaly. které jsou uspořádány kolem optické osy. Všechny tyto monokrystaly mají stejnou předmětovou a obrazovou vzdálenost s, přičemž každý monokrystal je opatřen zařízením, které na každý monokrystal vyvolává mezi nej menší vzdáleností Ru od optické osy a největší vzdáleností R_m od optické osy tažnou nebo tlačnou sílu F. Jejich příčný průřez je odvozen podle výše uvedeného vzorce, Ledy jinými slovy lze monokrystaly skládat kolem optické osy. pokud pro stejnou vlnovou délku mají stejné předmětové a obrazové vzdálenosti.

V případě, že příčný průřez vzdálenější strany monokrystalu od optické osy je větší než příčný průřez bližší strany monokrystalu od této optické osy, je alespoň jedna z těchto stran opatřena zařízením, které vyvolává tažné napětí mezi oběma stranami. Naopak v případě, že příčný průřez vzdálenější strany monokrystalu od optické osy je menší než příčný průřez bližší strany monokrystalu od této optické osy, je alespoň jedna z těchto stran opatřena zařízením, které vyvolává tlakové napětí v mezi oběma stranami.

Výhodou řešení je poměrná jednoduchost výroby takovýchto součástek, která je postavena na Hookovč zákonu, aniž by byla známa přesná poloha jednotlivých atomových rovin. Pro výrobu

dosavadních Fresnelových struktur se používá elektronová litografie pro jednotlivé prstýnky, zatímco zde stačí přesné opracování vnějšího tvaru, například vyřezání vodním paprskem nebo laserem, a vložená síla, kterou lze kontrolovat. Opracováním vnějšího tvaru se dosáhne pro zobrazení fyzikálně lepšího efektu, to je menší absorpce a větší aktivní plocha, a to při nižších nákla5 dech, neboť litografie je podstatně dražší než řezání. Další výhodou je, že funguje i pro vlnové délky o řád kratší, tj. pod 1 nm.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad zobrazovací optické soustavy podle předkládaného řešení jc uveden na přiložených výkresech. Na obr. I a 2 jsou příklady vytvoření dvou různých monokrystalů. Obr. 3 znázorňuje příklad základní zobrazovací soustavy. Obr. 4 ukazuje využití soustavy pro rotující rentgenový skenovací mikroskop. Na obr. 5 je uvedeno vytvoření optického členu z více monokrystalů a obr. 6 ukazuje jeho použití v soustavě. Na obr. 7 je uveden graf závislosti poměru průřezů $/S<> monokrystalu na vzdálenosti od optické osy pro případ vyvozování tahu na atomové roviny.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 a 2 jsou uvedeny dva příklady vytvoření monokrystalu 1 s vyznačenými atomovými rovinami 2. Obr. 1 ukazuje schematicky možný tvar monokrystalu a to nesymetrický, pro posunutí rovin tlakem. Na obr. 2 je monokrystal f tvarován pro vhodné posunutí atomových rovin 2 tahem. Ve všech případech jsou atomové roviny 2 na nichž dochází k odrazu nebo lomu

2? vodorovné. První příklad ukazuje monokrystal i, kde optická osa, tedy přímka, která spojuje bod, který je zobrazován, se středem jeho obrazu je pod jeho větším příčným průřezem a šipkou je naznačena tlačná síla vyvozovaná tlačným zařízením. Obr. 2 naopak znázorňuje situaci, kdy jc pomyslná optická osa monokrystalu 1 pod menším příčným průřezem monokry stalu 1 a šipkou je naznačena tažná síla vyvozovaná tažným zařízením. Tlačná a tažná zařízení mohou být rcalizo30 vána různým způsobem, například úchytem a piezoelektrickým krystalem, šroubovým mechanizmem a tenzometrem a podobně, a lze je umístit na jedné nebo obou protilehlých stranách monokrystalu F

Příklad optické soustavy zobrazující rentgenové záření o vlnové délce λ je uveden na obr. 3. Tato soustava je tvořena monokrystalem i s atomovými rovinami 2, které jsou uspořádány rovnoběžně s optickou osou 3. Vzájemná vzdálenost atomových rovin 2 v klidovém stavu je d₍₎ a příčný průřez S monokrystalu 1 je proměnný. Vzhledem k optické ose 3 vzdálenější strana monokrystalu f, která je na tuto optickou osu 3 kolmá, má menší průřez než strana bližší k optické ose 3 a je zde tedy opatřena zařízením pro vyvolání tlaku, které není na výkrese znázorněno. Účelem tohoto

4(i zařízení je udržení tlačné síly F ve směru kolmém na atomové roviny 2 tohoto monokrystalu F

Je zde schematicky zobrazena funkce symetricky opracovaného monokrystalu i podrobeného tlaku, který soustřeďuje rentgenové záření o vlnové délce λ ze vzdálenosti s do vzdálenosti s. Obě tyto vzdálenosti musí být stejné. Monokrystal i je umístěn mezi vzdálenostmi R_o a R_m od optické osy 3, kde Ro je nejmenší vzdálenost a R_(tl největší vzdálenost od osy 3. Průřez S, který- zde není pro přehlednost vyznačen, aleje vidět na obr.I a 2, zdaného vztahuje funkcí vzdálenosti R.

Velikost příčného průřezu S monokrystalu i ve vzdáleností R od optické osy 3 je přímo úměrná předem zvolené a tažné respektive tlačné síle F a nepřímo úměrná modulu pružnosti F daného monokrystalu i ve směru působící síly F a závisí na vzdálenosti Ráje dána vztahem

- j CZ 299759 B6 f

kde

F = ±S₀£

kde $ je vzhledem k podélné ose monokrystalu 1 předmětová a zároveň i obrazová vzdálenost, n je přirozené číslo. Znaménko plus je pro tahové napětí, znaménko minus je pro tlakové napětí vložené 11a monokrystal L přičemž $ bude vždy kladné, λ je vlnová délka rentgenového záření a

Sy je podle požadavků aplikace předem zvolený příčný průřez v minimální vzdálenosti R_o od optické osy 3.

Konstrukce uvedeného zařízení je následující. Podle užitého zdroje rentgenového záření se zvolí vlnová délka λ pro mikroskopii jako vlnová délka, při níž září zdroj nejintenzivněji. nebo podle dalších požadavků na aplikaci a podle parametrů monokrystalu J se zvolí předmětová a obrazová vzdálenost s, průřez S₍₎, pro které se spočítá síla F pro minimální vzdálenost Ro monokrystalu od optické osy 3, Poté se dopočítá závislost průřezu na vzdálenosti R dle výše uvedeného vzorce, a to na základě vypočtené síly a na základě modulu pružnosti. Z monokrystalu 1 se vyřízne destička ve tvaru splňujícím vzorec. Paprsky vycházející z bodu obrazu dopadají na monokrystal 1, odrážejí sc od jednotlivých atomových rovin 2 a zobrazí se do obrazové roviny, jak ukazuje obr. 3.

Pro rotující rentgenový skenovací mikroskop se zdrojem 4 rentgenového záření lze použít jeden monokrystal i v uspořádaní dle obr. 4, kde vzorek 5 rotuje kolem osy na něj kolmé, pevné v pro25 storu, procházející středem vzorku 5. Tento vzorek 5 se postupně po každé rotaci posune ve směru šipky tak. aby se proměřil od jednoho konce ke druhému. Naměřené intenzity záření detektorem 6 jsou zpracovány počítačem jako při tomografii na výsledný obraz. Současně tento monokrystal 1 zastává funkci monochromátoru a může odpadnout zvláštní monochromátor.

to Optická soustava může být, jak ukazuje obr. 6, tvořena mnoha stejnými monokrystaly i, které jsou uspořádány kolem optické osy 3 tak, jak je uvedeno na obr. 5. Všechny tyto monokry staly ý mají stejnou předmětovou a obrazovou vzdálenost, přičemž každý monokrystal 1 je opatřen zařízením, které na každý monokrystal 1 vyvolává mezi nejmenší vzdáleností R. spodní plochy monokrystalů i od optické osy 3 a největší vzdáleností a R_m od optické osy 3 sílu tahu F. Jejich příčný průřez je opět odvozen podle uvedeného vzorce. Tvar monokrystalů i může být různý při zachování jejich určených příčných průřezů. Zde je jako příklad uveden optický člen složený z 28 monokry stalů |. kde jako soustava soustředných mnohoúhelníkových prstýnků slouží přímo atomové roviny 2. Vhodnou volbou tvaru a vloženého napětí, splňující uvedený vzorec, lze dosáhnout toho, že mezi atomovými rovinami 2 jsou takové vzdálenosti, které způsobují konstruktivní interferenci jako Frcsnelova čočka pro vybranou vlnovou délku, případně též pro vlnovou délkou, klerá je polovinou této vlnové délky, její třetinou atd., a zároveň funguje jako monochromátor. tj. vybírá pouze tylo vlnové délky z celého použitého spektra. Stejného efektu lze dosáhnout v případně užití vhodného gradientu příměsí v krystalu, například vodíku v gadoliniu, který ovlivňuje meziatomovou vzdálenost. Použití detektorů je stejné jako v ostatních případech.

-4 CZ 299759 B6

Na obr. 7 je uveden graf závislosti poměru průřezů S/S₍, monokrystalu na vzdálenosti od optické osy pro případ vyvozování tahu na atomové roviny, pro hodnoty λ - 0.1 nm, do = 0.4 nm. Ro = 0.01 m, s = 0,5 m a n = 1 ,v rozsahu do R_tnax 0,7 m.

Uvedený rentgenový optický systém využívá vlastnosti prostorové mřížky k soustředění monochromatického rentgenového záření z bodového zdroje 4 do bodu, obr. 6, případně do úsečky, obr. 4, čehož lze dosáhnout změnou vzdálenosti mezi atomovými rovinami 2. Toto posunuli atomových rovin 2 v monokrystalu i se vytvoří vloženým napětím, tedy tahem nebo tlakem síly F kolmo na atomové roviny 2 a vhodnou volbou průřezu S v dané výšce nad optickou osou 3 io vypočteným z výše uvedeného vztahu.

Průmyslová využité 1 nost

Využití tohoto elementu je především v rentgenové mikroskopii ke soustředěni monochromatického záření do úsečky. Složením mnoha kusů lze vyrobit rentgenovou monochromatickou čočku pro jednu vlnovou délku, která může sloužit jako kondenzor a současně jako monochromátor.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

25 1. Optická soustava zobrazující rentgenové záření o vlnové délce λ, vy z n a č u j í c í se tím. ze je tvořena alespoň jedním monokrystalem (1) s atomovými rovinami (2) rovnoběžnými s optickou osou (3), jejichž vzájemná vzdálenost v klidovém stavu je do a kde příčný průřez (S) monokrystalu (1) je proměnný vzhledem k optické ose (3) a vzdálenější a/nebo bližší strana monokly stalu (1), která je na tuto optickou osu (3) kolmá, je opatřena zařízením pro vyvolání a

30 udržení tažné nebo tlačné síly (F) ve směru kolmém na atomové roviny (2) tohoto monokrystalu (1), přičemž velikost příčného průřezu (S) monokrystalu (1) ve vzdálenosti (R) od optické osy (3) je přímo úměrná podle požadavků aplikace předem zvolenému příčnému průřezu (S_o) ve vzdálenosti (Ro) od optické osy (3) a tažné respektive tlačné síle (F) a nepřímo úměrná modulu pružnosti (T) daného monokrystalu (1) ve směru působící síly (F) aje dána vztahem .s’ =+T

E ^Rd₀

M/ř²+s²-l a síla F je odvozena ze vztahu

F = ±S₀E ηλ
2R,d,

R,² + ? -1 kde (s) je vzhledem k podélné ose monokrystalu (1) předmětová a zároveň i obrazová vzdálenost a n je přirozené číslo, přičemž znaménko plus představuje tažnou sílu a znaménko minus představuje tlačnou sílu.

2. Optická soustava podle nároku kvyznačující se t í m . že je tvořena minimálně dvěma monokrystaly (1), které jsou uspořádány kolem optické osy (3), kde všechny tyto mono40

- s ¢7, 299759 B6 krystaly (1) mají stejnou předmětovou a obrazovou vzdálenost (s), přičemž každý monokrystal {I) je opatřen alespoň jedním zařízením pro vyvolání a udržení tlačné nebo tažné síly (F).
3. Optická soustava podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se t í m . že v případě, že 5 příčný průřez vzdálenější strany monokrystalu (1) od optické osy (3) je větší než příčný průřez bližší strany monokrystalu (I) od této optické osy (3). je alespoň jedna z těchto stran opatřena zařízením pro vyvolání tažného napětí mezi oběma stranami.
4. Optická soustava podle nároku 1 nebo 2. v y z n a č u j í c í se t í ni, že v případě, že ío příčný průřez vzdálenější strany monokrystalu (I) od optické osy (3) je menší než příčný průřez bližší strany monokrystalu (1) od teto optické osy (3), je alespoň jedna z těchto stran opatřena zařízením pro vyvolání tlakového napětí mezí oběma stranami.