CZ306934B6

CZ306934B6 - Rentgenový optický systém

Info

Publication number: CZ306934B6
Application number: CZ2011-297A
Authority: CZ
Inventors: Adolf Inneman; Veronika Maršíková; Ladislav PĂna; RenĂ© Hudec
Original assignee: Rigaku Innovative Technologies Europe S.R.O.
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2017-09-27
Also published as: CZ2011297A3; EP2710610A1; WO2012156908A1; WO2012156908A4; EP2710610B1

Description

Technické řešení se týká rentgenového optického systému, s návrhem na uspořádání tenkých reflexních fólií nebo kanálků v rentgenovém optickém systému, které vede k větší světelnosti rentgenového optického systému (pro oblast 50 eV - 50 keV, tzn. pro oblast EUV, měkkého i tvrdého rtg. záření).

Dosavadní stav techniky

Teleskopy, které byly dodnes vypuštěny do vesmíru pro zobrazování RTG kosmických zdrojů záření měly optické uspořádání typu Wolter I. Jedná se o kombinaci několika rotačně symetrických parabolických a hyperbolických dutých zrcadel, která jsou uspořádána souose. Pro výrobu těchto zrcadel se využívají dvě drahé a relativně komplikované optické technologie (leštící a replikační).

Leštící technologie využívá standardních optických leštících metod. Leštění probíhá na drahém jednoúčelovém zařízení, kde se opracovává vnitřní povrch rotačně symetrického substrátu po dobu několik měsíců. Tato technologie je použitelná pro zrcadla o průměru 0,5 až 1,0 m a byla použita například u družice CHANDRA (1999).

Kosmické mise, které vyžadují menší průměry zrcadel, se dají zhotovit pouze replikační technologií. Pro replikační technologii je nutné vyrobit velice přesné mandrely (minimální makro i mikro deformace), jejichž výroba je složitá a finančně nákladná. Na tyto mandrely je elektrochemicky nanesena vrstva niklu (několik milimetrů), která je následně sejmuta z mandrelu. Sejmutý elektrochemický povlak je požadovanou optikou, která by měla co nejlépe okopírovat tvar mandrelu. Zrcadla připravena replikační technologií byla použita v misi XMM (1999).

V současné době se hledají technologie pro přípravu kosmických rentgenových teleskopů typu Wolter I o velkých průměrech (4 až 10 m). Na tuto optiku jsou kladeny mimořádné požadavky z hlediska přesnosti, neboť rozlišovací schopnost optického systému má být řádově několik úhlových vteřin. Takto velkou optiku již nelze vyrobit v jednom kuse, ale musí být sestavena z menších segmentů, což sebou přináší řadu technologických problémů. Jednotlivé segmenty jsou založeny na tenkých tvarově velice přesných substrátech. Na sestavení celého optického systému bude zapotřebí desetitisíce až statisíce těchto substrátů v závislosti na jejich velikosti. Jako vhodné materiály se jeví skleněné a křemíkové substráty. Skleněné substráty se tepelně formují na drahých přesných mandrelech. Další nevýhodou této technologie je nutnost tepelně formovat každou fólii zvlášť, přičemž jeden proces tepelného formování trvá zhruba jeden den. Doposud nebyl sestaven modul z několika naformovaných skleněných fólií, tak aby byly extrémní požadavky na rozlišení splněny.

Rentgenové teleskopy typu Wolter I mají malý zorný úhel (do 1°), a proto s nimi lze jen velice obtížně detekovat krátkodobé záblesky popřípadě mapovat oblohu v reálném čase. Vzhledem k těmto skutečnostem přichází na řadu tzv. širokoúhlá rentgenová optika. Jedná se o optický systém cylindricky uspořádaných tenkých rovinných reflexních fólií, a to buď v jednodimenzionálním (ID) nebo dvojdimenzionálním (2D) uspořádání. První teoretický návrh takovéhoto širokoúhlého optického systému publikoval W.K.H. Schmidt v roce 1975. Schmidtův návrh je založen na uspořádání rovinných fólií, a proto není možné toto uspořádání použít pro zobrazování. V roce 1979 J.R.P. Angel uveřejnil další návrh tentokrát třídimenzionálního (3D) širokoúhlého optického systému založeného na pravoúhlých kanálcích. Ideu velkého kosmického dalekohledu založenou na čtvercových modulech poprvé představil P. Gorenstein v roce 1998. Tento návrh vychází z geometrického uspořádání navrženého P. Kirkpatrickem a A.V.J. Baezem roku 1948 (pravo

- 1 CZ 306934 B6 úhlé zkřížení dvou asférických ploch), neřeší však efektivní uspořádání čtvercových modulů do kruhové apertury.

Nejbližší podobné teoretické řešení ke zde navrhovanému geometrickému uspořádání bylo uvedeno v odborném časopisu Optics for EUV, X-ray and Gamma-ray Astronomy IV (Proč, of SPIE Vol.7437) Richardem Willingalem a Frankem H.P. Spaanem v roce 2009. V tomto článku jsou popsány dvě geometrické uspořádání („slunečnice“ a „pravoúhlé“). Moduly v tzv. slunečnicovém uspořádání jsou orientovány v optickém systému (teleskopu) tak, že úhlopříčka všech modulů protíná optickou osu teleskopu. Moduly v tzv. pravoúhlém uspořádání jsou orientovány v teleskopu tak, že úhlopříčky jsou vzájemně rovnoběžné a moduly jsou uspořádány do čtvercové sítě (uprostřed kruhové apertury). Pravoúhlé uspořádání efektivněji využívá aperturu než slunečnicové uspořádání. U tohoto uspořádání vznikne nefunkční zóna, kde je část modulů neaktivní. Ve slunečnicovém uspořádání již nevznikne nefunkční zóna, ale uspořádání modulů není těsné a efektivní.

Podobné teoretické řešení, ke zde navrhovanému geometrickému uspořádání, bylo uvedeno v odborném časopisu Optics for EUV, X-ray and Gamma-ray Astronomy IV (Proč, of SPIE Vol.7437) Richardem Willingalem a Frankem H.P. Spaanem v roce 2009. V tomto článku jsou popsány dvě geometrické uspořádání („slunečnice“ a „pravoúhlé“). Moduly v tzv. slunečnicovém uspořádání jsou orientovány v optickém systému (teleskopu) tak, že úhlopříčka všech modulů protíná optickou osu teleskopu. Moduly v tzv. pravoúhlém uspořádání jsou orientovány v teleskopu tak, že úhlopříčky jsou vzájemně rovnoběžné a moduly jsou uspořádány do čtvercové sítě (uprostřed kruhové apertury). Pravoúhlé uspořádání efektivněji využívá aperturu než slunečnicové uspořádání. U tohoto uspořádání vznikne nefunkční zóna, kde je část modulů neaktivní. Ve slunečnicovém uspořádání již nevznikne nefunkční zóna, ale uspořádání modulů není těsné a efektivní.

Dále je známa zveřejněná mezinárodní přihláška WO 92/09 088, kde je pro fokusaci nebo kolimaci neutronového nebo rentgenového svazku použita MCP (multi-channel plate) optika, což je pravoúhlá polykapilámí optika využívající rovnoběžnosti jednotlivých kanálků. Tato optika umožňuje kolimaci popřípadě zobrazení z bodu do bodu a lze ji využít pouze pro laboratorní aplikace s krátkou ohniskovou vzdáleností (cca lm). Optika je uspořádána do segmentů, které jsou soustředěny kolem optické osy. Modifikací tohoto optického systému je doplnění o středový optický systém s rotačně symetrickými válcovými kanálky, na které navazují pravoúhlé kanálky diagonálně uspořádané do tvaru „okvětních lístků“. Další modifikací tohoto systému je možnost využití parabolických, sférických nebo cylindrických tvarů kanálků. Tvarování kanálků je z technického hlediska obtížně proveditelné. Při tvarování dochází k deformaci pravoúhlého uspořádání a k znehodnocení reflexních povrchů, což vede ke snížení kvality celého optického zobrazovacího systému. Kromě toho nelze vnitřní povrch kanálků pokovit tak, aby odrážel i rtg. záření s vyšší energií. V případě, že jsou kanálky vyrobeny technologií LIGA, nelze dosáhnout požadované kvality (mikrodrsnosti) vnitřního povrchu kanálku.

Úkolem vynálezců, vzhledem k uvedenému stavu techniky, bylo najít takové řešení, které by bylo technicky proveditelné a eliminovalo uvedené nevýhody a spojit/zkombinovat výhody již známých řešení.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje rentgenový optický systém obsahující dva sub-moduly (A a B), kde každý sub-modul (A a B) je složen z tenkých reflexních fólií, podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je sestavený ze dvou sub-modulů (A a B) vůči sobě v optické ose pootočených o 90° a je složený z minimálně 5 segmentů. Segment je tvořen z minimálně jednoho modulu a úhlopříčky všech modulů v segmentu jsou vždy rovnoběžné s osou souměrnosti segmentu. Segment je výseč se středovým úhlem od 18 do 72°, v jehož nejužší části je nefunkční

-2CZ 306934 B6 zóna. Rentgenový optický systém má nefunkční zónu vyplněnu tenkými rotačně symetrickými reflexními fóliemi parabolického nebo eliptického tvaru, uspořádaných pro vznik společného ohniska celého optického systému a pro vytvoření pouze jednoho odrazu, pro zvětšení efektivní plochy celého otického systému. Rentgenový optický systém, má jednotlivé segmenty uspořádány do kruhové apertury, kde osa souměrnosti segmentu vždy protíná optickou osu rentgenového optického systému.

Navržený rentgenový optický systém založený na totálním odrazu má výhodu v tom, že uspořádání jednotlivých modulů i segmentů efektivně využívá aperturu a vykrývá nefunkční zónu. Rotací celého rentgenového optického systému okolo optické osy systému lze zvýšit homogenitu svazku. Kromě toho výroba navrženého optického systému nevyžaduje drahé mandrely a lze použít komerčně dostupné substráty. Nefunkční zóna může být vyplněna tenkými rotačně symetrickými fóliemi uspořádaných do jiného geometrického uspořádání, např. parabolické respektive eliptické uspořádání, čímž se zvětší efektivní plocha celého optického systému pro vyšší energie. Rentgenový optický systém složený z modulů s tenkými planámě asféricky zakřivenými reflexními fóliemi, podle tohoto vynálezu, má další výhodu v tom, že navržené geometrické uspořádání vede k větší efektivitě světelnosti rentgenového optického systému. Navržené řešení umožňuje použít tenké reflexní fólie, které jsou průmyslově vyráběné. Pro zvýšení odrazivosti povrchu lze tenké reflexní fólie pokovit vhodným prvkem (např. Ni, Au, Pt, Ir) případně kombinací prvků (periodická nebo neperiodická multivrstva). Navržené uspořádání rentgenového optického systému lze použít jak pro fokusaci rentgenového záření z nekonečna do bodu (astrofyzikální aplikace), tak i pro fokusaci a zobrazení rtg. záření z bodu do bodu (laboratorní aplikace).

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže vysvětlen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje schéma modulů se čtvercovou aperturou dle Schmidt a Angel uspořádání, obr. 2 je schéma průchodu rentgenových paprsků optickým systémem, obr. 3 představuje schéma segmentu, obr. 4 je schéma rentgenového optického systému složeného ze segmentů a obr. 5 představuje schéma rentgenového optického systému složeného ze segmentů, kde je nefunkční zóna vyplněna tenkými rotačně symetrickými reflexními fóliemi, které mají společnou optickou osu se systémem.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Rentgenový optický systém 3 je založen na totálním odrazu. Základní stavební jednotkou rentgenového optického systému 3 je modul 1 se čtvercovou aperturou. Jednotlivé moduly _L navrženého optického systému 3 jsou typu Schmidt (2D). U Schmidtova uspořádání je modul 1 složen ze dvou sub-modulů, z nichž v jednom jsou tenké reflexní fólie 8 uspořádány vertikálně a v druhém horizontálně, přičemž v obou sub-modulech dojde k jednomu odrazu rentgenového paprsku, jak je zobrazeno na Obr. 2, tzn. v každém optickém systému se paprsek odrazí 2x. Tenké reflexní fólie 8 s největší možnou efektivitou vykrývají prostorové pole, tzn., kde nad optickou osou 4 optického systému 3 končí jedna tenká reflexní fólie 8, tam začíná další tenká reflexní fólie 8, jak zobrazuje Obr. 2. Tenká reflexní fólie 8 je substrát s nízkou drsností povrchu umožňující odraz rentgenového záření. Pro zobrazující optický systém 3 s dlouhou ohniskovou vzdáleností se použijí rovinné tenké reflexní fólie 8. Pro zobrazující optický systém 3 se střední ohniskovou vzdáleností se použijí planámě sférické tenké reflexní fólie 8. Pro zobrazující optický systém 3 s krátkou ohniskovou vzdáleností se použijí planárně asféricky zakřivené tenké reflexní fólie 8. Pro širokoúhlý zobrazující optický systém 3 se použijí tenké reflexní rovinné fólie 8_oboustranně odrážející rentgenové záření se stejným rozestoupením tenké reflexních fólií 8^v celém optickém systému 3. Navržené geometrické uspořádání rentgenového optického systému 3 se použije pro

-3CZ 306934 B6 fokusaci rentgenového záření z nekonečna do bodu pro astrofyzikální aplikaci a pro fokusaci nebo zobrazení rtg. záření z bodu do bodu pro laboratorní aplikace.

Příklad 2

Moduly 1 jsou uspořádány do segmentu 2 podle

Obr. 3, přičemž úhlopříčky všech modulů 1 v segmentu 2 jsou vždy rovnoběžné s osou 5 souměrnosti segmentu 2. Moduly 1 jsou uspořádány do čtvercové sítě pravoúhle, aby bylo prostorové vykrytí pole nejefektivnější. Rentgenový optický systém 3 je složen z 8 segmentů 2 dle obr. 4. Segmenty 2 jsou uspořádány tak, že efektivně vykrývají kruhovou aperturu rentgenového optického systému 3. Všechny osy 5 souměrnosti segmentů 2 vždy protínají optickou osu 4 optického systému 3. Tenká reflexní fólie 8 je substrát s nízkou drsností povrchu umožňující odraz rentgenového záření. Pro zvýšení odrazivosti povrchu jsou tenké reflexní fólie 8 pokoveny např. Ni, Au, Pt, Ir, případně jejich kombinací.

Příklad 3

Střed navrženého rentgenového optického systému 3 může být modifikován dle obr. 5. Nefunkční zóna je vyplněna tenkými rotačně symetrickými reflexními fóliemi 7 parabolického tvaru, kde dochází pouze k jednomu odrazu, čímž se zvětší efektivní plocha celého optického systému 3 pro vyšší energie. Tato modifikace je vhodná pro zobrazení z nekonečna do bodu. Pro zvýšení odrazivosti povrchu jsou tenké rotačně symetrické reflexní fólie 7 pokoveny vhodným prvkem (např. Ni, Au, Pt, Ir), případně jejich kombinací (periodická nebo neperiodická multivrstva).

Příklad 4

Střed navrženého rentgenového optického systému 3 může být modifikován dle obr. 5. Nefunkční zóna 6 je vyplněna tenkými rotačně symetrickými reflexními fóliemi 7 eliptického tvaru, kde dochází pouze k jednomu odrazu, čímž se zvětší efektivní plocha celého optického systému 3 pro vyšší energie. Tato modifikaci je vhodná pro zobrazení z bodu do bodu. Pro zvýšení odrazivosti povrchu jsou tenké rotačně symetrické reflexní fólie 7 pokoveny vhodným prvkem (např. Ni, Au, Pt, Ir), případně jejich kombinací (periodická nebo neperiodická multivrstva).

Průmyslová využitelnost

Navržený rentgenový optický systém lze využít jako kondenzor EUV/rtg záření pro litografii. EUV/rtg litografie se používá pro průmyslovou výrobu chipů. Celý rentgenový optický systém může rotovat okolo optické osy optického systému, čímž se zlepší homogenita svazku.

Navržený rentgenový optický systém 3 lze využít pro fokusaci částic, např. neutronů a elektronů. Navržený rentgenový optický systém lze využít pro zvýšení účinnosti kosmického rtg. dalekohledu, pro zobrazení astrofyzikálních objektů.

Navržený rentgenový optický systém lze využít pro zvýšení účinnosti fluorescenční rentgenové analýzy.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Rentgenový optický systém (3) obsahující dva sub-moduly (A a B), kde každý sub-modul (A a B) je složen z tenkých reflexních fólií, vyznačující se tím, že je sestavený ze dvou sub-modulů (A a B) vůči sobě v optické ose pootočených o 90° a je složený z minimálně 5 segmentů (2), přičemž segment (2) je tvořen z minimálně jednoho modulu (1) a úhlopříčky všech modulů (1) v segmentu (2) jsou vždy rovnoběžné s osou (5) souměrnosti segmentu (2), přičemž segment (2) je výseč se středovým úhlem od 18 do 72°, v jehož neužší části je nefunkční zóna (6).

2. Rentgenový optický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že nefunkční zóna (6) je vyplněna tenkými rotačně symetrickými reflexními fóliemi (7) parabolického nebo eliptického tvaru, uspořádaných pro vznik společného ohniska celého optického systému (3) a pro vytvoření pouze jednoho odrazu, pro zvětšení efektivní plochy celého optického systému (3).

3. Rentgenový optický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednotlivé segmenty (2) jsou uspořádány do kruhové apertury, kde osa (5) souměrnosti segmentu (2) vždy protíná optickou osu (4) rentgenového optického systému (3).