RU2303776C1

RU2303776C1 - Method for controlling of spatial position of an x-ray beam

Info

Publication number: RU2303776C1
Application number: RU2005139189/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Валентинович Ковальчук (RU); Михаил Валентинович Ковальчук; Валентин Викторович Лидер (RU); Валентин Викторович Лидер
Original assignee: Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-07-27

Abstract

FIELD: the invention refers to the field of investigating liquid samples with the aid of an x-ray beam.

SUBSTANCE: the essence of the mode is that controlling of an x-ray beam is executed with the aid of successive reflection of a preliminary monochromatized beam of a synchrotron emission from two mirrors with a cylindrical and a plane surfaces and rotation of the second mirror around its axle normal to the plane of scattering of x-ray rays. At that rotation of the first mirror around its axle is carried out normal to the plane of scattering of x-ray beams. At that the angle θ₁between the beam and the first mirror and the angle θ₂ between the beam and the second mirror are tied by a definite ratio.

EFFECT: provides invariability of the field of illumination of the horizontally located surface of the investigated liquid sample at various values of the angle between the x-ray beam and the surface of the sample.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области рентгенодифракционных и рентгенотопографических неразрушающих методов исследования структуры и контроля качества материалов и предназначено для формирования рентгеновского пучка, в частности пучка синхротронного излучения (СИ), с помощью кристаллов-монохроматоров и фокусирующей системы, состоящей из двух зеркал.The invention relates to the field of X-ray diffraction and X-ray topographic non-destructive methods for studying the structure and quality control of materials and is intended to form an X-ray beam, in particular a synchrotron radiation (SI) beam, using monochromator crystals and a focusing system consisting of two mirrors.

В качестве прототипа рентгенооптической системы выбрано устройство для формирования рентгеновского пучка, описанное в работе В.В.Лидер, Е.Ю.Терещенко, С.И.Желудева, В.И.Вологин, Ю.Н.Шилин, В.А.Шишков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2004. №7. С.5-14. Пучок СИ после последовательного отражения от двух кристаллов-монохроматоров, находящихся в бездисперсионной схеме дифракции, направляется на модуль управления пространственным положением пучка, состоящий из двух плоских зеркал полного внешнего отражения (ПВО). Первое зеркало устанавливается под фиксированным углом к пучку; его задача - вывести пучок из горизонтальной плоскости. Вращением и линейным перемещением в плоскости рассеяния второго зеркала осуществляется изменение угла падения пучка на органическую нанопленку на поверхности жидкой субфазы (далее «жидкий образец»). При этом в процессе эксперимента сохраняется неизменным положение области засветки пучка на образце без перемещения ленгмюровской ванны. При использовании в качестве первого зеркала фокусирующего зеркала с цилиндрической поверхностью область засветки возможно уменьшить. Это обстоятельство дает основание для оптимального использования энергодисперсионного детектора флуоресцентного излучения, поскольку последний имеет ограниченный телесный приемный угол. Однако при неподвижном фокусирующем зеркале в процессе эксперимента размер области засветки не будет постоянным, что может сказаться на точности эксперимента.As a prototype of the x-ray optical system, the device for the formation of the x-ray beam, described in the work of V.V.Lider, E.Yu. Tereshchenko, S.I. Zheludev, V.I. Vologin, Yu.N. Shilin, V.A. Shishkov // The surface. X-ray, synchrotron and neutron studies. 2004. No. 7. S.5-14. After sequential reflection from two monochromator crystals in a dispersionless diffraction pattern, the SR beam is sent to the beam spatial position control module, which consists of two plane mirrors of total external reflection (ATR). The first mirror is mounted at a fixed angle to the beam; its task is to bring the beam out of the horizontal plane. By rotating and linearly moving in the scattering plane of the second mirror, the angle of incidence of the beam on the organic nanofilm on the surface of the liquid subphase (hereinafter referred to as the "liquid sample") is changed. Moreover, in the course of the experiment, the position of the beam exposure region on the sample without moving the Langmuir bath remains unchanged. When using a focusing mirror with a cylindrical surface as the first mirror, the illumination region can be reduced. This circumstance provides the basis for the optimal use of the energy dispersive detector of fluorescence radiation, since the latter has a limited solid receiving angle. However, with a stationary focusing mirror during the experiment, the size of the illumination region will not be constant, which may affect the accuracy of the experiment.

Задачей изобретения является создание способа управления пространственным положением рентгеновского пучка с помощью последовательного отражения предварительно монохроматизированного пучка синхротронного излучения от двух зеркал с цилиндрической и плоской поверхностями, перемещения вдоль пучка и вращения второго зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, позволяющего обеспечить неизменность размера области засветки горизонтально расположенной поверхности исследуемого жидкого образца при различных значениях угла между рентгеновским пучком и поверхностью образца.The objective of the invention is to provide a method for controlling the spatial position of an x-ray beam by sequentially reflecting a pre-monochromatized beam of synchrotron radiation from two mirrors with a cylindrical and flat surfaces, moving along the beam and rotating the second mirror around an axis normal to the x-ray scattering plane, which ensures the invariance of the size of the region illumination of the horizontally located surface of the investigated liquid sample at different values of the angle between the x-ray beam and the surface of the sample.

Поставленная задача решается тем, что производят вращение первого зеркала вокруг оси, нормальной к плоскости рассеяния рентгеновских лучей, причем угол θ₁ между пучком и первым зеркалом и угол θ₂ между пучком и вторым зеркалом связаны соотношением:The problem is solved in that they rotate the first mirror around an axis normal to the x-ray scattering plane, and the angle θ ₁ between the beam and the first mirror and the angle θ ₂ between the beam and the second mirror are related by the relation:

θ₂=[θ₁(1-2kθ₁)-A]/2kθ₁,θ ₂ = [θ ₁ (1-2kθ ₁ ) -A] / 2kθ ₁ ,

где k и А - параметры, зависящие от энергии пучка, радиуса кривизны цилиндрической поверхности первого кристалла и линейных параметров станции.where k and A are parameters depending on the beam energy, the radius of curvature of the cylindrical surface of the first crystal, and the linear parameters of the station.

Изобретение поясняет рентгенооптическая схема устройства, представленная на чертеже. Слабо расходящийся пучок СИ, генерируемый источником 1, направляют на двухкристальный монохроматор. Его кристаллы 2 и 3 находятся в параллельном положении (n, -n), обеспечивая, таким образом, бездисперсионную дифракцию рентгеновских лучей (РЛ). Сформированный монохроматором пучок распространяется в направлении, параллельном первичному пучку СИ, а его пространственное положение не меняется при изменении углового положения кристаллов. Монохроматизированный рентгеновский пучок выводят из горизонтальной плоскости фокусирующим зеркалом полного внешнего отражения 4. Зеркало имеет поверхность кругового цилиндра постоянного радиуса. Второе зеркало 5 с плоской рабочей поверхностью направляет пучок на жидкий образец 6. Угол α между сформированным оптической системой пучком и поверхностью образца в процессе эксперимента меняется от α^min до α^max, причемThe invention explains the x-ray optical diagram of the device shown in the drawing. The slightly divergent SR beam generated by source 1 is directed to a double-crystal monochromator. Its crystals 2 and 3 are in a parallel position (n, -n), thus providing dispersion-free x-ray diffraction (RL). The beam formed by the monochromator propagates in a direction parallel to the primary SR beam, and its spatial position does not change with a change in the angular position of the crystals. The monochromatized x-ray beam is removed from the horizontal plane by a focusing mirror of total external reflection 4. The mirror has the surface of a circular cylinder of constant radius. The second mirror 5 with a flat working surface directs the beam to the liquid sample 6. The angle α between the beam formed by the optical system and the surface of the sample during the experiment varies from α ^min to α ^max , and

α^max=2(θ₂ ^c-θ₁ ^c),α ^max = 2 (θ ₂ ^c -θ ₁ ^c ), (1)(one)

где θ₁ ^c и θ₂ ^c - соответственно величины критических углов ПВО для первого (фокусирующего) и второго (плоского) зеркал. Фокусное расстояние q связано с величиной радиуса R фокусирующего зеркала и расстоянием p от источника рентгеновского излучения до зеркала выражением:where θ ₁ ^c and θ ₂ ^c are, respectively, the critical air defense angles for the first (focusing) and second (flat) mirrors. The focal length q is related to the radius R of the focusing mirror and the distance p from the x-ray source to the mirror by the expression:

2/Rθ₁=1/p+1/q.2 / Rθ ₁ = 1 / p + 1 / q. (2)(2)

Такое зеркало возможно использовать для управления угловой расходимостью Δα сформированного пучка (см. чертеж):Such a mirror can be used to control the angular divergence Δα of the formed beam (see drawing):

Δα/Δθ=p/q.Δα / Δθ = p / q. (3)(3)

Здесь Δθ - расходимость первичного пучка СИ.Here Δθ is the divergence of the primary SR beam.

С помощью формул (2), (3) и чертежа нетрудно получить выражение для размера засветки D поверхности жидкого образца пучком:Using formulas (2), (3) and the drawing, it is easy to obtain an expression for the size of the illumination D of the surface of a liquid sample by a beam:

D=L(1+l/р-2l/Rθ₁)(pΔθ/Lα),D = L (1 + l / p-2l / Rθ ₁ ) (pΔθ / Lα), (4)(four)

где l - расстояние между зеркалом 4 и центром области засветки. Из (4) следует, что в случае плоского 4 (R=∞) размер области засветки обратно пропорционален углу α. Однако при R≠∞ можно добиться неизменности размера засветки (D=const) на протяжении всего эксперимента (т.е. при вариации угла α). Для этого изменяют угол θ₁ по закону:where l is the distance between the mirror 4 and the center of the flare region. It follows from (4) that in the case of planar 4 (R = ∞), the size of the illumination region is inversely proportional to the angle α. However, at R ≠ ∞, it is possible to achieve a constant illumination size (D = const) throughout the entire experiment (i.e., by varying the angle α). To do this, change the angle θ ₁ according to the law:

θ₁=А[1-(α/α^max)(1-A/θ₁ ^c)]^-1.θ ₁ = A [1- (α / α ^max ) (1-A / θ ₁ ^c )] ^-1 . (5)(5)

При этом углы θ₁ и θ₂ будут связаны соотношением:In this case, the angles θ ₁ and θ ₂ will be related by the relation:

θ₂=[θ₁(1-2kθ₁)-A]/2kθ₁.θ ₂ = [θ ₁ (1-2kθ ₁ ) -A] / 2kθ ₁ . (6)(6)

Здесь k=(1-А/θ₁ ^c)/а^max, А=В[1+l/р], В=2l/R и не зависит от длины волны РЛ, θ_м - брэгговский угол кристаллов-монохроматоров. В случае использования асимметричного рефлекса монохроматора 2 р=р₀/b₁(θ_м)+l₀+htgθ_м, р₀ - расстояние между источником излучения и первым кристаллом-монохроматором 2, l₀ - расстояние между монохроматором 2 и фокусирующим зеркалом 4, h - расстояние между направляющими горизонтального перемещения монохроматоров 2 и 3, b₁ - коэффициент асимметрии 2:Here k = (1-A / θ ₁ ^s ) / а ^max , А = В [1 + l / р], В = 2l / R and does not depend on the radar wavelength, θ _m is the Bragg angle of monochromator crystals. In the case of using the asymmetric reflex of the monochromator 2 p = p ₀ / b ₁ (θ _m ) + l ₀ + htgθ _m , p ₀ is the distance between the radiation source and the first crystal-monochromator 2, l ₀ is the distance between the monochromator 2 and the focusing mirror 4 , h is the distance between the horizontal guides of the monochromators 2 and 3, b ₁ is the asymmetry coefficient 2:

b₁(θ_м)=sin(θ_м+φ₁)/sin(θ_м-φ₁),b ₁ (θ _m ) = sin (θ _m + φ ₁ ) / sin (θ _m- φ ₁ ), (7)(7)

где φ₁ - угол наклона отражающих плоскостей к поверхности кристалла-монохроматора M1.where φ ₁ is the angle of inclination of the reflecting planes to the surface of the crystal-monochromator M1.

Claims

A method for controlling the angular position of an x-ray beam by sequentially reflecting a previously monochromatized synchrotron radiation beam from two mirrors with a cylindrical and flat surfaces and rotating the second mirror around an axis normal to the x-ray scattering plane, characterized in that the first mirror rotates around an axis normal to X-ray scattering plane, wherein the angle θ ₁ between the beam and the first mirror, and the angle θ ₂ between the beam and a second mirror associated with elations

θ ₂ = [θ ₁ (1-2kθ ₁ ) -A] / 2kθ ₁ ,

k = (1-A / θ ₁ ^c ) / α ^max , A = B [1 + l / p], b = 2l / R, α ^max = 2 (θ ₂ ^c -θ ₁ ^c ),

where k and A are parameters depending on the beam energy, the radius of curvature of the cylindrical surface of the first crystal, and the distance between the radiation source and the focusing mirror;

α ^max is the maximum angle between the beam formed by the optical system and the sample surface during the experiment;

θ ₁ ^c and θ ₂ ^c are the critical angles of total external reflection for the first (focusing) and second (flat) mirrors, respectively;

l is the distance between the first (focusing) mirror and the center of the flare region;

p is the distance from the x-ray source to the focusing mirror;

R is the radius of the focusing mirror.