RU2528561C2

RU2528561C2 - Highly stable waveguide-resonance quasi-monochromatic x-ray radiation stream former

Info

Publication number: RU2528561C2
Application number: RU2010116853/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Быков; Владимир Константинович Егоров; Евгений Владимирович Егоров
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Нанотехнологии и инновации"
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2014-09-20
Also published as: RU2010116853A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: highly stable waveguide-resonance quasi-monochromatic X-ray radiation stream former relates to X-ray equipment. The waveguide-resonance quasi-monochromatic X-ray radiation stream former is an assembly mounted in a container and consisting of a first and a second flat reflector with a first and a second polished working surface, facing each other and having a gap in between them which is not greater than half the coherence length of the transmitted radiation on the entire length of said gap. The container is sealed and has sealed radioparent entrance and exit windows.

EFFECT: creating conditions which ensure invariance over time of radiation transmission efficiency of a waveguide-resonance X-ray radiation stream former.

12 cl, 12 dwg

Description

Высокостабильный волноводно-резонансный формирователь потока рентгеновского квазимонохроматического излучения относится к рентгеновской технике и преимущественно может быть использован в качестве формирователя радиационного потока наноразмерной ширины и повышенной радиационной плотности для нужд рентгеновской нанофотоники, нанодифрактометрии и топографии, для создания приборов малоуглового рассеяния, рентгеновских рефлектометров и дефектоскопов повышенного разрешения, систем и спектрометров рентгенофлуоресцентного анализа при полном внешнем отражении (РФА ПВО), а также для разработки устройств рентгеновской литографии с наноразмерным разрешением.The highly stable waveguide-resonant shaper of the quasi-monochromatic X-ray flux belongs to the X-ray technique and can mainly be used as the shaper of the radiation flux of nanoscale width and increased radiation density for the needs of X-ray nanophotonics, nanodiffractometry and topography, to create small-angle scattering devices, X-ray reflectometers and X-ray reflectometers , systems and spectrometers x-ray fluorescence analysis with full external reflection (X-ray air defense), as well as for the development of X-ray lithography devices with nanoscale resolution.

Известен волноводно-резонансный формирователь потока рентгеновского квазимонохроматического излучения, представляющий собой сборку, установленную в контейнер и состоящую из первого и второго плоских полированных протяженных рефлекторов полного внешнего отражения рентгеновского излучения, обращенных навстречу друг другу рабочими поверхностями и расположенных с зазором размером В между собой, который не превышает половины длины когерентности транспортируемого устройством рентгеновского излучения по всей длине этого зазора [1]. (Явление волноводно-резонансного распространения потока рентгеновского квазимонохроматического излучения принципиально отличается от явления многократного полного отражения наличием однородного интерференционного поля стоячей рентгеновской волны во всем пространстве плоского протяженного рентгеноводного канала. Распространение потока излучения посредством образования стоячей рентгеновской волны является резонансным независимо от угла падения этого потока на входную щель рентгеноводного канала при условии, что его ширина не превосходит половины длины когерентности этого излучения. Устройства, работающие в рамках этого явления, получили название плоских рентгеновских волноводов-резонаторов (ПРВР)).Known waveguide-resonant shaper of the flow of x-ray quasimonochromatic radiation, which is an assembly installed in a container and consisting of the first and second flat polished long reflectors of the total external reflection of x-rays, facing each other by working surfaces and located with a gap of size B, which is not exceeds half the coherence length of the x-ray transported by the device along the entire length of this gap [1]. (The phenomenon of waveguide-resonant propagation of an X-ray quasimonochromatic radiation flux is fundamentally different from the phenomenon of multiple full reflection by the presence of a uniform interference field of a standing X-ray wave in the entire space of a plane extended X-ray channel. The propagation of a radiation flux through the formation of a standing X-ray wave is resonant regardless of the angle of incidence of this flux to the input x-ray channel gap, provided that its width is not revoskhodit half the length of coherence of the radiation. Devices operating in the framework of this phenomenon are called X-plane waveguide resonators (ELDP)).

Основным недостатком указанного волноводно-резонансного формирователя потока рентгеновского квазимонохроматического излучения является критическая зависимость его параметров от внешних условий, в которых он эксплуатируется.The main disadvantage of this waveguide-resonant shaper of the X-ray quasi-monochromatic radiation flux is the critical dependence of its parameters on the external conditions in which it is operated.

Это устройство выбрано в качестве прототипа построения высокостабильного волноводно-резонансного формирователя потока рентгеновского квазимонохроматического излучения.This device is selected as a prototype for constructing a highly stable waveguide-resonant shaper of a flux of quasi-monochromatic radiation.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в принудительном создании условий, обеспечивающих неизменность во времени радиационно-транспортной эффективности волноводно-резонансного формирователя потока рентгеновского излучения.The technical result of the proposed invention consists in the compulsory creation of conditions ensuring the invariance in time of the radiation-transport efficiency of the waveguide-resonant shaper of the x-ray flux.

Указанный технический результат достигается тем, что в волноводно-резонансном формирователе потока рентгеновского квазимонохроматического излучения, представляющего собой сборку, установленную в контейнере и состоящую из первого и второго плоских рефлекторов с первой и второй полированными рабочими поверхностями, обращенными навстречу друг другу и расположенными с зазором между собой, не превышающим половину длины когерентности по всей величине этого зазора, при этом, по меньшей мере, одна рабочая поверхность одного плоского рефлектора параллельна плоскости первой и второй координат, контейнер выполнен герметичным и имеет герметичные входное и выходное рентгенопрозрачные окна, расположенные на первой координате.The specified technical result is achieved in that in the waveguide-resonant shaper of the flux of quasi-monochromatic radiation, which is an assembly installed in the container and consisting of the first and second flat reflectors with the first and second polished working surfaces facing each other and located with a gap between each other not exceeding half the coherence length over the entire value of this gap, with at least one working surface of one plane refle torus plane parallel to the first and second coordinates, the container is sealed and has a sealed inlet and outlet radiolucent window disposed on the first coordinate.

Существует вариант, в котором первый и второй плоские рефлекторы изготовлены из материала с повышенной атомной плотностью.There is an option in which the first and second flat reflectors are made of a material with increased atomic density.

Существует также вариант, в котором ширина зазора вдоль первой координаты является переменной величиной или величина зазора вдоль третьей координаты не является постоянной величиной.There is also an option in which the gap width along the first coordinate is a variable or the gap along the third coordinate is not a constant.

Существует также вариант, в котором, по меньшей мере, два сопряженных торца двух рефлекторов, расположенных на первой координате, на виде по второй координате имеют форму выпуклой цилиндрической поверхности.There is also an option in which at least two conjugate ends of two reflectors located on the first coordinate, in a view along the second coordinate, have the shape of a convex cylindrical surface.

Существует также вариант, в котором устройство снабжено входным угловым радиационным концентратором с плоскими отражающими поверхностями или входным угловым концентратором излучения с отражающими поверхностями специальной формы, соответствующей типу применяемого источника.There is also an option in which the device is equipped with an input angular radiation concentrator with flat reflective surfaces or an input angular radiation concentrator with reflective surfaces of a special shape corresponding to the type of source used.

Существует также вариант, в котором в качестве плоских рефлекторов используют рентгеновские многослойные зеркала или на рабочих поверхностях плоских рефлекторов нанесены тонкопленочные покрытия со специальными свойствами.There is also an option in which X-ray multilayer mirrors are used as planar reflectors or thin-film coatings with special properties are applied on the working surfaces of planar reflectors.

Существует также вариант, в котором пленочные покрытия вдоль первой координаты имеют переменную плотность.There is also an option in which the film coatings along the first coordinate have a variable density.

Существует также вариант, в котором плоские рефлекторы имеют разную длины или короткий плоский рефлектор сопряжен с дополнительным третьим рефлектором с отражающей поверхностью плоской или специальной формы.There is also an option in which flat reflectors have different lengths or a short flat reflector is coupled to an additional third reflector with a reflecting surface of a flat or special shape.

На фиг.1 приведена схема предложенного устройства (в разрезе вдоль волноводно-резонансного канала, вид сверху).Figure 1 shows a diagram of the proposed device (in section along the waveguide-resonant channel, top view).

На фиг.2 показано его перпендикулярное сечение.Figure 2 shows its perpendicular section.

На фиг.3 и 4 показаны варианты выполнения сборки, состоящей из первого и второго полированных рефлекторов, допускающие некоторую взаимную непараллельность их рабочих поверхностей, направленных навстречу друг другу.Figures 3 and 4 show embodiments of an assembly consisting of the first and second polished reflectors, allowing some mutual non-parallelism of their working surfaces directed towards each other.

На фиг.5 показан вариант выполнения этой сборки из рефлекторов, имеющих торцы в форме цилиндрических полированных поверхностей.Figure 5 shows an embodiment of this assembly of reflectors having ends in the form of cylindrical polished surfaces.

На фиг.6 и 7 показаны варианты выполнения сборок с использованием рефлекторов, характеризующихся наличием скосов плоской или фигурной формы в позициях, соответствующих выходному срезу этой сборки.6 and 7 show embodiments of assemblies using reflectors characterized by the presence of bevels of a flat or figured shape in positions corresponding to the output slice of this assembly.

На фиг.8, 9 и 10 показаны варианты выполнения сборок с использованием рефлекторов, имеющих пленочные покрытия на своих рабочих поверхностях.On Fig, 9 and 10 show embodiments of assemblies using reflectors having film coatings on their working surfaces.

На фиг.11 показан вариант выполнения сборки с использованием разноразмерных рефлекторов.Figure 11 shows an embodiment of the assembly using multi-sized reflectors.

На фиг.12 изображен вариант сборки, выполненной на базе применения разноразмерных рефлекторов, дополненной зеркалом полного внешнего отражения потока рентгеновских лучей, которое располагается в области выхода формируемого потока.On Fig shows a variant of the assembly, made on the basis of the use of different-sized reflectors, supplemented by a mirror of the total external reflection of the x-ray stream, which is located in the output region of the generated stream.

Высокостабильный волноводно-резонансный формирователь содержит основание 1 (Фиг.1, 2), на котором посредством ручных резьбовых позиционирующих барашков 2, навинчивающихся на микровинтовые стойки 3, сопряженные с вставками 4, а также посредством пружин 5, установлен контейнер волноводно-резонансного формирователя 6. Ручная микровинтовая подача может быть заменена на позиционирующую систему на базе шаговых двигателей или на пьезопозиционирующие устройства [2, 3]. Вставки 4 жестко крепятся к корпусу контейнера волноводно-резонансного формирователя. В контейнере 6 имеется входное окно 7 и выходное окно 8, расположенные на первой координате X. Входное и выходное окна герметично прикрыты майларовыми (нейлонными) пленочными накладками 9, например, имеющими толщину в интервале 10-20 мкм. Внутри контейнера установлены первая пластина 10 и вторая пластина 11, несущая на себе напыленные полоски 12 и 13. Элементы крепления обоих пластин внутри контейнера, которые могут быть выполнены, например, с помощью винтов, условно не показаны. Волноводно-резонансный канал 14 (ширина его измеряется по второй координате Y), формирующий выходящий поток рентгеновского квазимонохроматического излучения, образован полированной плоской поверхностью 15 пластины 10 и полированной плоской поверхностью 16 пластины 11. Поверхности 15 и 16 расположены параллельно плоскости первой и третьей координат XZ. Уровень шероховатости после полировки не должен превосходить 5 нанометров. В простейшем случае для изготовления пластин 10 и 11 используется кварцевое стекло. В качестве материала для напыления полосок 12 и 13 может быть использован любой металл или диэлектрическое соединение, обладающее высокой адгезией к материалу, из которого изготавливаются пластины 10 и 11. При их изготовлении из кварцевого стекла для напыления полосок 12 и 13 могут быть использованы, например, хром и титан. Процесс напыления полосок, как и процесс прецизионной полировки поверхностей 15 и 16, являются основополагающими технологическими мероприятиями приготовления высокостабильного волноводно-резонансного формирователя потока рентгеновского квазимонохроматического излучения. Напыление полосок осуществляется в вакууме с использованием одной из стандартных процедур, например методами магнетронного распыления или электронно-лучевого осаждения [4]. Однако геометрия напыления должна обеспечивать неравномерность по толщине полоски на всей ее длине не более 1%.Highly stable waveguide-resonant driver includes a base 1 (Fig. 1, 2), on which a container of waveguide-resonant driver 6 is installed by means of manual threaded positioning flaps 2, screwed onto micro-screw posts 3, conjugated with inserts 4, and also by means of springs 5. Manual microscrew feed can be replaced with a positioning system based on stepper motors or with piezo positioning devices [2, 3]. The inserts 4 are rigidly attached to the container body of the waveguide-resonant driver. The container 6 has an inlet window 7 and an outlet window 8 located at the first coordinate X. The inlet and outlet windows are hermetically covered by Mylar (nylon) film linings 9, for example, having a thickness in the range of 10-20 μm. Inside the container, a first plate 10 and a second plate 11 are mounted, supporting sprayed strips 12 and 13. The fastening elements of both plates inside the container, which can be made, for example, using screws, are not conventionally shown. The waveguide-resonant channel 14 (its width is measured by the second coordinate Y), which forms the output stream of X-ray quasi-monochromatic radiation, is formed by a polished flat surface 15 of the plate 10 and a polished flat surface 16 of the plate 11. Surfaces 15 and 16 are parallel to the plane of the first and third coordinates XZ. The level of roughness after polishing should not exceed 5 nanometers. In the simplest case, quartz glass is used to make wafers 10 and 11. As the material for spraying strips 12 and 13, any metal or dielectric compound having high adhesion to the material from which the plates 10 and 11 are made can be used. For their manufacture from quartz glass, for spraying strips 12 and 13 can be used, for example, chrome and titanium. The process of spraying strips, as well as the process of precision polishing of surfaces 15 and 16, are fundamental technological measures for the preparation of a highly stable waveguide-resonant shaper of a flux of quasi-monochromatic radiation. The strips are sprayed in vacuum using one of the standard procedures, for example, magnetron sputtering or electron beam deposition [4]. However, the geometry of the spraying should ensure unevenness in the thickness of the strip over its entire length of not more than 1%.

Длина пластин 10 и 11 определяется требованиями рентгеновских методик, которые предполагают использовать волноводно-резонансные формирователи в своих рентгенооптических схемах. Опыт показывает, что наиболее востребованный интервал длин 50-150 мм. Толщина полосок 12 и 13, определяющая ширину волноводно-резонансного канала 14, не должен превосходить половины параметра длины когерентности излучения L $(\frac{L}{2} = \frac{λ_{0}^{2}}{2 Δ λ})$

, для формирования потока которого будет использоваться конкретная волноводно-резонансная сборка. Например, при ориентации на молибденовое излучение толщина напыленных полос не должна превышать 110 нанометров. При использовании излучения CuKα толщина этих полос не может превышать величину 240 нанометров. Вследствие наноразмерности толщины полосок их реализация как сменных прокладок невозможна.The length of the

plates

10 and 11 is determined by the requirements of x-ray techniques, which involve the use of waveguide-resonant shapers in their x-ray optical schemes. Experience shows that the most popular range of lengths is 50-150 mm. The thickness of the

strips

12 and 13, which determines the width of the waveguide resonance channel 14, should not exceed half the parameter of the radiation coherence length L

(\frac{L}{2} = \frac{λ_{0}^{2}}{2 Δ λ})

, for the formation of the flow of which a specific waveguide-resonant assembly will be used. For example, when focusing on molybdenum radiation, the thickness of the deposited strips should not exceed 110 nanometers. When using CuKα radiation, the thickness of these bands cannot exceed 240 nanometers. Due to the nanoscale thickness of the strips, their implementation as replaceable gaskets is impossible.

Для изготовления основания 1 и контейнера 6 целесообразно использовать нержавеющую сталь или сплавы алюминия.For the manufacture of base 1 and container 6, it is advisable to use stainless steel or aluminum alloys.

Возможен вариант изготовления пластин 10 и 11 высокостабильного волноводно-резонансного формирователя не из кварцевого стекла, имеющего плотность ρ=2.3 г/см³, а из диэлектрического материала с более высокой плотностью, например HfO₂, ρ=9.7 г/см³. Применение материала с высокой плотностью позволяет добиться дополнительного технического эффекта - значительного повышения радиационной плотности формируемого потока за счет увеличения угла захвата излучения источника рентгеновских лучей. Так, замена кварца на окись гафния при изготовлении рефлекторов волноводно-резонансной сборки повышает радиационную плотность в волноводно-резонансном канале устройства более чем в два раза.It is possible to manufacture plates 10 and 11 of a highly stable waveguide-resonant shaper not from silica glass having a density ρ = 2.3 g / cm ³ , but from a dielectric material with a higher density, for example HfO ₂ , ρ = 9.7 g / cm ³ . The use of a material with a high density makes it possible to achieve an additional technical effect - a significant increase in the radiation density of the generated flow due to an increase in the angle of capture of radiation from the x-ray source. So, replacing quartz with hafnium oxide in the manufacture of reflectors of a waveguide-resonant assembly increases the radiation density in the waveguide-resonant channel of the device by more than two times.

Возможен вариант изготовления высокостабильного волноводно-резонансного формирователя с изменяющейся шириной волноводно-резонансного зазора вдоль первой координаты Х (фиг.1) при условии, что эта ширина по всей длине устройства не будет превышать половины длины когерентности излучения, которое предполагается транспортировать. Использование такого подхода позволяет существенно влиять на параметры формируемого потока. Например, уменьшение ширины щелевого зазора вдоль первой координаты Х (фиг.3) от максимальной предельно допустимой величины, соответствующей значению половины длины когерентности транспортируемого квазимонохроматического (характеристического) излучения d₁ на входе волноводно-резонансной сборки до минимально допустимого размера на его выходе, равного одному периоду стоячей рентгеновской волны d₂ [5], позволяет добиться дополнительного технического эффекта - повышения радиационной плотности формируемого потока. При использовании кварцевой волноводно-резонансной сборки для транспортировки излучения CuKα использование сужающегося волноводно-резонансного щелевого зазора позволяет увеличить радиационную плотность потока более чем в 12 раз. Функция, описывающая сужение зазора, может быть любой от линейной до гиперболической [6].It is possible to manufacture a highly stable waveguide-resonant shaper with a changing width of the waveguide-resonance gap along the first coordinate X (Fig. 1), provided that this width along the entire length of the device does not exceed half the length of the coherence of the radiation that is supposed to be transported. Using this approach allows you to significantly affect the parameters of the generated stream. For example, reducing the width of the gap along the first coordinate X (Fig. 3) from the maximum maximum permissible value corresponding to the value of half the coherence length of the transported quasi-monochromatic (characteristic) radiation d ₁ at the input of the waveguide-resonant assembly to the minimum allowable size at its output equal to one period of the standing x-ray wave d ₂ [5], allows to achieve an additional technical effect - increasing the radiation density of the generated stream. When using a quartz waveguide-resonant assembly for transporting CuKα radiation, the use of a narrowing waveguide-resonance slit gap can increase the radiation flux density by more than 12 times. The function that describes the narrowing of the gap can be any from linear to hyperbolic [6].

Возможен вариант изготовления высокостабильного волноводно-резонансного формирователя с наличием некоторой непараллельности рефлекторов, составляющих устройство, вдоль третьей координаты Z. Это возможно в условиях напыления полосок 12 и 13 (фиг.4) разной толщины. При этом возникает неоднородность ширины волноводно-резонансного канала 14 по высоте. Такая неоднородность технологически допустима, если ширина щели в любом ее сечении не превосходит половины длины когерентности транспортируемого излучения. Наличие указанной непараллельности не изменяет интегральной интенсивности формируемого потока, но приводит к появлению неоднородности по его ширине и, соответственно, ведет к появлению неоднородности его радиационной плотности по высоте формируемого пучка. В данном случае технический эффект состоит в том, что могут быть существенно снижены требования по допускам на толщину напыляемых полосок, что ведет к существенному удешевлению комплекса технологических операций по изготовлению рефлекторов с напиленными полосами.It is possible to manufacture a highly stable waveguide-resonant shaper with the presence of some non-parallelism of the reflectors that make up the device along the third coordinate Z. This is possible under conditions of spraying strips 12 and 13 (Fig. 4) of different thicknesses. When this occurs, the heterogeneity of the width of the waveguide-resonant channel 14 in height. Such a heterogeneity is technologically permissible if the width of the gap in any of its cross sections does not exceed half the coherence length of the transported radiation. The presence of this non-parallelism does not change the integrated intensity of the generated flow, but leads to the appearance of inhomogeneity in its width and, accordingly, leads to the appearance of inhomogeneity of its radiation density over the height of the formed beam. In this case, the technical effect is that the requirements for tolerances on the thickness of the sprayed strips can be significantly reduced, which leads to a significant reduction in the cost of the complex of technological operations for the manufacture of reflectors with sawn strips.

В базовом устройстве, схематически показанном на фиг.1 и 2, предполагается, что торцы рефлекторов, составляющих водноводно-резонансную пару 17, 18, 19, 20, изготавливаются перпендикулярно рабочим поверхностям рефлекторов 15 и 16. В то же время возможен вариант изготовления торцов в форме цилиндрических поверхностей с радиусом R, равном полутолщине рефлекторных пластин 26, 27, 28, 29 (фиг.5). Изготовление цилиндрических полированных торцов рефлекторов сопряжено с дополнительными технологическими трудностями, значительно удорожающими их производство, т.к. оси цилиндрических поверхностей должны быть перпендикулярны боковым плоскостям рефлекторов 21, 23, 24, 26 (фиг.2). В то же время технологические трудности должны окупиться появляющимися дополнительными техническими эффектами, связанными с одной стороны с упрощением процедуры юстировки волноводно-резонансного устройства в рентгенооптической схеме конечного прибора, а с другой стороны, с увеличением радиационной светосилы волноводно-резонансной сборки за счет дополнительного сбора потока благодаря наличию входного цилиндрического концентратора полного внешнего отражения.In the basic device, schematically shown in FIGS. 1 and 2, it is assumed that the ends of the reflectors constituting the water-resonance pair 17, 18, 19, 20 are made perpendicular to the working surfaces of the reflectors 15 and 16. At the same time, an end manufacturing option is possible in the shape of cylindrical surfaces with a radius R equal to half the thickness of the reflex plates 26, 27, 28, 29 (figure 5). The manufacture of cylindrical polished ends of the reflectors is associated with additional technological difficulties that significantly increase the cost of their production, because the axis of the cylindrical surfaces should be perpendicular to the lateral planes of the reflectors 21, 23, 24, 26 (figure 2). At the same time, technological difficulties should be compensated for by additional technical effects associated with, on the one hand, simplifying the procedure for adjusting the waveguide-resonance device in the X-ray optical circuit of the final device, and, on the other hand, with increasing the radiation aperture of the waveguide-resonant assembly due to additional flux collection the presence of an input cylindrical concentrator of total external reflection.

Возможен вариант изготовления высокостабильного волноводно-резонансного формирователя с повышенной радиационной светосилой. Это увеличение может быть достигнуто за счет дополнения волноводно-резонансной сборки установкой в ее входной части углового концентратора излучения 30, образованного поверхностями 31 и 32, с плоской угловой апертурой φ (фиг.6), величина которой не должна превышать удвоенного значения критического угла полного внешнего отражения θ_с [7] транспортируемого квазимонохроматического (характеристического) рентгеновского излучения для материала рефлекторов. Например, при транспортировке потока излучения CuKα (λ₀=0.154 нм) волноводно-резонансной сборкой, построенной на базе пары кварцевых рефлекторов, предельная величина плоской угловой апертуры углового концентратора равняется 0.42°, а при транспортировке МоКα (λ₀=0.0701 нм) эта величина составляет 0.22°. Длина плоского углового концентратора «l» выбирается конструктивно, но она не может превосходить значения 0.66Z, где L - полная длина модифицированных рефлекторов волноводно-резонансной сборки. Соображения по выбору длины «l» в ссылке [8]. Применение плоского углового радиационного концентратора создает значительный дополнительный технический эффект, связанный с увеличением более чем на порядок радиационной светосилы высокостабильного волноводно-резонансного формирователя без влияния на другие параметры формируемого им радиационного потока.A possible embodiment of the manufacture of a highly stable waveguide-resonant shaper with increased radiation aperture. This increase can be achieved by supplementing the waveguide-resonant assembly by installing in its input part an angular concentrator of radiation 30 formed by surfaces 31 and 32 with a flat angular aperture φ (Fig. 6), the value of which should not exceed twice the critical angle of the total external reflection θ _c [7] of the transported quasi-monochromatic (characteristic) X-ray radiation for the material of the reflectors. For example, when the radiation flux is transported by CuKα (λ ₀ = 0.154 nm) by a waveguide-resonant assembly constructed on the basis of a pair of quartz reflectors, the limiting value of the flat angular aperture of the angular concentrator is 0.42 °, and when transported by MoKα (λ ₀ = 0.0701 nm), this value is 0.22 °. The length of the planar angular concentrator “l” is chosen constructively, but it cannot exceed 0.66Z, where L is the total length of the modified reflectors of the waveguide-resonant assembly. Considerations for choosing the length "l" in the link [8]. The use of a flat angular radiation concentrator creates a significant additional technical effect associated with an increase by more than an order of the radiation aperture of a highly stable waveguide-resonant shaper without affecting other parameters of the radiation flux generated by it.

Еще большего увеличения радиационной светосилы этого формирователя можно добиться за счет модификации формы входного радиационного концентратора 33, т.е. изготовлением фигурных поверхностей 34 и 35 (фиг.7). В отличие от плоской формы использование поверхностей сложной формы (параболической, гиперболической, экспоненциальной и т.д. [6]) предоставляет возможность практически полного сбора радиационного потока, попавшего в угловую апертуру концентратора φ, в волноводно-резонансный щелевой канал устройства. Выбор формы отражающих поверхностей концентратора определяется угловым распределением потока источника рентгеновского излучения. Например, для рентгеновских трубок с неподвижным анодом, предназначаемых для структурного анализа (БСВ-24, БСВ-27 и т.д.), наиболее подходящей формой поверхности концентратора является гиперболическая форма. Как и в предыдущем случае, входная угловая апертура устройства φ не должна превышать удвоенного значения критического угла полного внешнего отражения θ_с транспортируемого квазимонохроматического (характеристического) рентгеновского излучения для материала рефлектора. Длина концентратора со специфической формой отражающих поверхностей 34 и 35 (фиг.7) «l» не должна превосходить значения 0.66L, где L - полная длина модифицированных рефлекторов волноводно-резонансного устройства. Технический эффект применения входного радиационного концентратора с неплоской формой отражающих поверхностей достигается за счет практически полного ввода всего радиационного потока, попадающего в концентратор, в наноразмерный волноводно-резонансный щелевой зазор устройства. Радиационная светосила волноводно-резонансной сборки, снабженного угловым концентратором с формой отражающих плоскостей, соответствующих угловому распределению интенсивности выбранного источника рентгеновского излучения, возрастает более чем на два порядка.An even greater increase in the radiation aperture of this shaper can be achieved by modifying the shape of the input radiation concentrator 33, i.e. the manufacture of curly surfaces 34 and 35 (Fig.7). In contrast to the flat shape, the use of surfaces of complex shape (parabolic, hyperbolic, exponential, etc. [6]) provides the possibility of almost complete collection of the radiation flux that has fallen into the angular aperture of the concentrator φ into the waveguide-resonance slot channel of the device. The choice of the shape of the reflective surfaces of the concentrator is determined by the angular distribution of the flux of the x-ray source. For example, for x-ray tubes with a fixed anode intended for structural analysis (BSV-24, BSV-27, etc.), the most suitable shape of the surface of the concentrator is a hyperbolic form. As in the previous case, the input angular aperture of the device φ should not exceed twice the critical angle of the total external reflection θ _{from the} transported quasi-monochromatic (characteristic) X-ray radiation for the reflector material. The length of the concentrator with the specific shape of the reflective surfaces 34 and 35 (Fig. 7) “l” should not exceed 0.66L, where L is the total length of the modified reflectors of the waveguide-resonance device. The technical effect of using an input radiation concentrator with a non-planar shape of reflective surfaces is achieved due to the almost complete introduction of the entire radiation flux entering the concentrator into the nanoscale waveguide-resonance slot gap of the device. The radiation aperture of a waveguide-resonant assembly equipped with an angular concentrator with the shape of reflective planes corresponding to the angular intensity distribution of the selected x-ray source increases by more than two orders of magnitude.

Возможен вариант построения высокостабильного волноводно-резонансного формирователя со специальными пленочными покрытиями на рабочих поверхностях кварцевых рефлекторов (фиг.8). Построение волноводно-резонансных сборок с использованием кварцевых рефлекторов с тонкопленочными покрытиями рабочих поверхностей связано, прежде всего, с экономическими соображениями. Дело в том, что технология формовки и полировки кварцевого стекла, а также монокристаллического кремния, является стандартизованной процедурой [9]. Поэтому для построения волноводно-резонансных сборок на базе различных рефлекторных материалов наиболее эффективно использовать кварцевые или кремниевые подложки 10 и 11 с нанесенными на них тонкопленочными покрытиями 36 и 37 из необходимого материала. В этом случае наибольшего технического эффекта удается добиться при нанесении диэлектрических покрытий с высокой атомной плотностью, например HfO₂, ρ=9.8 г/см³; TaN, ρ=16.1 г/см³ и т.д. Рабочими поверхностями становятся плоскости покрытий 38 и 39. Технический эффект от применения покрытий с высокой атомной плотностью достигается за счет того, что критический угол полного внешнего отражения у таких материалов оказывается существенно больше по сравнению с кварцем или кремнием. В итоге угол захвата радиационного потока, соответствующий удвоенному значению критического угла полного внешнего отражения, оказывается в два-три раза превосходящим угол захвата потока волноводно-резонансной сборки, построенной на базе кварцевых (или кремниевых) рефлекторов, что существенно повышает радиационную светосилу устройства. Толщина покрытий должна в несколько раз превосходить величину параметра глубины проникновения излучения в материал покрытия, т.е. составлять величину не менее 10 нанометров.It is possible to build a highly stable waveguide-resonant shaper with special film coatings on the working surfaces of quartz reflectors (Fig. 8). The construction of waveguide-resonant assemblies using quartz reflectors with thin-film coatings of working surfaces is associated primarily with economic considerations. The fact is that the technology of forming and polishing quartz glass, as well as single-crystal silicon, is a standardized procedure [9]. Therefore, to build waveguide-resonant assemblies based on various reflex materials, it is most effective to use quartz or silicon substrates 10 and 11 with thin-film coatings 36 and 37 made of the necessary material applied to them. In this case, the greatest technical effect can be achieved when applying dielectric coatings with a high atomic density, for example HfO ₂ , ρ = 9.8 g / cm ³ ; TaN, ρ = 16.1 g / cm ³ , etc. Coating planes 38 and 39 become working surfaces. The technical effect of the use of coatings with high atomic density is achieved due to the fact that the critical angle of total external reflection of such materials is significantly larger compared to quartz or silicon. As a result, the angle of capture of the radiation flux, corresponding to twice the critical angle of total external reflection, turns out to be two to three times greater than the angle of capture of the flow of the waveguide-resonant assembly, built on the basis of quartz (or silicon) reflectors, which significantly increases the radiation aperture of the device. The thickness of the coatings should be several times greater than the parameter of the depth of radiation penetration into the coating material, i.e. be at least 10 nanometers.

Возможен вариант построения высокостабильного волноводно-резонансного формирователя на базе рефлекторов с пленочными покрытиями, в которых плотность покрытия меняется вдоль поверхностей волноводно-резонансных рефлекторов, т.е. вдоль первой координаты «х» (фиг.9). Применение рефлекторных покрытий с градиентом атомной плотности помимо увеличения радиационной светосилы позволяет получать дополнительный технический эффект, связанный с повышением радиационной плотности формируемого потока. На поверхности подложек-рефлекторов 10 и 11 наносят пленочные покрытия, так чтобы плотность этих покрытий во входной части волноводно-резонансной сборки 41 и 42 была бы максимально высокой, а в ее выходной части 42 и 43 - минимальной. Такое покрытие может быть реализовано путем, например, напыления твердого раствора TaN-TiN на кварцевые или кремниевые рефлекторы из двух изложниц с использованием подвижного экрана. Построенная таким образом волноводно-резонансная сборка будет захватывать излучение в широкую угловую апертуру, соответствующую удвоенному значению критического угла полного внешнего отражения транспортируемого квазимонохроматического (характеристического) излучения для материала покрытия с максимальной атомной плотностью, а формировать на своем выходе поток с угловой расходимостью, соответствующей удвоенному значению критического угла полного внешнего отражения этого излучения для материала покрытия с минимальной атомной плотностью. Например, если для нанесения градиентных покрытий на кварцевые подложки-рефлекторы 10 и 11 использовался твердый раствор TaN-TiN, то в наиболее благоприятном случае мы получим в позициях 40 и 41 твердый раствор состава TaN с атомной плотностью 16.1 г/см³, а в позициях 42 и 42 твердый раствор состава TiN с атомной плотностью 6.1 г/см³. Вдоль первой координаты «х» плотность покрытия будет монотонно меняться от одного крайнего значения до другого. При этом угол захвата, например, излучения CuKα составит 1.1°, в то время как угол расходимости сформированного потока будет равен 0.7°. Поскольку волноводно-резонансная сборка транспортирует излучения практически без ослабления, достигается дополнительный технический эффект, состоящий в том, что радиационная плотность на выходе такого устройства будет в 1.5 раза выше в сравнении с радиационной плотностью на его входе.It is possible to build a highly stable waveguide-resonant shaper based on reflectors with film coatings in which the density of the coating varies along the surfaces of the waveguide-resonance reflectors, i.e. along the first coordinate "x" (Fig.9). The use of reflex coatings with an atomic density gradient in addition to increasing the radiation aperture allows you to get an additional technical effect associated with an increase in the radiation density of the generated stream. On the surface of the reflector substrates 10 and 11, film coatings are applied so that the density of these coatings in the input part of the waveguide-resonance assembly 41 and 42 is as high as possible, and in its output part 42 and 43, the minimum. Such a coating can be realized, for example, by spraying TaN-TiN solid solution onto quartz or silicon reflectors from two molds using a movable screen. The waveguide-resonant assembly constructed in this way will capture radiation in a wide angular aperture corresponding to a double value of the critical angle of the total external reflection of the transported quasimonochromatic (characteristic) radiation for the coating material with maximum atomic density, and generate at its output a stream with an angular divergence corresponding to a double value critical angle of total external reflection of this radiation for a coating material with a minimum atomic plane tnosti. For example, if for the application of gradient coatings on quartz substrates reflectors 10 and 11 used a solid solution TaN-TiN, in the most favorable case, we obtain at positions 40 and 41 of the solid solution TaN composition with atomic density of 1.16 g / cm ³ and in positions 42 and 42, a solid solution of composition TiN with an atomic density of 6.1 g / cm ³ . Along the first coordinate "x", the density of the coating will monotonically change from one extreme value to another. In this case, the capture angle, for example, of CuKα radiation will be 1.1 °, while the divergence angle of the generated flow will be 0.7 °. Since the waveguide-resonant assembly transports radiation almost without attenuation, an additional technical effect is achieved, consisting in the fact that the radiation density at the output of such a device will be 1.5 times higher in comparison with the radiation density at its input.

Возможен вариант построения высокостабильного волноводно-резонансного формирователя на базе кварцевых или кремниевых подложек-рефлекторов, на которых в качестве покрытия нанесены так называемые многослойные рентгеновские зеркала (фиг.10) [10]. Такие зеркала формируются путем последовательного нанесения на подложку-рефлектор тонких слоев (толщиной несколько нанометров), материалов с низкой и высокой атомными плотностями 44 и 45. Число последовательных пар таких слоев может достигать несколько десятков и даже сотен. Подобные многослойки обладают свойствами одномерного монокристалла. Поэтому поток рентгеновских лучей кроме полного внешнего отражения на внешних поверхностях этих многослоек 46 и 47 будет испытывать и Брегговское отражение [11]. Угол Брегговского отражения определяется толщиной слоевой пары - слоя с высокой атомной плотностью (например, вольфрама) и слоя с низкой атомной плотностью (например, углерода). Как правило, угол первого, наиболее интенсивного, Брегговского отражения для таких зеркал составляет величину около 1°. По интенсивности Брегговский вклад может составлять до 10% от интенсивности полного внешнего отражения. Таким образом, дополнительный технический эффект от использования многослойных рентгеновских зеркал в качестве рефлекторов, составляющих волноводно-резонансную сборку, состоит в некотором увеличении радиационной светосилы устройства.It is possible to build a highly stable waveguide-resonant shaper based on quartz or silicon reflector substrates, on which the so-called multilayer X-ray mirrors are applied (Fig. 10) [10]. Such mirrors are formed by sequentially depositing thin layers (several nanometers thick) and materials with low and high atomic densities 44 and 45 on the reflector substrate. The number of consecutive pairs of such layers can reach several tens or even hundreds. Such multilayers possess the properties of a one-dimensional single crystal. Therefore, in addition to total external reflection, the X-ray flux on the external surfaces of these multilayers 46 and 47 will also experience Bragg reflection [11]. The Bragg reflection angle is determined by the thickness of the layer pair — a layer with a high atomic density (for example, tungsten) and a layer with a low atomic density (for example, carbon). As a rule, the angle of the first, most intense, Bragg reflection for such mirrors is about 1 °. In terms of intensity, the Bragg contribution can be up to 10% of the total external reflection intensity. Thus, an additional technical effect of the use of multilayer X-ray mirrors as reflectors that make up the waveguide-resonant assembly consists in a certain increase in the radiation aperture of the device.

Возможно построение высокостабильного волноводно-резонансного формирователя устройства, позволяющего заметно уменьшить угловую расходимость формируемого потока в сравнении с расходимостью потока рентгеновских лучей на выходе волноводно-резонансной сборки базовой конструкции. На фиг. 11 приведено схематическое изображение такого устройства. Оно построено на базе использования рефлекторов полного внешнего отражения 10 и 11 разной длины L₀ и L₁. Размеры L₀ и L₁ могут считаться разными, если разница (L₀-L₁) приблизительно на три порядка превышает ширину щелевого зазора, т.е. эта разница должна составить величину не менее нескольких сотен микрометров. Опыт показывает, что применение разновеликих рефлекторов для построения волноводно-резонансной сборки приводит к заметному пространственному перераспределению интенсивности рентгеновского излучения в сформированном потоке с появлением в нем существенной угловой асимметрии. Дополнительный технический эффект от построения волноводно-резонансной сборки на базе разновеликих рефлекторов состоит в уменьшении угловой расходимости формируемого потока и в приблизительно двукратном увеличении его радиационной плотности.It is possible to build a highly stable waveguide-resonant shaper device that can significantly reduce the angular divergence of the generated stream in comparison with the divergence of the x-ray flux at the output of the waveguide-resonant assembly of the basic structure. In FIG. 11 is a schematic illustration of such a device. It is based on the use of reflectors of total external reflection 10 and 11 of different lengths L ₀ and L ₁ . The sizes L ₀ and L ₁ can be considered different if the difference (L ₀ -L ₁ ) is approximately three orders of magnitude greater than the width of the gap gap, i.e. this difference should be at least several hundred micrometers. Experience shows that the use of different-sized reflectors for constructing a waveguide-resonant assembly leads to a noticeable spatial redistribution of the intensity of X-ray radiation in the formed flow with the appearance of significant angular asymmetry in it. An additional technical effect of constructing a waveguide-resonant assembly based on different-sized reflectors is to reduce the angular divergence of the generated flow and to approximately double its radiation density.

Дополнительного уменьшения расходимости и соответственного увеличения радиационной плотности формируемого потока можно добиться путем установки вблизи выхода волноводно-резонансной сборки, составленной из разновеликих рефлекторов, дополнительного третьего рефлектора полного внешнего отражения 48 (фиг.12). При этом третий рефлектор 48 может иметь плоскую рабочую поверхность 49 или поверхность с наличием вогнутости, описываемую функцией, близкой к параболической 50 [6]. Вид этой функции, длина зеркала L₂, а также геометрические параметры его расположения относительно волноводно-резонансной сборки (Δх и d) определяются требованиями к параметрам потока, которые необходимо получить на выходе суммарного устройства. Расчеты и опытные измерения показывают, что применение такого зеркала позволяет уменьшить угловую расходимость потока в сравнении с базовой конструкцией более чем на порядок до значения менее 0.01°. Таким образом, дополнительный технический эффект от использования дополнительного зеркала полного внешнего отражения состоит в создании условий существенного снижения угловой расходимости формируемого потока рентгеновских лучей без изменения других его параметров.An additional decrease in the divergence and a corresponding increase in the radiation density of the generated flow can be achieved by installing an additional third reflector of total external reflection 48 near the output of the waveguide-resonant assembly, composed of different-sized reflectors (Fig. 12). In this case, the third reflector 48 may have a flat working surface 49 or a surface with a concavity described by a function close to parabolic 50 [6]. The form of this function, the length of the mirror L ₂ , as well as the geometric parameters of its location relative to the waveguide-resonant assembly (Δx and d) are determined by the requirements for the flow parameters that must be obtained at the output of the total device. Calculations and experimental measurements show that the use of such a mirror can reduce the angular divergence of the flow in comparison with the basic design by more than an order of magnitude to less than 0.01 °. Thus, the additional technical effect of using an additional mirror of total external reflection is to create conditions for a significant reduction in the angular divergence of the generated x-ray flux without changing its other parameters.

В целом необходимо отметить, что использование как базовой конструкции, составляющей предмет изобретения и обуславливающей получение в сравнении с прототипом положительного технического эффекта, так и усовершенствованных конструкционных вариантов, представленных выше, позволяет формировать высокостабильные потоки рентгеновского квазимонохроматического излучения наноразмерной ширины, параметры которых остаются неизменными в процессе их диагностического или технологического применения.In general, it should be noted that the use of both the basic design, which constitutes the subject of the invention and causes a positive technical effect in comparison with the prototype, as well as the improved design options presented above, allows the formation of highly stable flows of x-ray quasimonochromatic radiation of nanoscale width, the parameters of which remain unchanged during the process their diagnostic or technological use.

ЛитератураLiterature

1. V.K.Egorov, E.V.Egorov, T.V.Bil'chik. Planar X-ray waveguide-resonator and some aspects of it's practical application // электронный журнал «Исследовано в России», т.5. 2002. С.423-441. http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2002/040e.pdf.1. V.K. Egorov, E.V. Egorov, T.V. Bil'chik. Planar X-ray waveguide-resonator and some aspects of it's practical application // electronic journal "Investigated in Russia", v.5. 2002. S. 423-441. http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2002/040e.pdf.

2. Ю.С.Кузьминов. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. - М.: ГИФМЛ. 1982.2. Yu.S. Kuzminov. Ferroelectric crystals for controlling laser radiation. - M .: GIFFL. 1982.

3. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / пер. изд. АРС International Ltd. 2003. Минск: ООО ФАУинформ. 2003.3. Piezoelectric ceramics: principles and application / trans. ed. APC International Ltd. 2003. Minsk: LLC FAUinform. 2003.

4. Thin film processing / Ed. by J.L.Vossen, W.Kern. New York: Academic Press. 1978. 564 р.4. Thin film processing / Ed. by J. L. Vossen, W. Kern. New York: Academic Press. 1978. 564 p.

5. V.K.Egorov, E.V.Egorov. The experimental background and the model description for the waveguide-resonance propagation of X-ray radiation through a planar narrow extended slit (Review) // Spectrochimica Acta. 2004. B59. Рp.1049-1069.5. V.K. Egorov, E.V. Egorov. The experimental background and the model description for the waveguide-resonance propagation of X-ray radiation through a planar narrow extended slit (Review) // Spectrochimica Acta. 2004. B59. Pp. 1049-1069.

6. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. - М.: ГИФМЛ. 1962. Стр.202-212.6. I.N. Bronstein, K.A.Semendyaev. Handbook of mathematics for engineers and students of technical schools. - M .: GIFFL. 1962. Pages 202-212.

7. М.А.Блохин. Физика рентгеновских лучей. - М.: ГИТТЛ. 1957.7. M.A. Blokhin. X-ray physics. - M .: GITTL. 1957.

8. Е.В.Егоров, В.К.Егоров. Практическая реализация повышения светосилы плоских рентгеновских волноводов-резонаторов // Поверхность (рент. синх. и нейт. Исследования). 2009. №1. С.1-9.8. E.V. Egorov, V.K. Egorov. The practical implementation of increasing the aperture ratio of plane x-ray waveguides-resonators // Surface (rent. Synch. And neut. Research). 2009. No1. S.1-9.

9. Э.Ю.Горта. Справочник. Технология микроэлектронных устройств. - М.: Радио и связь. 1991. 528 стр.9. E.Yu. Gorta. Directory. Technology of microelectronic devices. - M .: Radio and communication. 1991.528 p.

10. Зеркальная рентгеновская оптика / под ред. А.В.Виноградова. - Л.: Машиностроение. 1989. 463 стр.10. Mirror X-ray optics / ed. A.V. Vinogradova. - L .: Mechanical engineering. 1989. 463 pp.

11. А.Мишетт. Оптика мягкого рентгеновского излучения. - М.: Мир. 1989. 351 стр.11. A. Michett. Optics of soft x-ray radiation. - M .: World. 1989.351 p.

Claims

1. Highly stable waveguide-resonant shaper of the flux of quasi-monochromatic radiation, which is an assembly installed in the container and consisting of the first and second flat reflectors with the first and second polished working surfaces facing each other and located with a gap between them not exceeding half the length coherence along the entire length of this gap, with at least one working surface of one first reflector parallel to the plane of the first and third coordinate, characterized in that the container is sealed and has sealed inlet and outlet x-ray transparent Mylar windows.

2. The device according to claim 1, characterized in that it uses the first and second flat reflectors made of a material with increased atomic density.

3. The device according to claim 1, characterized in that the width of the gap along the first coordinate is a variable.

4. The device according to claim 1, characterized in that the gap along the third coordinate is not a constant.

5. The device according to claim 1, characterized in that at least two conjugate ends of two reflectors have the shape of a convex cylindrical surface.

6. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an input angular radiation concentrator with flat reflective surfaces.

7. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an input angular radiation concentrator with reflective surfaces of a special shape: parabolic, hyperbolic or exponential.

8. The device according to claim 1, characterized in that as flat reflectors use x-ray multilayer mirrors.

9. The device according to claim 1, characterized in that thin film coatings are applied on the working surfaces of the flat reflectors.

10. The device according to claim 9, characterized in that the thin-film coatings along the first coordinate have a variable density.

11. The device according to claim 1, characterized in that the flat reflectors have different lengths.

12. The device according to claim 11, characterized in that the short flat reflector is paired with an additional third reflector with a reflecting surface of a flat or special shape: parabolic, hyperbolic or exponential.