RU2790441C1 - X-ray collimator manufacturing method - Google Patents

X-ray collimator manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
RU2790441C1
RU2790441C1 RU2022129726A RU2022129726A RU2790441C1 RU 2790441 C1 RU2790441 C1 RU 2790441C1 RU 2022129726 A RU2022129726 A RU 2022129726A RU 2022129726 A RU2022129726 A RU 2022129726A RU 2790441 C1 RU2790441 C1 RU 2790441C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capillary
punches
hole
collimator
insert
Prior art date
Application number
RU2022129726A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Альберт Павлович Новиков
Денис Александрович Саламатин
Анатолий Васильевич Цвященко
Вадим Вениаминович Бражкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2790441C1 publication Critical patent/RU2790441C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: experimental physics and engineering instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to experimental physics and engineering instrumentation and concerns unwanted X-rays shielding in X-ray diffraction experiments for studying crystal structures of chemical compounds at high pressure and high temperature using high pressure chambers with diamond anvils equipped with a heating element. X-ray collimator is manufactured using a device consisting of two punches 1 and an insert 2 made of ceramic material placed between the punches, the profile of which follows the punches 1 profile. The insert 2 has a lenticular shape in the central part and a torus shape in the periphery, along the central axis of which holes are made in the punches 1 and in the insert 2 forming a single through hole, the diameter of which is equal to the outer diameter of metal capillary 5, which is placed in the through hole. The punches 1 are pressed to transfer the pressure created in the insert 2 to the capillary 5 to compress the capillary 5 and reduce its inner diameter in the compression zone. The capillary 5 is removed from the device and cut across the compression zone to obtain two identical collimators.
EFFECT: invention provides possibility to manufacture a collimator that allows diffraction experiments to be performed at high pressure and high temperature.
4 cl, 3 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к приборостроению в экспериментальной физике и технике и касается экранирования нежелательного рентгеновского излучения при проведении экспериментов по дифракции рентгеновского излучения для исследования кристаллических структур химических соединений при высоком давлении и высокой температуре с использованием камер высокого давления с алмазными наковальнями, оборудованных нагревательным элементом.The invention relates to instrumentation in experimental physics and technology and concerns shielding of unwanted X-ray radiation when conducting X-ray diffraction experiments to study the crystal structures of chemical compounds at high pressure and high temperature using high-pressure chambers with diamond anvils equipped with a heating element.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Существует большое количество коллиматоров рентгеновского излучения для проведения экспериментов с использованием камер высокого давления с алмазными наковальнями, но все они могут быть разделены на две категории: коллиматоры, состоящие из одной или нескольких пластин, в которых проделаны необходимые отверстия и коллиматоры в виде трубки с внутренним отверстием.There are a large number of X-ray collimators for conducting experiments using diamond anvil high-pressure chambers, but they can all be divided into two categories: collimators consisting of one or more plates in which the necessary holes are made and collimators in the form of a tube with an internal hole .

Наиболее близким к предложенному способу является способ изготовления коллиматора, представленного в документе (US 4,602,377, опубликован 22.07.1986 [1]). Коллиматор представляет собой обжатую внешним высоким давлением металлическую трубку с одним отверстием, диаметром около 100 мкм. Коллиматор оснащен свинцовым наконечником, в котором просверлено отверстие. Способ изготовления такого коллиматора заключается в просверливании отверстия в свинцовом наконечнике. Свинцовый наконечник ограничивает использование коллиматора в высокотемпературных измерениях.Closest to the proposed method is the method of manufacturing the collimator presented in the document (US 4,602,377, published 22.07.1986 [1]). The collimator is a metal tube compressed by external high pressure with one hole, about 100 µm in diameter. The collimator is equipped with a lead tip, in which a hole is drilled. The method of manufacturing such a collimator is to drill a hole in a lead tip. The lead tip limits the use of the collimator in high temperature measurements.

Дифракция рентгеновских лучей позволяет определять кристаллическую структуру и фазовый состав исследуемого соединения. Известно, что многие соединения имеют структурные фазовые переходы при внешнем высоком давлении и высокой температуре. Знание кристаллической структуры и фазового состава соединения зачастую является необходимым для полного описания и понимания его физических свойств. Большинство экспериментов по дифракции рентгеновских лучей в настоящее время проводятся с использованием синхротронного излучения. Однако дефицит времени на синхротронных источниках делает важным проведение предварительных экспериментов в лабораториях с использованием стандартных рентгеновских дифрактометров.X-ray diffraction makes it possible to determine the crystal structure and phase composition of the compound under study. It is known that many compounds have structural phase transitions at external high pressure and high temperature. Knowledge of the crystal structure and phase composition of a compound is often necessary to fully describe and understand its physical properties. Most X-ray diffraction experiments are currently carried out using synchrotron radiation. However, the shortage of time at synchrotron sources makes it important to carry out preliminary experiments in laboratories using standard X-ray diffractometers.

Технической проблемой, решаемой данным изобретением, является создание способа изготовления коллиматора, который будет состыковываться с лабораторным рентгеновским дифрактометром и позволит проводить дифракционные эксперименты при высоком давлении и высокой температуре.The technical problem solved by this invention is the creation of a method for manufacturing a collimator that will dock with a laboratory X-ray diffractometer and allow diffraction experiments to be carried out at high pressure and high temperature.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Техническая проблема решается способом изготовления коллиматора рентгеновского излучения, заключающимся в том, что используют устройство, содержащее два пуансона и размещенный между ними вкладыш из керамического материала, профиль которого повторяет профиль пуансонов, при этом вкладыш имеет в центральной части форму чечевицы, а на периферии форму тора, по центральной оси которых в пуансонах и вкладыше выполнены отверстия, образующие единое сквозное отверстие, диаметр которого равен внешнему диаметру металлического капилляра, который размещают в сквозном отверстии, сдавливают пуансоны прессом с обеспечением передачи давления, создаваемого во вкладыше, на капилляр, обжатия капилляра и уменьшения его внутреннего диаметра в зоне обжатия, извлекают капилляр из устройства и разрезают поперек в зоне обжатия с получением двух одинаковых коллиматоров.The technical problem is solved by a method for manufacturing an X-ray collimator, which consists in using a device containing two punches and an insert made of ceramic material placed between them, the profile of which repeats the profile of the punches, while the insert has a lentil shape in the central part, and a torus shape on the periphery , along the central axis of which holes are made in the punches and the liner, forming a single through hole, the diameter of which is equal to the outer diameter of the metal capillary, which is placed in the through hole, the punches are squeezed by a press to ensure the transfer of pressure created in the liner to the capillary, compression of the capillary and reduction its inner diameter in the compression zone, the capillary is removed from the device and cut across in the compression zone to obtain two identical collimators.

Кроме того, предпочтительно размещать металлический капилляр в сквозном отверстии таким образом, чтобы торцы капилляра находились на глубине, выбранной из условия их невыхода за пределы отверстия при обжатии капилляра.In addition, it is preferable to place the metal capillary in the through hole in such a way that the ends of the capillary are at a depth selected from the condition that they do not go beyond the hole when the capillary is compressed.

При этом нагрузку пресса выбирают из условия обеспечения требуемого уменьшенного внутреннего диаметра коллиматора.In this case, the press load is selected from the condition of providing the required reduced inner diameter of the collimator.

Кроме того, высоту вкладыша выбирают из условия обеспечения требуемой длины отверстия коллиматора с уменьшенным диаметром.In addition, the height of the liner is chosen from the condition of providing the required length of the collimator hole with a reduced diameter.

Поток фотонов, испущенный из рентгеновской трубки лабораторного дифрактометра, обычно имеет существенное угловое расхождение и большую ширину. Это угловое расхождение и большая ширина пучка должны быть устранены для получения дифракционной картины только от изучаемого объекта, то есть для предотвращения эмиссии нежелательного излучения, которое может рассеяться на окружении образца. Одним из способов уменьшения углового расхождения и получения более узкого параллельного пучка рентгеновских лучей является использование коллиматора. Коллиматор, изготавливаемый предлагаемым способом, может быть представлен как трубка с отверстием, располагаемая между источником рентгеновских лучей и изучаемым объектом. Величина углового расхождения и ширина получаемого на выходе из коллиматора пучка рентгеновских лучей определяются длиной и диаметром отверстия коллиматора, через которое проходят рентгеновские лучи. При использовании коллиматора уменьшается интенсивность потока фотонов.The photon flux emitted from the X-ray tube of a laboratory diffractometer usually has a significant angular divergence and a large width. This angular divergence and large beam width must be eliminated in order to obtain a diffraction pattern only from the object under study, i.e., to prevent the emission of unwanted radiation that can scatter on the sample environment. One way to reduce the angular divergence and obtain a narrower parallel X-ray beam is to use a collimator. The collimator manufactured by the proposed method can be represented as a tube with a hole located between the X-ray source and the object under study. The magnitude of the angular divergence and the width of the X-ray beam obtained at the exit from the collimator are determined by the length and diameter of the collimator hole through which the X-rays pass. When using a collimator, the intensity of the photon flux decreases.

В устройствах с алмазными наковальнями, работающими при высоких давлениях и высоких температурах, размеры исследуемых объектов составляют порядка 10 мкм, диаметр отверстия в гаскете составляет 100 мкм, а ее толщина около 10 мкм. Предлагаемый способ позволяет изготовить коллиматор, который совместим с камерами высокого давления с алмазными наковальнями и позволяет проводить измерения рентгеновских дифрактограмм при высоких температурах в диапазоне 20 - 650°С и высоких давлениях с использованием стандартного лабораторного рентгеновского дифрактометра. Полученные рентгеновские дифрактограммы должны предоставлять возможность при обработке определять количественным образом кристаллическую структуру и фазовый состав исследуемого химического соединения.In devices with diamond anvils operating at high pressures and high temperatures, the dimensions of the objects under study are about 10 µm, the diameter of the hole in the gasket is 100 µm, and its thickness is about 10 µm. The proposed method makes it possible to manufacture a collimator that is compatible with high-pressure chambers with diamond anvils and allows measurements of X-ray diffraction patterns at high temperatures in the range of 20-650°C and high pressures using a standard laboratory X-ray diffractometer. The resulting X-ray diffraction patterns should provide an opportunity during processing to determine quantitatively the crystal structure and phase composition of the chemical compound under study.

Предлагаемый способ позволяет создать металлический коллиматор для рентгеновских лучей упрощенной конструкции с упрощением технологии его изготовления. Коллиматор позволяет получать на выходе параллельный пучок рентгеновских лучей с угловым расхождением до 0.5° и диаметром от 30 мкм. Данный коллиматор привязывается к лабораторному рентгеновскому дифрактометру и камере высокого давления с алмазными наковальнями и высокотемпературным нагревателем.The proposed method allows you to create a metal collimator for x-rays of a simplified design with a simplification of its manufacturing technology. The collimator makes it possible to obtain a parallel X-ray beam at the output with an angular divergence of up to 0.5° and a diameter of 30 µm. This collimator is tied to a laboratory X-ray diffractometer and a high-pressure chamber with diamond anvils and a high-temperature heater.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙLIST OF DRAWINGS

На фиг.1 изображен чертеж устройства для изготовления коллиматора в вертикальном разрезе.Figure 1 shows a drawing of a device for the manufacture of a collimator in vertical section.

На фиг.2 изображена область, в которой происходит обдавливание коллиматора, в вертикальном разрезе, в увеличенном масштабе. Стрелками показано направление сил, действующих во вкладыше.Figure 2 shows the area in which the collimator is crushed, in a vertical section, on an enlarged scale. The arrows show the direction of the forces acting in the insert.

На фиг.3 показана зависимость диаметра выходного отверстия капилляра от усилия пресса.Figure 3 shows the dependence of the diameter of the capillary outlet on the force of the press.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Устройство для изготовления коллиматора состоит из двух пуансонов 1, запрессованных в блок матрицы 3, и вкладыша 2 из керамического материала: пирофиллита, литографического камня или прессованных порошковых материалов. В сечении вкладыш 2 повторяет профиль обращенных друг к другу торцевых поверхностей пуансонов 1. В центре пуансонов 1 и вкладыша 2 имеются сквозные отверстия, образующие единое сквозное отверстие. Вкладыш 2 имеет в центре форму чечевицы, а на периферии - форму тора.The collimator manufacturing device consists of two punches 1 pressed into the matrix block 3 and an insert 2 made of ceramic material: pyrophyllite, lithographic stone or pressed powder materials. In cross section, the insert 2 follows the profile of the end surfaces of the punches 1 facing each other. In the center of the punches 1 and the insert 2 there are through holes that form a single through hole. The insert 2 has a lentil shape in the center and a torus shape on the periphery.

Способ изготовления коллиматора рентгеновского излучения осуществляется следующим образом.The method of manufacturing an x-ray collimator is carried out as follows.

Для изготовления коллиматора используют металлический капилляр 5, например, из нержавеющей стали, с внешним диаметром 4 мм и диаметром внутреннего отверстия 1 мм или меньше. Этот капилляр 5 размещают в сквозном отверстии устройства таким образом, что оба его торца находятся в отверстиях пуансонов на глубине не менее 3 мм. Длина капилляра 5 ограничивается высотой пуансонов 1 или высотой подкладок 4, которые можно размещать над и под пуансонами 2. Внешний диаметр капилляра 5 равен диаметру сквозного отверстия.For the manufacture of the collimator, a metal capillary 5, for example, stainless steel, with an outer diameter of 4 mm and an inner diameter of 1 mm or less is used. This capillary 5 is placed in the through hole of the device in such a way that both of its ends are in the holes of the punches at a depth of at least 3 mm. The length of the capillary 5 is limited by the height of the punches 1 or the height of the pads 4, which can be placed above and below the punches 2. The outer diameter of the capillary 5 is equal to the diameter of the through hole.

Отверстие капилляра 5 предварительно промывают и очищают от посторонних частиц. Капилляр 5 размещают в устройстве в отверстиях пуансонов 1 и вкладыша 2. Всю сборку помещают между наковальнями пресса. Сдавливая сборку прессом, в чечевице и торе вкладыша 2 создают давление, которое деформирует капилляр 5, уменьшая его внутренний диаметр до необходимой величины. Таким образом, можно получать требуемый диаметр внутреннего отверстия в коллиматоре, регулируя нагрузку пресса.The opening of the capillary 5 is pre-washed and cleaned of foreign particles. The capillary 5 is placed in the device in the holes of the punches 1 and the insert 2. The entire assembly is placed between the anvils of the press. By squeezing the assembly with a press, pressure is created in the lentil and torus of the liner 2, which deforms the capillary 5, reducing its inner diameter to the required value. Thus, it is possible to obtain the required diameter of the inner hole in the collimator by adjusting the load of the press.

Обдавленный капилляр 5 извлекают из устройства и разрезают посередине по диаметру в области обжатия. Таким образом получают два одинаковых металлических коллиматора, которые могут быть присоединены к лабораторному рентгеновскому дифрактометру. Длину отверстия коллиматора можно изменять посредством изменения высоты керамического вкладыша 2, и глубины впадин на поверхностях пуансонов 1. В данном примере высота керамического вкладыша 2 составляла 8.2 мм. При этом длина обжатой части коллиматора составила 3 мм.The crushed capillary 5 is removed from the device and cut in the middle along the diameter in the compression area. In this way, two identical metal collimators are obtained, which can be attached to a laboratory X-ray diffractometer. The length of the collimator hole can be changed by changing the height of the ceramic insert 2, and the depth of the depressions on the surfaces of the punches 1. In this example, the height of the ceramic insert 2 was 8.2 mm. The length of the compressed part of the collimator was 3 mm.

На фиг.3 показано, как зависит внутренний диаметр отверстия в капилляре 5 в зависимости от прилагаемой на пресс нагрузки для капилляра из нержавеющей стали с внешним диаметром 4 мм и внутренним отверстием 1 мм.Figure 3 shows how the inner diameter of the hole in the capillary 5 depends on the load applied to the press for a stainless steel capillary with an outer diameter of 4 mm and an inner hole of 1 mm.

Полученный предлагаемым способом металлический коллиматор позволяет проводить измерения рентгеновских дифрактограмм при высоких температурах в диапазоне 20 - 650°С и высоких давлениях с использованием стандартного лабораторного рентгеновского дифрактометра.The metal collimator obtained by the proposed method allows measurements of X-ray diffraction patterns at high temperatures in the range of 20 - 650°C and high pressures using a standard laboratory X-ray diffractometer.

Claims (4)

1. Способ изготовления коллиматора рентгеновского излучения, заключающийся в том, что используют устройство, содержащее два пуансона и размещенный между ними вкладыш из керамического материала, профиль которого повторяет профиль пуансонов, при этом вкладыш имеет в центральной части форму чечевицы, а на периферии форму тора, по центральной оси которых в пуансоне и вкладыше выполнены отверстия, образующие единое сквозное отверстие, диаметр которого равен внешнему диаметру металлического капилляра, который размещают в сквозном отверстии, сдавливают пуансоны прессом с обеспечением передачи давления, создаваемого во вкладыше, на капилляр, обжатия капилляра и уменьшения его внутреннего диаметра в зоне обжатия, извлекают капилляр из устройства и разрезают поперек в зоне обжатия с получением двух одинаковых коллиматоров.1. A method for manufacturing an x-ray collimator, which consists in using a device containing two punches and an insert made of ceramic material placed between them, the profile of which repeats the profile of the punches, while the insert has a lentil shape in the central part, and a torus shape on the periphery, along the central axis of which holes are made in the punch and the liner, forming a single through hole, the diameter of which is equal to the outer diameter of the metal capillary, which is placed in the through hole, the punches are squeezed by a press to ensure that the pressure created in the liner is transferred to the capillary, the capillary is compressed and its reduction inner diameter in the compression zone, the capillary is removed from the device and cut across in the compression zone to obtain two identical collimators. 2. Способ по п.1, по которому размещение металлического капилляра в отверстии осуществляют с размещением торцов капилляра на глубине, выбранной из условия их невыхода за пределы отверстия при обжатии капилляра.2. The method according to claim 1, according to which the placement of the metal capillary in the hole is carried out with the placement of the ends of the capillary at a depth selected from the condition of not leaving the hole when the capillary is compressed. 3. Способ по п.1, по которому нагрузку пресса выбирают из условия обеспечения требуемого уменьшенного внутреннего диаметра коллиматора.3. The method according to claim 1, in which the press load is selected from the condition of providing the required reduced internal diameter of the collimator. 4. Способ по п.1, по которому высоту вкладыша выбирают из условия обеспечения требуемой длины отверстия коллиматора с уменьшенным диаметром.4. The method according to claim 1, according to which the height of the liner is selected from the condition of providing the required length of the collimator hole with a reduced diameter.
RU2022129726A 2022-11-16 X-ray collimator manufacturing method RU2790441C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2790441C1 true RU2790441C1 (en) 2023-02-21

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU219738U1 (en) * 2022-12-30 2023-08-02 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" X-ray Collimation Device for Radiographic Inspection of Circumferential Welded Joints

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4602377A (en) * 1984-03-30 1986-07-22 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Diamond-anvil high-pressure cell with improved X-ray collimation system
US5295402A (en) * 1991-10-15 1994-03-22 General Electric Company Method for achieving high pressure using isotopically-pure diamond anvils
RU2171979C2 (en) * 1999-05-28 2001-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Новая оптика" Antidissipating x-ray raster (alternatives)
RU2239822C2 (en) * 2002-03-05 2004-11-10 Кумахов Мурадин Абубекирович X-ray microscope
JP2016170093A (en) * 2015-03-13 2016-09-23 住友金属鉱山株式会社 Sample holder and x-ray analysis method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4602377A (en) * 1984-03-30 1986-07-22 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Diamond-anvil high-pressure cell with improved X-ray collimation system
US5295402A (en) * 1991-10-15 1994-03-22 General Electric Company Method for achieving high pressure using isotopically-pure diamond anvils
RU2171979C2 (en) * 1999-05-28 2001-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Новая оптика" Antidissipating x-ray raster (alternatives)
RU2239822C2 (en) * 2002-03-05 2004-11-10 Кумахов Мурадин Абубекирович X-ray microscope
JP2016170093A (en) * 2015-03-13 2016-09-23 住友金属鉱山株式会社 Sample holder and x-ray analysis method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU219738U1 (en) * 2022-12-30 2023-08-02 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" X-ray Collimation Device for Radiographic Inspection of Circumferential Welded Joints

Similar Documents

Publication Publication Date Title
O’Bannon et al. Contributed Review: Culet diameter and the achievable pressure of a diamond anvil cell: Implications for the upper pressure limit of a diamond anvil cell
Shatskiy et al. High pressure generation using scaled-up Kawai-cell
Chapman et al. Optimizing high-pressure pair distribution function measurements in diamond anvil cells
Ito et al. Theory and practice—multianvil cells and high-pressure experimental methods
DE19724660A1 (en) Micro-fluorescence X-ray analysing unit with X-ray capillary tube
Christiansen et al. Irreversible compressibility of silica glass as a means of determining the distribution of force in high‐pressure cells
RU2790441C1 (en) X-ray collimator manufacturing method
Weidner et al. Large volume high pressure research using the wiggler port at NSLS
Merkel et al. Multifit/Polydefix: a framework for the analysis of polycrystal deformation using X-rays
Zhao et al. A high P–T cell assembly for neutron diffraction up to 10GPa and 1500 K
JPH04270941A (en) High pressure sample holder for recording infrared absorption spectrum
Ahsbahs Diamond‐anvil high‐pressure cell for improved single‐crystal x‐ray diffraction measurements
US4776223A (en) Double bevel construction of a diamond anvil
Wilson et al. Attenuation corrections for the Paris-Edinburgh cell
Bernstein Application of X-ray fluorescence analysis to process control
Yu et al. An upgraded and integrated large-volume high-pressure facility at the GeoSoilEnviroCARS bending magnet beamline of the Advanced Photon Source
Raterron et al. In situ rheological measurements at extreme pressure and temperature using synchrotron X-ray diffraction and radiography
Halleck et al. A method for the accurate measurement of lattice compressions of low‐Z materials at pressures up to 12 GPa by x‐ray diffraction
Gadala et al. A modified plasticity theory for porous metals
Miletich et al. Static elasticity of cordierite I: Effect of heavy ion irradiation on the compressibility of hydrous cordierite
Peterson et al. A diamond anvil cell for absorption spectral studies of actinides to 30 GPa
El Hilal et al. Radioactive wastes Conditioning. Optimization of operating parameters by experience plan method
Ramakrishnan et al. A compaction study on ceramic powders
Uchida et al. Stress and strain measurements of polycrystalline materials under controlled deformation at high pressure using monochromatic synchrotron radiation
Penumadu et al. Multimodal radiation based tomography and diffraction of granular materials using neutrons and photons and instrumented penetration mechanics