Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений № 2 (3), 2011 75 УДК 535.317.1, 535-34 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ИСТОЧНИКОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ПРЕЛОМЛЯЮЩЕЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ЛИНЗЫ Дудчик Ю.И. Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета, г. Минск, Республика Беларусь С использованием многоэлементной преломляющей рентгеновской линзы определены размеры двух источников рентгеновского излучения: синхротронного источника излуче- ния на канале 2–3 в Стэндфордской лаборатории синхротронного излучения и микрофо- кусной рентгеновской трубки с медным анодом. Рентгеновский пучок от источника из- лучения фокусировался рентгеновской линзой и определялись параметры пучка в плоско- сти изображения линзы. Размер рентгеновского пучка определялся методом сканирова- ния с помощью диафрагмы и методом визуализации пучка с использованием цифровой рентгеновской камеры. Установлено, что размер синхротронного источника излучения в вертикальном направлении равен 0,6 мм, а размер фокусного пятна рентгеновской труб- ки – 60 мкм. (E-mail: dudchik@bsu.by) Ключевые слова: рентгеновские лучи, синхротронное излучение, рентгеновская трубка, много- элементная преломляющая рентгеновская линза. Введение Рентгеновское излучение широко исполь- зуется в различных областях науки и техники: в материаловедении, биологии, медицине, техни- ческой диагностике. Основными источниками рентгеновских лучей в настоящее время явля- ются рентгеновская трубка и синхротронный источник излучения. Рентгеновские трубки различаются по назначению, мощности, разме- ру фокусного пятна. Фокусное пятно рентге- новской трубки – это область анода, которая бомбардируется электронами и излучает рент- геновские фотоны. Например, размер фокусно- го пятна рентгеновских трубок для просвечива- ния составляет от 1 до 100 мкм. Он измеряется при заводских испытаниях трубки, а для трубок медицинского назначения – и в процессе экс- плуатации. Существует несколько методов из- мерения фокусного пятна рентгеновской труб- ки: путем фотографирования специального тест-объекта в виде сетки, метод «ножа», с ис- пользованием элементов поликапиллярной оп- тики, фотографирование фокусного пятна при помощи камеры-обскура c небольшим отвер- стием [1]. Последний метод приобрел особую популярность в связи с появлением цифровых рентгеновских камер, которые постепенно за- меняют широко использующуюся в рентгенов- ской технике фотопленку. Разрешающая спо- собность указанного метода ограничена разме- ром отверстия камеры, которое в силу ряда причин не может быть меньше чем 5–6 мкм. Поэтому существует определенная проблема в измерении фокусного пятна микрофокусных рентгеновских трубок с разрешением лучше чем 5 мкм. Очевидным решением проблемы могла бы быть замена отверстия в камере- обскуре на преломляющую линзу, однако в те- чение фактически 100 лет после открытия рент- геновских лучей считалось, что преломляющая оптика для рентгеновского диапазона спектра неэффективна в силу малости показателя пре- ломления. И только в 1996 г. группа исследова- телей предложила многоэлементную прелом- ляющую рентгеновскую линзу [2], которая со- стоит из большого количества (50–300) соосно расположенных двояковогнутых микролинз, изготовленных из материала с небольшим по- рядковым номером, например алюминия, бе- риллия, или полимера. Как показали расчеты и проведенные исследования, такая система эф- Методы измерений, контроля, диагностики 76 Приборы и методы измерений № 2 (3), 2011 фективно преломляет рентгеновские лучи и может быть использована как фокусирующее и изображающее устройство для рентгеновских лучей с энергией фотонов от 5 до 30 кэВ. Что касается синхротронных источников излучения, то они представляют собой уни- кальные и дорогостоящие центры коллективно- го пользования. В настоящее время во всем ми- ре насчитывается свыше 40 синхротронных ис- точников, которые позволяют получать рентге- новское излучение в диапазоне длин волн от жесткого ультрафиолета до жесткого рентге- новского излучения с энергией фотонов 30 кэВ и выше. В синхротронах размер источника рентгеновского излучения совпадает с разме- ром поперечного сечения электронного пучка и, как правило, меньше чем 1 мм. Например, размер источника рентгеновского излучения для синхротрона второго поколения в Стэндфордской лаборатории синхротронного излучения (SSRL, США) составляет около 440×1700 мкм2, а для синхротрона третьего по- коления APS (США) размер источника состав- ляет 23×97 мкм2. Определение размера источ- ника синхротронного излучения представляет достаточно сложную задачу, которая тем не менее может быть решена с использованием многоэлементных преломляющих рентгенов- ских линз, как это будет показано ниже. Цель данной работы состоит в определе- нии размеров источника синхротронного излу- чения и фокусного пятна микрофокусной рент- геновской трубки с использованием нового элемента рентгеновской оптики – многоэле- ментной преломляющей рентгеновской линзы. Основная часть Рассмотрим рентгенооптические характе- ристики многоэлементной преломляющей рент- геновской линзы, состоящей из N двояковогну- тых микролинз с радиусом кривизны R каждая. Фокусное расстояние такой многоэлементной линзы рассчитывается по следующей формуле: , д2N R f (1) где R – радиус кривизны линзы; N – число мик- ролинз; (1- ) – действительная часть комплекс- ного показателя преломления [2]. Преломляющая рентгеновская линза, как и линза для видимого диапазона спектра, являет- ся изображающим устройством: если источник излучения имеет размер S и расположен на рас- стоянии a от линзы, то положение изображения источника относительно линзы и его размер S1 находятся из следующих соотношений: fba 111 , (2) fa f SS1 , (3) где b – расстояние от линзы до плоскости изоб- ражения; f – фокусное расстояние рентгенов- ской линзы. Таким образом, если с помощью преломляющей рентгеновской линзы получить изображение источника излучения и измерить его, то при помощи соотношений (2) и (3) мож- но определить его размер S. Для определения размеров источников рентгеновского излучения были использованы многоэлементные преломляющие рентгенов- ские линзы, разработанные в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ [3–7]. Линза выполнена в виде стеклянного капилляра, внутри которого сформировано заданное число (от 10 до 350) двояковогнутых сферических эпоксидных мик- ролинз с радиусом кривизны R, равным радиу- су капилляра. Результаты исследования рентге- нооптических параметров указанных линз на синхротронах SSRL и APS приведены в [4, 5], где показано, что линзы фокусируют рентге- новские лучи с энергией фотонов от 7 до 18 кэВ в пятно размером в несколько микрон. В настоящем исследовании для получения изображения источников излучения были ис- пользованы 2 рентгеновские линзы: линза № 1 выполнена в виде стеклянного капилляра диа- метром 200 мкм, внутри которого сформирова- ны 103 сферические эпоксидные микролинзы; линза № 2 выполнена в виде стеклянного ка- пилляра диаметром 100 мкм, в котором сфор- мирована 161 сферическая эпоксидная микро- линза. Радиус кривизны отдельной микролинзы для линз № 1 и № 2 составляет 100 мкм и 50 мкм, соответственно. Фотография рентге- новской линзы № 2 приведена на рисунке 1 . Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений № 2 (3), 2011 77 Рисунок 1 – Фотография преломляющей рент- геновской линзы № 2, содержащей 161 микро- линзу с радиусом кривизны 50 мкм. Внизу по- казан капилляр, заполненный микролинзами, которые разделены воздушными пузырями (по- казаны темным цветом) Исследования по определению размера синхротронного источника излучения проводи- лись на канале 2–3 синхротрона в Стэндфорд- ской лаборатории синхротронного излучения (США). Пучок рентгеновского излучения от синхротронного источника монохроматизиро- вался с помощью двухкристального монохро- матора и направлялся на размещенную в го- ниометре линзу № 1. Энергия фотонов была выбрана равной 8 кэВ. Расстояние a от источ- ника излучения до линзы равно 16,81 м. Интен- сивность пучка, прошедшего через линзу, из- мерялась с помощью ионизационного газового детектора, который располагался за линзой. Между детектором и линзой располагалась танталовая щель размером меньше чем 1 мик- рон. Эта танталовая щель перемещалась пер- пендикулярно рентгеновскому пучку, чтобы измерить его профиль. Профиль пучка изме- рялся на различных расстояниях до линзы. Рас- считанное по формуле (1) фокусное расстояние линзы № 1 для фотонов с энергией 8 кэВ равно 128 мм. Согласно формуле (2) положение плос- кости изображения линзы для источника, рас- положенного на расстоянии a = 16,81 м до лин- зы, равно b = 129 мм. Именно на этом расстоя- нии до линзы и располагалась танталовая щель, которая перемещалась перпендикулярно пучку для определения профиля интенсивности пуч- ка. На рисунке 2 приведен профиль интенсив- ности пучка, сфокусированного линзой № 1. Ширина профиля на полувысоте составляет 5,1 мкм. Предполагается, что это значение и есть искомый размер изображения источника S1 в вертикальном направлении. Пользуясь фор- мулой (3), можно определить размер источника излучения: S = 0,66 мм. Полученное значение параметра S = 0,66 мм удовлетворительно со- гласуется с известным значением размера ис- точника излучения в вертикальном направле- нии для указанного канала 2–3 Стэндфордского синхротрона, которое равно 0,44 мм. Основная причина расхождения результата измерения источника излучения с его известным значени- ем состоит в том, что размер рентгеновского пучка в вертикальном направлении определял- ся с использованием щели, ширина которой меньше чем 1 микрон, и поэтому относительная погрешность в измерении источника составля- ла около 20 %. Рисунок 2 – Профиль интенсивности рентге- новского пучка с энергией фотонов 8 кэВ, сфо- кусированного линзой № 1 Описанный выше метод определения раз- мера источника излучения путем измерения профиля рентгеновского пучка в плоскости изображения линзы может быть существенно улучшен путем визуализации изображения ис- точника излучения с помощью цифровой рент- Методы измерений, контроля, диагностики 78 Приборы и методы измерений № 2 (3), 2011 геновской камеры. Такие исследования были проведены в кооперации с Чешским техниче- ским университетом в г. Прага. В качестве объекта исследования была вы- брана микрофокусная рентгеновская трубка фирмы BEDE со следующими параметрами: мишень анода медная, размер фокусного пятна 50 мкм, рабочее напряжение 40 кВ, ток – 2 мА. Для получения изображения фокусного пятна рентгеновской трубки была использована многоэлементная преломляющая рентгеновская линза № 2. Фокусное расстояние линзы, рас- считанное по формуле (1), равно 45 мм для фо- тонов с энергией 8 кэВ. Визуализация рентгеновских лучей осу- ществлялась с помощью рентгеновской камеры REFLEX X-ray micron resolution. Камера со- держит пластину сцинтиллятора в виде кри- сталла LuAG: Ce, объектив для формирования изображения и ПЗС-камеру для записи изобра- жения. Размер окна камеры 1,02×0,83 мм, раз- мер пикселя камеры 0,645×0,645 мкм. Для исследований был изготовлен рентге- нооптический стенд, показанный на рисунке 3. Стенд содержит микрофокусную рентгенов- скую трубку 1, рентгеновскую камеру 2, управ- ляемый компьютером гониометр 3, держатель в виде «салазок» для размещения линзы с воз- можностью ее перемещения вдоль оптической оси, рентгеновску линзу в держателе 5. Рентгеновская линза располагалась на рас- стоянии a = 250 мм от фокусного пятна рентге- новской трубки. Положение плоскости изобра- жения линзы (расстояние b) рассчитывалось по формуле (2): b = 49 мм. На этом расстоянии от линзы располагалась рентгеновская камера. В соответствии с данной геометрией формирова- ния пучка можно ожидать, что в плоскости изображения будет наблюдаться уменьшенное в b/a = 5 раз изображение источника излучения, т. е. фокусного пятна рентгеновской трубки. Рисунок 3 – Фотография рентгенооптического стенда для определения размеров фокусного пятна рентгеновской трубки: 1 микрофокусная рентгеновская трубка, 2 рентгеновская камера, 3 го- ниометр, 4 «салазки» для размещения линзы, 5 преломляющая рентгеновская линза в держателе Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений № 2 (3), 2011 79 На рисунке 4 показано пространственное распределение интенсивности рентгеновского пучка сразу за линзой и в плоскости изображе- ния. Видно, что источник излучения имеет не- сферическую форму; это обусловлено особен- ностями системы фокусировки электронного пучка, которая применена в рентгеновской трубке фирмы BEDE. Поскольку размер пиксе- ля камеры меньше чем 1 мкм, то, анализируя изображение, показанное на рисунке 4б, можно установить детали фокусного пятна с разреше- нием около 1 мкм (2 пикселя камеры). Такой анализ проведен с использованием компьютер- ной программы ImageJ, которая позволяет из- мерять детали изображения в различных направлениях. Проведенный анализ изображе- ния на рисунке 4б показал, что размер пучка в горизонтальном направлении составляет около 12 мкм. Пользуясь формулой (3) можно опре- делить размер фокусного пятна рентгеновской трубки S в горизонтальном направлении: S = 60 мкм. Этот результат находится в хоро- шем согласии с паспортными данными 50 мкм для фокусного пятна рентгеновской трубки. а б Рисунок 4 – Изображение рентгеновского пучка, сформированного линзой: а – сразу за линзой (b = 0 мм); б – в плоскости изображения источника излучения (b = 49 мм) Заключение Определены размеры двух источников рентгеновского излучения: синхротронного ис- точника излучения на канале 2–3 в Стэндфорд- ской лаборатории синхротронного излучения (США) и микрофокусной рентгеновской трубки с медным анодом. Для определения размеров источников использовались многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы с фокус- ным расстоянием 128 мм и 45 мм для фотонов с энергией 8 кэВ. Определялись размеры рентге- новского пучка, сформированного линзой в плоскости изображения линзы для источника излучения. Для измерений рентгеновского пуч- ка использовался метод сканирования пучка с помощью диафрагмы и метод визуализации пучка с использованием цифровой рентгенов- ской камеры. Установлено, что источник син- хротронного излучения имеет размер в верти- кальном направлении 0,6 мм, что удовлетвори- тельно согласуется с известным значением 0,44 мм. Установлено, что размер фокусного пятна рентгеновской трубки в горизонтальном на- правлении равен 60 мкм, что удовлетворитель- но согласуется с паспортным значением 50 мкм. Описанный метод является перспектив- ным и может быть улучшен путем оптимизации Методы измерений, контроля, диагностики 80 Приборы и методы измерений № 2 (3), 2011 параметров линзы и рентгеновской камеры для конкретного источника рентгеновского излуче- ния. Список использованных источников 1. Кумахов, А.А. Методика измерения источни- ков рентгеновского и нейтронного излучения с помощью поликапиллярной оптики [Текст] / А.А. Кумахов, И.В. Дмитриев // Письма в ЖТФ. – 2011. – Т. 81, Вып. 6. – С. 85–87. 2. Snigirev, A. A. Сompound refractive lens for X- ray focus [Text] / A. Snigirev [et al.] // Nature- 1996. –V. 384. – P. 49–51. 3. Dudchik, Yu.I. A microcapillary lens for X-rays [Text] / Yu.I. Dudchik, N.N. Kolchevsky // Nucl. Instr. Meth. A. – 1999. – Vol. 421. – P. 361–364. 4. Dudchik, Yu. I. Microspot X-ray focusing using short-focal length compound lenses [Text] / Yu. I. Dudchik [et al.] // Rev. Sci. Instr. – 2004. –V. 75. – № 11. – P. 4651–4655. 5. Dudchik, Yu. I. Using of a microcapillary refrac- tive X-ray lens for focusing and imaging [Text] / I. Dudchik [et al.] // Spectrochimica Acta. – 2007. – V. B 62. – P. 598–602. 6. Дудчик, Ю.И. Многоэлементная сферическая преломляющая линза для формирования мик- ро- и наноразмерных пучков рентгеновского излучения [Текст] / Ю. И.Дудчик // Вест. Бе- лорус. гос. ун-та. Сер. 1, Физика. Математика. Информатика. – 2008.– № 2. – С. 26–30. 7. Дудчик, Ю.И. Рентгеновская микроскопия с использованием синхротронного излучения и элементов преломляющей рентгеновской оп- тики [Текст] / Ю.И. Дудчик [и др.] // Вест. Белорус. гос. ун-та. Сер. 1, Физика. Матема- тика. Информатика. – 2010. – № 2. – С. 24–28. Dudchik Yu.I. Measuring of X-ray source size by using compound refractive X-ray lens Compound refractive lens was used for measuring size of 2-3 beamline Standford synchrotron radiation source and a size of microfocus X-ray tube. X-ray beam from the source was focused by the lens and parame- ters of the beam at image plane were measured. Scanning diaphragm and X-ray CCD-camera were used for measuring X-ray beam. It was found that the vertical size of synchrotron source is equal to 0,6 mm and the size of the X-ray tube focal spot is equal to 60 micrometers. (E-mail: dudchik@bsu.by) Key Words: X-rays, synchrotron radiation, X-ray tube, compound refractive X-ray lens. Поступила в редакцию 02.09.2011.