eng
Выпуск #4/2012
А.Болотоков, Д.Зайцев, А.Лютцау, А.Щербаков
Поликапиллярная оптика Кумахова и аналитические приборы на ее основе
Поликапиллярная оптика Кумахова и аналитические приборы на ее основе
Просмотры: 3812
Технологии рентгеновского анализа – один из основных инструментов современной аналитики. Рентгеновские линзы М.А.Кумахова позволяют существенно расширить их возможности. Оптика Кумахова используется более чем в пяти тысячах аналитических приборов.
Теги: kumakhov optics polycapillary optics x-ray lens оптика кумахова поликапиллярная оптика рентгеновские линзы
Поликапиллярная оптика М.А.Кумахова
В 1895 году Вильгельм Рентген открыл таинственные проникающие лучи, которые назвал X-лучами. Это открытие вызвало интерес во всем мире. В первый же год, последовавший за сообщением Рентгена, появилось более тысячи публикаций в научных журналах и популярной прессе [1]. Прохождение X-лучей через вещество, с их различным поглощением, нашло широкое практическое применение в науке, медицине, технике; название излучения связали с фамилией первооткрывателя.
В 1920-е годы Артур Комптон обнаружил эффект полного внешнего отражения рентгеновского излучения (РИ) от поверхности [2]. Большой вклад в исследования этого эффекта внесли и отечественные ученые А.И.Алиханьян, А.И.Алиханов, Л.А.Арцимович и др. [3]. В результате этих исследований было обнаружено наличие критического угла – максимального угла между падающим лучом и поверхностью, при котором возможно отражение. Зафиксировали и зависимость величины критического угла от различных параметров, в том числе от материала поверхности и энергии излучения. Родилось новое направление физики – оптика рентгеновских лучей.
Рентгеновским излучением можно управлять с помощью плоского зеркала. Но однократное отражение может повернуть луч на угол, не превышающий удвоенный критический угол, величина которого – доли градуса (единицы миллирадиан) [4]. При таком угле отклонение луча на метр пробега составит несколько миллиметров, что требует исследовательских стендов больших размеров.
Изменение формы поверхности зеркала, например, на параболическую, позволит сфокусировать излучение или сделать его лучи параллельными. Часто используют два зеркала, установленные в перпендикулярных плоскостях, чтобы воздействовать на излучение в двух направлениях. Зеркала остаются, как правило, системами однократного отражения.
Изогнутые поверхности позволяют создать системы многократного отражения и повернуть рентгеновское излучение на угол, значительно превосходящий критический. Если взять несколько таких поверхностей и расположить их так, чтобы они направляли излучение в одну точку, получится рентгеновская линза. Такой системой и является поликапиллярная линза, придуманная в конце 1970-х годов М.А.Кумаховым. В ней не одна изогнутая поверхность, а множество – сотни, тысячи, миллионы.
Каждая отражающая поверхность в рентгеновской поликапиллярной линзе образована полым каналом, который из-за малого диаметра принято называть капилляром. Первые поликапиллярные рентгеновские линзы были созданы в лаборатории Курчатовского института под руководством М.Кумахова в середине 1980-х годов. Они были собраны из нескольких сотен стеклянных трубочек-капилляров, изогнутых специальным образом (рис.1).
В 1991 году был создан Институт рентгеновской оптики (ИРО), возглавляемый М.Кумаховым. В Институте разрабатываются, изготовляются и исследуются различные рентгено-оптические системы (РОС), создаются приборы с поликапиллярной рентгеновской оптикой. Несмотря на название, применение поликапиллярной оптики не ограничивается рентгеновским диапазоном излучения. Есть успешный опыт использования подобных линз и полулинз для управления нейтронным потоком и ультрафиолетовыми лучами.
Такая оптика уже используется примерно в 5 тыс. аналитических приборов (спектрометров, дифрактрометров и т.д.). В научной литературе данная оптика получила название "оптика Кумахова" (линза Кумахова) по имени создателя, а также основателя Института рентгеновской оптики М.А.Кумахова. Основы оптики и ее использование содержатся в статьях М.А.Кумахова [15–18], в ряде научных обзоров [5–7], монографий [8, 9], в российских и зарубежных учебниках [10, 11]. Специальный том, посвященный оптике Кумахова, вышел в 2000 году в США [12]. Результаты детального изучения многообразных применений отражены в трудах двух международных конференций (около 100 статей) [13, 14]. Основные положения оптики Кумахова защищены в 150 международных и российских патентах (см. www.xrayoptic.ru/museum3.htm).
Одна из характеристик РОС (рис.2) – фокусные расстояния, т.е. дистанции, на которых линза наиболее эффективно захватывает рентгеновское излучение от источника (F1) и на которых выходное фокусное пятно достигает минимальных размеров (F2). Поскольку линза может пропускать излучение в прямом и обратном направлениях, нумерация F1 и F2 условна. Фокусные расстояния современных линз, изготовляемых институтом, – от долей миллиметра до десятков сантиметров. Для каждого канала, как и для зеркала, угол захвата излучения Θcapt не превышает удвоенного критического угла. Но каналов много, и реальный угол захвата линзы может достигать нескольких градусов, превосходя критический угол в десятки и сотни раз. То же верно и для угла схождения Θconv.
Наряду с рентгеновскими линзами производятся и поликапиллярные полулинзы – рентгено-оптические системы, позволяющие либо сфокусировать параллельный поток (например, синхротронное излучение), либо, наоборот, получить от конечного источника (рентгеновской трубки) квазипараллельное излучение с расхождением лучей в пределах удвоенного критического угла (Θdiv).
Одна из характеристик РОС – трансмиссия, показывающая соотношение количества вышедших из линзы квантов излучения и количества попавших на вход линзы. У некоторых типов РОС для определенных энергий этот параметр может достигать 40–50%, практически сравниваясь с соотношением площади каналов и общей площади сечения. Но оценивать РОС только по этому параметру не верно, ибо сам по себе он не показателен. Более обосновано оценивать возможности РОС фокусировать и усиливать излучение. Современные линзы позволяют получать выходные фокусные пятна размером от 10 мкм, хотя есть экземпляры, фокусирующие излучение в пятна меньше 5 мкм, – и это для излучения от обычной рентгеновской трубки с размером источника 50–100 мкм.
И если сравнить, сколько излучения попадет на площадь, равную выходному фокусному пятну, без применения линзы и с линзой, то окажется, что линза дает выигрыш в десятки и сотни раз, а в отдельных случаях – и больше тысячи.
Синхротронное излучение можно сфокусировать и в меньшее по размеру пятно. В Европейском синхротронном центре (Гренобль) был проведен эксперимент по фокусировке синхротронного пучка с помощью линзы Кумахова [19]. Размер синхротронного пучка составлял 0,5 мм, энергия – ~10 кэВ. Пучок был сфокусирован в пятно до 3,5 мкм. При этом плотность синхротронного пучка удалось увеличить в 500 раз.
Рентгеновские линзы, изготавливаемые в ИРО, различаются по многим параметрам. Только по геометрическим размерам их можно разделить на несколько классов (см. таблицу). Но и это деление условно. Есть линзы, которые по своим параметрам относятся сразу к нескольким классам. А для линз с фокусным расстоянием менее 1 мм, с размером пятна менее 5–10 мкм надо объявлять новый класс – супермикролинзы, субмикролинзы или нанолинзы. (И то правда: диаметры полых каналов на торце таких линз лежат в нанодиапазоне.)
Профессором М.А.Кумаховым впервые было предложено получение трехмерных (3D) изображений различных объектов посредством сопряжения двух линз в одной точке объекта и последующего сканирования [17] (рис.3). Этот метод используется в крупнейших синхротронных центрах, таких как BESSY (Берлин) ESRF (Гренобль), CHESS (Итака), Аргоннская национальная лаборатория (США), HASYLAB (Гамбург), ANKA (Карлсруе), SOLEL (Париж). Метод используется для исследований художественных картин, биологических объектов, древних документов, ювелирных изделий, для решения задач криминалистики, исследования материалов и т.д.
Летом 2002 года Институту рентгеновской оптики и М.А.Кумахову была вручена Премия SPIE (международная организация инженеров-оптиков, объединяющая более 70 стран) "За выдающиеся научные и технологические достижения в разработке, производстве, внедрении и практическом применении принципов рентгеновской и нейтронной капиллярной и поликапиллярной оптики Кумахова" (рис.4).
Применения оптики Кумахова
Можно насчитать несколько десятков направлений, где используются аналитические приборы с оптикой Кумахова (см. врезку). В частности, для определения уровня загрязнения окружающей среды в институте разработан микрорентгенофлуоресцентный энергодисперсионный спектрометр MX-10. Эта уникальная разработка была сделала совместно с учеными РАН во главе с академиком Ю.А.Золотовым. Активное участие в разработке также принимали ученые-химики Р.Х.Хамизов и Г.И.Цизин. Благодаря этим работам впервые появилась возможность получить чувствительность для водных растворов на уровне десятков ppb.
В течение многих лет ученые разных стран пытались создать системы анализа крови без ее непосредственного забора. Это особенно актуально, например, для пациентов, страдающих гемофилией. Задачу удалось решить специалистам Института рентгеновской оптики. При этом используется метод 3D-изображений. Стало возможным получение трехмерного изображения крови на базе флуоресцентного анализа и на базе комптоновского рассеяния и определение элементного состава крови (включая железо) и плотности крови при минимальном облучении пациента.
Наш прибор также используется для определения различных структур, например, подлинности картин, денежных знаков, золота и т.д. Он уже используется в музее В.И.Грабаря (Москва) для определения подлинности картин, и в Госзнаке – для определения подлинности денежных знаков.
Рентгеновские флуоресцентные микроанализаторы элементного состава на основе поликапиллярных линз Кумахова
Монолитные поликапиллярные рентгеновские линзы позволили создать малогабаритные рентгенофлуоресцентные анализаторы элементного состава для локального анализа. Такие линзы позволяют создавать рентгеновские пучки размером до нескольких микрон, причем плотность рентгеновских квантов в таком пучке достаточна для загрузки полупроводникового детектора. Поликапиллярные линзы можно использовать практически со всеми видами анодов рентгеновских трубок. При этом резко снижается требуемая мощность рентгеновских источников – до 5 Вт и менее. В результате поликапилярные рентгеновские линзы позволяют улучшить компоновку прибора, отдалив источник рентгена от исследуемого образца, при этом плотность рентгеновского пучка остается очень высокой.
Первый рентгеновский микроанализатор с линзой Кумахова был создан в Институте рентгеновской оптики в начале 1990-х годов [5]. Схема прибора (рис.5) сейчас без серьезных изменений используется всеми фирмами, производящими микроанализаторы с линзой (компании Shimadzu, Bruker и др.). Институтом разработаны несколько типов рентгенофлуоресцентных микроанализаторов состава веществ с использованием поликапиллярной рентгеновской оптики. Это переносной микроанализатор "Фокус", настольный микроанализатор-микроскоп "Фокус-М2" (рис.6) и микроанализатор XMF-104 , созданный совместно с фирмой Unisantis.
При объединении в одном приборе функций микроскопа и рентгенофлуоресцентного микроанализатора встала задача – как их совместить? Ведь габариты микроскопа и рентгеновской линзы при их вертикальном расположении не позволяют видеть объект измерения при его анализе. Поэтому была выбрана схема измерения с рентгеновским пучком, направленным под углом 45° к поверхности образца, что позволило расположить микроскоп вертикально. Пятно рентгеновского пучка на образце имеет форму эллипса. При этом точность наведения рентгеновского пучка на интересующий объект сильно зависит от его положения по вертикали. Для точного наведения в приборе используются два лазерных излучателя, расположенных в плоскости распространения рентгеновского пучка. Сходящиеся пучки от этих лазеров сливаются в единую точку только при определенном положении образца по вертикали. Таким образом, появляется возможность совместить в одной точке ось микроскопа с осью рентгеновского пучка и осями лазерных излучателей, контролирующих положение образца.
Такой принцип использован в рентгеновском флуоресцентном микрофокусном спектрометре "Фокус-М2". В приборе используется монокулярный микроскоп с переменным увеличением и микрометрической сеткой. Он имеет выход для подключения видеокамеры. Образец подсвечивается галогенной лампой. Все настройки проводятся при визуальном контроле под микроскопом. Настроечные винты узла держателя рентгеновской линзы позволяют перемещать рентгеновский пучок по площади образца. Лазерные лучи также настраиваются на конкретно выбранную точку, размеры их пятен сопоставимы с размером рентгеновского пятна.
Полупроводниковый детектор расположен под углом 45° к поверхности образца, его ось направлена на точку измерения. Детектор во время измерения располагается в нескольких миллиметрах от точки анализа, что позволяет во многих случаях проводить анализ легких элементов в воздушной среде. Во время настройки прибора на объект измерения детектор выдвигается из камеры, чтобы не перекрывать поле зрения микроскопа.
В приборе используются рентгеновские линзы длиной 80–120 мм, диаметром 7–8 мм и с углом захвата 0,06–0,08 рад. Трансмиссия при энергии 8 кэВ составляет 20–30%, при энергии 17 кэВ – 12–15%, при 22 кэВ – до 10%. Уже освоено производство линз с выходным диаметром менее 3 мм, что позволяет получать фокусные пятна менее 50 мкм (при энергии 17 кэВ). Линзы отличаются большими габаритами по сравнению с "острофокусными" линзами и обладают небольшим углом захвата рентгеновского пучка от рентгеновской трубки, что улучшает передачу квантов высоких энергий капиллярной системой линзы. Данный класс рентгеновских линз позволяет увеличивать плотность рентгеновского пучка в 100 и более раз. Реально используемая мощность рентгеновской трубки при работе с тяжелыми матрицами составляет 1–2 Вт. Все микроанализаторы работают с точечными источниками рентгеновского излучения с Mo-, Rh- и Ag-анодами. Значительная величина пропускания рентгеновскими линзами квантов высоких энергий позволяет использовать сменные фильтры, причем время набора спектра увеличивается незначительно даже тогда, когда мы работаем на характеристическом излучении трубки.
Для энергодисперсионных рентгеноспектральных анализаторов разработано специальное программное обеспечение. Оно позволяет проводить качественный и количественный анализы химических элементов от Na до U в диапазоне концентраций от единиц ppm до 100%. Для вычисления концентраций используются методы регрессии, фундаментальных параметров и альфа-коррекции (рис.7–9).
Другой прибор Института рентгеновской оптики – микрорентгенофлуоресцентный энергодисперсионный спектрометр МХ-10 (рис.10) – благодаря линзе Кумахова формирует рекордно маленькое фокальное пятно диаметром 10 мкм. Также он оснащен кремниевым дрейфовым детектором высокого разрешения (менее 150 эВ). Этот прибор предназначен для неразрушающего определения массовой концентрации элементов от Al до U, содержащихся в жидких, твердых и порошкообразных образцах. Столь малое фокусное пятно обеспечивает высокое пространственное разрешение. Среди достоинств прибора – высочайшая чувствительность, на уровне нескольких десятков ppb при анализе растворов (благодаря разработанной совместно с российскими химиками новой методике). Кроме того, МХ-10 – самый малогабаритный прибор в своем классе.
При работе с МХ-10 не требуется пробоподготовка, а благодаря маломощной рентгеновской трубке и отсутствию радиоизотопов он освобожден от учета и контроля СЭС. Прибор можно использовать как в полевых, так и в стационарных условиях.
Вместе с приборами МХ-10 поставляется специальное программное обеспечение на основе разработанной методики определения сверхмалых содержаний металлов в различных водных растворах. Она позволяет определять содержание металлов на уровне нескольких десятков ppb, такая чувствительность является рекордной (рис.11–13). Прибор найдет широкое применение в пищевой промышленности для анализа питьевой воды, алкогольной продукции и др., в фармацевтике, экологии, медицине и т.п.
Еще один пример рентгенофлуоресцентных спектрометров на основе оптики Кумахова – универсальный, портативный энергодисперсионный спектрометр МХ-П (рис.14). Прибор предназначен как для лабораторных условий, так и для полевых. Он может работать от аккумуляторных батарей и от бортовой сети автомобиля. Причем ширина прибора близка к размеру ручки.
Рентгеновская
дифрактометрия
Отметим, что оптика Кумахова эффективна и в различных задачах рентгеновской дифрактометрии, таких как неразрушающий контроль остаточных и действующих напряжений различных конструкций, фазовый и элементный состав неорганических материалов. Поликапиллярная рентгеновская оптика Кумахова выступает и как новый, не имеющий аналогов, инструмент в прецизионной рентгеновской дифрактометрии методом параллельного пучка Дебая–Шеррера. В частности, он эффективен при анализе полупроводниковых структур, в том числе структур типа кремний на сапфире (КНС), кремний на изоляторе (КНИ), а также гетероструктур (например, AlGaN). При этом решает задачи:
уточнения ориентации подложки с точностью 0,0005° и уточнения ориентировки базового среза;
определения фазового состава послойно на скользящем первичном пучке и на скользящем дифрагированном пучке;
контроля КНС- и КНИ-структур;
анализа гетероструктур с переменным фазовым составом;
измерения упругих деформаций кристаллической решетки;
расчета напряжений по кристаллографическим осям и др.
В частности, методика, основанная на поликапиллярной оптике Кумахова, позволяет определить модификацию промежуточного слоя в КНИ-структурах – задача, недоступная дорогим трехкристальным дифрактометрам.
Институт рентгеновской оптики поставляет ряд рентгеновских дифрактометров различного назначения (серия "РИКОР"), однако о них мы расскажем в последующих публикациях.
В 1895 году Вильгельм Рентген открыл таинственные проникающие лучи, которые назвал X-лучами. Это открытие вызвало интерес во всем мире. В первый же год, последовавший за сообщением Рентгена, появилось более тысячи публикаций в научных журналах и популярной прессе [1]. Прохождение X-лучей через вещество, с их различным поглощением, нашло широкое практическое применение в науке, медицине, технике; название излучения связали с фамилией первооткрывателя.
В 1920-е годы Артур Комптон обнаружил эффект полного внешнего отражения рентгеновского излучения (РИ) от поверхности [2]. Большой вклад в исследования этого эффекта внесли и отечественные ученые А.И.Алиханьян, А.И.Алиханов, Л.А.Арцимович и др. [3]. В результате этих исследований было обнаружено наличие критического угла – максимального угла между падающим лучом и поверхностью, при котором возможно отражение. Зафиксировали и зависимость величины критического угла от различных параметров, в том числе от материала поверхности и энергии излучения. Родилось новое направление физики – оптика рентгеновских лучей.
Рентгеновским излучением можно управлять с помощью плоского зеркала. Но однократное отражение может повернуть луч на угол, не превышающий удвоенный критический угол, величина которого – доли градуса (единицы миллирадиан) [4]. При таком угле отклонение луча на метр пробега составит несколько миллиметров, что требует исследовательских стендов больших размеров.
Изменение формы поверхности зеркала, например, на параболическую, позволит сфокусировать излучение или сделать его лучи параллельными. Часто используют два зеркала, установленные в перпендикулярных плоскостях, чтобы воздействовать на излучение в двух направлениях. Зеркала остаются, как правило, системами однократного отражения.
Изогнутые поверхности позволяют создать системы многократного отражения и повернуть рентгеновское излучение на угол, значительно превосходящий критический. Если взять несколько таких поверхностей и расположить их так, чтобы они направляли излучение в одну точку, получится рентгеновская линза. Такой системой и является поликапиллярная линза, придуманная в конце 1970-х годов М.А.Кумаховым. В ней не одна изогнутая поверхность, а множество – сотни, тысячи, миллионы.
Каждая отражающая поверхность в рентгеновской поликапиллярной линзе образована полым каналом, который из-за малого диаметра принято называть капилляром. Первые поликапиллярные рентгеновские линзы были созданы в лаборатории Курчатовского института под руководством М.Кумахова в середине 1980-х годов. Они были собраны из нескольких сотен стеклянных трубочек-капилляров, изогнутых специальным образом (рис.1).
В 1991 году был создан Институт рентгеновской оптики (ИРО), возглавляемый М.Кумаховым. В Институте разрабатываются, изготовляются и исследуются различные рентгено-оптические системы (РОС), создаются приборы с поликапиллярной рентгеновской оптикой. Несмотря на название, применение поликапиллярной оптики не ограничивается рентгеновским диапазоном излучения. Есть успешный опыт использования подобных линз и полулинз для управления нейтронным потоком и ультрафиолетовыми лучами.
Такая оптика уже используется примерно в 5 тыс. аналитических приборов (спектрометров, дифрактрометров и т.д.). В научной литературе данная оптика получила название "оптика Кумахова" (линза Кумахова) по имени создателя, а также основателя Института рентгеновской оптики М.А.Кумахова. Основы оптики и ее использование содержатся в статьях М.А.Кумахова [15–18], в ряде научных обзоров [5–7], монографий [8, 9], в российских и зарубежных учебниках [10, 11]. Специальный том, посвященный оптике Кумахова, вышел в 2000 году в США [12]. Результаты детального изучения многообразных применений отражены в трудах двух международных конференций (около 100 статей) [13, 14]. Основные положения оптики Кумахова защищены в 150 международных и российских патентах (см. www.xrayoptic.ru/museum3.htm).
Одна из характеристик РОС (рис.2) – фокусные расстояния, т.е. дистанции, на которых линза наиболее эффективно захватывает рентгеновское излучение от источника (F1) и на которых выходное фокусное пятно достигает минимальных размеров (F2). Поскольку линза может пропускать излучение в прямом и обратном направлениях, нумерация F1 и F2 условна. Фокусные расстояния современных линз, изготовляемых институтом, – от долей миллиметра до десятков сантиметров. Для каждого канала, как и для зеркала, угол захвата излучения Θcapt не превышает удвоенного критического угла. Но каналов много, и реальный угол захвата линзы может достигать нескольких градусов, превосходя критический угол в десятки и сотни раз. То же верно и для угла схождения Θconv.
Наряду с рентгеновскими линзами производятся и поликапиллярные полулинзы – рентгено-оптические системы, позволяющие либо сфокусировать параллельный поток (например, синхротронное излучение), либо, наоборот, получить от конечного источника (рентгеновской трубки) квазипараллельное излучение с расхождением лучей в пределах удвоенного критического угла (Θdiv).
Одна из характеристик РОС – трансмиссия, показывающая соотношение количества вышедших из линзы квантов излучения и количества попавших на вход линзы. У некоторых типов РОС для определенных энергий этот параметр может достигать 40–50%, практически сравниваясь с соотношением площади каналов и общей площади сечения. Но оценивать РОС только по этому параметру не верно, ибо сам по себе он не показателен. Более обосновано оценивать возможности РОС фокусировать и усиливать излучение. Современные линзы позволяют получать выходные фокусные пятна размером от 10 мкм, хотя есть экземпляры, фокусирующие излучение в пятна меньше 5 мкм, – и это для излучения от обычной рентгеновской трубки с размером источника 50–100 мкм.
И если сравнить, сколько излучения попадет на площадь, равную выходному фокусному пятну, без применения линзы и с линзой, то окажется, что линза дает выигрыш в десятки и сотни раз, а в отдельных случаях – и больше тысячи.
Синхротронное излучение можно сфокусировать и в меньшее по размеру пятно. В Европейском синхротронном центре (Гренобль) был проведен эксперимент по фокусировке синхротронного пучка с помощью линзы Кумахова [19]. Размер синхротронного пучка составлял 0,5 мм, энергия – ~10 кэВ. Пучок был сфокусирован в пятно до 3,5 мкм. При этом плотность синхротронного пучка удалось увеличить в 500 раз.
Рентгеновские линзы, изготавливаемые в ИРО, различаются по многим параметрам. Только по геометрическим размерам их можно разделить на несколько классов (см. таблицу). Но и это деление условно. Есть линзы, которые по своим параметрам относятся сразу к нескольким классам. А для линз с фокусным расстоянием менее 1 мм, с размером пятна менее 5–10 мкм надо объявлять новый класс – супермикролинзы, субмикролинзы или нанолинзы. (И то правда: диаметры полых каналов на торце таких линз лежат в нанодиапазоне.)
Профессором М.А.Кумаховым впервые было предложено получение трехмерных (3D) изображений различных объектов посредством сопряжения двух линз в одной точке объекта и последующего сканирования [17] (рис.3). Этот метод используется в крупнейших синхротронных центрах, таких как BESSY (Берлин) ESRF (Гренобль), CHESS (Итака), Аргоннская национальная лаборатория (США), HASYLAB (Гамбург), ANKA (Карлсруе), SOLEL (Париж). Метод используется для исследований художественных картин, биологических объектов, древних документов, ювелирных изделий, для решения задач криминалистики, исследования материалов и т.д.
Летом 2002 года Институту рентгеновской оптики и М.А.Кумахову была вручена Премия SPIE (международная организация инженеров-оптиков, объединяющая более 70 стран) "За выдающиеся научные и технологические достижения в разработке, производстве, внедрении и практическом применении принципов рентгеновской и нейтронной капиллярной и поликапиллярной оптики Кумахова" (рис.4).
Применения оптики Кумахова
Можно насчитать несколько десятков направлений, где используются аналитические приборы с оптикой Кумахова (см. врезку). В частности, для определения уровня загрязнения окружающей среды в институте разработан микрорентгенофлуоресцентный энергодисперсионный спектрометр MX-10. Эта уникальная разработка была сделала совместно с учеными РАН во главе с академиком Ю.А.Золотовым. Активное участие в разработке также принимали ученые-химики Р.Х.Хамизов и Г.И.Цизин. Благодаря этим работам впервые появилась возможность получить чувствительность для водных растворов на уровне десятков ppb.
В течение многих лет ученые разных стран пытались создать системы анализа крови без ее непосредственного забора. Это особенно актуально, например, для пациентов, страдающих гемофилией. Задачу удалось решить специалистам Института рентгеновской оптики. При этом используется метод 3D-изображений. Стало возможным получение трехмерного изображения крови на базе флуоресцентного анализа и на базе комптоновского рассеяния и определение элементного состава крови (включая железо) и плотности крови при минимальном облучении пациента.
Наш прибор также используется для определения различных структур, например, подлинности картин, денежных знаков, золота и т.д. Он уже используется в музее В.И.Грабаря (Москва) для определения подлинности картин, и в Госзнаке – для определения подлинности денежных знаков.
Рентгеновские флуоресцентные микроанализаторы элементного состава на основе поликапиллярных линз Кумахова
Монолитные поликапиллярные рентгеновские линзы позволили создать малогабаритные рентгенофлуоресцентные анализаторы элементного состава для локального анализа. Такие линзы позволяют создавать рентгеновские пучки размером до нескольких микрон, причем плотность рентгеновских квантов в таком пучке достаточна для загрузки полупроводникового детектора. Поликапиллярные линзы можно использовать практически со всеми видами анодов рентгеновских трубок. При этом резко снижается требуемая мощность рентгеновских источников – до 5 Вт и менее. В результате поликапилярные рентгеновские линзы позволяют улучшить компоновку прибора, отдалив источник рентгена от исследуемого образца, при этом плотность рентгеновского пучка остается очень высокой.
Первый рентгеновский микроанализатор с линзой Кумахова был создан в Институте рентгеновской оптики в начале 1990-х годов [5]. Схема прибора (рис.5) сейчас без серьезных изменений используется всеми фирмами, производящими микроанализаторы с линзой (компании Shimadzu, Bruker и др.). Институтом разработаны несколько типов рентгенофлуоресцентных микроанализаторов состава веществ с использованием поликапиллярной рентгеновской оптики. Это переносной микроанализатор "Фокус", настольный микроанализатор-микроскоп "Фокус-М2" (рис.6) и микроанализатор XMF-104 , созданный совместно с фирмой Unisantis.
При объединении в одном приборе функций микроскопа и рентгенофлуоресцентного микроанализатора встала задача – как их совместить? Ведь габариты микроскопа и рентгеновской линзы при их вертикальном расположении не позволяют видеть объект измерения при его анализе. Поэтому была выбрана схема измерения с рентгеновским пучком, направленным под углом 45° к поверхности образца, что позволило расположить микроскоп вертикально. Пятно рентгеновского пучка на образце имеет форму эллипса. При этом точность наведения рентгеновского пучка на интересующий объект сильно зависит от его положения по вертикали. Для точного наведения в приборе используются два лазерных излучателя, расположенных в плоскости распространения рентгеновского пучка. Сходящиеся пучки от этих лазеров сливаются в единую точку только при определенном положении образца по вертикали. Таким образом, появляется возможность совместить в одной точке ось микроскопа с осью рентгеновского пучка и осями лазерных излучателей, контролирующих положение образца.
Такой принцип использован в рентгеновском флуоресцентном микрофокусном спектрометре "Фокус-М2". В приборе используется монокулярный микроскоп с переменным увеличением и микрометрической сеткой. Он имеет выход для подключения видеокамеры. Образец подсвечивается галогенной лампой. Все настройки проводятся при визуальном контроле под микроскопом. Настроечные винты узла держателя рентгеновской линзы позволяют перемещать рентгеновский пучок по площади образца. Лазерные лучи также настраиваются на конкретно выбранную точку, размеры их пятен сопоставимы с размером рентгеновского пятна.
Полупроводниковый детектор расположен под углом 45° к поверхности образца, его ось направлена на точку измерения. Детектор во время измерения располагается в нескольких миллиметрах от точки анализа, что позволяет во многих случаях проводить анализ легких элементов в воздушной среде. Во время настройки прибора на объект измерения детектор выдвигается из камеры, чтобы не перекрывать поле зрения микроскопа.
В приборе используются рентгеновские линзы длиной 80–120 мм, диаметром 7–8 мм и с углом захвата 0,06–0,08 рад. Трансмиссия при энергии 8 кэВ составляет 20–30%, при энергии 17 кэВ – 12–15%, при 22 кэВ – до 10%. Уже освоено производство линз с выходным диаметром менее 3 мм, что позволяет получать фокусные пятна менее 50 мкм (при энергии 17 кэВ). Линзы отличаются большими габаритами по сравнению с "острофокусными" линзами и обладают небольшим углом захвата рентгеновского пучка от рентгеновской трубки, что улучшает передачу квантов высоких энергий капиллярной системой линзы. Данный класс рентгеновских линз позволяет увеличивать плотность рентгеновского пучка в 100 и более раз. Реально используемая мощность рентгеновской трубки при работе с тяжелыми матрицами составляет 1–2 Вт. Все микроанализаторы работают с точечными источниками рентгеновского излучения с Mo-, Rh- и Ag-анодами. Значительная величина пропускания рентгеновскими линзами квантов высоких энергий позволяет использовать сменные фильтры, причем время набора спектра увеличивается незначительно даже тогда, когда мы работаем на характеристическом излучении трубки.
Для энергодисперсионных рентгеноспектральных анализаторов разработано специальное программное обеспечение. Оно позволяет проводить качественный и количественный анализы химических элементов от Na до U в диапазоне концентраций от единиц ppm до 100%. Для вычисления концентраций используются методы регрессии, фундаментальных параметров и альфа-коррекции (рис.7–9).
Другой прибор Института рентгеновской оптики – микрорентгенофлуоресцентный энергодисперсионный спектрометр МХ-10 (рис.10) – благодаря линзе Кумахова формирует рекордно маленькое фокальное пятно диаметром 10 мкм. Также он оснащен кремниевым дрейфовым детектором высокого разрешения (менее 150 эВ). Этот прибор предназначен для неразрушающего определения массовой концентрации элементов от Al до U, содержащихся в жидких, твердых и порошкообразных образцах. Столь малое фокусное пятно обеспечивает высокое пространственное разрешение. Среди достоинств прибора – высочайшая чувствительность, на уровне нескольких десятков ppb при анализе растворов (благодаря разработанной совместно с российскими химиками новой методике). Кроме того, МХ-10 – самый малогабаритный прибор в своем классе.
При работе с МХ-10 не требуется пробоподготовка, а благодаря маломощной рентгеновской трубке и отсутствию радиоизотопов он освобожден от учета и контроля СЭС. Прибор можно использовать как в полевых, так и в стационарных условиях.
Вместе с приборами МХ-10 поставляется специальное программное обеспечение на основе разработанной методики определения сверхмалых содержаний металлов в различных водных растворах. Она позволяет определять содержание металлов на уровне нескольких десятков ppb, такая чувствительность является рекордной (рис.11–13). Прибор найдет широкое применение в пищевой промышленности для анализа питьевой воды, алкогольной продукции и др., в фармацевтике, экологии, медицине и т.п.
Еще один пример рентгенофлуоресцентных спектрометров на основе оптики Кумахова – универсальный, портативный энергодисперсионный спектрометр МХ-П (рис.14). Прибор предназначен как для лабораторных условий, так и для полевых. Он может работать от аккумуляторных батарей и от бортовой сети автомобиля. Причем ширина прибора близка к размеру ручки.
Рентгеновская
дифрактометрия
Отметим, что оптика Кумахова эффективна и в различных задачах рентгеновской дифрактометрии, таких как неразрушающий контроль остаточных и действующих напряжений различных конструкций, фазовый и элементный состав неорганических материалов. Поликапиллярная рентгеновская оптика Кумахова выступает и как новый, не имеющий аналогов, инструмент в прецизионной рентгеновской дифрактометрии методом параллельного пучка Дебая–Шеррера. В частности, он эффективен при анализе полупроводниковых структур, в том числе структур типа кремний на сапфире (КНС), кремний на изоляторе (КНИ), а также гетероструктур (например, AlGaN). При этом решает задачи:
уточнения ориентации подложки с точностью 0,0005° и уточнения ориентировки базового среза;
определения фазового состава послойно на скользящем первичном пучке и на скользящем дифрагированном пучке;
контроля КНС- и КНИ-структур;
анализа гетероструктур с переменным фазовым составом;
измерения упругих деформаций кристаллической решетки;
расчета напряжений по кристаллографическим осям и др.
В частности, методика, основанная на поликапиллярной оптике Кумахова, позволяет определить модификацию промежуточного слоя в КНИ-структурах – задача, недоступная дорогим трехкристальным дифрактометрам.
Институт рентгеновской оптики поставляет ряд рентгеновских дифрактометров различного назначения (серия "РИКОР"), однако о них мы расскажем в последующих публикациях.
Отзывы читателей
