EA028468B1 - Method for determining optical characteristics of materials based on abnormal refraction in refraction optical elements - Google Patents

Abstract

The invention is related to the field of X-ray technology and can be used for control of chemical composition and structure of substances. The objective of the utility model is development of a device for control of chemical composition and characteristics of substances in a condensed state that features a simple design and facilitates interpretation of the results obtained. Said objective is attained in a utility model comprising the following components arranged in series on the same optical axis: X-ray radiation source, tunable monochromator providing at its output probing X-ray radiation of definite energy, a sample of the substance under study made as a focusing element, and a position-sensitive detector providing measurement of diameter of the beam focused by a lens.

Description

Изобретение относится к области рентгенотехники и может быть использовано для контроля химического состава и структуры вещества.The invention relates to the field of X-ray technology and can be used to control the chemical composition and structure of a substance.

Известно устройство для определения характеристик объектов с рассеиванием (патент РФ № 2262673, опубликован 10.12.2004) в оптическом диапазоне, который заключается в подаче излучения на поверхность исследуемого объекта и регистрации излучения на выходе приемного световода. На поверхности объекта в зоне входного окна приемного световода формируют область частичного затемнения, обеспечивающую изменяющееся в пространстве распределение плотности мощности рассеянного излучения, попадающего во входное окно приемного световода, и регистрируют его, по которому судят о характеристиках изучаемого объекта.A device is known for determining the characteristics of objects with dispersion (RF patent No. 2262673, published December 10, 2004) in the optical range, which consists in supplying radiation to the surface of the object under study and registering radiation at the output of the receiving fiber. A partial dimming region is formed on the surface of the object in the area of the input window of the receiving fiber, which provides a spatially varying distribution of the power density of the scattered radiation falling into the input window of the receiving fiber, and it is recorded by which the characteristics of the object under study are judged.

Недостатком устройства является невозможность его использования для большинства веществ, находящихся в конденсированном состоянии, и для которых не может быть обеспечено прохождение значительной части зондирующего излучения через исследуемый объект в силу его непрозрачности для оптического излучения.The disadvantage of this device is the impossibility of its use for most substances in a condensed state, and for which the passage of a significant part of the probe radiation through the object under study cannot be ensured due to its opacity for optical radiation.

Известны устройства для контроля за составом и характеристиками вещества, использующие информацию о значениях показателя преломления вещества при разных значениях энергии зондирующего излучения - рефрактометры (Физическая энциклопедия. В 5 томах. - М.: Советская энциклопедия. 1988.). В частности, известен рентгеновский интерферометр (патент Японии 1Р 3715955, приоритет 2002.07.25, опубликован 2004.02.26) предназначенный для исследования характеристик вещества, в котором имеется источник рентгеновского излучения, перестраиваемый монохроматор и координатно-чувствительный детектор, и происходит разделение пучка от источника рентгеновского излучения с помощью дифракционной решетки, после чего пучки собираются с помощью зеркал в одну точку, где наблюдается интерференционная картина, при этом в один из пучков помещают исследуемый образец и по виду интерференционной картины определяют различные характеристики вещества исследуемого образца.Known devices for monitoring the composition and characteristics of a substance, using information on the values of the refractive index of a substance at different values of the energy of the probe radiation - refractometers (Physical Encyclopedia. In 5 volumes. - M .: Soviet Encyclopedia. 1988.). In particular, an X-ray interferometer is known (Japanese Patent 1P 3715955, priority 2002.07.25, published 2004.02.26) for studying the characteristics of a substance in which there is an x-ray source, a tunable monochromator and a coordinate-sensitive detector, and the beam is separated from the x-ray source radiation using a diffraction grating, after which the beams are collected using mirrors at one point where the interference pattern is observed, while the studied brazets and form of the interference pattern is determined by the different characteristics of the test sample material.

Недостатками известных устройств является сложность конструкции и анализа полученных результатов.The disadvantages of the known devices is the complexity of the design and analysis of the results.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является разработка устройства для контроля химического состава и характеристик веществ, находящихся в конденсированном состоянии, отличающегося простотой конструкции и интерпретации полученных результатов.The technical result to which the invention is directed is the development of a device for monitoring the chemical composition and characteristics of substances in a condensed state, characterized by the simplicity of design and interpretation of the results.

Технический результат достигается в изобретении тем, что располагают последовательно на одной оптической оси источник рентгеновского излучения, перестраиваемый монохроматор, обеспечивающий на выходе зондирующее рентгеновское излучение определенной энергии, образец из исследуемого вещества, выполненный в виде фокусирующего элемента, а также координатно-чувствительный детектор, обеспечивающий измерение диаметра сфокусированного линзой пучка.The technical result is achieved in the invention by the fact that a x-ray source, a tunable monochromator, which provides probing x-rays of a certain energy at the output, a sample from the test substance, made in the form of a focusing element, and also a coordinate-sensitive detector that provides measurement, are arranged sequentially on the same optical axis the diameter of the beam focused by the lens.

Предпочтительно выполнение координатно-чувствительного детектора с возможностью перемещения вдоль оптической оси устройства с целью определения положения фокуса линзы для различных энергий зондирующего излучения.It is preferable to perform a coordinate-sensitive detector with the ability to move along the optical axis of the device in order to determine the position of the focus of the lens for different energies of the probe radiation.

Предпочтительно выполнение фокусирующего элемента в виде двояковогнутой линзы.Preferably, the focusing element is in the form of a biconcave lens.

Предпочтительно выполнение двояковогнутой линзы диаметром 0,05-1 мм.A biconcave lens with a diameter of 0.05-1 mm is preferred.

В одном из вариантов выполнения при фиксированном положении координатно-чувствительного детектора измеряется размер засвеченного пятна, которое пересчитывается в положение фокуса.In one embodiment, with a fixed position of the coordinate-sensitive detector, the size of the exposed spot is measured, which is converted to the focus position.

На фигуре показана схема устройства, где 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - перестраиваемый монохроматор, 3 - исследуемый образец в виде фокусирующего элемента, 4 - фокальное пятно сформированное линзой, 5 - координатно-чувствительный детектор для определения положения фокуса.The figure shows a diagram of a device where 1 is an x-ray source, 2 is a tunable monochromator, 3 is a test sample in the form of a focusing element, 4 is a focal spot formed by a lens, 5 is a coordinate-sensitive detector for determining the focus position.

Устройство работает следующим образом. Из полихроматического пучка, излучаемого источником рентгеновского излучения 1, монохроматор 2 выделяет излучение определенной энергии. Это излучение проходит через образец 3, выполненный в виде двояковогнутой фокусирующей линзы, расположенной на оси зондирующего пучка, и собирается этой линзой в фокальном пятне 4. Положение фокального пятна 4 определяется по минимальному размеру изображения источника, формируемого образцом и регистрируемого координатно-чувствительным детектором 5 при перемещении последнего вдоль оптической оси установки.The device operates as follows. From the polychromatic beam emitted by the x-ray source 1, the monochromator 2 emits radiation of a certain energy. This radiation passes through the sample 3, made in the form of a biconcave focusing lens located on the axis of the probe beam, and is collected by this lens in the focal spot 4. The position of the focal spot 4 is determined by the minimum size of the image of the source formed by the sample and recorded by the coordinate-sensitive detector 5 at moving the latter along the optical axis of the setup.

При изменении энергии сканирующего излучения пучка, исходящего из монохроматора 2, происходит изменение фокусного расстояния линзы 3, которое определяется значением показателя преломления вещества образца для определенной энергии зондирующего излучения. Эта зависимость в целом имеет монотонный характер, который нарушается в области энергий зондирующего излучения, близких к энергиям связи электронов в оболочках атомов, входящих в состав образца, что соответствует известному эффекту аномальной дисперсии.When the energy of the scanning radiation of the beam coming from the monochromator 2 changes, the focal length of the lens 3 changes, which is determined by the value of the refractive index of the sample substance for a certain energy of the probe radiation. This dependence as a whole has a monotonic character, which is violated in the region of probe radiation energies close to the binding energies of the electrons in the shells of the atoms that make up the sample, which corresponds to the known anomalous dispersion effect.

В другом варианте при фиксированном положении детектора 5 измеряется размер засвеченного пятна 4, из которого по известным формулам пересчитывается положение фокуса.In another embodiment, at a fixed position of the detector 5, the size of the spot 4 is measured, from which the focus position is recalculated using well-known formulas.

Таким образом, реализуется технический результат изобретения.Thus, the technical result of the invention is realized.

Claims (5)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ определения оптических характеристик, включающий расположение последовательно на одной оптической оси источника рентгеновского излучения, перестраиваемого монохроматора и координатно-чувствительного детектора, отличающийся тем, что из исследуемого вещества изготавливают образец в виде фокусирующего элемента, располагают его на указанной оптической оси перед координатно-чувствительным детектором, измеряют диаметр сфокусированного линзой пучка, на основе чего рассчитывают величины искомых оптических характеристик.1. The method of determining optical characteristics, including the location sequentially on the same optical axis of the x-ray source, tunable monochromator and coordinate-sensitive detector, characterized in that a sample is made from the test substance as a focusing element, placed on the optical axis in front of the coordinate-sensitive the detector, measure the diameter of the focused beam of the lens, on the basis of which calculate the magnitude of the desired optical characteristics. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что координатно-чувствительный детектор при измерении перемещают вдоль оптической оси устройства.2. The method according to claim 1, characterized in that the coordinate-sensitive detector, when measured, is moved along the optical axis of the device. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что координатно-чувствительный детектор располагают на фиксированном расстоянии от фокусирующего элемента.3. The method according to claim 1, characterized in that the coordinate-sensitive detector is placed at a fixed distance from the focusing element. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фокусирующий элемент изготавливают в виде двояковогнутой линзы.4. The method according to claim 1, characterized in that the focusing element is made in the form of a biconcave lens. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что двояковогнутую линзу изготавливают диаметром 0,05-15. The method according to claim 2, characterized in that the biconcave lens is made with a diameter of 0.05-1