Устройство для рентгеновской топографии монокристаллов
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕНТГЕНОВС- КОЙ ТОПОГРАФИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ, содер .жащее микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством его перемещения в брэгговском направлении и регистратор излучения, отличающееся тем, что, с целью улучшения пространственного разрешения топографического изображения, в качестве регистратора излучения использован линейный координатный детектор с накоплением изображения во внешнем запоминающем устройстве, . входное окно которого ориентировано вдоль антибрэгговского направления, перед входным окном детектора распо§ ложена щелевая диафрагма, ширина щели которой выбрана из условия попадания на детектор излучения с длиной волны выбранной характеристической линии спектра трубки, а соотношение расстояний от источника излучения до ;держателя и от держателя до детектора равно 1:10. 00 ю to о ел
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУ1ЬЛИН (19) (И) А
3(5)) G 01 N 23/20
Г
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ/
К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3637626/24-25 (22) 30.08.83 (46) 30. 12.84. Бкп. У 48 (72) П.В.Петрашень, Ф.Н.Чуховский, Н.И.Комяк, В.Г.Лютцау, В.П.Ефанов и К.А.Гусев (71) Институт машиноведения нм.А.А.Благонравова и Ленинградское научно-производственное объединение
"Буревестник" (53) 548.733(088.8) (56) 1. Русаков А.А.Рентгенография металлов. N., Атомиздат, 1977, с. 276-278.
2. Беляев Б.Ф. и др. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л
"Машиностроение", 1980, с. 137.
3. Современное состояние аппаратуры и методов для визуализации рентгеновских топографических изображений. И., ЦНИИТЭИ, Приборостроение, 1975 с. 10-11 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОПОГРАФИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ, содер жащее микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством
его перемещения в брэгговском направгении и регистратор излучения, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения пространственного pasрешения топографического изображения, в качестве регистратора излучения использован линейный координатный детектор с накоплением изображения во внешнем запоминающем устройстве, входное окно которого ориентировано вдоль антибрэгговского направления, перед входным оКНоМ детектора расположена щелевая диафрагма, ширина щели которой выбрана иэ условия попадания на детектор излучения с длиной волны выбранной характеристической линии спектра трубки, а соотношение расстояний от источника излучения до ,держателя и от держателя до детектора равно 1: 10.
1132205 2
Изобретение относится к устройствам для изучения структурного совершенства монокристаллов с помощью дифракции рентгеновских лучей.
В настоящее время широко применяются устройства для проекционной топографии по Лангу 413. В этом устройстве излучение трубки коллимируется щелевым коллиматором и направляется на исследуемый кристалл под углом 16
Брэгга. Дифрагированный пучок отделяется от проходящего выходной щелью и направляется на фотопластинку.
Развертка изображения по горизонтали осуществляется одновременным сканиро- 15 ванием кристалла и фотопластинки в горизонтальной плоскости с одинаковыми скоростями. В этом устройстве не происходит увеличения изображения и разрешающая способность определяется разрешением фотопластинки; геометрическими параметрами установки, такими как реальные размеры фокуса трубки (0,1-10 мм) и расстояние трубка — кристалл (30-100 cM) и крис. 25 талл — пластинка (0,5-2 см). Достижимое разрешение составляет единицы микрон и улучшается при увеличении расстояния трубка — кристалл. Время экспозиции при этом растет. Типичное время экспозиции для ядерных пласти, нок высокого разрешения (300 пар линий/мм) составляет 5.-20 ч, Устройство Лангу дает удовлетворительные результаты по разрешению, но время экспозиции слишком велико для промышленных и исследовательских целей, при этом существенным недостатком является необходимость использования фотографического процесса для визуализации изображения, что препят; .40 ствует количественному анализу иэображений.
Стремление уменьшить время экспозиции привело к созданию рентгеновс- > ких телевизионных систем визуализации топографических изображений. Такие системы собраны по той же схеме,, но вместо фотопластинки ставится, рентгеновский видикон или обычный видикон .с электрониооптическим преобразователем. Время экспозиции при этом удается сократить до нескольких минут, но разрешающая способность телевизионных систем заметно нике, N чем фотографических и составляет
10-50 мкм. Этого разрешения недостаточно для передачи деталей изображее ний отдельных дефектов, что ограничивает сферу применения таких систем.
Известно также устройство визуали. зации топографических иэображений, в котором развертка изображения осуществляется с помощью сканирующей рентгеновской трубки, а для регистрации применяется детектор с шнрокии окном. Для этого устройства основная трудность — коллимация излучения источника, перемещающегося в пространстве. Эта задача решается с помощью стеклянных капиллярных многоэлементных коллиматоров Е23. Период капиллярной структуры не удается сделать меньше 20-50 мкм, и эта величина определяет разрешение способа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для рентгеновской топографии монокристаллов, содержащее микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством его перемещения в брэгговском направлении и регистратор излучения (3 3.
Недостатком этого устройства является использование фотографической системы регистрации и возможность достижения высокого пространственноro разрешения только при достаточном удапении фотопленки от исследуемого монокристалла, т.е. время экспозиции должно быть очень большим.
Цель изобретения — улучшение пространственного разрешения топографического изображения.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для рентгеновской топографии монокристаллов, содержа» щем микрофокусный источник рентгеновского излучения, держатель исследуемого монокристалла со средством его перемещения в брэгговском направлении и регистратор излучения, в качестве регистратора излучения используют линейный координатный детектор с накоплением изображения во внешнем запоминающем устройстве, входное окно которого сориентировано вдоль антибрэгговского направления, перед входным окном детектора располагают щель, ширина которой выбрана из ус-, ловия попадания на детектор излуче- . ния с длиной волны выбранной характеристической линии спектра трубки, а соотношения расстояний от источника излучения до держателя и от дер жателя до детектора равно 1:10. 11322
Пространственное разрешение увеличивается за счет увеличения изображения в антибрэгговском (вертикальном) направлении аналогично тому, как это делается в рентгеновских теневых микроскопах. В отличие от обычной теневой микроскопии в предлагаемом способе используется не прямо прошедшее излучение, а испытавшее дифракцию на кристаллической решетке. 10
Поскольку дифракция характеристических линий спектра трубки наблюдается лишь при определенном угле падения (угле Брэгга), при фиксированном положении источника и кристалла не по- 15 лучается развернутого изображения, дифрагированный пучок пересекает плоскость регистрации по линии Косс®я, являющейся отрезком гиперболы или эллипса. Распределение интенсивности вдоль этой линии регистрируется линейным координатным детектором и может рассматриваться как строка изображения. Следующая строка полу- . чается после сдвига исследуемого кристалла в брэгговском (горизонталь- ном) направлении на расстояние, определяемое необходимым разрешением в горизонтальном направлении. Накопление изображения осуществляется соответствующей электронной схемой с аналоговым или цифровым запоминающим устройством, после чего изображение ,воспроизводится на телевизионном экране или любом другом средстве ви35 зуализации иэображений.
На фиг. 1 приведена геометрия установки в вертикальной плоскости; на фиг. 2 — то же., в горизонтальной плоскости.
Устройство содержит источник 1, кристалл 2, линейный координатный детектор 3, щель перед детектором 4, экран прямоге пучка 5. . Рассмотрим количественно достижимые характеристики устройства. Как видно из геометрии (фиг. 2) размытие изображения в плоскости образца, вызванное конечным размером фокуса, дь и конечным разрешением детектора
, равно
05 4 жения. Разрешающая способность определяется расходимостью дифрагированного пучка лучей Л 8 в горизонталь-.. ной плоскости. Эта расходимость состоит из двух компонент: естествен-. ной ширины области отражения от монокристалла, которая обычно очень мала
-5 (порядка 10 рад), и уширения, связанного с немонохроматичностью излучения Л /Л., которое приводит к уширениюЬ =(ДЛ/А) ° ctgg» где 90 угол Брэгга.
Для анализа влияния этого уширения на разрешение предположим, что фокус точечный и его линейные размеры равны нулю. В соответствии с принципом обратимости хода лучей интен-. сивность, регистрируемая детектором с широким (в горизонтальном направлении), окном, равна интенсивности, которая была бы зарегистрирована в точке расположения фокуса трубки, если бы входное окно счетчика было заменено протяженным некогерентным источником. В этом смысле изображение, получаемое в данном устройстве, соответствует изображению, полученному способом Ланга, с источником, помещенным на место детектора. По аналогии со способом Ланга угловое уширение Ь 9 приводит к тому, что изображение размывается в горизонтальном направлении на величину порядка
Rz 661,, где l — расстояние меж" ду фокусом и кристаллом, 1 «1 см.
Если допустить участие линий К (1 и
К в формировании изображения то получаем Ь /1./ . 10 ° 9 10
f1 см и разрешение составляет Р
6- ° 10 см=60 мкм. Если уменьшить ширину входного окна счетчика с помощью щели 4 (фиг. 2) настолько, чтобы в счетчик попадала только К4 линия, то (ьА/Л. ) <10 и Р 6 мкм при
0 1 см, и Р 3 мкм приf„ 0,5 см.
Возможность разделения К вЂ” -дублета требует, чтобы на расстоянии ly пучка соответствующие Ку. и К pasoшлись на расстояние, большее их собственной ширины, равной приблизительно 2t ° tgg>, где t — толщина кристалла. Отсюда получаем
К =a — "+ — 1 — "а,+
6» а4 ь ь. . е+с, в e„++e„ при f„ Коэффициент увеличения определяется электронной схемой синтеза изобра q Лка.1 — Акка Лср t или 4 >10 ° 24(+6) 50t, при4 1 мм получаем Ь> 50 мм, что легко выполня1 1З2205 4П Л. — рентгеновская мощность трубки 30 — яркость; — площадь фокуса; — телесный угол;— засвечиваемая площадь в плоскости детектора. изображения высотой h и шири(в плоскости образца) имеем И г 2.= — аа s — к Ия е, 7 где Р S Я Для ной А отсюда -40 р ь 9 иге, як Аналогичная формула справедлива и для способа Ланга с учетом К=1. Следовательно, увеличение изобра- жения в К раз приводит к снижению интенсивности на единицу площади в К 2. раз при прочих равных параметрах. Од= нако для правильной оценки чувствита1ьности кадо рассматривать интенсивность не на едЫйицу площади, .а на элемент разреаенюя детектора при условии, что паспортное разрешение де-, тектора согласовано с разрешением, определяемым геометрическими парамет 5> рами установки. Для устройства по Лангу типичные значения пространственного разрешения как оптической ется при типичной геометрии съемки по предлагаемому способу. Приведенная оценка размытия изображения обусловлена лишь шириной отражения А О, к этой величине следу- 5 ет добавить горизонтальный размер фокуса а . Окончательно имеем Р аг+1О ctg8g(а, что составляет единицы микрон. Дальнейшее повышение разрешения 10 возможно за счет цифровой обработки иэображения на ЭВМ, поскольку, зная /профиль К,д линии спектра трубки и геометрические размеры установки, нетрудно получить точное математи- 15 ческое описание размытия изображения как в вертикальном,. так и в горизонтальном направлениях. Цифровая обработка может вестись одновременно с измерениями, не вызывая значи= 20 тельного увеличения времени эксперимента. Рассмотрим теперь интенсивность, регистрируемую единицей площади детектора. Она определяется по формуле 25 схемы, так и фотоэмульсии согласованы и составляют величину 2-5 мкм. В предлагаемом устройстве разрешение оптической схемы имеет тот же порядок (без цифровой обработки), а разрешение линейного детектора составляет обычно величину порядка 2050 мкм. Согласование по разрешению достигается при выборе коэффициента увеличения К 10-20. При этом площадь элемента разрешения в плоскости детектора оЗд равна К и3 ãäå a6Do + д й— 4ТИ1 где у — эффективность детектора, т.е. доля регистрируемых квантов из их общего числа. Отношение числа квантов на элементе разрешения в предлагаемом устройстве к тому же параметру в устройстве Ланга дается формулой N .1 Е Х Р Е Х при одинаковом разрешении. Величины, относящиеся к устройству Ланга, помечены индексом L. Рассмотрим это соотношение при следующих типичных параметрах: Р=1 Вт, Рь =1000 Вт, 1ь=1 м, 1„=1. см, K=50X,ô =1X. При этом N/Нь=5. Следует отметитЬ, что фотоэмульсии,высокого разрешения имеют эффективность еще ниже IX так что указанное отношение следует рассматривать,,как нижнюю границу. Таким образом, регистрация одинакового числа рентгеновских квантов на элемент разрешения при одинаковом разрешении и типичных значениях остальных параметров в предлагаемом устройстве осуществляется примерно в 5 раз быстрее, чем в устройстве Ланга. Предлагаемое устройство может быть реализовано на основе серийно .выпускаемой микрофокусной трубки БС-5, имеющей фокус размером 3-5 мкм и мощность 0,6 Вт, а также любого, серийного линейного координатного детектора со стандартными параметрами (разрешение не хуже 100 мкм). Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение мощности (в 1000 раз) > 1132205 Фиг. 2 Составитель Т. Владимирова Редактор К. Волощук Техред М. Кузьма Корректор М. Леонтюк Заказ 9782/36 Тираж 822 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Подписное Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4 габаритов и веса,рентгеновской уста.новки; исключение фотопроцесса как промежуточного звена между собственно экспериментом и визуализацией изображения; сокращение общего вре-мени на эксперимент и визуализацию изображения; возможность получения изображения в цифровой форме и дальнейшей его обработки на ЭВМ с целью . повышения разрешения, снижения уровня помех, а также облегчения его фи зической интерпретации; принципиальную возможность практически неограниченного повышения разрешения в 5 результате улучшения параметров источника и применения цифровой обработки изображений, что особенно важ,но в связи с тенденцией к уменьшению линейных размеров элементов полупроводниковой электроники.
