Способ изготовления рентгенооптических систем и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к рентгеновской оптике и может найти применение в физическом приборостроении, рентгеновской микролитографии, астрономии, медицине и т.д. Повышение оптических свойств и плотности упаковки системы достигается тем, что в способе изготовления рентгенооптических систем (РС) формируют упаковку из поликапиллярных монолитных стеклянных сборок призматической формы, каждую из которых с одного конца нагревают до пластического состояния, а за другой конец, находящийся при комнатной температуре, сборку перемещают поступательно вдоль оси сборки по вертикали с регулируемой скоростью и синхронно воздействуют на все грани сборки в направлении перпендикулярном оси сборки, со скоростью , причем задают в соответствии с равенством в зависимости от координат Х и У, где R_n - заданный расчетный радиус изгиба периферийных капилляров сборки по окружности; Х и У - координаты любого капилляра в любом поперечном сечении изготавливаемой системы по вертикали, причем за начало отсчета координат принимают центр окружности радиуса R_n. Устройство для изготовления РС представляет собой остов, на котором смонтированы механизм перемещения и зажима с приводом от шагового двигателя, на котором закреплен холодный конец сборки, механизм синхронного поворота кулачков, число которых соответствует числу граней у сборки, вокруг своих осей на угол α≅180^o с винтовым механизмом и направляющими для перемещения суппорта по вертикали, содержащим шаговый двигатель, нагреватель с экранной изоляцией, закрепленный на остове вокруг механизма формирования, штуцер для подвода нейтральной среды, экранная изоляция шаговых двигателей механизма поворота кулачков и механизма поступательного перемещения сборки по вертикали. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к рентгеновской оптике, в частности к широкополосной с большей угловой апертурой, и может найти применение в физическом приборостроении, рентгеновской микролитографии, астрономии, медицине и др.

Известны способ и устройство изготовления фокусирующих систем из большого числа изогнутых полых капилляров, в которых рентгеновское излучение различной энергии пропускали по изогнутым капиллярам, формируя рентгеновские пучки требуемой конфигурации [1].

Недостатком известных технических решений является то, что они несовершенны для широкого практического использования в физическом приборостроении, рентгеновской микролитографии, медицине и других отраслях по причине недостаточно плотной упаковки капилляров, громоздкости, кустарной трудоемкой сборки и др.

Ближайшим техническим решением является способ изготовления широкополосной рентгеновской оптики с большой апертурой [2], заключающийся в использовании большого числа изогнутых полых капилляров, радиус изгиба которых определяется по соотношению , где R - радиус изгиба капилляра; Θ_кр - критический угол полного внешнего отражения; r - радиус отверстия капилляра; γ - безразмерный параметр (γ≥1). В жестком рентгеновском диапазоне для лучшего заполнения капилляров излучением необходимо собирать системы такого типа из капилляров с возможно малыми размерами в сечении и максимальной плотностью упаковки по сечению рентгенооптической системы.

В устройстве для изготовления рентгенооптических систем из капилляров для придания необходимой кривизны использованы расположенные по длине системы проставки с отверстиями, через которые проходят капилляры. Отверстия под капилляры в соседних проставках расположены таким образом, что капилляры, проходят по ним на всей длине системы, приобретают необходимую кривизну.

Для сборки также использованы основание (стол), оптическая скамья, универсальный инструмент (щипцы, пинцеты и др.).

Недостатками известного устройства являются; необходимость в наличии многих проставок с точным координатным расположением многих отверстий в них под капилляры, сравнительно большие отверстия в капиллярах, обусловленные необходимой при сборке их прочностью (≈0,36 мм), большие размеры линз (реально изготовленная линза имеет длину ≈ 98 см и максимальный диаметр поперечного сечения ≈11 см), недостаточно плотная (≈73 %) гексагональная упаковка капилляров. Эти недостатки снижают эффективность рентгенооптической системы и ограничивают применение ее в некоторых областях, например в медицине, когда необходимы миниатюрные системы, а сама конструкция не обеспечивает должной производительности при массовом изготовлении таких систем.

Техническим результатом является повышение плотности упаковки капилляров в системах и существенное уменьшение отверстий в капиллярах (до нескольких мкм), повышение оптических свойств в широком спектре частот и углов при расширении функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления рентгенооптических систем (PC) формируют стеклянные капилляры в упаковку, причем упаковку выполняют из поликапиллярных монолитных стеклянных призматической формы сборок, каждую из которых с одного конца на длине PC нагревают до пластического состояния, а за другой конец, находящийся при комнатной температуре или близкой к ней, сборку перемещают поступательно вдоль оси сборки по вертикали с регулируемой скоростью и синхронно воздействуют на все грани сборки на заданной длине изготавливаемой системы по переменному по длине линейчатому контакту в направлении, перпендикулярном оси сборки со скоростью , обеспечивая подобие поперечного сечения в любом месте изготавливаемой системы по вертикали первоначальному поперечному сечению сборки, причем скорости задают в соответствии с в зависимости от координат, x, y, где R_n - заданный расчетный радиус изгиба периферийных капилляров сборки по окружности, x, y координаты любого капилляра в любом поперечном сечении изготавливаемой системы по вертикали, причем за начало отсчета координат принимается центр окружности радиуса R_n, остальные капилляры кроме периферийных приобретают радиусы изгиба в диапазоне от R_n до , где R_ц - радиус изгиба осевого капилляра изготавливаемой системы, после профилирования капилляров сборку за холодный конец выводят из зоны нагрева и производят отрезку упаковки готовой рентгенооптической системы от сборки на заданной длине, затем сборку опускают одним концом в зону нагрева и цикл изготовления повторяется, а в устройство для изготовления рентгенооптических систем введены остов, на котором смонтированы механизм перемещения и зажима с приводом от шагового двигателя, на котором закреплен холодный конец сборки, механизм синхронного поворота кулачков, число которых соответствует числу граней у сборки, вокруг своих осей на угол α ≅ 180° , (например, кривошипношатунный, кривошипы которого закреплены на осях кулачков, а шатуны шарнирно связаны с общим для всех кулачков суппортом), с винтовым механизмом и направляющими для перемещения суппорта по вертикали, содержащим шаговый двигатель, нагреватель с экранной изоляцией закреплен на остове вокруг механизма формирования, штуцер для подвода нейтральной среды, экранная изоляция шаговых двигателей, механизма поворота кулачков и механизма перемещения сборки и зажима.

Кроме того, цилиндрические поверхности кулачков, развернутая длина l которых на угле α ≅ 180° соответствует длине l₂ периферийных капилляров системы, выполнены по спирали Архимеда с шагом t₁, а кромки цилиндрических поверхностей выполнены винтовыми с одного торца кулачка правого, а с другого - левого направления винта с одинаковым шагом t₂, причем где n - число граней сборки, что обеспечивает при формообразовании рентгенооптической системы полное подобие сечения в любом месте по вертикали первоначальному сечению сборки.

На фиг.1 показано устройство, в положении перед началом формообразования рентгенооптической системы, вертикальный разрез; на фиг.2 - устройство в положении окончания формообразования системы из сборки, вертикальный разрез; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1 и 2, на фиг.4 - вид Б на фиг.1 и 2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.4; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.1.

Устройство для изготовления рентгенооптических систем из поликапиллярных призматической формы сборок содержит остов 1, на котором установлен посредством стойки 2 механизм 3 для перемещения сборки 4 по вертикали, приводимый в движение по программе от шагового двигателя 5, механизм синхронного поворота кулачков 6 вокруг осей 7, состоящий из кривошипов 8, шатунов 9, суппорта 10, винта 11, гайки 12, приводимой во вращение по программе от шагового двигателя 13, установленного на опоре 14. Поступательное перемещение суппорта обеспечивается направляющими 15 и 16.

Пространство вокруг сборки 4 кулачков 6, осей 7, кривошипов 8, шатунов 9, суппорта 10, винта 11, гайки 12 окружено нагревателем 17, смонтированным в корпусе 18, который закреплен на остове 1. Остальные элементы устройства, помещенные в зону нагрева сборки 4 с целью лучшего термостатирования и теплоизоляции от внешнего пространства, окружены торцевым экраном 19, экраном тепловой защиты холодного конца сборки 20, цилиндрическим экраном 21, экраном защиты механизмов 22, экраном защиты 23.

Для подачи нейтральной газовой среды с целью исключения влияния кислорода воздуха на элементы устройства, находящиеся в зоне нагрева, предусмотрен штуцер 24. Кулачки 6 имеют цилиндрическую поверхность 25, выполненную от спирали Архимеда, а кромки цилиндрических поверхностей 26 выполнены винтовыми с одного торца правого, а с другого торца левого направления винта.

Для изготовления рентгенооптических систем различных типоразмеров применяют сменные кулачки.

Устройство для изготовления рентгенооптических систем из поликапиллярных призматической формы сборок работает следующим образом.

При работающем нагревателе 17 сборка 4, изготовленная, например, из стекла C-52 на некоторой длине доводится до пластического состояния и за холодный конец (t = 25°C) , закрепленный в механизме 3, приводимом в движение по программе шаговым двигателем 5, получает перемещение вверх по вертикали со скоростью При этом перемещении сборки 4 одновременно синхронно вокруг осей 7 поворачиваются кулачки 6 посредством механизма, состоящего из кривошипа 8, шатунов 9, суппорта 10, винта 11, гайки 12, приводимого во вращение по программе от шагового двигателя 13, установленного на опоре 14. При своем вращении кулачки 6 синхронно обкатывают сборку 4 по всем граням практически без проскальзывания, обжимая ее в направлении к оси заготовки со скоростью на всей длине изготовляемой рентгенооптической системы, причем соотношение между скоростями задается по программе от компьютера так, чтобы все периферийные капилляры системы приобретали заданный расчетный радиус R_п.

Предлагаемый способ изготовления рентгенооптических систем из поликапиллярных призматических сборок и устройство для его реализации могут быть использованы в физических экспериментах, в промышленности для изготовления компактных, в том числе миниатюрных высокоэффективных рентгенооптических систем, например, для микролитографии, астрономии, медицины и других отраслей, следовательно, предложение является промышленно применимым.

В качестве конкретного примера изготовления рентгенооптической системы можно привести пример изготовления полулинзы из стекла C - 52, длиной L = 100 мм, с радиусом кривизны периферийных капилляров R_п = 1000 мм из гексагональной призматической прямой сборки с расстоянием между гранями B₁ = 20 мм.

Исходим из заданной длины линзы и потребного радиуса периферийных капилляров. Учитывая, что капилляры в широкой части сборки подходят по касательным к нормалям, параллельным оси системы, определяем размеры сторон шестигранников в широкой и узкой частях линзы. В широкой части линзы (исходное сечение сборки) a₁ = 11,5 мм, а в узком сечении a₂ = 7 мм (см. фиг.6 и 7).

Исходя из значений a₁ и a₂ определяем осевые размеры кулачков и шаг винта t₂ = 5,78 мм для кромок цилиндрических поверхностей.

Исходя из заданной длины линзы и учитывая, что кривошипы реально могут повернуть кулачки на угол α = 140°, определяем средний радиус цилиндрической поверхности кулачков R_к = 41 мм. Так как размер шестигранника в узкой части системы составляет B₂ = 6 мм, то при повороте кулачков на 140^o полный ход цилиндрических поверхностей кулачков по спирали Архимеда составит 7 мм. При средней скорости перемещения сборки по вертикали формирование упаковки займет 1 мин.

По предлагаемому способу возможно получение компактных и миниатюрных размеров рентгенооптических систем (длина L < 50 мм, размеры по граням B при гексагональной упаковке капилляров до нескольких мм) с постоянной плотностью заполнения (~ 90%) в каждом сечении и малыми размерами отверстий в капиллярах (~ 1 мкм) , что позволяет примерно на порядок повысить энергию рентгеновского излучения.

Формула изобретения

1. Способ изготовления рентгенооптических систем, в котором формируют стеклянные капилляры в упаковку, отличающийся тем, что упаковку выполняют из поликапиллярной монолитной стеклянной призматической формы сборки, которую с одного конца нагревают до пластического состояния, а за другой конец, находящийся при комнатной температуре или близкой к ней, сборку перемещают поступательно вдоль оси сборки по вертикали с регулируемой скоростью и синхронно воздействуют на все грани сборки по заданной длине по переменному по длине линейчатому контакту в направлении, перпендикулярном оси сборки, со скоростью обеспечивая подобие поперечного сечения в любом месте изготавливаемой системы по вертикали первоначальному поперечному сечению сборки, причем скорости задают в соответствии с равенством в зависимости от координат X, Y, где R_п - заданный расчетный радиус изгиба периферийных капилляров сборки по окружности, X и Y - координаты любого капилляра в любом поперечном сечении системы по вертикали с началом отсчета координат в центре окружности радиуса R_п для придания остальным капиллярам, кроме периферийных, радиусов изгиба в диапазоне от R_п до R_ц = ∞ , где R_ц - радиус изгиба осевого капилляра системы, после профилирования капилляров сборку за холодный конец выводят из зоны нагрева и производят отрезку упаковки на заданной длине, затем сборку снова помещают одним концом в зону нагрева и цикл изготовления повторяют.

2. Устройство для изготовления рентгенооптических систем, содержащее механизм формирования стеклянных капилляров, отличающееся тем, что механизм формирования выполнен в виде остова, на котором смонтированы механизм перемещения и зажима с приводом от шагового двигателя, на котором закреплен холодный конец сборки, механизм синхронного поворота кулачков, число которых соответствует числу граней у сборки, вокруг своих осей на угол α ≅ 180°, например, кривошипно-шатунный, кривошипы которого закреплены на осях кулачков, а шатуны шарнирно связаны с общим для всех кулачков суппортом, с винтовым механизмом и направляющими для его перемещения по вертикали, содержащим шаговый двигатель, нагреватель с экранной изоляцией, закрепленный на остове вокруг механизма формирования, штуцер для подвода нейтральной газовой среды, экранная изоляция шаговых двигателей механизма поворота кулачков и механизма перемещения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что цилиндрические поверхности кулачков, развернутая длина l которых на угле α ≅ 180° соответствует длине l₂ периферийных капилляров системы, выполнены по спирали Архимеда с шагом t₁, а кромки цилиндрических поверхностей выполнены винтовыми с одного торца кулачка первого, а с другого - левого направления винта с одинаковым шагом t₂, причем t₂ = t₁ · tg 180^o/n, где n - число граней сборки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7