Линза для фокусирования излучения в виде потока нейтральных или заряженных частиц

 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к линзе для фокусирования излучения. Излучение представляет собой поток заряженных частиц, гамма- или рентгеновских фотонов, нейтронов, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Линза содержит множество каналов транспортировки излучения с использованием многократного полного внешнего отражения. Каналы изогнуты по образующим бочкообразных поверхностей и ориентированы входными концами с возможностью захвата каждым из них излучения используемого источника. Соотношение поперечного размера и радиуса кривизны каналов выбрано из условия лишь частичного заполнения излучением поперечного сечения их выходных концов. Последние ориентированы в одну точку 10 линиями. Линии проходят посредине между крайними точками частей поперечного их сечения, заполняемых излучением. Точки находятся на оси симметрии этих частей. Каналы транспортировки излучения расположены только в части поперечного сечения линзы. Данная часть является периферийной по отношению к оптической оси линзы. Прилегающая к оптической оси часть линзы выполнена непроницаемой для указанного излучения. Технический результат: уменьшение размера фокусного пятна, формируемого линзой, уменьшение ее габаритов, а также уменьшение аберраций, заключающихся в размытии фокусного пятна в продольном направлении. 5 ил.

Изобретение относится к области технической физики, а именно к линзе для фокусирования излучения, представляющего собой поток нейтральных или заряженных частиц, в частности гамма- или рентгеновских фотонов, нейтронов, заряженных частиц ультрафиолетового, инфракрасного излучения.

Известны [1, 2] линзы указанного назначения, содержащие множество каналов для транспортировки излучения с использованием многократного полного внешнего отражения, изогнутых в продольном сечении линзы по образующим бочкообразных поверхностей. При этом "полная линза", предназначенная для фокусирования расходящегося пучка излучения, создаваемого точечным или квазиточечным источником, имеет два фокуса (точки, в которых сходятся продолжения оптических осей каналов транспортировки излучения). Один из них, находящийся со стороны входного торца линзы (входных концов каналов транспортировки излучения), при использовании линзы совмещают с источником излучения, а другой, находящийся со стороны выходного торца линзы (выходных концов каналов транспортировки излучения), - с областью объекта воздействия, на которой должно быть сфокусировано излучение. "Полулинза", имеющая форму полубочки, предназначена для фокусирования квазипараллельного пучка излучения, создаваемого, например, синхротронным источником, и имеет только второй из названных фокусов (первый фокус теоретически находится на бесконечном расстоянии от входного торца линзы).

Таким образом, общим для линз обоих названных видов является то, что продолжения продольных осей выходных концов каналов транспортировки излучения направлены в одну точку, а входные концы каналов ориентированы таким образом, чтобы обеспечить захват каждым из них излучения используемого источника.

Такие линзы могут изготавливаться как в виде множества капилляров или поликапилляров, проходящих через отверстия или ячейки поддерживающих структур, установленных на определенном расстоянии по длине линзы [1, 2, 3], так и в виде монолитной линзы [4, 5], в которой стенки соседних каналов транспортировки излучения контактируют друг с другом, а сами каналы имеют переменное по длине поперечное сечение, изменяющееся по тому же закону, что и полное поперечное сечение линзы.

Традиционно (см. указанные выше источники) в рассматриваемых линзах стремятся обеспечить наибольшее заполнение излучением поперечного сечения каждого из каналов транспортировки излучения. Степень заполнения определяется [1] параметром γ = R(Θ_кр)²/2d, где Θ_кр - критический угол полного внешнего отражения, зависящий от энергии частиц транспортируемого излучения и материала стенок каналов; R - радиус кривизны канала транспортировки излучения; d - поперечный размер отдельного канала транспортировки излучения.

Заполнение излучением всего поперечного сечения канала имеет место при γ≥1. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы при данном поперечном размере каждого канала радиус кривизны был достаточно большим.

По отмеченным причинам, ограничивающим возможное искривление каналов, известные линзы имеют довольно большие размеры. Вследствие того, что кривизна каналов невелика, продолжения осевых линий выходных концов каналов пересекаются на большом расстоянии от соответствующего торца линзы. Иначе говоря, оказывается большим фокусное расстояние (для "полной линзы" оказываются большими оба фокусных расстояния).

Из указанных выше источников известно также, что минимальный размер d_фп фокусного пятна определяется поперечным размером d_вых выходного конца канала и размытием пятна, соответствующим отклонению частиц, выходящих из канала под углом Θ_кр полного внешнего отражения, на длине, равной фокусному расстоянию f_вых со стороны выхода линзы: d_фп=d_вых+2f_выхΘ_кр. Приведенные соотношения показывают, что стремление обеспечить γ≥1, требующее увеличивать радиус R кривизны, и, как следствие - фокусное расстояние f_вых, вызывает увеличение минимально достижимого размера фокусного пятна.

Кроме того, в известных линзах с большим фокусным расстоянием f_вых фокусное пятно формируется лучами, приходящими в фокальную область из разных каналов по близким друг к другу направлениям (вследствие того, что радиусы кривизны R каналов велики). Это приводит к размытию фокальной области в продольном направлении и возникновению сферических аберраций. Данное явление относится к одному из видов аберраций. Характерный размер размытости, как правило, превышает в десятки и более раз размер фокусного пятна в поперечном направлении. Очень большой вклад в эту размытость дают каналы транспортировки излучения, прилегающие к оптической оси линзы. Участие этих каналов в формировании фокусного пятна приводит к увеличению и поперечных его размеров, так как эти каналы имеют меньшую (вплоть до нулевой) кривизну и для них невозможно выполнить условие γ<<1 и даже условие γ<1.

Предлагаемым изобретением решается задача получения технического результата, заключающегося в уменьшении размера формируемого линзой фокусного пятна при одновременном уменьшении габаритов линзы и описанных выше аберраций, присущих известной линзе.

Для получения названных видов технического результата предлагаемая линза, как и любая из перечисленных выше известных линз, имеет множество каналов транспортировки излучения с использованием многократного полного внешнего отражения, изогнутых по образующим бочкообразных поверхностей с ориентацией входных концов каналов транспортировки излучения с возможностью захвата каждым из них излучения используемого источника.

В отличие от известных в предлагаемой линзе соотношение поперечного размера и радиуса кривизны каналов транспортировки излучения выбрано из условия лишь частичного заполнения излучением поперечного сечения их выходных концов. При этом последние ориентированы в одну точку линиями, проходящими посредине между крайними точками частей поперечного сечения, заполняемых излучением, находящимися на оси симметрии этих частей.

Кроме того, линза выполнена так, что каналы транспортировки излучения расположены только в части поперечного сечения линзы, периферийной по отношению к ее оптической оси, а прилегающая к оптической оси часть линзы выполнена непроницаемой для указанного излучения. При таком выполнении линзы уменьшается интенсивность излучения за пределами центральной части фокусного пятна и дополнительно уменьшаются аберрации, проявляющиеся в размытии фокусного пятна в продольном направлении.

Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых показаны: на фиг.1А, Б - предлагаемая линза в виде бочки ("полная линза") или полубочки ("полулинза") в продольном разрезе; на фиг.2 - соотношение размеров фокусного пятна и канала при заполнении излучением всего поперечного сечения канала;
на фиг.3 - характер заполнения излучением поперечного сечения отдельного канала линзы при γ<1;
на фиг. 5 - характер распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости предлагаемой линзы.

В обоих показанных на фиг.1А, Б случаях линза содержит множество каналов 1 транспортировки излучения с использованием многократного полного внешнего отражения, изогнутых по образующим бочкообразных поверхностей. Входные (левые по фиг.1А, 1Б) концы каналов транспортировки излучения ориентированы с возможностью захвата каждым из них излучения используемого источника. Для "полных линз", показанных на фиг.1А, 1Б, источник 2 излучения предполагается точечным или квазиточечным (размер источника _ист<, где f_вх - фокусное расстояние линзы со стороны входа) и при использовании линзы должен размещаться в левом по фиг.1, фиг.2 фокусе - точке, в которой сходятся продолжения продольных осей 3 входных концов каналов 1. Для "полулинз" источник, который предполагается создающим квазипараллельное излучение, на фиг. 1А, фиг.1Б не показан.

Излучение транспортируется, в основном, периферийными каналами 1 (поскольку количество их значительно больше по сравнению с количеством каналов, прилегающих к оптической оси 4 линзы), для радиуса R кривизны выходных концов которых соблюдено условие
R<R = 2d_вых/(Θ_кр)².
Двойной штриховкой на фиг.1Б показаны части 5 линзы, непроницаемые для излучения.

На фиг.2 показано влияние фокусного расстояния f_вых на размер d_фл фокусного пятна линзы с заполнением всего поперечного сечения выходного конца канала. По сравнению с размером этого сечения размер фокусного пятна увеличивается на 2f_выхΘ_кр за счет лучей, выходящих из канала под углами, достигающими величины Θ_кр критического угла полного внешнего отражения.

В линзах с малыми поперечными размерами каналов эта составляющая может оказаться определяющей для размера фокусного пятна.

При уменьшении γ, когда этот параметр становится меньше 1 (но не таком чрезмерном уменьшении, когда транспортировка излучения становится вообще невозможной), излучение "прижимается" к более удаленной от оптической оси линзы стороне канала, имеющей меньшую кривизну. Заполненная излучением часть 6 поперечного сечения канала (фиг.3) при круглом поперечном сечении канала имеет серповидную форму [1].

В предлагаемой линзе специально обеспечивается выполнение условия R < R_кр (целесообразно R<, например R=0,1R_кр). Это условие противоположно тому, которое традиционно стремятся обеспечить в линзах рассматриваемого назначения. Следствием этого является заполнение излучением только части поперечного сечения каналов, по меньшей мере для их выходных концов.

Данное обстоятельство в предлагаемой линзе выступает в качестве положительного фактора, способствующего уменьшению размеров фокусного пятна и повышению интенсивности излучения в его пределах.

Выходные концы линзы ориентируются так, чтобы на некотором расстоянии от выходного (правого по фиг.1А, фиг.1Б) торца линзы произошло суммирование интенсивностей излучения разных каналов, которые транспортируются показанной на фиг. 3 зачерненной зоной 7 их поперечного сечения. Эта зона примыкает к оси симметрии 8 части 6 поперечного сечения, заполняемой излучением, и одновременно к стенке канала, удаленной от оптической оси линзы. При указанной ориентации излучение фокусируется в области пространства, окружающей точку, в которой пересекаются при их продолжении линии, проходящие посредине между крайними точками частей "пристеночных" зон 7 поперечных сечений каналов. Для канала, поперечное сечение которого показано на фиг.3, упомянутая линия проходит через белую точку 9 перпендикулярно плоскости чертежа.

Формирование фокусной области в предлагаемой линзе схематически иллюстрируется фиг.4А, на которой зачернены "пристеночные" зоны 7 каналов, участвующие в образовании центральной части фокусного пятна, где интенсивность излучения максимальна. Для сравнения на фиг.4Б показано формирование фокусной области в известных линзах, где в образовании фокусного пятна участвует все поперечное сечение канала.

На фиг.5 более детально показано распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости предлагаемой линзы, создаваемое четырьмя каналами, расположенными в поперечном сечении линзы на одинаковых расстояниях от ее оптической оси на двух взаимно перпендикулярных диаметрах этого сечения.

В центральной зачерненной части 11 имеет место суммирование интенсивностей излучения всех каналов. Ее размер выступает в качестве аналога размера фокусного пятна в известных линзах. В свою очередь, размер d_пр "пристеночной" зоны в предлагаемой линзе при определении размеров фокусного пятна может быть использован вместо размера d_вых поперечного сечения выходного конца канала в известной линзе.

Поскольку d_пр<, рассматриваемая составляющая размера фокусного пятна в предлагаемой линзе при одном и том же поперечном размере каналов значительно меньше, чем в известных линзах. Составляющая размера фокусного пятна, обусловленная тем, что излучение может выходить из конца канала под углами, достигающими значения критического угла полного внешнего отражения Θ_кр, определяется так же, как и для известных линз, и равна 2f_выхΘ_кр.
Однако вследствие большей кривизны каналов в предлагаемой линзе ее фокусное расстояние f_вых со стороны выхода меньше, чем у известных линз, имеющих такие же поперечные размеры. Поэтому и эта составляющая размера фокусного пятна в предлагаемой линзе уменьшается.

Сказанное выше справедливо в той мере, в какой можно пренебречь влиянием излучения, проходящего через центральные (прилегающие к оптической оси линзы) каналы, которые имеют меньшую кривизну и в которых поэтому "пристеночный" эффект распространения излучения может не проявляться. Как уже говорилось выше, возможность такого пренебрежения обусловлена малым количеством центральных каналов и соответственно меньшим их вкладом в суммарную интенсивность излучения в фокусном пятне. Для более полного исключения влияния центральных каналов их вход может быть экранирован. Кроме того, прилегающая к оптической оси часть линзы может быть выполнена вообще не имеющей каналов транспортировки излучения. В обоих названных случаях транспортировка излучения осуществляется только по периферийным каналам, имеющим достаточную кривизну. На фиг.1Б непроницаемые для излучения части таких линз, прилегающие к их оптическим осям, показаны двойной штриховкой.

Как уже отмечалось, благодаря большей кривизне каналов транспортировки излучения предлагаемая линза при одинаковом с известными размере в поперечном направлении оказывается по сравнению с ними более короткой и более короткофокусной. Если же предлагаемую линзу выполнить с теми же размерами (как продольными, так и поперечными), что и у известных, то она может иметь фокусное пятно одинакового с известными линзами размера при большем диаметре каналов и, следовательно, более проста в изготовлении.

Еще одним достоинством предлагаемой линзы по сравнению с известными тех же поперечных размеров является уменьшение аберраций, проявляющихся в размытии фокусного пятна в продольном направлении, благодаря тому, что каналы имеют большую кривизну и их продолжения пересекаются в области формирования фокусного пятна под большими углами (ср. фиг.4А и Б).

Выполнение центральной (прилегающей к оптической оси) части линзы непроницаемой для фокусируемого излучения дополнительно способствует уменьшению аберраций, поскольку исключается "вклад" в формирование фокусного пятна этих каналов, которые почти параллельны продольной оси линзы и продолжения которых пересекаются в области формирования фокусного пятна под малыми углами.

В частных случаях, которым соответствуют показанные на фиг.1А и фиг.1Б продольные разрезы, предлагаемая линза предполагается выполненной по технологии изготовления монолитных линз [4, 5]. В таких линзах размеры поперечного сечения каналов непостоянны по длине линзы, изменяясь по такому же закону, как и полный поперечный размер линзы. Условие лишь частичного заполнения излучением поперечного сечения каналов такой линзы должно выполняться не только в средней (по длине линзы) ее части, где диаметр каналов больше и это условие выполнить легче, но и для имеющего меньший диаметр каналов выходного конца.

Использованные источники
1. В.А. Аркадьев, А.И. Коломийцев, М.А. Кумахов и др. Широкополосная рентгеновская оптика с большой угловой апертурой, Успехи физических наук, 1989, том 157, выпуск 3, с.529-537.

2. Патент США 5192869 (опубл. 09.03.93).

3. Патент Российской Федерации 2112290 (опубл. 27.05.98).

4. V.M. Andreevsky, M.V. Gubarev, P.I. Zhidkin, M.A. Kumakhov, A.V. Noskin, I. Yu. Ponomarev, Kh.Z. Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, стр.177-178).

5. Патент США 5570408 (опубл. 29.10.96).

Формула изобретения

Линза для фокусирования излучения в виде потока нейтральных или заряженных частиц, содержащая множество каналов транспортировки излучения с использованием многократного полного внешнего отражения, изогнутых по образующим бочкообразных поверхностей и ориентированных входными концами с возможностью захвата каждым из них излучения используемого источника, отличающаяся тем, что каналы транспортировки излучения расположены только в части поперечного сечения линзы, периферийной по отношению к ее оптической оси, а прилегающая к оптической оси часть линзы выполнена не проницаемой для указанного излучения, при этом соотношение поперечного размера и радиуса кривизны каналов транспортировки излучения выбрано из условия лишь частичного заполнения излучением поперечного сечения их выходных концов, а последние ориентированы в одну точку линиями, проходящими посредине между крайними точками частей поперечного их сечения, заполняемых излучением, находящимися на оси симметрии этих частей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5