CC BY
7
УДК 53.08
Коршунов А.А., Можаева М.Д., Гарматина А.А., Дымшиц Ю.М., Минаев Н.В.
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ЛАЗЕРО-ПЛАЗМЕННОЙ НАКАЧКИ МИКРОФОКУСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИСТОЧНИКА
Коршунов Артем Аркадьевич, студент 2 курса, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, шоссе Каширское, д. 31, artemaskrut@yandex.ru
Можаева Мария Дмитриевна, студент 2 курса, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, шоссе Каширское, д. 31.
Гарматина Алена Андреевна, лаборант-исследователь, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182 Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, alga009@mail.ru
Дымшиц Юрий Меерович, заместитель начальника опытно-экспериментального отдела, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 119333, Москва, Ленинский проспект, дом 59.
Минаев Никита Владимирович, кандидат физико-математических наук, с.н.с., заведующий лаборатории "Лазерная наноинженерия", Институт фотонных технологий ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН, г. Троицк, Пионерская ул., 2.
Разработана, собрана и настроена оптическая схема лазерно-плазменной накачки микрофокусного рентгеновского источника. Проведена юстировка хода луча инфракрасного фемтосекундного лазера, излучение которого с помощью многокоординатных моторизированных подвижек заводится через микроскопический объектив на мишень. Подключены и настроены два микроконтроллера, которые позволяют осуществлять управление положением мишени в пяти осях с высокой точностью (до 5 мкм) относительно точки фокусировки лазерного излучения, а также перемещать оптические и рентгенооптические элементы по необходимой программе с использованием G-кодов. Разработанная система позиционирования позволила создать рентгеновский источник, способный работать более 3 часов, и выставить плоскость мишени так, чтобы нестабильность сигнала составила не более 10%.
Ключевые слова: Рентгеновская микроскопия, Фазо-контрастная рентгенография, расширитель пучка, двухзеркальный перископ, микрообъектив, микроконтроллер, рентгеновское излучение
TECHNICAL ASPECTS OF THE DEVELOPMENT OF A LASER-PLASMA PUMPING SYSTEM FOR A MICROFOCUS X-RAY SOURCE
Korshunov A.A.1, Mozhaeva M.D.1, Garmatina A.A.2, Dymshits Yu.M.3, Minaev N.V.3
'National Research Nuclear University MEPHI, Moscow Engineering Physics Institute, Moscow, Russian Federation.
2NRC "Kurchatov Institute", Moscow, Russian Federation.
3FSRC "Crystallography and photonics" RAS, Moscow, Russian Federation.
An optical scheme for laser-plasma pumping of a microfocus X-ray source was developed, assembled, and tuned. The beam path of an infrared femtosecond laser was adjusted, whose radiation is driven through a microscopic lens to the target by means of multicoordinate motorized motions. Two microcontrollers were connected and configured, which allow controlling the target position in five axes with high accuracy (up to 5 microns) relative to the laser focusing point, as well as moving optical and X-ray optical elements according to the requiredprogram using G-codes. The developed positioning system made it possible to create an X-ray source capable of operating for more than 3 hours and to set the target plane so that the signal instability was not more than 10%.
Keywords: X-ray microscopy, Phase-contrast radiography, beam expander, double-mirror periscope, micro-lens, microcontroller, X-rays
Введение
В настоящий момент актуальной задачей является разработка и создание микрофокусного рентгеновского источника, необходимо в том числе и для нужд проекционной рентгеновской микроскопии. Рентгеновская микроскопия подразумевает измерение интенсивности излучения, исходящего из источника малого размера, проходя через небольшой объект, что позволяет получить многократно увеличенное изображение этого объекта [1]. Регистрация же интенсивности рентгеновских лучей, пропускаемых через какой-либо объект, параллельно с осуществлением вращения этого объекта, позволяет на основе математических расчётов получить карту внутренней структуры исследуемого образца на основе
измеренных данных. Данный метод получил название фазо-контрастной рентгенографии [2]. На данный момент для этих нужд используются рентгеновские трубки, однако они не дают наилучшего результата по причине относительно большого размера рентгеновского источника. В качестве альтернативы предложено разработать и создать рабочий макет прототипа микрофокусного рентгеновского источника с лазеро-плазменной накачкой на базе остро сфокусированного излучения фемтосекундного волоконного лазера. Такой подход позволяет получить источник малого размера с высокой интенсивностью и пространственной когерентностью, что позволяет ему выступить в качестве основы системы рентгеновского микроскопа-микротомографа.
Технические аспекты создания источника
Рассмотрим технические аспекты разработки системы микрофокусного рентгеновского источника. В экспериментах использовался фемтосекундный иттербиевый волоконный лазер YLPF-10-400-20-R (НТО "ИРЭ-Полюс", Фрязино, Россия) с центральной длиной волны 1030 нм, частотой следования импульсов - от 100 кГц до 2 МГц. Максимальная энергия в импульсе до 20 мкДж, средняя мощность ограничена на уровне 20 Вт, длительность импульсов - 330 фс, качество излучения М2 = 1.5, а также система ЛКТЛИБ-10'^40и/250К («Авеста-проект», Троицк, Россия) с аналогичной длиной волны излучения, максимальной энергией в импульсе до 40 мкДж, средней мощностью до 10 Вт, минимальной длительностью импульсов 280 фс. Схема установки изображена на рис.1.
•■й —
*'Й 5. —
Рис. 1. Схема установки: 1 - лазерный источник, 2-4 -зеркала, 5 - диафрагма, 6 - расширитель лазерного пучка, 7 - двухзеркальный перископ, 8 - микрообъектив, 9 - мишень, 10 - коллиматор рентгеновского излучения, 11 - детектор рентгеновского излучения.
Для получения минимального размера пучка, необходимо хорошее качество лазерного излучения и острая фокусировка лазерного излучения на поверхность мишени. Для этого луч лазера (обозначен пунктирной линией) пропускается через длиннофокусный микроскопический объектив с фокусным расстоянием f = 10 мм (8), который фокусирует лазерное излучение на поверхности мишени. До попадания в объектив, пучок, выходя из лазерного источника проходит через систему отражающих зеркал, каждый раз поворачиваясь на 90 градусов. Для сохранения оптимального размера и формы пучка было необходимо провести юстировку лазера, при которой пучок каждый раз отражался бы от середины зеркала, важно также было соблюсти параллельность направления движения лазерного излучения осям схемы. Для обеспечения точной юстировки положения пучка в пространстве использовались зеркала (2) и (3), которые позволяли завести лазерный луч под необходимым углом и положением на зеркало (4), которое направляло луч вдоль оптической оси, на которой располагались другие элементы. После этого, он проходит через ирисовую диафрагму (5) и расширитель пучка (6). В следствие того, что размер лазерного пучка до фокусирующего
элемента обратно пропорционален размеру пучка в перетяжке, целесообразно использовать расширитель пучка для максимально возможного увеличения диаметра пучка для того, чтобы ещё больше сузить диаметр лазерного пятна на поверхности мишени. Диафрагма (5) использовалась и для первоначальной юстировки оптической оси. Учитывая соосность центра диафрагмы (5), двухзеркального перископа (7) (поднимающее излучение вверх на высоту размещения объектива и мишени) и отражательного зеркала (4), корректировка угла наклона зеркала (4) в сочетании с возможностью уменьшения отверстия диафрагмы позволяла добиться высокой точности в выставлении оптимального направления лазерного излучения, для его совпадения с оптической осью. После прохождения пучка через расширитель, лазерный пучок поднимался вверх с помощью двухзеркального перископа (7) (обозначено на схеме чёрным кругом) и далее направляется в микрообъектив, который осуществлял фокусировку лазерного пучка на поверхности медного диска.
Учитывая размер лазерного пучка до объектива, его фокусное расстояние и М2 лазерного излучения, оценка радиуса перетяжки по формуле для гауссова пучка составила ~ 2,5 мкм.
Для удобства фокусировки медная мишень в форме диска была установлена на многокоординатную систему моторизированных подвижек, подключённых к двум контроллерам, в роли которых выступали платы «Duet 2 Wifi», управление которыми осуществлялось с подключённых к платам дисплеев или через WEB-интерфейс с компьютера. Используемые платы исходно являются микроконтроллерами для 3D-принтера или подобного ЧПУ оборудования. Они способны осуществлять управление движением подключённых к ним шаговых моторов (до 10шт), а также других исполнительных устройств, которые в основном используются для 3D-печати. Однако в работе данные микроконтроллеры используются исключительно в качестве инструментов настройки положения медной мишени в пространстве, который позволяет перемещать её на небольшие (порядка 10 мм) расстояния с высокой точностью (1-5 мкм), а также осуществлять запрограммированные алгоритмы движения мишени. В качестве языка, на котором программируются движения этих микроконтроллеров выступают стандартные G-коды, что характерно для электроники, связанной с перемещением объектов в трехмерном пространстве (3D-печать и ЧПУ станки). В связи с этим, платы, помимо прямого управления через дисплей или локальную сеть, могли автономно выполнять последовательность различных действий, записанную в G-кодах и загруженную в плату в виде файла на карточке памяти SD, что использовалось в эксперименте, ввиду простоты и удобства. Платы были закреплены на боковых гранях оптического стола, а провода, соединяющие микроконтроллеры с моторами, проходили через специальные отверстия в алюминиевых экранах. Метод фиксации медной мишени, основанный на закреплении её на трёх линейных подвижках (оси XYZ) и двух
гониометрических (два угла наклона мишени), подключённых к микроконтроллерам, позволял выполнять выставление параллельности плоскости боковой поверхности мишени с высокой точностью. Точность позиционирования в экспериментах оценивается в 1 -2 мкм, что достаточно при учете размера перетяжки лазерного луча после микрообъектива - диаметр составляет 1.5-2 мкм, длина ~ 10 мкм.
Ввиду достаточно высокой интенсивности лазерного излучения (порядка 1014 Вт/см2), наблюдается плазмообразование и абляция материала мишени, приводящее к выносу массы материала. Для того, чтобы взаимодействие происходило каждый раз со свежей поверхностью, медная мишень в форме цилиндра устанавливалась на бесколлекторный мотор от квадрокоптера, с помощью которого она вращалась вокруг своей оси со скоростью порядка 2500 об/мин. Управление вращением обеспечивалось драйвером бесколлекторного мотора от квадрокоптера и платы управления оборотами, которая генерировала ШИМ-сигнал, задающий число оборотов мишени в минуту. Как было описано выше, мишень была закреплена на 3 линейных подвижках, 2 из которых осуществляли её передвижение в горизонтальной плоскости, для того чтобы лазерный пучок был сфокусирован в точности на поверхности мишени. Третий мотор выполнял функцию непрерывного передвижения медного диска вдоль вертикальной оси. Исходная конфигурация плат была настроена для получения возможности подключения к этим микроконтроллерам через локальную сеть с компьютера. Также, для платы, которая выполняла передвижение мишени по вертикальной оси был написан файл в О-кодах, согласно которому мишень начинала совершать непрерывное циклическое перемещение в вертикальной плоскости, с заданной скоростью и амплитудой. Использование одновременно двух плат позволяло независимо проводить тонкую юстировку оптической системы и управлять циклическим движением мишени одновременно. Рентгеновское излучение, образующееся на поверхности мишени расходится в телесный угол 4 п, поэтому внешне установка окружена алюминиевыми экранами толщиной 4 мм, которые выполняют функцию защиты от рентгеновского излучения и излучения фемтосекундного лазера. График зависимости пропускания от энергии фотонов для экранов изображён на рис. 2.
В целях наблюдения за процессом взаимодействия лазерного излучения и ионизирующейся плазмой, а также за генерацией второй гармоники, над мишенью были установлены две цифровые камеры, подключённые к компьютеру, изображения с которых выводились на монитор компьютера. Использование двух камер позволяло проводить юстировку системы в дистанционном режиме.
Регистрация рентгеновского излучения происходит с помощью детектора (11). Следует отметить, что он регистрирует только излучение, которое проходит через коллиматор (10) (металлическая трубка с внутренним
диаметром 1.5 мм), собирающий излучение в узкий пучок, формирующий ось рентгеновского излучения.
Рис. 2. График зависимости пропускания рентгеновского излучения слоем алюминия толщиной 3 мм от энергии фотонов. Из графика видно, что пропускание на линии 8000 эВ имеет очень низкий порядок величины ( К10 Л А(-16)).
Пучок направлялся вдоль оси детектора через небольшое отверстие в защитной алюминиевой панели, пропускающее рентгеновское излучение в отсек, предназначенный для размещения рентгенооптических элементов. Детектор был установлен на подвижную юстировку, которая способна перемещаться по расположенным на оптическом столе рельсам (на рисунке показаны двумя параллельными прерывистыми линиями), в связи с этим, детектор мог измерять интенсивность рентгеновского излучения на различных расстояниях.
После сборки и юстировки системы, были проведены измерения амплитуды выхода рентгеновского излучения, между выходным отверстием коллиматора и спектрометром на специальной стойке, которая также была установлена на рельсы и могла осуществлять продвижение, был помещён небольшой объект в виде тонкой проволоки, через который проходило рентгеновское излучение. Были получены «снимки» этого объекта, пропусканием через него рентгеновского излучения.
Работа выполнена при поддержке Министерства
науки и высшего образования в рамках выполнения работ по гранту № 075-15-2021-1362
Список литературы
1. Г.В. Фетисов Рентгеновские дифракционные методы структурной диагностики материалов: прогресс и достижения. 2020. Т. 190. №1. С. 3-5.
2. Yu.S. Krivonosov, V.E. Asadchikov, and A.V. Buzmakov Phase-Contrast Imaging in a Polychromatic X-ray Beam at a Laboratory Source. 2020. Т. 65. №4. С.509-510.
