авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Теоретический анализ возможностей метода фазового контраста цернике для жесткого рентгеновского излучения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Орлов Михаил Андреевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ФАЗОВОГО КОНТРАСТА ЦЕРНИКЕ ДЛЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре физики наносистем физического факультета Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова

Научный руководитель:

Ковальчук Михаил Валентинович,

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты:

Квардаков Владимир Валентинович

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» Зам. директора по синхротронно-нейтронным исследованиям

Бушуев Владимир Алексеевич

Доктор физико-математических наук, профессор

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физики твердого тела

Профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)

Защита состоится ___ ___________ 2012 г. в __ часов на заседании диссертационного совета Д 520.009.01 при Национальном Исследовательском Центре «Курчатовский институт» по адресу: 123182 Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1.

Автореферат разослан ___ __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.В. Мерзляков

Актуальность

С появлением источников синхротронного излучения 3-го поколения (ESRF, Spring-8, APS), характеризующихся высокой степенью пространственной когерентности рентгеновских пучков, жесткое рентгеновское излучение стало активно использоваться для исследования внутренней структуры слабопоглощающих некристаллических объектов. В частности, был развит метод безлинзового фазового контраста, позволяющий существенно снизить дозу поглощенного излучения, что имеет первостепенную важность, например, при исследовании медико-биологических образцов. Количество публикаций по данной тематике растет с каждым годом.

В настоящее время наиболее распространены два основных метода фазоконтрастных исследований. Во-первых, это фазодисперсионная интроскопия [1], применяемая для исследования объектов субмиллиметровых размеров и имеющая принципиальное ограничение по разрешению, составляющее несколько микрон, и во-вторых, – осевая (in-line) голография [2], применяемая для изучения объектов с меньшими размерами и требующая более высокой степени пространственной когерентности падающего пучка рентгеновского излучения. Оба этих метода обладают определенными недостатками. Так, они слабо чувствительны к плавным изменениям плотности в образце и позволяют отчетливо наблюдать лишь контуры объектов. Кроме того, они позволяют получить не само изображение объекта, а распределение интенсивности, либо неточно воспроизводящее форму объекта, либо не имеющее внешнего сходства с объектом, и тогда его требуется расшифровать. Этих недостатков можно избежать, если использовать в жестком рентгеновском диапазоне известный из оптики видимого света метод фазового контраста Цернике [3], в котором для формирования изображений применяется фокусирующий элемент – объектив. Этот метод чувствителен к плавным изменениям плотности в образце. Кроме того, он позволяет упростить решение обратной задачи, поскольку на детекторе в данном случае видно непосредственно распределение фазы, накопленной в образце. Так, прямоугольный объект при использовании метода Цернике будет изображаться в виде прямоугольника, а эллиптический – в виде полуэллипса. При этом метод Цернике за счет наличия объектива позволяет увеличивать изображение в десятки раз, что важно при использовании детекторов невысокого разрешения.



На данный момент было поставлено несколько экспериментов с применением техники Цернике в рентгеновском диапазоне (например, [4-6]), однако систематических теоретических исследований данного метода не проводилось. При этом в проведенных экспериментах объективом служила зонная пластинка, предназначенная, вообще говоря, не для формирования изображений, а для фокусировки пучков. Вместе с тем параболическая преломляющая линза в роли объектива могла бы дать лучшее разрешение. Учитывая все более широкое распространение безлинзовых методик фазового контраста, а также отсутствие теоретических наработок по новому направлению фазоконтрастных исследований – методу Цернике в рентгеновском излучении, численный анализ возможностей этого метода представляется весьма актуальным.

Цель работы и основные задачи

Основной целью работы является теоретическое изучение особенностей метода фазового контраста Цернике в жестком рентгеновском диапазоне и поиск оптимальных схем формирования изображения.

Задачи диссертации:

  1. Численный анализ возможностей фазового контраста Цернике в жестком рентгеновском излучении при использовании параболической преломляющей линзы и зонной пластинки в качестве фокусирующего элемента. Сравнение этих рентгенооптических приборов, исследование их специфики, поиск способов улучшения качества изображения.
  2. Разработка способов корректировки изображения.
  3. Моделирование эксперимента по визуализации микротрубок в кристалле карбида кремния методом фазового контраста Цернике. Рассмотрение как мелких, так и сильно вытянутых в продольном направлении сечений микропор.
  4. Исследование влияния немонохроматичности пучка на изображение, рассмотрение различных видов спектра.
  5. Получение двумерных профилей интенсивности.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов

  1. Впервые проведено подробное численное исследование особенностей фазового контраста Цернике в жестком рентгеновском излучении. Теоретически показано, что преломляющая линза в качестве фокусирующего элемента позволяет добиться лучшего разрешения, чем зонная пластинка.
  2. Показано, что формирование изображений осуществляется также и за счет проседания фона вне изображений, что обусловлено сохранением интегральной интенсивности. Таким образом, идея Цернике представляет собой лишь наводку на эффект, и реальный механизм формирования изображений намного сложнее.
  3. Показано, что, хотя преломляющая линза из-за сильного поглощения на краях плохо изображает периферийные образцы, изображение может быть легко скорректировано путем деления результирующего профиля интенсивности на функцию поглощения в линзе с коэффициентом, незначительно отличающимся от единицы.
  4. Впервые с помощью компьютерного симулирования показана возможность использования метода фазового контраста Цернике в жестком рентгеновском излучении для исследования структуры микропор в кристаллах карбида кремния.
  5. Показано, что в изображении сильно вытянутых в продольном направлении сечений микротрубок возникают специфические осцилляции, по виду которых можно восстановить структуру объектов.
  6. Показано, что немонохроматичность пучка не оказывает существенного влияния на изображение микротрубок.
  7. Проведены расчеты двумерных профилей интенсивности.

Практическая ценность работы

  1. Замена фазового контраста в in-line схеме фазовым контрастом Цернике позволит получать изображения не только контуров слабопоглощающих объектов, но и их внутренних участков, в которых набег фазы изменяется плавно.
  2. Использование фазового контраста Цернике вместо фазового контраста в in-line схеме позволит упростить решение обратной задачи, поскольку в первом случае на экране детектора виден профиль распределения плотности в образце, а не голограмма, которую требуется расшифровать.
  3. Использование в методе фазового контраста Цернике для жесткого рентгеновского излучения преломляющей параболической линзы вместо зонной пластинки позволит получать изображения с более высоким разрешением.
  4. Корректировка изображений в схеме с преломляющей линзой дает возможность восстанавливать изображение вдоль всей апертуры.
  5. Использование метода фазового контраста Цернике вместо фазового контраста в in-line схеме позволит получать информацию о продольном и поперечном радиусах эллиптических сечений микротрубок, а не только о площади сечения.
  6. Показано, что качество изображения может быть улучшено путем использования метода, аналогичного птихографии, когда объект изображается не целиком, а по частям, при этом каждый раз рассматриваемая часть образца располагается напротив той области объектива, где изображение наиболее качественное.

Публикации

По результатам данной диссертационной работы опубликованы 4 статьи в рецензируемых журналах и тезисы к 8 докладам. Список научных работ приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены лично Орловым М.А. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с научным руководителем при личном участии Орлова М.А.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Материал изложен на 130 страницах, содержит 63 рисунка и список литературы из 105 наименований.

Работа осуществлялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 09-02-12239-офи_м), а также Министерства образования и науки РФ (контракт № 02.740.11.0415).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлен список публикаций.

В главе 1 представлен литературный обзор, в первой части которого кратко излагаются основные факты из истории развития рентгеновских методик исследования структуры вещества, начиная от методов изучения кристаллических веществ и заканчивая рентгеновским фазовым контрастом. Во второй части описываются особенности методов безлинзового фазового контраста с кристаллом-анализатором и в in-line схеме. В третьей и четвертой частях рассказывается о способах изготовления и экспериментальном использовании рентгеновских преломляющих линз и зонных пластинок соответственно. В пятой части описывается принцип действия метода фазового контраста Цернике и указываются его особенности при переходе в рентгеновскую область. В шестой части рассказывается о различных экспериментальных реализациях метода в рентгеновской области.

В главе 2 описывается методика численного исследования. В данной работе решается задача с переносом излучения, которая ставится следующим образом. Пусть известно распределение напряженности в некоторой плоскости 1, перпендикулярной оптической оси. Необходимо найти профиль волнового поля в плоскости 2, также перпендикулярной оптической оси. В данной работе основной интерес представляют объектная плоскость, плоскости, проходящие через середину объектива и точку фокусировки источника, а также плоскость детектора. Направим ось z декартовой системы координат вдоль оптической оси, а оси x и y – перпендикулярно ей. В данной работе используется так называемое приближение параксиальных (приосевых) пучков, означающее, что характерные поперечные координаты много меньше продольных. В этом случае перенос излучения от плоскости к плоскости описывается с помощью пропагатора Кирхгофа

,

где – длина волны излучения. Для того чтобы определить профиль напряженности поля в некоторой плоскости, необходимо осуществить свертку пропагатора Кирхгофа с функцией распределения напряженности в плоскости, в которой это распределение известно. Взаимодействие излучения с объектами описывалось путем умножения волновой функции поля на трансмиссионную функцию объекта





.

Здесь t(x, y) – локальное изменение продольной толщины объекта, и – величины, определяющие комплексный показатель преломления материала объекта: n = 1 –  + i.

В данной работе расчеты выполнялись в приближении геометрической оптики, то есть считалось, что продольными размерами объектов можно пренебречь, поэтому функция T не зависит от z. Вычисления проводились с помощью быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform) [7].

В главе 3 приведены результаты численного моделирования фазового контраста Цернике в одномерном случае. В качестве фокусирующего элемента рассматривались как преломляющая параболическая линза, так и зонная пластинка. Схема численного эксперимента для случая с линзой представлена на рис. 1.

Прежде всего, необходимо было сделать анализ применимости метода, то есть дать рекомендацию на форму и размер объектов, которые в принципе можно наблюдать с его помощью. Для этого вначале были рассмотрены кремниевые объекты, расположенные в центре апертуры (рис. 2). На рисунке высота поднятия интенсивности в относительных единицах равна удвоенному сдвигу фаз, вносимому объектами, что и должно наблюдаться в

Рис. 1. Схема фазового контраста Цернике при использовании преломляющей линзы. Почти параллельный пучок синхротронного излучения падает слева. 1 – объект, 2 – преломляющая линза, 3 – фазосдвигающая пластинка, 4 – координатный детектор. При изображении без увеличения объект и детектор ставятся на двойном фокусном расстоянии от линзы, а фазосдвигающая пластинка – в точке фокусировки источника.

 Изображение линзой трех кремниевых-3

Рис. 2. Изображение линзой трех кремниевых объектов с прямоугольным и эллиптическим сечением при различных значениях продольного размера d. Значения d в мкм проставлены у кривых.

методе Цернике. Видно также, что фон с увеличением продольного размера объектов проседает, что свидетельствует о чисто дифракционном характере формирования изображений.

Следующим важным вопросом было определение того, как зависит качество изображения от положения объекта на апертуре линзы. Для этой цели в работе был смоделирован набор объектов, расставленных вдоль всей апертуры. Объекты обладали разной формой и толщиной и по-разному сдвигали фазу, что позволяло видеть на одном графике целый спектр различных ситуаций. Рис. 3 иллюстрирует, что качество изображения ухудшается при удалении от центра, поскольку все сильнее начинает сказываться поглощение в линзе, и крайние образцы практически неразличимы. Однако оказалось, что изображение легко скорректировать путем деления результирующего профиля интенсивности на функцию, незначительно отличающуюся от функции поглощения в линзе. Это отличие обусловлено влиянием фазосдвигающей пластинки, вносящей незначительное изменение в профиль интенсивности в плоскости детектора. В результате данной процедуры не только выравнивается фон, но и контраст восстанавливается сам собой.

Что касается зонной пластинки, то она обладает бесконечным количеством порядков фокусировки. На формирование изображения в первом порядке уходит около 40% интегральной интенсивности, оставшаяся часть не участвует в формировании изображения, однако также попадает на детектор, что приводит к порче изображения. Чтобы исключить влияние минус первого порядка, объекты смещаются в сторону от оптической оси. Кроме того, как известно, при использовании зонной пластинки слишком высокий уровень пространственной когерентности носит пагубный характер, поскольку приводит к образованию деструктивных спеклов, и изображение приходится усреднять. В результате качество изображения, даваемого зонной пластинкой, оказывается хуже, чем при использовании линзы, однако, поскольку толщина зонной пластинки незначительна и одинакова вдоль всей апертуры, поглощение в данном случае практически не заметно.

 (а) Изображение линзой серии разных-4

Рис. 3. (а) Изображение линзой серии разных объектов, распределенных по апертуре линзы. (б) Точный профиль удвоенного сдвига фазы, создаваемый рассмотренными объектами.

В главе 4 приведены результаты численного моделирования эксперимента по визуализации микротрубок в карбиде кремния (SiC). Карбид кремния представляет собой перспективный материал полупроводниковой электроники, по многим показателям превосходящий кремний. В процессе роста кристаллов карбида кремния в нем образуются специфические дефекты – микротрубки. Наиболее прямым методом неразрушающего исследования микротрубок, расположенных в толще образца, является метод фазового контраста в in-line схеме [8]. Однако в последние годы было показано [9], что данный метод не является эффективным при исследовании сечений пор субмикронного размера, поскольку он не позволяет определить по отдельности продольный и поперечный размер эллиптического сечения микротрубки. В связи с этим было бы целесообразно при исследовании микропор в карбиде кремния перейти от фазового контраста в in-line схеме к фазовому контрасту Цернике, позволяющему извлекать из изображения на детекторе полную информацию о сечении микротрубки. При этом наличие преломляющей линзы в методе Цернике позволяет увеличивать изображение в десятки раз, и увеличение определяется соотношением расстояний от образца до объектива и от объектива до детектора. Рис. 4 показывает, как меняется изображение эллиптического сечения мелкой микротрубки с ростом коэффициента увеличения. Если коэффициент увеличения равен M, то поперечный размер изображения увеличивается в M раз, а продольный – уменьшается в M раз, что необходимо для сохранения интегральной интенсивности.

 Изображения микротрубки с-5

Рис. 4. Изображения микротрубки с продольным и поперечным радиусами сечения R1 = R2 = 0.3 мкм при различных значениях коэффициента увеличения M. Значения M проставлены у кривых.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.