Ученые Международного научно-исследовательского центра БФУ им. И. Канта

Строительство синхротронных источников 4-го поколения позволит получать полностью когерентный высокоэнергетический пучок рентгеновского излучения с предельно малым эмиттансом и высокой яркостью. Использование эффективной преломляющей оптики уже на выходе излучения (front-end) необходимо, чтобы реализовать все возможности и полностью раскрыть потенциал новых дифракционно-ограниченных источников. Разработанные в МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» рентгеновские преломляющие алмазные линзы удовлетворяют вышеуказанным требованиям.

Монокристаллический алмаз считается идеальным материалом для преломляющих рентгеновских линз, главным образом из-за его чрезвычайной стабильности в высокоинтенсивных пучках и высокой отражательной способностью в диапазоне жесткого рентгеновского излучения. Поскольку преломляющие линзы взаимодействуют при помощи рефракционного механизма, важно тщательно изучить спектр их пропускания. В опубликованной ранее научной группой статье уже сообщалось о существовании дифракционных эффектов в фокусирующей моде линзы, где была изучена величина негативного влияния двухволновой дифракции на оптические свойства линзы. В том числе наблюдались модуляции интенсивности при определенных энергиях в спектре пропускания, а полученный эффект вызванный дифракционными потерями в монокристаллическом алмазе был назван «рентгеновский глитч».

Среди всех факторов, оказывающих влияние на этот эффект, основная роль принадлежит брегговской дифракции, которая зависит от ориентации кристаллографических плоскостей по отношению к падающему рентгеновскому излучению. Часть излучения переходит в дифрагированное и отражается под углом Брэгга (угол, который составляет падающее излучение с отражающей плоскостью). Это приводит к модуляции интенсивности излучения, фокусируемого линзой. Преломляющие линзы имеют параболический профиль, преломляющий рентгеновские лучи, причем угол отклонения луча зависит от расстояния до оптической оси. Исходя из закона Брэгга, можно сказать, что провал интенсивности для одного и того же дифракционного отражения будет возникать на чуть отличающихся энергиях вблизи центра и вблизи края апертуры линзы. Кроме того, научной группой было сделано предположение, что условия эксперимента, такие как расходимость пучка рентгеновского излучения, углы прецессии относительно входящего луча в геометрии Эйлера (угловые параметры отклонения), различные положения падения рентгеновских лучей относительно геометрии самой линзы и ориентация образца монокристаллического алмаза, могут влиять на энергетические положения и интенсивности глитчей.

Для проверки этих предположений сотрудниками МНИЦ совместно с коллегами из Норвежского университета естественных наук и технологии (Norwegian University of Science and Technology) профессором Рагнвальдом Матиссеном и профессором Хельге Ларсеном, а также группой профессора Германа Эмериха Швейцарско-Норвежской станции BM31 Европейского центра синхротронного излучения ESRF (Гренобль, Франция) были реализованы две экспериментальные схемы — сканирование по энергии и ω-сканирование при фиксированной энергии, которое используется для расчета ориентации образца по зарегистрированным дифракционным картинам. В качестве экспериментальных образцов были использованы несколько типов алмазных линз различной формы и с разными геометрическим параметрами (радиус кривизны, апертура и толщина перешейка — расстояниями между вершинами парабол). Полученные результаты представлены в статье «Investigation of ‘glitches’ in the energy spectrum induced by single-crystal diamond compound X-ray refractive lenses».

Было установлено, что пространственное положение падающего рентгеновского пучка (относительно апертуры линзы) оказывает сильное влияние на интенсивность глитчей. Это происходит главным образом из-за процессов, связанных с поглощением рентгеновского излучения и что глитчи становятся более выраженными с увеличением толщины материала линзы, через который проходят рентгеновские лучи. В дальнейшем, стоит рассмотреть возможность минимизации продольной толщины алмазных линз в тех экспериментальных условиях, где наличие глитчей является критичным. Для таких экспериментов решением может быть применение алмазных линз с большим радиусом параболы или же использование только центральной части апертуры линзы, где она имеет минимальную толщину материала. Полученные результаты также позволяют сделать вывод о том, что расходимость луча имеет очень ограниченное влияние на спектры пропускания. А это, в свою очередь, означает, что предложенные алмазные линзы могут быть установлены в различных оптических схемах (с различными геометриями, расстояниями), которые являются чувствительными к дифракционным потерям на модернизируемых вслед за источниками синхротронного излучения экспериментальных станциях.

Другим важным полученным результатом является разработанная теоретическая модель, эффективность которой была доказана в соответствии с полученными экспериментальными результатами.

Климова Наталия, мнс МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса MegaScience» БФУ им. И. Канта:

«Модель позволяет прогнозировать положение и силу (интенсивность) глитчей, если кристаллографическая ориентация относительно рентгеновского пучка известна с достаточной точностью. Поэтому, осуществляя расчеты для точно позиционированной монокристаллической линзы с известной ориентацией, можно выбрать конкретные энергетические интервалы, в которых эффект глитчей оказывает минимальное влияние. Это позволит обеспечить более стабильный и равномерный входящий пучок в спектроскопических экспериментах с алмазными линзами».

Кроме того, представленная модель не ограничивается применением только для преломляющих линз из монокристаллического алмаза, но также может быть непосредственно применена к другим алмазным устройствам, формирующих рентгеновский пучок.

Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс»:

«Полученные взаимодополняющие друг друга экспериментальные и теоретические результаты являются очень важным вкладом в разработку моделирования динамических эффектов, возникающих при взаимодействии рентгеновских лучей с преломляющими линзами. Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что изучение наличия возникающих эффектов и оценка их относительного влияния является необходимым условием для дальнейшего повышения эффективности применения рефракционной оптики на основе монокристаллического алмаза на современных синхротронных источниках. Применение этого вида оптики позволяет снизить поглощение излучения объектами, проводить неинвазивные исследования объектов, исследовать большие объемы материалов и анализировать их внутреннюю микро- и нано- структуру в режиме высокоразрешающей когерентной рентгеновской микроскопии. Когерентный подход (когерентная оптика и когерентные методы на новых когерентных источниках) позволит существенно улучшить новые российские синхротронные источники, расширит спектр возможностей наших уникальных научных установок класса «Мегасайенс», крупных исследовательских инфраструктур на территории России, обеспечивающих доступ к новым компетенциям и ресурсам, исходя из национальных интересов Российской Федерации».