Ученые МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» (МНИЦ «РО») совместно с коллегами из Центра лазера на свободных электронах CFEL – (Center for Free-Electron Laser Science) и Европейского источника синхротронного излучения ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) опубликовали научную статью, в которой представлен метод определения точной ориентации монокристаллической рентгеновской оптики по спектру дифракционных потерь (глитчей), а так же моделирование самих глитчей. Работа «Determination of the Exact Orientation of Single–Crystal X–Ray Optics from Its Glitch Spectrum and Modeling of Glitches for an Arbitrary Configuration» была опубликована в специальном издании “Synchrotron-Based X-Ray Techniques for the Study of New Crystalline Materials” зарубежного журнала Crystals (ISSN 2073-4352), который нацелен на освещение всех важных аспектов рентгеновских методов реализуемых на современных синхротронах и лазерах на свободных электронах для исследования широкого спектра материалов.
Актуальность представленных в статье результатов, прежде всего, связана не только с активной модернизацией существующих источников синхротронного излучения и строительством новых (уже поколения 4+), а также с развитием современных методов рентгеновских исследований «на переднем крае» науки.
Новые источники способны генерировать рентгеновские пучки с чрезвычайно высокой яркостью и степенью пространственной когерентности. Неудивительно, что для полноценного применения таких пучков и для реализации заложенного потенциала необходимо разрабатывать новую оптику, которая смогла бы в полной мере формировать, фокусировать и транспортировать синхротронное излучение без существенных искажений и потерь до экспериментальных станций . Причем, при разработке технологии изготовления такой оптики необходимо учитывать не только ее конструктивные особенности, но и все эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с материалами, из которых она изготовлена.
Обычно, практически все материалы неоднородны, что при использовании проявляется в виде рассеяния рентгеновского излучения на их внутренней микроструктуре, а использование материалов имеющих периодическую атомарную структуру (в том числе монокристаллы) приводит к возникновению различных дифракционных эффектов. Подобные эффекты особенно заметны в ярких, когерентных рентгеновских пучках, что естественным образом должно учитываться при создании качественной оптики. Таким образом, изучение влияния внутренней структуры материалов на оптические свойства элементов рентгеновской оптики сегодня приобретает особую актуальность.
Оптические элементы рентгеновского диапазона, сделанные из монокристаллических материалов, повсеместно используются как на лабораторных источниках излучения, так и на синхротронах и лазерах на свободных электронах. Среди таких оптических элементов: монохроматоры, различные зеркала, составные преломляющие линзы, разнообразные мониторы положения луча и прочее.
Учеными БФУ уже многократно было доказано, что монокристаллический алмаз считается идеальным материалом для преломляющих рентгеновских линз из-за его чрезвычайной механической и термической стабильности и высокой отражательной способности в диапазоне жесткого рентгеновского излучения. Кроме того, монокристаллы обычно отличаются малыми концентрациями примесей, высоким кристаллографическим качеством и хорошо воспроизводимыми характеристиками. Однако, у монокристаллов есть одна специфическая особенность, которая была впервые продемонстрирована коллективом учёных из БФУ совместно с коллегами из Норвежского университета естественных наук и технологии (Norwegian University of Science and Technology) при исследовании алмазных преломляющих линз на Швейцарско-Норвежской станции BM31 Европейского центра синхротронного излучения ESRF (Гренобль, Франция) и названа «рентгеновские глитчи» («glitch») или «дифракционные потери».
В качестве экспериментальных образцов были использованы несколько типов алмазных линз различной формы с разными геометрическим параметрами (радиус кривизны, апертура и толщина перешейка — расстояниями между вершинами парабол). Полученные совместные результаты были ранее представлены в статье «Investigation of ‘glitches’ in the energy spectrum induced by single-crystal diamond compound X-ray refractive lenses».
Глитчи представляют собой «провалы» в интенсивности прошедшего через оптический элемент излучения при выполнении условий Брегговской дифракции, т.е. когда параметры падающего излучения (длина волны и направление падения относительно кристаллической решетки) соответствуют условию Вульфа-Брегга, причем выполнение этого условия является в данном случае нежелательным.
Особые «неудобства» исследователям глитчи представляют на экспериментах, в которых при измерениях меняется длина волны падающего излучения( например при спектрометрии). В этом случае на некоторых длинах волн интенсивность падающего на исследуемый образец излучения будет резко снижаться ввиду выполнения условий Брегговской дифракции в оптическом элементе. Важно отметить, что при толщине оптического элемента более длинны экстинкции для возбужденного рефлекса, интенсивность излучения падающего на исследуемый образец может упасть и до нуля. И если при небольших изменениях интенсивности излучения можно «компенсировать» негативные эффекты путем нормирования прошедшей интенсивности на падающую, то при сильном падении интенсивности исследуемый сигнал может просто «утонуть» в шумах. Для больших энергий (малых длин волн) рентгеновского излучения вероятность появление глитчей увеличивается, а значит данный эффект необходимо учитывать в любых экспериментах. Таким образом, даже если в эксперименте используется всего одна длина волны, велика вероятность выполнения условия появления глитча на данной длине волны и, соответственно, весь эксперимент пройдет при значительно меньшей интенсивности падающего излучения. Либо эта интенсивность будет «плавать» при небольших отклонениях угла падения излучения на оптический элемент, который является источником глитча.
Главным достижением представленной работы являются не только разработка метода точного симулирования и предсказания появления глитчей, но и эффективный метод избавления от них. Практическая ценность предложенного подхода состоит в том, что он может быть применен к любой монокристаллической оптике и не требует больших вычислений, т.е. может быть применен непосредственно во время проводимого исследования.
Наталия Климова, младший научный сотрудник МНИЦ «РО»:
«В публикации предложена теоретическая модель, позволяющая определить точную ориентацию линзы используя всего один померянный спектр глитчей. Далее модель позволяет предсказывать положение в спектре и интенсивность глитчей при различных отклонениях линзы, что может быть использовано для контролируемого «подавления» конкретных глитчей в спектре излучения. Уникальность предложенного подхода состоит в том, что он не требует дополнительных измерений – все расчеты выполняются на базе всего одного измерения. Кроме того, данный подход может быть применен не только к линзам, но и к любым другим монокристаллическим оптическим элементам, таким как, например, монохроматоры»
«В рукописи описывается методика точного определения кристаллографической ориентации и параметров элементарной ячейки элементов монокристаллической оптики на основе спектров глитчей. Набор экспериментальных измерений позволил авторам продемонстрировать правильность своего алгоритма идентификации положений глитчей, алгоритма их кристаллографической индексации и алгоритма моделирования, который позволяет предсказывать указанный эффект при любой энергии. Эта статья показалась мне чрезвычайно интересной, поскольку она дает как основательное теоретическое описание, так и исчерпывающую экспериментальную проверку разработанной методологии»
Михаил Платунов, приглашенный редактор специального выпуска “Synchrotron-Based X-Ray Techniques for the Study of New Crystalline Materials” журнала Crystals, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского КНЦ СО РАН:
«Эта статья показалась мне чрезвычайно интересной, ведь она демонстрирует красоту метода определения точной кристаллографической ориентации элементов рентгеновской оптики через сканирование кристаллографических выбросов (глитчей). В работе прекрасно представлено теоретическое описание с соответствующей экспериментальной проверкой. Такие исследования крайне важны, особенно с учетом того, что в России проектируются уникальные исследовательские центры мирового уровня, где результаты статьи могут быть чрезвычайно востребованы»
Aлександр Ефанов, научный сотрудник Немецкого исследовательского центра лазера на свободных электронах (CFEL), DESY, Гамбург:
«Дифракционные потери (глитчи) в кристаллической оптике давно известный и весьма неприятный эффект наблюдаемый в экспериментах с рентгеновскими лучами. Как обычно бывает с негативными эффектами, данную проблему стараются игнорировать или просто выкидывать «поврежденные» экспериментальные данные. Однако, как мы показали в статье, это не самый лучший путь т.к. «глитчи» могут возникнуть при любом эксперименте и сильно повлиять на результаты. Потому корректное моделирование с возможностью нахождения «глитчей» для любой конфигурации кристаллической оптики должно использоваться на каждой бимлинии современных синхротронах и даже для лабораторных источниках. Кроме того данная статья закрывает пробелы возникшие в предыдущих статьях по данной тематике – впервые расчеты были произведены на достойном уровне и позволили полностью объяснить экспериментальные данные»
Ирина Снигирева, научный сотрудник Европейского центра синхротронных исследований (ESRF), Гренобль:
«Применение алмазной оптики позволяет снизить поглощение излучения объектами, проводить неразрушающие исследования, а так же исследовать большие объемы материалов и анализировать их внутреннюю микро- и нано- структуру в режиме высокоразрешающей когерентной рентгеновской микроскопии, что позволяет развивать новые подходы в диагностике слабо-поглощающих биологических объектов. Однако, оптические элементы изготовленные из монокристаллических материалов, имеют специфическую особенность – эффект дифракционных потерь или рентгеновских глитчей. Представленные в статье результаты направлены не только на продолжение работ, связанных с выяснением и уточнение особенностей глитчей, а так же на разработку методов устранения их в конкретных спектральных диапазонах. Это расширит возможности применения монокристаллической оптики на современных источниках синхротронного излучения»
Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «РО»:
«Современные методы рентгеновской дифракции, спектроскопии и микроскопии повсеместно используются при исследовании перспективных нано- и био-материалов и сейчас адаптируются для применения на дифракционно-ограниченных когерентных источниках нового поколения, два из которых строятся в России. Подобные источники обладают улучшенной пространственной и временной когерентностью, увеличенной на несколько порядков яркостью и плотностью потока по сравнению с предыдущим поколением. Для использования данных свойств излучения необходима эффективная фокусирующая рентгеновская оптика, для создания которой обычно используется монокристаллические материалы, обладающие высоким качеством и стабильностью. 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»
Разрабатываемая научной группой МНИЦ РО оптика будет неотъемлемой частью исследовательских станций Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) и Источника синхротронного излучения четвертого поколения (ИССИ-4) в Протвино. Производство элементов рентгеновской оптики на основе алмаза на территории РФ и их повсеместное использование в источниках синхротронного излучения в России позволит выделить данные источники из уже существующих и обеспечит высококачественные исследования в долгосрочной перспективе. Актуальность исследования очевидна в связи с принятой научно-технической программой развития синхротронных и нейтронных исследовании и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы.
Работа была выполнена в рамках гранта РНФ № 19-72-30009, а так же выполняется в рамках проекта, получившего поддержку в конкурсе отбора получателей стипендии Президента Российской Федерации в 2021-2023 годах
