В основе многих методов исследования и технологий лежит использование рентгеновских лучей, причем не только в физике, но и в материаловедении, геологии, медицине, биологии и т.д. Одной из причин развития рентгеновской оптики стала возможность получения изображений объектов с невероятно малыми размерами за счёт повышения разрешающей способности оптических систем. Именно для этих целей необходимо получение рентгеновских лучей микро- и нано-метрового размера как на современных лабораторных источниках излучения, так и на установках класса Мегасаейнс.
Сотрудники МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» (МНИЦ «РО») БФУ им. И. Канта совместно с коллегами из ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в рамках реализации работ по теме «Двумерная фокусировка рентгеновского излучения с использованием когерентной преломляющей оптики» разработали и создали рентгенооптическое устройство, предназначенное для микро- и нано-фокусировки рентгеновского пучка с возможностью коррекции астигматизма. Совместный проект реализуется научными группами в рамках отдельных мероприятий Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы. Все работы по сборке, настройке и юстировки устройства были выполнены на базе многофункционального комплекса подготовки и проведения синхротронных исследований «SynchrotronLike» БФУ им. И. Канта.
Фокусировка рентгеновских лучей в представленном устройстве осуществляется при помощи кремниевых планарных преломляющих линз, которые представляют собой интегральную линзовую систему, сформированную на пластинах монокристаллического кремния методом глубокого анизотропного плазменного травления. Чипы и концепция, лежащая в их основе в комплексе с планарной технологией микроэлектроники и микросистем, были разработаны совместно с коллегами из «Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук» (ИПТМ РАН) (г. Черноголовка).
Уникальность разработки состоит в том, что она позволяет разместить на чипе из монокристаллического кремния размером не более двух сантиметров десятки наборов составных преломляющих линз (СПЛ), каждый из которых может содержать различное количество единичных линз. Подобная топология позволяет использовать устройство для фокусировки рентгеновских лучей с различными длинами волн и на различных фокусных расстояниях – достаточно лишь выбрать набор СПЛ (путем параллельного перемещения), обеспечивающий заданные параметры.
Данная разработка команды российских ученых была настолько прорывной, что нашла широкое применение на различных исследовательских станциях по всему миру (APS (США), Брукхейвенская национальная лаборатория (США), ESRF(Франция), DESY(Германия)). Это обстоятельство позволяет заявить о лидерстве России, и в частности научной группы МНИЦ РО с коллабораторами, в разработке подобных фокусирующих систем.
В представленном МНИЦ РО рентгенооптическом устройстве для микро- и нано-фокусировки два таких чипа, расположенные ортогонально друг за другом вдоль оптической оси, позволяют получить двумерную фокусировку. Первый чип фокусирует рентгеновское излучение в вертикальном направлении, а второй в горизонтальном. Юстировка каждого кремниевого чипа устройства производится независимо, что позволяет достаточно просто менять параметры системы фокусировки. За счет отдельной настройки каждого чипа с линзами можно легко устранить астигматизм фокусирующей системы – для этого вертикальная система фокусировки имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси. Описываемая конструкция в сочетании с продуманной компоновкой элементов, позволяет производить двумерную микро- и нано- фокусировку рентгеновского пучка с заданными параметрами (размер фокуса и фокусное расстояние) для произвольной энергии рентгеновских лучей. Кроме того, вся фокусирующая система не изменяет направление распространения сфокусированного излучения и может быть легко интегрирована в оптическую схему любой исследовательской станции.
В некоторых научных и производственных задачах возникает необходимость исследования достаточно протяженных объектов. Например, детали двигателей, сварные швы или биологические объекты. Соответственно существует потребность получения рентгеновских пучков больших размеров. Это достигается за счет применения метода дефокусировки т.е. путем расположения исследуемого объекта далеко за фокусом системы линз. Такой режим, позволяет создавать пучок заданных размеров, может быть также легко реализован в предложенном устройстве.
Эффективность работы устройства была продемонстрирована во время испытаний на станции «Рентгеновская кристаллография и физическое материаловедение» Курчатовского источника синхротронного излучения (РКФМ «КИСИ-Курчатов») г. Москва, Россия. Были проведены эксперименты, которые продемонстрировали, что устройство позволяет не только получать сфокусированные пучки с заданными параметрами, но и пространственно ограниченные пучки за счет режима дефокусировки.
Сороковиков Михаил, младший научный сотрудник МНИЦ «РО»:
«Обычно, принято считать, что преломляющие рентгеновские линзы изготавливаются в металлах методом прессования. Это так, большинство рутинных схем микрофокусировки построены на такой оптике. Но если речь заходит о нанометровом разрешении, точность изготовления линз требует нанотехнологии, а именно, технологии микроэлектроники и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Это позволяет добиться уникального качества поверхности и формы оптики. Моя научная работа является продолжением этого направления. Ведь, совершенствуя процессы изготовления и расширяя набор подходов в исследовании точности изготовления кремниевой преломляющей оптики, удается получать точный контроль над всеми основными параметрами линз, т.к. даже небольшие отклонения приводят к неравномерному уширению пучка сфокусированных рентгеновских лучей. Цикл выполненных и решенных на сегодняшний день нашей командой задач по разработке и изготовлении представленного устройства позволил мне улучшить исследовательские навыки, получить уникальный и крайне ценный опыт для меня, как для аспиранта и будущего научного сотрудника.»
Дмитрий Зверев, научный сотрудник МНИЦ «РО»
«Применение разрабатываемых универсальных рентгенооптических устройств на основе кремниевых планарных линз в сочетании с совершенствующимися методиками использующими микро- и субмикронную фокусировку (такие как двумерная фокусировка, когерентная дифракция, рентгеновская микроскопия, птайкография и др.), в том числе, за счет достижения субмикронного пространственного разрешения, открывает новые перспективы исследований в различных научных областях, включая прикладное материаловедение, физику наносистем, химию, биологию, медицину.»
Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «РО»:
«Благодаря развиваемым в нашей группе технологиям и компетенциям в области когерентной рентгеновской оптики для источников синхротронного излучения четвертого поколения, мы накопили серьезный опыт, как в научно-исследовательской, так и в производственной сфере. Недавно полученные результаты лабораторных и синхротронных испытаний планарной преломляющей оптики и устройства на её основе продемонстрировали это. Сейчас, как никогда, необходимы такие результаты, чтобы внедрить полученные знания в проекты установок класса Мегасайенс «СКИФ» и «СИЛА». Строительство столь крупных установок требует вовлечение всего научного потенциала страны с целью достижения задач повышения эффективности, конкурентоспособности и технологического суверенитета в уникальном высокотехнологичном приборостроении для развития научной инфраструктуры России.»
Исследование выполнено в рамках стратегического проекта БФУ им. и. Канта «Балтийская долина» по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»).
