Номер контракта: 14.587.21.0016
Ключевые слова: составная преломляющая рентгеновская линза, рентгеновский трансфокатор, фокусировка, рентгенография, рентгеновская микроскопия, коллимация рентгеновского пучка.
Проблема, на решение которой направлен проект – управление рентгеновским пучком и его фокусировка в области 10-100 нм с помощью специализированных рентгенооптических устройств, в жестком излучении (от 2 КэВ) с возможностью легкого и быстрого перестроения по энергии, с возможностью использования в «белом» пучке ультравысоких энергий, с высокой радиационной стойкостью при легкости настройки системы – является крайне актуальной. В мире насчитывается более 40 крупнейших научных центров, обладающих источниками синхротронного излучения (рентгеновского диапазона), которые в частности в последние годы вплотную столкнулись с проблемой несоответствия предъявляемых требований нанотехнологий (по размерности и детальности исследований) и их научно-аналитических и научно-промышленных возможностей управления синхротронным излучением. При этом недавно было показано, что наиболее простым и надежным способом создания таких устройств является использование рефракционной оптики, которую экспериментально открыл наш соотечественник, Анатолий Снигирев (A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler, “A compound refractive lens for focusing high energy X-rays”, Nature, vol. 384, 49-51, 1996). Основной задачей проекта является обеспечение инструментальной фокусировки и управления параметрами потока рентгеновского излучения (РИ) и синхротронного излучения (СИ) в каналах СИ, лабораторных аналитических и измерительных системах неразрушающих измерений сложных структур и объектов, а также устройствах рентгеновского и специального приборостроения с помощью разрабатываемого прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз.
Целью реализуемого проекта является разработка, сборка, изготовление и проведение испытаний прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз.
Проект выполнялся на базе Европейского центра синхротронного излучения под руководством ведущего ученого-координатора Ирины Снигиревой (Snigireva Irina, engineer, Chemistry and Microimaging Laboratory, ESRF), а также на базе НОЦ «Функциональные наноматериалы» и «Инжинирингового центра» БФУ им. И. Канта под руководством директора НОЦ «Функциональные Наноматериалы» Александра Гойхмана (Goikhman Aleksandr, Head of REC «Functional Nanomaterials», Immanuel Kant Baltic Federal University).
Краткая характеристика созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции: Прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз представляет собой оптическое устройство, способное изменять свое фокусное расстояние дискретно в зависимости от количества линз, которые выставлены по оптическому пути прохождения рентгеновского излучения, что может использоваться в рентгеновской спектроскопии, микроскопии и дифрактометрии микро- и нано- объектов. Прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз предназначен для использования в качестве технического устройства инструментальной фокусировки СИ и РИ в:
- каналах СИ и камерах образцов синхротронных комплексов (синхротронов) 4-го поколения;
- лабораторных и промышленных измерительных установках фокусировки рентгеновского излучения мощных источников – трубок с вращающимся или жидким анодом;
- лабораторных и промышленных измерительных установках для предельной фокусировки острофокусных источников рентгеновского излучения; •системах неразрушающих измерений многослойных структур и объектов рентгеновскими методами;
- аналитических рентгеновских лабораторных комплексах мэппирования (составления карты) поверхности образца при разработке новых материалов;
- многофункциональных рентгеновских аналитических комплексах исследований многослойных наноструктур, тонких пленок и сложных субмикронных объектов.
Разработанный в проекте прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз – это универсальный, удобный в настройке, многофункциональный рентгенооптический инструмент для работы с синхротронным излучением и для использования в научно-исследовательском оборудовании, который является ярким представителем нового класса устройств рентгеновской оптики, основные отличия которых – рекордные характеристики фокусировки потока (пучка) синхротронного (рентгеновского) излучения при малых размерах и легкой возможности изменения фокуса. Благодаря существенной переработки конструкции прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз область его применения будет существенно расширена. Его применение позволит существенно улучшить характеристики оборудования и откроет новые возможности для проведения научных исследований и экспериментов, а также для расширения прикладных направлений использования рентгеновской оптики.Одним из направлений использования прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз является рентгеновская микроскопия темного поля, где из-за требований метода расположение объектива или трансфокатора может быть произвольным, что устанавливает требования к его позиционированию на подвесных конструкциях, а значит к его массо-габаритным характеристикам.
Также прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора может использоваться в:
– рентгеновской спектроскопии (абсорбционной и флуоресцентной);
– когерентной дифракционной микроскопии (CDI – Сoherent Diffraction Imaging;) – как Фурье-преобразователь рентгеновского волнового фронта;
– как коллиматор (Малоугловое рентгеновское рассеяние, дифракция под скользящими углами);
– как монохроматор;
– как диспергатор излучения для изменения величины расходимости пучка;
– как объектив, изображающий источник рентгеновского излучения. Благодаря своей конструкции и техническим решениям, прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора, как фокусирующее устройство, может работать в широком диапазоне энергий рентгеновского излучения (от 2 КэВ до 100 КэВ).
Несмотря на то, что сотни научных и промышленных центров во всем мире в последние годы занимаются решением этой проблемы, серийное решение до сих пор не найдено, и в промышленном исполнении такого рода устройства никто не реализовал до сих пор, в силу отсутствия фундаментального научного задела.
Кроме того, разработанный прототип можно интегрировать в лабораторные источники рентгеновского излучения, что осуществит качественный прорыв в «лабораторной» фокусировке рентгеновского излучения. Таким образом, вторым классом потребителей являются все производители рентгеновских лабораторных и метрологических установок. Сферы их применения крайне широки, в частности, благодаря возможности получения сфокусированного рентгеновского пучка при в лабораторных условиях, например, для решения задачи мэпиирования – т.е. построения рентгеновской карты поверхности или объема образца с разрешением не хуже 500 нм. Дополнительно прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора может стать удобным и незаменимым инструментом для ярких микрофокусных источников (например, для трубок с жидким анодом), позволяя варьировать плотности потока для экспериментов по малоугловому рентгеновскому рассеянию, спектроскопии и т.д. Другие потенциальные потребители предлагаемой к разработке продукции – производители рентгеновских лабораторных и метрологических установок, которые будут использовать ее в качестве составной части производимого ими оборудования. Спрос на разрабатываемую продукцию связан с переходом на острофокусные жидкостные источники, что повлечет использование для фокусировки пучка излучения именно предлагаемых к разработке устройств.
Результаты проекта:
В ходе выполнения этапа проекта, по соглашению о предоставлении субсидии от «05» ноября 2015 г. №14.587.21.0016 с Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы» на этапе № 1 (заключительный) в период с 05.11.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:
1. Подготовлен отчет о ПНИ, включающий:
• результаты аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы по направлению исследований,
• результаты обоснования и выбора направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы,
• результаты патентных исследований,
• результаты теоретического исследования концепции конструктивных и технических решений конструкции прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора,
• результаты исследовательских испытаний на микрофокусном лабораторном источнике рентгеновского излучения и на станции ID06 синхротронного источника ESRF,
• обобщение результатов проекта.
2. Подготовлен отчет о патентных исследованиях.
3. Подготовлена техническая документация, требуемая для разработки и исследовательских испытаний прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз:
•техническое задание на изготовление прототипа;
•ЭКД на прототип,
•программа и методика исследовательских испытаний прототипа;
•акты изготовления прототипа;
•акт и протоколы исследовательских испытаний прототипа на микрофокусном лабораторном источнике.
4. Изготовлен прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз в количестве 1 (одна) штука с техническими характеристиками, установленным Техническим заданием и обеспечивающий:
— стабильность и безотказность работы в любом пространственном положении;
— точность позиционирования рефракционных линз ± 5 мкм;
— возможность смены рефракционных линз;
— возможность сопряжения с адаптерами, позволяющими устанавливать прототип на монтажные элементы с целью взаимодействия с сопрягаемыми объектами.
5. Проведены исследовательские испытания прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз на микрофокусном лабораторном источнике рентгеновского излучения Научно-образовательного многофункционального комплекса подготовки и проведения синхротронных исследований Synchrotron Like в г. Калининград (Россия) в Научно-технологическом парке «Фабрика» БФУ им. И. Канта.
6. Проведены исследовательские испытания прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз на синхротронном источнике рентгеновского излучения ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) в г. Гренобль (Франция) на станции ID06.
7. Подготовлен аннотационный отчет иностранного партнера, включающий:
• акт проведения исследовательских испытаний на станции ID06 синхротронного источника ESRF;
• протокол проведения исследовательских испытаний на станции ID06 синхротронного источника ESRF;
• обобщение результатов исследовательских испытаний.
Выводы: Изготовленный прототип ультракомпактного трансфокатора был подвергнут исследовательским испытаниям на микрофокусном лабораторном источнике рентгеновского излучения Synchrotron Like, а так же были проведены исследовательские испытания на станции ID06 синхротронного источника рентгеновского излучения (ESRF). В итоге был сделан вывод о соответствии полученных результатов требованиям к выполняемому проекту и о том, что разработанный прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз представляет собой оптическое устройство способное изменять свое фокусное расстояние дискретно в зависимости от количества линз, которые выставлены по оптическому пути прохождения СИ, что может использоваться в рентгеновской спектроскопии, микроскопии и дифрактометрии микро- и нанообъектов. Автоматизированное управление, адаптированное под SPEC среду (инструмент управления ESRF), позволяет легко встраивать разрабатываемый прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора в существующую инфраструктуру синхротронных рентгеновских станций, что открывает возможности проведения демонстрационных экспериментов (демонстрации по прямому назначению), и будет способствовать популяризации результатов, повышению уровня международного обмена научными знаниями, формирование позитивного образа науки в общественном сознании, а также развитию системы эффективных коммуникаций научной общественности (в том числе, проведение демонстраций, выставок, семинаров).
Все работы по выполнению задач велись в соответствии с Планом-графиком исполнения обязательств, направленного на разработку, сборку, изготовление и проведение испытаний прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз.