Synchrotron Like 2017-06-08T09:43:17+00:00

Synchrotron Like

Разработки малогабаритных систем генерации рентгеновского излучения высокой мощности с относительно невысокой стоимостью находятся в стадии начальных исследований. Подобные системы смогут сделать обычной лабораторной реальностью методики, которые ранее можно было реализовывать лишь на синхротронах, а значит, будут иметь перспективу применения во всех исследовательских лабораториях ведущих научных центров и университетов, ведущих разработки в области материаловедения и создания новых материалов, наноструктур. В связи со всем выше сказанным нельзя не отметить значимость разработки сотрудниками БФУ им. И. Канта Научно-образовательного многофункционального исследовательского комплекса «SynchrotronLike»

Научно-образовательный исследовательский комплекс «SynchrotronLike»

     Научно-образовательный многофункциональный  комплекс «Synchrotron Like» построен по модульной схеме на основе сверхсовременного лабораторного микрофокусного источника рентгеновского излучения Excillium MetalJet D2 с рекордными характеристиками яркости рентгеновского излучения ~1011 фотонов/ (с*мрад2*мм2*ширину линии галлия Ka1). Указанная яркость превосходит традиционные источники на два-три порядка. Достижение такой характеристики обусловлено применением уникальной на сегодняшний день технологии жидкого анода из галлий-индиевого сплава. Из-за того, что аноды рентгеновских трубок, используемые ранее, были твердотельные — (W) вольфрам (W), медь (Cu), рений (Re), молибден (Mo) – всегда существовала проблема, связанная с нагревом анода. Не смотря на то, что все выше названные металлы тугоплавкие, при высокой мощности анод из этих материалов расплавляется. Решением оказалось использование жидкого металла, т. е. возбуждение рентгеновского излучения происходит в жидкой струе металла.
    В качестве жидкого металла использовался сплав галлия (Ga) с индием (In), который плавится при температуре 15.7°C, то есть при комнатной температуре это жидкость. Чтобы приготовить такой сплав, не обязательно даже нагревать один из металлов до плавления, достаточно просто плотно сжать кусочки галлия и индия.
    На видео видно, что из места соприкосновения двух металлов (большой цилиндрик – галлий, маленький – индий), начинает капать эвтектический (легкоплавящийся) сплав.
     Интересный эксперимент можно провести не только с плавлением, но так же и с затвердеванием галлия. Во первых, галлий это одно из немногих веществ, которые расширяются при затвердевании (так же как и вода), а во вторых, цвет расплавленного металла довольно сильно отличается от цвета твердого. Небольшое количество жидкого галлия, наливаем в стеклянный пузырек и сверху помещаем маленький кусочек твердого галлия (затравка для кристаллизации, так как галлий способен переохлаждаться). На видео хорошо видно как начинают расти кристаллы металла (они имеют синеватый оттенок, в отличие от серебристо-белого расплава). Через некоторое время, расширяющийся галлий разрывает пузырек.
Средняя часть видео (рост кристаллов галлия) ускорена в десять раз, чтобы видео было не очень длинным.

К тому же, давление паров у сплава галлия(Ga) с индием (In) очень низкое даже при достаточно высоких температурах, что позволяет при направлении электронного пучка на жидкую струю галлия, достигать ее без какого бы то ни было рассеяния на атомах. С помощью помпы осуществляется непрерывная циркуляция сплава галлия(Ga) с индием (In) в замкнутом контуре и его пропускание через очень эффективный теплообменник. Отдаленно это напоминает накопительное кольцо синхротрона: там рабочее тело — электроны, здесь — струя жидкого металла.

Промо-видео от Excillium:

Функциональной особенностью микрофокусного источника рентгеновского излучения Excillium MetalJet D2 является  его характеристический размер, который можно варьировать в пределах от 5 до 20 мкм. Благодаря этому, можно производить рентгенооптические исследования, такие как фазо-контрастная радиография, интерферометрия, фокусировка излучения и др., где важно минимизировать влияние размера источника. Из-за высокой яркости излучения можно проводить наблюдение за динамическими процессами, протекающими за миллисекунды

Разработанный комплекс имеет два независимых канала вывода (аналитический и оптический) пучков рентгеновского излучения. Оптический канал дает возможность проводить эксперименты по проекционной рентгеновской микроскопии с разрешением до 5 мкм. Аналитический канал дает возможность проводить эксперименты по относительной рефлектометрии, дифрактометрии и флуоресцентному анализу. Благодаря высокой яркости источника возможно исследование границ раздела тонких пленок со слабо различимым значением плотности (менее 10%), сильно поглощающих слоев (с поглощением в 2-5 раз превышающим возможности существующих лабораторных рефлектометров). Также открывается возможность дифрактометрических исследований микроскопических объектов (размерами от 20 мкм).

Основные технические характеристики:

  • ускоряющее напряжение – 10-70 кВ;
  • мощность – 300 Вт;
  • минимальный фокальный размер пятна – 5 мкм;
  • максимальная яркость –  1.5∙1011 [Ph/(s∙mm2∙mrad2∙line)]
  • стабильность эмиссии – менее 1 %;
  •  минимальное фокусное расстояние до объекта – 18 мм;
  •  угол пучка – 13°

Основные реализуемые методы исследования:

  • рентгеновская фазо-контрастная радиография;
  • рентгеновская топография кристаллов;
  • рентен-флюорисцентный анализ;
  • рентгеновская дифрактометрия;
  • рентгеновская рефлектометрия.

Используемая фокусирующая рентгеновская оптика:

  • Составные преломляющие линзы
  • Френелевские зонные пластинки
  • Поликапиллярные линзы

Безопасность разработки

Дозы поглощенной организмом радиации измеряются в миллизивертах (мЗв). Нормальный радиационный фон составляет 1-10 мЗв в год. При флюорографии мы получаем около 0,5 мЗв, за час полета на самолете — 0,1 мЗв. Если получать больше 50 мЗв в год, то возникает серьезный риск заболевания раком, а если за раз получить 300 мЗв, может начаться лучевая болезнь. Максимальный уровень радиации, зафиксированный вблизи реактора Фукусимы-1, составил 1000 мЗв в час, а на ее границе — 4 мЗв в час. То есть, чтобы заболеть лучевой болезнью, достаточно было 18 минут провести рядом с реактором или трое суток неподалеку от границы. Специалистами лаборатории рентгеновской оптики были проведены замеры радиационного фона в различных точках внутри комплекса. Так как величина поглощенной дозы излучения линейно зависит от времени замера, время каждого замера было установлено равным 5 минутам. В качестве прибора для измерений был использован дозиметр Fluke. По результатам замеров можно сделать вывод о том, что доза, которую может получить оператор комплекса составляет 5,25 мЗв/год, что не превышает нормальный радиационный фон.