Устройства Рентгеновской Оптики 2017-06-08T09:47:12+00:00

Устройства Рентгеновской Оптики

Дальнейшее развитие науки во многом будет зависеть от набора инструментальных средств, имеющихся в распоряжении исследователей.  На данный момент можно сказать, что огромный диапазон РИ, смыкающийся с диапазоном вакуумного ультрафиолета при энергиях квантов от 100 эВ до 1МэВ и граничащий с областью γ-излучения радиоактивных ядер при энергиях выше 100 кэВ стал доступным. С ростом яркости источников (определяется числом фотонов, испускаемых за 1с. в диапазоне энергий ΔЕ с единичной площади поверхности излучающей области в единицу телесного угла расходимости фотонного пучка) каждого нового поколения, а оно, как правило, выше предыдущего поколения на 2 — 3порядка [1] возникает потребность и возрастает интерес к устройствам рентгеновской оптики (РОУ), позволяющим формировать рентгеновские пучки с заданными параметрами.

Условно выделяют три диапазона РИ: мягкое излучение с энергией Е < 100 эВ, излучение средних энергий — 100 эВ < Е < 12 кэВ, жесткое излучение — Е > 12 кэВ. Потребности освоения обширного диапазона излучений в значительной мере стимулирует развитие процессов расширения элементной базы рентгеновской оптики в тесной корреляции с возможностями, предоставляемыми новыми технологиями. В том числе и разработке РОУ с наноразмерным разрешением с использованием наноструктурированных материалов элементов II периода.

Для использования рентгеновского излучения практически всегда требуется преобразование первичного пучка синхротронного излучения (СИ). Это в основном коллимирование (преобразование расходящегося пучка в параллельный) и фокусировка (преобразование расходящегося или параллельного пучка в сходящийся). Основными задачами развития технологии РОУ являются повышение пространственного и энергетического разрешения, а также снижение потерь интенсивности при взаимодействии этих устройств с пучком СИ. Кроме того, актуальны вопросы о возможности острой фокусировки в области 0,01-1 нм в жестком излучении с быстрым перестроением по энергии и использования в пучке ультравысоких энергий (так называемый «белый» пучок).

Принципиально создание устройств рентгеновской оптики основано на использовании явлений дифракции и учете особенностей взаимодействия  рентгеновского излучения (РИ) с веществом. После открытия в 1912 году М. Лауэ явления дифракции РИ на кристаллах, опытов по изучению отражения от гладких поверхностей, показавших электромагнитную природу этих лучей, появились исследования, направленные на создание их оптических аналогов [2]. Все они могут быть разделены на следующие типы:

1) оптика отражения (элементы зеркальной оптики полного внешнего отражения и многократных отражений [3], зеркала KBM (Kirkpatrick — Baez Mirrors) [4], Зеркала Гёбеля (Göbel mirror) [5], многослойные интерференционные зеркала [6], капиллярные «линзы» Кумахова [7]);

2) дифракционная оптика (зонные пластины Френеля [8; 9], брэгг-френелевские элементы на многослойных зеркалах и совершенных кристаллах [10; 11], дифракционные линзы скользящего падения [12]);

3) волноводы (на основе пленочных структур [13; 14], в том числе волноводы – резонаторы [15], волноводы с воздушным промежутком [16])

4) преломляющая оптика (составные преломляющие линзы [17], фокусирующие элементы на основе киноформных преломляющих профилей [18], элементы на основе наборов призм [19]).

Большинство перечисленных выше рентгенооптических элементов имеют аналоги среди традиционных устройств оптики видимого диапазона. Создание преломляющих линз долго представлялось невозможным ввиду крайне незначительного отличия от единицы показателя преломления, и такая рентгеновская оптика была предметом теоретических рассуждений и оценок. Ранее считалось, что, поскольку преломление рентгеновских лучей в веществе мало, то преломляющая оптика не эффективна из-за большого фокусного расстояния и относительно небольшой апертуры линзы. Появление составных преломляющих линз, произошедшее благодаря ведущему ученому и научному руководителю данного проекта — А.А. Снигиреву [17], привлекло значительный интерес исследователей во всем мире и существенно расширило как возможности создания рентгенооптических устройств, так и спектральный диапазон их применения. Проведенные исследования показали возможность эффективного применения преломляющих линз для фокусировки жесткого рентгеновского излучения и передачи изображения [20]. Кроме того, рефракционные линзы успешно используются в экспериментах по дифракции [21], флуоресцентному анализу [22], микротомографии [23] и микроскопии [24]. Коллимация излучения РОУ на основе преломляющих линз по сравнению с дифракцией на асимметричных кристаллах [25] имеет ряд преимуществ: не изменяется ни поперечное сечение пучка, ни его направление; обеспечивается возможность работы в жестком диапазоне излучения и, непосредственно, сама юстировка оптической схемы упрощается. Таким образом, РОУ на основе преломляющей оптики являются весьма перспективным направление рентгеновской оптики в целом.

Сформированная научная группа, участвующая в проекте, провела большой цикл исследований данной области. По результатам исследований разработаны и созданы экспериментальные образцы (ЭО) РОУ. Были реализованы достаточно оригинальные и неординарные подходы для создания экспериментальных образцов устройств, касающиеся как конструктивных решений, так и технологий формирования. С помощью составных преломляющих линз получен ряд важных научных результатов, имеющих общефизическое значение. Следует особенно подчеркнуть, что развитие преломляющей рентгеновской оптики проходит на фоне настойчивых усилий исследователей по фокусировке излучения в наноразмерном диапазоне. Сформулированы новые подходы, развитие которых позволит приблизить пространственное разрешение до значений, характерных для современных методов сканирующей микроскопии. Создание нового поколения рентгеновских фокусирующих устройств позволяет существенно расширить возможности известных методик и обеспечить применение подходов и методов, позволяющих получить новую информацию о структуре в тесной связи с физическими характеристиками значительного числа объектов.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Laclare J.L., From the Third to the Fourth Generation of Synchrotron Radiation Light Sources // Journal de Physique IV France. Proceedings of the 9th International Conference on X-Ray Absorption Fine Structure 1997. Vol.7, № С2, P. 2-39. 2. Аристов В.В. Современная рентгеновская оптика высокого разрешения //Вестник РАН. 2002. Т. 72, №11. С.963.
  2. Виноградов А.В., Брытов И.А., Грудский А.Я. Зеркальная рентгеновская оптика // Под общ. ред. АВВиноградоваЛ.: МашиностроениеЛенингротдние, 1989. 463 с.
  3. Kirkpatrick P., Baez A. Formation of Optical Images by X-Rays // Journal of the Optical Society of America.1948. Vol. 38, P. 766-773.
  4. Schuster M., Gobel H. Application of graded multilayer optics in X-ray dif-fraction // Advances in X-Ray Analysis.1995. № 39.
  5. Мишетт А. Оптика мягкого рентгеновского излучения / Пер. с англ. М.: Изд-во Мир, 1989. 352 с.
  6. Аркадьев В.А., Кумахов М.А. Многократное отражение рентгеновского излучения на изогнутой поверхности // Поверхность: Физика, химия, механика. 1986. Т. 10. С. 25-32.
  7. Lai B., Yun B., White V., et al. Hard X-ray phase zone plate fabricated by lithographic techniques // Applied Physics Letter. 1992. Vol. 61 (16). P. 1877 — 1879.
  8.  Kamijo N., Tamura S., Suzuki Y., Kihara H. Fabrication and testing of hard x-ray sputtered-sliced zone plate // Review of Scientific Instruments. 1995. Vol. 66 (2). P. 2132 — 2134.
  9. Kuznetsov S.M., Snigireva I.I., Snigirev A.A. et al.  Submicrometer fluorescence microprobe based on Bragg-Fresnel optics // Applied Physics Letter. 1994. Vol. 65, iss.7. P. 827 — 829
  10.  Aristov V.V., Snigirev A.A., Basov Yu.A. et al. X-ray Bragg optics // AIP Conference Proceeding. 1986. № 147. P. 253 — 259.
  11. Щелоков И.А., Рощупкин Д. В., Иржак Д. В., Кондаков А. С. Дифракционная оптика скользящего падения // Известия РАН, Серия физическая. 2004. Т. 68, № 4. С. 514-522.
  12. Jark W., Di Fonzo S., Logomarsino S., Cedola A. and all. Properties of a submicrometer X-ray beam at the exit of a waveguide. // Applied physics letters.1996, Vol.80, №9. Р. 4831-4836.
  13. Di Fonzo S., Jark W., Lagomarsino S., Giannini C., De Caro L., Cedola A., Müller M. Non-destructive determination of local strain with 100-nanometre spatial resolution// Nature. 2000. Vol. 403. P. 638 – 640.
  14. Егоров В.К., Егоров Е.В. Технологические аспекты построения плоского рентгеновского волновода-резонатора // Поверхность. Рентгеновскиесинхротронныеинейтронныеисследования.2013. №7, С. 40-49.
  15. Zwanenburg M.J., van der Veen J.F., Ficke H.G. and Neerings H. A planar x-ray waveguide with a tunable air gap for the structural investigation of confined fluids// Review of Scientific Instruments. 2000. Vol. 71. Р. 1723 —  1732.
  16. Snigirev A., Kohn V., Snigireva I., Lengeler B.A. A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays // Nature. 1996. Vol. 384. P. 49 – 51.
  17. Aristov V., Grigoriev M., Kuznetsov S., Shabelnikov L., Yunkin V., Weitkamp T., Rau C., Snigireva I., Snigirev A., Hoffmann M., Voges E. X-ray refractive planar lens with minimized absorption // Applied Physics Letters.2000. Vol.77, №24. р.4058.
  18. Jark W., Matteucci M. and Menk R. H. On the use of clessidra prism arrays in long-focal-length X-ray focusing // Journal of Synchrotron Radiation. 2008, 15, p. 411-413.
  19. Lengeler B., Schroer C. G., Richwin M. et al. A microscope for hard x-rays based on parabolic compound refractive lenses // Applied physics letters.1999. Vol. 74, № 26. P. 3924—3926.
  20. Drakopoulos M., Snigirev A., Snigireva I., Schilling J.  X-ray high-resolution diffraction using refractive lenses //Applied physics letters. 2005. Vol. 86, 014102.
  21. Bohic S., Simionovici A., Ortega R. et al. Synchrotron-induced X-ray microfluorescence on single cells, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section // Beam Interactions with Materials and Atoms. 2001. Vol. 181, iss. 1 — 4. Р. 728—733.
  22. Schroer C.G., Günzler T.F., Benner B. et al. Hard X-ray full field microscopy and magnifying microtomography using compound refractive lenses // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2001. Vol. 467—468. Р. 2.
  23. Bosak A., Snigireva I., Napolskii K., Snigirev A. High-Resolution Transmission X-ray Microscopy: A New Tool for Mesoscopic Materials // Advanced Materials. 2010. Vol. 22, Р. 3256–3259.
  24. Petukhov A.., Thijssen J., Hart D., Imhof A., Van Blaaderen A., et al.  Microradian X-ray diffraction in colloidal photonic crystals // Journal of Applied Crystallography. 2006. Vol. 39, Р. 137-144.