​Ученые  МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» (МНИЦ «РО») совместно с научными группами из Гамбурга (немецкий источник синхротронного излучения PETRA III, DESY) и Новосибирска (Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН)) опубликовали научную статью по результатам исследования монокристаллов алмаза для дальнейшего использования в качестве оптических элементов на источниках синхротронного излучения. Работа «Towards high—quality nitrogen—doped diamond single crystals for X—ray optics» была опубликована в зарубежном издании Journal of Synchrotron Radiation в рамках совместного гранта РФФИ «Алмазная рентгеновская оптика для когерентных рентгеновских источников синхротронного излучения с ультрамалым эмиттансом». 

Полученные результаты имеют большую практическую значимость, а актуальность исследован​ий, прежде всего, связана с активной модернизацией существующих и строительством новых источников синхротронного излучения 4-го поколения, с помощью которых становится возможным проведение исследований «на переднем крае» науки.  Такие источники способны генерировать рентгеновские лазеро-подобные пучки с чрезвычайно высокой яркостью и степенью пространственной когерентности. Для эффективного применения и дальнейшей полноценной реализации уникального потенциала таких пучков исследователям необходимо иметь подходящий инструментарий — адекватную рентгеновскую оптику, которая не искажает волновой фронт излучения, т.е. оптику, способную транспортировать, формировать и фокусировать синхротронное излучение без существенных искажений и потерь на всем протяжении от места выхода излучения до экспериментальной станции. 

Важной особенностью такого излучения является высокая термическая нагрузка, а значит необходимо усовершенствовать уже имеющиеся оптические элементы и разработать новые, радиационно-,  термо- и механически устойчивые. Кроме того, необходимо учитывать ограничения и особенности применения рентгеновской оптики на источниках нового поколения, на что сейчас и направлены усилия ведущих российских и зарубежных научных групп. 

Учеными БФУ уже было показано, что использование алмаза в качестве материала для изготовления рентгенооптических элементов является одним из лучших решений ввиду того, что обладает «подходящими» физическими и химическими свойствами (низким коэффициентом теплового расширения, высокой температурной стабильностью, высокой теплопроводностью, радиационной стойкостью, химической инертностью, малым коэффициентом поглощения излучения и равномерным декрементом показателя преломления). Все это является определяющим при использовании преломляющих линз для передачи излучения в «горячих» секциях синхротронных установок, которые расположены на достаточно большом расстоянии (25-30 м) от источника излучения. Важным аспектом в выборе алмаза является линейный коэффициент температурного расширения, обеспечивающий сохранение оптических свойств (рабочей апертуры, фокусного расстояния) в широком температурном диапазоне. 

Попытки использования монокристаллов алмаза для рентгенооптических элементов предпринимались еще при развитии источников 3-го поколения, но были затруднены  из-за недоступности кристаллов высокого качества (с необходимой бездефектной областью) и сложностью изготовления системы крепления и теплоотвода. Лишь российским группам удалось вырастить кристаллы с различной кристаллографической ориентацией и идеальной кристаллической решеткой без дефектов в области на несколько миллиметров. Следует подчеркнуть, что результат Института Геологии и Минералогии СО РАН (г. Новосибирск) является по истине уникальным. Они впервые получили азотсодержащие кристаллы алмаза c объемом бездефектных областей до 60 мм3, и в настоящее время элементы, изготовленные из алмазов, успешно используются в качестве фазовых пластин на действующих станциях синхротронного излучения (SOLEIL, Франция; PLS, Южная Корея). Теперь же, в рамках совместного гранта с МНИЦ «РО» из полученных алмазных пластин будут изготовлены такие элементы рентгеновской оптики, как монохроматоры, расщепители пучка, интерферометры, преломляющие линзы. 

В опубликованной работе было продемонстрировано, что полученные алмазные пластины обладают всеми необходимыми рентгенооптическими свойствами, которые позволяют использовать их в качестве монохроматоров и делителей пучка синхротронного излучения. Таким кристаллам, до сих пор,  не уделялось внимание из-за присутствия в них атомов азота, приводящих, как предполагалось, к искажению кристаллической решетки. Однако проведенные учеными МНИЦ «РО» исследования сняли эти сомнения. Для этого, была проведена диагностика качества пластин с помощью рентгеновской топографии на Научно-образовательном тренировочном комплексе подготовки и проведения синхротронных исследований «SynchrotronLIKE». Затем отобранные кристаллы были исследованы  методами высокоразрешающей дифрактометрии на экспериментальной станции P01 синхротронного источника PETRA III, DESY в Гамбурге. Результаты показали, что дифракционное качество синтетических азотированных алмазов, изготовленных в Новосибирске, сопоставимо с лучшими безазотными кристаллами на данный момент. 

алмаз_пластины_крист.jpg 
От изготовления до исследования тонких алмазных пластин требуется пройти 5 этапов​ 

Шевырталов.jpg 
Сергей Шевырталов, научный сотрудник МНИЦ «РО»: 

«В течение 2020 года нам удалось провести ряд экспериментов по исследованию тонких алмазных пластин, изготовленных нашими коллегами из Новосибирска. Первоначально мы протестировали имеющиеся кристаллы экспресс-методом — брэгговской топографией, на лабораторном источнике SynchrotronLIKE. Исследование одного образца занимает меньше одного дня и позволяет не тратить ресурсы синхротронов. Если кристалл без видимых дефектов, то отправляемся на синхротронный источник. В опубликованной работе было продемонстрировано качество азотированных алмазных пластин, отобранных по результатам предварительного анализа. В дальнейшем на синхротронном источнике PETRA III) было проведено детальное изучение кристаллов, позволившее определить какие из уже отобранных алмазов обладают наилучшими характеристиками т.е. отсутствуют дефекты, нет остаточных напряжений и изгибов в центре пластин. Применение таких кристаллов в качестве оптических элементов возможно уже сейчас». 

Баранников.jpg 
​Александр Баранников, лаборант-исследователь, аспирант МНИЦ «РО»: 

«На данный момент все еще идет отработка технологии изготовления алмазных пластин, которые будут использоваться в качестве монохроматоров и делителей пучка на будущих источниках 4-го поколения. Качество структуры в данных приложениях является основным параметром, влияющим на наличие или отсутствие искажений рентгеновского пучка, который затем попадает к конечному пользователю. Необходимо чтобы вся рабочая область оптического элемента одинаково отражала излучение под заданным углом. В противном случае могут возникнуть трудности при анализе экспериментальных данных, так как пользователь будет видеть артефакты на детекторе, несмотря на то, что он еще даже не поставил образец. Станция P01 позволила с высокой точностью провести исследование качества структуры алмазных пластин и выделить наилучшие. В будущем рентгенооптические элементы на основе алмаза будут основой оптических решений всех новых синхротронов». 

Снигирев.jpg 

Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «РО»: 

«Наша группа является лидером в проведении  исследований, разработок и тестировании оптики на основе искусственно выращенного алмаза. Мы предложили и реализовали применение алмазных линз для фокусировки и коллимации излучения.  Используя уникальное оборудование МНИЦ мы поставили и отработали новую методику рентгеновской микроскопии на лабораторном источнике, которая позволила в короткие сроки подтвердить и развить успех наших новосибирских коллег в технологии роста алмаза.  Наличие уникальной ростовой установки БАРС (комплекс сверхвысоких давлений), разработанной в ИГМ СО РАН (Новосибирск), в совокупности с многолетним опытом участников научного коллектива открывает прямой путь – от роста идеальных кристаллов до их аттестации и создания рентгенооптических устройств на их основе». 

Создание совершенных алмазов в качестве материала для создания рентгеновской оптики создаст условия для полной реализации высокой яркости источников 4-го поколения, а методы основанные на применении такой оптики позволят исследовать разнообразные сложные материалы и анализировать их внутреннюю микро- и нано- структуру в режиме высокоразрешающей когерентной рентгеновской микроскопии, позволяет развивать новые подходы в  диагностике слабо-поглощающих биологических объектов, проводить не инвазивные биологические и медицинские исследования. 

Кроме того, разрабатываемая научной группой оптика будет неотъемлемой частью исследовательских станций Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ), который планируется до конца 2024 года ввести в действие. За ним последует Источник синхротронного излучения четвертого поколения (ИССИ-4) в Протвино. Решения по разработке синхротронов — общие, и это не только масштабирование, но и конкретные параметры, к примеру, по длине волн и фокусировке пучков. Интерес и потребность в алмазной оптике будет только возрастать. Актуальность исследования очевидна в связи с принятой научно-технической программой развития синхротронных и нейтронных исследовании и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы. Производство рентгенооптических элементов 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. 

 Работа была выполнена в рамках гранта РФФИ № 19-29-12040. 

Источники

Ученыe БФУ показали реальную возможность использования алмазов для синхротронов 4-го поколения
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (kantiana.ru), 03/02/2021

Похожие новости

  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    3110
  • 07/08/2020

    Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды

    ​​Сотрудники лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ совместно с российскими и зарубежными коллегами открыли новое фазовое состояние нанолокализованной воды — воды, отдельные молекулы которой расположены в полостях кристаллической решетки кордиерита.
    761
  • 06/08/2020

    Николай Юркевич: экспедиция — хороший задел для проведения мониторинговых работ в будущем

    ​В июле сибирские ученые получили приглашение от компании «Норильский никель» принять участие в работах на полуострове Таймыр. Задачи, стоящие перед экспедицией — оценка текущего экологического состояния этого района и разработка концепции хозяйствования на арктических территориях.
    884
  • 02/03/2021

    Ученые НГТУ НЭТИ и ИХТТМ СО РАН создали стенд для испытаний деградации аккумуляторов электромобилей

    Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали лабораторную установку для испытаний литиевых аккумуляторов (ЛИА) для электромобилей с целью определения деградационной стойкости аккумуляторов.
    623
  • 26/02/2020

    Ученые ищут микрочастицы Тунгусского метеорита в озерах

    Все предположения о природе Тунгусского метеорита или Тунгусского космического тела (ТКТ), взорвавшегося и упавшего в Восточной Сибири в 1908 г. до сих пор остаются только гипотезами. Ученые Института ядерной физики им.
    950
  • 23/09/2016

    Новосибирские ученые приняли участие в конференции по наноэнергетике

    ​В КазНУ им. аль-Фарабина факультете химии и химической технологии прошел совместный IX международный симпозиум "Физика и химия углеродных материалов / наноинженерия", а также конференция "Наноэнергетические материалы и наноэнергетика".
    2711
  • 07/12/2020

    Палеоклимат Земли: новые данные

    Самым старым систематическим метеоданным, которые есть в распоряжении ученых, от силы 150 лет. А для Сибири эта цифра и того меньше. В письменных источниках более ранних периодов (если повезет) можно найти качественную оценку: «лето было необычайно жарким», «дожди обрушились на наши земли» и т.
    689
  • 04/06/2020

    Эксперимент геологов и физиков внес вклад в понимание природы железных метеоритов

    Научная группа Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН), Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно со специалистами Института ядерной физики им.
    736
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    2549
  • 16/10/2020

    Академии России и Беларуси формируют единое научно-технологическое пространство

    ​В режиме конференц-связи между Минском, Москвой и Новосибирском прошло заседание Межакадемического совета (МАС) по проблемам развития Союзного государства. Саммит двух академий должен был пройти в конце августа на алтайском стационаре «Денисова пещера» Института археологии и этнографии СО РАН, но по соображениям противоэпидемической безопасности был отложен и перенесен в онлайн.
    1102