Физики Балтийского федерального университета имени И. Канта совместно с зарубежными коллегами доказали возможность использования азотсодержащих алмазных кристаллов для изготовления элементов рентгеновской оптики — пластины на их основе считаются недостаточно качественными. При изучении кристаллического «совершенства» были обнаружены крупные бездефектные области, достаточные для применения на источниках синхротронного излучения четвертого поколения и в лазерах на свободных электронах, с помощью которых проводят наблюдения на уровне мельчайших частиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Synchrotron Radiation. 

Рентгеновское излучение позволяет изучать микроструктуру и свойства материи. Это возможно благодаря специальным ускорительным комплексам — синхротронам. Синхротронный источник генерирует мощное электромагнитное излучение с длиной волны в доли нанометра. Рентгеновские лучи частично отражаются от атомных плоскостей кристалла, а частично проходят сквозь, позволяя использовать кристаллическую пластину в качестве расщепителя пучка, так называемого «полупрозрачного» зеркала. Проходя через монохроматоры — оптические устройства из двух и более идеальных кристаллов — луч на выходе дает только нужную длину волны. Параметры электромагнитного излучения зависят от материала оптического элемента, и улучшение характеристик оптики повышает качество и эффективность рентгеновских методов исследования, а также дает возможность раскрыть весь заложенный потенциал современных исследовательских установок. 

Используемые в настоящее время элементы рентгеновской оптики сделаны на основе кристаллов кремния и германия. Рентгеновское излучение синхротронного источника вызывает сильный нагрев такого кристалла, при этом у него изменяются параметры решетки, что способствует искажению отраженного пучка. Лучшим вариантом являются оптические элементы, изготовленные из искусственных алмазов. Их коэффициент термического расширения и теплопроводность выше, чем у кремниевых, однако выращенные в лабораторных условиях алмазы содержат в своей структуре не только атомы углерода, но и азота. Различие атомов создает напряжения в кристалле и приводит к неравномерному изменению расстояния между ними. Главным фактором, определяющим огранку кристалла, является его внутреннее строение. Поэтому от атомов азота напрямую зависит расположение секторов роста кристалла — зон, которые образуются в результате нарастания слоев на конкретную область. На границах секторов роста, неконтролируемо распределенных по всему объему кристалла, возникают поля напряжений. При выращивании искусственного кристалла очень сложно контролировать содержание азота и его распределение. Из-за этого считалось, что качество полученных из азотсодержащего алмаза пластин не удовлетворяет требованиям к оптическим элементам. Научная группа из БФУ имени И. Канта совместно с коллегами смогла доказать обратное, получив пластины с достаточной для работы площадью без дефектов.

Два кристалла синтетического алмаза вырастили при температуре 1500°С и давлении больше 50 тысяч атмосфер, используя уникальный аппарат для получения сверхтвердых материалов БАРС (комплекс высоких давлений и температур). Полученные кристаллы имели практически идеальную атомную решетку. От каждого из них откололи небольшие кусочки и изготовили тонкие пластины. Первичная оценка качества алмазных пластин была дана с помощью рентгеноскопии, после чего пластины исследовали методом дифрактометрии высокого разрешения на синхротронном источнике. В процессе сканирования пластин были получены графики, позволяющие оценить структурное совершенство кристаллов — кривые качания высокого разрешения.

«В зависимости от энергии падающего излучения и плоскости, от которой будет происходить отражение, изменяется и угол наклона кристалла по отношению к излучению. Такой угол называется углом Брэгга. Мы наклоняем кристалл под этим углом, и отраженное излучение попадает на детектор, после чего мы начинаем качать его. Полученная кривая и называется кривой качания и представляет собой зависимость интенсивности отраженного излучения от угла наклона кристалла. Сравнение проводится с теоретической кривой идеального кристалла, рассчитанной заранее», — объясняет Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» ФГАОУ ВО БФУ имени И. Канта». ​

Анализ полученных графиков показал, что, несмотря на немалое количество несовершенств структуры кристаллических пластин по краям, в центральной части находится крупный неповрежденный участок. Он — рабочая площадь кристалла — превышает 50% поверхности. Так как дефекты пластин появляются во время обрезания и полировки алмаза, то возможность использования азотсодержащих алмазов для изготовления рентгеновской оптики зависит от дальнейшего совершенствования этих процессов. Алмазные пластины позволят добиться улучшения сразу нескольких элементов оптики: монохроматоров, расщепителей пучка, интерферометров и преломляющих линз.

Работа выполнена совместно с сотрудниками Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН (Россия, Новосибирск) и Исследовательского центра по физике частиц DESY (Германия, Гамбург). 

Текст подготовлен при помощи научного консультанта, младшего научного сотрудника МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» ФГАОУ ВО БФУ имени И. Канта», Наталии Климовой. 


Фото: Wikimedia Commons

Похожие новости

  • 10/03/2021

    Премьер-министр РФ Михаил Мишустин расставил приоритеты для второго и третьего этапов программы «Академгородок 2.0»

    5 марта новосибирский Академгородок посетил премьер-министр России Михаил Владимирович Мишустин. Председатель СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон поделился главными для Сибирского отделения итогами визита.
    350
  • 16/04/2021

    Ученые изучили, как течение диабета I типа влияет на кровоснабжение мозга

    ​Ученые изучили, как кровоснабжение головного мозга изменяется по мере развития сахарного диабета I типа. Для этого они наблюдали за особой генетической линией мышей, у которой сильнее проявляются последствия этого заболевания.
    104
  • 23/03/2021

    Молекулы как отпечатки пальцев

     Нефтяная «родословная». Километры никем ранее не хоженых таёжных и горных троп, романтика песен под гитару около костра — такой образ геолога отложился в нашем сознании с прошлого века. Конечно, и сейчас для того, чтобы собрать материал для изучения, геологи месяцами работают в поле, но технические возможности для исследования данных у них стали гораздо шире, чем 50 лет назад.
    263
  • 26/05/2020

    Наука будущего: беспилотник на солнечных батареях, обрывы проволоки и молекулярные ножницы

    Как совмещать открытия в медицине и в космической сфере, чем бактериальная целлюлоза поможет экологии планеты и можно ли излечить от болезни, отредактировав ДНК, — в материале портала "Будущее России.
    1221
  • 29/07/2019

    Академический союз

    ​В конце мая этого года в Петрозаводск съехались больше 30 наиболее авторитетных ученых России и Беларуси. Российскую академию наук представляли президент РАН А.М. Сергеев, вице-президенты РАН В.П. Чехонин и И.
    964
  • 19/09/2019

    НГУ и ИЯФ СО РАН представили на форуме «Технопром» инновационную методику лечения рака

    ​​C 18 сентября в рамках VII Международного форума технологического развития «Технопром» Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера представят стенд, посвященный совместной работе центра бор-нейрозахватной терапии онкологических заболеваний.
    1508
  • 12/04/2021

    Сибирские ученые — космосу

    ​Научная сессия апрельского Общего собрания СО РАН была посвящена 60-летию полета Юрия Гагарина в космос и объединена названием «Ученые Сибири на службе космической отрасли».  Председатель Сибирского отделения РАН, глава Объединенного ученого совета по химии СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон перечислил ряд работ, выполненных химиками в интересах космоса.
    309
  • 12/03/2021

    Премьер пообещал поддержку новосибирским проектам

    Подчеркнув, что «образование – опора, на которую можно поставить все, что вы хотите», свой визит в Новосибирский Академгородок глава Правительства РФ Михаил Мишустин начал с посещения Специализированного учебно-научного центра (говоря по старинке, физматшколы) Новосибирского государственного университета (СУНЦ НГУ).
    153
  • 09/04/2021

    Инновационный новосибирский тест на COVID-19 по дыханию представили на крупной выставке в Москве

    ​Учёные ведущих вузов России и эксперты экспортного центра оценили устройство новосибирских разработчиков, позволяющее сдать тест на коронавирус по дыханию.  Разработанный учёными Института автоматики и электрометрии СО РАН и компании «Сайнтификкоин» газоанализатор HEALTHMONITOR, позволяющий сдать тест на COVID-19 по дыханию, представили на международной выставке «Фотоника.
    231
  • 20/02/2021

    Новосибирские учёные презентуют газоанализатор на выставке в ОАЭ

    ​​Учёные рассказали, чего ждут от выставки, и какие контракты планируют заключить с зарубежными партнерами. Газоанализатор, разработанный учеными новосибирского Академгородка, презентуют участникам международной выставки продуктов, напитков, оборудования для гостинично-ресторанного бизнеса и кулинарии стран Персидского Залива.
    722