10.22184/1933-7296.FRos.2019.13.5.500.503
Каковы перспективы использования рентгеновской оптики? Об этом в своем докладе «Преломляющая рентгеновская оптика: статус, проблемы и перспективы» рассказал А. А. Снигирев (Балтийский федеральный университет имени Имануила Канта, Калининград, Россия). С момента первой успешной экспериментальной демонстрации фокусировки преломляющими линзами рентгеновских лучей [1], область применения рефракционной оптики существенно расширилась, значительно перекрыв зону применения традиционной рентгеновской оптики – кристаллов и зеркал. Сегодня такая оптика активно используется на всех современных высоко-энергетичных (>2 ГэВ) источниках синхротронного излучения 3-го поколения и лазерах на свободных электронах (XFEL). Такое стремительное развитие связано с успехами разработок самих оптических элементов и созданием специальных перестраиваемых устройств на основе преломляющих линз – трансфокаторов [2], позволяющих работать в широком диапазоне энергий от 2 до 200 кэВ. Помимо их применения в традиционных задачах микрофокусировки, они также могут использоваться в качестве конденсоров с настраиваемым размером пучка, коллиматоров, обеспечивающих микро-радианную расходимость пучка, монохроматоров – фильтров низких частот [2], устройств для подавления высоких гармоник [3], Фурье преобразователей [4].
Улучшенные характеристики пучков, производимых новыми источниками синхротронного излучения 4-го поколения с уменьшенным горизонтальным эмиттансом, откроют уникальную возможность для создания эффективных систем транспорта пучка на основе преломляющей оптики. В связи с существенным уменьшением горизонтального размера источника и расходимости пучка такие системы могут передавать пучок фотонов практически без потерь от источника до исследуемого образца или любых промежуточных узлов оптической схемы (зеркал, кристаллов, линз и т. д.). Очевидно, экспериментальные станции получат значительные преимущества при использовании легко перестраиваемых систем на основе преломляющих линз, установленных сразу после источника. В этой связи разработка радиационно- и термоустойчивой алмазной оптики имеет решающее значение [5–8]. Реализация системы транспортировки пучка на основе преломляющих линз значительно упростит компоновку большинства новых станций [9], что открывает дополнительные возможности в исследовании материалов в экстремальных условиях [10, 11]. Это также позволит плавно перейти в процессе модернизации от текущих параметров пучка на существующих станциях к улучшенным характеристикам, избегая серьезных изменений оптической схемы [12].
Применения преломляющей оптики могут быть распространены в область Фурье-оптики, когерентной дифракции и микроскопии [12–16]. Для изучения 3-D структуры фотонных кристаллов и мезоскопических материалов [17–19] были предложены методы когерентной дифракционной микроскопии и высокоразрешающие дифракционные методы, использующие преломляющую линзу в качестве Фурье-преобразователя. Особый интерес представляют формирователи пучка – аксиконы [20], позволяющие создавать волновые фронты заданной формы. В этой связи использование новых аддитивных технологий 3-х мерной печати для моделирования и создания рентгеновской микрооптики трудно переоценить [21,22].
Рентгеновская интерферометрия – еще одно перспективное направление развития преломляющей оптики. Недавно предложенные много-линзовые интерферометры могут генерировать интерференционное поле с переменным периодом в диапазоне от десятков нанометров до десятков микрометров [23–25]. Этот простой способ создания рентгеновской стоячей волны в параксиальной геометрии открывает возможность разработки новых методов рентгеновской интерферометрии для изучения природных и искусственных наноматериалов, таких как самоорганизующиеся биосистемы, фотонные и коллоидные кристаллы, объекты наноэлектроники. Такое устройство может быть использовано в качестве классического интерферометра для построения фазово-контрастных изображений и радиографии, а также может быть полезно для характеризации когерентных свойств высокоэнергетичных рентгеновских источников.
О том, что прогресс последних лет в технологии роста многослойных интерференционных зеркал (МИЗ) нормального падения позволил приступить к решению амбициозной задачи – переносу традиционных методов управления световыми пучками в экстремальный ультрафиолетовый (ЭУФ) и мягкий рентгеновский (МР) диапазоны длин волн, участники семинара узнали из выступления сотрудников Института физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, (Н. И. Чхало, А. Е. Пестов, В. Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, М. Н. Торопов) «Рентгеновская оптика дифракционного качества: технология, метрология, применения».
Благодаря короткой длине волны, низкому рассеянию и резонансному характеру взаимодействия с веществом излучение этого диапазона предоставляет уникальные возможности для нанофизики, нанотехнологии и нанодиагностики веществ. Наибольший объем информации о физических процессах, происходящих на Солнце, получен из исследований короны Солнца в ЭУФ- и МР- диапазонах. Широкополосные МИЗ позволяют транспортировать, фокусировать, проводить спектральный анализ атто- и суб-атто- секундных импульсов электромагнитного излучения без «размытия» волнового пакета, либо даже укорачивать его во времени.
Для использования потенциала МИЗ для изображения и транспортировки пучков без искажений волновых фронтов необходима оптика дифракционного качества для рентгеновского диапазона. По сравнению с традиционной оптикой ее точность должна быть как минимум на два порядка выше. Традиционные методы изготовления и изучения зеркал не обеспечивают этих требований. В докладе сообщалось о развиваемых в ИФМ РАН новых методах изготовления и характеризации оптики дифракционного качества для ЭУФ- и МР‑диапазонов. Были представлены примеры применения обсуждаемых рентгеновских оптических элементов оптики для задач внеземной астрономии, рентгеновской микроскопии и литографии.
Доклад «Многослойная рентгеновская оптика на основе бериллия» (В. Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало, Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород) был посвящен исследованиям бериллий-содержащих многослойных зеркал (МЗ). Еще в 1990-х годах бериллий применялся в мягком рентгеновском (МР) и экстремальном ультрафиолетовом (ЭУФ) диапазонах в качестве слабопоглощающего материала (спейсера). Однако МЗ на основе спейсера Be обеспечивали высокие коэффициенты отражения только в очень узком диапазоне длин волн 11,2–12,4 нм. На других длинах волн бериллий-содержащие МЗ уступали традиционным МЗ на основе спейсеров Si, Al и Mg.
В ходе наших работ было показано, что в диапазоне длин волн λ>17,1 нм бериллий обладает уникальным сочетанием мнимой и действительной частей показателя преломления. Это позволяет использовать Be в качестве рассеивающего материала и в этом качестве одновременно получать и рекордно высокие коэффициенты отражения и спектральную селективность. Гладкость дисперсионной зависимости коэффициента преломления Be позволяет использовать его в коротковолновой части МР‑спектра в качестве основы МЗ, предназначенных для применения в широком диапазоне длин волн. Кроме того, применение методики барьерных слоев позволило нам добиться рекордных значений отражения бериллий-содержащих МЗ в диапазоне 11,2–14 нм.
Методы повышения разрешения и чувствительности в микротомографии путем использования рентгено-оптических элементов были рассмотрены в докладе В. Е. Асадчикова, Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН. В настоящее время рентгеновская томография является широко распространенным методом исследования пространственной структуры объектов в различных областях науки и техники. Компьютерная (рентгеновская) томография стала одним из основных диагностических методов в современной медицине. Однако достигаемые в этих приборах пространственное разрешение и чувствительность оказываются недостаточными для использования приборов во многих иных применениях. Существенным недостатком серийных рентгеновских томографов является тот факт, что инструменты обеспечивают возможность определения поглощения лишь в относительной шкале Хаунсфельда.
Повышение разрешения и чувствительности в настоящее время (ввиду ряда ограничений) может быть достигнуто лишь при уменьшении поля зрения. По этой причине активно ведутся исследования в области рентгеновской микротомогрфии. Основными возможностями повышения разрешения являются проекционное увеличение при использовании микрофокусных источников и / или использование рентгено-оптических элементов. К их числу относятся капилярные линзы, зонные пластинки Френеля, асимметричные отражающие кристаллы (Bragg magnifiers), а также многослойные рентгеновские зеркала, которые, однако, могут быть эффективно применены лишь для мягкого рентгеновского излучения. Отметим, что применение монохроматичного излучения позволяет определять значения линейных коэффициентов поглощения, что существенно повышает качество получаемой информации.
В докладе были показаны возможности применения этих элементов в рентгеновской микротомографии как в нашей стране, так и за рубежом. Отдельное внимание докладчик уделил вопросу повышения чувствительности рентгеновских томографов путем применения фазочувствительных методов. Это также достигается использованием различных рентгено-оптических элементов. К последним, кроме перечисленных, относятся и дифракционные решетки (Тальбо-интерферометрия). Были приведены примеры исследования трехмерной структуры образцов разной природы при варьировании пространственного разрешения.
Рентгеновская оптика косого падения и ее приложение в проекте орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ» были рассмотрены в докладе с одноименным названием группы авторов из ИКИ РАН и РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров (М. Н. Павлинский, А. А. Лутовинов, А. Ю. Ткаченко (ИКИ РАН, Москва); С. В. Григорович (РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров).
В период с 2007 по 2016 год в ИКИ РАН и РФЯЦ-ВНИИЭФ велась работа по изготовлению рентгеновского зеркального телескопа косого падения ART-XC для орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ» (запуск обсерватории запланирован на 21 июня 2019 года). В рамках этих работ шла разработка технологий изготовления рентгеновских зеркал методом гальванопластики на основе никеля и никель-кобальта с иридиевым покрытием. Сложность задачи заключалась в изготовлении зеркал, позволяющих работать до энергий ~30 кэВ с угловым разрешением ≤1′ в поле зрения более ≥30′. Участнкам обсуждения были представлены технологические наработки, решение задачи метрологического обеспечения и результаты наземных испытаний на специализированном калибровочном стенде рентгеновской оптики косого падения в паре с разработанным позиционно-чувствительным и спектрометрическим полупроводниковым детектором на базе CdTe. В совокупности семь зеркальных систем телескопа ART-XC обеспечивают эффективную площадь ~460 см2 по оси зрения на энергии 8 кэВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler. Nature. 1996; 384: 49.
G. B. M. Vaughan, J. P. Wright, A. Bytchkov et al. J. Synchrotron Rad. 2011; 18: 125.
M. Polikarpov, I. Snigireva, A. Snigirev. J. Synchrotron Rad. 2014; 21: 484.
M. Lyubomirskiy, I. Snigireva, A. Snigirev. Optics express. 2016; 24: 13679.
M. Polikarpov, I. Snigireva, J. Morse et al. J. Synchrotron Rad. 2015; 22: 23.
S. Terentyev, V. Blank, S. Polyakov et al. Appl. Phys. Let. 2015; 107: 111108.
M. Polikarpov, I. Snigireva, A. Snigirev. AIP Conference Proceedings. 2016; 1741: 040024.
Q. Zhang et al. J. Synchrotron Rad. 2019; 26:109.
M. W. Bowler, D. Nurizzo, R. Barrett et al. J. Synchrotron Rad. 2015; 22: 1540.
N. Dubrovinskaia, L. Dubrovinsky, N. A. Solopova et al. Sci. Adv. 2016; 2: e1600341.
F. Wilhelm, G. Garbarino, J. Jacobs et al. High Pressure Research. 2016; 36: 445.
Orange Book «ESRF Upgrade programme Phase II 92015–2022). Technical Design Study», G. Admans et al eds. 2014.
V. Kohn, I. Snigireva, A. Snigirev. Opt. Comm. 2003; 216: 247.
M. Drakopoulos, A. Snigirev, I. Snigirev, J. Schilling. Appl. Phys. Lett. 2005; 86: 014102.
P. Ershov, S. Kuznetsov, I. Snigireva et al. Appl. Cryst. 2013; 46: 1475.
H. Simons, A. King, W. Ludwig et al. Nature Communications. 2015; 6: 6098.
A. Bosak, I. Snigireva, K. Napolskii, A. Snigirev. Adv. Mater. 2010; 22: 3256.
D. V. Byelov, J.-M. Meijer, I. Snigireva et al. RSC Advances. 2013; 3: 15670.V.
V. Kohn, I. Snigireva, A. Snigirev. J. Synchrotron Rad. 2014; 21: 729.
D. Zverev, A. Barannikov, I. Snigireva, A. Snigirev. Opt. Express. 2017; 25: 28469–28477.
A. K. Petrov, V. O. Bessonov, K. A. Abrashitova et al. Opt. Express. 2017; 25: 14173.
A. Barannikov, M. Polikarpov, P. Ershov et al. J. Synchrotron Rad. 2019.
A. Snigirev, I. Snigireva, V. Kohn et al. Phys. Rev. Lett. 2009; 103: 064801.
A. Snigirev, I. Snigireva, M. Lyubomirskiy et al. Optics express. 2014; 22(21): 25842.
M. Lyubomirskiy, I. Snigireva, V. Kohn et al. J. Synchrotron Rad. 2016; 23: 1104.
gpad.ac.ru