Ученые БФУ предложили новый подход к управлению потерями рентгеновского излучения в алмазной оптике

Исследователи Балтийского федерального университета имени И. Канта совместно с коллегами из Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН и ООО «ВЕЛМАН» провели исследование влияния дефектов кристаллической структуры алмаза на прохождение рентгеновского излучения. Работа стала первым этапом исследования возможности использовать дефекты для управления дифракционными потерями – одним из факторов, ограничивающих эффективность рентгеновской оптики.

Современные синхротроны и лазеры на свободных электронах позволяют исследовать материалы на атомном уровне. Для работы с рентгеновским излучением на таких установках необходимы специальные оптические элементы, которые направляют и фокусируют пучки с высокой точностью. Перспективным материалом для их изготовления является алмаз: он слабо поглощает рентгеновское излучение, обладает высокой теплопроводностью, а также устойчив к высоким тепловым и радиационным нагрузкам.

Однако при прохождении излучения через монокристалл алмаза возникает брэгговская дифракция на атомных плоскостях, вызывающая локальные провалы интенсивности в прошедшем пучке — так называемые рентгеновские «глитчи». Такие потери необходимо учитывать при разработке оптических элементов для синхротронных установок.

В статье рассматривается возможность управления характером данных потерь, изменяя дефектную структуру кристалла. Дефекты и локальные искажения кристаллической решетки способны влиять на ширину и форму дифракционного отклика. В связи с этим возникает вопрос: можно ли распределить потери по более широкому угловому диапазону и тем самым уменьшить максимальное локальное снижение интенсивности прошедшего пучка?

Чтобы проверить эту возможность, ученые провели исследование четырех пластин монокристаллического алмаза, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). С помощью лабораторного рентгенооптического комплекса «SyncrhotronLike» были получены изображения внутренней структуры кристаллов и измерены потери интенсивности прошедшего излучения при различных углах падения.

Эксперименты показали, что ширина наблюдаемых глитчей в исследованных образцах в 2–5 раз превышала расчетные значения для идеального кристалла. Максимальное локальное снижение интенсивности в использованном полихроматическом пучке составило 4.8%. Кроме того, пластины однородны на просвет в рентгеновском излучении, что является важным условием для создания рентгеновских окон и линз.

Полученные результаты позволяют перейти от изучения влияния дефектов на дифракцию к исследованию их возможного практического применения. Следующий этап работы – установить, как плотность и пространственное распределение дефектов влияют на величину локальных потерь и можно ли целенаправленно уменьшить их максимальное значение без увеличения суммарных потерь и ухудшения оптических характеристик алмаза, — рассказал Александр Баранников, к. ф.-м. н., научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс» БФУ им. И. Канта.

Таким образом, исследование закладывает основу для нового направления в разработке рентгеновской оптики, в котором дефектная структура кристалла рассматривается не только как характеристика качества материала, но и как потенциальный инструмент управления его дифракционными свойствами.

Исследование опубликовано в журнале Diamond & Related Materials.