"Разработка прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз"

Номер проекта:  Соглашение № 14.587.21.0016 от 05.11.2015

Руководитель: Гойхман А. Ю.

Сроки исполнения: 2015 г.

В мире насчитывается более 40 крупнейших научных центров, обладающих источниками синхротронного излучения (рентгеновского диапазона), которые в частности в последние годы вплотную столкнулись с проблемой несоответствия предъявляемых требований нанотехнологий (по размерности и детальности исследований) и их научно-аналитических и научно-промышленных возможностей управления синхротронным излучением.

Разрабатываемый в проекте прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз является ярким представителем нового класса устройств рентгеновской оптики, основные отличия которых - рекордные характеристики фокусировки потока (пучка) синхротронного (рентгеновского) излучения при малых размерах и легкой возможности изменения фокуса. Разрабатываемый прототип предназначен для инструментальной фокусировки и управления параметрами потока рентгеновского излучения (РИ) и синхротронного излучения (СИ) в каналах СИ, лабораторных аналитических и измерительных системах неразрушающих измерений сложных структур и объектов, а также устройствах рентгеновского и специального приборостроения при помощи рефракционных линз.

Задача управления рентгеновским пучком и его фокусировки в области 10-100 нм с помощью специализированных рентгенооптических устройств в жестком излучении (от 2 КэВ) с возможностью легкого и быстрого перестроения по энергии, с возможностью использования в «белом» пучке ультравысоких энергий, с высокой радиационной стойкостью при легкости настройки системы, является крайне актуальной. Несмотря на то, что сотни научных и промышленных центров во всем мире в последние годы занимаются решением этой проблемы, серийное решение до сих пор не найдено, и в промышленном исполнении такого рода устройства никто не реализовал до сих пор в силу отсутствия фундаментального научного задела. При этом недавно было показано, что наиболее простым и надежным способом создания таких устройств является использование рефракционной оптики, которую экспериментально открыл наш соотечественник, научный сотрудник БФУ им. И. Канта, ответственный исполнитель проекта, Анатолий Снигирев (A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler, “A compound refractive lens for focusing high energy X-rays”, Nature, vol. 384, 49-51, 1996).

Цель проекта

Разработка и создание прототипа устройства рентгеновской оптики наноразмерного разрешения - прототипа ультра-компактного трансфокатора для инструментального управления параметрами потока рентгеновского излучения для реализации в таких областях синхротронных и рентгеновских исследований как микроскопия, а также ряде новых областей науки и техники, таких как неразрушающая рентгеновская нанометрология.

Основной задачей проекта является обеспечение инструментального управления рентгеновским пучком и его фокусировкой в области 10-100 нм с помощью разрабатываемого прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз, работающего в жестком излучении, с возможностью легкого и быстрого перестроения по энергии и использования в «белом» пучке ультравысоких энергий, с высокой радиационной стойкостью при легкости настройки и перестройки системы. Прототип устройства должен удовлетворять всем необходимым условиям его применения для рентгеновской микроскопии.

Разработка

Основным подходом, применяемым в данном проекте, является:

Метод фокусировки синхротронного и остро фокусного рентгеновского излучения составными преломляющими линзами. Впервые результаты реализации данного метода научной группой исследователей были опубликованы в журнале Nature в 1996 году (A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler. A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays. Nature, 1996, vol. 384, N. 6604, p. 49-51).

Также сотрудники НОЦ «Функциональные наноматериалы» самостоятельно создали уникальную установку - Научно-образовательный многофункциональный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований «SynchrotronLIKE» с рекордными характеристиками яркости рентгеновского излучения ~1011 фотонов/ (с*мрад2*мм2*ширину линии галлия Ka1). Указанная яркость превосходит традиционные источники на два-три порядка. Достижение такой характеристики обусловлено применением уникальной на сегодняшний день технологии жидкого анода из галлий-индиевого сплава

Результаты

Реализация проекта будет способствовать созданию и внедрению в прикладные, материаловедческие и медицинские исследования рентгеновской оптики нового поколения. Цели имеют исключительную научную и научно-техническую значимость в связи с ближайшим переходом ключевых существующих мировых синхротронных центров на источники 4-го поколения (в период 2015-2020 годов), предъявляющие особые требования к системам управления и фокусировки пучка рентгеновского излучения, в том числе и непосредственно на выходе из синхротрона, с большой плотностью потока и высокой энергией излучения. При таких требованиях единственным возможным методом фокусировки рентгеновского излучения, по мнению ведущих исследователей во всем мире, является рефракционная оптика.

Разрабатываемый прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз имеет значительные конкурентные преимущества по сравнению с предшественниками, т.к. имеет преимущества по:

• габаритам самого устройства,
• диапазону рабочих энергий,
• предельному разрешению,
• использованию в прямом (белом) пучке,
• радиационной стойкости,
• простоте настройки и юстировки.

Заданные параметры соответствуют и превышают запросы всемирного синхротронного сообщества, что подтверждается данными литературы и докладами на конференциях. Кроме того, разрабатываемый прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз позволит впервые в лабораторных условиях – на базе лабораторных и технологических установок и комплексов – реализовать измерительные методики и обеспечить диапазон измерений, отвечающих требованиям, предъявляемым к каналам синхротронного излучения.