Физика

СИ - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ

В июле 1973 г. в Институте ядерной физики (ИЯФ) СО РАН впервые в мире был выведен пучок рентгеновского синхротронного излучения (СИ)(*) из накопителя ВЭПП-3. Сейчас оно стало привычным инструментом для исследований в самых различных областях науки - химии, физики, биологии, геохимии, материаловедения и многих других. А в 1998 г. в том же институте, ныне носящем имя его основателя академика Г.И. Будкера, проходила конференция; в ходе нее были подведены некоторые итоги 25-летнего использования этого явления, о чем и рассказали член-корреспондент РАН Г. Кулипанов и кандидат физико-математических наук В. Барышев (ИЯФ СО РАН).

Прежде всего речь шла об источниках СИ как таковых. Кроме указанного накопителя ВЭПП-3, в 1998 г. в РНЦ "Курчатовский институт" вошли в строй два новых (основную работу по их проектированию и производству большинства систем провели сотрудники ИЯФ СО РАН), запущен агрегат второго поколения "Сибирь-2" с энергией 2,5 ГэВ, предназначенный, в основном, для экспериментов с рентгеновским излучением широкого диапазона. А для исследования мягкого рентгеновского и ультрафиолетового излучения там же уже многие годы применяют накопитель "Сибирь-1". В Москве начаты эксперименты с использованием жесткого рентгеновского излучения, источником которого является модернизированный агрегат ВЭПП-4 с максимальной энергией электронов до 6 ГэВ.

Аналогичные работы проводят и в других странах. В частности, в Японии создали синхротронный излучатель третьего поколения SPring-8 с энергией 8 ГэВ. Конечно, подобные устройства открывают более широкие возможности перед учеными, однако, считает Г. Кулипанов, данный этап (разработку источника третьего поколения) России следует пропустить, сосредоточив внимание на принципиально новых излучателях. В развитие этой идеи он представил концепцию источника СИ четвертого поколения, названного MARS, который будет превышать по яркости SPring-8 на три-четыре порядка.

Прежде чем использовать СИ, его необходимо преобразовать - монохроматизировать, сфокусировать, направить в нужную точку. Все это делают с помощью рентгенооптических элементов. Итак, качество пучка СИ напрямую зависит от характеристик его источника и рентгеновской оптики. А что собой представляет последняя?

Сразу после открытия рентгеновских лучей в 1895 г. оказалось, что их можно преобразовывать (как обычный свет с помощью кристаллов) линзами, призмами и зеркалами. Кристалл позволяет выделить излучение с заданной длиной волны и сфокусировать его. Однако достаточно скоро стало ясно: возможности такой оптики весьма ограничены. Вот почему с 1976 г. в ИЯФ СО РАН начали разрабатывать синтетические слоистые структуры для экспериментов с СИ рентгеновского и ультрафиолетового диапазона.

Особое место здесь занимают оптические элементы, выполненные на основе многослойных зеркал. Их получают, напыляя в вакууме чередующиеся слои из двух различных материалов (скажем, вольфрам - углерод) толщиной 10-50 А каждый. Их можно наносить на подложки с произвольной формой поверхности, а также получать наперед заданные межплоскостные расстояния и ширину области длин волн, отражаемых данной структурой. Этого достигают, постепенно изменяя толщину слоев в процессе напыления, в результате образуются так называемые градиентные многослойные структуры, не существующие в природных кристаллах.

Для ученых наибольший интерес представляют двух- и даже трехмерные структуры. Они разрешают управлять всеми тремя степенями свободы, что, в свою очередь, позволяет создать целый класс новых рентгенооптических элементов, о которых раньше только мечтали. Такие работы идут во всех ведущих по данному направлению центрах России.

Например, в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) основное внимание уделяют многослойным структурам с селективно усиленным отражением для возбуждения и регистрации флуоресценции легких элементов. В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (Москва) получили феноменальные результаты при создании так называемых "срезанных" многослойных решеток для спектроскопии высокого разрешения вакуумного ультрафиолетового диапазона. Причем по размеру такой спектрограф равен пачке сигарет. В ИЯФ СО РАН разрабатывают другой тип многослойных решеток, представляющих особый интерес для исследований жесткого рентгеновского излучения. Последнее открытие положило конец монополии кристаллов, как единственных дисперсионных элементов высокого разрешения.

Другое направление развития рентгеновской оптики - дифракционные линзы. Впервые прототип подобного физического прибора (для обычного света) создал в 1821 г. французский физик О.Ж. Френель. Сейчас же появилась (пока одна) дифракционная линза и ее можно применять в области энергий до 30 КэВ. А учитывая, что существует устройство для управления рентгеновским пучком (на основе использования поверхностных акустических волн), выходит - в принципе реален сканирующий микроскоп для жесткой рентгеновской области излучения. В отличие от электронного, он позволит изучать не только поверхность, но и внутренние области неразрушенного объекта и даже живого организма без помещения его в вакуум и нанесения проводящего покрытия. Рентгеновский микрозонд определяет содержание элементов в микрообъекте при их концентрации от одной стотысячной доли процента, т.е. его чувствительность на три порядка выше, чем у его электронного собрата.

Теперь, когда СИ получили и "обуздали", возникла проблема создания аппаратов для экспериментов с его использованием. Среди основных - детекторы рентгеновского излучения, позволяющие определить угловое распределение и энергию рентгеновских квантов при облучении исследуемого образца пучками СИ. От их качества, быстродействия, пространственного и энергетического разрешения во многом зависит реализация тех преимуществ, которые дает СИ в сочетании с хорошей рентгеновской оптикой. Эти приборы могут иметь вид линейки и фиксировать лишь процессы, проходящие в одной плоскости (спектроскопия, дифрактометрия в монохроматическом пучке СИ). В некоторых экспериментах необходима регистрация двумерного рентгеновского излучения (Лауэдифрактометрия, рентгенография, микроскопия).

В ИЯФ СО РАН разрабатывают модели тех и других аппаратов. Скажем, выпущенный там однокоординатный детектор рентгеновского излучения (ОД- 3,3) имеет рекордные параметры по быстродействию (10 МГц). Лучшие мировые аналоги отстают от него на два порядка. Данный уникум регистрирует одну рентгенограмму за несколько микросекунд, благодаря чему открылись новые перспективы для изучения кинетики быстропротекающих структурных изменений. Детектор заинтересовал многие зарубежные центры СИ, среди них SPring-8 (Япония), HASYLAB (Германия), Daresbarg Laboratory (Англия).

В 1988 г. проведены первые испытания на пучке СИ нового двухкоординатного детектора ДЕД-5. Он предназначен для исследования структуры кристаллов.

До сих пор съемка прецизионной дифрактограммы с помощью механической развертки на гониометре* проходила очень медленно. Тогда шаг сканирования равнялся угловой секунде, а общее число шагов измерялось сотнями тысяч. Сейчас же разрабатывают однокоординатный детектор ОД-160 для одновременной регистрации квантов в секторе 160 с разрешением 0,005 и быстродействием - 3,3 ГГц. Введение его в строй уменьшит время прецизионного дифракционного эксперимента с нескольких часов до секунд.

Появление накопителя ВЭПП-4 потребовало детекторов, работающих в диапазоне жесткого рентгеновского излучения при большом потоке квантов. Исходя из этого, в ИЯФ СО РАН создали оригинальную позиционно- чувствительную камеру с разрешением 0,2 мм, не имеющую ограничения по потоку квантов и работающую в диапазоне энергий 30-80 КэВ. Прототип этой камеры с разрешением 0,4 мм уже прошел испытания. В 1999 г. ее планируют установить сначала на ВЭПП-4 (Москва), а затем и на SPring-8.

Далее Г. Кулипанов и В. Барышев рассказали об использовании СИ в различных областях науки. Например, при создании новых лекарств без рентгеноструктурного анализа на СИ сейчас не обходится ни одна серьезная фармацевтическая фирма. Дифракционные методы на пучках СИ используют также при исследовании химического состава твердого тела.

Многие экспериментаторы применяют метод дифракционного кино - последовательную съемку серии дифрактограмм, которые позволяют наблюдать структурные превращения в веществе в процессе деформации, плавления, кристаллизации, синтеза и т.д. Высокая интенсивность монохроматических пучков СИ и увеличение быстродействия детекторов позволили получить рентгенограммы за фантастически короткое время (порядка микросекунды). В классической схеме регистрации это близко к пределу. А можно ли снимать дифрактограммы еще в тысячу раз быстрее?

Новосибирским ученым удалось провести оригинальный эксперимент, позволивший регистрировать серию рентгенограмм с разрешением до 5 не. Суть его заключена в том, что электронный пучок в накопителе, состоящий из отдельных сгустков (банчей), следующих друг за другом с интервалом в несколько наносекунд, быстро отклоняется так, что каждый следующий банч излучает СИ на испытуемый образец с возрастающим углом наклона. Причем пучки СИ от различных банчей, пройдя последний из них под разными углами, продолжают расходиться. Если на большом расстоянии от образца поставить рентгеновский запоминающий экран, то он зарегистрирует последовательность расположенных одна над другой полосок - рентгенограмм, число которых равно числу банчей в накопителе. Эта схема дает ключ к исследованию нового класса быстропротекающих процессов. В частности, проведены первые тестовые опыты по изучению состояния вещества во взрывной детонационной волне и кинетике синтеза алмаза взрывом.

СИ позволяет получить и принципиально новую информацию о процессах образования минералов, происходящих под землей на глубине в несколько километров. Для этого предложили новую экспериментальную станцию "Энергодисперсионная дифрактометрия" на накопителе ВЭПП-4. С ее помощью планируется продолжить исследование структуры вещества при сверхвысоких давлениях.

Много лет назад родилась идея, заключающаяся в том, что в восьмикилометровом слое донных осадков озера Байкал записана история Земли за 20 млн. лет (именно таков возраст этого водоема). Познать ее можно, если поднять керн бурения и расшифровать заключенную там информацию. В нем, используя высокочувствительные методы анализа - рентгенофлуоресцентный с возбуждением СИ и нейтронно- активационный, были выделены свыше 40 сигналов палеоклимата. Они дают представление об изменении наземной обстановки и химических процессов в озере. Скажем, абсолютная уран-ториевая датировка реперных точек керна показала: Байкал реагирует на орбитальные изменения Земли гораздо раньше (на 8-12 тыс. лет), чем полярные ледники, что по фазе практически совпадает с глобальными изменениями содержания атмосферного углекислого газа и температуры воздуха. Другими словами, предложенные методы анализа (в частности, кернов в озере Байкал) позволяют судить не только о глобальных изменениях палеоклимата, но и о специфических особенностях локального континентального климата.

Сейчас готовится новый эксперимент, в ходе которого на специальной станции с использованием ВЭПП-4 керн донных осадков будут просматривать пучком СИ шаг за шагом без разрушения. При этом предполагается использовать сразу три метода исследований - элементный анализ состава, томографию (для изучения керна) и рентгеноструктурный анализ (он "отслеживает" изменения концентрации биологического кремнезема).

Классическим примером практического применения вышеназванных научных изысканий может служить рентгеновская литография на СИ для разработки и изготовления интегральных микросхем очередного поколения. Если традиционными методами их выпускают размером 0,25 мкм, то используя новые способы, они будут меньше 0,1 мкм.

ИЯФ СО РАН и японский центр SPring-8 заключили соглашение о совместной реализации проекта генерации ярких пучков медленных позитронов с помощью СИ. Идея, высказанная сибирскими физиками, состоит в следующем. Если поставить сверхпроводящую магнитную систему - вигглер - с максимально возможным полем около 10 Тл на накопитель с энергией 8 ГэВ, то получится генератор СИ с энергией фотонов более 1 МэВ. Последние можно конвертировать в электрон-позитронные пары и замедлять полученные позитроны. Расчеты показали: такой источник позитронов будет иметь яркость на несколько порядков выше, чем при любых других способах.

Физики подтверждают: пучок медленных позитронов - универсальный инструмент в атомной физике, физике твердого тела, физике и химии поверхности и тонких пленок, материаловедении. Его можно использовать как дефектоскоп для обнаружения примесей в полупроводниковых материалах и металлах, зонд для исследования поверхности различных тел и, наконец, как позитронный микроскоп (просвечивающий, сканирующий, вторичного излучения, туннельный).

Подводя итоги конференции, Г. Кулипанов и В. Барышев отметили: достижения российской науки не только находятся на должном международном уровне, но зачастую и опережают его. Не потерять свой имидж в этом направлении и сохранить отечественную школу - вполне реальная задача.

* Синхротронное излучение - излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле, искривляющем их траектории. Впервые наблюдалось в синхротроне.

* Гониометр - прибор для измерения углов между плоскими гранями твердых тел.


А.К. МАЛЬЦЕВ

Брус строганный сухой Брус.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD