Актуальность темы
диссертационной работы.
На сегодняшний день рентгеновское излучение широко применяется в различных областях науки и техники. Появление новых источников синхротронного излучения, таких как БЭЛЕ (Гренобль, Франция), 5рпг^-8 (Осака, Япония), а также проектов по созданию лазеров на свободных электронах стимулировало работы по созданию рентгенооптических элементов для жесткого рентгеновского излучения (свыше 10 юВ). Использование разработанных ранее зеркал скользящего падения, зонных ^ пластинок и брэгг-френелевских линз в данном диапазоне энергий ограничено как из-за малых углов отражения излучения и, как следствие, уменьшения апертуры данных элементов, так и по технологическим причинам, обусловленным значительными трудностями при формировании профиля с большим аспектным отношением. Развиваемая в ¦ последние годы преломляющая оптика имеет большие перспективы в данной области. Проведенные исследования показали возможность эффективного применения преломляющих линз для фокусировки жесткого рентгеновского излучения и передачи изображения. Данные линзы успешно используются в экспериментах по микродифракции, * флуоресцентному анализу, микротомографии и микроскопии.
Высокая яркость источников синхротронного излучения последнего поколения позволяет проводить эксперименты по неупругому и ядерному рассеянию, требующие сверхвысокого энергетического и углового разрешения. Определяющим фактором здесь является степень коллимации первичного пучка, где необходимо формировать плоскую волну с разбросом волнового вектора менее 1 микрорадиана. Коллимация излучения преломляющими линзами по сравнению с дифракцией на асимметричных кристаллах, имеет ряд преимуществ: не изменяется ни поперечное сечение пучка, ни его направлениеобеспечивается возможность работы в жестком диапазоне излучения, юстировка оптической схемы упрощается.
Преломляющие рентгенооптические элементы хорошо зарекомендовали себя в указанных выше экспериментах. Однако, необходимо отметить ряд недостатков предложенных подходов по формированию преломляющих линз:
— достижимые радиусы кривизны преломляющей поверхности составляют порядка 50−100 микрон, что приводит к необходимости использования большого числа единичных линз и, соответственно, к потерям интенсивности;
— неоптимальный профиль и большая шероховатость преломляющей поверхности при изготовлении линз способами механической обработки;
— недостаточная радиационная устойчивость при использовании полимерных материалов для изготовления линз;
— необходимость точной юстировки набора линз, для сохранения соосности отдельных элементов.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки и создания новых преломляющих рентгеноопгических элементов, свободных от вышеперечисленных недостатков, изучения фокусирующих свойств данной оптики и исследования возможности коллимации ею рентгеновского излучения. Успешное решение этих проблем позволит поднять качество проводимых исследований на новый уровень.
Целью диссертационной работы являлись разработка принципов проектирования и изготовления планарных параболических рентгенооптических элементов, экспериментальное исследование фокусирующих свойств данной оптики в жестком рентгеновском излучении, а также исследование возможности коллимации рентгеновского излучения планарными параболическими линзами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд следующих актуальных задач:
— проанализировать и рассчитать топологии преломляющих профилей линз с заданными свойствами;
— изготовить первые образцы рентгенооптических элементов данного класса;
— экспериментально исследовать процессы фокусировки жесткого рентгеновского излучения планарными параболическими линзами и изучить рентгенооптические свойства данных элементов;
— провести экспериментальные исследования по коллимации синхротронного излучения планарными параболическими линзами.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключена в следующем:
— предложены и разработаны основные типы топологий планарных параболических рентгенооптических элементов;
— впервые созданы кремниевые планарные параболические линзы и планарные параболические линзы с минимизированным поглощением;
— разработанные планарные параболические линзы из кремния позволили впервые осуществить фокусировку жесткого рентгеновского излучения с энергией 100 кэВ;
— в эксперименте по коллимации синхротронного излучения при энергии 74.7 кэВ достигнута угловая расходимость пучка 0.6 микрорадиан, что превосходит показатели, полученные с помощью рентгеновской преломляющей оптики;
— предложена новая методика прямого измерения угловой расходимости рентгеновского излучения.
Практическая ценность работы определяется следующим:
— разработанные принципы проектирования и изготовления планарных параболических линз являются базой для создания новых рентгенооптических элементов и активно используются при проектировании данной оптики с применением иных материалов и технологий;
— результаты исследования фокусирующих свойств созданных планарных параболических линз доказывают возможность их широкого применения на синхротронных источниках рентгеновского излучения, в том числе в различных схемах рентгеновского микрозонда;
— созданные и исследованные в данной работе планарные параболические линзы были успешно использованы при создании рентгеновского микрозонда для анализа эпитаксиальных слоев методом рентгеновских стоячих волн;
— экспериментально обоснованная возможность уменьшения угловой расходимости излучения синхротронного источника с помощью планарной параболической линзы до значения менее 1 микрорадиана позволяет значительно повысить спектральное и угловое разрешение в экспериментах с использованием жесткого рентгеновского излучения;
— разработанная оригинальная методика прямого измерения угловой расходимости рентгеновского излучения позволяет проводить измерения с точностью до десятых долей микрорадиана.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработанные принципы проектирования и изготовления планарных параболических линз и планарных параболических линз с минимизированным поглощением.
2. Результаты экспериментальных исследований процесса фокусировки жесткого рентгеновского излучения планарными параболическими линзами из кремния: достигнута эффективность фокусировки 95%, осуществлена фокусировка синхротронного излучения с энергией 100 кэВ, полученные значения полуширины фокальных пятен соответствуют расчетным.
3. Результаты экспериментальных исследований коллимации синхротронного излучения планарными параболическими линзами в диапазоне энергий от 60 до 90 кэВ. Угловая расходимость пучка при энергии 74.7 кэВ была уменьшена с 10 до 0.6 мкрад.
4. Разработанная новая методика прямого измерения угловой расходимости рентгеновского излучения.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
1. Всероссийское рабочее совещание «Рентгеновская оптика 1998», Нижний Новгород, Россия, 1998;
2. Всероссийское рабочее совещание «Рентгеновская оптика 1999», Нижний Новгород, Россия, 1999;
3. Вторая национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов РСНЭ-99, Москва, Россия, 1999;
4. International Conference KSRS-2000 «Current Status of Synchrotron Radiation in the World», Moscovv, Russia, 2000;
5. XIII Российская конференция по использованию синхротронного излучения СИ-2000, Новосибирск, 2000;
6. Всероссийское рабочее совещание «Рентгеновская оптика 2000», Нижний Новгород, Россия, 2000;
7. 7th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation, Berlin, Germany, 2000;
8. SPIE’s 45th Annual Meeting, San Diego, CA USA, 2000;
9. Всероссийское рабочее совещание «Рентгеновская оптика 2001», Нижний Новгород, Россия, 2001;
10. SPIE’s 46th Annual Meeting, San Diego, CA USA, 2001 ;
11. VII International Conference on X-Ray Microscopy, XRM-2002, Grenoble, France, 2002;
12. SPIE’s 47th Annual Meeting, San Diego, CA USA, 2002.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, которые были использованы при написании диссертации.
Личное участие автора в выполнении работы.
Экспериментальные исследования фокусировки и коллимации рентгеновского излучения планарными параболическими линзами из кремния были осуществлены автором совместно с к.ф.-м.н. A.A. Снигиревым, к.ф.-м.н. Л. Г. Шабельниковым и к.ф.-м.н. А. Ю. Суворовым.
Компьютерное моделирование оптических свойств планарных параболических линз из кремния с учетом технологических погрешностей формирования было проведено в соавторстве с к.ф.-м.н. С. М. Кузнецовым.
Работы по изготовлению планарных параболических линз были проведены в сотрудничестве с к.ф.-м.н. В. А. Юнкиным.
Разработка программного обеспечения для проектирования линз, разработка методики прямого измерения расходимости рентгеновского излучения, математическая обработка данных экспериментов по фокусировке и коллимации рентгеновского излучения были проведены автором самостоятельно.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций и списка цитированной литературы из 73 названий. Объем диссертации составляет 146 страниц, в том числе 50 рисунков и 5 таблиц.
Основные результаты и выводы из проделанных исследований могут быть сформулированы следующим образом:
1. Разработаны принципы проектирования и изготовления планарных параболических линз. Полученные результаты являются базой для создания новых рентгенооптических элементов и активно используются при проектировании данной оптики.
2. Впервые созданы планарные параболические линзы из кремния с фокусным расстоянием 1.11 м при энергии излучения 17.48кэВ, планарные параболические линзы с минимизированным поглощением с фокусным расстоянием 0.8 м при энергии 17кэВ и набор планарных параболических линз, рассчитанных для энергий излучения в диапазоне от 30 до 100 кэВ.
3. Экспериментально исследованы фокусирующие свойства планарных параболических линз из кремния. Показано, что их эффективность может достигать 95%. Впервые осуществлена фокусировка жесткого рентгеновского излучения с энергией 100 кэВ.
4. Проведены эксперименты по коллимации планарной параболической линзой жесткого рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 60 до 90 кэВ. Достигнута угловая расходимость пучка на выходе линзы 0.6 микрорадиан.
5. Разработана оригинальная методика прямого измерения угловой расходимости рентгеновского излучения. Точность измерений по данной методике составляет десятые доли микрорадиана, что было подтверждено экспериментально.
6. Полученные результаты доказывают возможность широкого применения планарных параболических линз из кремния в различных рентгенооптических схемах для фокусировки и коллимации излучения, в том числе при создании рентгеновских микроскопов в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ.
В заключение автор считает своим приятным долгом выразить признательность всем, без кого выполнение данной работы было бы невозможно. Прежде всего, хотелось бы поблагодарить членов моей семьи за постоянную поддержку и понимание. Автор также считает необходимым выразить признательность доктору физико-математических наук, члену-корреспонденту РАН Аристову Виталию Васильевичу за идею данной работы, своим научным руководителям, кандидату физико-математических наук Шабельникову Леониду Григорьевичу и кандидату физико-математических наук Снигиреву Анатолию Александровичу за помощь в проведении экспериментальных исследований, и за последующее обсуждение результатов. Настоящая работа была бы также невозможна без деятельного участия кандидатов физико-математических наук Кузнецова Сергея Михайловича, Юнкина Вячеслава Анатольевича и Суворова Алексея Юрьевича. Отдельное спасибо автор хочет выразить кандидатам физико-математических наук Щелокову Игорю Александровичу и Кондакову Аркадию Станиславовичу и своим оппонентам доктору физико-математических наук Рощупкину Дмитрию Валентиновичу и кандидату физико-математических наук Артемьеву Александру Николаевичу за плодотворное обсуждение результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Исследования, проведенные при решении задач, поставленных в представленной диссертационной работе, направлены на решение актуальных проблем современной науки и технологии. Целью этих исследований являлись разработка принципов проектирования и изготовление планарных параболических рентгенооптических элементов, экспериментальное исследование фокусирующих свойств данной оптики в жестком рентгеновском излучении, а также исследование возможности коллимации рентгеновского излучения планарными параболическими линзами.
