Ученые показали возможность использования «дефектных» алмазов в рентгеновской оптике

Физики Балтийского федерального университета имени И. Канта совместно с зарубежными коллегами доказали возможность использования азотсодержащих алмазных кристаллов для изготовления элементов рентгеновской оптики — пластины на их основе считаются недостаточно качественными. При изучении кристаллического «совершенства» были обнаружены крупные бездефектные области, достаточные для применения на источниках синхротронного излучения четвертого поколения и в лазерах на свободных электронах, с помощью которых проводят наблюдения на уровне мельчайших частиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Synchrotron Radiation.

Рентгеновское излучение позволяет изучать микроструктуру и свойства материи. Это возможно благодаря специальным ускорительным комплексам — синхротронам. Синхротронный источник генерирует мощное электромагнитное излучение с длиной волны в доли нанометра. Рентгеновские лучи частично отражаются от атомных плоскостей кристалла, а частично проходят сквозь, позволяя использовать кристаллическую пластину в качестве расщепителя пучка, так называемого «полупрозрачного» зеркала. Проходя через монохроматоры — оптические устройства из двух и более идеальных кристаллов, — луч на выходе дает только нужную длину волны. Параметры электромагнитного излучения зависят от материала оптического элемента, и улучшение характеристик оптики повышает качество и эффективность рентгеновских методов исследования, а также дает возможность раскрыть весь заложенный потенциал современных исследовательских установок.

Используемые в настоящее время элементы рентгеновской оптики сделаны на основе кристаллов кремния и германия. Рентгеновское излучение синхротронного источника вызывает сильный нагрев такого кристалла, при этом у него изменяются параметры решетки, что способствует искажению отраженного пучка. Лучшим вариантом являются оптические элементы, изготовленные из искусственных алмазов. Их коэффициент термического расширения и теплопроводность выше, чем у кремниевых, однако выращенные в лабораторных условиях алмазы содержат в своей структуре атомы не только углерода, но и азота. Различие атомов создает напряжения в кристалле и приводит к неравномерному изменению расстояния между ними. Главным фактором, определяющим огранку кристалла, является его внутреннее строение. Поэтому от атомов азота напрямую зависит расположение секторов роста кристалла — зон, которые образуются в результате нарастания слоев на конкретную область. На границах секторов роста, неконтролируемо распределенных по всему объему кристалла, возникают поля напряжений. При выращивании искусственного кристалла очень сложно контролировать содержание азота и его распределение. Из-за этого считалось, что качество полученных из азотсодержащего алмаза пластин не удовлетворяет требованиям к оптическим элементам. Научная группа из БФУ имени И. Канта совместно с коллегами смогла доказать обратное, получив пластины с достаточной для работы площадью без дефектов.

Два кристалла синтетического алмаза вырастили при температуре 1500 °С и давлении больше 50 тысяч атмосфер, используя уникальный аппарат для получения сверхтвердых материалов БАРС (комплекс высоких давлений и температур). Полученные кристаллы имели практически идеальную атомную решетку. От каждого из них откололи небольшие кусочки и изготовили тонкие пластины. Первичная оценка качества алмазных пластин была дана с помощью рентгеноскопии, после чего пластины исследовали методом дифрактометрии высокого разрешения на синхротронном источнике. В процессе сканирования пластин были получены графики, позволяющие оценить структурное совершенство кристаллов — кривые качания высокого разрешения.

«В зависимости от энергии падающего излучения и плоскости, от которой будет происходить отражение, изменяется и угол наклона кристалла по отношению к излучению. Такой угол называется углом Брэгга. Мы наклоняем кристалл под этим углом, и отраженное излучение попадает на детектор, после чего мы начинаем качать его. Полученная кривая и называется кривой качания и представляет собой зависимость интенсивности отраженного излучения от угла наклона кристалла. Сравнение проводится с теоретической кривой идеального кристалла, рассчитанной заранее», — объясняет Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок "Мегасайенс" ФГАОУ ВО БФУ имени И. Канта».

Анализ полученных графиков показал, что, несмотря на немалое количество несовершенств структуры кристаллических пластин по краям, в центральной части находится крупный неповрежденный участок. Он — рабочая площадь кристалла — превышает 50% поверхности. Так как дефекты пластин появляются во время обрезания и полировки алмаза, то возможность использования азотсодержащих алмазов для изготовления рентгеновской оптики зависит от дальнейшего совершенствования этих процессов. Алмазные пластины позволят добиться улучшения сразу нескольких элементов оптики: монохроматоров, расщепителей пучка, интерферометров и преломляющих линз.

Работа выполнена совместно с сотрудниками Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН (Россия, Новосибирск) и Исследовательского центра по физике частиц DESY (Германия, Гамбург).

Текст подготовлен при помощи научного консультанта, младшего научного сотрудника МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок "Мегасайенс" ФГАОУ ВО БФУ имени И. Канта», Наталии Климовой.