Новый подход поможет избавить рентгеновские исследования от провальных результатов из-за особенностей монокристаллической оптики

Рентгеновское излучение широко применяется для исследования структуры различных объектов. При этом исключительно важно использовать отвечающую всем необходимым требованиям рентгеновскую оптику, изготовленную из идеальных монокристаллов. Однако как раз идеальная периодичность обусловливает нежелательные дифракционные потери — рентгеновские глитчи. Эффект приводит к снижению интенсивности прошедшего через оптический элемент излучения вплоть до нуля. Ученые МНИЦ «РО» БФУ имени И. Канта совместно с иностранными коллегами придумали способ, который позволяет не только предсказать появление глитчей, но и нивелировать их влияние на эксперименты. Результаты работы, поддержанной грантом РНФ, опубликованы в специальном выпуске престижного журнала Crystals.

Строение вещества определяет его свойства, а потому не приходится оспаривать важность исследований структуры материалов. Наиболее эффективными, неразрушающими и активно развивающимися в настоящее время стали рентгеновские методы, основанные на взаимодействии соответствующего излучения с исследуемым веществом. Новые его источники (четвертого и последующих поколений) способны генерировать рентгеновские пучки с чрезвычайно высокой яркостью и степенью пространственной когерентности. Для полноценного применения таких пучков необходима новая оптика, способная в полной мере формировать, фокусировать и транспортировать излучение без существенных искажений и потерь. Подойдет далеко не любой материал — особенности его атомарного строения и наличие любых неоднородностей поверхности и объема могут значительно повлиять на результат.

Монокристаллический алмаз давно был признан идеальным кандидатом на роль материала для изготовления рентгеновской оптики: он механически и термически стабилен, слабо поглощает излучение, имеет малое количество примесей, обладает подходящей кристаллической структурой. Иными словами, это рентгеноаморфный материал, микроструктура которого не позволяет пучку рассеиваться, а значит, излучение используется без потерь. Оптика на его основе повышает разрешение и чувствительность исследовательских методов в целом. Однако у монокристаллического алмаза была обнаружена особенность, мешающая работе с ним, — эффект дифракционных потерь, или рентгеновские глитчи. Так называют «провалы» в интенсивности излучения, прошедшего через оптический элемент. Они обусловлены тем, что при прохождении рентгеновского пучка через оптический элемент для некоторых длин волн может выполниться условие (называемое условием Вульфа — Брегга), когда часть проходящего излучения будет дифрагирована (по сути, рассеяна) в нежелательном направлении. Данное условие может выполняться достаточно часто, особенно для «жесткого» излучения с малой длиной волны.

Особые «неудобства» исследователям глитчи причиняют на экспериментах, в которых при измерениях меняется длина волны падающего излучения. Таким образом, весь эксперимент может пройти при «скачущей» интенсивности для разных длин волн. Хуже того, при постоянной длине волны можно случайно попасть на глитч и провести весь эксперимент либо при заниженной, либо при «плавающей» интенсивности.

«Эффект глитчей уже давно известен в спектроскопии и доставляет определенный дискомфорт исследователям. В каких-то случаях эту проблему стараются игнорировать, в каких-то — проще просто отбросить поврежденную часть экспериментальных данных. Однако глитчи могут проявиться в любом эксперименте, и если при небольших изменениях интенсивности излучения можно компенсировать негативные эффекты путем нормирования прошедшей интенсивности на падающую, то при сильном падении интенсивности исследуемый сигнал может просто "утонуть" в шумах», — рассказывает Наталия Климова, младший научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ имени И. Канта.

Ученые МНИЦ «РО» совместно с коллегами из Центра лазера на свободных электронах CFEL и Европейского источника синхротронного излучения ESRF разработали метод точного симулирования и предсказания появления глитчей, а также избавления от них, причем он подходит к любым монокристаллическим элементам. Предложенный подход не требует сложных вычислений, а потому может быть применен непосредственно во время исследования. Перед началом эксперимента надо будет сделать всего лишь одно измерение спектра излучения, прошедшего через оптический элемент. На основании полученных данных при помощи разработанных программ можно определить точную ориентацию линзы (или другого оптического элемента) и затем рассчитать, где именно на спектре могут появиться глитчи. Однако возможности разработки этим не ограничены: предложенный подход позволяет контролируемо подавлять конкретные глитчи в спектре излучения. Свои теоретические расчеты авторы подтвердили в ходе экспериментов. Разработанные программы выложены в открытый доступ и могут быть использованы на любом источнике рентгеновского излучения.

«Представленные в статье результаты не просто продолжают исследование обнаруженного нами ранее эффекта дифракционных потерь в монокристаллической рентгеновской оптике, а предлагают надежный способ борьбы с ними в условиях эксперимента. Это не только повысит эффективность применения рефракционной монокристаллической оптики, но и позволит настраивать работу на исследовательских станциях современных источников синхротронного излучения четвертого поколения», — рассказывает Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ имени И. Канта.

Ученые продолжают работать над тематикой и планируют дополнительные применения обнаруженных эффектов — они могут быть использованы для тонкой настройки современных источников рентгеновского излучения.

«Эта статья — только начало. В очередной раз мы убедились, что корректная обработка данных не только необходима, но и вознаграждаема. В результате правильно построенной физической модели мы сумели полностью объяснить экспериментальные данные и придумать великолепные применения для на первый взгляд негативных эффектов. Так что в самое ближайшее время мы с коллегами из БФУ продолжим радовать научное сообщество еще более интересными статьями по данной тематике!» — рассказывает Aлександр Ефанов, научный сотрудник Немецкого исследовательского центра лазера на свободных электронах (CFEL), DESY, Гамбург.