Наука и технологии России

Вход Регистрация

Алмаз заменит кремний в сверхмощных лазерах

В Германии под Гамбургом в октябре начался ввод в эксплуатацию сверхмощного подземного рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) длиною 3,4 километра, излучением в жёстком рентгеновском диапазоне длин волн 0,05–0,2 нанометров. Яркость этой мегаустановки на 9 порядков превысит яркость современных источников синхротронного излучения. На ней  учёные смогут в реальном времени изучать процессы образования и разрушения молекул. В международном проекте принимают участие 11 стран, включая Россию – её вклад составляет 27%. Одна из вовлечённых в XFEL научных организаций, ФГБНУ «Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ТИСНУМ), разрабатывает элементы рентгеновской оптики нового поколения на базе синтетического алмаза для лазеров на свободных электронах (ЛСЭ).

Обычно для менее ярких рентгеновских лазеров применяются оптические элементы на основе монокристаллов кремния, но для XFEL они не подходят, так как при сильном импульсном нагреве, вызываемом воздействием лазерного пучка, их характеристики непредсказуемо изменяются. В работе ФГБНУ ТИСНУМ для изготовления элементов рентгеновской оптики впервые используется алмаз, кристаллическая решётка которого аналогична кремнию, но он обладает рекордно высокой теплопроводностью и повышенной радиационной стойкостью.

На алмазах, выращенных сотрудниками ТИСНУМ, получены самые высокие коэффициенты отражения рентгеновского излучения (более 99%) за счёт высокого совершенства кристаллических структур и низкого поглощения излучения.

«В рамках проекта, выполняемого при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», мы с нашим иностранным партнёром European XFEL должны разработать ондуляторную секцию лазера XFEL и оснастить её новыми оптическими элементами, в частности, монохроматорами, обеспечивающими чрезвычайно высокую спектральную чистоту лазерного излучения», – рассказал старший научный сотрудник ТИСНУМ Сергей Трощиев.

Принцип работы практически всех элементов рентгеновской оптики, по словам Трощиева, основан на интересном явлении – брегговском отражении рентгеновского излучения от кристалла. «Дело в том, что рентгеновское излучение взаимодействует с кристаллом, как с набором кристаллографических плоскостей. Существуют так называемые условия Лауэ, описывающие эффективное отражение излучения от кристаллов. Скажем, на кристалл падает два параллельных пучка, и они отражаются от двух соседних кристаллографических плоскостей. В зависимости от угла падения и расстояния между кристаллографическими плоскостями, отражённый пучок может получаться усиленным или ослабленным за счёт интерференции этих пучков. Для создания элементов рентгеновской оптики для сверхъярких пучков ЛСЭ особенно важной становится стабильность кристаллической решётки, в частности, межплоскостных расстояний, под действием пучка. Только материал с чрезвычайно хорошей теплопроводностью, высочайшим структурным совершенством и эффективным теплоотводящим закреплением может обеспечить надежное выполнение условий Лауэ и реализацию режима самоотбора ЛСЭ», – пояснил учёный.

монохроматор На рисунке, показан чертёж Лауэ- и Брэгг-монохроматора (1), имеющего змеевидную форму для релаксации механических напряжений, установленного в специально разработанный крепежный элемент (2), прижатого пружиной (3) и фиксаторами (4). Все элементы, изображенные на рисунке, выполнены из синтетического алмаза. Иллюстрация предоставлена Сергеем Трощиевым.

В ходе выполнения проекта разработаны бездефектныe синтетическиe монокристаллы алмаза без внутренних напряжений с диаметром рабочей области не менее 5 миллиметров, синтетические CVD алмазы, Лауэ- и Брэгг- монохроматоры, крепёжные модули из CVD алмаза. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов гибридных монохроматоров с рекордным спектральным разрешением, а также изготовлены экспериментальные образцы рентгеновских окон.

«Внедрение результатов прикладных научных исследований позволит получить уникальные знания в различных областях науки за счёт использования когерентных импульсов лазеров на свободных электронах с рекордной яркостью и обеспечит более глубокое понимание физики процесса получения сверхъяркого рентгеновского излучения длительностью от единиц до нескольких десятков фемтосекунд», – прокомментировал руководитель проекта, директор ТИСНУМ Владимир Бланк.

Сферами применения достигнутых учёными результатов наряду с ЛСЭ могут быть рентгеновская голография (в частности, исследования для нужд полупроводниковой электроники и биологии), а также спектроскопия, лазерная фотохимия, материаловедение.

Справка STRF.ru:
ФГБНУ ТИСНУМ был основан в 1995 году как научно-исследовательский институт по проблемам разработки новых сверхтвёрдых материалов на основе углерода. Сотрудники института занимаются изучением и разработками в областях, связанных с синтезом углеродных материалов, их экспериментальным производством и методиками тестирования и сертификации. В институте создана и внедрена в производство технология получения особо чистых и легированных полупроводниковых монокристаллов алмаза весом до 7 карат, не имеющих аналогов в природе.

РЕЙТИНГ

4.60
голосов: 5

Обсуждение