Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз

Номер контракта: 14.587.21.0016

Руководитель: Гойхман Александр Юрьевич

Должность: Директор НОЦ "Функциональные наноматериалы"

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
составная преломляющая рентгеновская линза, рентгеновский трансфокатор, фокусировка, рентгенография, рентгеновская микроскопия, коллимация рентгеновского пучка.

Цель проекта:
Проблема, на решение которой направлен реализуемый проект, - управление рентгеновским пучком и его фокусировка в области 10-100 нм с помощью специализированных рентгенооптических устройств, в жестком излучении (от 2 КэВ) с возможностью легкого и быстрого перестроения по энергии, с возможностью использования в «белом» пучке ультравысоких энергий, с высокой радиационной стойкостью при легкости настройки системы - является крайне актуальной. В мире насчитывается более 40 крупнейших научных центров, обладающих источниками синхротронного излучения (рентгеновского диапазона), которые в частности в последние годы вплотную столкнулись с проблемой несоответствия предъявляемых требований нанотехнологий (по размерности и детальности исследований) и их научно-аналитических и научно-промышленных возможностей управления синхротронным излучением. При этом недавно было показано, что наиболее простым и надежным способом создания таких устройств является использование рефракционной оптики, которую экспериментально открыл наш соотечественник, Анатолий Снигирев (A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler, “A compound refractive lens for focusing high energy X-rays”, Nature, vol. 384, 49-51, 1996). Основной задачей проекта является обеспечение инструментальной фокусировки и управления параметрами потока рентгеновского излучения (РИ) и синхротронного излучения (СИ) в каналах СИ, лабораторных аналитических и измерительных системах неразрушающих измерений сложных структур и объектов, а также устройствах рентгеновского и специального приборостроения с помощью разрабатываемого прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз. Целью реализуемого проекта является разработка, сборка, изготовление и проведение испытаний прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз. Проект выполняется на базе Европейского центра синхротронного излучения под руководством ведущего ученого-координатора Ирины Снигиревой (Snigireva Irina, engineer, Chemistry and Microimaging Laboratory, ESRF), а также на базе НОЦ «Функциональные наноматериалы» и «Инжинирингового центра» БФУ им. И. Канта под руководством директора НОЦ «Функциональные Наноматериалы» Александра Гойхмана (Goikhman Aleksandr, Head of REC «Functional Nanomaterials», Immanuel Kant Baltic Federal University).

Основные планируемые результаты проекта:
В результате реализации проекта ожидается, что разработанный и изготовленный прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз во время экспериментов, связанных с изучением или использованием когерентных свойств пучка, будет выступать как универсальный инструмент, способный:
- диагностировать источник РИ;
- использоваться как коллиматор РИ;
- использоваться как монохроматор РИ;
- использоваться как диспергатор РИ для изменения величины расходимости пучка;
- использоваться как объектив;
- использоваться как Фурье-преобразователь рентгеновского волнового фронта;
- использоваться для сохранения положения фокуса на образце при сканировании энергии для задач абсорбционной спектроскопии микро- и нано- объектов;
- использоваться для варьирования коэффициента увеличения для задач рентгеновской микроскопии.
Также разработанный прототип рентгеновского трансфокатора должен обеспечить высокую субмикронную точность сохранения оптической оси для проведения исследований микро- и нано- объектов.

Научно-технические решения, заложенные в основу разрабатываемого ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз, позволят считать его рентгенооптическим устройством, не имеющим аналогов и альтернатив в инструментальной реализации принятой научно-технической концепции развития, ведущих мировых научных центров синхротронного излучения четвертого и последующих перспективных поколений. Кроме того, разрабатываемый прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз позволит впервые в лабораторных условиях – на базе лабораторных и технологических установок и комплексов – реализовать измерительные методики и обеспечить диапазон измерений, отвечающих требованиям, предъявляемым к каналам синхротронного излучения (СИ).
Разработанный и изготовленный прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз должен отвечать следующим требованиям при нормальных условиях:
1. Входная апертура прототипа - 5 мм.
2. Диапазон изменения фокусного расстояния при постоянной энергии (длине волны) входного пучка СИ (РИ) - от 100 до 10 000 мм.
3. Коэффициент увеличения плотности потока СИ (РИ) 3 от 10 до 1000.
4. Диапазон рабочих энергий - 1 до 200 кэВ.
5. Предельное разрешение - 100 нм.
6. Перестраиваемость по энергии.
7. Использование в «белом» пучке.
8. Геометрия - in-line.
9. Простота настройки и калибровки.
10. Сопрягаемость с другими объектами.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемый прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз представляет собой оптическое устройство, способное изменять свое фокусное расстояние дискретно в зависимости от количества линз, которые выставлены по оптическому пути прохождения рентгеновского излучения, что может использоваться в рентгеновской спектроскопии, микроскопии и дифрактометрии микро- и нано- объектов. Стоит отметить, что это и есть столь необходимое и ожидаемое оптическое устройство для рентгеновской микроскопии, в котором нуждается не только ESRF (Европейский центр синхротронного излучения), но и другие центры синхротронного излучения, а также международные научные центры.
Прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз предназначен для использования в качестве технического устройства инструментальной фокусировки СИ и РИ в:
•каналах СИ и камерах образцов синхротронных комплексов (синхротронов) 4-го поколения;
•лабораторных и промышленных измерительных установках фокусировки рентгеновского излучения мощных источников – трубок с вращающимся или жидким анодом;
•лабораторных и промышленных измерительных установках для предельной фокусировки острофокусных источников рентгеновского излучения;
•системах неразрушающих измерений многослойных структур и объектов рентгеновскими методами;
•аналитических рентгеновских лабораторных комплексах мэппирования (составления карты) поверхности образца при разработке новых материалов;
•многофункциональных рентгеновских аналитических комплексах исследований многослойных наноструктур, тонких пленок и сложных субмикронных объектов.
Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод о том, что разрабатываемый в проекте прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз - это универсальный, удобный в настройке, многофункциональный рентгенооптический инструмент для работы с СИ и с РИ в целом.
Разрабатываемый в проекте прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз является ярким представителем нового класса устройств рентгеновской оптики, основные отличия которых – рекордные характеристики фокусировки потока (пучка) синхротронного (рентгеновского) излучения при малых размерах и легкой возможности изменения фокуса.
Благодаря существенной переработки конструкции прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз область его применения будет существенно расширена.
Одним из направлений использования прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз является рентгеновская микроскопия темного поля, где из-за требований метода расположение объектива или трансфокатора может быть произвольным, что устанавливает требования к его позиционированию на подвесных конструкциях, а значит к его массо-габаритным характеристикам.
Также прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора может использоваться в:
- рентгеновской спектроскопии (абсорбционной и флуоресцентной);
- когерентной дифракционной микроскопии (CDI – Сoherent Diffraction Imaging;)
- как Фурье-преобразователь рентгеновского волнового фронта;
- как коллиматор (Малоугловое рентгеновское рассеяние, дифракция под скользящими углами);
- как монохроматор;
- как диспергатор излучения для изменения величины расходимости пучка;
- как объектив, изображающий источник рентгеновского излучения.
Благодаря своей конструкции и техническим решениям, прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора, как фокусирующее устройство, может работать в широком диапазоне энергий рентгеновского излучения (от 2 КэВ до 100 КэВ).
Прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз это универсальный, удобный в настройке, многофункциональный рентгенооптический инструмент для работы с синхротронным излучением и для использования в научно-исследовательском оборудовании. Его применение позволит существенно улучшить характеристики оборудования и откроет новые возможности для проведения научных исследований и экспериментов, а также для расширения прикладных направлений использования рентгеновской оптики.
Несмотря на то, что сотни научных и промышленных центров во всем мире в последние годы занимаются решением этой проблемы, серийное решение до сих пор не найдено, и в промышленном исполнении такого рода устройства никто не реализовал до сих пор, в силу отсутствия фундаментального научного задела.
В опубликованных статьях, в том числе и с со-авторством коллектива исполнителей, продемонстрированно, что существующие на сегодняшний день, так называемые «бинарные» варианты трансфокаторов имеют потенциальный потолок минимизации габаритных размеров устройства. Конструкции таких трансфокаторов громоздки и не позволяют решать ряд задач, где устройство используется как объектив. Например, для задачи рентгеновской микроскопии темного поля (Dark Field Microscopy) трансфокатор необходимо устанавливать близко к образцу (на расстоянии менее 10 см). Кроме этого, существует технологическая задача произвольного расположения трансфокатора в пространстве, на моторизированных актуаторах, что определяет требования к его габаритам и весу. Дополнительно, микроскопия процессов в специальных камерах (газовых, магнитных), требует от устройства удобства его крепления.
Для решения поставленной задачи необходимо:
- провести анализ состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований, и сравнительной оценки вариантов возможных решений конструкции прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз для синхротронного излучения
с учетом результатов прогнозных исследований;
- в режиме опытно-конструкторских работ разработать и изготовить промышленно воспроизводимый, конкурентный прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз, используя предыдущий опыт разработки оптический устройств сотрудников коллектива НОЦ «Функциональные наноматериалы» и «Инжинирингового центра» БФУ им. И. Канта. А также разработать комплект необходимой для исследований технической документации;
- провести исследовательские испытания прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз на микрофокусном лабораторном источнике рентгеновского излучения («SynchrotronLIKE»);
- провести испытания разработанного программного компонента управления и провести исследовательские испытания прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз на синхротронном источнике рентгеновского излучения;
- провести оценку полученных результатов исследований, а также проверку их соответствия требованиям к работам и их результатам, провести оценку результативности исследований и эффективности результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз предназначен для инструментального управления параметрами потока рентгеновского излучения для реализации в таких областях синхротронных и рентгеновских исследований как микроскопия, а также ряде новых областей науки и техники, таких как неразрушающая рентгеновская нанометрология.
Реализация проекта будет способствовать созданию и внедрению в прикладные, материаловедческие и медицинские исследования рентгеновской оптики нового поколения.
Такого рода оптические устройства будут востребованы на синхротронных источниках нового поколения, т.к. прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора может выступать в качестве универсального рентгенооптического устройства, позволяющего коллимировать, конденсировать, монохроматизировать рентгеновское излучение, а также выступать в качестве анализатора волнового фронта и объектива.
Цели имеют исключительную научную и научно-техническую значимость в связи с ближайшим переходом ключевых существующих мировых синхротронных центров на источники 4-го поколения (в период 2015-2020 годов), предъявляющие особые требования к системам управления и фокусировки пучка рентгеновского излучения, в том числе и непосредственно на выходе из синхротрона, с большой плотностью потока и высокой энергией излучения. При таких требованиях единственным возможным методом фокусировки рентгеновского излучения, по мнению ведущих исследователей во всем мире, является рефракционная оптика. Массовая замена оптических устройств на более современные в процессе перехода центров на новые источники позволяет сделать предположение, что в самое ближайшее время соответствующий рынок будет расширяться очень существенно.
Кроме того, разработанный прототип можно будет интегрировать в лабораторные источники рентгеновского излучения, что осуществит качественный прорыв в «лабораторной» фокусировке рентгеновского излучения. Таким образом, вторым классом потребителей являются все производители рентгеновских лабораторных и метрологических установок. Сферы их применения крайне широки, в частности, благодаря возможности получения сфокусированного рентгеновского пучка при в лабораторных условиях, например, для решения задачи мэпиирования- т.е. построения рентгеновской карты поверхности или объема образца с разрешением не хуже 500 нм. Дополнительно прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора может стать удобным и незаменимым инструментом для ярких микрофокусных источников (например, для трубок с жидким анодом), позволяя варьировать плотности потока для экспериментов по малоугловому рентгеновскому рассеянию, спектроскопии и т.д.
Другие потенциальные потребители предлагаемой к разработке продукции – производители рентгеновских лабораторных и метрологических установок, которые будут использовать ее в качестве составной части производимого ими оборудования. Спрос на разрабатываемую продукцию связан с переходом на острофокусные жидкостные источники, что повлечет использование для фокусировки пучка излучения именно предлагаемых к разработке устройств.
Сотрудничество с ESRF позволить произвести комплексную оценку разрабатываемого прототипа рентгеновского трансфокатора с субмикронной точностью. Определение предельной точности работы прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз возможно только на синхротроне, т.к. при использовании лабораторных источников рентгеновского излучения их яркости (108- 1011 фотонов/(сек*мрад2*мм2*[1 eV]) не достаточно для использования высокоразрешающих детекторов (с разрешением 1 мкм), способных определить неточность позиционирования оптических элементов в пределах 1 мкм. Максимальная точность определения позиционирования оптических элементов устройства в лаборатории - 5 мкм. Указанная выше точность необходима, т.к. уход фокального пятна, сформированного трансфокатором более 1 мкм ставит невозможным рентгеновский микроанализ образцов и проб. Если же говорить о рентгеновской микроскопии, то уход оптической оси более чем 1мкм уменьшает пространственное разрешение в несколько раз. Исследовательские лабораторные комплексы не обладают такой чувствительностью к неоднородностям/дефектам как когерентное синхротронное излучение, поэтому тестирование предельной функциональности прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз возможно только на синхротроне.
Кроме того, сотрудничество с ESRF позволит провести исследовательские испытания на станции ID06 непосредственно в схеме рентгеновской микроскопии («Full Field Transmition X-ray Microscopy») с автоматизированным управлением, адаптированным под SPEC среду (инструмент управления ESRF), позволяющим легко встраивать разрабатываемый прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора в существующую инфраструктуру синхротронных рентгеновских станций, что открывает возможности проведения демонстрационных экспериментов (демонстрации по прямому назначению), и будет способствовать популяризации результатов, повышению уровня международного обмена научными знаниями, формирование позитивного образа науки в общественном сознании, а также развитию системы эффективных коммуникаций научной общественности (в том числе, проведение демонстраций, выставок, семинаров).
Для информирования общественности о ходе и результатах выполнения исследований, запланированы следующие мероприятия:
- размещение информации о ходе выполнения и результатах исследований на официальном сайте подразделения организации (www.nocfn.ru);
- организация и участие в семинаре с докладами о ходе выполнения и результатах исследований.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта ожидаюются следующие научные и научно-технические результаты:
1. Отчет о ПНИ, включающий:
• результаты аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы по направлению исследований,
• результаты обоснования и выбора направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы,
• результаты патентных исследований,
• результаты теоретического исследования концепции конструктивных и технических решений конструкции прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора,
• результаты исследовательских испытаний на микрофокусном лабораторном источнике рентгеновского излучения и на станции ID06 синхротронного источника ESRF,
• обобщение результатов проекта.
2. Отчет о патентных исследованиях.
3. Аннотационный отчет иностранного партнера.
4. Техническая документация, требуемая для разработки и исследовательских испытаний прототипа ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз.
5. Прототип ультракомпактного рентгеновского трансфокатора на основе рефракционных линз.