Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0001
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов"
Название доклада
Разработка рентгеновской оптики нового поколения на базе синтетических алмазов для лазеров на свободных электронах
Докладчик
Трощиев Сергей Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
1) Стимулирование развития международных интеграционных процессов в науке и содействие формированию устойчивых кооперационных связей российских и иностранных научно- исследовательских организаций и университетов, направленных на создание технологий, соответствующих мировому уровню, либо превосходящих его, получение международных патентов и привлечение молодых ученых и специалистов к исследованиям в рамках международной кооперации с научно-исследовательскими организациями ФРГ.
2) Создание принципиально новых элементов рентгеновской оптики на базе синтетических алмазов высокого структурного совершенства для работы в мощных пучках «жесткого» рентгеновского излучения (0,05÷0,2 нм) синхротронных источников и рентгеновских лазеров.
Задачи исследования:
Разработка, создание и проведение испытаний элементов рентгеновской оптики:
- синтетические CVD алмазы;
- Лауэ и Брэгг монохроматоры;
- крепежные модули из CVD алмазов;
- брэгговские рентгеновские зеркала;
- рентгеновские окна;
- делители пучка;
- гибридные монохроматоры с рекордным спектральным разрешением
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования обусловлена его ролью в работах по созданию европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL), который является самым ярким лазером на свободных электронах в мире. Создание такого первого в мире лазера невозможно без использования элементов рентгеновской оптики с рекордными характеристиками, разрабатываемых в настоящем проекте.
Новизна идеи, содержащаяся в проекте, состоит в том, что предложено принципиально новое применение искусственно выращенных кристаллов алмаза высокого структурного совершенства. Научная новизна заключается в физике самого процесса создания импульсов жесткого рентгеновского излучения беспрецедентно высокой яркости с помощью РЛСЭ, работающего в режиме самоотбора.
Описание исследования

Проводимые исследования связаны с использованием кристаллов алмаза в качестве рабочего материала для создания элементов рентгеновской оптики с рекордными характеристиками. Алмаз является чрезвычайно интересным и перспективным материалом для создания элементов рентгеновской оптики в связи с рекордно высокой теплопроводностью. Однако для эффективной замены кремниевых элементов, требуется достичь чрезвычайно хорошей кристаллической структуры алмазных элементов со степенью деформации не более 10-7.

В мире для синтеза крупных кристаллов алмаза используются два метода: метод газофазного осаждения (CVD) и метод высоких давлений и высоких температур (HPHT). Метод CVD наиболее популярен и характеризуется низкой себестоимостью процесса, однако неизбежно приводит к возникновению напряжений в кристаллической структуре, которые искажают ее и вносят деформации. Метод HPHT значительно более сложен технически, однако позволяет создавать кристаллы с минимальными искажениями кристаллической решетки.

В работе используется метод CVD для изготовления кристаллов для конструктивных элементов (держателей) и метод HPHT для изготовления функциональных элементов рентгеновской оптики. Для обработки кристаллов используются следующие основные методы, параметры которых подбираются индивидуально для каждой задачи: лазерная резка и профилирование на воздухе, механическая полировка на свободном абразиве, снятие рентгеновских топограмм. Кроме того, для каждого элемента используются свои дополнительные методы и конструктивные решения.

Для каждого элемента рентгеновской оптики разрабатывается комплект документации: лабораторный регламент изготовления, комплект эскизной конструкторской документации и программа и методики испытаний.

Проект выполняется совместно с Иностранным партнером (ИП) European X-Ray Free-Electron Laser Facility GmbH (European XFEL). Роль ИП в проекте обусловлена тем, что European XFEL является самым ярким лазером на свободных электронах в мире (яркость 10^37 фотон/с/мрад2/мм2/0.1%), поэтому для его развития требуется использование элементов рентгеновской оптики с рекордными характеристиками, которые могут обеспечить только элемента на основе бездефектных алмазов. Задачи, выполненные ИП на 4 этапе:

- Материально-техническая подготовка; Проведение предварительных исследований, определение оптимальных параметров рентгеновских окон (в частности, выработка требований к качеству полировки алмазных пластин, к размерам и толщине алмазных пластин, к ориентации поверхности алмазных пластин и углам их разориентаций относительно кристаллографических плоскостей); Проведение тестовых экспериментов с экспериментальными образцами рентгеновских окон в European XFEL.

Результаты исследования

Согласно плану-графику выполнения работ, на 4 этапе выполнены следующие работы:

- созданы программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов гибридных монохроматоров с рекордным спектральным разрешением;
- проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов гибридных монохроматоров с рекордным спектральным разрешением;

- проведена корректировка эскизной конструкторской документации гибридных монохроматоров с рекордным спектральным разрешением;

- разработан лабораторный регламент изготовления рентгеновских окон;

- разработана эскизная конструкторская документация рентгеновских окон;

- изготовлены экспериментальные образцы рентгеновских окон;

- подведены итоги этапа ПНИ;

- разработана отчетная документация в соответствии с требованиями технического задания и актов Минобрнауки России.

Основные характеристики выполненных работ:

1) Разработанные гибридные монохроматоры с рекордным спектральным разрешением обладают следующими характеристиками: Геометрические размеры рабочей области пластины: L > 2 мм, W > 2 мм, d = 90 мкм; Отсутствие объемных, планарных и линейных дефектов в рабочей области пластины; Угол отклонения поверхности относительно кристаллографических плоскостей (001) 1.5 град.; Угол асимметрии 48 град. при использовании рефлекса (133) алмаза; Шероховатость поверхности не более 2 нм; Деформация кристаллической решетки в рабочей области пластины не более 10^-7; Концентрация примесей азота и бора в кристаллах алмаза не более 10^-16 см-3; Монокристалл алмаза не содержит дислокаций, дефектов упаковки, объемных включений и поверхностных нарушений.

Разработаны рентгеновские окна со следующими характеристиками: Деформация кристаллической решетки не более 10^-7; Концентрация примесей азота и бора в кристаллах алмаза не более 10^-16 см-3; Монокристалл алмаза не содержит дислокаций, дефектов упаковки, объемных включений и поверхностных нарушений; Диаметр рабочей области кристалла составляет не менее 5 мм.

2) Разработанные научные и технологические решения содержат элемент новизны, связанные с использованием бездефектных алмазов в качестве материала для изготовления элементов рентгеновской оптики, а также со способами обработки и монтажа алмазных пластин.

3) Результаты работ, выполненных на этапе 4 согласно Плану-графику исполнения обязательств, соответствуют требованиям к выполняемому проекту.

4) Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, показывает наличие новизны данного проекта в России и в мире.

Практическая значимость исследования
Разработанная в ходе выполнения ПНИ научно- техническая документация, связанная с изготовлением образцов синтетических алмазов и элементов рентгеновской оптике на их основе является заделом для конструирования ЛСЭ в Европейском центре в Гамбурге, работающего в режиме self-seeding (самоотбора) с энергией импульсов 3-12 кэВ, в котором используется узел монохроматора из алмаза. В результате станет возможным создание установок для получения сверхкоротких, сверхъярких рентгеновских импульсов в диапазоне энергий 3-12 кэВ, обеспечивающих при попадании на мишень тепловые потоки мощностью более ГВт, на которых будет возможно проведение уникальных научных экспериментов в различных областях науки. Перспектива создания ЛСЭ с беспрецедентно высокой яркостью рентгеновских пучков потребует замены используемых в настоящее время материалов для изготовления рентгенооптических элементы на синтетические алмазы, альтернативы которым с точки зрения их физических свойств на сегодняшний день нет. Разработанные элементы рентгеновской оптики из алмаза будут пригодны для работы на каналах СИ и ЛСЭ с тепловыми потоками мощностью более ГВт.
Внедрение результатов, полученных в ходе выполнения ПНИ, позволит получить уникальные научные знания в различных областях науки за счет использования когерентных импульсов ЛСЭ с рекордной яркостью и обеспечит более глубокое понимание физики процесса получения сверхъяркого рентгеновского излучения длительностью от единиц до нескольких десятков фемтосекунд.