21 февраля 2020 года. г. Москва. Троицк

Рентгеновский спектрометр на базе тонкого изогнутого кристалла алмаза

Детектирование сигналов, наблюдаемых в рентгеновском лазере на свободных электронах (ЛСЭ) представляет серьезную техническую задачу ввиду чрезвычайно высокого уровня воздействия излучения на материал детектора. А так как эти приборы стоят в зоне пучка (сверхвысокий вакуум), то требуется максимально высокая долговечность детекторов – их замена вызывает длительные простои экспериментальной установки.

	Высокосовершенные монокристаллы алмаза		Бездефектная зона алмазного монокристалла в видимом свете

При использовании изогнутого кремниевого кристалла, вставленного непосредственно в пучок рентгеновского излучения, чтобы использовать первый дифракционный порядок решетки для спектрального анализа и обеспечить достаточное смещение от прямого луча, изогнутый кристалл кремния должен быть помещен на расстоянии нескольких метров после решетки, что не всегда возможно. Кроме того, при таком интенсивном излучении дифракционные свойства кремния могут значительно изменяться из-за деформаций решетки, вызванных нагревом, и кристалл может быть поврежден в случае длительного воздействия. По этой причине алмаз является предпочтительным материалом для встроенного неразрушающего спектрометра. По сравнению с кремнием теплопроводность алмаза более чем в десять раз выше, а поглощение углерода на твердых рентгеновских длинах волн на порядок ниже. Таким образом, алмаз может быть использован в качестве компактного встроенного спектрометра для высокоинтенсивных жестких рентгеновских импульсов. Высокочистый бездефектный алмаз уже хорошо зарекомендовал себя как материал для оптических элементов ЛСЭ (рентгеновские линзы, монохроматоры) и поэтому, для анализа энергетических спектров излучения, нашими специалистами было предложено использовать тонкую монокристаллическую алмазную пластину с большим радиусом изгиба (изготовлена в ТИСНУМ).

Рентгенотопографическое изображение бездефектной области в кристалле алмаза.
Коэффициент отражения рентгеновского излучения R(х)=99.1%±0.4%

Спектрометр основан на кристалле алмаза толщиной 20 мкм и предназначен для работы в условиях высокой частоты повторения импульсов ЛСЭ. В экспериментах по исследованию работоспособности и дифракционных свойств алмаза при установке на когерентном источнике света Linac (США), в тандеме с изогнутым алмазом изогнутого кремниевого спектрометра, алмазный спектрометр показал аналогичную, и, в некоторых случаях, превосходящую производительность, при существенно большем возможном времени эксплуатации без замены.

	Схема использования изогнутых кристаллов в качестве детектора рентгеновского спектрометра (на примере кремния) [1]		Спектрометр на кристалле алмаза толщиной 20 мкм. Радиус изгиба кристалла R ≃ 0.3 – 0.6 m может изменяться перемещением слайдера

Рентгеновская оптика и алмазные детекторы, разработанные и изготовленные в ТИСНУМ будут использоваться на первом в России ЛСЭ в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук и в проекте создания в Новосибирске нового источника синхротронного излучения «СКИФ».

[1] D. Zhu, M. Cammarata, J.M. Feldkamp, et al Appl. Phys. Letters 101 (2012) 034103

Источник:
dx.doi.org/10.1107/S1600577519004880