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科学家建议在X射线光学系统中使用“有缺陷的”钻石

X射线光学系统 同步加速器 电磁辐射
发布:2021-02-26 11:25:52    


科学家证实了含氮金刚石晶体在制造X射线光学设备中的适用性。

X射线用于研究物质的原子和微观结构特性。此类研究是使用称为同步加速器的特殊加速器复合体进行的。同步加速器源会产生强大的电磁辐射,其波长等于纳米的几分之一。一些X射线从晶体的原子平面反射,而一些X射线通过晶体平面,该平面起到分束器(或所谓的半透明镜)的作用。如果辐射穿过由两个或多个理想晶体组成的单色仪-光学设备,则可以调节其最佳出射波长。电磁辐射的参数取决于光学元件的制造材料。

大多数现代X射线光学元件都基于硅和锗晶体。然而,它们在来自同步加速器源的X射线辐射下被加热,并且高温导致其晶格发生变化,从而导致反射光束的畸变。由人造金刚石制成的光学元件可提供更好的光束质量,因为它们的热膨胀系数和热导率高于硅元件。但是,实验室种植的钻石不仅含有碳,而且还含有氮。这种不一致会在晶体中产生张力,并导致原子之间的距离不均匀。晶体的切割主要取决于其内部结构,生长扇区的分布(当物质层彼此顶部生长时形成的面积)与氮原子的位置相关。在这些增长部门的边界上,形成了压力场。当人工生长晶体时,控制氮含量和分布极为困难。因此,从历史上看,由含氮金刚石制成的板的质量被认为不能用于光学元件。BFU的一个团队与他们的外国同事一起设法消除了这种信念,并获得了具有足够无瑕疵区域的印版。

该团队使用BARS(一种用于制造超硬材料的独特设备)在1,500°c并承受超过5万大气压的压力。所获得的晶体具有几乎完美的原子网格。然后,将小碎片从晶体上切下来,并用它们制成薄板。首先,通过X射线检查评估其质量,然后,在同步加速器源上使用高分辨率衍射法对板进行研究。扫描板后,研究小组获得了高分辨率的摇摆曲线-这些图表帮助他们评估了晶体的结构完善性。

“晶体对辐射的偏转角取决于入射光束的能量和反射的平面。该角称为布拉格角。我们将晶体倾斜这个角度,反射的辐射射到检测器上,然后我们开始摇摆它。得到的摇摆曲线显示了反射辐射的强度与晶体偏转角之间的相关性。然后,我们将摇摆曲线与预先计算的理想晶体的理论曲线进行了比较。” BFU国际科学与研究中心“用于大科学设施的相干X射线光学系统”负责人Snigirev。

分析图表后,研究小组得出结论,尽管晶体板的边缘存在许多缺陷,但其中心仍存在较大的透明区域,占整个板的50%以上。考虑到缺陷通常在钻石的切割和抛光过程中变得可见,因此在X射线光学系统中使用含氮钻石的潜在用途取决于改进这些过程。金刚石晶体用于制造不同的光学元件,例如单色仪,分束器,干涉仪和折射透镜。

这项研究是与VS Sobolev地质与矿物学研究所SB RAS(俄罗斯,新西伯利亚)和德国电子同步加速器DESY(德国,汉堡)的同事共同进行的。

我们感谢BFU国际科学与研究中心“用于大科学的相干X射线光学系统”的科学顾问和初级研究员Nataliya Klimova在本文准备过程中的协助。

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