Введение к работе
Актуальность темы, В настоящее время п ряде стран (Великобритания, Голландия, Китай, США, Франция, Россия и др.) ведутся активные исследования в области создания, изучения и применения многослойных рентгеновских зеркал (МРЗ).
По сравнению с традиционными спектральными элементами: дифракционными решётками, кристаллами оргаїпіческой и неорганической природы, многослойными молекулярными плёнками, МРЗ имеют ряд преимуществ. Как и дифракционные решётки МРЗ перекрывают весь диапазон мягкого рентгеновского излучения. При этом эффективность отражения и рабочие утлы МРЗ выше, чем у дифракционных решёток а их стоимость в 3-5 раз ниже. Благодаря высокой угловой дисперсии, требования к точносш механических узлов спектрометров на основе МРЗ оказываются существенно более лучшими по сравнению со случаем приборов на основе дифракционных решёток. По сравнению с кристаллами МРЗ имеют на 2-3 порядка большие интегральные коэффициенты отражения, лучшую радиационную и временную стабильность.
Новые возможности МРЗ открывают в спектроскопии плазмы. Спектральное разрешение на уровне 100 достаточно для разрешения К-линий различных ионизационных состояний лёгких примесей в плазме. Простота, компактность и относительная дешевизна спектрометров на основе МРЗ позволяют создавать многоканальные схемы для изучения локальных характеристик плазмы. Большие рабочие углы МРЗ делают возможным создание стигматических изображающих схем с высоким пространственным разрешением, что является весьма актуальным в работах по инерциальному термоядерному синтезу.
Для более полного использования потенциала многослойной рентгеновской оптики актуальным является повышение эффективности отражения, увеличение разрешающей способности и уменьшение периода МРЗ особенно для использования в области "водяного окна". На качество МРЗ влияет много факторов: качество подложки, периодичность структуры, агрегатное состояние плёнок, диффузионные процессы на границах и др. Для изучения внутреннего строения и процессов происходящих при нагреве МРЗ
актуальной япляется разработка новых методов, позволяющих с ангстремным разрешением изучать эти характеристики.
Цель работы. Целью настоящей работы является:
-
Создание техники изготовления многослойных рентгеновских зеркал методом импульсного лазерного испарения в сверхвысоком вакууме.
-
Создание технолопш супертонкого полирования подложек для многослойных рентгеновских зеркал.
3. Расчет спектральных характеристик МРЗ с произвольной долей
силыюпоглощающего вещества в периоде в мягком рентгеновском диапазоне.
-
Изучение внутреннего строения и процессов, происходящих в МРЗ при высокотемпературном отжиге.
-
Разработка методик тестирования спектральных характеристик многослойных рентгеновских зеркал и дифракционных решёток в области мягкого рентгеновского излучения.
-
Разработка спектрометров мягкого рентгеновского излучения на основе МРЗ для диагностики высокотемпературной плазмы.
Научная новизна. Созданы титан-бериллиевые многослойные рентгеновские зеркала и изучены их отражательные характеристики. В диапазоне длин волн 111-124 А получены рекордные коэффициенты отражения для этой пары материалов. С использованием EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) спектроскопии детально изучено внутреннее строение углеродосодержащік МРЗ, полученных методом импульсного лазерного испарения. Описаны процессы, происходящие в плёнках и на границах при термическом отжиге. На основе этих исследований предложен критерий поиска термостабильных пар
материалов. Разработан ряд спектрометров мягкого рентгеновского нхтучения, нашедших применение на плазменных установках ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН и Инсппута ионизованных газов (г. Падуя, Италия). Показана принципиальная возможность использования этой техники для определения динамики электронной температуры при нагреве плазмы релятивистским электронным пучком на установке ГОЛ-М. Проведено численное, учитывающее многократные отражения, и экспериментальное исследование пропусканій коллиматоров Соллера в мягком рентгеновском диапазоне. Впервые для супертонкого полирования подложек для МРЗ были использованы суспензш на основе ультрадисперсных алмазній микропорошков детонационной природы, имеющие средний размер зерна 50 ангстрем. На ряде материалов получены величины шероховатости соответствующие лучшим мировым достижениям.
Практическая значимость результатов. Разработана технология супертонкого полирования подложек для МРЗ. Эта технология с успехом применяется при изготовлении рентгеновской оптики скользящего падения. Она также является перспективной при изготовлении подложек для прецизионных элементов оптики видимого и ультрафиолетового диапазонов.
Разработана технология напыления высококачественных многослойных рентгеновских зеркал. Зеркала нашли применение в работах по синхротронному излучению в качестве монохроматоров и поляризаторов мягкого рентгеновского излучения. На основе МРЗ созданы спектрометры дня диагностики высокотемпературной плазмы. Изготоатенные зеркала нашли применение не только в России, но и в Чехии, Германии и Италии.
Созданная метрологическая база и технология напыления применяются при изготовлении калиброванных по ишіиескому составу и количеству вещества плёнок различных элементов для рентгено-флюоресцентного анализа.
Проведено исследование внутреннего строения МРЗ. В ходе этого исследования были описаны физические процессы, происходящие в плёнках и на границах при термическом отжиге. Найдены оптимальные температуры отжига, приводящие к увеличение коэффициентов отражения. Предложен критерий поиска термостабильных пар веществ.
Автор выносит на зашиту следующие результаты проделанной работы:
1. Создана сверхвысоковакуумная автоматизированная установка для
напыления многослойных рентгеновских зеркал методом .импульсного лазерного
испарешія.
2. Разработаны стенды и методики тестирования МРЗ и многослойных
дифракционных решеток в ультрамягком рентгеновском диапазоне.
3. Методами EXAFS, WAXS и SAXS спектроскопии изучено внутреннее строение
углеродосодержаших МРЗ. На основе авто-каталігпиеского механизма
графитизации аморфного углерода и одновременной кристаллизации металла
предлагается модель, описывающая процессы, происходящие в углеродо
содержащих структурах при термическом отжиге.
4. Разработан ряд спектрометров для рентгеновской диагностики плазмы.
Продемонстрированы возможности этой техники для спектроскопии плазмы на
установках ГОЛ-М, АМБАЛ-М и RFX (г.Падуя, Италия), а также при
исследовании лазерной плазмы.
5. Разработана оригинальная технология супертонкого полирования элементов
рентгеновской оптики.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, трёх приложений и заключения. Текст иллюстрирован 211 рисунками, список литературы включает в себя 68 наименований.
Апробашгя диссертационной работы. Основные результаты, вошедшие с диссертацию неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких как Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск), Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), Институт микроэлектронных технологий (г. Черноголовка), Институт физики (г. Прага, Чехия), Ядерно-физический центр (г. Карлсруэ, ФРГ). Институт ионизованных газоз (г. Падуя, Италия). Кроме того результаты работы докладывались на Пятом и Шестом Совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (г. Москва, 1990 и г. Санкт-Петербург, 1993 г.),
Девятой, десятой и одиннадцатой Международных конференциях по использованию синхротронного излучения (СИ-90 г. Москва, 1990, СИ-94 г. Новосибирск, 1994 и СИ-96 г. Новосибирск, 1996 ), Четвёртой Международной конференции по приборам для синхротронного излучения (г. Честер, Англия, 1991 г.), Первой Международной конференции по нанотехнолопш, наноэлектронике и криоэлектронике ННК-92 (г. Барнаул, 1992), Четвёртой Международной конференции по рентгеновской микроскопии XRM-93 (г. Черноголовка, 1993 г.), Третьей Международной конференции по применению алмазных плёнок и родственных материалов (США, 1995).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы.
Похожие диссертации на Многослойные рентгеновские зеркала для диагностики плазмы
