Veda a výskum

Vysokovýkonná röntgenová optika pre novú generáciu laboratórnych mikrofokusných röntgenových zdrojov

Ing. Matej Jergel, DrSc.

Fyzikálny ústav SAV

Röntgenová (RTG) optika je neoddeliteľnou súčasťou každého RTG zariadenia. Požiadavky na kvalitu aktívnych povrchov RTG optiky (lokálna drsnosť, presnosť tvaru) sú vzhľadom k malým vlnovým dĺžkam v RTG oblasti veľmi prísne. Navyše, kvalita kryštálovej mriežky pod povrchom v prípade difrakčnej RTG optiky nesmie byť narušená opracovaním povrchu. V spolupráci s firmou Integra TDS s.r.o., Piešťany, bola na Fyzikálnom ústave SAV vyvinutá technológia deterministického nanoobrábania RTG povrchov, ktorá spĺňa uvedené požiadavky na subnanometrovej úrovni. Táto technológia umožnila prípraviť kanálikové RTG monochromátory na báze germánia so silne asymetrickými difrakciami na rôznobežných stenách kanálika (V kanálikové monochromátory) optimalizované pre vysoko výkonné mikrofokusné laboratórne RTG zdroje so vstavanou reflexnou optikou. Tieto poskytujú v porovnaní s tradičnými zatavenými RTG trubicami podstatne väčší tok fotónov pri oveľa menšom príkone. Testovacie merania malouhlového RTG rozptylu (SAXS) ukázali trojnásobné zvýšenie rozlíšenia komerčného RTG zariadenia s mikrofokusným zdrojom po aplikácii monochromátora. Tento nový typ kombinovanej reflexnej-difrakčnej RTG optiky tak ďalej posúva limity mikrofokusných laboratórnych RTG zdrojov, čo je osobitne dôležité pre merania slabo rozptyľujúcich nanoštruktúr. Zároveň umožní aspoň časť RTG experimentov vykonávaných dosiaľ výlučne na zdrojoch synchrotrónového žiarenia vykonávať aj v laboratóriu. Uzavretá spolupráca so svetovými výrobcami mikrofokusných RTG zdrojov (Xenocs, Incoatec) zabezpečí komercializáciu nového riešenia RTG optiky. Monochromátory boli navrhnuté novou metódou mapovania parametrov vystupujúceho RTG zväzku v závislosti od uhlov asymetrie oboch difrakcií, ktorá je univerzálne použiteľná pre návrh V-kanálikových monochromátorov s pridanou funkcionalitou kompresie/expanzie RTG zväzku pre aplikácie v RTG metrológii a RTG mikroskopii.

https://doi.org/10.1007/s00170-018-1853-9

https://doi.org/10.1107/S1600576719003674

Image1

Vľavo – schéma V-kanálikového monochromátora s pridanou funkcionalitou kompresie alebo expanzie RTG zväzku v závislosti od smeru jeho šírenia (zľava doprava kompresia, sprava doľava expanzia). Vpravo – germániový V-kanálikový monochromátor pracujúci na difrakci 220 pripravený novou technológiou nanoobrábania.

 

Image2

Príklad teoretického mapovania toku fotónov na výstupe V-kanálikového Ge (220) monochromátora v závislosti od uhlov asymetrie alpha1, alpha2 prvej a druhej difrakcie v kanáliku. Kladné hodnoty uhlov odpovedajú expanzii RTG zväzku a záporné kompresii. Očíslované krivky na mape sú vrstevnice s naznačeným kompresným alebo expanzným pomerom. Výpočet bol robený pre mikrofokusný RTG zdroj Excillum® a dve rôzne vzdialenosti za monochromátorom na základe dynamickej teórie RTG difrakcie metódou sledovania dráhy RTG lúčov (ray tracing). Mapovanie umožnilo návrh monochromátora s maximálne možným tokom fotónov na výstupe.

 

Image3

Difrakčný záznam malouhlového RTG rozptylu (SAXS) kolagénového vlákna meraný na RTG zariadení Nanostar s V-kanálikovým Ge(220) monochromátorom (hore) a bez neho (dole). Šípky ukazujú na difrakciu 1. rádu, ktorá vystupuje z pozadia okolo primárneho lúča v strede a je viditeľná len s monochromátorom. To demonštruje podstatné zvýšenie rozlíšenia. Útvar v strede obrázku je tieň chrániča detektora Pilatus 200K pred primárnym RTG zväzkom, ktorý by mohol spôsobiť poškodenie buniek (pixelov) detektora.