ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Статья содержит анализ исследований, связанных с монохроматизацией рентгеновского излучения (РИ) на станциях источников синхротронного излучения (СИ). Представлен обзор монохроматоров, основанных на явлении дифракции рентгеновского излучения на кристаллах, отражены особенности их технической реализации. Даны представления о монохроматорах, в состав которых входят многослойные структуры. Отражены технические проблемы, возникающие при конструировании приборов, и представлены возможные решения. Введение. Описаны возможности использования рентгеновского излучения при проведении научных исследований. Отмечена высокая эффективность источников синхротронного излучения, дана их характеристика. Элементарные сведения о дифракции рентгеновского излучения. Описаны свойства рентгеновского излучения и возможности его использования при исследовании различных материалов. Степень монохроматичности. Важной характеристикой СИ является степень монохроматичности. В зависимости от ширины полосы длин волн выделяют «белый», «розовый» и монохроматический пучки. Для получения «розовых» пучков применяют монохроматоры на основе многослойных структур. Монохроматическое излучение формируется с использованием монокристаллов. При проведении экспериментов с «белыми» пучками монохроматор не используется. Описаны факторы, нарушающие идеальное выполнение условия Вульфа – Брэгга и влияющие на степень монохроматичности (действие тепла, вибрации). Отмечается, что значения отражательной способности при разных углах скольжения пучка имеют различную ширину. Монохроматоры на основе многослойных структур. Периодические структуры, сочетающие тонкие слои из двух разнородных материалов, позволяют получать «розовые» пучки. Полоса пропускания длин волн в таких приборах на один-два порядка больше, чем у монохроматоров, где в качестве оптических элементов используются кристаллы. Конфигурации и геометрия оптических элементов. Различают два вида дифракции РИ на кристалле – дифракцию Брэгга и дифракцию Лауэ. Дифракцию Брэгга относят к отражательной геометрии, дифракция Лауэ основана на прохождении лучей сквозь кристалл. В разделе приведены примеры монохроматоров с различной конфигурацией кристаллов и рентгеновских зеркал. Расположение оптических элементов в монохроматоре играет важную роль в геометрии хода лучей. Проектируя монохроматоры, необходимо учитывать методы фиксации и ориентацию осей вращения оптических элементов. Приведены примеры монохроматоров с различной конфигурацией кристаллов и рентгеновских зеркал. Фокусирующие монохроматоры. Изгибая оптический элемент монохроматора, возможно обеспечить сагиттальный и меридиональный типы деформации. За счет искривленной поверхности кристалла пучок не только монохроматизируется, но и подвергается фокусировке. Современные фокусирующие монохроматоры оснащаются элементами адаптивности, позволяющими изменять радиус кривизны оптического элемента. Приведены примеры практической реализации подобных монохроматоров. Тепловая нагрузка СИ на оптические элементы. СИ характеризуется высокой яркостью и широким спектром излучаемых длин волн. В процессе эксплуатации оптические элементы станций СИ поглощают большое количество тепловой мощности. Проблемы теплоотвода оказывают принципиальное влияние на качество монохроматизации синхротронного излучения. Дополнительно о монохроматорах. Представлены примеры особых конструктивных решений монохроматоров. Заключение. Конструирование монохроматоров актуально для строящегося в Новосибирске источника синхротронного излучения 4+ СКИФ.

1. Monochromators for x-ray synchrotron radiation / R. Caciuffo, S. Melone, F. Rustichelli, A. Boeuf // Physics Reports. – 1987. – Vol. 152 (1). – P. 1–71. – DOI: 10.1016/0370-1573(87)90080-9.

2. Adronova N.V., Kohn V.G., Chechin A.I. Multilayer mirrors as synchrotron radiation monochromators // Nuclear Instruments in Physics Research. – 1986. – Vol. 359 (1–2). – P. 131–134. – DOI: 10.1016/0168-9002(94)01681-x.

3. Willmott P. An Introduction to synchrotron radiation: techniques and applications. – Hoboken: John Wiley & Sons, 2019. – 503 p. – ISBN 9781119280392.

4. Hoffman A. The physics of synchrotron radiation. – New York: Cambridge University Press, 2003. – 362 p.

5. The historical development of cryogenically cooled monochromators for third-generation synchrotron radiation sources / D.H. Bilderback, A.K. Freund, G.S. Knapp, D.M. Mills // Journal of Synchrotron Radiation. – 2000. – Vol. 7 (2). – P. 53–60. – DOI: 10.1107/S0909049500000650.

6. Darwin C.G. The reflexion of x-rays from imperfect crystals // Journal of Science. – 1922. – Vol. 43 (257). –P. 800–829. – DOI: 10.1080/14786442208633940.

7. Adronova N.V., Kohn V.G., Chechin A.I. Multilayer mirrors as synchrotron radiation monochromators // Nuclear Instruments in Physics Research. – 1986. – Vol. 359 (1–2). – P. 131–134. – DOI: 10.1016/0168-9002(94)01681-x.

8. High-efficiency coherence-preserving harmonic rejection with crystal optics / F. Zhang, A.J. Allen, L.E. Levine, G.G. Long, I. Kuzmenko, J. Ilavsky // Journal of Synchrotron Radiation. – 2018. – Vol. 25 (5). – P. 1354–1361. – DOI: 10.1107/S1600577518009645.

9. Hart M., Berman L. X-ray optics for synchrotron radiation. Perfect crystals, Mirrors and Multilayers // Acta Crystallographica. Section A. – 1998. – Vol. 54 (6). – P. 850–858. – DOI: 10.1107/S0108767398011283.

10. Проект двухзеркального монохроматора на диапазон энергий 8–36 keV для синхротрона «СКИФ» / Н.И. Чхало, С.А. Гарахин, И.В. Малышев, В.Н. Полковников, М.Н. Торопов, Н.Н. Салащенко, Б.А. Уласевич, Я.В. Ракшун, В.А. Чернов, И.П. Долбня, С.В. Ращенко // Журнал технической физики. – 2022. – Т. 92, вып. 8. – С. 1261–1266. – DOI: 10.21883/JTF.2022.08.52794.100-22.

11. Многослойные зеркала Ru/Sr для спектрального диапазона 9–12 nm / Р.А. Шапошников, С.Ю. Зуев, В.Н. Полковников, Н.Н. Салащенко, Н.И. Чхало // Журнал технической физики. – 2022. – Т. 92, вып. 8. – С. 1179–1184. – DOI: 10.21883/JTF.2022.08.52780.124-22.

12. Double multilayer monochromator to tailor bending magnet radiation spectrum / T. Bigault, E. Ziegler, C. Morawe, R. Hustache, J.Y. Massonnat, G. Rostaing // Proceedings of SPIE. – 2003. – Vol. 5195 (1): Crystals, Multilayers, and Other Synchrotron Optics. – P. 12–20. – DOI: 10.1117/12.515980.

13. Three-dimensional X-ray microtomography / B.P. Flannery, H.W. Deckman, W.G. Roberge, K.L. D’Amico // Science. – 1987. – Vol. 237 (4821). – P. 1439–1444. – DOI: 10.1126/science.237.4821.1439.

14. Comparative study of multilayers used in monochromators for synchrotron-based coherent hard X-ray imaging / A. Rack, T. Weitkamp, M. Riotte, D. Grigoriev, T. Rack, L. Helfen, T. Baumbach, R. Dietsch, T. Holz, M. Kramer, F. Siewert, M. Meduna, P. Cloetens, E. Ziegler // Journal of Synchrotron Radiation. – 2010. – Vol. 17 (4). – P. 496–510. – DOI: 10.1107/S0909049510011623.

15. High-efficiency tunable X-ray focusing optics using mirrors and laterally-grated multilayers / E. Ziegler, O. Hignette, Ch. Morawe, R.  Tucoulou // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. – 2001. – Vol. 467–468 (2). – P. 954–957. – DOI: 10.1016/S0168-9002(01)00533-2.

16. Survey of Ti-, B-, and Y-based soft x-ray – extreme ultraviolet multilayer mirrors for the 2- to 12-nm wavelength region / C. Montcalm, A. Kearney, J.M. Slaughter, B.T. Sullivan, M. Chaker, H. Pepin, Ch.M. Falco // Applied Optics. – 1996. – Vol. 35 (25). – P. 5134–5147. – DOI: 10.1364/ao.35.005134.

17. Davis B, Stempel W.M. An experimental study of the reflection of x-rays from calcite // Physical Review. – 1921. – Vol. 17 (5). – P. 608–623. – DOI: 10.1103/physrev.17.608.

18. Punegov V.I. X-ray Laue diffraction by sectioned multilayers. I. Pendellosung effect and rocking curve // Journal of Synchrotron Radiation. – 2021. – Vol. 28 (5). – P. 1466–1475. – DOI: 10.1107/S1600577521006408.

19. DuMond J.W.M. Theory of use of more than two successive X-ray crystal reflections to obtain increased resolving power // Physical Review. – 1937. – Vol. 52 (8). – P. 872–883. – DOI: 10.1103/physrev.52.872.

20. Kohn V.G., Chumakov A.I., Ruffer R. Wave theory of focusing monochromator of synchrotron radiation // Journal of Synchrotron Radiation. – 2009. – Vol. 19 (5). – P.635–641. – DOI: 10.1107/S090904950902319X.

21. Crystal monochromator with a resolution beyond 10⁸ / T.S. Toellner, M.Y. Hu, W. Sturhahn, G. Bortel, E.E. Alp, J. Zhao // Journal of Synchrotron Radiation. – 2001. – Vol. 8 (4). – P. 1082–1086. – DOI: 10.1107/s0909049501007257.

22. Gog T. Performance of quartz- and sapphire-based double-crystal high-resolution (∼10 meV) RIXS monochromators under varying power loads // Journal of Synchrotron Radiation. – 2018. – Vol. 25 (4). – P. 1030–1035. – DOI: 10.1107/S1600577518005945.

23. A concept of «materials» diffraction and imaging beamline for SKIF: Siberian circular photon source / V.A. Chernov, I.A. Bataev, Ya.V. Rakshun [et al.] // Review of Scientific Instruments. – 2023. – Vol. 94 (1). – P. 013305. – DOI: 10.1063/5.0103481.

24. Designing a universal undulator beamline for material science: a conceptual approach / I.P. Dolbnya, I.A. Bataev, Ya.V. Rakshun [et al.] // Journal of Surface Investigation: X-ray Synchrotron and Neutron Techniques. – 2024. – Vol. 17 (suppl. 1). – P. 77–89. – DOI: 10.1134/S1027451023070091.

25. Toellner T.S. Six-reflection meV-monochromator for synchrotron radiation // Journal of Synchrotron Radiation. – 2011. – Vol. 18 (4). – P. 605–611. – DOI: 10.1107/S0909049511017535.

26. Authier A. Optical properties of X-rays – dynamical diffraction // Acta Crystallographica. Section A. – 2012. – Vol. 68 (1). – P. 40–56. – DOI: 10.1107/S0108767311040219.

27. Исследование атомной, кристаллической, доменной структуры материалов на основе анализа дифракционных и абсорбционных рентгеновских данных (Обзор) / М.Е. Бойко, М.Д. Шарков, А.М. Бойко, С.Г. Конников, А.В. Бобыль, Н.С. Будкина // Журнал технической физики. – 2015. – Т. 85, вып. 11. – С. 1–29.

28. Diamond channel-cut crystals for high-heat-load beam-multiplexing narrow-band X-ray monochromators / Y. Shvyd’ko, S. Terentyev, V. Blank, T. Kolodziej // Journal of Synchrotron Radiation. – 2021. – Vol. 28 (6). – P. 1720–1728. – DOI: 10.1107/S1600577521007943.

29. Design and performance of an ultra-high-vacuum-compatible artificial channel-cut monochromator / S. Narayan, A. Sandy, D. Shu, M. Sprung, C. Preissner, J. Sullivan // Journal of Synchrotron Radiation. – 2007. – Vol. 15 (1). – P. 12–18. – DOI: 10.1107/S090904950705340X.

30. Hrdy J., Mikulik P., Oberta P. Diffractive-refractive optics: (+, –, –, +) X-ray crystal monochromator with harmonics separation // Journal of Synchrotron Radiation. – 2011. – Vol. 18 (2). – P. 299–301. – DOI: 10.1107/S0909049510049204.

31. Hrdy J. Diffractive-refractive optics: X-ray splitter // Journal of Synchrotron Radiation. – 2009. – Vol. 17 (1). – P. 129–131. – DOI: 10.1107/S090904950904240X.

32. Performance of nearly fixed offset asymmetric channel-cut crystals for x-ray monochromators / R. Frahm, Q. Diao, V. Murzin, B. Bornmann, D. Lutzenkirchen-Hecht, Z. Hong, T. Li // Journal of Synchrotron Radiation. – 2019. – Vol. 26 (6). – P. 1879–1886. – DOI: 10.1107/S1600577519011123.

33. Malgrange C. X-ray optics for synchrotron radiation // Acta Physica Polonica. – 1992. – Vol. 82 (1). – P. 13–32.

34. Фетисов Г.В. Синхротронное излучение: методы исследования структуры веществ. – М.: Физмалит, 2007. – 672 p. – ISBN 978-5-9221-0805-8.

35. Hastings J.B. X-ray optics and monochromators for synchrotron radiation // Journal of Applied Physics. – 1977. – Vol. 48 (4). – P. 1576–1584. – DOI: 10.1063/1.323836.

36. González A. X-ray crystallography: data collection strategies and resources // Comprehensive Biophysics. Vol. 1. – Elsevier, 2012. – P. 64–91. – DOI: 10.1016/B978-0-12-374920-8.00106-5.

37. Hrdy J. Fixed-exit channel-cut crystal X-ray monochromators for synchrotron radiation // Journal of Physics. – 1989. – Vol. 39 (3). – P. 261–265. – DOI: 10.1007/BF01597779.

38. Fly-scan-oriented motion analyses and upgraded beamline integration architecture for the High-Dynamic Double-Crystal Monochromator at Sirius/LNLS / R.R. Geraldes, S.A.L. Luiz, J.L. de Brito Neto, T.R.S. Soares, R.D. dos Reis, G.A. Calligaris, G. Witvoet, J.P.M.B. Vermeulen // Journal of Synchrotron Radiation. – 2022. – Vol. 30 (1). – P. 90–110. – DOI: 10.1107/S1600577522010724.

39. Golovchenko J.A., Levesque R.A., Cowan P.L. X?ray monochromator system for use with synchrotron radiation sources // Review of Scientific Instruments. – 1981. – Vol. 52 (4). – P. 509–516. – DOI: 10.1063/1.1136631.

40. Baronova E.O., Stepanenko M.M., Pereira N.R. Cauchois–Johansson X-ray spectrograph for 1.5–400 keV energy range // Review of Scientific Instruments. – 2001. – Vol. 72 (2). – P. 1416–1420. – DOI: 10.1063/1.1324754.

41. Johann H.H. Die Erzeugung lichtstarker Rontgenspektren mit Hilfe von Konkavkristallen // Physik. – 1931. – Vol. 69 (3–4). – P. 185–206. – DOI: 10.1007/bf01798121.

42. Johansson T. Uber ein neuartiges, genau fokussierendes Rongenspektrometer // Physik. – 1933. – Vol. 82 (7–8). – P. 507–528. – DOI: 10.1007/bf01342254.

43. Development of a bent Laue beam-expanding double-crystal monochromator for biomedical X-ray imaging / M. Martinson, N. Samadi, G. Belev, B. Bassey, R. Lewis, G. Aulakh, D. Chapman // Journal of Synchrotron Radiation. – 2014. – Vol. 21 (3). – P. 479–483. – DOI: 10.1107/S1600577514003014.

44. Sagittal focusing of high-energy synchrotron X-rays with asymmetric Laue crystals. I. Theoretical considerations / Z. Zhong, C.C. Kao, D.P. Siddons, J.B. Hastings // Journal of Applied Crystallography. – 2001. – Vol. 34 (4). – P. 504–509. – DOI: 10.1107/S0021889801006409.

45. Guigay J., del Rio M.S. X-ray focusing by bent crystals: focal positions as predicted by the crystal lens equation and the dynamical diffraction theory // Journal of Synchrotron Radiation. – 2021. – Vol. 29 (1). – P. 148–158. – DOI: 10.1107/S1600577521012480.

46. High-power-load DCLM monochromator for a computed tomography program at BMIT at energies of 25–150 keV / T.W. Wysokinski, M. Renier, P. Suortti, G. Belev, L. Ruosset, M. Adam, D. Miller, N. Huber, L.D. Chapman // Journal of Synchrotron Radiation. – 2018. – Vol. 25 (5). – P. 1548–1555. – DOI: 10.1107/S1600577518008639.

47. Performance of bent-crystal monochromators for high-energy synchrotron radiation / H. Yamaoka, N. Hiraoka, M. Ito, M. Mizumaki, Y. Sakurai, Y. Kakutani, A. Koizumi, N. Sakai, Y. Higashi // Journal of Synchrotron Radiation. – 1999. – Vol. 7 (2). – P. 69–77. – DOI: 10.1107/S090904959901691X.

48. A sagittally focusing double-multilayer monochromator for ultrafast X-ray imaging applications / Y. Wang, S. Narayanan, J. Liu, D. Shu, A. Mashayekhi, J. Qian, J. Wang // Journal of Synchrotron Radiation. – 2006. – Vol. 14 (1). – P. 138–143. – DOI: 10.1107/S0909049506050205.

49. Phase-space matching between bent Laue and flat Bragg crystals / Z. Zhong, M. Hasnah, A. Broadbent, E. Dooryhee, M. Lucas // Journal of Synchrotron Radiation. – 2019. – Vol. 26 (6). – P. 1917–1923. – DOI: 10.1107/S1600577519010774.

50. Bilderback D.H. The potential of cryogenic silicon and germanium X-ray monochromators for use with large synchrotron heat loads // Nuclear Instruments in Physics Research. – 1986. – Vol. 246 (1–3). – P. 434–436. – DOI: 10.1016/0168-9002(86)90126-9.

51. Shvyd’ko Y.V. High-reflectivity high-resolution X-ray crystal optics with diamonds // Nature Physics. – 2010. – Vol. 6 (3). – P. 196–200.

52. Cryogenic monochromator as a solution to undulator heat loads at third generation synchrotron sources / G.S. Knapp, C.S. Rogers, M.A. Beno, C.L. Wiley, G. Jennings, P.L. Cowan // Review of Scientific Instruments. – 1995. – Vol. 66 (2). – P. 2138–2140. – DOI: 10.1063/1.1145752.

53. Lee W., Fernandez P., Mills M. Performance limits of direct cryogenically cooled silicon monochromators – experimental results at the APS // Journal of Synchrotron Radiation. – 1999. – Vol. 7 (1). – P. 12–17. – DOI: 10.1107/S0909049599014478.

54. Cryo-cooled silicon crystal monochromators: a study of power load, temperature and deformation / H. Khosroabadi, L. Alianelli, D.G. Porter, S. Collins, K. Sawhney // Journal of Synchrotron Radiation. – 2022. – Vol. 29 (2). – P. 377–385. – DOI: 10.1107/S160057752200039X.

55. Feedback system of a liquid-nitrogen-cooled double-crystal monochromator: design and performances / O. Proux, V. Nassif, A. Prat, O. Ulrich, E. Lahera, X. Biquard, J. Menthonnex, J. Hazemann // Journal of Synchrotron Radiation. – 2005. – Vol. 13 (1). – P. 59–68. – DOI: 10.1107/S0909049505037441.

56. Adaptive vibration control method for double-crystal monochromator base on VMD and FxNLMS / Y. Bai, X. Gong, Q. Lu, Y. Song, W. Zhu., S. Xue, D. Wang, Z. Peng, Z. Zhang // Journal of Synchrotron Radiation. – 2023. – Vol. 30 (2). – P. 308–318. – DOI: 10.1107/S1600577523000528.

57. Performance of a silicon monochromator under high heat load / A.I. Chumakov, I. Sergeev, J. Celse, R. Ruffer, M. Lesourd, L. Zhang, M.S. del Rio // Journal of Synchrotron Radiation. – 2014. – Vol. 21 (2). – P. 315–324. – DOI: 10.1107/S1600577513033158.

58. A water-cooled monochromator for the B16 Test beamline at the Diamond Light source: capabilities and performance characterization / I.P. Dolbnya, K.J.S. Sawhney, S.M. Scott, A.J. Dent, G. Cibin, G.M. Preece, U.K. Pedersen, J. Kelly, P. Murray // Journal of Synchrotron Radiation. – 2018. – Vol. 26 (1). – P. 253–262. – DOI: 10.1107/S1600577518014662.

59. Geraldes R.R., Witvoet G., Vermeulen J.P.M.B. The mechatronic architecture and design of the High-Dynamic Double-Crystal Monochromator for Sirius light source // Precision Engineering. – 2022. – Vol. 77 (5). – P. 110–126. – DOI: 10.1016/j.precisioneng.2022.05.009.

60. Hard-X-ray spectroscopy with a spectrographic approach / A.I. Chumakov, Y. Shvyd’ko, I. Sergueev, D. Bessas, R. Ruffer // Physical Review Letters. – 2019. – Vol. 123 (9). – DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.097402.

61. Yabashi M., Tamasaku K., Ishikawa T. Characterization of the Transverse Coherence of hard synchrotron radiation by intensity interferometry // Physical Review Letters. – 2001. – Vol. 87 (14). – DOI: 10.1103/physrevlett.87.140801.