Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Научной группой МНИЦ "Когерентная рентгеновская оптика для установок "Мегасайенс" за отчетный период были выполнены работы по разработке, экспериментальному исследованию и тестированию оптических схем методов прямой и фазовой диагностики синхротронных рентгеновских источников. В ходе выполнения проекта были предложены и теоретически описаны соответствующие оптические схемы, выполнены оценки их параметров, а также проведено их компьютерное моделирование с использованием самостоятельно разрабатываемого программного продукта, позволяющего выполнить численные расчеты процессов распространения рентгеновского излучения и его рассеяния на элементах рентгеновской оптики. Было показано, что в случае генерации излучения при помощи поворотных магнитов или лабораторных источников на основе рентгеновских трубок, метод прямой визуализации источника является наиболее эффективным для измерения размеров источника и наблюдения его внутренней структуры. Однако применение рассматриваемого подхода с использованием камеры-обскуры невозможно для изображения ондуляторных источников, в том числе дифракционно-ограниченных источников нового поколения, где угловая расходимость генерируемого пучка определяется естественной дифракционной расходимостью. При этом метод прямой визуализации источника с использованием составных преломляющих линз позволяет формировать изображение ондуляторного источника с хорошим пространственным разрешением, определяемым дифракционным пределом соответствующей оптической схемы. С другой стороны разработанный фазовой метод имеет высокую эффективность для диагностики ондуляторных источников, в том числе дифракционно-ограниченных. Данный подход позволяет не только измерить размеры источника, но и определить степень пространственной когерентности формируемого им пучка в разных частях оптического пути синхротронной станции. Кроме того было продемонстрировано, что разработанные методы диагностики позволяют наблюдать как пространственную структуру источника так и особенности фазовой структуры волнового фронта генерируемого им пучка. Изучение влияния особенностей формирования ондуляторного источника на свойства генерируемого излучения имеет важное значение для разработки эффективных методов диагностики источника. Сегодня это становится особенно актуальным ввиду стремительного развития существующих источников синхротронного излучения, а также строительства новых источников 4-ого поколения с предельно малым эмиттансом и высокой яркостью источника, способствующих развитию методов рентгеновских исследований полноценно использующих уникальные лазероподобные свойства формируемого пучка. Очевидно, что наблюдаемые особенности формирования источника могут оказывать значительное влияние на результаты исследований, в различных областях биологии, медицины, химии, физики и материаловедения, полученные с использованием современных когерентных методов исследования, чувствительных к изменению оптических свойств генерируемого рентгеновского излучения. В рамках первого года проекта были выполнены теоретические и экспериментальные исследования особенностей формирования ондуляторного источника. Впервые продемонстрирована зависимость размера рентгеновского источника, генерируемого в ондуляторе, от энергии электронного пучка формируемого в накопительном кольце синхротрона, проведено экспериментальное наблюдение эффектов искажения рентгеновского источника во время инжекции дополнительных электронных сгустков в накопительное кольцо, а также выполнено исследование зависимости формы рентгеновского источника от параметров ондулятора. Стоит отметить, что экспериментальные результаты по наблюдению особенностей формирования источника были получены с использованием разработанных методов прямой и фазовой диагностики источника. Разработанные методы диагностики и мониторинга применимы не только для существующих синхротронных источников, но и для новых, строящихся источников 4-го поколения, а также рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Кроме того, в рамках проекта были рассмотрены вопросы взаимодействия когерентного рентгеновского излучения с микроструктурированными и монокристаллическими рентгенооптическими материалами, оценен вклад структурных особенностей в эффекты рассеяния и фокусировки излучения. Стоит отметить, что высокая пространственная когерентность современных источников СИ и лазеров на свободных электронах является причиной пересмотра используемой рентгеновской оптики с целью сохранения и эффективного использования всего потенциала самых современных и дифракционно-ограниченных электронно-оптических систем генерации СИ. С использованием высококогерентных источников синхротронного излучения 3-го поколения (ESRF, PETRA III/DESY) был комплексно исследован вопрос особенностей взаимодействия рентгеновского излучения с наиболее перспективными материалами рентгеновской оптики - алмаз и бериллий. На примере бериллиевой преломляющей рентгеновской оптики был исследован процесс формирования спекл-структуры в режиме когерентной рентгеновской высокоразрешающей микроскопии. Было экспериментально продемонстрировано, что неоднородную внутреннюю трехмерную матрицу в бериллии формирует зеренная микроструктура и неравномерное распределение примесных элементов, что является ключевым фактором и приводит к формированию когерентных дифракционных изображений этой зеренной структуры в малых углах, согласно их размерному фактору и длине волны излучения. Показано, что влияние микроструктуры в бериллиевой оптике может приводить к существенному ослаблению интенсивности излучения в оптической схеме (до 50%), а также является причиной случайных вариаций волнового фронта излучения и снижения фазовой чувствительности в методах когерентного имиджинга и микроскопии. Были проведены комплексные исследования широкого спектра марок оптического бериллия российского и зарубежного производства с целью сравнения их рентгенооптических свойств, а также разработки модели формирования спекл-структуры. Второй частью работ по исследованию механизма взаимодействия материалов рентгеновской оптики с когерентным РИ стало исследование эффекта дифракционных потерь (до 40%) в случае монокристаллической оптики, изготовленной из совершенного алмаза, возникающий при выполнении условий на дифракцию излучения. Экспериментальные исследования позволили показать реальную эффективность монокристаллических элементов рентгеновской оптики на примере алмаза в широком энергетическом диапазоне. Важным результатом работы является разработанная модель, позволяющая прогнозировать и минимизировать дифракционные потери (до 10%) изменяя кристаллографическую ориентацию оптических элементов относительно падающего излучения. Предложенные подходы по минимизации дифракционных эффектов, заключаются в использовании набора индивидуальных преломляющих линз вместо монокристаллического алмазного чипа. Дополнительно проведены исследования зависимости эффекта дифракционных потерь от параметров и расходимости источника РИ. На основе полученных экспериментальных результатов были разработаны и описаны феноменологические модели взаимодействия когерентного РИ с используемыми материалами рентгеновской оптики, а также сформулированы рекомендации по минимизации потерь интенсивности и повышению эффективности существующих рентгенооптических систем. Экспериментальные исследования в рамках проекта проводились с использованием научно-технической базы и оборудования МНИЦ на базе уникальной научной установки (УНУ) – “Научно-образовательный тренировочный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований” (Балтийского Федерального Университета им. И.Канта, Калининград, Россия), а также на современных источниках синхротронного излучения (СИ) 2-го и 3-го поколения: Курчатовский Источник Синхротронного Излучения (КИСИ, Москва, Россия), Европейский Центр Синхротронных исследований (ESRF, Гренобль, Франция), Немецкий синхротронный источник PETRAIII (DESY, Гамбург, Германия), Diamond Light Source (Оксфордшир, Великобритания). Также научной группой была успешно выполнена научно-исследовательская работа по теме “Диагностика источников рентгеновского излучения и тестирование прототипов преломляющих рентгеновских линз и компактных трансфокаторов, изготовленных в БФУ им. И. Канта” для партнера - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, являющегося участником строительства установки класса “Мегасайенс” - источника синхротронного излучения поколения «4+» «СКИФ» (ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов»). Таким образом, в рамках работ по 1-му этапу проекта РНФ была полностью решена задача по разработки комплекса методов высокоразрешающей диагностики источника в режиме реального времени, его прецизионного мониторинга и контроля генерируемого им пучка на всем пути его распространения начиная от канала выхода излучения (front-end). Проведены комплексные исследования металлической и алмазной преломляющей рентгеновской оптики, необходимой для эффективного транспорта, коллимации и фокусировки высокоэнергетичного когерентного СИ, рассмотрены эффекты возможных потерь интенсивности и предложены подходы минимизации нежелательного влияния оптических материалов на свойства СИ. Практическая значимость выполненных работ обусловлена задачей полностью раскрыть и использовать потенциал источников СИ нового поколения. Очевидно, что разработанные подходы диагностики источника совместно с использованием новой преломляющей оптики, позволят вывести синхротроны 4-го поколения на качественно новый уровень. Такой комплексный “когерентный” подход позволит существенно расширит спектр возможностей Российских уникальных научных установок класса «Мегасайенс», крупных исследовательских инфраструктур на территории России, обеспечивающих доступ к новым компетенциям и ресурсам исходя из национальных интересов Российской Федерации.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Научной группой МНИЦ "Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс" были выполнены работы по разработке и исследованию методов транспорта, подготовки и формирования пучка синхротронного излучения для обновленных источников 3-го и дифракционно-ограниченных источников 4-го поколения с целью сохранения когерентных свойств. Разработанные методы транспорта пучка на основе перестраиваемой рентгеновской оптики были экспериментально исследованы и теоретически описаны, представлены соответствующие оценки и результаты компьютерного моделирования. Поскольку главным технологическим нововведением на новых источниках синхротронного излучения (СИ) планируется разработка оптических схем для внедрение преломляющей рентгеновской оптики во «front-end» секцию, в рамках выполнения второго этапа проекта были проведены исследования радиационной стойкости рентгенооптических материалов, рассмотрены вопросы влияния их внутренней структуры, а также качества оптических поверхностей элементов рентгеновской оптики на волновой фронт пучка. Кроме того, были продемонстрированы особенности влияния механической стабильности монохроматоров и сплиттеров на эффективный размер источника СИ. Проведено исследования оптических эффектов связанных с аномальной дисперсией в области скачков поглощения материалов рентгеновских преломляющих линз, а также рассмотрены принципы взаимодействия когерентного излучения со слабо поглощающими высокодисперсными средами. Дополнительно были разработаны методы подготовки и формирования рентгеновского пучка, позволяющие управлять его основными параметрами, такими как форма, расходимость и степень пространственной когерентности. Экспериментальные исследования проводились с использованием научно-технической базы и оборудования МНИЦ на базе уникальной научной установки (УНУ) – “Научно-образовательный тренировочный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований”, Балтийского Федерального Университета им. И.Канта (Калининград, Россия), а также на современных источниках синхротронного излучения (СИ) 2-го и 3-го поколения: Курчатовский Источник Синхротронного Излучения (КИСИ), Москва, Россия; Европейский Центр Синхротронных исследований (ESRF), Гренобль, Франция; Немецкий синхротронный источник PETRAIII (DESY), Гамбург, Германия. Также научной группой была успешно выполнена научно-исследовательская работа по теме “Исследование материалов и элементов алмазной рентгеновской оптики для установок “Мегасайенс” для заказчика - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, являющегося участником строительства установки класса “Мегасайенс” - источника синхротронного излучения поколения «4+» «СКИФ» (ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов»). В отчете представлены результаты исследования и тестирования элементов алмазной рентгеновской оптики, а также диагностики лабораторного источника рентгеновского излучения на базе разработанного в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» специального научно-испытательного стенда для диагностики материалов и элементов алмазной рентгеновской оптики на основе жидкометаллического рентгеновского источника. При поддержке российского научного фонда (РНФ) была проведена международная Балтийская школа (International Baltic School 2020: New Opportunities of MegaScience Facilities) [http://xoptics.ru/ibs2020/]. В рамках реализации плана 2-го этапа проекта российского научного фонда (РНФ) “Когерентная рентгеновская оптика и методы на ее основе для высокоэнергетичных дифракционно ограниченных источников” (№19-72-30009) было опубликовано 15 научных работ [http://xoptics.ru/work/papers/]. Таким образом, в рамках работ по 2-му этапу проекта РНФ была полностью решена задача по разработке и исследованию методов транспорта, подготовки и формирования пучка синхротронного излучения для обновленных источников 3-го и дифракционно-ограниченных источников 4-го поколения. Практическая значимость выполненных работ обусловлена задачей полностью раскрыть и использовать потенциал источников синхротронного излучения нового поколения. Успешная реализация данного проекта позволит существенно расширить спектр возможностей Российских уникальных научных установок класса «Мегасайенс», а также обеспечит развитие научно-исследовательских инфраструктур на территории России, предоставляющих доступ к новым компетенциям и ресурсам исходя из национальных интересов Российской Федерации.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Научной группой МНИЦ "Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс" были разработаны методы субмикронной фокусировки излучения, управления плотностью потока и формирования сложного волнового фронта высокоэнергетического рентгеновского пучка на основе элементов преломляющей оптики. В качестве такой оптики были экспериментально исследованы и теоретически описаны оптические свойства планарных кремниевых составных преломляющих линз, алмазных микролинз, кремниевого планарного 100-линзового интерферометра, и преломляющего конического аксикона. Метод расширения пучка на основе 100-линзового интерферометра имеет огромный потенциал применения на современных источниках синхротронного излучения, а также на новых источниках 4-го поколения и лазерах на свободных электронах в качестве устройства подготовки и транспорта пучка рентгеновского излучения. Интерферометр способен с одинаковой эффективностью преобразовать падающий на него коллимированный пучок в расширяющийся пучок с угловым размером, независящем от поперечного размера исходного пучка, при этом сохраняя его когерентные свойства. Также был предложен еще один оптический элемент для управлением формой пучка - рентгеновский параболический аксикон, который способен преобразовать падающее на него когерентное рентгеновское излучение в узкий сходящийся осевой отрезок, распространяющийся вдоль оптической оси. Предложена оптическая система, состоящая из рентгеновских преломляющих конических аксиконов и традиционных параболических преломляющих линз. Такая комбинация линз позволяет гибко регулировать размер сфокусированного кольцевого пучка, создаваемого аксиконами, путем изменения их количества в оптической системе, при этом сохраняя ее фокусное расстояние. Предложен метод субмикронной фокусировки, с использованием эллиптического капилляра и параболического аксикона. Предложенный метод фазово-контрастной микроскопии был экспериментально продемонстрирован на исследовательской станции ID06 ESRF, где на примере исследования структуры зонной пластинки Френеля удалось значительно увеличить контраст ее изображения с 10 до 40%, по сравнению с традиционным методом рентгеновской микроскопии. Дополнительно были разработан новый метод фазово-чувствительной визуализации на основе двухлинзового интерферометра, позволяющий измерять абсолютные значения фазового сдвига волны, создаваемого образцом, расположенным перед интерферометром. Исследуемый образец также может быть размещен в фокальной плоскости составных преломляющих линз двухлинзового интерферометра учитывая, что интерферометр формирует два ограниченных дифракционным пределом фокальных пятна размером до нескольких десятков нанометров, разделенных расстоянием в несколько десятков микрометров. В этом случае малый размер сфокусированных пучков, обеспечивает отличную фазовую чувствительность и высокое пространственное разрешение. В рамках проведенных исследований был реализован метод рентгеновской высокоразрешающей топографии и было произведено исследование качества кристаллической структуры алмаза рентгеновской оптики, являющейся наиболее перспективной для использования на синхротронных источника 4-го поколения. В результате выполненных исследований была произведена оценка размера бездефектных областей алмазных пластин, подходящих для монохроматизации синхротронного излучения. Результатом проведенных исследований стала демонстрация возможности использования метода высокоразрешающей топографии на современных лабораторных микрофокусных источниках. В рамках развития технологии изготовления оптики с использованием метода ионно-лучевой литографии, были изготовлены элементы микрооптики из разных материалов. Были изготовлены линзы из монокристаллического алмаза с большей числовой апертурой, которые были собраны в наборы (СПЛ) в рамках одного технологического процесса с высокой точностью позиционирования. Оптические характеристики алмазной микрооптики были успешно протестированы на синхротронном источнике третьего поколения, где линзы обеспечивали дифракционно-ограниченную фокусировку рентгеновского излучения. Также было экспериментально продемонстрирована возможность изготовления высокоразрешающей микрооптики из аморфных материалов, которая не имеет паразитного рассеяния и спеклов при использовании в когерентном рентгеновском излучении. Использование линз из таких материалов позволит получить высокоразрешающую оптику нового поколения для современных источников СИ. В рамках проведенных исследований были исследованы рентгеновские микролинзы, изготовленные из рентгеноаморфного полимера методом двухфотонной лазерной литографии. В результате проведенных исследований была произведена оценка способности полимерных микролинз к формированию и передаче изображения в режиме когерентной рентгеновской микроскопии. Отличительной особенностью разработанного нового объектива стала возможность реализации компактной оптической схемы высокоразрешающего рентгеновского микроскопа с расстоянием между образцом и камерой менее 1 м. Экспериментально достигнутое пространственное разрешение микрообъектива составило 200 нм. Экспериментально было продемонстрировано, что фазово-контрастный микроскоп по типу Цернике может быть успешно реализован в области жесткого рентгеновского излучения с помощью бериллиевых СПЛ с небольшими изменениями стандартной оптической схемы микроскопа как для монохроматического, так и для частично монохроматического излучения. Также было продемонстрировано, что получение фазового контраста возможно при ширине полосы излучения ΔE/E = 0,3×10-2, и были представлены аргументы в пользу того, что допустимы гораздо более низкое энергетическое разрешение, что позволяет предположить, что фазово-контрастный Цернике микроскоп может быть использован и в розовом пучке. В ходе данной работы был применен метод высокоразрешающей рентгеновской микроскопии для исследования образцов в ячейках с алмазными наковальнями. Предложенный и успешно реализованный метод значительно упростил процесс юстировки оптической схемы, требующей точное размещение образца в сфокусированном пучке рентгеновского излучения, с помощью которого записывались дифракционные данные, а также существенно расширил возможности научно-исследовательской станции на современном источнике синхротронного излучения. Кроме того, с помощью метода рентгеновской микроскопии был тщательно исследован процесс плавления образца в ходе лазерного нагрева, что согласуется результатами рентгеновской дифракции и современными физическими представлениями. Продемонстрирована возможность использования метода высокоразрешающей рентгеновской радиографии с использованием лабораторного микрофокусного источника “SynchrotronLike”. Предложенный метод анализа радиографических и оптических изображений, позволил обнаружить участки формирующегося микроокружения соединительной ткани на поверхности коллагеновых матрицы. Проведенные исследования показали, что метод высокоразрешающей рентгенографии позволяет развивать новые методы диагностики слабо-поглощающих биологических объектов и анализировать их внутреннюю микроструктуру в режиме высокоразрешающей рентгенографии в лабораторных условиях. Благодаря применению разработанного метрологического подхода по анализу рентгеновских изображений совместно с возможностями метода высокоразрешающей рентгенографии, применяемом на лабораторном комплексе, была существенно усовершенствована технология изготовления линз с минимизированным поглощением рентгеновского излучения. Регулярные режимы прессования алюминиевых линз позволяют получать расстояние между преломляющими поверхностями 10 мкм. Предложенные методы совершенствования технологии изготовления линз позволяют перейти к минимально достижимым размерам перешейка 7 мкм.Таким образом, предложенный подход позволяет осуществлять работы по изготовлению рентгеновских преломляющих линз, соответствующих требованиям современных источников синхротронного излучения Представлены результаты комплексного исследования возможности использования композита карбида бора как перспективного материала для создания рентгеновских оптических элементов Предложен новый метод расчета профилей распределения объемных долей в объеме материалов, основанный на анализе формы гистограмм отдельных сечений трехмерного изображения рентгеновской компьютерной микротомографии. На примере исследования образов B4C-С показано, что разработанный метод применим для анализа распределения фаз композиционных материалов. С помощью метода рентгеновской компьютерной томографии исследована внутренняя структура металлокерамического композита TiNi–TiB2. Установлена взаимосвязь между аддитивным способом синтеза и формируемой слоистой структурой по направлению выращивания в материале образцов. Предложенный метод неразрушающего контроля с использованием анализа и расчетов характеристик внутренней структуры материалов может быть использован для оптимизации параметров технологии наплавки порошка, что позволит аддитивным способом получать изделия более монолитной и однородной структуры. На основе составных преломляющих рентгеновских линз были разработаны новые когерентно-совместимые рентгеновские методы исследования: рефлекто-интерферометрия и Фурье-дифрактометрия. Рентгеновская рефлекто-интерферометрия имеет ряд преимуществ по сравнению с классическим методом рефлектометрии, так как позволяет проводить исследования с принципиально новым пространственным и временным разрешением. Была собрана и исследована оптическая схема для метода Фурье-дифрактометрии в отражающей геометрии, с помощью которой удалось восстановить информацию о Si-Ge нано-гетероструктуре. Кроме этого, была произведена адаптация метода в просвечивающей геометрии для лабораторного источника рентгеновского излучения. На примере кремниевой сетки было показано влияние углового размера источника и степени монохроматизации излучения на регистрируемую дифракционную картину. В результате были сформулированы требования к оптической схеме для успешной реализации данного метода на лабораторном источнике рентгеновского излучения Экспериментально полученные результаты позволяют уверенно использовать предложенные методы как на лабораторных микрофокусных источниках, так и на источниках синхротронного излучения 3-го и 4-го поколения. Таким образом, в рамках работ по 3-му этапу проекта РНФ была полностью решена задача по увеличению плотности потока и формирования высокоэнергетического рентгеновского пучка заданной формы с сохранением его когерентных свойств. Предложенные подходы и устройства формирования и управления волновым фронтом пучка, а также разработанные на их основе когерентные методы рентгеновских исследований способны в полной мере реализовать потенциал современных синхротронных источников и лазеров на свободных электронов.