CC BY
3
УДК 548.732
Коржов В.А., Элиович Я.А., Проценко А.И., Благов А.Е., Писаревский Ю.В., Таргонский А.В., Ковальчук М.В.
ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ АДАПТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ НА ОСНОВЕ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Коржов Виктор Александрович - инженер лаборатории рентгеновских методов анализа и синхротронного излучения; sani273@mail.ru,
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, дом 59. Элиович Ян Александрович - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории рентгеновских методов анализа и синхротронного излучения;
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, дом 59. Проценко Андрей Иванович - младший научный сотрудник лаборатории рентгеновских методов анализа и синхротронного излучения;
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, дом 59. Благов Александр Евгеньевич - доктор физико-математических наук, чл.-кор. РАН, вице-президент НИЦ «Курчатовский институт»; НИЦ «Курчатовский институт», Россия, Москва, 123182, площадь Академика Курчатова, дом 1.
Писаревский Юрий Владимирович - доктор физико-математических наук, зав. лаборатории акустооптики; ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, дом 59. Таргонский Антон Вадимович - кандидат физико-математических наук, заместитель руководителя Курчатовского комплекса синхротронных и нейтронных исследований;
НИЦ «Курчатовский институт», Россия, Москва, 123182, площадь Академика Курчатова, дом 1. Ковальчук Михаил Валентинович - профессор, чл.-кор. РАН, президент НИЦ «Курчатовский институт»; НИЦ «Курчатовский институт», Россия, Москва, 123182, площадь Академика Курчатова, дом 1. Исследованы особенности дифракции рентгеновского излучения от кварцевого резонатора при условии возбуждения в нем продольных и поперечных ультразвуковых колебаний, включая их одновременное воздействие, а также исследована возможность создания двухчастотного рентгенооптического элемента на основе сочетания данных колебаний. Показана принципиальная возможность одновременного возбуждения двух ортогональных друг другу типов ультразвуковых колебаний в единственном кристалле-резонаторе с сохранением возможности управления параметрами рентгеновского пучка с помощью каждого из типов колебаний. При этом продольные колебания «по длине» позволяют осуществлять прецизионную угловую перестройку дифрагированного пучка, а поперечные колебания «по толщине» позволяют управлять интенсивностью дифрагированного излучения.
Ключевые слова: кварц, акустика, рентгеновская дифрактометрия, рентгенооптический элемент
THE POSSIBILITY OF CREATING COMBINED ADAPTIVE ELEMENTS OF X-RAY OPTICS BASED ON LONGITUDINAL AND TRANSVERSAL ULTRASONIC OSCILLATIONS
Korzhov V.A.1,2, Eliovich Ya.A.1,2, Protsenko A.I.1,2, Blagov A.E.1,2, Pisarevsky Yu.V.1,2, Targonsky A.V.1,2, Kovalchuk M.V.12
1 FSRC "Crystallography and Photonics" RAS, Moscow, Russian Federation
2 National Research Center "Kurchatov Institute", Moscow, Russian Federation
The features of X-ray diffraction from a quartz resonator under the condition ofexcitation of longitudinal and transverse ultrasonic vibrations in it, including their simultaneous action, have been studied, and the possibility of creating a two-frequency X-ray optical element based on a combination of these vibrations has been studied. The principal possibility of simultaneous excitation of two types of ultrasonic vibrations orthogonal to each other in a single resonator crystal is shown, while maintaining the possibility of controlling the X-ray beam parameters using each of the vibration types. In this case, longitudinal vibrations "along the length" allow precise angular tuning of the diffracted beam, and transverse vibrations "along the thickness" allow you to control the intensity of the diffracted radiation. Key words: quartz, acoustic, X-ray diffractometry, X-ray optical element
Введение
Методы рентгеновской дифракции широко используются исследователями из самых разных областей для решения как фундаментальных, так и научно-технических задач. Одной из актуальных задач методологии рентгеновских экспериментов является разработка способов быстрого управления параметрами пучка непосредственно во время
эксперимента, например, перестройкой углового положения, вариацией фокусного расстояния, изменением интенсивности. Обычно для этого используются различные механические системы, которые изменяют положение отдельных элементов экспериментальной схемы. Однако любое такое перемещение ограничено скоростью и точностью перестройки соответствующей механической
системы, что делает практически невозможным проведение быстрых многократно повторяющихся измерений. Альтернативным способом in situ перестройки параметров рентгеновского излучения является применение подхода, при котором используется изменения параметров кристаллической решетки при воздействии различных внешних сил, например, акустических или электрических полей, температурных градиентов.
Использование ультразвуковых колебаний является одним из наиболее удобных с практической точки зрения способов контролируемого воздействия на кристаллическую решетку. Таким образом, значительно улучшить быстродействие
реттенодифракционных методов можно с помощью особых адаптивных элементов рентгеновской оптики (АЭРО), управляемых ультразвуковыми сигналами различных частот. Ранее было показано, что с помощью ультразвука можно in situ эффективно управлять пространственно-временными
параметрами рентгеновского излучения. В частности, было показано, что при возбуждении в кристалле ультразвуковых колебаний «по длине» можно управлять пространственным положением рентгеновского пучка [1-4] и его спектральными характеристиками [5, 6], а интегральной интенсивностью [7-10], распределением
интенсивности [11, 12] и фокусным расстоянием [13, 14] можно управлять при возбуждении в кристалле колебаний «по толщине». Также исследования проводились и на синхротронном источнике КИСИ «Курчатов» НИЦ «Курчатовский институт», на станции РКФМ, где благодаря большой яркости пучка были впервые определены характерные времена наблюдаемых эффектов с использованием современных время-разрешающих методик [16].
Двух канальный генератор
Исследование способов совмещения указанных возможностей управления различными параметрами рентгеновского или синхротронного излучения с помощью ультразвуковых колебаний способствует разработке новых универсальных комбинированных элементов адаптивной рентгеновской оптики, сочетающих в себе все ключевые преимущества каждого из видов элементов, описанных выше. В перспективе такие элементы дадут возможность одновременного управления угловым положением излучения и его интенсивностью.
Методика проведения экспериментов
В работе использовалась двухкристальная схема рентгеновской дифрактометрии (рис.1). В качестве источника использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом, из которого с помощью симметричного отражения монохроматора Si (400) и щели размером 0.15х10 мм2 было выделено монохроматическое излучение с длиной волны ЦМоКод] = 0.70932 А. Щель размещалась после монохроматора на расстоянии 30 см, кристаллический образец размещался на расстоянии 30 см от щели. В качестве образца использовался прямоугольный кристалл-резонатор кварца с поверхностью (1120) и размерами 38.4х10.5х1.05 мм. На его боковые поверхности были нанесены две пары электродов для подвода управляющих ультразвуковых сигналов. Образец
позиционировался на основном многокружном гониометре в специализированном
рентгеноакустическом кристаллодержателе.
Эксперименты проводились с использованием симметричного рефлекса 1011 от атомных плоскостей кристалла кварца в геометрии «на просвет».
Детектор
Источник РИ
Рис.1. Схема эксперимента, реализованная на лабораторном рентгеновском дифрактометре АССВ.
Специализированный держатель позволял воздействовать на кристалл одновременно двумя типами резонансных ультразвуковых колебаний: низкочастотными ультразвуковыми колебаниями в направлении «по длине» (продольные колебания) и высокочастотными ультразвуковыми колебаниями в направлении «по толщине» (поперечные колебания). Для возбуждения продольных колебаний на половины боковых поверхностей образца методом магнетронного напыления были нанесены электроды,
к которым с помощью кристаллодержателя подавался низкочастотный ультразвуковой сигнал. Для возбуждения поперечных колебаний управляющий высокочастотный сигнал через подпаянные провода подавался на другую пару электродов, нанесенную с помощью специальной пасты (рис. 2а).
При возбуждении в кристалле низкочастотных ультразвуковых колебаний полуширина кривой дифракционного отражения (КДО) в центре и на краях кристалла почти не меняются, а с
приближением к центру половины кристалла КДО уширяется. Именно в центрах половин кристалла наблюдается наибольшие колебания
межплоскостного расстояния и, соответственно, наибольшее уширение КДО [4]. Однако использование двух пар контактов, расположенных в центрах половин кристалла (рис.2а), ограничивает возможность исследования пучностей колебаний межплоскостного расстояния. Поэтому часть исследований проводилась на аналогичном резонаторе с идентичным характером распределения деформаций, но иной конфигурацией возбуждения высокочастотных ультразвуковых колебаний: электроды наносились на боковые поверхности в форме круга, а также на торцевые поверхности, к которым подводился высокочастотный управляющий сигнал (рис. 2б).
Таким образом, одна половина резонатора использовалась для подвода сигнала резонансной частоты продольных колебаний, а другая для подвода сигнала резонансной частоты поперечных колебаний.
Рис. 2. Схематичные конфигурации электродов на кристалле-резонаторе и принцип подачи управляющих сигналов.
Экспериментальные результаты
Изначально в целях определения степени дефектности исследуемого кристалла и исследования распределений деформаций при приложении сигнала резонансной частоты каждого из колебаний и их одновременном воздействии была проведена регистрация распределения полуширины пика КДО вдоль поверхности образца с конфигурацией, представленной на рис. 2а, в области между двумя парами электродов. На рис.3 приведены результаты измерений при следующих условиях: ультразвуковые сигналы выключены (кривая 1), подается сигнал для возбуждения только низкочастотных ультразвуковых колебаний через первую пару электродов (напряжение 15 В, fres = 132.098 кГц, кривая 2);
подается сигнал для возбуждения только высокочастотных ультразвуковых колебаний через вторую пару электродов (напряжение 15 В, fres = 2.781 МГц, кривая 3); подаются сигналы для возбуждения сразу двух типов ультразвуковых колебаний в исследуемом кристалле-резонаторе (кривая 4).
26
24
о 22
Е
^ 20
0
Э 18
го
!16 S
1 14 С
о
с 12
10
26
14 16 18 20 Координата, мм
Рис.3. Распределение полуширины пика КДО вдоль поверхности кристалла в области между двумя парами электродов: (!) ультразвуковые сигналы выключены, (2) подается только низкочастотный сигнал, (3) подается только высокочастотный сигнал и (4) одновременно подаются оба сигнала.
Исходя из полученных результатов видно, что присутствие только высокочастотных
ультразвуковых колебаний практически не влияет на значение полуширины по всей длине кристалла (кривая 3), распределение полуширин КДО почти такое же, как и при отсутствии колебаний (кривая 1). Возбуждение только низкочастотных ультразвуковых колебаний значительно изменяет характер распределения полуширин КДО вдоль поверхности образца (кривая 2), что связано с постоянными колебаниями параметра решетки. Распределение полуширин, полученное при возбуждении сразу двух типов колебаний в исследуемом кристалле-образце (кривая 4), практически полностью совпадает с аналогичным распределением, полученным при воздействии только продольных колебаний, т.е. изменение полуширины по длине кристалла связано с присутствием только низкочастотных
ультразвуковых колебаний.
Для более детального исследования одновременного воздействия двух типов колебаний дальнейшие измерения проводились в конфигурации, представленной на рис. 2б, в той точке кристалла, где характерное двугорбое уширение КДО при возбуждении продольных колебаний было наибольшим. Изначально в выбранной точке измерялась КДО без ультразвукового воздействия. Затем регистрировалась КДО при возбуждении только продольных колебаний (напряжение сигнала 45 В, частота fres = 132.1 кГц, рис. 4, кривая 2). Далее измерялась КДО при условии возбуждения в
8
кристалле только поперечных колебаний (напряжение 35 В, частота fres = 2.7744 МГц, рис. 4, кривая 3). Далее регистрировались КДО при одновременном возбуждении сразу двух типов колебаний в кристалле кварца. При этом напряжение подаваемого на кристалл продольного управляющего сигнала составляло 45 В, а напряжение подаваемого поперечного управляющего сигнала постепенно увеличивалось от 0 В до 100 В.
1,4
1,2
ч:
£ i,o
I-
о
¡О 0,8 о о
ta 0,6 s о
S 0,4
X
S
0,2
I I 3/ 1
1
5M ~ V
х2 T " - -
----- / 2
8,290 8,295 8,300 8,305
Угол, град
8,310
Рис. 4. КДО кристалла кварца в геометрии «на просвет», рефлекс 1011: 1) ультразвуковые сигналы выключены, 2) подается только низкочастотный
сигнал,3) подается только высокочастотный сигнал, 4) одновременно подаются оба сигнала и 5) одновременно подаются оба сигнала, напряжение высокочастотного сигнала увеличено до 100 В.
Исходя из полученных результатов (рис. 4) видно, что при одновременном воздействии с увеличением амплитуды сигнала поперечных колебаний наблюдается двукратное увеличение интенсивности пика КДО, при этом ее форма не изменяется. То есть в образце сохраняется синусоидальный характер колебаний межплоскостного расстояния в соответствии с возбуждаемыми в образце продольными колебаниями, что дает возможность создания комбинированных элементов, способных одновременно контролировать как угловое положение, так и интенсивность дифрагированного пучка.
Заключение
Показана возможность одновременного возбуждения ортогональных друг другу продольных и поперечных акустических колебаний в единственном кристалле кварца с сохранением возможности управления параметрами
рентгеновского излучения с помощью каждого из типов колебаний. При этом продольные колебания
«по длине» позволяют осуществлять перестройку дифрагированного пучка по углу, а поперечные колебания «по толщине» позволяют осуществлять управление его интенсивностью. Таким образом, был предложен комбинированный элемент рентгеновской оптики, позволяющий управлять сразу несколькими ключевыми параметрами рентгеновского пучка.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках проведения исследований по Государственному заданию ФНИЦ
"Кристаллография и фотоника " РАН в части обработки экспериментальных данных и в рамках задания Минобрнауки России, Грант №075-15-20211362, в части проведения рентгеновских измерений.
Список литературы
[1] А.Е. Благов, М.В. Ковальчук, В.Г. Кон и др., Письма в ЖЭТФ 128, 893 (2005).
[2] А.Е. Благов, М.В. Ковальчук, В.Г. Кон и др., Кристаллография 51, 779 (2006).
[3] А.Е. Благов, М.В. Ковальчук, Ю.В. Писаревский и др., Кристаллография 53, 411 (2008).
[4] А.Е. Благов, А.Н. Даринский, М.В. Ковальчук и др., Акустический журнал 59, 561 (2013).
[5] А.Е. Благов, Ю.В. Писаревский, М.В. Ковальчук, Кристаллография 61, 191 (2016).
[6] А.Е. Благов, Ю.В. Писаревский, П.А. Просеков и др., Кристаллография 62, 870 (2017).
[7] А.Р. Мкртчян, М.А. Навасардян, Р.Г. Габриелян и др., Письма в ЖТФ 9, 1181 (1983).
[8] А.Р. Мкртчян, М.А. Навасардян, Л.А. Кочарян и др., Известия АН Арм.ССР (серия физическая) 21, 326 (1986).
- 1986.- Т. 21.- № 6. - С. 326-330. 106.
[9] E. Zolotoyabko, J.P. Quintana, Rev. Sc. Instruments 75, 699 (2004).
[10] A.R. Mkrtchyan, A.H. Mkrtchyan, V.R. Kocharyan et al., Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences) 48, 141 (2013).
[11] В.К. Мирзоян, Т.Г. Довлатян, П.В. Мирзоян, Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования 9, 80 (2002).
[12] A.R. Mkrtchyan, A.S. Bagdasaryan, V.R. Kocharyan et al., Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences) 51, 386 (2016).
[13] R.G. Gabrielyan, A.R. Mkrtchyan, H.A. Aslanyan et al., Phys. Stat. Sol. A 92, 361 (1985).
[14] A.R. Mkrtchyan, M.A. Navasardian, R.G. Gabrielyan, et al., Solid State Commun. 59, 147 (1986).
[16] A.E. Blagov, V.R. Kocharyan, A.E. Movsisyan, et al., Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences) 55, 376 (2020).
