Рентгеновская спектроскопия на основе кристаллов с переменным периодом решетки (1104565)
Текст из файла
Московский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиКОНОВКО АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧРентгеновская микроскопия на основекристаллов с переменным периодом решеткиСпециальность 01.04.07 — физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2006Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультета и в Международном учебно-научном лазерномцентре Московского государственного университетаим. М.В.
ЛомоносоваНаучный руководитель:Доктор физико-математических наук,профессор А.В. АндреевОфициальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,в.н.с М.А. АндрееваКандидат физико-математических наук,с.н.с И.В. КожевниковВедущая организация:Московский государственный институтэлектроники и математикиЗащита состоится «16» февраля 2006 года в 15-30 часов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситетеим.М.В.Ломоносовапоадресу:119992ГСП-2,г.
Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «16» января 2006 года.Ученый секретарь диссертационногосовета К 501.001.02,кандидат физико-математических наукИ.А. НиканороваАктуальность проблемыРентгеновская микроскопия применяется для исследования внутренней структуры оптически непрозрачных объектов и объектов, размерыкоторых меньше длины волн оптического диапазона.
В биологии и дефектоскопии часто возникают задачи исследования объектов субмикронного масштаба. Поэтому схемы рентгеновской микроскопии для решенияподобных задач должны обеспечивать субмикронное разрешение по объекту, а также достаточное увеличение изображения.Настоящая работа посвящена развитию теории методов рентгеновской микроскопии с субмикронным разрешением, основанной на использовании монокристалла в качестве оптического элемента.
Основное внимание уделяется оптической схеме рентгеновского микроскопа с использованием асимметричного и крайне асимметричного брэгговского отражения от кристалла.Существенным препятствием на пути создания рентгеновского микроскопа с субмикронным разрешением является дифракция на путиобъект-кристалл.
Проведенные исследования показывают, что в кристалле с определенным профилем деформации возможна фокусировка рентгеновского излучения, а, следовательно, компенсация дифракционногорасплывания.Необходимой частью установки, осуществляющей рентгеновскую микроскопию, является источник рентгеновского излучения. В качестве такового можно использовать, например, синхротрон или рентгеновскуютрубку. Кроме того, одним из перспективных источников рентгеновскогоизлучения является плазма, создаваемая при взаимодействии лазерногоимпульса с твердотельной мишенью.Выбор того или иного источника зависит от целого ряда факторов.Синхротронное излучение обладает уникальными характеристиками, чтоснимает целый ряд ограничений.
Однако, в настоящей работе мы будемуделять основное внимание лабораторным источникам, основанным на2использовании рентгеновской трубки или рентгеновского излучения лазерной плазмы. Мы проанализируем возможность создания рентгеновского микроскопа на основе кристаллов с переменным периодом решеткив диапазоне жесткого рентгеновского излучения.Плазма, образованная при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с твердотельной мишенью, может обеспечить короткий,но яркий импульс рентгеновского излучения, что позволит изучать различные быстрые процессы в биологических объектах и технологическихпроцессах. В настоящей работе проводятся расчеты спектра тормозного рентгеновского излучения лазерной плазмы.
Одновременно проводятся исследования возможности возбуждения ядер в фемтосекундной лазерной плазме и осуществляются расчеты эффективности возбужденияядер тормозным излучением горячих электронов. Мы показываем, чторезультаты теоретических расчетов согласуются с экспериментальнымиданными.Цели и задачи диссертационной работы1. Теоретический анализ возможности разработки схем рентгеновскоймикроскопии с субмикронным разрешением, основанных на использовании асимметричного брэгговского отражения от кристаллов с переменным периодом решетки.2. Разработка электродинамической модели тормозного рентгеновского излучения нестационарной лазерной плазмы и анализ эффективности возбуждения ядер в фемтосекундной лазерной плазме тормознымрентгеновским излучением.3.Создание программного комплекса для численного моделированияработы рентгеновского микроскопа, основанного на использовании асимметричного брэгговского отражения от кристаллов с переменным периодом решетки.4.
Разработка моделей и программного обеспечения для расчета спектра тормозного излучения фемтосекундной лазерной плазмы. Проведение комплекса расчетов эффективности возбуждения ядер в лазернойплазме в зависимости от параметров облучающего лазерного импульса3и характеристик мишени.Научная новизна1.
Показано, что схемы рентгеновской микроскопии, основанные наиспользовании асимметричной и крайне асимметричной брэгговской дифракции, позволяют достичь субмикронного разрешения по объекту, если скомпенсировать влияние дифракции в свободном пространстве напути от объекта до кристалла.2. Показано, что применение кристаллов с переменным периодом решетки позволяет достичь компенсации дифракционного расплывания,тем самым давая возможность совместить в одном кристалле увеличительный и фокусирующий рентгенооптические элементы.3. Показано, что модель спектра тормозного излучения фемтосекундной лазерной плазмы позволяет адекватно описать результаты экспериментов по облучению мишени из тантала фемтосекундными лазернымиимпульсами.Защищаемые положения1. Зависимость дифракционной длины пространственно ограниченного рентгеновского пучка, дифрагированного на кристалле в асимметричной схеме дифракции Брэгга, от параметра асимметрии β определяетсявыражением:a2 κLD (β) =,1 + 1/β 2где a — ширина пучка, а κ — волновое число рентгеновского излучения.2.
Кристаллы Ge(111) с экспоненциальным профилем деформации решетки позволяют скомпенсировать дифракционное расплывание рентгеновского пучка и, будучи примененными в асимметричной схеме дифракции, могут быть использованы для увеличения в 30 раз с разрешениемпо объекту не ниже 0.15 мкм при длине волны λ = 1.541Å.3. Основной вклад в возбуждение ядер в фемтосекундной приповерхностной лазерной плазме вносят процессы радиационного возбуждениятормозным рентгеновским излучением горячих электронов. До тех пор,пока средняя длительность электрон-ионного соударения меньше време4ни свободного пробега электрона (интенсивность облучающего импульсапорядка 1015 Вт/см2 ) возбуждение ядер происходит когерентно (пропорционально квадрату интенсивности); дальнейшее повышение интенсивности лазерного излучения приводит к росту числа горячих электронови частоты электрон-ионных соударений, что приводит сначала к спадучисла возбужденных ядер (поскольку перекрывающиеся импульсы тормозного излучения некогерентны); а затем — к традиционной линейнойзависимости числа возбужденных ядер от интенсивности лазерного излучения.Практическая значимость работы определяется тем, что проведенный комплекс исследований дает возможность оптимизации схемы построения экспериментальных установок для рентгеновской микроскопиии томографии, а также возможность оптимизации параметров лазерныхимпульсов и характеристик мишени при проведении экспериментов повозбуждению ядер в фемтосекундной лазерной плазме.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались на VIIРоссийской конференции “РСНЭ” (Москва, Россия, 2000), конференциимолодых ученых «Ломоносов-2004» (Москва, Россия, 2004), XVII Международнойконференциипокогерентнойинелинейнойоптике«ICONO/LAT-2005» (Санкт-Петербург, Россия, 2005; секция UltrafastPhenomena Physics of Super-intense Laser Fields, сессия IThV6), семинаре физического факультета МГУ им.
М.В. Ломоносова. По материаламдиссертации опубликовано 5 печатных работ.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и спискацитируемой литературы. Полный объем работы: 149 страниц, включая50 рисунков. Библиография содержит 159 наименований, в том числе,5 авторских публикаций.Личный вкладВсе использованные в диссертации результаты получены автором лично, либо при его определяющем участии в постановке задач, разработке5методик измерений и проведении экспериментов.Содержание работыВо введении кратко обоснована актуальность выбранной темы, определены цели диссертационной работы, сформулированы основные защищаемые в ней положения и охарактеризована ее структура.Первая глава посвящена обзору основных методов рентгеновскоймикроскопии и моделей возбуждения ядер в лазерной плазме.
В первомпараграфе рассматриваются традиционные методы рентгеновской микроскопии, уже прошедшие апробацию в течение нескольких десятилетий,такие как контактная, проекционная микроскопия и т.д, а также проведен сравнительный анализ основных принципов различных методоврентгеновской микроскопии.
Во втором параграфе затронуты вопросысоздания рентгеновских источников и возбуждения ядерных переходовв фемтосекундной лазерной плазме. В заключение первой главы будутсформулированные задачи, которым посвящена работа.Вторая глава является оригинальной и посвящена расчету рентгеновского микроскопа на кристалле в асимметричной схеме дифракции.В первом параграфе второй главы рассмотрен принцип работы рентгеновского микроскопа с использованием асимметричного брэгговскогоотражения. Сделаны оценки предельного коэффициента асимметрии.Во втором параграфе рассмотрена постановка задачи динамическойдифракции ограниченных пучков на идеальном кристалле. Показано,что зависимость дифракционной длины пространственно ограниченногорентгеновского пучка, дифрагированного на кристалле в асимметричнойсхеме дифракции Брэгга, от параметра асимметрии β дается выражением:a2 κ,LD (β) =1 + 1/β 2где a — ширина пучка, а κ — волновое число рентгеновского излучения.В третьем параграфе проведен расчет ряда параметров рентгеновской микроскопии с использованием кристаллов в качестве оптическихэлементов.
Показано, что применение кристалла Ge(111) позволяет ре6ализовать 50-кратное увеличение с разрешением 1.5Å по объекту, еслискомпенсировано дифракционное расплывание на пути от объекта докристалла.В четвертом параграфе проводится расчет параметров кристалловдля экспериментальной установки. Проведен расчет параметров установки на основе кристалла Si(220), β = 20 для λ = 1.541Å.Третья глава так же является оригинальной и посвящена решениюзадачи моделирования дифракции на кристалле с переменным периодомрешетки.В первом параграфе третьей главы рассматривается искажение профиля пучка вследствие дифракции в свободном пространстве.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
