Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики




Скачать 97.54 Kb.
НазваниеНазвание Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики
Дата конвертации25.05.2013
Размер97.54 Kb.
ТипДокументы
N-01-TISNCM-1


Паспорт совместного российско-американского проекта


1. Название


Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики.


2. Аннотация


Цель проекта - разработка технологии производства синтетических алмазов предельного структурного совершенства и изготовление на их основе зеркал – основных элементов резонатора лазеров на свободных электронах осцилляторного типа на базе источников ондуляторного синхротронного излучения (СИ) для рентгеновского диапазона длин волн ~0.1÷1нм, а также элементов рентгеновской оптики для создания сверхярких источников рентгеновского излучения.

Технология накопительных колец источников СИ для производства фотонов на сегодня уже практически исчерпала возможности совершенствования таких характеристик, как длительность импульса излучения, яркость и временная структура пучков СИ.

Альтернативой накопительным кольцам являются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Кроме огромной яркости электромагнитное излучение ЛСЭ отличается высокой монохроматичностью, настраиваемостью по длине волны и когерентностью подобно излучению оптических лазеров, а также чрезвычайно малой длительностью импульсов. В процессе конструирования ЛСЭ осцилляторного типа для жесткого рентгеновского диапазона длин волн ученые столкнулись с проблемой создания качественного зеркала, способного хорошо отражать жесткие рентгеновские лучи. До 2009 г. считалось, что для длин волн ~0.1÷1нм достаточно эффективных зеркал, необходимых для создания резонаторов ЛСЭ не существует.

Основанием для успешной реализации данного проекта являются результаты совместной работы физиков из Арагонской национальной лаборатории и ученых ФГУ ТИСНУМ, проведенной в 2009 г. Главный результат этих работ – на высокосовершенных кристаллах синтетических алмазов типа IIa, выращенных в ТИСНУМ, впервые в мире получено рекордное значение коэффициента отражения, равное 98% для излучения с энергией 23,7 кэВ, что хорошо согласуется с теоретическими расчетами американских ученых. Таким образом, созданы все предпосылки для практической реализации идеи создания ЛСЭ осцилляторного типа по классической схеме с использованием ондулятора СИ, помещенного в резонатор, роль зеркал в котором будут выполнять высокосовершенные кристаллы алмаза.


3. Описание предполагаемых результатов реализации проекта

Основной предполагаемый результат настоящего проекта – технология изготовления алмазных зеркал с высоким коэффициентом отражения жесткого рентгеновского излучения для резонаторов ЛСЭ с целью получения генерации когерентного рентгеновского излучения в диапазоне длин волн ~0.5÷10 Å в форме импульсов длительностью ~10-14÷10-15 и рекордной яркостью, существенно превышающей яркость существующих источников СИ.

Еще одним предполагаемым результатом проекта является разработка технологии изготовления элементов дифракционной и преломляющей оптики нового поколения на базе высокосовершенных кристаллов синтетического алмаза, способных работать в условиях мощного СИ рентгеновского диапазона длин волн. К таким оптическим элементам относятся кристалл-коллиматоры, монохроматоры, фокусирующие преломляющие линзы, интерферометры Фабри-Перо, делители рентгеновского пучка, мониторы положения пучка СИ и др.

Для аттестации и измерения параметров алмазных зеркал и рентгенооптических элементов на базе ТИСНУМ будет создан лабораторный диагностический комплекс с возможностями, ранее реализуемыми только в центрах СИ.


4. Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в настоящее время

Планы по созданию ЛСЭ в коротковолновой области спектра c ~0.1÷1нм имеют следующие научные центры:

  1. Рентгеновский лазер на свободных электронах в лаборатории TTF XFEL научно-исследовательского центра DESY, Гамбург, Германия

  2. Лазер на свободных электронах в исследовательском центре Stanford Accelerator Center, Стэнфорд, США

  3. Spring-8, исследовательский центр Harima Science Park City, Япония

  4. EXRF, Европейский источник синхротронного излучения с участием 18-ти стран, Гренобль, Франция


5. Новизна, описание конкурентных преимуществ, результатов

Новизна идеи, содержащейся в проекте, заключается в том, что предложено  принципиально новое применение искусственно выращиваемым кристаллам алмаза высокого структурного совершенства, которое связано с созданием на их основе сверхьярких источников рентгеновского излучения нового типа и разработка технологии изготовления рентгеновской оптики нового поколения для работы с мощным когерентным излучением.

В настоящий момент на кристаллах синтетических алмазов других фирм-производителей (Sumitomo Electric Industries, Япония и Element Six, Швейцария) достичь значения коэффициента отражения, который бы позволил на практике реализовать резонатор ЛСЭ не удается. Максимальное значение коэффициента отражения для излучения с энергией 23,7 кэВ, достигнутое на кристаллах фирмы Сумитомо, составляет величину 89±1,5 %.


6. Кто является потенциальным потребителем результатов

К потенциальным потребителям продукции, которую планируется создать в ходе выполнения проекта, следует отнести научные синхротронные центры, занимающиеся разработкой ЛСЭ рентгеновского диапазона длин волн, научные группы синхротронных центров, занимающиеся созданием источников СИ с особыми свойствами, нужными потребителям и разработкой новых методик. Как правило, все синхротронные центры для пользователей работают на коммерческой основе и не всегда финансируются государством.


7. Где, когда и какой эффект, в т.ч. экономический, ожидается от использования результатов проекта


Экономический эффект обусловлен тем, что классическая схема ЛСЭ, т.е. ондулятора, помещенного в резонатор, лишена недостатков, присущих однопроходным ЛСЭ, наиболее проста в реализации, имеет существенно меньшие габариты (размер ондулятора, встраиваемого в накопительное кольцо ~10÷20 м) и существенно меньшую стоимость. ЛСЭ осцилляторного типа также исключительно привлекательны для компактных источников СИ, которым в последнее время уделяется пристальное внимание, стоимость которых значительно ниже стоимости стандартных источников СИ.


8. Предполагаемые организации – участники консорциума по профилям: научные, образовательные, бизнес. Контактная информация руководителей проекта в каждой организации и общего координатора


Российский участник:

ФГУ ТИСНУМ, 142190, г. Троицк Московской обл., ул. Центральная, 7А

Руководитель проекта Бланк Владимир Давыдович, директор, vblank@tisnum.ru

тел. +7(499) 272-2313.


Американский участник:

Арагонская национальная лаборатория. Argonne National Laboratory. 9700 S. Cass Avenue Argonne, IL 60439. Руководитель проекта George Crabtree. Associate Division Director.


9. Описание вклада каждой организации в итоговый результат

С участием организаций, указанных выше, предлагается провести следующие эксперименты с использованием синхротронного пучка, проведение которых в лабораторных условиях либо невозможно, либо требует больших временных затрат:

Арагонская национальная лаборатория:

  1. Измерение коэффициента отражения в локальных областях кристаллов синтетических алмазов для жесткого рентгеновского излучения.

  2. Определение границы применимости синтетических алмазов в качестве рентгенооптических элементов на синхротронных источниках с точки зрения количественного содержания точечных (нейтральные и заряженные вакансии, N-V и др. примесные центры, атомы в узлах и междоузлиях кристаллической решетки), линейных (дислокации) и плоскостных дефектов (дефекты упаковки).

  3. Определение границы стойкости кристаллов алмаза к мощности рентгеновского пучка СИ.

  4. Количественный анализ примесей железа, никеля и бора в решетке синтетических алмазных пластин с низкой плотностью дефектов с чувствительностью ~1 ppb.

  5. Запись кривых дифракционного отражения в условиях строго коллимированного пучка с расходимостью <1 угл. сек. для оценки структурного совершенства алмазных зеркал и рентгенооптических элементов.


Со стороны ТИСНУМ разработать технологию производства и обработки высокосовершенных кристаллов алмаза и создать диагностический комплекс для аттестации и измерения параметров рентгенооптических элементов нового поколения в лабораторных условиях. Создание лабораторного диагностического комплекса на базе ТИСНУМ позволит:

  1. В лабораторных условиях разработать новые и использовать существующие методики, применяемые сейчас только в синхротронных центрах, в частности проводить интегрально измерение коэффициента отражения для узкого спектрального диапазона рентгеновских длин волн, что требуется для определения пригодности алмазных пластин в качестве зеркал резонатора ЛСЭ.

  2. Разработать и изготовить одномерную, а затем и двумерную рентгеновскую линзу из синтетического алмаза по специально разработанной технологии.

  3. Измерять параметры изготовленных одномерных и двумерных фокусирующих линз: фокусное расстояние, распределение интенсивности в фокусе и т.д.

  4. Реализовать методики, используемые в ведущих синхротронных центрах для оценки структурного совершенства монокристаллов, в частности топографию в белом излучении.

  5. Разработать автоматизированную систему для определения ориентации кристаллов и углов разориентации поверхности в режиме реального времени.

  6. Реализовать различные схемы деления рентгеновского пучка с помощью совершенных монокристаллов алмазов для передачи его на расстояния несколько метров до рабочих станций диагностического комплекса аналогично тому, как это делается на синхротронах.


10. Преимущества от участия иностранных организаций

Необходимость привлечения иностранных организаций, в частности, Арагонской национальной лаборатории, обусловлена тем, что на отечественных синхротронных центрах в настоящее время невозможно проводить эксперименты по измерению коэффициента отражения алмазных пластин высокого структурного совершенства. Для этих целей требуется ондуляторное излучение высокой мощности с энергией 23,7 кэВ с энергетической полосой 100 эВ в комбинации с гибридным монохроматором, на выходе которого для данной энергии полоса составляет всего величину 1 мэВ. Фактически для проведения этого эксперимента используется «почти» монохроматический пучок. Для проведения экспериментов по определению границы стойкости монокристаллов к когерентному рентгеновскому излучению в диапазоне длин волн ~0.1÷1 нм необходимо использовать установки Арагонской лаборатории.


11. Потенциальные иностранные участники проекта, которые могли бы внести существенный результат в итоговый результат

К потенциальным участникам проекта следует отнести следующие международные научные центры:

Брукхейвенская национальная лаборатория. Brookhaven National Laboratory. National Synchrotron Light Source II. P.O. Box 5000. Upton, NY.


Исследовательский центр Стэнфорда. Stanford Accelerator Center, SLAC National Accelerator Laboratory 2575 Sand Hill Road, Menlo Park, CA 94025-7015Стэнфорд, США


12. Краткая предыстория формирования проекта

До недавнего времени никаких экспериментальных подтверждений того, что алмаз прекрасно справляется с ролью зеркала для жесткого рентгена, не было. В начале 2009г. американские физики из Арагонской и Брукхейвенской национальных лабораторий (США), в работе, напечатанной в Nature Physics, экспериментально показали, что синтетические алмазы типа IIa являются кандидатами для использования в качестве зеркал обратного отражения для жесткого рентгена. На кристаллах фирмы Сумитомо в отдельных, свободных от дефектов участках было достигнуто значение коэффициента отражения 89%, но этого еще недостаточно для использование их на практике. ТИСНУМ владеет технологией выращивания совершенных по структуре алмазов типа IIa. В середине этого же года совместно с учеными этих лабораторий были начаты работы в этом направлении. Была поставлена следующая задача: выяснить, какого максимального коэффициента отражения можно достичь на кристаллах типа IIа, выращиваемых в ТИСНУМ. В участках алмазных пластин толщиной 1 мм размером 2х3 мм2, 3х3 мм2 свободных от планарных и линейных дефектов, достигнуто рекордное значение 98%, близкое к теоретическому пределу. Измерения коэффициента отражения жесткого рентгеновского излучения алмазных пластин – зеркал для резонаторов ЛСЭ проводились в синхротронном центре Арагонской национальной лаборатории. Результаты совместных работ уже доложены на международной конференции DIAMOND 2010 (Будапешт, Венгрия), материалы приняты для публикации в журнале «Diamond and related materials», подготовлена публикация для журнала «Science».

13. Предварительный план подготовки и реализации проекта (основные вехи) по каждой организации, включая координационные мероприятия


Срок выполнения проекта 2011-2013 гг.

№ п/п

Наименование

срок

ТИСНУМ

АНЛ

1

Составление и согласование плана работ, финализация проекта

30.03.2011 – 30.06.2011

Совместно

Совместно

2

разработка технологии производства синтетических алмазов предельного структурного совершенства

30.06.2011 – 30.06.2012

исполнитель




3

разработка технологии изготовления зеркал

01.09.2012- 31.12.2013

исполнитель

соисполнитель

4

разработка технологии изготовления рентгеновской оптики

01.09.2012- 31.12.2013

исполнитель

соисполнитель

5

Исследования характеристик зеркал

01.09.2012- 31.12.2013

соисполнитель

исполнитель

6

Уточняется в процессе выполнения п.1












14. Объем финансирования (существующий и необходимый), включая предполагаемые источники и объемы софинансирования


Общий необходимый объем финансирования:

$20 000 000

В том числе из средств Американского участника

$ 10 000 000

В том числе из средств Российского участника

$ 10 000 000



Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconРентгеновское излучение (семинар) Вопросы к занятию: Природа рентгеновского излучения. Диапазон длин волн рентгеновского излучения
Поток рентгеновского излучения, спектральная плотность потока. Коротковолновая граница тормозного рентгеновского излучения

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconКонтрольные вопросы к лабораторной работе
Принципиальная схема устройства рентгеновской трубки. Регулировка интенсивности потока и жесткости рентгеновского излучения. Формула...

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconЛабораторная работа (Изучение нового материала на основе различных источников информации); презентация. Учебный предмет, класс История, 7класс Название темы или раздела учебного курса Курс: «История России с древнейших времен до 18 века»
Урок в форме лабораторной работы. Изучение нового материала на основе различных источников информации: исторической карты, исторического...

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconОписание изобретения к патенту
Веретенников в. А. и др., Мощный герцовый источник мягкого рентгеновского излучения на основе плазменного фокуса для различных приложений,...

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconНаучно техническое обоснование космического эксперимента Исследование амплитудно-временных спектров гамма- и рентгеновского излучения Солнца и фона космического излучения. Этап 1

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconГосударственное задание Министерства образования и науки РФ № проекта фио руководителя проекта Название нир
Исследование структурных компонентов мембран морских гидробионтов в естественных условиях и процессах термоадаптации, как перспективных...

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconПодходы к определению сущности нового типа труда с учетом факторов, определяющих его становление и развитие
Факт возникновения нового типа труда и на его основе новой экономики уже не вызывает сомнений. Исследованию данной проблемы посвящено...

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconОоо «Вихревые системы», Екатеринбург, Россия
Использование расперделения в потоке импульса и момета вращения для создания газовых горелок нового типа

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики iconПодготовка менеджеров нового типа для ОАО «ржд» на основе компетентностного подхода

Название Применение синтетических алмазов для создания сверхярких источников рентгеновского излучения нового типа на основе алмазной оптики icon7. Закономерности в атомных спектрах. Серии излучения атома водорода. Формула Бальмера
Способы когерентных источников. Применение интерференции: «просветленная оптика», интерферометры


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница