Дифракционные решетки для мягкого рентгена

Дифракционные решетки являются ключевыми элементами оптики синхротронного излучения в области мягкого рентгена (с энергиями фотонов от ~50 эВ до ~2 кэВ). Их основная функция заключается в пространственном разложении полихроматического рентгеновского излучения на отдельные спектральные компоненты с высоким разрешением. В отличие от видимого света, где классические отражательные или пропускные решетки применяются с периодами порядка микрон, для мягкого рентгена требуются периодические структуры с характерными размерами в диапазоне десятков нанометров.

Дифракционная решетка представляет собой периодическую структуру, в которой чередуются области с разной фазовой или амплитудной прозрачностью для рентгеновского излучения. При падении когерентного пучка на решетку происходит интерференционное распределение интенсивности в различных направлениях, описываемое уравнением Брэгга для решеток:

nλ = d(sin θi + sin θd)

где n — порядок дифракции, λ — длина волны рентгеновского излучения, d — период решетки, θi и θd — углы падения и дифракции относительно нормали к решетке.

Типы дифракционных решеток

1. Рефлективные (гратинговые) решетки Изготавливаются из твердых материалов с высоким атомным номером, например, золота, палладия или никеля, на подложках из кремния или стекла. В мягком рентгене такие решетки работают на принципе отражения под малым углом (графические решетки с “гратинговой” структурой). Они обладают высокой эффективностью для одного направления дифракции, но требуют точного контроля угла падения и качества поверхности.

2. Трансмиссионные решетки Проходные решетки выполняются из тонких мембран с нанопериодическими прорезями. Основное преимущество — возможность получения нескольких дифракционных порядков без использования больших углов падения. Однако из-за тонкой конструкции их эффективность может быть ограничена поглощением рентгеновских фотонов.

3. Многослойные и фазовые решетки Современные технологии позволяют создавать решетки с чередующимися тонкими слоями материалов с различным коэффициентом преломления для рентгеновских лучей. Такие структуры позволяют управлять фазой падающего излучения, увеличивая дифракционную эффективность и обеспечивая селективность по длине волны.

Ключевые параметры дифракционной решетки

  1. Период решетки (d) — определяет спектральный диапазон и разрешающую способность. Для мягкого рентгена d обычно составляет 50–200 нм.
  2. Глубина бороздки — влияет на эффективность и распределение энергии между дифракционными порядками. Глубокие бороздки позволяют усиливать первый порядок дифракции.
  3. Форма профиля — прямоугольный, треугольный или синусоидальный профиль бороздки. Оптимизация формы позволяет повышать дифракционную эффективность на целевую длину волны.
  4. Покрытие и материал — отражательная эффективность и устойчивость к нагреву и радиационному воздействию определяются выбранным металлом или сплавом.

Эффективность и разрешающая способность

Разрешающая способность решетки R определяется выражением:

$$ R = \frac{\lambda}{\Delta \lambda} = n N $$

где n — порядок дифракции, N — число активных бороздок. Для мягкого рентгена достигаются значения R ∼ 103–104, что позволяет детально исследовать спектральные линии атомов легких элементов и особенности поглощения вблизи K- и L-поглощений.

Эффективность решетки зависит от:

  • Качества изготовления поверхности и регулярности бороздок.
  • Угла падения излучения и порядка дифракции.
  • Фазовой коррекции и типа материала.

Многослойные фазовые решетки позволяют достигать эффективностей до 40–50 % для первого порядка дифракции в мягком рентгене, что критически важно для экспериментов с низкой интенсивностью источника.

Применение в синхротронной радиации

Дифракционные решетки находят применение в:

  • Монохроматорах мягкого рентгена — получение узких спектральных линий для спектроскопии поглощения и эмиссии.
  • Спектрометрах для исследования электронных состояний — анализ плотности состояний в твердых телах и молекулах.
  • Рентгеновской микроскопии — фокусировка и разложение излучения для создания изображений с высоким пространственным разрешением.

Особое внимание уделяется управлению гомогенной освещенностью и минимизации аберраций, таких как кома и астигматизм, особенно при работе с малым углом падения, где отражательные решетки наиболее эффективны.

Оглавление