Принципы работы кристаллических монохроматоров

Кристаллические монохроматоры являются ключевыми элементами синхротронных источников рентгеновского излучения, обеспечивая преобразование полихроматического пучка в пучок с узким спектральным составом. Основной принцип работы опирается на дифракцию рентгеновских лучей на периодической структуре кристалла, описываемую законом Брегга:

nλ = 2dsin θ,

где n — порядок дифракции, λ — длина волны рентгеновского излучения, d — межплоскостное расстояние в кристалле, θ — угол падения рентгеновских лучей на кристалл.

Закон Брегга обеспечивает выбор определённой длины волны из широкого спектра синхротронного излучения, формируя монохроматический пучок.

Геометрические схемы монохроматоров

Существует несколько классических схем расположения кристалла в рентгеновской оптике:

  1. Сингл-кристалл (single-crystal) монохроматор Простейшая конфигурация, в которой монохроматор состоит из одного кристалла, отражающего пучок по закону Брегга. Основные ограничения включают:

    • Ограниченный диапазон углов настройки;
    • Энергетическая дисперсия из-за неидеальности кристаллической решетки;
    • Чувствительность к тепловой нагрузке при интенсивных пучках.

  2. Двойной кристалл (double-crystal) монохроматор Использует два идентичных кристалла, ориентированных так, чтобы компенсировать отклонение направления пучка при настройке энергии:

    • Первый кристалл — выполняет дифракцию;
    • Второй кристалл — возвращает пучок в исходное направление, уменьшая угловое отклонение. Двойные монохроматоры обеспечивают высокую энергетическую стабильность и минимальное искажение геометрии пучка.

  3. Бесконтактные и многокристальные схемы Применяются для работы с высокоинтенсивными синхротронными пучками, где необходима распределённая тепловая нагрузка. Могут включать комбинации с охлаждаемыми кристаллами и механизмами вращения.

Энергетическая дисперсия и разрешающая способность

Разрешающая способность кристаллического монохроматора определяется отношением:

$$ R = \frac{E}{\Delta E}, $$

где E — энергия фотона, ΔE — ширина энергетического интервала после монохроматизации.

Факторы, влияющие на ΔE, включают:

  • Качество кристалла: дефекты решетки увеличивают ширину дифракционного пика;
  • Мозаичная структура: позволяет частично компенсировать дефекты, но снижает энергетическое разрешение;
  • Геометрия установки: угол падения и длина пути через кристалл.

Для высококачественных синхротронных пучков используются кристаллы с минимальной мозаичностью ( < 0.01∘) и точной механической стабилизацией.

Влияние тепловой нагрузки

Синхротронное излучение обладает высокой интенсивностью, что приводит к значительной тепловой нагрузке на монохроматор:

  • Локальный нагрев вызывает термическое расширение, изменяя угол Брегга и смещая энергию дифракции;
  • Для снижения эффекта применяются водяное или жидкостное охлаждение, а также использование мозаичных кристаллов с высокой теплопроводностью;
  • В ряде современных установок применяются кристаллы с наклонной поверхностью, чтобы распределить тепловую нагрузку по большей площади.

Оптические ошибки и искажения пучка

Основные источники искажений монохроматизированного пучка:

  1. Аберации кристалла — вызваны неидеальной плоскостью отражающих граней;
  2. Деформации под нагрузкой — тепловые и механические напряжения;
  3. Мозаичность — приводит к расширению углового и энергетического спектра;
  4. Угловые смещения при настройке энергии — особенно критично для одно-кристальных систем.

Для минимизации искажений применяются высокоточные гониометры и активные механизмы компенсации деформаций.

Особенности настройки на заданную энергию

Энергия отражённого пучка определяется выбором угла Брегга θ. В практике синхротронных экспериментов это выполняется в несколько этапов:

  1. Предварительная настройка по таблицам межплоскостных расстояний;
  2. Тонкая настройка с использованием датчиков интенсивности — максимизация дифракционного сигнала;
  3. Стабилизация температуры кристалла для предотвращения дрейфа энергии;
  4. Оптимизация положения второго кристалла в двойных монохроматорах для сохранения направления пучка.

Материалы кристаллов

Выбор материала определяется требуемой энергией и диапазоном длины волн:

  • Силикон (Si) — наиболее распространённый материал, высокое качество кристаллов, широкий диапазон энергии;
  • Германий (Ge) — применяется для более низких энергий, имеет более высокую мозаичность, но лучшую чувствительность к теплу;
  • Кварц (α-SiO₂) — для узких энергетических диапазонов с высокой разрешающей способностью;
  • Борид кремния, сапфир — специализированные материалы для экстремальных условий.

Кристаллы часто ориентируют по определённым кристаллографическим плоскостям (111, 220, 311), что позволяет выбрать оптимальный угол Брегга для нужной энергии.

Оглавление