Управления пространственными характеристиками рентгеновского излучения на основе дифракции рентгеновских лучей при наличии акустических волн в кристалле кварца

           

В.Р. Кочарян¹, Т.Р. Мурадян¹,А.Е. Мовсисян¹, А.Е Благов^2,3, А.В. Таргонский^2,3

¹ Институт прикладных проблем физики НАН РА, Ереван, Армения

² Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

³ ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Москва, Россия

                                           E-mail: [email protected]

 

Одна из важнейших задач в области рентгеновской диагностики заключается в получении рентгеновского излучения с управ­ляемыми в прос­транстве и во времени параметрами. Одним из таких методов является формированиерентгеновских пучков от монокристаллических монохроматоров при наличии внешних возбуждений. Например, по геометрии Лауэ воздействиеобъемных акустических колебаний в монокристалле кварца дало возможность получить рентгеновские пучки с управляемыми параметрами[1-3]. В работах [4,5] экспериментально и теоретически показано, что в геометрии Лауэ с помощью акустического поля и температурного градиента можно контролировать местоположение фокуса отраженного рентгеновского излучения, а также преобразовывать сферическую волну в плоскую. Под воздействием продольных акустических волн, распространяющихся вдоль поверхности кварцевых монохроматоров наблюдается эффект изменения угла отражения (или энергии дифрагированного пучка)с сохранением интегральной интенсивности [6-7], что позволяет управлять параметрами рентгеновского пучка [8-10]. В работах [11,12] экспериментально исследована дифракция рентгеновского излучения на разных отражающих атомных плоскостях монокристалла кварца с АТ-срезом в геометрии Лауэ, когда в кристалле возбуждены объемные акустические волны. Показано, что объемные акустические волны приводят к пространственной модуляции дифрагированных пучков, уних во фронтальном сечении возникают полосы интенсивности, в зависимости от порядка гармоники возбуждения акустического поля количество полос изменяется следующим образом: m = n +1, где n – порядок гармоники и принимаетнечетные число, т.е. число полос интенсивностей в фронтальном сечении четное. Во всехслучаях две краевые полосы получаются более узкими и менее интенсивными, чем остальные. Интенсивность и контраст возникающих полос зависит от амплитуды переменного напряжения, приложенного к кристаллу.

В данной работе экспериментальнорассмотренавозможность полученияполос нечетным числом в поперечном сечении отраженного рентгеновскогопучкаот отражающих атомных плоскостей  монокристалла кварца с АТ-срезомв геометрии Лауэ при наличии объемных акустических волн.

Экспериментальное исследование проводилось на рентгеновской установке ДРОН-3 с анодной трубкой молибдена БСВ-25 (размер фокусного пятна источника 0.2x10мм²). Использовалась двухкристалльная (n;-n) дифракционная схема (Рис. 1).

Рис.1. Схема эксперимента.

На расстоянии 10см от источника была расположена щель с шириной 0.5мм. Проходя через щель,пучок падает на монокристалл кварца, который поставлен в 5см от щели в геометрии Лауэ. Коллимация пучка выбрана так, чтобы от атомных плоскостей отражался только MoKα₁ излучения (угол Брэгга 6⁰6ˊ). После первого образца,в направления отраженного пучка, на расстоянии 18см идентичным образом поставлен второй монокристаллкварца. Регистрация рентгеновского пучка с детектором проводилось на расстоянии 20см от второго кристалла. Поперечное сечение отраженных пучков от первого (Ph1)и второго кристалла (Ph2) регистрировалось на расстоянии10см соответственно с помощью рентгеновской пленки. Образцы (кристаллы) представляли собой шайбообразные пластинки толщиной 1.7мм из монокристалла кварца с AT-срезом, поверхности которых покрыты контактами алюминиевого слоя меньше 10мкм. Возбуждения объемных акустических волн в кристаллах осуществлялись с помощью генераторов электромагнитных волн, которые были подключены к контактам кристаллов. 

Для получения пространственной модуляции интенсивности отраженного пучка при наличии акустических волн рассмотреныотражения от атомных плоскостей монокристалла кварца. При возбуждении кристаллов разными порядками резонансной частоты наблюдается увеличение интенсивности отраженного пучка в зависимости от величины амплитуды переменного электрического напряжения, а на поперечном сечении появляются вертикальные полосы, количество которых зависит от порядка резонансной частоты, что и наблюдалось в работах [11-14].

Без возбуждения образцов интенсивность отраженного излучения первого исследуемого образца составила40000 имп/с, после прохождения второго кристалла осталась7800 имп/с. Интенсивность отраженного пучка от второго кристалла составляла 1800 имп/с.

После возбуждения первого образца разными порядками резонансной частоты наблюдалось увеличение интенсивности отраженного пучка в зависимости от величины амплитуды переменного электрического напряжения. Максимальная интенсивность отраженного излучении от первого кристалла кварца при частоте возбуждения 2.936 МГц и 4.888 МГц составила 220 000 имп/с. Интенсивность проходящего пучка от второго кристалла составило 43 000 имп/с. а интенсивность отраженного пучка составило 4200 имп/с. После возбуждении второго образца порядками резонансной частоты 2.936 МГц и 4.888 МГц, отраженная интенсивность от второго образца составило 21 000 имп/с.

На рисунке 2 а и в приведены поперечные сечения отраженных пучков, на расстоянии 10см от первого образца и второго образца соответственно, при одновременномвозбужденииобразцов с частотой 2.936МГц. На рисунках амплитуда акустических колебаний обоих образцов соответствовала максимальному значению интенсивности отраженного пучка (напряжение электромагнитного поля 40В).На рисунке 2 б и г приведены поперечные сечения отраженных пучковпри тех же условияхдля одновременного возбуждения образцов с частотой 4.889 МГц.

 

а	б
в	г
Рис.2. Поперечные сечения отраженного пучка от отражающих атомных плоскостей  при наличии акустических колебаний: от первого кристаллаа) и б) при частоте возбуждения 2.936МГц и 4.888МГц соответственно, в) и г) от второго кристалла при частоте возбуждения 2.936МГц и 4.888МГц соответственно.

Как видно из рисунков 2а,бчисло полос в поперечном сечении отраженного рентгеновского пучка от первого кристалла получается четным, что соответствует условию m = n +1, где n – порядок гармоники и принимает нечетные числа. Известно, что полосы формируются от пучностей стоячей акустической волны [12]. Следовательно они роспрастраняются друг от друга на расстояниях  соответственно, где– длина рентгеновского излучения, а -угол Брэгга. То есть, при присутствии акустических волн, когда на первый кристалл под углом Брэгга падает узкий коллимированный пучок, имеем отраженные рентгеновские пучки (полосы) с количеством n+1. Таким образом, на второй кристалл падает n+1 параллельных рентгеновских пучков на расстоянияхDx друг от друга (рис. 1). Поскольку толщина второго кристалла равна толщине первого кристалла и ему дана такая же частота, то при отражении от второго кристалла каждый пучок будет, разделен на n+1 пучки, которые тоже удалены друг от друга размером Dx. Следовательно полученные от каждого падающего пучка n+1 пучки, отраженные от второго кристалла, перекроютn пучки,полученные от предыдущего пучка. В результате падающие на второй кристалл n+1 пучки после отражения создадут 2n+1 пучки, которые удалены друг от друга размером Dx (рис.1). Из рисунка 1 видно, что самая большую интенсивность будет иметь центральный пучок, а интенсивности левых и правых пучков будут все более и более уменьшены.

Из рисунков 2в,гвидно, чточисло полос (параллельных пучков) в поперечном сечении отраженного рентгеновского пучка от второго кристалла получается нечетным, что соответствует условию m = 2n +1, где n – порядок гармоники и принимает нечетные число, т.е. число полос интенсивностей в фронтальном сечении нечетное. Отметим также, что наибольшая интенсивность получается на средних пиках, как и предполагалось.

Таким образом, показано, чтопри возбуждении первого кристалла разными порядками резонансной частоты число полосв поперечном сечении отраженного рентгеновского пучка получается четным, а при двухкристалльной схеме, число полос получается нечетным. Используя этот метод можно управлять количеством возникающих полос на поперечном сечении, то есть можно любое четное число возникающих полос преобразовать в нечетное.

Исследование выполнено при финансовой поддержке ГКН МОН РА и РФФИ (РФ) в рамках совместной научной программы 18RF -142 и 18-52-05024 Арм_а соответственно.

Литература

[1] А.Р. Мкртчян, Р.Г. Габриелян, А.А. Асланян и др. Известия НАН Армянской ССР, Физика, т.21, вып.6, с.297 (1986)

[2] A.R. Mkrtchyan, A.H. Mkrtchyan,V.R. Kocharyan,A.E. Movsisyan,S.B. Dabagov, A.P. Potylicyn. Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences) Vol.48,Issue3, P.141 (2013)

[3] V.R. Kocharyan, R.Sh. Aleksanyan, K.G. Truni. Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences)Vol.45, Issue 4,P.190, (2010)

[4] А.Р. Мкртчян, М.А. Навасардян, Р.Г. Габриелян.ПисьмавЖТФ, №11, с.1354 (1985)

[5] A.R. Mkrtchyan, M.A. Navasardian, R.G. Gabrielyan, L.A. Kocharian, R.N. Kuzmin. Solid State Communications. Vol. 59, P. 147 (1986)

[6] A. E. Blagov, M. V. Kovalchuk, V. G. Kohn, et al., Possibilities of Controlling an X-ray Beam with a Crystal Subjected to Long-Wave Ultrasonic Vibrations. Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 101, No. 5, pp. 770–778, 2005.

[7] M.V. Kovalchuk, A.V. Targonskii, A.E. Blagov, I.S. Zanaveskina, Yu.V. Pisarevskii. New Method for Measuring Rocking Curves in X_Ray Diffractometry by Ultrasonic Modulation of the Lattice Parameter. Crystallography, Vol. 56, No. 5, pp. 886–889. 2011.

[8]А.Е.Благов, П.А.Просеков, А.В.Таргонский, Я.А.Элиович Измерение кривых дифракционного отражения кристаллов с помощью акустически перестраиваемого монохроматора. Кристаллография. 2015. Т. 60. № 2. С. 189-193 (2015)

[9]А.Е. Благов, Ю.В. Писаревский, М.В. КовальчукБыстрая ультразвуковая перестройка длины волны в рентгеновском эксперименте// Кристаллография, 2016, том 61, № 2, с. 191–194 (2016)

[10]А.Е. Благов, Ю.В. Писаревский, П.А. Просеков, А.В. Таргонский, Я.А. Элиович, А.И. Проценко, М.В. Ковальчук Развитие ультразвуковых методов сканирования длины волны рентгеновского излучения Кристаллография. 2017. Т. 62. № 6. С. 870-875 (2017)

[11] В.К. Мирзоян, А.А. Егиазарян, В.Н. Агабекян, П.В. Мирзоян. Известия НАН Армении, Физика, т.43, №2, с.104, 2008.

[12] В.К. Мирзоян, А.А. Егиазарян, Э.Г. Багдасарян, П.В. Мирзоян. Известия НАН Армении, Физика, т.42, №6, с.355, 2007.

[13] В.Р. Кочарян, Т.Р. Мурадян, Р.В. Амирагян, А.С. Гоголев, С.Г. Хлопузян. Эффект полной переброски от кристаллa кварца с AT-срезом. Конференция «Рентгеновская оптика - 2014» г. Черноголовка 2014, стр. 168-170.

[14] T.R. Muradyan, R.V. Amiraghyan, S.H. Khlopuzyan, A.R. Wagner, V.R. Kocharyan. Modulation of the intensity of reflected x-rays and control of its parameters in the presence of volume acoustic waves. Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences) Vol. 50, Issue 2, pp 204-208, 2015.