科學家證實了含氮金剛石晶體在制造X射線光學設備中的適用性。

X射線用于研究物質的原子和微觀結構特性。此類研究是使用稱為同步加速器的特殊加速器復合體進行的。同步加速器源會產生強大的電磁輻射，其波長等于納米的幾分之一。一些X射線從晶體的原子平面反射，而一些X射線通過晶體平面，該平面起到分束器(或所謂的半透明鏡)的作用。如果輻射穿過由兩個或多個理想晶體組成的單色儀-光學設備，則可以調節(jié)其最佳出射波長。電磁輻射的參數取決于光學元件的制造材料。

大多數現代X射線光學元件都基于硅和鍺晶體。然而，它們在來自同步加速器源的X射線輻射下被加熱，并且高溫導致其晶格發(fā)生變化，從而導致反射光束的畸變。由人造金剛石制成的光學元件可提供更好的光束質量，因為它們的熱膨脹系數和熱導率高于硅元件。但是，實驗室種植的鉆石不僅含有碳，而且還含有氮。這種不一致會在晶體中產生張力，并導致原子之間的距離不均勻。晶體的切割主要取決于其內部結構，生長扇區(qū)的分布(當物質層彼此頂部生長時形成的面積)與氮原子的位置相關。在這些增長部門的邊界上，形成了壓力場。當人工生長晶體時，控制氮含量和分布極為困難。因此，從歷史上看，由含氮金剛石制成的板的質量被認為不能用于光學元件。BFU的一個團隊與他們的外國同事一起設法消除了這種信念，并獲得了具有足夠無瑕疵區(qū)域的印版。

該團隊使用BARS(一種用于制造超硬材料的獨特設備)在1,500°c并承受超過5萬大氣壓的壓力。所獲得的晶體具有幾乎完美的原子網格。然后，將小碎片從晶體上切下來，并用它們制成薄板。首先，通過X射線檢查評估其質量，然后，在同步加速器源上使用高分辨率衍射法對板進行研究。掃描板后，研究小組獲得了高分辨率的搖擺曲線-這些圖表幫助他們評估了晶體的結構完善性。

“晶體對輻射的偏轉角取決于入射光束的能量和反射的平面。該角稱為布拉格角。我們將晶體傾斜這個角度，反射的輻射射到檢測器上，然后我們開始搖擺它。得到的搖擺曲線顯示了反射輻射的強度與晶體偏轉角之間的相關性。然后，我們將搖擺曲線與預先計算的理想晶體的理論曲線進行了比較。” BFU國際科學與研究中心“用于大科學設施的相干X射線光學系統(tǒng)”負責人Snigirev。

分析圖表后，研究小組得出結論，盡管晶體板的邊緣存在許多缺陷，但其中心仍存在較大的透明區(qū)域，占整個板的50%以上。考慮到缺陷通常在鉆石的切割和拋光過程中變得可見，因此在X射線光學系統(tǒng)中使用含氮鉆石的潛在用途取決于改進這些過程。金剛石晶體用于制造不同的光學元件，例如單色儀，分束器，干涉儀和折射透鏡。

這項研究是與VS Sobolev地質與礦物學研究所SB RAS(俄羅斯，新西伯利亞)和德國電子同步加速器DESY(德國，漢堡)的同事共同進行的。

我們感謝BFU國際科學與研究中心“用于大科學的相干X射線光學系統(tǒng)”的科學顧問和初級研究員Nataliya Klimova在本文準備過程中的協(xié)助。