Микроскопические зеркала позволят снимать «кино» в рентгеновском диапазоне

Ученые из Аргоннской Национальной Лаборатории разработали микроэлектромеханическое устройство, способное отражать высокоинтенсивное рентгеновское излучение, а также формировать из него отдельные наносекундные импульсы. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications (доступен полный текст), а кратко ознакомиться с его содержанием можно в пресс-релизе лаборатории.

Одной из самых больших трудностей работы с рентгеновским излучением является отсутствие оптики для него в традиционном ее понимании. Обычные материалы, используемые в оптике видимого диапазона, практически не преломляют рентгеновские лучи. Поэтому у линзы, сделанной из, скажем, стекла, фокусное расстояние для такого излучения будет практически бесконечным. К тому же, даже атмосфера очень сильно его рассеивает, поэтому научное оборудование, предназначенное для точных измерений интенсивности рентгеновского излучения, часто требует вакуумирования или вынесения в космос (в случае рентгеновских телескопов).

Один из основных классов рентгеновской оптики — отражательная оптика. Она использует множественное отражение луча для того, чтобы изменить его направление. Важно отметить, что отражение рентгеновского излучения может происходить лишь при небольших углах между лучом и поверхностью. В противном случае большая часть излучения поглощается или проходит сквозь отражатель. На основе этого инженерам удалось создать специальные линзы, состоящие из пучка волноводов определенной формы — излучение распространяется вдоль него из-за внутреннего скользящего отражения и фокусируется в конечном итоге в одной точке.

Авторы новой технологии используют для отражения рентгеновского излучения чрезвычайно маленькие зеркала, шириной в полмиллиметра, сделанные из монокристаллического кремния. Они очень быстро колеблются под действием актуаторов — устройств, похожих на гребенки и состоящих из двух частей, статической и подвижной. Когда ток подается на статическую часть актюатора, ротор отталкивается от него и тем самым запускаются колебания.

Благодаря микроскопическому прибору инженерам удалось превратить непрерывный пучок рентгеновского излучения в набор наносекундных импульсов, направленных на образец. С помощью этой технологии авторы смогли отражать пучок на углы порядка десятых долей градуса, а также, варьируя частоту колебаний зеркала, изменять продолжительность и форму импульса. 

Кроме того, по аналогии с этим устройством инженерам удалось собрать аналогичный прибор, работающий на дифракции, — в нем изменение направления пучка происходит в результате рассеяния его на монокристалле. При этом аналогичным образом происходит выделение узких наносекундных импульсов, направленных под определенным углом.

По словам одного из авторов статьи, Дениэла Лопеза, преимуществом устройства является возможность встроить его практически в любую существующую установку. В частности, одним из вариантов использования предложенной микроэлектромеханической системы является установка его в XFEL — строящийся сейчас лазер на свободных электронах, генерирующий рентгеновские импульсы высокой интенсивности. 

Другое применение, описанное авторами, — создание трехмерных высокоскоростных «фильмов», позволяющих определить изменения, происходящие на молекулярном уровне. Зеркала при этом будут выступать в роли затвора, открывающегося и закрывающегося со скоростью в сотни тысяч раз в секунду.