Лазерный мир

Ученые из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН в составе международного коллектива разработали уточненную модель покрытия из рутения для зеркал Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL). Это позволит продлить срок службы уникального прибора. Работа опубликована в журнале AppliedSurfaceScience.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) — один из крупнейших международных научных проектов. Он способен создавать сверхмощные импульсы в очень широком диапазоне частот. С их помощью ученые, представляющие самые разные научные направления, смогут с разрешением в десятые доли нанометра изучать структуры биологических молекул, детальное строение вирусов, протекание сверхбыстрых химических реакций, например, тех, что происходят при катализе. Россия является активным участником проекта XFEL.

Из-за особенностей отражения рентгеновских импульсов на XFEL нельзя использовать обычную оптику. Рентгеновские лучи легко проникают сквозь большинство

материалов, а не отражаются от них. Чтобы решить эту проблему и получить отраженный в нужном направлении пучок излучения, используют особые зеркала, покрытые сверхтонкими пленками из тяжелых металлов, например, золота или рутения. Зеркала располагаются так, что рентгеновские пучки сталкиваются с их поверхностью под очень малыми углами и частично отражаются.

Однако при взаимодействии с мощным рентгеновским пучком покрытие зеркала неизбежно портится. Чтобы продлить их срок службы, надо понимать, какие именно процессы в них происходят.

Когда рентгеновский пучок облучает металлическую пленку, вещество с ее поверхности из-за сильного нагрева начинает испаряться. Этот процесс называется лазерной абляцией.Если мощность лазерного импульса превышает определенное пороговое значение, происходит взрыв, оставляющий после себя воронку наподобие кратера. Такие абляционные кратеры снижают отражающую способность зеркал.

Непосредственно на практике невозможно изучить, что происходит при таких процессах, так как они протекают настолько быстро, что никакие приборы не могут их зафиксировать.

«Для этого необходимо иметь модель, которая бы детально описывала, что происходит при взаимодействии рентгеновского излучения и вещества покрытия, — объясняют в пресс-релизе ИТФ РАН соавторы работы доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник сектора плазмы и лазеров Наиль Иногамов и научный сотрудник университета Твенте в Голландии Игорь Милов. — Мы занимаемся созданием такой модели с 1970-х годов, и сегодня она детально описывает множество происходящих при абляции процессов, позволяя делать точные предсказания относительно того, что будет с пленкой при тех или иных условиях».

В экспериментах на XFEL авторы исследования облучали тонкие пленки из рутения лазером разных диапазонов: с энергией фотонов 1,5 эВ (оптический диапазон) и 92 эВ (экстремальный ультрафиолет), а также использовали ранее опубликованные результаты по диапазону 7 и 12 кэВ (жесткий рентген). Затем при помощи атомно-силового, сканирующего и просвечивающего электронного микроскопов специалисты определили очертания и характеристики образовавшихся абляционных кратеров и сравнили эти данные с теми, что были получены, исходя из разработанных теоретиками моделей.

«Предсказания нашей модели очень хорошо совпали с данными эксперимента. Модель позволила предсказать, при какой энергии начинается разрушение пленки, с точностью 5-10 процентов, — рассказывает Иногамов. — Это говорит о том, что она правильно описывает происходящие процессы. Большинство других существующих моделей позволяют сделать это с точностью лишь по порядку величины».

Новая работа углубляет понимание абляционных процессов и в будущем поможет разработать своеобразные «библиотеки» — модели абляции для различных металлов и мощностей излучения. Это сократит количество крайне трудоемких и дорогостоящих экспериментов по проверке поведения того или иного металла при лазерной абляции.

Источник: https://ria.ru/20191107/1560679352.html