Ученые Института общей физики имени А.М. Прохорова (ИОФ) РАН совместно с российскими коллегами создали двухслойную алмазную пластину для источников рентгеновского излучения. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья ученых опубликована в журнале Applied Physics A.

Источники рентгеновского излучения (X-лучей) нашли применение во многих областях науки, в первую очередь, в физике высоких энергий и медицине. В медицине X-лучи используются для флюорографии. В последнее время появились особо мощные источники рентгеновского излучения, которые открывают новые горизонты науки, но в тоже время требуют специальных методов управления и диагностики. Одна из проблем — сложность создания прозрачного выходного окна подобных источников, которое должно обладать достаточной прочностью и высокой теплопроводностью.

Ученые ИОФ РАН совместно с коллегами из Балтийского федерального университета имени И. Канта (БФУ) предложили новый материал для выходных прозрачных окон — визуализаторов мощных источников рентгеновского излучения. Он представляет собой двухслойную алмазную пластинку, состоящую из монокристаллической подложки толщиной 0,5 миллиметра с тонким алмазным слоем (около 10 микрометров), содержащим атомы азота и кремния. Явление люминесценции (свечение в видимом диапазоне длин волн под действием рентгеновского излучения) в нанесенном на подложке слое позволяет визуализировать невидимое рентгеновское излучение, что совместно с высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью и прозрачностью алмазных пластин позволяет применять их для окон мощных устройств, например источников синхротронного излучения.

Предложенный подход имеет ряд преимуществ перед предыдущими работами, в которых в качестве визуализатора предлагались поликристаллические пленки, состоящие из множества мелких кристаллов. Поликристаллические пленки состоят из хаотически ориентированных алмазных частиц. В подобных материалах видна значительная пространственная неравномерность поглощения рентгеновского излучения, а небольшая толщина приводит к недостаточной прочности окна. Изготовление подобных пленок большей толщины решает проблему прочности, но ухудшает разрешение полученного визуализатора. Предложенный учеными ИОФ РАН подход лишен этих недостатков, поскольку алмазная подложка обеспечивает необходимую прочность, а нанесенная на его поверхность тонкая монокристаллическая алмазная пленка выступает в качестве визуализатора с высоким пространственным разрешением.

«Мы создали синтетические тонкие монокристаллические двухслойные алмазные пленки для источников рентгеновского излучения. Мы испытали два образца алмазного детектора: один содержит атомы кремния, другой — азота. Образцы с добавлением азота показали наилучшие результаты в тестах на рентгеновскую визуализацию. Изготовленные нами стекла обладают высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью и прозрачностью, необходимой для окон мощных устройств, например источников синхротронного излучения. Таким образом, удалось создать элемент из синтетического алмаза, который способен выполнять одновременно две функции: окна для вывода из ускорителя мощного рентгеновского пучка и визуализатора», — говорит руководитель гранта, доктор физико-математических наук, академик РАН, директор Центра естественно-научных исследований ИОФ РАН Виталий Конов.