Большая интенсивность источников синхротронного излучения позволяет проводить спектроскопические исследования с экстремально высоким спектральным разрешением при более коротких экспозициях. Использование поляризационных свойств СИ позволяет исследовать пространственную анизотропию объектов. Дифрактометрия с использованием синхротронного излучения позволяет подойти на новом качественном уровне к решению следующих проблем: регистрации дифрагированного излучения при больших и малых импульсах отдачи( больших и малых дифракционных углах), регистрации дифракционных картин с высоким угловым разрешением и реализации метода аномального рассеяния( определение в структуре положений атомов с близкими атомными номерами) для широкого ряда элементов, благодаря непрерывному гладкому спектру СИ в диапазоне энергий фотонов.
Описание техники эксперимента
Ниже приведено описание одного из экспериментов по использованию синхротронного излучения для изучения структуры морской воды. Работа была выполнена в Институте ядерной физики СО РАН( Новосибирск); теперь это Сибирский международный центр СИ при ИЯФ СО РАН и ИАЭ им. И. В. Курчатова. Источником синхротронного излучения служил ускоритель-накопитель на встречных электрон-позитронных пучках – ВЭПП‐3 с энергией 2,2 ГэВ и временем жизни пучка на орбите 30 000 с. Для проведения экспериментов использовался дифрактометр 0 – 20 °, установленный на 2‐м канале ВЭПП‐3 [ 2 ].
Синхротронное излучение ВЭПП‐3 имеет широкий спектральный состав от 0,2 до 2Å. Максимум интенсивности приходится на длину волны 1,5Å. По соображениям радиационной безопасности, расстояние L – длина канала от ускорителя( источника СИ) до специально оборудованного бункера, где располагается дифрактометр( рис. 2), составляет 10 метров( чем меньше длина канала, тем меньше горизонтальный размер пучка синхротронного излучения).
Угловая расходимость пучка СИ, благодаря его релятивистскому сжатию вблизи плоскости электронной орбиты незначительна, как в горизонтальной плоскости электронной орбиты, так и вертикальной. Увеличение L нежелательно, поскольку плотность потока фотонов на образец снижается по квадратичной зависимости.
Спектральная ширина падающего на образец излучения – ∆λ – зависит от угловой расходимости монохроматизированного пучка в плоскости электронной орбиты, от ограничения диапазона углов скольжения δ0 ° hkl( расходимость дифрагирующего излучения кристаллографической плоскостью( hkl) кристалла-монохроматора при монохроматизации) и от нерегулярностей, как структуры кристалла-монохроматора( мозаичности), так и исследуемого образца( ∆d hkl). Связь дисперсии ∆λ с угловой расходимостью δ0 ° представляется как ∆λ = λ ⋅ ctg0 ⋅ δ0 °.
Угловое разрешение дифракционных отражений в горизонтальной( S X) и вертикальной( S Z) плоскостях, если пренебречь пространственным разрешением детектора и ограничениями дифракции по причине малости исследуемых образцов, определяется спектральной шириной ∆λ [ 1 ]:
;
Рис. 2. Дифрактометр: а – гониометр + столик, на котором крепится исследуемый объект и трубка, откуда выходит пучок СИ; б – трубка и столик крепления проб с электромоторами крупным планом
; где 2δ x и 2δ z – параметры размера источника излучения – поперечного сечения пучка электронов в плосткостях X, Z и L – расстояние, на котором находится входная диафрагма, передающая изображение пучка, как в камере обскура. Заметим, что в горизонтальной плоскости разрешение хуже, чем в вертикальной, в силу того, что горизонтальный размер пучка в 10 раз больше вертикального( вертикальный
72 Морские информационно-управляющие системы, 2015 / No. 1( 7)