Роман Сенин  - победитель конкурса

им. Р.В. Хохлова.    

В середине января этого года состоялось заседание комиссии по рассмотрению научных работ студентов физического факультета, поданных на конкурс им. Р.В. Хохлова. Первая премия была присуждена студенту 6-го курса кафедры общей физики и волновых процессов Роману Алексеевичу Сенину за дипломную работу “Два способа получения увеличенных изображений объектов в диапазоне длин волн 0.07-0.23 нм” (научные руководители доцент кафедры Ю.В. Пономарев и ведущий научный сотрудник Института кристаллографии РАН В.Е. Асадчиков). Эта экспериментальная работа посвящена решению одной из интереснейших современных научных задач, связанных с развитием новых методов рентгеновской микроскопии, с помощью которой возможно получать изображения внутренней структуры непрозрачных объектов.

            Большинство работ по рентгеновской микроскопии биологических объектов выполняются сейчас в так называемом “водяном окне” - диапазоне длин волн 2.2-4.4 нм. Основная причина проведения исследований в данном диапазоне состоит в том, что поглощение такого излучения в воде значительно меньше, чем в биологических тканях. Это делает возможным применение абсорбционного контраста для получения изображения. Другая причина такого выбора - возможность получения увеличенных изображений объектов путем использования таких рентгенооптических элементов как многослойные зеркала и зонные пластинки.

            Однако исследования в указанном диапазоне длин волн сопряжены со значительными трудностями, вызванными значительным поглощением излучения. Поэтому для проведения экспериментов необходимо специально приготавливать очень тонкие образцы с толщиной в единицы микрон.

            Переход к более жесткому рентгеновскому излучению позволил бы исследовать более толстые объекты и целые организмы. Оказалось, что для изучения небольших биологических объектов весьма удобной является длина волны 0.23 нм (рентгеновская линия излучения хрома), использование которой позволяет получать достаточно качественные рентгеновские изображения тканей. Однако основной трудностью в этом жестком диапазоне длин волн является сложность создания оптических элементов, позволяющих получать увеличенное изображение маленьких объектов. Решению именно этой задачи и посвящена дипломная работа Р. Сенина. Решение оказалось настолько простым и вместе с тем эффективным, что остается только удивляться, почему это случилось только сейчас, а не на несколько десятилетий раньше !

            Для лучшего понимания сути проблемы следует напомнить, что, в отличие от оптики видимого диапазона, показатель преломления в жестком рентгеновском диапазоне чрезвычайно мало отличается от единицы (10^-5-10^-6). По этой причине невозможно изготовить такие привычные нам оптические элементы, как рентгеновские зеркала на основе явления отражения и рентгеновские линзы на основе явления преломления. В то же время хорошо известно явление брэгговской дифракции - если рентгеновские лучи падают на высокосовершенный монокристалл под углом Брэгга, то в узком угловом интервале порядка нескольких секунд происходит практически полное их отражение.

            Буквально в последние 2-3 года появились достаточно простые (в идейном отношении) предложения по использованию асимметричного дифракционного отражения рентгеновского излучения от монокристалла, а также явления преломления в системе многих последовательно расположенных пустых цилиндрических каналов, просверленных в слабопоглощающем материале. Так как показатель преломления рентгеновских лучей меньше единицы, то вакуум является более оптически плотным, чем вещество. В итоге сферическая или цилиндрическая полость в веществе является в некотором смысле линзой, но с очень большим фокусным расстоянием - десятки и сотни метров, что с практической точки зрения не представляет интереса. Однако в системе N линз, лежащих вдоль одной линии, фокусное расстояние уменьшается в N раз и может достигнуть приемлемой величины.

            До настоящего времени было опубликовано всего две работы, выполненные за рубежом с использованием специализированных источников синхротронного излучения. Однако в схеме с кристаллом получено всего 5-ти кратное увеличение, а схема с цилиндрическими каналами давала лишь одномерную фокусировку, к тому же здесь предъявляются чрезвычайно жесткие требования к точности и качеству обработки цилиндрических каналов в алюминии.

            В первой части работы на основе динамической теории дифракции рентгеновских лучей Романом Сениным вначале проведены численные оценки пространственного разрешения и увеличения при асимметричной дифракции на монокристалле. Используется известное явление при асимметричной дифракции, которое заключается в расширении линейного размера отраженного пучка при скользящем падении излучения на монокристалл и широко использовалось ранее для коллимации рентгеновских пучков. Как то не приходило раньше в голову такая простая идея, что в первичный пучок можно поместить исследуемый объект и увидеть его в отраженном пучке увеличенным в одном направлении. Р. Сениным показана принципиальная возможность получения разрешения на уровне десятых долей микрона при использовании CuK_a- и MoK_a-излучения.

            Экспериментальная проверка эффекта увеличения при асимметричном отражении была проведена им на стандартной отечественной рентгеновской установке с микрофокусной трубкой с молибденовым анодом. Впервые получены изображения ряда объектов (медная предметная решетка для электронной микроскопии, танталовая ударная мембрана) с 20-ти кратным увеличением в одном направлении. Минимальный диаметр трека, который удалось зафиксировать, составляет 20 мкм. Следует подчеркнуть, что рентгеновские снимки оказались более информативными по сравнению с данными оптической микроскопии. Число треков на изображениях ударных мембран, различимых в оптическом микроскопе, оказалось меньше обнаруженного на электронных микрофотографиях. Это указывает на то, что не все треки являются сквозными, однако все они четко различимы на рентгеновских снимках, что является убедительным свидетельством эффективности новой методики. Работа имеет естественное продолжение в дальнейшем - двумерная фокусировка двумя скрещенным монокристаллами.

            Наиболее интересные результаты получены во второй части работы, посвященной фиксации рентгеновских увеличенных изображений при помощи многоэлементной преломляющей линзы на основе пузырьков воздуха в капилляре со слабопоглощающей рентгеновское излучение эпоксидной смолой. Воздушные пузырьки вводились в горячую смолу шприцем под микроскопом. Диаметр капилляра 200 мкм, число пузырьков - 67. Так что, образно говоря, хорошая дипломная работа может быть выполнена и на воздушных пузырьках.

            Вначале Р. Сенин методом трассировки лучей в приближении геометрической оптики провел математическое моделирование распределения интенсивности на разных расстояниях от выходного торца капилляра. С помощью этой модели сделаны оценки поля зрения, хроматических аберраций и построены изображения различных модельных объектов. Для конкретной линзы, используемой в эксперименте, показано, что фокусное расстояние должно составлять 90 мм, фокальное пятно порядка микрона. Затем экспериментально с использованием CrK_a-излучения (0.229 нм) было получено изображение металлической сетки с периодом 60 мкм, правда, пока всего лишь с трехкратным увеличением. Но это лишь начало исследований. Результаты трехмерного численного моделирования такой многоэлементной рефракционной линзы очень хорошо совпали с реальными экспериментами.

            Важно отметить, что силы поверхностного натяжения обеспечивают высокое качество границ раздела, а уж о дешевизне и простоте изготовления такой многокомпонентной линзы и говорить не приходится. Самое главное, что здесь получена именно двумерная фокусировка, достижение которой прежним методом с помощью системы скрещенных цилиндрических полых линз сопряжено со значительными технологическими сложностями ввиду необходимости соблюдения микронной точности при их изготовлении.

            Работа Романа Сенина подкупает своей новизной, изяществом практической реализации достаточно простых физических идей, ясностью изложения и сбалансированным сочетанием экспериментальной части с проведенными расчетами. Доподлинно мне известно, что научные руководители предоставили дипломнику необходимую свободу действий, так что большинство экспериментальных результатов и все расчеты проделаны им самостоятельно. Работа выполнена по актуальной и практически значимой тематике, полученные результаты имеют важное значение для рентгеновской микроскопии и эти исследования, безусловно, необходимо продолжать и дальше. Результаты работы опубликованы в журналах Пиcьма в ЖЭТФ, Кристаллография и в тезисах нескольких Национальных конференций. По объему, научной и практической значимости полученных результатов, оформлению и приведенным графическим иллюстрациям работа Р.А. Сенина несомненно достойна присуждения ему первой премии им. Р.В. Хохлова.

 

Член комиссии

профессор В.А. Бушуев