1

Название прорывного направления научных исследований:

Преломляющая рентгеновская оптика для лазеров на свободных электронах

2

Обоснование прорывного направления научных исследований, его соответствие требованиям п.5 Методики оценки прорывных направлений научных исследований и разработок:

      НИИПФП им. А.Н.Севченко БГУ является ведущим научно-исследовательским учреждением Министерства образования в области физических исследований и разработок, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и образовании.
     В рамках научно-прикладного направления «Оптика для рентгеновских лазеров на свободных электронах» в настоящее время выполняется  задание 5.4.21 подпрограммы «Техническая диагностика» ГПНИ «Механика, техническая диагностика, металлургия» и задание  2.16 «подпрограммы «Атомная энергетика, ядерные и радиационные технологии в рамках  ГПНИ «Энергобезопасность,  энергоэффективность и энергосбережение, атомная энергетика».
Основанием для проведения научных исследований в указанном направлении является следующая информация.
Рентгеновские лучи широко используются в науке для реализации целого ряда исследовательских методик, в технологических процессах, в неразрушающем контроле. Если еще 20 лет назад самым распространенным  источником рентгеновских лучей являлась рентгеновская трубка, то в настоящее время исследователи все чаще обращаются к источникам синхротронного излучения, число которых в мире превышает 40,  и которые позволяют получать рентгеновское излучение с энергией фотонов от 500 эВ до 30 кэВ и выше. Источники различаются по энергии фотонов, размеру рентгеновского пучка, его интенсивности, углу раствора конуса излучения, но в любом случае их яркость на несколько порядков (до десяти) превышает яркость лабораторных источников. На базе источников синхротронного излучения 3-его поколения,  к которым относятся синхротроны SSRL (США) , APS (США) , SPring-8 (Япония), ESRF (Франция), DESY (Германия), SSRL (Шанхай, КНР) планируется построить (и в 2013 г. введены в эксплуатацию) рентгеновские лазеры на свободных электронах, которые будут излучать рентгеновские пучки с повышенной степенью когерентности. Такие пучки позволят реализовать целый ряд новых исследовательских методик, например микроскопию и томографию нанообъектов.
Для эффективной работы лазера необходимы фокусирующие и отражающие рентгенооптические элементы, что является темой обсуждения на конференциях и направлением исследований в течение последних 7 лет.  Считается, что в качестве фокусирующих элементов для лазеров на свободных электронов наиболее перспективными являются многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы, что определяет актуальность исследований в этом направлении.

3

Соответствие приоритетным направлениям научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 годы:

Тема направления научных исследований соответствует разделам приоритетных направлений фундаментальных и прикладных исследований  в Республике Беларусь на 2011–2015 г.г., утв. постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 19.04.2010 г. № 585:
Раздел 6. Лазерные, оптические, оптико-, опто-, микро- и радиоэлектронные технологии и системы:
6.4. новые типы лазеров в широком спектральном, временном и мощностном диапазонах, в том числе твердотельные и волоконно-оптические лазеры, лазеры на свободных электронах;
Раздел 12. Междисциплинарные исследования. Перспективные зарождающиеся технологии:
12.1. физические и математические методы и их применение для решения актуальных проблем естествознания, техники, новых технологий, экономики и социальных наук.
12.2. физика фундаментальных взаимодействий, высоких энергий и экстремальных состояний вещества, плазма и ее применение, плазменно-пучковые технологии.

4

Обоснование соответствия критерию прогнозируемой новизны:

Поскольку показатель преломления вещества для рентгеновских фотонов меньше единицы, то фокусировка рентгеновского излучения может быть осуществлена при помощи двояковогнутой линзы. Однако расчеты показывают, что фокусное расстояние такой линзы составляет величину 50 – 100 м, которая является слишком большой для каких–либо практических применений. Этот факт является основой для широко распространенного убеждения, что преломляющая оптика для рентгеновских лучей невозможна. Попытки уменьшить фокусное расстояние линзы привели к созданию нового типа рентгеновской линзы (1996 г.). Линза состоит из большого числа (10 – 300) двояковогнутых микролинз, изготовленных из материала с малым порядковым номером (бериллий, углерод, полимер, алюминий) и расположенных соосно. Первоначально линза была выполнена путем сверления большого количества отверстий в пластине из алюминия. Роль линз играли перешейки между отверстиями. Эксперименты на синхротроне ESRF (Франция) показали возможность фокусировки рентгеновских фотонов с энергией 10 – 15 кэВ в пятно размером в несколько микрометров. Эти работы фактически послужили толчком к началу исследований в области преломляющей рентгеновской оптики.
В настоящее время существует целый ряд научных центов и коммерческих структур, которые разрабатывают и выпускают многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы. Такие линзы изготавливаются путем штампования или с применение метода LIGA.
Научная новизна предлагаемого направления  состоит в том, что будут разработаны и исследованы новые элементы рентгеновской оптики для лазеров на свободных электронах- многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы, которые позволят фокусировать рентгеновское излучения в субмикронные пятна. Линзы выполнены путем формирования двояковогнутых микролинз из эпоксидной смолы в стеклянных капиллярах естественным путем за счет сил поверностного натяжения.
Разработка многоэлементных преломляющих линз для рентгеновских лазеров позволит создать не только конкурентоспособный наукоемкий продукт, но и принять участие в исследованиях в ведущих мировых научных центрах.
В 2013 г. ГКНТ Республики Беларусь  провел экспертизу товара «Многоэлемнтные двояковогнутые эпоксидные микролинзы», разработанного в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ, и , согласно заключению №19/2013 от 18.05.2013 отнес указанный товар к группе высокотехнологичных.   

5

Обоснование соответствия критерию принципиальной новизны:

Основное и принципиальное отличие предлагаемой оптики от имеющих аналогов состоит в том , что линзы формируются в стеклянных капиллярах за счет сил поверхностного натяжения. Благодаря этому поверхность микролинз является гладкой, что трудно добиться, например, методом штамповки. Линзы являются относительно дешевыми, и этот критерий является достаточно важным поскольку:
1. известные фокусирующие рентгенооптические элементы являются дорогостоящими
( 10 тыс. долларов США и выше);
2.оптические элементы для рентгеновских лазеров на свободных электронов в силу высокой плотности излучения являются фактически одноразовыми.   
Проведенные исследования рентгенооптических свойств линз на рабочих станциях 7 синхротронов показали, что несмотря на простоту изготовления, линзы позволяют получать субмикронные пучки для фотонов с энергией от 7 до 20 кэВ.

6

Обоснование соответствия критерию научного уровня:

В НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ за период, начиная с 1997 г. по н.в., разработаны, изготовлены и исследованы многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы для фотонов с энергией от 5 кэВ до 20 кэВ. Эти линзы могут быть использованы в качестве фокусирующих элементов для лазеров на свободных электронах. Линза выполнена в виде стеклянного капилляра, в котором сформировано от 100 до 300 двояковогнутых сферических эпоксидных микролинз с радиусом кривизны, равным радиусу канала капилляра (50-250 мкм). Оптические параметры разработанных линз были исследованы на 5-х синхротронах 3-его поколения: SSRL (США) , APS (США) , SPring-8 (Япония), ESRF (Франция), SSRL (Шанхай, КНР).  Было показано, что линзы фокусируют рентгеновские лучи от синхротронного источника в пятно размером около 1-2 мкм. Указанные работы по преломляющей рентгеновской оптике проводились в рамках заданий по ГКПНИ «Техническая диагностика» и «Нанотех», ГПНИ «Техническая диагностика», «Атомная энергетика, ядерные и радиационные технологии»,  проектов БРФФИ № Ф99-056, № Ф03МС-005, № Ф06МС–011, №Ф09МС-024, контракта с фирмой Adelphi Tech. (США) на изготовление и поставку преломляющих линз, контракта с фирмой CEA (Франция) на изготовление поставку микролинз,  в рамках проекта № 8с-7 в рамках Программы научно- технического сотрудничества Республики Беларусь с провинциями Китая.  Перечень 10 работ по тематике исследований с высоким индексом цитирования:

1. Yury Dudchik. Design and Application of X-Ray Lens in the Form of Glass Capillary Filled by a Set of Concave Epoxy Microlenses // Optical Fiber Communications and Devices. Edited by: Moh. Yasin, Sulaiman W. Harun and Hamzah Arof (Ed.), ISBN: 978-953-307-954-7, Publisher:InTech,  February 2012.- P.77-94.
2. Асадчиков, В.Е. Томографические методы исследования микрообъектов и изогнутых структур / В.Е. Асадчиков, А.В. Бузмаков, Д.А. Золотов, И.В. Якимчук, Р.А. Сенин, Ю.И. Дудчик, И.С. Смирнов, А.А. Коновко, С.В. Савельев, В.И. Гулимова // Мир измерений..- №6.- 2012.- С. 22-31.
3. Chengchao Huang, Baozhong Mu, Zhanshan Wang, Lingyan Chen, Yu.I. Dudchik. Hard X-ray imaging by a spherical compound refractive lens // Nucl. Instr. Meth. A – 2009.- № 602- P. 446-449.
4. Yu.I. Dudchik , F.F. Komarov , M.A. Piestrup, C.K. Gary, H. Park, J.T. Cremer. Using of a microcapillary refractive X-ray lens for focusing and imaging // Spectrochimica Acta,  62B, (2007), P. 598–602.
5. C. K. Gary, H. Park, L.W. Lombardo, M. A. Piestrup, J. T. Cremer, R.H. Pantell, Yu.I. Dudchik. High resolution X-ray microscope // Appl. Phys. Lett., 90, (2007), P. 181111-1–181111-4. 
6. Microscope using an X-ray tube and a bubble compound refractive lens / M.A. Piestrup, C.K. Gary, H. Park, J.L. Harris, J.T. Cremer, R.H. Pantell, Yu.I. Dudchik, N.N. Kolchevsky, F.F. Komarov // Appl. Phys. Lett. – 2005. – Vol. 86. – P. 131104-1–131104-2.
7. Microspot x-ray focusing using a short focal-length compound refractive lenses / Yu.I. Dudchik, N.N. Kolchevsky, F.F. Komarov, M.A. Piestrup, J.T. Cremer, C.K. Gary, H. Park, A.M. Khounsary // Rev. Sci. Instr. – 2004. – Vol. 75, № 11. – P. 4651-4655.
8. X-ray imaging of an X-pinch plasma with bubble compound refractive lens / C.K. Gary, S.A. Pikuz, M.D. Mitchell, K.M. Chandler, T.A. Shelkovenko, D.A. Hammer, Yu.I. Dudchik // Rev. Sci. Instr. – 2004. – Vol. 75, № 10. – P. 3950-3952.
9. Application of a refractive bubbles-in-capillary X-ray lens to X pinch experiments / S.A. Pikuz, V.E. Asadchikov, K.M. Chandler, D.A. Hammer, Yu.I. Dudchik, N.N. Kolchevsky, F.F. Komarov, M.D. Mitchell, A.V. Popov, T.A. Shelkovenko, R.A. Senin, I.A. Suloev, A.V. Vinogradov // Rev. Sci. Instr. – 2003. – Vol. 74, № 3. – P. 2247-2250.
10. X-ray focusing test and X-ray imaging test by a microcapillary X-ray lens at an undulator beamline / Y. Kohmura, M. Avaji, Y. Suzuki, T. Ishikawa, Yu.I. Dudchik, N.N. Kolchevsky, F.F. Komarov // Rev. Sci. Instr. – 1999. – Vol. 70, № 11. – P. 4161-4167.

Патенты:
1. Патент №8602 на полезную модель  «Устройство для получения монохроматического рентгеновского микропучка» от 16.12. 2011 г.. Заявитель- НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ, автор- Ю.И. Дудчик.
2. Патент №8660 на полезную модель  «Многощелевой рентгеновский коллиматор» от 29.03. 2012 г.  Заявитель- НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ, авторы- Ю.И. Дудчик, В.А. Сокол.
3. Патент № 8963 на полезную модель «Многоэлементая преломляющая линза для гамма-излучения» от 02.11. 2012. Заявитель- НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ, автор- Ю.И. Дудчик.
Все выполненные и проводимые в настоящее время работы соответствуют мировому уровню.

7

Обоснование соответствия критерию практической реализации:

В результате проведенных к настоящему времени работ в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ разработана преломляющая рентгеновская линза с уменьшенным до 10 см значением фокусного расстояния для фотонов с энергией 8 кэВ. Линза представляет собой стеклянный капилляр диаметром 200 микрон, заполненный  двояковогнутыми сферическими микролинзами из эпоксидной смолы, число которых составляет от 100 до 350.
            Определены следующие рентгенооптические параметры линзы для фотонов с энергией в интервале от 7 кэВ до 20 кэВ: фокусное расстояние, пропускание, апертура линзы, коэффициент усиления плотности потока фотонов.  Указанные  параметры линзы были измерены в Стенфордской лаборатории синхротронного излучения (США) и на синхротроне Advanced Photon Source (США).
Разработана  и изготовлена серия многоэлементных преломляющих линз для рентгеновских лучей. Линзы №1 и №2 состоят из 161 и 184, соответственно, сферических двояковогнутых микролинз, расположенных соосно. Радиус кривизны поверхности микролинз – 50 мкм. Линзы №3, №4 и №5 содержат, соответственно, 114, 56 и 224 микролинз с радиусом кривизны поверхности 100 мкм. Проведен расчет оптических параметров изготовленных линз.
Рентгенооптические параметры линз  №3 были исследованы на синхротроне ESRF (Франция). Измеренное фокусное расстояние линзы №3 для фотонов с энергией 18 кэВ составило 57,5 см, рассчитанное -58,7 см. Размер фокусного пятна  (FWHM) равен около 2,7x3,9 мкм 2.  С использованием линзы реализован метод малоуглового рассеяния, при этом в качестве объекта исследования использовалась пластинка из пористого оксида алюминия с протяженными наноразмерными порами.
С использованием линзы №4 в качестве оптического элемента проведены исследования по малоугловому рассеянию и дифракции рентгеновских лучей в Стенфордской лаборатории синхротронного излучения. Реализован метод ультрамикроскопии или темного поля в рентгеновском диапазоне длин волн.
С использованием линзы №5 получены микропучки рентгеновского излучения с энергией фотонов 12 кэВ и 14 кэВ на синхротроне ANKA (Германия).
Разработана методика получения изображений объектов в рентгеновских лучах с использованием рентгеновской камеры с высоким пространственным разрешением. Реализован  лабораторный макет рентгеновского микроскопа, в котором в качестве объектива использовалась многоэлементная преломляющая рентгеновская линза № 1 с фокусным расстоянием, равным 41 мм для фотонов с энергией 8 кэВ и линза № 2. Для визуализации изображения объекта в рентгеновских лучах использовалась рентгеновская камера Photonic Science  с высокой пространственной разрешающей способностью. Получены изображения тестовых объектов при увеличении 9,8. Установлено, что пространственная разрешающая способность микроскопа находится на уровне 3-4 мкм, поле зрения - около 200 мкм.
Проведены исследования по рентгеновской микроскопии с использованием многоэлементной преломляющей линзы и источника  синхротронного излучения. Исследования проводились на синхротроне National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL)  в г. Хефей (КНР). Для освещения объекта на синхротроне NSRL использовался монохроматический рентгеновский пучок с  энергий фотонов 8 кэВ. В качестве объектива микроскопа использовалась многоэлементная преломляющая рентгеновская линза, разработанная в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ  с числом микролинз, равным 147. Фокусное расстояние линзы равно 45 мм для фотонов с энергией 8 кэВ. Получены изображения тестового объекта в виде золотой сетки № 1500, содержащей проволоки диаметром 6 мкм, при увеличении, равном  11,6.    Проведенный анализ полученного изображения сетки № 1500 показал, что разрешение методики рентгеновской микроскопии с использованием элементов преломляющей  оптики  и  синхротронного источника излучения составляет около 2-3 мкм.
На синхротроне SSRL в г. Шанхай (КНР) проведены исследования по рентгеновской Фурье-оптике. Получена картина дифракции синхротронного пучка с энергией фотонов 18 кэВ на пластине из пористого оксида алюминия с наноразмерными порами. В качестве рентгенооптического элемента были использованы две рентгеновские линзы, разработанные в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ, с фокусным расстоянием 110 см и 66 см. Показано, что в проведенных исследованиях пластина из пористого оксида алюминия играла роль одномерной решетки для рентгеновских лучей.

8

Значимость научной и научно-технической продукции, создаваемой в рамках прорывного направления научных исследований, для укрепления национальной безопасности, улучшения качества жизни населения, обеспечения экологической безопасности:

Выполнения работ в предлагаемом направлении позволит Республике Беларусь принять участие в выполнении научных исследований на рентгеновских лазерах на свободных электронах, которые являются уникальными ускорительными комплексами. В настоящее время в мире существует два таких лазера- в США и в Германии, строятся в Японии, Франции, Южной Корее и КНР.  Оптика для рентгеновских лазеров является продуктом высоких технологий, стоимость которого составляет десятки и сотни тысяч долларов. Поскольку интенсивность рентгеновского пучка лазера достаточно высока, то большинство рентгенооптических элементов являются фактически одноразовыми, и  с особой актуальностью поднимает вопрос о дешевизне изделия. Именно к таким элементам относятся многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы, разработанные в НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ.

9

Экспортоориентированность, масштабы импортозамещения и другие преимущества достигнутых и (или) ожидаемых конечных результатов реализации прорывного направления научных исследований:

Результаты, полученные при выполнении исследований, были использованы для выполнения контракта № 1472/2009 от 05.08.2009 на разработку, изготовление и поставку многоэлементных эпоксидных двояковогнутых линз.  Контракт заключен между НИИПФП им. А.Н. Севченко  БГУ и Adelphi Technology, Inc. (США). 
В 2012 г. в рамках контракта с фирмой CEA/DAM - Ile de France (Франция) разработана конструкция и изготовлены 24 многоэлементные преломляющие рентгеновские линзы для получения изображения плазменного источника рентгеновского излучения для фотонов с энергией 8 кэВ и 12 кэВ.
Ведутся переговоры с партнером из Республика Корея о возможности использования разрабатываемых рентгеновских линз на лазере на свободных электронов в г.Поханг, строительство которого планируется окончить к 2014 г.

10

Секция экспертного совета, в которой целесообразно рассмотрение предложения отметить знаком «X»):

X

Секция по физико-математическим наукам и информационным технологиям