Благодаря сотрудничеству ученых двух исследовательских институтов – Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Томского института Сильноточной Электроники СО РАН – была создана первая в мире компактная установка для рентгеновской радиографии сверхмалых объектов. То, что раньше занимало площади в квадратные метры, теперь свободно умещается на краешке письменного стола.

На фотографии изображен рентгеновский портрет мухи – видны внутреннее строение, волоски на тельце, глаза и даже нервы. В свое время этот рентген-снимок, сделанный физиками из ФИАНа в сотрудничестве с учеными из Корнельского университета (Итака, США), обошел целый ряд известных научных и научно-популярных журналов. Это был научно-инженерный прорыв – ученые научились получать рентгеновские снимки сверхмалых объектов, да еще и с микронным пространственным разрешением и ультракороткой (пикосекундной) экспозицией. В основе установок для получения столь качественных рентгеновских изображений лежала преобразованная версия известного в физике плазмы эффекта Z-пинча.

«Фотография» мухи, полученная с помощью пространственно когерентного источника рентгеновского излучения

Идея Z-пинча родилась еще в 50-х годах прошлого столетия. Предполагалось, что при пропускании вдоль плазмы большого тока, она сожмется и нагреется под действием его магнитного поля, превратившись в источник мощного излучения в виде линейного плазменного столба. Однако все оказалось не так просто.

Плазма сжималась неоднородно, и вследствие «сосисочной неустойчивости», плазменный канал, в конечном счете, разрушался. Позже, в 80-х годах, когда в ФИАНе начались исследования генерации высокотемпературной плазмы при взрыве одиночной проволочки, нам пришла идея попробовать вместо одной проволочки использовать систему проволочек, скрещенных в виде буквы Х. Назвали новую конструкцию в соответствии с внешним видом – X-пинчом. Она позволяла создать перетяжку в заданном месте, и плазма в этом месте за время порядка 100 наносекунд успевала нагреться до солнечных температур, сжаться до микронных размеров и начать излучать в рентгеновском диапазоне, – рассказывает один из авторов эффекта X-пинча, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат.наук Сергей Пикуз.

Смотрите видео «Установка, для работы с Х-пинчем».avi (33,6 МБ)

Точечный источник излучения, который получался в перекрестии проволочек Х-пинча, позволял получать качественное (с высоким пространственным разрешением) увеличенное изображение миниатюрного предмета. А поскольку излучающая точка «жила» меньше 1 нс, то и временное разрешение было очень высоким.

Первой установкой для исследования Х-пинчей была созданная в ФИАНе установка Дон (100–150 kА), после нее – БИН (270–300 kA). С начала 90-х годов фиановцы начали сотрудничать с Корнельским университетом – их установки XP и COBRA позволяют пропускать ток 500 kА и 1.2 МА соответственно. Однако все эти установки имеют сложную систему формирования импульса тока, необходимого для работы Х-пинча, что выливается в их внушительные габариты. Будучи размером начиная с небольшую жилую комнату и заканчивая двухэтажным домом, они требуют трудоемкого обслуживания, сверхвысокой квалификации работающих на них сотрудников, и, естественно, не транспортабельны.

Малогабаритную рентгенографическую установку удалось создать благодаря сотрудничеству фиановцев с учеными из Томского института Сильноточной Электроники СО РАН. Группой томских разработчиков (С.А. Чайковский, В.Ф. Федущак, А.В. Федюнин и др.) был разработан и изготовлен компактный генератор тока на основе сверхмалоиндуктивных конденсаторов и быстрых газовых коммутаторов. Нагрузка генератора в виде Х-пинча была разработана и оптимизирована для работы в качестве точечного источника мягкого рентгеновского излучения уже в ФИАНе. Кроме того, в экспериментальных работах активное участие принимали студенты кафедры Электрофизики Московского физико-технического института (одной из трех кафедр научно-образовательного центра МФТИ-ФИАН), которой руководит директор ФИАН Г.А. Месяц. Для них это было хорошим способом получить знания по самым современным направлениям физики.

Прототип компактной установки для рентгеновской радиографии сверхмалых объектов

Параметры Х-пинча получившейся установки – и по энергетике, и по размеру источника, и по длительности импульса излучения – очень близки к тем, которые дают большие установки, наподобие нашей БИН или американской XP. Но пока это только прототип мобильной установки для радиографии, его нужно еще усовершенствовать. Например, для того, чтобы натянуть микронной толщины проволочки в виде Х-пинча требуется достаточно высокая квалификация персонала, а их нужно перезаряжать каждый раз перед тем, как сделать следующую экспозицию. Для этого нужно открыть вакуумную камеру, перезарядить проволочки, обратно откачать воздух, – на это уходит порядка часа. Мы хотим уйти от этих неудобств, и работаем сейчас над разработкой системы автоматической перезарядки проволочек Х-пинча. Еще мы хотим уйти от фотопленок, и в окончательном варианте генератора будет осуществляться электронная регистрация рентгенограмм, например, на ПЗС-матрицы, – делится ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Татьяна Шелковенко.

Примеры рентгеновских снимков сверхмалых объектов

Реализовав все свои задумки по усовершенствованию прототипа, ученые выйдут на финишную прямую – получат промышленный образец компактной установки для рентгеновской радиографии, готовый к коммерциализации.