Международный проект NanoRay был признан Европейской комиссией FP7 одним из лучших по данной тематике. Цель проекта – создание компактного рентгеновского источника, способного генерировать интенсивные пучки излучения, с использованием технологии углеродных нанотрубок и каналирования излучений в ориентированных структурах. Об особенностях проекта и планах по его дальнейшему воплощению рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук, профессор Султан Дабагов.

Хорошо известно, что для управления пучками разного рода излучений используются весьма непростые технологии, в основе которых лежат фундаментальные физические явления. Исследования этих явлений обычно проводились в течение многих лет, и сами явления поначалу не имели ничего общего с настоящими приложениями. Так получилось и с очень красивым эффектом, наблюдаемым при прохождении пучков заряженных и нейтральных частиц через ориентированные структуры, известным как каналирование излучений.

Термин «каналирование», обозначающий прохождение частиц через особым образом ориентированные кристаллы или кристаллические структуры, был введен датским физиком Линдхардом еще 1965 году. Правда, само явление было известно и до этого – в экспериментальной физике каналирование проявлялось как аномально глубокое проникновения ионов при легировании кристаллов.

Объясняется это тем, что в определенных направлениях кристалла существуют оси или плоскости, сформированные атомами кристалла, которые формируют так называемые каналы, осевые или плоскостные (планарные).

Двигаясь вдоль таких каналов как заряженные, так и нейтральные (например, нейтроны, рентгеновские и гамма кванты) частицы испытывают скоррелированное малоугловое рассеяние. Выделенные каналы различной геометрической конфигурации можно создавать искусственно и управлять пучками частиц, например, преобразовывать расходящийся пучок в квазипараллельный, сфокусированный или расходящийся на строго определенные углы.

Примером таких искусственных структур являются поликапиллярные структуры, известные как элементы поликапиллярной оптики, впервые предложенные и реализованные в лаборатории профессора Мурадина Кумахова в конце 80-х прошлого столетия.

Поликапиллярная оптика представляет собой огромное количество плотноупакованных стеклянных полых трубок определенной геометрии и широко используется сейчас для управления рентгеновскими пучками и пучками тепловых нейтронов.

В ФИАНе исследования в этой области начались в самом начале 90-х годов. Группа ученых из лаборатории электронов высоких энергий работала над экспериментальной реализацией фокусировки синхротронного излучения при помощи поликапиллярных линз. Задача заключалась в том, чтобы сконцентрировать пучок рентгеновского излучения в малое пятно и увеличить тем самым плотность излучения.

«При прохождении через вещество рентген практически не отклоняется даже при значительных глубинах проникновения, именно поэтому его и используют, например, для передачи изображения. Конечно, наблюдается определенное рассеяние излучения, которое снижает разрешающую способность при передаче рентгеновского изображения. Однако, оптимизируя специальным образом либо управляющую оптику, либо сам источник излучения можно значительно улучшить параметры передаваемого изображения. Основными используемыми методами являются формирование точечного источника излучения и/или квазипараллельного пучка излучения. И то, и другое сделать очень непросто», – рассказывает Султан Дабагов.

Идея, реализованная в проекте NanoRay, основана на первом методе – получении точечного источника излучения.

Для этого используется катод, на поверхности которого выращивается слой из углеродных нанотрубок, сориентированных во время роста в нужном направлении. Углеродные нанотрубки, представляющие собой естественным образом реализованные каналы, стенки которых сформированы атомными углеродными композитами, могут быть использованы для управления пучками как заряженных, так и нейтральных пучков. В частности, электроны или рентгеновские кванты могут каналировать через полости в нанотрубках под действием усредненных потенциалов выделенных каналов. Далее возможно применение поликапиллярной оптики для формирования рентгеновского пучка с заданными параметрами.

Довольно интересно при этом заметить, что распространение рентгеновского излучения в каналах поликапиллярной оптики и в нанотрубках описывается в рамках единого приближения: поверхностное каналирование вдоль стенок капилляров и объемное каналирование в каналах, сформированных углеродными нанотрубками. Последнее позволяет объяснить столь эффективную трансмиссию излучения на довольно большие глубины, что в конечном итоге является немаловажным фактором для получения мощного источника рентгеновского излучения.

Другой плюс от использования углеродных нанотрубок в «NanoRay» – это радиационная устойчивость источника и его стабильность по параметрам излучения в течение продолжительного времени. Как известно, углеродсодержащие материалы крайне выносливы к долгому облучению интенсивными пучками, поэтому проблемы с пространственной стабильностью источника излучения отпадают, а из-за отсутствия необходимости в дополнительной системе охлаждения упрощается и сама установка.

«На подложке, откуда выходит рентген, – комментирует профессор Дабагов, – выращены углеродные нанотрубки определенной геометрии, которая позволяет моментально увеличить эффективность выхода рентгена. И для того, чтобы пропускать больший поток излучения, уже не нужно заботиться об увеличении площади облучения – коллимируется как пучок электронов, порождающий рентгеновское излучение, так и сам рентгеновский пучок. Как результат – высокая интенсивность излучения и компактность источника. И еще один важный фактор – это экономия из-за отсутствия системы охлаждения, не нужно придумывать какие-то схемы, требующие увеличения размеров источника, как это делается с распространенными сегодня источниками рентгена, – здесь ничего этого не нужно».

Рис. 1.

Немаловажным достоинством созданного прототипа также является уникальная схема фокусировки электронного пучка, спроектированная в коллаборации с учеными из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе. Это микроисточник рентгеновского излучения, который, во-первых, обладает улучшенными разрешающими способностями по передаче изображения (макроизображение с микроразрешением), а во-вторых, существенно снижает дозы облучения исследуемых образцов.

Проект NanoRay – международный, в работе принимали участие ученые из различных научных центров, университетов и компаний Италии, России. Германии и Бельгии. Координация работ выполнялась итальянскими участниками, а непосредственная реализация – в лаборатории X Lab Frascati Национальной Лаборатории Фраскати Национального института ядерной физики (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN Италия), которую возглавляет Султан Дабагов.