Исследователи из международного научного мегапроекта European XFEL разработали спектрометр Лауэ, позволяющий с беспрецедентной точностью и эффективностью измерять рентгеновское излучение с высокой энергией фотонов. Это прорывное устройство открывает новые возможности для изучения перспективных материалов, таких как сверхпроводники и вещества для эффективных химических процессов.

Спектр излучения объекта несёт ценную информацию о физических процессах, протекающих внутри вещества. Особую роль играет рентгеновское излучение, способное предоставлять сведения, специфичные для каждого химического элемента. Ключевыми элементами традиционных рентгеновских спектрометров являются огранённые кристаллы из кремния или германия.

European XFEL уникален своей способностью генерировать рентгеновское излучение с очень высокой энергией. Однако с ростом энергии рентгеновских лучей их взаимодействие с кристаллами ослабевает, что затрудняет измерения. В области высоких энергий фотонов значительная часть излучения просто проходит сквозь кристалл, оставаясь неиспользованной. Из-за этого эффективность традиционных спектрометров резко падает при энергиях выше 15 килоэлектронвольт (кэВ).

Новый спектрометр позволяет получать достоверные результаты даже при энергиях, значительно превышающих 15 кэВ. Он работает в геометрии, где рентгеновские лучи проходят сквозь кристалл и дифрагируют от атомных плоскостей, перпендикулярных поверхности. Интересно, что эффективность анализатора Лауэ возрастает с увеличением энергии рентгеновских лучей. Производительность этого спектрометра значительно превосходит предыдущие конструкции с динамически изогнутыми анализаторами Лауэ.

«Наша оптимизированная конструкция с фиксированной кривизной и малым радиусом изгиба позволяет создавать анализаторы без заметных искажений, что значительно упрощает настройку и измерения со спектрометром Лауэ», — говорит Федерико Лима, научный сотрудник инструмента FXE.

Новое устройство, получившее название High Energy Laue X-ray Emission Spectrometer (HELIOS), уже установлено и доступно для всех пользователей European XFEL. Оно обеспечивает исключительно высокую точность измерений — около 1.2×10-4 при энергии фотонов около 18.6 кэВ. По сравнению с традиционными спектрометрами, HELIOS достигает силы сигнала в 4–22 раза выше.

Это открывает возможность для изучения особенно интересных электронных переходов в так называемых 4d-переходных металлах, которые ранее были труднодоступны для измерений. К 4d-переходным металлам относятся важные в техническом плане элементы, такие как ниобий, молибден, рутений, палладий и серебро. В качестве примера применения так же изучение материалов, которые могут быть использованы в качестве сверхпроводников или катодов и анодов батарей для эффективного хранения энергии.