Радуга в рентгеновском диапазоне

-Александр Георгиевич, в данном случае неизбежно напрашиваются исторические аналогии. Напомните, пожалуйста, что же было сделано сэром Исааком Ньютоном еще в XVII веке?

- В 1664-1667 годах в Англии свирепствовала чума, и Ньютон, решив не искушать судьбу, уехал из Лондона в свой дом в деревне Вулсторп. Именно здесь, в сельской тиши, он провел серию классических экспериментов с видимым светом, на основе которых была создана теория цветов, которой, по существу, мы и пользуемся сегодня.

Один из первых опытов Ньютона, который, вероятно, многие помнят из школьного курса физики, состоял в следующем. В верхней части плотной темной шторы, закрывавшей окно в комнату, было сделано небольшое отверстие, через которое проходил тонкий пучок солнечного света. В центре комнаты на столе располагалась стеклянная призма, ориентированная основанием вверх. Прошедший через призму свет проецировался на лист бумаги, закрепленный на стене. При этом на бумаге возникало изображение отверстия в виде сильно вытянутой цветной полоски. "Диспропорция была так необычна, что возбудила во мне более чем простое любопытство узнать, отчего это происходит", - напишет потом Ньютон в трактате "Новая теория света и цветов".

- Со времени открытия рентгеновских лучей прошло более 100 лет. Почему опыт Ньютона с призмой до настоящего времени не был повторен в рентгеновском диапазоне?

- В экспериментах Ньютона показатели преломления призмы и воздуха отличались на величину, приблизительно равную 0,5. Именно это отличие и позволяет разложить световой пучок в спектр. В жесткой части рентгеновского спектра разница между показателями преломления призмы и воздуха в миллионы раз меньше. Как следствие, углы отклонения рентгеновского пучка от исходного направления оказываются ничтожно малыми. Поэтому почти 30 лет после открытия рентгеновских лучей в 1895 году не удавалось обнаружить их отклонения при просвечивании различных объектов.

Попытки обнаружить рефракцию (преломление) рентгеновских лучей предпринимались и самим Вильгельмом Рентгеном, однако не дали положительного результата. Наконец Комптону и Зигбану в 1922 г. впервые удалось обнаружить полное внешнее отражение рентгеновского излучения от полированной поверхности. Тогда стало ясно, что наблюдение преломления также возможно, поскольку оба эффекта - отражение и преломление - обусловлены разницей показателей преломления воздуха и твердого тела.

Впервые об угловом отклонении рентгеновского пучка при прохождении через край оптически полированной пластины было сообщено шведским физиком Ларссоном с соавторами в 1924 году. А в 1925 и 1926 годах американские физики Слэк и Дэвис провели серию очень точных экспериментов по измерению углов отклонения рентгеновских лучей при рефракции со специально приготовленными рентгеновскими призмами из различных материалов (меди, парафина, стекла, алюминия).

- В чем тогда состоит новизна и оригинальность ваших исследований?

- Главным результатом опытов Ньютона было разложение белого света в спектр и описание характеристик всей его видимой области. В работах упомянутых выше авторов изначально ставилась иная задача, а именно: определение угла отклонения для одной или двух заранее известных спектральных линий и расчет по этому углу показателя преломления материала призмы. С научной точки зрения ими был получен замечательный результат, подтверждающий, что электронная теория дисперсии света позволяет предсказывать величину показателя преломления при длинах волн, которые в тысячи раз меньше длины волны света.

Однако никакой определенной информации о непрерывном спектре рентгеновского источника представлено не было. Более того, из полученных данных как бы с очевидностью следовало, что с практической точки зрения рентгеновская призма выглядит совершенно бесперспективной. Например, максимальные углы отклонения преломленного пучка составляли в экспериментах Дэвиса и Слэка всего 5-6 угловых секунд. При таких углах на расстоянии одного метра от призмы преломленный пучок смещается относительно прямого всего лишь приблизительно на треть толщины человеческого волоса. По этой причине призма как средство получения рентгеновского спектра была надолго забыта.

- Как же вам удалось найти решение "призменной проблемы"?

- В соответствии с предсказанием теории призменного спектрометра для увеличения углового разрешения различных линий спектра необходимо увеличивать угол между преломляющими гранями призмы, что и было сделано Слэком и Дэвисом. В их экспериментах этот угол достигал 173 градусов. В действительности же оптимальной является форма, при которой грани алмазной призмы образуют как бы лезвие ножа.

Для решения поставленной задачи свойства алмаза оптимальны. В наших экспериментах применялись, в частности, природные алмазы из Якутии.

Изготовить алмазную призму приемлемого качества нам удалось достаточно быстро. Дело в том, что именно в нашем отделении в лаборатории профессора Гиппиуса занимаются исследованием физических свойств алмазов и, разумеется, умеют их обрабатывать. После обсуждения с коллегами предложенного мной эксперимента было принято решение изготовить три призмы. Их непосредственным изготовлением занимался старший научный сотрудник Роман Хмельницкий. Как показало тестирование, одна из призм полностью соответствовала необходимым критериям.

- Тем не менее, по-видимому, существовали и серьезные проблемы, без разрешения которых эксперимент был бы невозможен?

- Таких проблем, по существу, было две. Первая - об этом уже говорилось - изготовить алмазную призму определенной формы с высоким качеством обработки поверхности. Вторая - повысить точность угловых измерений в области малых углов приблизительно на два порядка. К моменту планирования эксперимента у нас уже была налажена компьютерная система сбора данных, которую разработал Игорь Пиршин. Это позволяло уменьшить угловой шаг между измерениями приблизительно в десять раз по сравнению с паспортными данными оборудования. Дальнейшее увеличение точности удалось добиться с помощью оригинальной схемы измерения малых углов.

- Представляет ли призменный рентгеновский спектрометр практический интерес?

- Безусловно. Прежде всего уже в первой серии экспериментов нами было достигнуто энергетическое разрешение, то есть способность разделять близкие спектральные линии, существенно лучшее, чем у существующих сейчас полупроводниковых рентгеновских детекторов. Этот тип детекторов в настоящее время широко применяют для экспресс-диагностики состава материалов.

Принцип действия такого детектора заключается в последовательном анализе энергии каждого отдельного рентгеновского кванта, и поэтому, когда на него попадает слишком много квантов (например, более 100 тысяч в секунду), то он "захлебывается", то есть не успевает правильно измерять спектр. Призменный спектрометр принципиально позволяет определять спектр в тысячи раз быстрее полупроводникового детектора. То есть диагностика состава объектов в этом случае может действительно осуществляться практически непрерывно.

Другая область возможного применения связана с исследованием быстропротекающих процессов. Сейчас развивается лазерная фемтосекундная техника. Фемтосекунда (10-15 секунды) - это ничтожно малый промежуток времени, в течение которого свет проходит расстояние, приблизительно равное собственной длине волны. При воздействии фемтосекундного импульса на мишень генерируются интенсивные вспышки рентгеновского излучения. Главное преимущество рентгеновской призмы заключается в том, что она позволяет получать мгновенный спектр без каких-либо ограничений на длительность импульса. В тех же случаях, когда угловое распределение рентгеновского излучения резко анизотропно (неравномерно), например, когда оно выходит из узкого канала или под малым углом к поверхности мишени, призменный рентгеновский спектрометр фактически не имеет альтернативы.