Рентгенофлуоресцентный анализ — мощный инструмент для изучения состава материалов. Он помогает определять элементы и их зарядовые состояния на Марсе, Луне, астероидах, а также в лабораториях — при работе с синхротронным излучением или электронной микроскопией. Для возбуждения атомов используют разные источники: рентгеновские лучи, электроны, протоны, альфа-частицы.

Фотоны и электроны взаимодействуют с веществом по-разному. Электроны, в отличие от фотонов, не исчезают после столкновения с внешними электронами атома и не требуют передачи импульса от ядра. Они чаще выбивают электроны с внешних оболочек, а фотоны — с внутренних. Из-за этого меняются вероятности переходов между уровнями, а значит, и интенсивность спектральных линий.

Проблема в том, что некоторые линии (например, β и γ-серии) расположены очень близко — разница в энергии может быть всего 10–100 эВ.

Обычные детекторы, вроде кремниевых дрейфовых (SDD), с таким не справляются — их разрешение около 120 эВ. Зато сверхпроводниковый TES-детектор, работающий при сверхнизких температурах, позволяет четко разделять даже близкие линии. В этом исследовании TES показал отличное разрешение в диапазоне 1,5–17 кэВ, поэтому для анализа выбрали медь (K-линии 8–9 кэВ) и вольфрам (L-линии).

Результаты опубликованы в издании Nuclear Science and Techniques.

Чтобы получить чистые спектры меди при электронном возбуждении, напряжение подбирали так, чтобы энергия пучка превышала K-край (8,980 кэВ) — 11, 12, 13 и 14 кВ. Для вольфрама, у которого L-края лежат на 10,200–12,102 кэВ, использовали 15, 16, 18 и 20 кВ. В рентгеновском режиме применяли молибденовую трубку — ее Kα1-линия (17,479 кэВ) хорошо возбуждает внутренние электроны.

Что выяснили:

• У меди Kα и Kβ-линии практически не меняются при переключении между электронами и фотонами. Это логично — у K-оболочки нет подуровней, поэтому переходы одинаковые.
• У вольфрама Lα-линии тоже стабильны, а вот Lβ-серия ведет себя по-разному. Виной тому сложная структура L-оболочки.

Что дальше

В лаборатории уже есть электронная пушка (1–30 кэВ) и скоро появится вакуумная камера. Это позволит изучить другие металлы и разобраться в тонкостях Lβ-линий. Также планируем сравнить спектры от электронов и альфа-частиц (источник — америций-241). В перспективе это поможет улучшить методы анализа в микроскопии и космических миссиях, например, для приборов вроде APXS.

Этот эксперимент важен для точной спектроскопии. Если мы поймем, как разные источники возбуждения влияют на спектры, то сможем:

• Улучшить анализ материалов в электронных микроскопах.
• Точно интерпретировать данные с марсоходов и космических зондов.
• Разработать более надежные методы для поиска редких элементов.
• Снизить ошибки в исследованиях, где критична точность энергетических переходов.

Исследование ограничено узким энергетическим диапазоном (1,5–17 кэВ). Для полной картины нужно проверить, как ведут себя M- и N-линии тяжелых элементов, а также изучить материалы со сложной электронной структурой (например, редкоземельные металлы). Кроме того, TES-детекторы требуют криогенных условий, что усложняет их применение в полевых условиях.

Ранее ученые обнаружили в уникальном материале электроны Дирака.