Óptica e instrumentaçao de raios X aplicada ao estudo de materiais

Abstract

Resumo: A descoberta dos raios X há um pouco mais de 100 anos (por Wilhelm K. Roentgenem 1895) abriu um campo de pesquisas com possibilidades de instrumentação sem precedentes: o comprimento de onda dos raios X permite detectar deslocamentos lineares na ordem do Angstron e deslocamentos angulares da ordem de segundos de arco. A pesquisa em materiais teve um salto com o aparecimento de fontes de raios X de segunda geração, os síncrotrons. E, ao mesmo tempo, apareceu a necessidade de se desenvolver uma instrumentação adequada para poder aproveitar ao máximo a potencialidade destas máquinas. A astronomia, hoje, tem interesse maior em explorar a faixa dos raios X do espectro eletromagnético e setores de alta tecnologia têm mais interesse em utilizar os raios X, como é o caso da litografia com raios X mole. Ainda o desenvolvimento de instrumentação em raios X não atingiu um estágio maduro e consolidado. Neste trabalho são abordados três aspectos básicos de experimentos com raios X: o condicionamento do feixes de raios X, a amostra e o detetor.No capítulo 2 é estudado um aspecto particular da difração de raios X em caso extremamente assimétrico, com feixe emergindo rasante à superfície do cristal, bem como a sua utilização no desenvolvimento de dispositivos de condicionamento de raios X. No capítulo 3 é estudado uma amostra de cristal com periodicidade variável : cristal gradiente. Este tipo de cristal, se bem desenvolvido, tem enormes possibilidades de aplicações em óptica de raios X, como é mostrado em dois exemplos no apêndice 8. Este foi um trabalho de cooperação com o grupo de crescimento de cristais (CCMC, IFSC-USP) de São Carlos. E no capítulo 4 é estudado o desenvolvimento, a partir do cristal bruto até o dispositivo final, de um detetor de estado sólido baseado no sistema CdZnTe, que é um dos materiais mais promissores para desenvolvimento de detetores para raios X duros e radiação Gama, operando com eficiência na temperatura ambiente e com resolução em energias, i.e. a possibilidade de distinguir rádio-isótopos, entre outras aplicações. É o mesmo tipo de detetor enviado na sonda Sojourner, que aterrizou em Marte. Este trabalho foi desenvolvido no NSLS do Brookhaven National Laboratory, US.

Abstract: The discovery of X-rays a little more than a century ago by Wilhelm K. Roentgen (1895), opened large possibilities for instrumentation: using X-rays as a reference, it was possible to accurately measure linear displacement in a sub-nanometer range and angular displacements in the arc second range. Research in material science received a boost with the development of second generation X-rays sources (Synchrotron sources), and at the same time the need arose for developing suitable instrumentation to tap the full power of these machines. Astronomy, today, has a large interest in exploring the X-ray portion of the electromagnetic spectrum and the high technology business has more interest in the X-ray range, such as soft X-ray lithography. The development of X-ray instrumentation is not yet a well-established field. In this work the three basic aspects of an experiment using X-rays are discussed: the conditioning of the beam, the sample and the detector. A special case of X-ray diffraction in a very asymmetric geometry was studied in chapter 2, with the diffracted beam emerging grazing to the surface, as well as its application in an X-ray optics device. In chapter 3 a crystal with variable periodicity (a gradient crystal) was studied. This kind of crystal, if well developed, can be a very useful tool for X-ray optics. Two examples of its application are given in appendix 8. This was a collaboration with the crystal growing team (CCMC, IFSC-USP) from São Carlos - SP. In chapter 4 the development, from a bulk crystal to a final device, of an X-ray detector based on a solid state device is studied: CdZnTe, which is one of the most promising materials for building detectors for hard X-rays and Gamma-rays. It offers good energy resolution at room temperature and good efficiency due to high Z number. This kind of detector was shipped to Mars as a part of instrumentation of the Sojourner rover. This work was done at NSLS of Brookhaven National Laboratory (BNL).