ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на выполнение научно-исследовательских работ (НИР) по лоту: «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела по приоритетному направлению «Живые системы» в области живых систем с участием зарубежных научных и исследовательских организаций стран ЧЭС» Шифр: «2011-1.9-519-032» по теме: «Разработка адаптивной рентгеновской оптики нового поколения для устройств исследования биологических объектов и быстропротекающих процессов» 1 Основание для проведения НИР 1.1 Решение Конкурсной комиссии Заказчика № __ (протокол от «___» ________20__ г. № ______). 1.2 Начало работ: со дня заключения государственного контракта. Срок окончания работ: 585 дней. 2 Исполнители НИР 2.1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск. 2.2 Институт прикладных проблем физики НАН Армении, г. Ереван, Армения. 3 Цель выполнения НИР Стимулирование развития международных интеграционных процессов в науке и содействие фор-мированию устойчивых кооперационных связей российских и иностранных научно-исследовательских организаций и университетов и интеграции сотрудничающих стран в мировую экономическую систему, направленных на создание технологий в области живых систем, соответствующих мировому уровню, либо превосходящих его, получение международных патентов и привлечение молодых ученых и специалистов к исследованиям в рамках научного сотрудничества в сфере высоких технологий с иностранными научно-исследовательскими организациями стран ЧЭС. Выполнение международных обязательств Российской Федерации по развитию научно-технического сотрудничества со странами ЧЭС. 4 Научные и научно-технические результаты выполнения НИР 4.1 При выполнении НИР должны быть получены следующие научнотехнические результаты: 1) Отчет о НИР, содержащий, в том числе: а) обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР; б) обоснование выбора направления исследований; в) теоретическое исследование путей создания модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа; г) результаты расчетов, имитационного моделирования когерентного рассеяния рентгеновского излучения в кристаллах кварца со сверхрешеткой; д) результаты экспериментальных исследований; е) технико-экономическую оценку результатов НИР; ж) обобщение и выводы по результатам НИР; и) рекомендации и предложения по использованию результатов НИР; 2) Экспериментальный образец модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа; 3) стенды для сверхразрешающего спектрального экспресс анализа и фазоконтрастного анализа; 4) Эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы. 4.2 При выполнении НИР должна быть создана следующая научно-техническая продукция: 1) Проект Технического задания на проведение ОКР; 2) рекомендации по использования результатов НИР. 5 Основные требования к выполнению НИР 5.1 Требования к выполняемым работам 5.1.1 В ходе выполнения НИР: 5.1.1.1 должны быть созданы модули на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа, предназначенные для спектрального экспресс и фазоконтрастного анализа биологических объектов; 5.1.1.2 должен быть выполнен аналитический обзор современной научнотехнической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научнотехническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 25-ти научно-информационных источников за период 2000 – 2010 гг.; 5.1.1.2 должны быть исследованы, обоснованы и выбраны методы и средства, направления исследований и способы решения поставленных задач; 5.1.1.3 должна быть проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике; 5.1.1.4 должны быть исследованы и выбраны наиболее эффективные способы создания спектрометра и дифрактометра нового поколения; 5.1.1.5 должны быть разработаны основы технологии получения интенсивных монохроматических пучков рентгеновского излучения; 5.1.1.6 должны быть наработаны лабораторные образцы активных элементов рентгеновской оптики; 5.1.1.7 должна быть разработана методики испытаний программных и физических модулей спектрометрического и дифрактометрического стенда; 5.1.1.8 должны быть выработаны предложения и рекомендации по внедрению разработанных модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа на малогабаритных ускорителях для получения интенсивных монохроматических пучков рентгеновского излучения для целей медицинской диагностики. 5.1.2 Должно быть проведено численное 3D моделирование когерентного рассеяния рентгеновского излучения в кристаллах кварца со сверхрешеткой. 5.1.3 Должен быть разработан и изготовлен экспериментальный образец модуля на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа в количестве 2 шт. 5.1.4 Должен быть разработан и изготовлен стенд сверхразрешающего спектрометра в количестве 1 шт. 5.1.5 Должен быть разработан и изготовлен стенд для фазоконтрастного анализа в количестве 1 шт. 5.1.6 Должны быть проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов, стендов и моделей по разработанным Программам и методикам исследовательских испытаний. 5.1.7 Результаты исследований должны обрабатываться на лицензированном ПО в соответствии с признанными методами математической статистики. 5.1.8 Должны быть предусмотрены стажировки на базе организации иностранного партнера для не менее 2 молодых специалистов на срок не менее 5 рабочих дней. 5.2 Требования к разрабатываемой документации 5.2.1 В ходе работы должны быть разработаны и согласованы с Заказчиком следующие документы: 5.2.1.1 промежуточные и заключительный отчеты о НИР, оформленные в соответствии с ГОСТ 7.32-2001; 5.2.1.2 отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96; 5.2.1.3 проект технического задания на проведение ОКР. 5.2.1.4 Эскизная конструкторская документации на создаваемый экспериментальный образец модуля на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа в количестве в составе: 1) схемы электрическая, кинематическая, оптическая, функциональная в соответствии с ГОСТ 2.701-84; 2) схема соединений и подключения в соответствии с ГОСТ 2.701-84; 3) чертёж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.102-68. 5.2.1.5 Эскизная конструкторская документация на создаваемый стенд для спектральных исследований в составе: 1) схемы электрическая, кинематическая, оптическая, функциональная в соответствии с ГОСТ 2.701-84; 2) схема соединений и подключения в соответствии с ГОСТ 2.701-84; 3) чертёж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.102-68. 5.2.1.6 Эскизная конструкторская документация на создаваемый стенд для дифракционных исследований в составе: 1) схемы электрическая, кинематическая, оптическая, функциональная в соответствии с ГОСТ 2.701-84; 2) схема соединений и подключения в соответствии с ГОСТ 2.701-84; 3) чертёж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.102-68. 5.2.1.7 Программная документация в составе: 1) текст программы в соответствии с ГОСТ 19.401-78; 2) описание программы в соответствии с ГОСТ 19.402-78; 3) описание применения в соответствии с ГОСТ 19.502-78; 4) руководство системного программиста в соответствии с ГОСТ 19.503-79; 5) руководство оператора в соответствии с ГОСТ 19.505-79. 5.2.2 Эскизная конструкторская документация должна выполняться в соответствии с требованиями ГОСТ 2.125-88. 5.2.3 По результатам исследовательских испытаний должны быть представлены (в соответствии с ГОСТ 15.201-2000) Акты результатов испытаний, другие документы, подтверждающие результаты испытаний. 5.2.4 Отчетные научно-технические документы, разрабатываемые в соответствии с пунктами 5.2.1.1…5.2.1.7 настоящего технического задания (ТЗ), должны быть включены в отчет о НИР в качестве приложений или представлены в составе отчетной документации в качестве отдельных документов. 5.2.5 Перечень отчетной документации, подлежащей оформлению и сдаче Исполнителем Заказчику на этапах выполнения работ, определяется требованиями настоящего технического задания и актами Заказчика. 5.2.6 Отчетная документация представляется Заказчику или уполномоченной им организации на бумажном носителе в двух экземплярах и в электронном виде на оптическом носителе в одном экземпляре. 5.3 Требования к работам, выполняемым с участием иностранных партнёров 5.3.1 Работы должны выполняться в рамках Соглашения о научно-техническом сотрудничестве между Томским политехническим университетом и Институтом прикладных проблем физики НАН Армении, определяющих предмет и объем общей исследовательской программы партнеров, сроки ее выполнения, условия взаимодействия, а также распределение между ними выполняемых работ. Данные документы должны также регулировать порядок использования совместно полученной интеллектуальной собственности с учетом требований раздела «Права на результаты работ» государственного контракта. 5.3.2 В соответствии с Соглашением от 20 июня 2009 г. между Томским политехническим университетом и Институтом прикладных проблем физики НАН Армении иностранным партнером за счет собственных средств (внебюджетных) должны быть выполнены следующие работы: 5.3.2.1 на этапе 1 выполнения НИР: 1) должен быть выполнен аналитический обзор современной научнотехнической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научнотехническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 25-ти научно-информационных источников за период 2000 – 2010 гг.; 2) должно быть проведено патентное исследование; 3) должны быть исследованы, обоснованы и выбраны методы и средства, направления исследований и способы решения поставленных задач; 3) должно быть разработано техническое предложение на разработку модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа; 4) должно быть подготовлено необходимое оборудование для дальнейшего продолжения проекта. 5.3.2.2 на этапе 2 выполнения НИР: 1) должен быть разработан и изготовлен экспериментальный образец модуля на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа в количестве 2 шт.; 2) эскизная конструкторская документации на создаваемый экспериментальный образец модуля на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа в количестве в составе: а) схемы электрическая, кинематическая, оптическая, функциональная в соответствии с ГОСТ 2.701-84; б) схема соединений и подключения в соответствии с ГОСТ 2.701-84; в) чертёж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.102-68. 3) должны быть проведены расчеты, имитационное моделирование когерентного рассеяния рентгеновского излучения в кристаллах кварца со сверхрешеткой; 4) изготовление компактных генераторов и усилителей для возбуждения акустических волн в пьезоэлектрических образцах. 5.3.2.3 на этапе 3 выполнения НИР: 1) определение оптимальных параметров кристалла и акустического воздействия для изготовления модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа; 2) детальное исследование влияния акустических полей в кристаллах на коэффициент поглощения (эффект прозрачности) и отражения рентгеновского излучения в изготовленных модулях; 3) численное и экспериментальное исследование эффекта прозрачности; 4) проведение экспериментальных работ необходимых для тестирования базовых элементов гамма-оптики, коррекция и модификация системы для освобождения от недостатков, выявленных в процессе тестирования. 5.3.2.4 на этапе 4 выполнения НИР: 1) исследование прямой и обратной задачи рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах со сверхрешеткой в зависимости от ее параметров; 2) создание баз данных необходимых для разработки дифрактометра и спектрометра нового поколения (спектры поглощения, структурные факторы монокристаллов и т.д.); 3) создание прототипа дифрактометра и спектрометра нового поколения с использованием новых элементов рентгеновской оптики; 4) разработка рекомендаций по использованию результатов НИР; 5) оценка перспектив использования разработанных элементов для управления рентгеновскими пучками для медицинских целей. 5.3.3 Отчетные материалы по выполнению работ иностранным партнёром, наряду с документами, декларирующими их стоимость, должны быть включены в состав отчетных материалов по этапам работ Исполнителя государственного контракта, предоставляемых Заказчику. 5.3.4 Обладающая коммерческим потенциалом совместная интеллектуальная собственность, полученная в ходе работ, должна быть защищена в соответствии с российским и международным законодательством. 6 Требования к патентной чистоте и патентоспособности 6.1 На этапе 1 выполнения НИР должны быть проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96. 6.2 На остальных этапах НИР при разработке результатов интеллектуальной деятельности (далее – РИД), способных к правовой охране (в соответствии со ст. 1225 ГК РФ), должны быть проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. 6.3 Должны быть представлены сведения об охранных и иных документах, которые будут препятствовать применению результатов работ в Российской Федерации (и в других странах – по требованию заказчика), и условия их использования с представлением соответствующих обоснованных предложений и расчетов. 6.4 РИД, полученные в ходе выполнения НИР, подлежат регистрации и охране в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации. 7 Технико-экономические показатели 7.1 Основные технико-экономические требования 7.1.1 Разрабатываемые модули на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа должны обеспечить: 1) повышение спроса на отечественные спектрометры и дифрактометры для широкого круга потребителей; 2) повышение качества спектрометрических и дифракционных исследований; 3) внедрение компактных источников монохроматического излучения на базе малогабаритных ускорителях в медицинские учреждения. 7.1.2 Полученные при проведении НИР результаты соответствовать или превышать мировой уровень работ в исследуемой области. 7.2 Требования к достижению программных индикаторов и показателей В процессе выполнения НИР должны быть достигнуты следующие значения программных индикаторов: Наименование ед. изм. год 2011 2012 2013 Индикаторы И1.9.1 Число технологий, соответствующих мировому уровню либо превосходящих его, единиц разработанных в рамках выполнения проектов 1 2 И1.9.2 Число патентов (в том числе международных) на результаты интеллектуальной деятельности, единиц полученные в рамках выполнения проектов 1 1 И1.9.3 Число публикаций, содержащих результаты интеллектуальной деятельности, единиц полученные в рамках выполнения проектов - И1.9.4 Число диссертаций на соискание ученых степеней, защищенных в рамках выполнения проектов проблемноориентированных поисковых исследований Показатели Объем привлеченных внебюджетных средств (не менее 50% от общей стоимости работ в году) Число молодых специалистов (не менее 30% от общей численности исполнителей работ в году, выполняемых российским партнером), привлеченных к выполнению исследований и разработок единиц млн. руб. 3 человек 5 2 3 1 1 1,5 2 6 7 8 Перечень, сроки выполнения и стоимость этапов 8.1 Наименование этапов и выполняемые работы Этап 1. Техническое предложение: 1.1 Аналитический обзор информационных источников. 1.2 Исследование объекта НИР. 1.3 Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96. 1.4 Выбор направления исследований, в том числе: - разработка возможных направлений проведения исследований; - разработка возможных решений отдельных исследовательских задач; - сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований; - обоснование выбора оптимального варианта направления исследований. 1.5 Реализация мероприятий по достижению технико-экономических показателей. 1.6 Подведение итогов этапа НИР. 1.7 Разработка промежуточного отчета о НИР и его рассмотрение на учёном (научно-техническом) совете. 1.8 Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями настоящего технического задания и актов Заказчика. Этап 2. Эскизный проект: 2.1 Исследование природы объекта НИР. 2.2 Разработка теории функционирования объекта НИР. 2.3 Разработка прототипов методических решений для реализации результатов теоретических исследований. 2.4 Моделирование объекта исследований. 2.5 Реализация прототипов методических решений, в том числе: - разработка проектов эскизной конструкторской документации; - разработка требований к способу получения, количеству и качеству контрольных и испытуемых проб; - разработка планов экспериментов по выявлению, определению отдельных характеристик, параметров объекта исследования; - разработка типовых форм документирования экспериментов. 2.6 Реализация мероприятий по достижению технико-экономических показателей. 2.7 Разработка промежуточного отчета о НИР и его рассмотрение на учёном (научно-техническом) совете. 2.8 Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями настоящего технического задания и актов Заказчика. Этап 3. Технический проект: 3.1 Проведение экспериментальных исследований объекта НИР в соответствии с Программой, в том числе: - проведение экспериментов с процессами, на основе которых строится функционирование устройства; проведение исследовательских испытаний составных частей экспериментального образца устройства в соответствии с программой экспериментальных исследований; - проведение исследовательских испытаний экспериментального образца устройства в целом в соответствии с программой экспериментальных исследований; - исследования отдельных функциональных, эксплуатационных, технических характеристик экспериментального образца устройства, установленных требованиями ТЗ. 3.2 Доработка экспериментального образца объекта НИР по результатам экспериментальных исследований. 3.3 Корректировка технической документации по результатам экспериментальных исследований. 3.4 Проведение дополнительных исследований, в том числе патентных. 3.5 Реализация мероприятий по достижению технико-экономических показателей. 3.6 Подведение итогов этапа НИР. 3.7 Разработка промежуточного отчета о НИР и его рассмотрение на учёном (научно-техническом) совете. 3.8 Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями настоящего технического задания и актов Заказчика. Этап 4. Рабочий проект: 4.1 Обобщение и оценка полученных результатов, в том числе: - обобщение результатов исследований; - сопоставление анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований; - оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем; - анализ выполнения требований технического задания на НИР; - оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей НИР. 4.2 Разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках, в том числе: - проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала полученных результатов; - разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики; - разработка проектов технического задания для проведения последующих НИР. 4.3 Реализация мероприятий по достижению технико-экономических показателей. 4.4 Разработка заключительного отчета о НИР и его рассмотрение на учёном (научно-техническом) совете. 4.5 Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями настоящего технического задания и актов Заказчика.] 8.2 Разрабатываемые документы, cроки исполнения и финансирование по этапам Перечень документов, разрабатываемых на этапах выполнения НИР, сроки исполнения и объемы финансирования по этапам приведены в календарном плане (приложение №2 к государственному контракту). 9 Предполагаемое использование результатов НИР 9.1 Результаты проведенных НИР могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских работ, направленных на создание: спектрометров и дифрактометров нового поколения; модулей монохроматизации, управления рентгеновского излучения; просветленной рентгеновской оптики. 10 Порядок выполнения и приемки этапов НИР 10.1 Работы должны выполняться поэтапно в соответствии с требованиями ГОСТ 15.101-98. Требования к этапам выполнения НИР установлены в разделе 9.1 настоящего технического задания. 10.2 Сдача и приемка выполненных работ (этапов работ) осуществляется в порядке, установленном актами Заказчика. 10.3 При приемке оценивается научно-технический уровень исследований, соответствие полученных результатов требованиям настоящего технического задания, обоснованность предлагаемых решений по реализации и использованию результатов НИР. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ № п/п 1 2 Наименование этапов Техническое предложение Эскизный проект Объем внебюджет ных средств (рубли) Содержание выполняемых работ Перечень документов, разрабатываемых на этапах Продолжительно сть периода исполнения работ (календарных дней) Разработка технического предложения, в том числе: проведение патентного исследования; - выбор направления исследований; сравнительная оценка рассматриваемых вариантов практической реализации модулей. Отчет о патентных исследованиях. Разработка и согласование комплектности технической документации. Реализация мероприятий по достижению технико-экономических показателей. Оформление документации технического предложения. 70 3000 000 - Разработка технического предложения, в том числе: - аналитический обзор результатов предшествующих НИР за последние 10 лет; - проектирование прототипов. Литературный обзор. Проект прототипов разрабатываемых модулей с описанием прогнозируемых основных свойств. 70 - 3000 000 Разработка эскизного проекта, в том числе: - обоснование и выбор оптимального варианта технического решения; - эскизное алгоритмирование; изготовление и испытания экспериментального образца. Методика и протокол испытаний экспериментального образца. Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями технического задания. Реализация мероприятий по достижению технико-экономических показателей 182 1000 000 - Цена этапов (рубли) (средства федеральног о бюджета) 3 4 Технический проект Рабочий проект Разработка эскизного проекта, в том числе: - проведение расчетов и оценок основных свойств модулей; - разработка документации для изготовления экспериментального образца. Результаты теоретических и численных исследований. Документация на эскизный образец, в том числе: чертежи, электрические схемы и др. 182 - 1000 000 изготовление модулей с использованием быстроперестраиваемых просветленных адаптивных элементов рентгеновской оптики; - экспериментальные исследования. Техническая документация. Методика и протокол испытаний. Заявка на патент. Результаты экспериментальных исследований. Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями технического задания. 184 500 000 - детальное теоретическое исследование основных закономерностей процесса рассеяния рентгеновского излучения в новых адаптивных элементах рентгеновской оптики; - детальное исследование эффекта прозрачности. Результаты теоретических исследований. Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями технического задания. 184 - 500 000 -разработка прототипа рентгеновского спектрометра и дифрактометра нового поколения для проведения высокоточного экспресс анализа состава и структуры биологических объектов; - разработка ПО для управления и сбора данных. Разработка программной и эксплуатационной документации. Разработка технической документации. Методики и протоколы испытаний. Разработка отчетной документации в соответствии с требованиями технического задания. 149 2000 000 - - исследование прямой и обратной задачи рассеяния рентгеновских лучей в деформированном кристалле (температурный градиент, ультразвуковые колебания); - создание баз данных (спектры поглошения, структурные факторы монокристаллов и т.д.). Разработка соответствующего программного обеспечения для работы с базами данных. ИТОГО: Результаты теоретических экспериментальных исследований. База данных. и 149 - 2000 000 6 500 000 6 500 000 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Аннотация: Разработка новых более чувствительных и универсальных методов использования рентгеновского излучения для проведения количественных исследований в различных областях науки и техники, как например, томография медицинских и биологических объектов, определение реальных структур совершенных/несовершенных кристаллов и наносистем, элементы микро и нано электроники, проведение экспресс-анализов геологических образцов и внедрение в технологический процесс является весьма актуальной задачей. Для решения поставленной задачи предлагается использовать монохроматические, без гармоник, пучки рентгеновского излучения с управляемыми в пространстве и во времени параметрами. Одним из перспективных методов получения таких пучков является дифракция рентгеновского излучения в кристалле со сверхрешеткой инициированной, например, акустическим полем, температурным градиентом или механическими напряжениями. Наличие сверхрешетки, резко изменяет сечение процесса рассеяния в конкретном образце и может использоваться для эффективного управления параметрами дифрагированного излучения. Проект направлен на разработку и создание технических средств динамического пространственно-временного управления пучками рентгеновского излучения с целью дальнейшего их использования в различных типах рентгеновских установок (от рентгеновской трубки до источника синхротронного излучения 3 поколения) для получения пучков рентгеновского излучения с заданными спектральными и пространственновременными характеристиками. В настоящее время в большинстве рентгеновских установках применяются статические оптические элементы, что приводит к значительному усложнению устройств и методик по исследованию образцов. Существующие базовые рентгенооптические элементы, например, зеркала, действующие на принципе полного внутреннего отражения рентгеновских лучей, зеркала с периодичной многослойной структурой, френелевские зонные пластины, кристаллические монохроматоры и др., достигли уровня, который не позволяет повысить их эффективность, из-за поглощения рентгеновских лучей в самом рентгенооптическом элементе. Перспективность заявленного проекта поддерживается теоретическими и экспериментальными исследованиями в Институте прикладных проблем физики НАН РА и результатами проекта ФЦП ГК № П1202, выполненного Томским политехническим университетом, которые показывают возможность динамического управления параметрами пучков рентгеновского излучения и увеличение интенсивности не менее чем в 5 раз монохроматизированного рентгеновского излучения на основе эффектов переброски и прозрачности. Последний эффект позволяет уменьшить коэффициент линейного поглощения, что в свою очередь приводит к уменьшению радиационных нагрузок на оптические элементы и более стабильной работе последних. Необходимо отметить, что с появлением мощных источников синхротронного излучения в последнее время возрос интерес к исследованию процессов рассеяния жесткого рентгеновского излучения с временным разрешением. Предлагаемые оптические элементы помогут увеличить яркость монохроматических источников, работающие на основе дифракции, в 10 раз и разрешение спектрометров в 2 раза. В рамках предложенного проекта будут разработаны концепции и прототипы новых суперярких и сверхразрещающих лабораторных дифрактометров и спектрометров с использованием новых элементов адаптивной рентгеновской оптики. Цель: на основе эффектов «полной переброски» [Мкртчян А.Р., Навасардян М.А., Мирзоян В.К. Полная переброска рентгеновского излучения, дифрагированного монокристаллом от направления прохождения в направление отражения под действием температурного градиента. //Письма в ЖТФ, 1982, Т.8, В.11, С.677-680] и «прозрачности» разработать и изготовить малогабаритные непоглощающие базовые элементы адаптивной рентгеновской оптики монохроматоры, линзы, коллиматоры и на их основе создать быстродействующие и обладающие высокой разрешающей способностью рентгеновские спектрометры и дифрактометры для проведения высокоточного экспресс анализа биологических объектов. Возможность достижения цели продемонстрирована разными авторами из ИППФ НАН Армении и ТПУ из России [ФЦП ГК №П1202]. Задачи: - разработка и изготовление непоглощающих элементов адаптивной рентгеновской оптики; - выявление закономерностей влияния объемных акустических волн на процесс когерентного рассеяния рентгеновского излучения в кристалле со сверхрешеткой, в частности, детальное исследование эффекта прозрачности; - адаптация разработанных элементов рентгеновской оптики к источникам рентгеновского излучения от рентгеновской трубки до источника синхротронного излучения 3 поколения. - разработка и создание лабораторных рентгеновских спектрометра и дифрактометра нового поколения для проведения высокоточного экспресс анализа состава и структуры веществ, в частности, биологических объектов. План: На первом этапе: - полноценный обзор проделанных работ в области дифракции рентгеновских лучей на пьезоэлектрических образцах в геометрии Лауэ при наличии внешних воздействий за период с 2000 до 2011 гг.; - патентное исследование; - по результатам обзора и патентного исследования корректировка выбранного направления исследований; - разработка технического предложения на разработку модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа; - заказ и подготовка образцов и оборудования необходимые для экспериментов, - автоматизация ряда узлов и регистрирующих приборов. На втором этапе: - разработка и изготовление добротных кварцевых резонаторов разных толщин, приспособление линейного и кругового движения соответствующей точности для создания экспериментальных образцов; - проведение предварительных экспериментальных исследований процесса когерентного рассеяния рентгеновского излучения в монокристалле кварца с объемными акустическими волнами; - анализ результатов исследований в рамках существующих теорий; - обоснование выбранного технического решения; - разработка эскизной документации; - изготовление компактных генераторов и усилителей для возбуждения акустических волн в пьезоэлектрических образцах. На третьем этапе: - определение оптимальных параметров кристалла и акустического воздействия для изготовления модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа; - детальное исследование влияния акустических полей в кристаллах на коэффициент поглощения (эффект прозрачности) и отражения рентгеновского излучения в изготовленных модулях; - проведение экспериментальных работ необходимых для тестирования базовых элементов гамма-оптики, коррекция и модификация системы для освобождения от недостатков, выявленных в процессе тестирования; На четвертом этапе: - исследование прямой и обратной задачи рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах со сверхрешеткой в зависимости от ее параметров; - создание баз данных необходимых для разработки дифрактометра и спектрометра нового поколения (спектры поглошения, структурные факторы монокристаллов и т.д.); - создание прототипа дифрактометра и спектрометра нового поколения с использованием новых элементов рентгеновской оптики; - разработка рекомендаций по использованию результатов НИР; - оценка перспектив использования разработанных элементов для управления рентгеновскими пучками для медицинских целей. В основе создания активных непоглощающих элементов рентгеновской оптики лежит явление полной переброски рентгеновских лучей из направления прохождения в направление отражения при определенных параметрах внешних акустических полей. В обычном поглощающем кристалле интенсивности падающего, проходящего и дифрагированного рентгеновского излучения связаны следующим образом I 0 I пр I диф . В условии полной переброски, с учетом эффекта прозрачности, это условие будет: I 0 I диф , I пр 0 . Новизна и оригинальность предложенного метода дают возможность получить адаптивные оптические элементы в рентгеновском диапазоне: недорогие, стабильные во времени, коллимирующие, сильно монохроматизирующие (без гармоник), без поглощения, фокусирующие (размеры фокуса порядка долей микрона), с большой светосилой, не имеющие аналогов в рентгеновском диапазоне излучения, на основе которых существенно расширяются возможности для решения фундаментальных и прикладных задач. Все работы будут выполнены на сертифицированном оборудовании. Необходимые расчеты и обработка данных будут выполнены методами математической статистики с использованием лицензионного программного обеспечения. Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту: В данной области со стороны группы ИППФ НАН РА проведены исследования и получены многочисленные результаты, на основе которых созданы отдельные элементы рентгеновской оптики. Наблюдены новые явления, результаты которых были успешно использованы в науке и технике, что поспособствует благополучной реализации представленной темы. Отметим самые важные из них. Проведены исследования зависимости коэффициента линейного поглощения рентгеновских лучей от параметров внешних воздействий. Было выявлено, что в условии дифракции Лауэ коэффициент линейного поглощения заметно изменяется в зависимости от амплитуды акустического поля и геометрии рассеяния рентгеновских лучей. Показано, что при определенных условиях коэффициент линейного поглощения стремится к нулю. Вынужденные колебания атомов приводят к подавлению коэффициента линейного поглощения (эффект прозрачности) или, что то же самое, при воздействии вынужденных возбуждений атомов образуется единая система электронов, на которых рентгеновские лучи когерентно рассеиваются. Фактически образуется среда с сильно связанной системой электронов, т.е. двустенная акустическая нанотрубка с одинаковыми стенками. Теоретическим и экспериментальным путем исследовалась зависимость коэффициента линейного поглощения рентгеновских лучей от величины значения температурного градиента. Показано что с увеличением температурного градиента коэффициент линейного поглощения в области Брэгговских углов значительно уменьшается. При определенном значении температурного градиента коэффициент поглощения принимает свое минимальное значение, затем возрастает с увеличением значения температурного градиента. Проректор по научной работе и инновациям _______________ (В.А. Власов)
