zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-7-73-78zldm-1704Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИсследование упругодеформированного состояния тонких алмазных пластинStudy of the elastically deformed state of thin diamond platesДигуровР. В.DigurovR. V.

Роман Валерьевич Дигуров

Россия, 108840, Москва, г. Троицк, ул. Центральная, д. 7а

Roman V. Digurov

7a, Tsentralnaya ul., Troitsk, Moscow, 108840, Russia

roman.digurov@yandex.ruТерентьевС. А.TerentyevS. A.

Сергей Александрович Терентьев

Россия, 108840, Москва, г. Троицк, ул. Центральная, д. 7а

Sergey A. Terentyev

7a, Tsentralnaya ul., Troitsk, Moscow, 108840, Russia

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов»РоссияFederal state budgetary scientific institution «Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials»Russian Federation2022210720228877378Copyright © Дигуров Р.В., Терентьев С.А., 20222022Дигуров Р.В., Терентьев С.А.Digurov R.V., Terentyev S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1704

Развитие технологий выращивания в лабораторных условиях монокристаллов алмаза высокого качества, его малое термическое расширение позволяют рассматривать этот материал как перспективный в качестве элементов рентгеновской оптики при создании лазеров на свободных электронах. Востребованы также алмазные кристалл-спектрометры различной толщины и радиуса изгиба. В связи с этим представляют интерес вопросы, касающиеся определения механических параметров упругодеформированных монокристаллов алмаза, в частности, критических напряжений, возникающих при деформации монокристалла, и минимальных радиусов изгиба пластин определенной геометрии. Цель работы — определение упругодеформированного состояния тонких алмазных пластин с параметрами, аналогичными тем, которые требуются в спектрометрах для неинвазивной диагностики спектров X-ray free-electron laser (XFEL). Образцы вырезали из кристалла типа IIa высочайшего качества, выращенного методом температурного градиента. В экспериментах исследовали алмазные пластины с кристаллографическими ориентациями (110) и (111). Получены зависимости напряжений и радиусов изгиба от величины деформации при изгибе тонких алмазных пластин толщиной 20 мкм. Экспериментальные деформации не превысили 1 мм. Определены также предельные (минимальные) радиусы изгиба тонких алмазных пластин: для направления (111) — 5,6 мм, а для направления (110) — 4,5 мм. Модули Юнга составили 1198 ГПа для направления (111) и 1034 ГПа для направления (110). Критические напряжения при изгибе тонких монокристаллов алмаза, при которых наступает их разрушение, превысило 2,4 ГПа. Определена зависимость радиусов изгиба кристаллов от их толщины при напряжении 2,0 ГПа. Результаты исследований позволили рассчитать допустимые деформации для тонких алмазных пластин произвольных формы и толщины. Полученные данные будут способствовать улучшению моделирования и качества производства изогнутых спектрометров.

The development of laboratory technologies for growing high-quality diamond single crystals, as well as low thermal expansion of a diamond, make it possible to consider this material promising as an element of X-ray optics in designing free electron lasers (XFEL). Diamond crystal-spectrometers of various thicknesses and bending radii are also in demand. In this regard, the issues regarding the mechanical parameters of elastically deformed diamond single crystals require clarification, among them critical stresses in a deformed single crystal and the minimum bending radii for plates of certain geometry. The goal of the study is determination of the elastically deformed state of thin diamond plates with the parameters required in spectrometers for non-invasive diagnostics of X-ray free-electron laser (XFEL) spectra. The samples were cut from the IIa -type crystal of the highest quality grown by the temperature gradient method. Diamond plates with (110) and (111) crystallographic orientations were used in the experiments. The dependences of the stresses and bending radii on deformation value were obtained during bending thin diamond plates with a thickness of 20 μm. The experimental deformations did not exceed 1 mm. The minimum bending radii of thin diamond plates were also determined: for (111) direction — 5.6 mm, and for (110) direction — 4.5 mm. The Young’s moduli were 1198 GPa for (111) direction and 1034 GPa for (110) direction. Critical stresses during bending of thin diamond single crystals (resulting in their destruction) exceeded 2.4 GPa. The dependence of the bending radii of crystals on their thickness was calculated at a stress value of 2.0 GPa. The results of the study make it possible to calculate the allowable deformations for thin diamond plates of arbitrary shape and thickness. The data obtained will contribute to the improvement of modeling and the quality of production of curved spectrometers.

кристалл-спектрометрупругодеформированное состояние алмазаминимальный радиус изгиба алмазных пластинпродольный модуль Юнгакритические напряженияcrystal spectrometerelastically deformed state of diamondminimum bend radius of diamond plateslongitudinal Young’s moduluscritical stressesReferencesEremets M. I., et al. The strength of diamond / Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. N 14. P. 141902. DOI: 10.1063/1.2061853Eremets M. I., et al. The strength of diamond / Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. N 14. P. 141902. DOI: 10.1063/1.2061853Bloomer Ch., Rehm G., Salter P., Newton M. Single Crystal CVD Diamond X-ray Beam Diagnostic with Embedded Graphitic Wire Electrodes / SRI2018 AIP Conf. Proc. 2019. Vol. 2054. P. 060058-1 – 060058-6. DOI: 10.1063/1.5084689Bloomer Ch., Rehm G., Salter P., Newton M. Single Crystal CVD Diamond X-ray Beam Diagnostic with Embedded Graphitic Wire Electrodes / SRI2018 AIP Conf. Proc. 2019. Vol. 2054. P. 060058-1 – 060058-6. DOI: 10.1063/1.5084689Chernykh S. V., Chernykh A. V., Tarelkin S. A., et al. High-Pressure High-Temperature Single-Crystal Diamond Type IIa Characterization for Particle Detectors/ Phys. Status Solidi A. 2020. Vol. 217. P. 1900888. DOI: 10.1002/PSSA.201900888Chernykh S. V., Chernykh A. V., Tarelkin S. A., et al. High-Pressure High-Temperature Single-Crystal Diamond Type IIa Characterization for Particle Detectors/ Phys. Status Solidi A. 2020. Vol. 217. P. 1900888. DOI: 10.1002/PSSA.201900888Blank V. D., Boldyrev K. N., Denisov V. N., et al. Electronic band structure of phosphorus-doped single crystal diamond: Dynamic Jahn-Teller distortion of the tetrahedral donor ground state / Phys. Rev. B. 2020. Vol 102. P. 115153. DOI: 10.1103/PhysRevB.102.115153Blank V. D., Boldyrev K. N., Denisov V. N., et al. Electronic band structure of phosphorus-doped single crystal diamond: Dynamic Jahn-Teller distortion of the tetrahedral donor ground state / Phys. Rev. B. 2020. Vol 102. P. 115153. DOI: 10.1103/PhysRevB.102.115153Polyakov S., Denisov V., Kuzmin N., et al. Characterization of top-quality type IIa synthetic diamonds for new X-ray optics / Diamond Relat. Mater. 2011. Vol. 20. P. 726 – 728. DOI: 10.1016/j.diamond.2011.03.012Polyakov S., Denisov V., Kuzmin N., et al. Characterization of top-quality type IIa synthetic diamonds for new X-ray optics / Diamond Relat. Mater. 2011. Vol. 20. P. 726 – 728. DOI: 10.1016/j.diamond.2011.03.012Boesenberg U., Samoylova L., Roth Th., et al. X-ray spectrometer based on a bent diamond crystal for high repetition rate free-electron laser applications / Opt. Express. 2017. Vol. 25. N 3. P. 2852 – 2862. DOI: 10.1364/OE.25.002852Boesenberg U., Samoylova L., Roth Th., et al. X-ray spectrometer based on a bent diamond crystal for high repetition rate free-electron laser applications / Opt. Express. 2017. Vol. 25. N 3. P. 2852 – 2862. DOI: 10.1364/OE.25.002852Gasilov S., Mittone A., Dos Santos Rolo T., et al. Refraction and ultra-smallangle scattering of Xrays in a single-crystal diamond compound refractive lens/ J. Synchrotron Radiat. 2017. Vol. 24. N 6. P. 1137 – 1145. DOI: 10.1107/S1600577517012772Gasilov S., Mittone A., Dos Santos Rolo T., et al. Refraction and ultra-smallangle scattering of Xrays in a single-crystal diamond compound refractive lens/ J. Synchrotron Radiat. 2017. Vol. 24. N 6. P. 1137 – 1145. DOI: 10.1107/S1600577517012772Gudilin D. Yu. European X-ray free electron laser: femtosecond resolution and other unique opportunities / Lab. Proizv. 2020. Vol. 1. P. 58 – 68 [in Russian]. DOI: 10.32757/2619-0923.2020.1.11.58.68Gudilin D. Yu. European X-ray free electron laser: femtosecond resolution and other unique opportunities / Lab. Proizv. 2020. Vol. 1. P. 58 – 68 [in Russian]. DOI: 10.32757/2619-0923.2020.1.11.58.68Shvid’ko Y., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near-100 % Bragg reflectivity of X-rays / Nat. Photonics. 2011. Vol. 5. P. 539 – 542. DOI: 10.1038/nphoton.2011.197Shvid’ko Y., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near-100 % Bragg reflectivity of X-rays / Nat. Photonics. 2011. Vol. 5. P. 539 – 542. DOI: 10.1038/nphoton.2011.197Mimura H., Yumoto H., Matsuyama S. Generation of 1020 Wcm-2 hard X-ray free electron laser pulses with two-stage reflective focusing system / Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 3539. DOI: 10.1038/ncomms4539Mimura H., Yumoto H., Matsuyama S. Generation of 1020 Wcm-2 hard X-ray free electron laser pulses with two-stage reflective focusing system / Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 3539. DOI: 10.1038/ncomms4539Kaganer V., Petrov I., Samoylova L. X-ray diffraction from strongly bent crystal and spectroscopy of X-ray free-electron laser / Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Adv. 2020. Vol. 76. N 1. P. 55 – 69. DOI: 10.1107/S2053273319014347Kaganer V., Petrov I., Samoylova L. X-ray diffraction from strongly bent crystal and spectroscopy of X-ray free-electron laser / Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Adv. 2020. Vol. 76. N 1. P. 55 – 69. DOI: 10.1107/S2053273319014347Terentyev S., Blank V., Kolodziej T., Shvyd’ko Y. Curved diamond-crystal spectrographs for x-ray free-electron laser noninvasive diagnostics / Rev. Sci. Instrum. 2016. Vol. 87. P. 125117. DOI: 10.1063/1.4973326Terentyev S., Blank V., Kolodziej T., Shvyd’ko Y. Curved diamond-crystal spectrographs for x-ray free-electron laser noninvasive diagnostics / Rev. Sci. Instrum. 2016. Vol. 87. P. 125117. DOI: 10.1063/1.4973326Kaganer V., Petrov I., Samoylova L. Resolution of a bent-crystal spectrometer for X-ray free-electron laser pulses: diamond versus silicon / Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Adv. 2021. Vol. 77. N 77. P. 268 – 276. DOI: 10.1107/S2053273321003697Kaganer V., Petrov I., Samoylova L. Resolution of a bent-crystal spectrometer for X-ray free-electron laser pulses: diamond versus silicon / Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Adv. 2021. Vol. 77. N 77. P. 268 – 276. DOI: 10.1107/S2053273321003697Tolentino H., Baudelet F., Dartyge E., et al. Aberration-free and harmonic-free optics for time-resolved X-ray absorption spectroscopy using synchrotron radiation / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1990. Vol. 289. P. 307. DOI: 10.1103/physrevb.45.8091Tolentino H., Baudelet F., Dartyge E., et al. Aberration-free and harmonic-free optics for time-resolved X-ray absorption spectroscopy using synchrotron radiation / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1990. Vol. 289. P. 307. DOI: 10.1103/physrevb.45.8091Sorokin B. P., Kvashnin G. M., Telichko A. V., et al. Elastic properties of synthetic diamond single crystal / Izv. Vuzov. Khimiya Khim. Tekhnol. 2013. Vol. 56. N 7. P. 50 – 52 [in Russian].Sorokin B. P., Kvashnin G. M., Telichko A. V., et al. Elastic properties of synthetic diamond single crystal / Izv. Vuzov. Khimiya Khim. Tekhnol. 2013. Vol. 56. N 7. P. 50 – 52 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.