晶体实现软伽马射线劳厄透镜衍射的研究

　　1 介绍

　　晶体是劳厄透镜允许的基本结构。作为新兴技术，劳厄透镜使星载望远镜实现了在 100 kV 到 1.5 MV 能量范围内比现有的产品敏感 10～100 倍。但是由于受宇宙射线、辐射带、地球背景蒙蔽反照率与太阳耀斑等激烈复杂的太空环境的影响，软伽马射线望远镜并没有在这一领域的探测器上得到充分应用。但为了不断提高对排放高能光子的天体的认识，需要有更加敏感的望远镜。按照现有望远镜的形式，更敏感意味着数量与规模更大以达到收集更多信号的目的。很明显想要使用现有的软伽玛射线望远镜达到一个 10～100 倍的灵敏度飞跃是不可能的。本文阐述尼古拉巴里和朱利安鲁塞尔博士的团队对更适合制作劳尔透镜的材料的实验研究。

　　2 劳厄透镜的原则

　　按照布拉格衍射，劳厄透镜通过大量的按照同心环排列的晶体将来自无限远处同一光源的光线集中。最简单的设计是每个环均由相同的晶体组成，他们的对称轴确定了镜头的视线。布拉格定律指晶体通过衍射平面间的距离将光线方向和衍射平面的夹角与衍射能量 E联系起来。

　　米勒指数用 h、k、l 界定衍射平面的设定(另一个符号使用h、k、l中素数和 n 的衍射秩序)、普朗克常数 h 和真空中光速 c。

　　达尔文宽度指出，完美的晶体只能衍射几伏特的能量带宽。劳厄透镜则要求能够衍射很宽的能量带宽。有两种晶体可以达到这一要求：镶嵌晶体和有弯曲衍射平面的晶体(CDP 晶体)。下面将阐述尼古拉巴里团队对各种晶体做出的评估研究。

　　3 合适晶体的符合条件

　　首先需要找到符合条件晶体的范围。由于大分子的存在将减少晶体的衍射强度，所以尼古拉巴里博士没有考虑两种以上元素组成的晶体，而在纯材料中进行选择。

　　适合劳厄透镜的材料首先必须符合苛刻的温度环境和压力条件，在空气中没有强烈的反应(自燃、深度氧化反应)，也不存在放射性或有毒的结晶状态。其次，必须能够高效地衍射射线，这主要依赖于晶格，其中最有效的晶体是钻石，面心立方格。

　　或体心立方格。图 1 显示了单晶在晶态时的电子密度。半填方代表元素符合以上条件，但是熔点在 2 273 K 以上的晶体稀有而昂贵，圆圈代表化学填充。

　　因此选择研究 100 多种化学元素中的 18 种，即：铝、硅、钒、铬、镍、铜、锗、钼、铑、钯、银、钡、钽、钨、铱、铂、金、铅。其中几种韧性大，例如铜、银、金、铅。晶体必须能够接受一个准确的方向，使火箭在发射过程中不会因为强烈震动而改变。由于这方面原因，软材料就不适合了，因为往往一点点改变就足以改变晶体的射线衍射特性。