Các máy quang phổ phát xạ tia X (XES) có độ phân giải năng lượng cao tại Cơ sở thử nghiệm tia X Femto giây (FXE) của XFEL ở Châu Âu hoạt động theo hình học Bragg (phản xạ), với hiệu suất tối ưu trong phạm vi từ 5 đến 15 keV. Tuy nhiên, chúng nhanh chóng mất hiệu suất trên khoảng 15 keV do khả năng phản xạ của máy phân tích tinh thể giảm ở năng lượng photon cao. Điều này cản trở các thí nghiệm quang phổ có độ phân giải năng lượng cao trên các nguyên tố nặng (kim loại 4d), do đó không khai thác được toàn bộ khả năng của photon năng lượng cao từ XFEL. Mới đây, các nhà khoa học đã thiết kế, triển khai máy quang phổ XES có độ phân giải cao mới hoạt động theo hình học Laue (truyền qua), được tối ưu hóa cho các phép đo ở năng lượng photon cao (> 15 keV). Máy quang phổ phát xạ tia X năng lượng cao Laue (HELIOS) hoạt động chủ yếu ở chế độ tán xạ bằng cách đặt bộ phân tích tinh thể bên trong hoặc bên ngoài vòng Rowland. Máy quang phổ này sẽ cho phép mở rộng các nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học siêu nhanh, đặc biệt bao gồm việc nghiên cứu các nguyên tố 4d bằng tia X cứng.
Cơ sở European X-ray Free Electron Laser (XFEL) tạo ra các xung tia X siêu ngắn với tần suất lặp lại theo cấp MHz, đặc biệt là photon tia X năng lượng cao (>15 keV), bao phủ vùng biên K của các nguyên tố 4d và biên L của các nguyên tố 5f. Việc truy cập các vùng biên này mang lại cơ hội đặc biệt để ứng dụng phổ tia X trong nghiên cứu tiến trình vật lý, hóa học và sinh học theo thời gian trong vật chất ngưng tụ. Phổ tia X nhạy với cấu hình điện tử và cấu trúc cục bộ quanh nguyên tử hấp thụ, và thường được dùng để nghiên cứu quá trình quang kích thích tại các nguồn synchrotron và XFEL.
Cho đến nay, phần lớn các thí nghiệm phổ học siêu nhanh tại vùng tia X cứng của XFEL chỉ giới hạn trong khoảng 4.5–10 keV, với phổ hấp thụ (XAS) và phát xạ tia X (XES) theo thời gian đã được thiết lập và áp dụng rộng rãi cho các hệ chứa kim loại 3d (biên K) và 5d (biên L). Tuy nhiên, các nghiên cứu siêu nhanh trong vùng rất cứng (>15 keV) vẫn hiếm do thiếu nguồn XFEL có cường độ đủ cao và máy phổ độ phân giải cao phù hợp. Ngay cả ở các nguồn synchrotron, thiết bị phổ độ phân giải cao cho năng lượng photon lớn cũng còn hiếm. Tuy vậy, các phổ học tĩnh với độ phân giải cao cho các kim loại 3d và 5d đã trở nên phổ biến để giải quyết các câu hỏi khoa học. Gần đây, phổ học độ phân giải cao trên biên K của kim loại 4d bắt đầu phổ biến hơn, cho thấy nhu cầu mở rộng khả năng thí nghiệm trong vùng năng lượng cao tại XFEL. Việc này sẽ giúp nghiên cứu:
- Quá trình truyền điện tích trong các hệ có kim loại 4d;
- Tính xúc tác quang của các hạt nano niobi và molypden;
- Vật liệu nhuộm ruthenium cho pin năng lượng mặt trời;
- Quá trình tiến hóa siêu nhanh trong vật liệu tương tác mạnh;
- Các vật liệu điện cực tiềm năng cho pin.
Các vật liệu 4d có thể biểu hiện hành vi vật lý khác biệt so với 3d do tương tác điện tử và ghép spin–quỹ đạo. Phổ tia X năng lượng cao còn có thể kết hợp tốt với các thí nghiệm tán xạ và nhiễu xạ, cho phép nghiên cứu song song với vùng truyền động lượng rộng hơn. Tuy nhiên, kỹ thuật này gặp hạn chế nội tại do độ rộng phổ năng lượng từ thời gian sống ngắn của lõi. Do đó, việc phát triển thiết bị phổ độ phân giải cao như HERFD-XAS và phổ phát xạ cộng hưởng (resonant XES) là cần thiết để khắc phục điểm yếu này.
Hiện tại, FXE có hai máy quang phổ phát xạ tia X được lắp đặt và đã được sử dụng thành công trong nhiều thí nghiệm từ khi đưa vào hoạt động. Cả hai máy quang phổ von Hamos và Johann, từng được mô tả bởi Galler et al. (2019) và Lima et al. (2023), hoạt động theo hình học phản xạ Bragg sử dụng tinh thể phân tích silicon và germani. Chúng cung cấp độ phân giải năng lượng khoảng 1 eV hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, bộ phân tích phản xạ Bragg có một nhược điểm lớn là hiệu suất thấp khi làm việc ở vùng năng lượng photon cao. Ở mức năng lượng trên khoảng 15 keV, độ xuyên sâu của tia X vào các tinh thể Si và Ge tăng mạnh, làm giảm hệ số phản xạ của tinh thể. Dù có thể cải thiện phần nào bằng cách dùng các bậc nhiễu xạ cao hơn, thì độ rộng Darwin tương ứng lại thu hẹp đáng kể, khiến hiệu suất chung không được cải thiện. Do đó, việc nghiên cứu các nguyên tố nặng như kim loại nhóm 4d bị hạn chế, điều này giới hạn các loại nghiên cứu có thể thực hiện tại FXE và khả năng khai thác tiềm năng của nguồn tia X có năng lượng cao tại European XFEL.
Để khắc phục các hạn chế này và mở rộng danh mục máy quang phổ tia X có độ phân giải cao tại FXE, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và lắp đặt một máy quang phổ phát xạ tia X kiểu Laue truyền qua (transmission-type). Hình học, trong đó chùm tia đi xuyên qua tinh thể, đạt hiệu suất cao và độ phân giải năng lượng tương đương với hệ phản xạ Bragg. Điểm nổi bật là trong cấu hình Laue, mặt phẳng tinh thể song song với hướng tia tới (thay vì vuông góc như trong Bragg). Trong nghiên cứu này, máy quang phổ HELIOS (High-Energy Laue X-ray Emission Spectrometer) với thiết kế tối ưu cho hiệu suất cao hơn. Thiết bị đạt độ phân giải năng lượng ΔE/E khoảng 1.2 × 10⁻⁴. Hiệu suất nâng cao được chứng minh qua so sánh cường độ tín hiệu XES với máy von Hamos tại FXE và thiết bị Laue do Jagodziński et al. (2019) công bố. Ngoài ra, máy Laue mới này tạo ra hình ảnh phát xạ ít méo hơn khi hoạt động ở chế độ phân tán, điều đặc biệt quan trọng cho các thí nghiệm pump–probe (bơm – dò) cần trừ phổ laser-on và laser-off mà không có sai số do xử lý ảnh.
Máy quang phổ sử dụng hai bộ phân tích Laue làm từ silicon (333) và thạch anh (330), mỗi bộ có bán kính uốn cong khoảng 1,5 m. Các phép đo ban đầu cho thấy độ phân giải năng lượng đạt khoảng 1,2 × 10⁻⁴, nhờ kích thước chùm tia và đầu dò nhỏ tại FXE. Thiết bị này cho phép thu được phổ phát xạ tia X (XES) trong vùng năng lượng khoảng 100 eV, đủ để bao phủ phần lớn vạch phát xạ Kβ chỉ trong một lần đo. Để xử lý dữ liệu, nhóm nghiên cứu đã phát triển các thuật toán hiệu quả để hiệu chỉnh và trích xuất phổ từ ảnh phát xạ bị biến dạng do hình học và bề mặt tinh thể. Đặc biệt, phương pháp tự hiệu chuẩn bằng quét góc giúp hiệu chuẩn thiết bị chính xác mà không cần dữ liệu tán xạ đàn hồi – điều này rất hữu ích trong điều kiện vận hành không ổn định của XFEL ở chế độ SASE.
So với máy quang phổ phản xạ Bragg kiểu von Hamos, HELIOS cho tín hiệu mạnh hơn từ 4 đến 22 lần khi đo đồng thời, tùy theo chất liệu bộ phân tích và vạch phát xạ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây, cho thấy hiệu suất vượt trội của các bộ phân tích Laue ở năng lượng photon cao. Cấu trúc cơ khí của HELIOS cho phép thay đổi mặt nhiễu xạ linh hoạt mà không che khuất đầu dò, giúp tối ưu giữa hiệu suất và độ phân giải theo nhu cầu. HELIOS mở rộng đáng kể năng lực phổ học của FXE, cho phép thực hiện các kỹ thuật phổ tiên tiến như XES cộng hưởng/không cộng hưởng và HERFD-XAS ở vùng 15–20 keV – bao phủ các nguyên tố 4d và 5f. Việc đưa vào hoạt động thành công máy quang phổ mới – thiết bị duy nhất dạng này tại các XFEL – sẽ giúp giải quyết những câu hỏi lớn trong lĩnh vực khoa học siêu nhanh (ultrafast science).
Từ khóa: tia X;
– CMD –
