Рентгеновская оптика — это раздел оптики , который манипулирует рентгеновскими лучами вместо видимого света . Она занимается фокусировкой и другими способами манипулирования рентгеновскими пучками для таких исследовательских методов, как рентгеновская дифракция , рентгеновская кристаллография , рентгеновская флуоресценция , малоугловое рентгеновское рассеяние , рентгеновская микроскопия , рентгеновская фазово-контрастная визуализация и рентгеновская астрономия .
Поскольку рентгеновские лучи и видимый свет являются электромагнитными волнами , они распространяются в пространстве одинаково, но из-за гораздо более высокой частоты и энергии фотонов рентгеновских лучей они взаимодействуют с веществом совершенно по-разному. Видимый свет легко перенаправить с помощью линз и зеркал , но поскольку действительная часть комплексного показателя преломления всех материалов очень близка к 1 для рентгеновских лучей [1] , они вместо этого имеют тенденцию изначально проникать и в конечном итоге поглощаться большинством материалов, не меняя сильно направление.
Существует множество различных методов перенаправления рентгеновских лучей, большинство из которых изменяют направление только на мельчайшие углы. Наиболее распространенным принципом является отражение при скользящих углах падения, либо с использованием полного внешнего отражения при очень малых углах, либо многослойных покрытий . Другие используемые принципы включают дифракцию и интерференцию в форме зонных пластин , преломление в составных преломляющих линзах , которые используют множество маленьких рентгеновских линз последовательно для компенсации их количества для мельчайшего показателя преломления, брэгговское отражение от кристаллической плоскости в плоских или изогнутых кристаллах .
Рентгеновские пучки часто коллимируются или уменьшаются в размере с помощью точечных отверстий или подвижных щелей, обычно изготовленных из вольфрама или другого материала с высоким Z. Узкие части рентгеновского спектра можно выбирать с помощью монохроматоров, основанных на одном или нескольких брэгговских отражениях кристаллами. Рентгеновскими спектрами также можно манипулировать, пропуская рентгеновские лучи через фильтр (оптику) . Это обычно уменьшает низкоэнергетическую часть спектра и, возможно, части выше краев поглощения элементов, используемых для фильтра.
Аналитические рентгеновские методы, такие как рентгеновская кристаллография, малоугловое рентгеновское рассеяние, широкоугловое рентгеновское рассеяние , рентгеновская флуоресценция, рентгеновская спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, все выигрывают от высокой плотности потока рентгеновского излучения на исследуемых образцах. Это достигается путем фокусировки расходящегося пучка от источника рентгеновского излучения на образец с использованием одного из ряда фокусирующих оптических компонентов. Это также полезно для сканирующих зондовых методов, таких как сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия и сканирующая рентгеновская флуоресцентная визуализация.
Поликапиллярные линзы представляют собой массивы небольших полых стеклянных трубок, которые направляют рентгеновские лучи с множеством полных внешних отражений на внутренней стороне трубок. [2] Массив сужен таким образом, что один конец капилляров направлен на источник рентгеновского излучения, а другой — на образец. Поликапиллярная оптика ахроматична и, таким образом, подходит для сканирующей флуоресцентной визуализации и других приложений, где полезен широкий спектр рентгеновского излучения. Они эффективно собирают рентгеновские лучи для энергий фотонов от 0,1 до 30 кэВ и могут достигать усиления потока от 100 до 10000 по сравнению с использованием отверстия на расстоянии 100 мм от источника рентгеновского излучения. [3] Поскольку только рентгеновские лучи, попадающие в капилляры под очень узким углом, будут полностью отражаться изнутри, только рентгеновские лучи, исходящие из небольшого пятна, будут передаваться через оптику. Поликапиллярная оптика не может отображать более одной точки в другой, поэтому она используется для освещения и сбора рентгеновских лучей.
Зонные пластины состоят из подложки с концентрическими зонами фазосдвигающего или поглощающего материала, причем зоны становятся уже по мере увеличения их радиуса. Ширина зон рассчитана таким образом, что прошедшая волна получает конструктивную интерференцию в одной точке, что дает фокус. [4] Зонные пластины могут использоваться в качестве конденсаторов для сбора света, а также для прямой полномасштабной визуализации, например, в рентгеновском микроскопе. Зонные пластины являются высокохроматическими и обычно предназначены только для узкого энергетического диапазона, что делает необходимым наличие монохроматических рентгеновских лучей для эффективного сбора и визуализации с высоким разрешением.
Поскольку показатели преломления на длинах волн рентгеновского излучения так близки к 1, фокусные расстояния обычных линз становятся непрактично длинными. Чтобы преодолеть это, используются линзы с очень малыми радиусами кривизны , и они укладываются в длинные ряды, так что объединенная фокусирующая способность становится заметной. [5] Поскольку показатель преломления для рентгеновских лучей меньше 1, эти линзы должны быть вогнутыми, чтобы добиться фокусировки, в отличие от линз видимого света, которые являются выпуклыми для фокусирующего эффекта. Радиусы кривизны обычно меньше миллиметра, что делает пригодную для использования ширину рентгеновского пучка не более 1 мм. [6] Чтобы уменьшить поглощение рентгеновских лучей в этих стопках, часто используются материалы с очень низким атомным номером, такие как бериллий или литий . На рынке также имеются линзы из других материалов: радиационно-стойкий полимер (на основе эпоксидной смолы), такой как SU-8 , никель и кремний . Поскольку показатель преломления сильно зависит от длины волны рентгеновского излучения, эти линзы обладают высокой хроматичностью , и при любом применении необходимо учитывать изменение фокусного расстояния в зависимости от длины волны.
Основная идея заключается в отражении пучка рентгеновских лучей от поверхности и измерении интенсивности рентгеновских лучей, отраженных в зеркальном направлении (угол отражения равен углу падения). Было показано, что отражение от параболического зеркала, за которым следует отражение от гиперболического зеркала, приводит к фокусировке рентгеновских лучей. [7] Поскольку входящие рентгеновские лучи должны попадать на наклонную поверхность зеркала, площадь сбора мала. Однако ее можно увеличить, вложив зеркала друг в друга. [8]
Отношение отраженной интенсивности к падающей интенсивности — это отражательная способность рентгеновского излучения для поверхности. Если граница раздела не идеально четкая и гладкая, отраженная интенсивность будет отклоняться от предсказанной законом отражения Френеля . Затем отклонения можно проанализировать, чтобы получить профиль плотности границы раздела, нормальный к поверхности. Для пленок с несколькими слоями отражательная способность рентгеновского излучения может показывать колебания с длиной волны, аналогичные эффекту Фабри–Перо . Эти колебания можно использовать для определения толщины слоев и других свойств.
В рентгеновской дифракции луч попадает на кристалл и дифрагирует во многих определенных направлениях. Углы и интенсивности дифрагированных лучей указывают на трехмерную плотность электронов внутри кристалла. Рентгеновские лучи создают дифракционную картину, поскольку их длина волны обычно имеет тот же порядок величины (0,1–10,0 нм), что и расстояние между атомными плоскостями в кристалле.
Каждый атом переизлучает небольшую часть интенсивности входящего пучка в виде сферической волны. Если атомы расположены симметрично (как это происходит в кристалле) с разделением d , эти сферические волны будут находиться в фазе (складываться конструктивно) только в направлениях, где их разность длин путей 2 d sin θ равна целому кратному длины волны λ . Таким образом, входящий пучок, по-видимому, отклоняется на угол 2 θ , создавая пятно отражения на дифракционной картине .
Рентгеновская дифракция является формой упругого рассеяния в прямом направлении; исходящие рентгеновские лучи имеют ту же энергию и, следовательно, ту же длину волны, что и входящие рентгеновские лучи, только с измененным направлением. Напротив, неупругое рассеяние происходит, когда энергия передается от входящих рентгеновских лучей к электрону внутренней оболочки, возбуждая его на более высокий энергетический уровень . Такое неупругое рассеяние уменьшает энергию (или увеличивает длину волны) исходящего пучка. Неупругое рассеяние полезно для зондирования такого электронного возбуждения , но не для определения распределения атомов внутри кристалла.
Фотоны с более длинной волной (например, ультрафиолетовое излучение ) не будут иметь достаточного разрешения для определения атомных позиций. С другой стороны, фотоны с более короткой длиной волны, такие как гамма-лучи , трудно производить в больших количествах, их трудно фокусировать, и они слишком сильно взаимодействуют с веществом, производя пары частица-античастица .
Похожие дифракционные картины могут быть получены при рассеянии электронов или нейтронов . Рентгеновские лучи обычно не дифрагируют на атомных ядрах, а только на окружающих их электронах.
Интерференция рентгеновских лучей — это сложение ( суперпозиция ) двух или более рентгеновских волн , приводящее к образованию новой волновой картины. Интерференция рентгеновских лучей обычно относится к взаимодействию волн, которые коррелируют или когерентны друг с другом, либо потому, что они исходят из одного источника, либо потому, что они имеют одинаковую или почти одинаковую частоту .
Две немонохроматические рентгеновские волны полностью когерентны друг с другом только в том случае, если они обе имеют абсолютно одинаковый диапазон длин волн и одинаковые разности фаз на каждой из составляющих длин волн.
Общая разность фаз получается из суммы разности хода и начальной разности фаз (если рентгеновские волны генерируются из двух или более различных источников). Затем можно сделать вывод, находятся ли рентгеновские волны, достигающие точки, в фазе (конструктивная интерференция) или в противофазе (деструктивная интерференция).
Существуют различные методы, позволяющие направить рентгеновские фотоны в соответствующее место рентгеновского детектора:
Большинство рентгеновских оптических элементов (за исключением зеркал скользящего падения) очень малы и должны быть спроектированы для определенного угла падения и энергии, что ограничивает их применение в расходящемся излучении . Хотя технология быстро развивается, ее практическое применение за пределами исследований все еще ограничено. Однако продолжаются усилия по внедрению рентгеновской оптики в медицинскую рентгеновскую визуализацию . Например, одно из приложений, показывающих большие перспективы, заключается в улучшении как контрастности , так и разрешения маммографических изображений по сравнению с обычными антирассеивающими сетками . [16] Другое применение заключается в оптимизации распределения энергии рентгеновского пучка для улучшения соотношения контрастности к шуму по сравнению с обычной энергетической фильтрацией. [17]
Зеркала могут быть изготовлены из стекла, керамики или металлической фольги, покрытой отражающим слоем. [1] Наиболее часто используемые отражающие материалы для рентгеновских зеркал — это золото и иридий . Даже в этом случае критический угол отражения зависит от энергии. Для золота при 1 кэВ критический угол отражения составляет 2,4°. [18]
Использование рентгеновских зеркал одновременно требует:
Ни один материал не обладает существенным отражением рентгеновских лучей, за исключением очень малых углов скольжения. Многослойные материалы усиливают малую отражательную способность от одной границы путем добавления малых отраженных амплитуд от многих границ когерентно в фазе. Например, если одна граница имеет отражательную способность R = 10−4 ( амплитуда r = 10−2 ) , то добавление 100 амплитуд от 100 границ может дать отражательную способность R, близкую к единице. Период Λ многослойного материала, который обеспечивает синфазное сложение, равен периоду стоячей волны, создаваемой входным и выходным пучками, Λ = λ /2 sin θ , где λ — длина волны, а 2 θ — половина угла между двумя пучками. Для θ = 90° или отражения при нормальном падении период многослойного материала равен Λ = λ /2. Самый короткий период, который может быть использован в многослойной структуре, ограничен размером атомов примерно до 2 нм, что соответствует длинам волн более 4 нм. Для более короткой длины волны необходимо использовать уменьшение угла падения θ в сторону большего скольжения.
Материалы для многослойных структур выбираются так, чтобы обеспечить максимально возможное отражение на каждой границе и наименьшее поглощение или распространение через структуру. Обычно это достигается с помощью легких материалов низкой плотности для разделительного слоя и более тяжелого материала, который обеспечивает высокий контраст. Поглощение в более тяжелом материале можно уменьшить, расположив его близко к узлам поля стоячей волны внутри структуры. Хорошими материалами для разделительных структур с низким поглощением являются Be, C, B, B 4 C и Si. Некоторые примеры более тяжелых материалов с хорошим контрастом: W, Rh, Ru и Mo.
Приложения включают в себя:
Mo/Si — это материал, используемый для отражателей с почти нормальным падением для EUV-литографии.
Оптика рентгеновского зеркала для космического телескопа NuSTAR , работающего до 79 кэВ, была изготовлена с использованием многослойных покрытий, автоматизированного производства и других технологий. [19] Зеркала используют многослойное покрытие из вольфрама / кремния (W/Si) или платины / карбида кремния (Pt/SiC) на стекле , что позволяет использовать конструкцию телескопа Вольтера . [19]
Медиа, связанные с рентгеновской оптикой на Wikimedia Commons