Рентгеновская оптика — это раздел оптики , в котором вместо видимого света используются рентгеновские лучи . Он занимается фокусировкой и другими способами манипулирования рентгеновскими лучами для таких исследовательских методов, как рентгеновская кристаллография , рентгеновская флуоресценция , малоугловое рассеяние рентгеновских лучей , 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 для рентгеновских лучей очень близка к 1, [1] вместо этого они имеют тенденцию первоначально проникать и в конечном итоге поглощаться большинством материалов без сильно меняет направление.
Существует много различных методов, используемых для перенаправления рентгеновских лучей, большинство из которых меняют направление лишь на незначительные углы. Наиболее распространенным используемым принципом является отражение при скользящих углах падения , либо с использованием полного внешнего отражения под очень малыми углами, либо с использованием многослойных покрытий . Другие используемые принципы включают дифракцию и интерференцию в форме зонных пластинок , преломление в сложных преломляющих линзах , в которых последовательно используется множество небольших рентгеновских линз, чтобы компенсировать их числом минутный показатель преломления, брэгговское отражение от плоскости кристалла в плоской или плоской плоскости. изогнутые кристаллы .
Рентгеновские лучи часто коллимируются или уменьшаются в размерах с помощью точечных отверстий или подвижных щелей, обычно изготовленных из вольфрама или другого материала с высоким Z. Узкие части рентгеновского спектра можно выделить с помощью монохроматоров на основе одного или нескольких брэгговских отражений кристаллов. Рентгеновскими спектрами также можно манипулировать, пропуская рентгеновские лучи через фильтр (оптику) . Обычно это приводит к уменьшению низкоэнергетической части спектра и, возможно, частей выше краев поглощения элементов, используемых для фильтра.
Аналитические рентгеновские методы, такие как рентгеновская кристаллография, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей, широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей , рентгеновская флуоресценция, рентгеновская спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, - все они выигрывают от высокого рентгеновского излучения. плотности потока на исследуемых образцах. Это достигается путем фокусировки расходящегося луча источника рентгеновского излучения на образец с помощью одного из ряда фокусирующих оптических компонентов. Это также полезно для методов сканирования зондов , таких как сканирующая трансмиссионная рентгеновская микроскопия и сканирующая рентгенофлуоресцентная визуализация.
Поликапиллярные линзы представляют собой массивы небольших полых стеклянных трубок, которые направляют рентгеновские лучи с множеством полных внешних отражений внутри трубок. [2] Матрица сужена так, что один конец капилляров направлен на источник рентгеновского излучения, а другой — на образец. Поликапиллярная оптика является ахроматической и поэтому подходит для сканирующей флуоресцентной визуализации и других приложений, где полезен широкий спектр рентгеновских лучей. Они эффективно собирают рентгеновские лучи для фотонов с энергией от 0,1 до 30 кэВ и могут добиться увеличения потока от 100 до 10 000 по сравнению с использованием точечного отверстия на расстоянии 100 мм от источника рентгеновского излучения. [3] Поскольку только рентгеновские лучи, попадающие в капилляры под очень узким углом, будут полностью отражаться внутрь, через оптику будут передаваться только рентгеновские лучи, исходящие из небольшого пятна. Поликапиллярная оптика не может отображать более одной точки в другой, поэтому ее используют для освещения и сбора рентгеновских лучей.
Зонные пластины состоят из подложки с концентрическими зонами фазосдвигающего или поглощающего материала, причем зоны сужаются по мере увеличения их радиуса. Ширина зон рассчитана таким образом, чтобы передаваемая волна получала конструктивную интерференцию в одной точке, создавая фокус. [4] Зонные пластины можно использовать в качестве конденсаторов для сбора света, а также для прямой полнопольной визуализации, например, в рентгеновском микроскопе. Зонные пластинки имеют высокую хроматичность и обычно рассчитаны только на узкий диапазон энергий, поэтому для эффективного сбора и получения изображений с высоким разрешением необходимо иметь монохроматические рентгеновские лучи.
Поскольку показатели преломления на длинах волн рентгеновских лучей очень близки к 1, фокусные расстояния обычных линз становятся непрактично длинными. Чтобы преодолеть эту проблему, используются линзы с очень малыми радиусами кривизны , которые укладываются длинными рядами, так что общая сила фокусировки становится заметной. [5] Поскольку показатель преломления рентгеновских лучей меньше 1, эти линзы должны быть вогнутыми для достижения фокусировки, в отличие от линз видимого света, которые выпуклы для фокусировки. Радиусы кривизны обычно составляют менее миллиметра, что делает полезную ширину рентгеновского луча максимум примерно 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 представлены линзы и из других материалов: радиационно-стойкого полимера (на основе эпоксидной смолы), такого как СУ-8 , никеля и кремния . Поскольку показатель преломления сильно зависит от длины волны рентгеновского излучения, эти линзы очень хроматические , и для любого применения необходимо учитывать изменение фокусного расстояния в зависимости от длины волны.
Основная идея состоит в том, чтобы отразить пучок рентгеновских лучей от поверхности и измерить интенсивность рентгеновских лучей, отраженных в зеркальном направлении (угол отражения равен углу падения). Было показано, что отражение от параболического зеркала, а затем отражение от гиперболического зеркала приводит к фокусировке рентгеновских лучей. [7] Поскольку входящие рентгеновские лучи должны попадать на наклонную поверхность зеркала, площадь сбора небольшая. Однако его можно увеличить, вложив зеркала друг в друга. [8]
Отношение отраженной интенсивности к падающей интенсивности представляет собой отражательную способность рентгеновских лучей от поверхности. Если граница раздела не является идеально четкой и гладкой, интенсивность отраженного света будет отклоняться от предсказанной законом отражательной способности Френеля . Затем отклонения можно проанализировать, чтобы получить профиль плотности границы раздела нормали к поверхности. Для пленок с несколькими слоями отражательная способность рентгеновских лучей может демонстрировать колебания длины волны, аналогичные эффекту Фабри-Перо . Эти колебания можно использовать для определения толщины слоев и других свойств.
При дифракции рентгеновских лучей луч падает на кристалл и дифрагирует во многих определенных направлениях. Углы и интенсивность 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 луча в виде сферической волны. Если атомы расположены симметрично (как в кристалле) с расстоянием d , то эти сферические волны будут синфазны (конструктивно сложить) только в тех направлениях, где их разность длин пробега 2 d sin θ равна целому кратному длина волны λ . Таким образом, падающий луч кажется отклоненным на угол 2 θ , создавая пятно отражения на дифракционной картине .
Рентгеновская дифракция — это форма 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 входящего рентгеновского излучения к электрону внутренней оболочки, возбуждая его на более высокий энергетический уровень . Такое неупругое рассеяние уменьшает энергию (или увеличивает длину волны) выходящего луча. Неупругое рассеяние полезно для исследования такого электронного возбуждения , но не для определения распределения атомов внутри кристалла.
Фотоны с большей длиной волны (например, ультрафиолетовое излучение ) не будут иметь достаточного разрешения для определения положения атомов. 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, образуя пары частица-античастица .
Подобные дифракционные картины могут быть получены путем рассеяния электронов или нейтронов . Рентгеновские лучи обычно дифрагируют не от атомных ядер, а только от окружающих их электронов.
Рентгеновская интерференция — это сложение ( суперпозиция ) двух или более рентгеновских волн , в результате которого образуется новая волновая картина. Рентгеновская интерференция обычно относится к взаимодействию волн, которые коррелируют или когерентны друг с другом либо потому, что они исходят из одного и того же источника, либо потому, что они имеют одинаковую или почти одинаковую частоту .
Две немонохроматические рентгеновские волны полностью когерентны друг другу только в том случае, если они обе имеют 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 двумя или более разными источниками). Затем можно сделать вывод, находятся ли рентгеновские волны, достигающие точки, в фазе (конструктивная интерференция) или в противофазе (деструктивная интерференция).
Существует множество методов, используемых для направления рентгеновских фотонов в подходящее место на детекторе рентгеновского излучения:
Большинство рентгеновских оптических элементов (за исключением зеркал скользящего падения) очень малы и должны быть рассчитаны на определенный угол падения и энергию, что ограничивает их применение в расходящемся излучении . Хотя технология быстро развивается, ее практическое использование за пределами исследований все еще ограничено. Однако продолжаются усилия по внедрению рентгеновской оптики в медицинскую рентгеновскую визуализацию . Например, одно из наиболее перспективных применений заключается в повышении контрастности и разрешения маммографических изображений по сравнению с обычными антирассеивающими сетками . [16] Еще одним применением является оптимизация распределения энергии рентгеновского луча для улучшения соотношения контраст/шум по сравнению с традиционной фильтрацией энергии. [17]
Зеркала могут быть изготовлены из стекла, керамики или металлической фольги, покрытой отражающим слоем. [1] Наиболее часто используемые отражающие материалы для рентгеновских зеркал — золото и иридий . Даже в этом случае критический угол отражения зависит от энергии. Для золота при энергии 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 слои увеличивают малую отражательную способность от одной границы за счет добавления небольших отраженных амплитуд от многих границ, когерентно синфазных. 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 многослоя, обеспечивающего синфазное сложение, равен периоду стоячей волны, создаваемой входным и выходным лучами, Λ = λ /2 sin θ , где λ – длина волны, а 2 θ – половинный угол между двумя балки. Для угла θ = 90° или отражения при нормальном падении период многослоя равен Λ = λ /2. Самый короткий период, который можно использовать в многослое, ограничен размером атомов примерно 2 нм, что соответствует длинам волн выше 4 нм. Для более коротких волн необходимо использовать уменьшение угла падения θ в сторону большего скольжения.
Материалы для многослойных слоев выбираются так, чтобы обеспечить максимально возможное отражение на каждой границе и наименьшее поглощение или распространение через структуру. Обычно этого достигают с помощью легких материалов низкой плотности для промежуточного слоя и более тяжелого материала, обеспечивающего высокий контраст. Поглощение в более тяжелом материале можно уменьшить, расположив его вблизи узлов поля стоячей волны внутри конструкции. Хорошими спейсерными материалами 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 с энергией 79 кэВ была изготовлена с использованием многослойных покрытий, автоматизированного производства и других технологий. [19] В зеркалах используется многослойное покрытие из вольфрама / кремния (W/Si) или платины / карбида кремния (Pt/SiC) на опущенном стекле, что позволяет создать телескоп Вольтера . [19]
СМИ, связанные с рентгеновской оптикой, на Викискладе?