Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Рентгеновская оптика - это отрасль оптики, которая управляет рентгеновскими лучами вместо видимого света . Он касается фокусировки и других способов управления рентгеновскими лучами для таких исследовательских методов, как рентгеновская кристаллография , рентгеновская флуоресценция , малоугловое рассеяние рентгеновских лучей , рентгеновская микроскопия , рентгеновская фазово-контрастная визуализация , Рентгеновская астрономия и др.

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 по-разному взаимодействуют с веществом. Видимый свет легко перенаправляется с помощью линз и зеркал , но поскольку реальная часть комплексного показателя преломления всех материалов для рентгеновских лучей очень близка к 1, [1] они вместо этого имеют тенденцию первоначально проникать и в конечном итоге поглощаться в большинстве материалов без сильно меняя направление.

Рентгеновские методы [ править ]

Существует множество различных методов перенаправления рентгеновских лучей, большинство из которых меняют направление только на ничтожные углы. Чаще всего используется принцип отражения при скользящих углах падения с использованием либо полного внешнего отражения под очень маленькими углами, либо многослойных покрытий . Другие используемые принципы включают дифракцию и интерференцию в виде зонных пластинок , преломление в составных преломляющих линзах , в которых используется множество небольших рентгеновских линз, установленных последовательно, чтобы компенсировать их количество за мельчайший показатель преломления, брэгговское отражение от плоскости кристалла в плоскости или согнутыйкристаллы .

Рентгеновские лучи часто коллимируют или уменьшают в размере с помощью точечных отверстий или подвижных щелей, обычно сделанных из вольфрама или другого материала с высоким Z. Узкие части рентгеновского спектра могут быть выбраны с помощью монохроматоров на основе одного или нескольких брэгговских отражений от кристаллов. Спектрами рентгеновских лучей также можно управлять, проходя рентгеновские лучи через фильтр (оптику) . Это, как правило , уменьшают низкую энергетическую часть спектра, и , возможно , части выше края поглощения этих элементов , используемых для фильтра.

Фокусирующая оптика [ править ]

Аналитические рентгеновские методы, такие как кристаллография рентгеновских лучей, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей, широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей , рентгеновская флуоресценция, рентгеновская спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, все выигрывают от высокой плотности потока на исследуемых образцах. Это достигается за счет фокусировки расходящегося пучка от источника рентгеновского излучения на образец с использованием одного из фокусирующих оптических компонентов, находящихся вне диапазона. Это также полезно для методов сканирующего зонда , таких как сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия и сканирующая рентгеновская флуоресцентная визуализация.

Поликапиллярная оптика [ править ]

Поликапиллярная линза для фокусировки рентгеновских лучей

Поликапиллярные линзы представляют собой массив небольших полых стеклянных трубок, которые направляют рентгеновские лучи с множеством общих внешних отражений внутри трубок. [2] Решетка сужается так, чтобы один конец капилляров указывал 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 энергии фотонов от 0,1 до 30  кэВ и могут достигать усиления потока от 100 до 10000 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 проходить только рентгеновские лучи, исходящие из небольшого пятна. Поликапиллярная оптика не может отображать более одной точки в другую, поэтому они используются для освещения и сбора рентгеновских лучей.

Зональные таблички [ править ]

Основная статья: Зональная пластина

Зональные пластины состоят из подложки с концентрическими зонами из фазосдвигающего или поглощающего материала, причем зоны становятся более узкими по мере увеличения их радиуса. Ширина зоны рассчитана таким образом, чтобы проходящая волна имела конструктивную интерференцию в одной точке, обеспечивающей фокус. [4] Зональные пластины можно использовать в качестве конденсаторов для сбора света, а также для прямой визуализации полного поля, например, в рентгеновском микроскопе. Зональные пластины обладают высокой хроматичностью и обычно предназначены только для узкого диапазона энергий, что делает необходимым монохроматическое рентгеновское излучение для эффективного сбора и получения изображений с высоким разрешением.

Составные преломляющие линзы [ править ]

Основная статья: Составная рефракционная линза

Поскольку показатели преломления на длинах волн рентгеновского излучения настолько близки к 1, фокусные расстояния нормальных линз становятся непрактично большими. Чтобы преодолеть это, используются линзы с очень маленькими радиусами кривизны , и они укладываются в длинные ряды, так что объединенная фокусирующая сила 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 являются выпуклыми для эффекта фокусировки. Радиусы кривизны обычно меньше миллиметра, поэтому полезная ширина рентгеновского луча составляет не более 1 мм. [6] Для уменьшения абсорбцииДля рентгеновских лучей в этих пакетах обычно используются материалы с очень низким атомным номером, такие как бериллий или литий . Поскольку показатель преломления сильно зависит от длины волны рентгеновского излучения, эти линзы обладают высокой хроматичностью, и для любого применения необходимо учитывать изменение фокусного расстояния в зависимости от длины волны.

Отражение [ править ]

Конструкции, основанные на отражении от скользящего падения, используемые в рентгеновских телескопах, включают дизайн Киркпатрика-Баэза и несколько конструкций Вольтера (Wolter I-IV).

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 с последующим отражением от гиперболического зеркала приводит к фокусировке рентгеновских лучей. [7] Поскольку входящие рентгеновские лучи должны попадать на наклонную поверхность зеркала, площадь сбора мала. Однако его можно увеличить путем вложения зеркал друг в друга. [8]

Отношение отраженной интенсивности к интенсивности падающего излучения представляет собой коэффициент отражения рентгеновских лучей для поверхности. Если граница раздела не является идеально четкой и гладкой, отраженная интенсивность будет отклоняться от предсказанной законом отражательной способности Френеля . Затем отклонения могут быть проанализированы для получения профиля плотности границы раздела, перпендикулярного поверхности. Для многослойных пленок коэффициент отражения рентгеновских лучей может показывать колебания с длиной волны, аналогичные эффекту Фабри-Перо . Эти колебания можно использовать для определения толщины слоя и других свойств.

Дифракция [ править ]

Симметрично расположенные атомы заставляют повторно излученные рентгеновские лучи усиливать друг друга в определенных направлениях, где разность их длины пути, 2 d sin  θ , равна целому числу, кратному длине волны  λ.

При дифракции рентгеновских лучей луч падает на кристалл и дифрагирует во многих конкретных направлениях. Углы и интенсивности дифрагированных лучей указывают на трехмерную плотность электронов внутри кристалла. Рентгеновские лучи создают дифракционную картину, потому что их длина волны обычно имеет тот же порядок величины (0,1-10,0 нм), что и расстояние между атомными плоскостями в кристалле.

Каждый атом повторно излучает небольшую часть интенсивности входящего луча в виде сферической волны. Если атомы расположены симметрично (как в кристалле) с расстоянием d , эти сферические волны будут синхронизированы (сложить конструктивно) только в направлениях, где разность их длины пути 2 d sin  θ равна целому кратному числу длина волны λ . Таким образом, входящий луч кажется отклоненным на угол 2θ, создавая пятно отражения на дифракционной картине .

Дифракция рентгеновских лучей - 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 электрону внутренней оболочки, возбуждающему его на более высокий энергетический уровень . Такое неупругое рассеяние снижает 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 более длинной 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 сфокусировать, и они слишком сильно взаимодействуют с веществом, создавая пары частица-античастица .

Подобные дифракционные картины могут быть получены путем рассеяния электронов или нейтронов . Рентгеновские лучи обычно дифрагируют не от ядер атомов, а только от окружающих их электронов.

Вмешательство [ править ]

Рентгеновская интерференция - это сложение ( суперпозиция ) двух или более рентгеновских волн, что приводит к новой волновой картине. Рентгеновская интерференция обычно относится к взаимодействию волн, которые коррелированы 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 одинаковый диапазон длин волн и одинаковые разности фаз на каждой из составляющих длин волн.

Полная 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).

Технологии [ править ]

Существует множество методов, используемых для направления рентгеновских фотонов в соответствующее место на детекторе рентгеновского излучения:

  • Скользящее падение зеркала в телескопе Wolter , [7] [9] [10] или Киркпатрик-Баез рентгеновского отражения микроскопа ,
  • Зонные пластины ,
  • Изогнутые кристаллы, [11]
  • Зеркала нормального падения с многослойными покрытиями ,
  • Линза с нормальным падением, очень похожая на оптическую линзу , например составную преломляющую линзу ,
  • Микроструктурированные оптические матрицы , а именно капиллярные / поликапиллярные оптические системы, [12] [13] [14] [15]
  • Кодированная апертурная визуализация,
  • Коллиматоры модуляции , или
  • Рентгеновские волноводы.

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. Тем не менее, прилагаются усилия по внедрению рентгеновской оптики в медицинскую рентгеновскую визуализацию . Так , например, одно из приложений , показывающих более широких перспектив в повышении как контраста и разрешения на маммографию изображений, по сравнению с обычными Антирассеивающими сетками . [16]Другое применение - оптимизация распределения энергии рентгеновского луча для улучшения отношения контраст / шум по сравнению с традиционной фильтрацией энергии. [17]

Зеркала для рентгеновской оптики [ править ]

Зеркала могут быть изготовлены из стекла, керамики или металлической фольги, покрытой отражающим слоем. [1] Наиболее часто используемыми отражающими материалами для рентгеновских зеркал являются золото и иридий . Даже с этим критический угол отражения зависит от энергии. Для золота при 1 кэВ критический угол отражения составляет 2,4 градуса. [18]

Одновременное использование рентгеновских зеркал требует:

  • возможность определения места прибытия рентгеновского фотона в двух измерениях
  • разумная эффективность обнаружения.

Многослойные рентгеновские лучи [ править ]

Ни один материал не имеет существенного отражения рентгеновских лучей, за исключением очень малых углов скольжения. Многослойные слои увеличивают небольшую отражательную способность от одной границы за счет добавления небольших отраженных амплитуд от многих границ когерентно синфазно. Например, если одна граница имеет коэффициент отражения R = 10-4 (амплитуда r = 10-2), добавление 100 амплитуд от 100 границ может дать коэффициент отражения R, близкий к единице. Период Λ многослойного материала, который обеспечивает синфазное сложение, представляет собой период стоячей волны, создаваемой входным и выходным лучом, Λ = λ / 2 sin θ, где λ - длина волны, а 2θ - половина угла между двумя лучами. Для θ = 90 ° или отражения при нормальном падении период мультислоя Λ = λ / 2. Самый короткий период, который можно использовать в мультислое, ограничен размером атомов примерно до 2 нм, что соответствует длинам волн выше 4 нм.Для более короткой длины волны необходимо использовать уменьшение угла падения θ в сторону большего скольжения.

Материалы для многослойных материалов выбираются так, чтобы обеспечить максимально возможное отражение на каждой границе и наименьшее поглощение или распространение через структуру. Обычно это достигается за счет использования легких материалов с низкой плотностью для разделительного слоя и более тяжелых материалов, обеспечивающих высокую контрастность. Поглощение в более тяжелом материале можно уменьшить, разместив его близко к узлам поля стоячей волны внутри конструкции. Хорошими прокладочными материалами с низкой абсорбцией являются Be, C, B, B4 C и Si. W, Rh, Ru и Mo - некоторые примеры более тяжелых материалов с хорошим контрастом.

Приложения включают:

  • оптика нормального и скользящего падения для телескопов от EUV до жесткого рентгеновского излучения.
  • микроскопы, силовые линии на синхротронах и установках ЛСЭ.
  • EUV-литография.

Mo / Si - это выбор материала, который используется для отражателей с почти нормальным падением для EUV-литографии.

Жесткие рентгеновские зеркала [ править ]

Рентгеновская зеркальная оптика для космического телескопа NuStar, работающая на энергию 79 кэВ, была изготовлена ​​с использованием многослойных покрытий, автоматизированного производства и других технологий. [19] В зеркалах используется многослойное покрытие из вольфрама (W) / кремния (Si) или платины (Pt) / карбида кремния (SiC) на осевшем стекле, что позволяет использовать телескоп Вольтера. [19]

См. Также [ править ]

  • Киркпатрик-Баез зеркало
  • Рентгеновский телескоп
  • Телескоп Вольтера , тип рентгеновского телескопа, построенного со скользящими зеркалами падения
  • XMM-Newton и рентгеновская обсерватория Чандра , орбитальные обсерватории с использованием рентгеновской оптики
  • Рентгеновская спектроскопия , Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия , Рентгеновская кристаллография.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Спиллер, Э. (2003). «Рентгеновская оптика». Энциклопедия оптической инженерии . Тейлор и Фрэнсис. Bibcode : 2003eoe..book ..... D . DOI : 10.1081 / E-EOE-120009497 (неактивный 2021-01-19).CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)
  2. ^ Макдональд, Кэролайн А. (2010). «Фокусирующая поликапиллярная оптика и их приложения» . Рентгеновская оптика и приборы . 2010 : 1–17. Bibcode : 2010XROI.2010E..11M . DOI : 10.1155 / 2010/867049 .
  3. ^ "Поликапиллярная фокусирующая оптика - Рентгеновские лучи" . XOS . Проверено 13 декабря 2016 .
  4. ^ "Зона пластины" . Буклет с рентгеновскими данными . Центр рентгеновской оптики и передовых источников света. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Проверено 13 января 2015 года .
  5. ↑ Снигирев, А. (1998). «Фокусировка рентгеновских лучей высоких энергий с помощью составных преломляющих линз». Прикладная оптика . 37 (4): 653–62. Bibcode : 1998ApOpt..37..653S . DOI : 10,1364 / AO.37.000653 . PMID 18268637 . 
  6. ^ "Составная рефракционная рентгеновская оптика (CRL)" . X-ray-Optics.de . Проверено 14 декабря 2016 .
  7. ^ а б Роб Петре. «Системы рентгеновской визуализации» . НАСА.
  8. ^ Bradt, Hale (2007). Методы астрономии . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 106. ISBN 978-0-521-53551-9.
  9. ^ Вольтер, H. (1952). «Системы скользящих зеркал в качестве оптики для рентгеновских лучей». Annalen der Physik . 10 (1): 94. Bibcode : 1952AnP ... 445 ... 94W . DOI : 10.1002 / andp.19524450108 .
  10. ^ Вольтер, H. (1952). "Verallgemeinerte Schwarzschildsche Spiegelsysteme streifender Reflexion als Optiken für Röntgenstrahlen". Annalen der Physik . 10 (4–5): 286–295. Bibcode : 1952AnP ... 445..286W . DOI : 10.1002 / andp.19524450410 .
  11. ^ Пикуз, ТА; Фаенов, А.Я .; Fraenkel, M .; Зиглер, А .; Flora, F .; Bollanti, S .; Di Lazzaro, P .; Letardi, T .; Grilli, A .; Палладино, Л .; Tomassetti, G .; Reale, A .; Reale, L .; Scafati, A .; Limongi, T .; Bonfigli, F .; Alainelli, L .; Санчес дель Рио, М. (2000). Использование сферически изогнутых кристаллов для получения монохроматического рентгеновского изображения с высоким разрешением и большим полем с задней подсветкой для широкого диапазона углов Брэгга . 27-я Международная конференция IEEE по науке о плазме. п. 183. DOI : 10,1109 / PLASMA.2000.854969 .
  12. ^ Кумахов, MA (1990). «Каналирование фотонов и новая рентгеновская оптика». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел B . 48 (1–4): 283–286. Bibcode : 1990NIMPB..48..283K . DOI : 10.1016 / 0168-583X (90) 90123-C .
  13. ^ Дабагов, SB (2003). «Каналирование нейтральных частиц в микро- и нанокапиллярах» . Успехи физ . 46 (10): 1053–1075. Bibcode : 2003PhyU ... 46.1053D . DOI : 10.1070 / PU2003v046n10ABEH001639 . S2CID 115277219 . 
  14. ^ Введение в рентгеновскую оптику
  15. ^ Поликапиллярная оптика
  16. ^ Фреденберг, Эрик; Седерстрём, Бьёрн; Ослунд, Магнус; Ниллий, Питер; Даниэльссон, Матс (27 января 2009 г.). «Эффективный преобъектный коллиматор на основе рентгеновской линзы» . Медицинская физика . 36 (2): 626–633. arXiv : 2101.07788 . Bibcode : 2009MedPh..36..626F . DOI : 10.1118 / 1.3062926 . PMID 19292003 . S2CID 44470446 .  
  17. ^ Фреденберг, Эрик; Седерстрём, Бьёрн; Ниллий, Питер; Реббинг, Каролина; Карлссон, Стаффан; Даниэльссон, Матс (2009). «Фильтр рентгеновского излучения с низким поглощением для небольших приложений» . Оптика Экспресс . 17 (14): 11388–11398. Bibcode : 2009OExpr..1711388F . DOI : 10,1364 / OE.17.011388 . PMID 19582053 . 
  18. ^ «Взаимодействие рентгеновских лучей CXRO с материей» . henke.lbl.gov . Проверено 19 февраля 2016 .
  19. ^ a b NuStar: Instrumentation: Optics Архивировано 1 ноября 2010 г. в Wayback Machine.

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с рентгеновской оптикой, на Викискладе?
  • Арндт Ласт. «Рентгеновская оптика» . Дата обращения 19 ноября 2019 .