Рентгеновская оптика

История[править]

С момента открытия рентгеновского излучения (приписывается Вильгельму Конраду Рентгену, которое было впервые им опубликовано в статье о рентгеновских лучах — икс-лучи (x-ray) под названием «О новом типе лучей») 28-го декабря года рентгеновское излучение занимает важное место в широком спектре электромагнитных волн энергия фотонов которых определяется диапазоном энергией от ультрафиолетовых до гамма-излученией, что соответствует интервалу длин волн от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8м).

С начала освоения Х-излучения использовались:

• Теневая микроскопия;
• Фотоэлектронная микроскопия;
• Исследования явлений дифракции на кристаллах.

В рентгеновской оптике, после открытия явлений дифракций Х-лучей на кристаллах, результатов по изучению отражения скольжения Х-лучей от зеркальных поверхностей, вскрывших электромагнитную природу этих лучей, начались исследования в напрвлении создания рентгеновских оптических систем анологичных обычным оптическим системам.

Рентгеновское излучение до 1970 годов применялось для исследований атомно-кристаллической структкры и свойств кристаллов и нашло применение в медицине, где основными элементами рентгеновской оптики были коллиматоры и монохроматоры. В наиболее узких направлениях — были отражающие профилированные зеркала и кристаллы с определённым прфилем (изогнутые кристаллы). Благодаря применению вышеперечисленных средств рентгеновской оптики стало возможным исследовать и рассматривать наноструктуры с разрешением оптических систем в 5—10нанометров (например, Ближнепольный оптический микроскоп).

В настоящее время применяются источники систем синхронного излучения (СИ) третьего и четвёртого поколений, обладающие большим диапазоном ваккумного ультрафиолета при энергиях квантов приблизительно в 100эВ и выше, близкие к области γ — излучения радиоактивных ядер при энергтях 100кэВ, что становиться уже более доступным исследовать, увидеть радиоактивные ядра. Исследования при таком наборе оптических средств рентгеновской микроскопии в различных направлениях стали возможными благодаря созданию более мощных источников СИ и применению новых фокусирующих элементов (рентгеновских оптических преломляющих линз), способные обеспечить достаточное трёхмерное разрешение 3D при формировании рентгеновских пучков и создание рентгеновских изображений (например, Лазерный рентгеновский микроскоп).

Рентгеновские методы

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, последовательно соединенных с их числом для компенсации мельчайшего показателя преломления, брэгговское отражение от плоскости кристалла в плоской плоскости. или изогнутые кристаллы .

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.

История

Рентгеновская оптика берёт своё начало с открытия в 1895 году Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном рентгеновского излучения.
После открытия началось исследование оптических свойств волн в диапазоне рентгеновского излучения, что привело к его практическому применению в медицине и технике.
В 1901 году, за своё открытие, Рентген получил первую Нобелевскую премию.
В 1912 году Макс Лауэ, Вальтер Фридрих, Пауль Книппинг определили волновую природу рентгеновского излучения. При взаимоднйствии рентгеновских лучей с кристаллами была зафиксирована интерференционная картина. За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах Лауэ в 1914 году была присуждена Нобелевская премия.
В это же время Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоренс Брэгг работали в университете города Лидса и в 1913 году, занимаясь исследованием взаимодействия рентгеновских лучей с веществом, установили закон, названный в их честь.
В результате появился новый метод исследования атомной структуры вещества — рентгеноструктурный анализ.

2dsin⁡θ=nλ{\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda },

где θ{\displaystyle \theta } — угол скольжения — дополнительный угол к углу падения, λ — длина волны, n (n = 1,2…) — целое число называемое порядком дифракции.

В 1915 году отец и сын Брэгги получили Нобелевскую премию по физике за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей.

Георгий Вульф, независимо от Брэггов, в 1913 году пришёл к тому же выводу, поэтому закон дифракции Брэга также называется условием Вульфа — Брэгга.

Вмешательство

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 точно такой же 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).

Зеркала для рентгеновской оптики

Зеркала могут быть изготовлены из стекла, керамики или металлической фольги, покрытой отражающим слоем. Наиболее часто используемые отражающие материалы для рентгеновских зеркал — золото и иридий . Даже с этим критический угол отражения зависит от энергии. Для золота при 1 кэВ критический угол отражения составляет 2,4 градуса.

Одновременное использование рентгеновских зеркал требует:

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

Многослойные рентгеновские снимки

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 sinθ, 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 следует 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

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

Рентгеновская оптика преломления[править]

Основная статья: Рентгеновская оптика преломления

Линза из кремния для преломления Х-лучей

Создание рентгеновских оптических усройств базируется на принципах явлений дифракции c использованием взаимодействия электромагнитной волны в диапазоне Х-излучения с веществом. Это определяет вид или тип фокусирующих оптических систем.

Вид фокусирующих оптических систем:

• оптика отражения,
• дифракционная оптика,
• рентгеновская оптика преломления,
• рентгеновсеие волноводы.

Основное большинство (оптика отражения, дифракционная оптика, рентгеновсеие волноводы) можно отнести к обычным традиционным оптическим система, применяемых в диапазоне видимого спектра света и имеющих аналогичный принцип действия с элементами зеркальной оптики, зонных пластинок Френеля, волноводов а также элементов, преломляюших рентгеновские лучи.

К нетрадиционным устройсвам рентгеновской оптики следует отнести устройства, к которым относятся элементы брэгг-френелевской оптики. Здесь явление брегговской дифракции на кристаллической структуре сочетается с дифракцией на специально созданой структуре зон Френеля. При этом имеет место эффект угловой дисперсии коэффициента преломления, что определяет эффект преломления лучей, т.е фокусировку излучения на плоскопараллельном кристалле.

Особый интерес вызывают нетрадиционные устройства на базе оптических элементов мультипликативной киноформной оптики. (В области видимого спектра света она малоэффективна и находит узкое приенение). В диапазоне X-излучения в последнее время созданы элементы преломления рентгеновсих лучей, которые находят своё дальнейшее изучение и применение. Рентгеновская оптика преломления получила своё развитие благодаря трудам российских учёных.

История рентгеновских телескопов

Первый рентгеновский телескоп, использующий оптику скользящего падения Wolter Type I, был использован в эксперименте с ракетой 15 октября 1963 года, 16:05 UT в Уайт-Сэндс, штат Нью-Мексико, с использованием системы управления наведением Ball Brothers Corporation на ракете Aerobee 150 для получения X- лучевые изображения Солнца в области 8–20 ангстрем. Второй полет был в 1965 году на той же стартовой позиции (Р. Джаккони и др., ApJ 142 , 1274 (1965)).

Эйнштейн обсерватория (1978-1981 лет), также известная как HEAO-2, была первым орбитальная рентгеновской обсерваторией с помощью телескопа Вольтера I типа (Р. Джаккони и др., APJ 230 , 540 (1979)). Получены рентгеновские изображения с высоким разрешением в диапазоне энергий от 0,1 до 4 кэВ звезд всех типов, остатков сверхновых, галактик и скоплений галактик. HEAO-1 (1977–1979) и
HEAO-3 (1979–1981) были другими в этой серии. Другим крупным проектом был РОСАТ (действовал с 1990 по 1999 год), космическая обсерватория с тяжелым рентгеновским излучением и фокусирующей рентгеновской оптикой.

Chandra X-Ray Observatory является одним из последних спутниковых обсерваторий , запущенных НАСА и космические агентства Европы, Японии и России. Chandra работает более 10 лет на высокой эллиптической орбите, получая тысячи изображений 0,5 угловой секунды и спектры высокого разрешения всех видов астрономических объектов в диапазоне энергий от 0,5 до 8,0 кэВ. Многие захватывающие изображения с Чандры можно увидеть на веб-сайте NASA / Goddard.

NuStar — один из новейших рентгеновских космических телескопов, запущенных в июне 2012 года. Телескоп наблюдает излучение в диапазоне высоких энергий (3–79 кэВ) и с высоким разрешением. NuStar чувствителен к сигналам 68 и 78 кэВ от распада 44 Ti в сверхновых.

Гравитация и экстремальный магнетизм (GEMS) должны были измерять поляризацию рентгеновских лучей, но в 2012 году она была отменена.

Литература

1. Пинскер З. Г. Рентгеновская кристаллооптика. М.: Наука, 1982.
2. Высоцкий В. И., Воронцов В. И., Кузьмин Р. Н. и др. Опыт Саньяка на рентгеновском излучении // Успехи физ. наук. 1994. Т. 164, № 3. С. 309—324.
3. Бушуев В. А., Кузьмин Р. Н. Вторичные процессы в рентгеновской оптике. М.: Изд-во МГУ, 1990.
4. Ingal V. N., Beliaevskaya E. A. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1995. Vol. 28. P. 2314.
5. Duax W. L. Holograhy with X-rays // Intern. Union Crystallography // Newsletter. 1996. Vol. 4, № 2. P. 3.
6. Элтон Р. Рентгеновские лазеры / Пер. с англ. под ред. А. В. Виноградова. М.: Мир, 1994.
7. Шмаль Г., Рудольф Д. Рентгеновская оптика и микроскопия: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 463 с.

Принципы работы[править | править код]

Главная задача рентгеновской оптики — фокусировка рентгеновских лучей. Поэтому важнейшими характеристиками оптических систем является фокусное расстояние и ширина выходного пучка. Существует несколько типов оптических систем зависящих от принципа работы.

Отражательная рентгеновская оптикаправить | править код

Схема рентгеновского телескопа рентгеновской обсерватории космического аппарата XMM-Newton. Угол падения лучей очень близок к 90°.

Рентгеновское зеркалоправить | править код

Основная статья: Рентгеновское зеркало

Отражение электромагнитных волн от границы раздела двух сред описывается в оптике формулами Френеля. При падении рентгеновских лучей на зеркало при углах падения близких к нормальному коэффициент отражения оказывается слишком мал, то есть рентгеновские лучи практически не отражаются, а только поглощаются зеркалом или проходят сквозь него. Поэтому такие зеркала в рентгеновской оптике не используются. При увеличении угла падения коэффициент отражения растёт, что делает возможным использование зеркал «косого» падения (луч в них скользит вдоль поверхности зеркала), применяемых в рентгеновской астрономии (см. телескоп Вольтера).

Капиллярная оптикаправить | править код

Принцип работы капиллярного рентгеновского коллиматора

Многокапиллярная трубка для фокусировки рентгеновских лучей

Принцип работы рентгеновского коллиматора — пропускание потока рентгеновских лучей через поглощающее вещество со многими параллельными отверстиями — капиллярами.

Другое капиллярное устройство — фокусирующая капиллярная трубка, представляющее собой полую коническую трубку со сходящимися капиллярами. Вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, поэтому, если луч падает на гладкую поверхность капилляра под углом меньше некоторого критического, то он испытывает полное отражение. Этот принцип фокусировки реализован в оптике Кумахова.

Дифракционная оптикаправить | править код

Зонные пластинкиправить | править код

Основная статья: Зонная пластинка Френеля

Зонная пластинка Френеля также может использоваться для фокусировки рентгеновских лучей. Принцип её фокусировки основан на делении волнового фронта на волновые зоны таким образом, что излучение соседних зоны оказываются в фазе. Например, если закрыть (затемнить) все чётные волновые зоны, то оставшиеся открытыми нечётные зоны будут будут излучать dnjhbxtsr t волновые фронты в одной фазе. В результате интерференции интенсивность в фокусе будет многократно увеличена. Впервые рентгеновские зонные пластинки получены в 1988 году в Lawrence Livermore National Laboratory.

Брэгг-френелевская оптикаправить | править код

Основная статья: Брэгг-френелевская оптика

Ширина зон во френелевской пластинке зависит от длины волны излучения, поэтому чем оно более монохроматично, тем лучше фокусирует пластинка. Поэтому зонную пластинку напыляют на монокристалл и монохроматичность излучения обеспечивается дифракцией Брэгга на кристаллических плоскостях.

Рентгеновская оптика преломленияправить | править код

Составная преломляющая линза

Основная статья: Составная преломляющая линза

В рентгеновском диапазоне практически все материалы имеют показатель преломления, близкий к единице, причём вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, чем вещество, поэтому фокусирующие линзы должны быть выполнены в виде пустот в материале. Кроме того, отдельная линза имела бы чрезвычайно большое фокусное расстояние, что делает её непригодной для применения.

Проблема укорочения фокусного расстояния решается созданием в определённом материале, прозрачном для рентгеновских лучей пустот определённого размера и формы, которые ведут себя как стопка линз, а также, путём создания отдельных параболических линз, набор из которых имеет достаточно короткое фокусное расстояние. Такие устройства в англоязычной литературе получили название Compound refractive lens (составные преломляющие линзы).

Рентгеновские волноводыправить | править код

Такие устройства являются аналогом устройств, используемых в обычной оптике. Излучение транспортируется по изогнутым волноводам и собирается в точку.

• Коллиматоры
• Кодирующая апертура

Оптика

Наиболее распространенными методами, используемыми в рентгеновской оптике, являются зеркала скользящего падения и коллимированные отверстия .

Фокусирующие зеркала

NuSTAR запечатлела эти первые сфокусированные изображения сверхмассивной черной дыры в сердце нашей галактики в высокоэнергетическом рентгеновском свете.

Использование рентгеновских зеркал позволяет сфокусировать падающее излучение в плоскости детектора. Различные геометрические формы (например , Kirkpartick-Baez или Лобстер-глаз) были предложены или использованы, но почти вся совокупность существующих телескопов используют некоторое изменение конструкции Вольтера I . Ограничения этого типа рентгеновской оптики приводят к гораздо более узким полям обзора (обычно <1 градуса), чем у видимых или ультрафиолетовых телескопов.

Что касается коллимированной оптики, фокусирующая оптика позволяет:

• изображение с высоким разрешением
• высокая чувствительность телескопа: поскольку излучение фокусируется на небольшой площади, отношение сигнал / шум для этого типа инструментов намного выше.

Фокусировка рентгеновских лучей со скользящим отражением

Зеркала могут быть изготовлены из керамики или металлической фольги, покрытой тонким слоем отражающего материала (обычно золота или иридия ). Зеркала на основе этой конструкции работают на основе полного отражения света при скользящем падении.

Энергетический диапазон этой технологии ограничен обратной зависимостью между критическим углом полного отражения и энергией излучения. Предел в начале 2000 — х с Chandra и XMM-Newton рентгеновской обсерватории было около 15 кило- электронвольт (кэВ) света. Используя новые зеркала с многослойным покрытием, рентгеновское зеркало телескопа NuSTAR увеличило этот свет до 79 кэВ. Чтобы отразить на этом уровне, стеклянные слои были покрыты несколькими слоями вольфрама (W) / кремния (Si) или платины (Pt) / карбида кремния (SiC).

Коллимирующая оптика

В то время как в более ранних рентгеновских телескопах использовались простые методы коллимации (например, вращающиеся коллиматоры, проволочные коллиматоры), в технологии, наиболее широко используемой в настоящее время, используются маски с кодированной апертурой. В этом методе используется плоская решетка с рисунком апертуры перед детектором. Эта конструкция менее чувствительна, чем фокусирующая оптика, и качество изображения и идентификация положения источника намного хуже, однако она предлагает большее поле зрения и может использоваться при более высоких энергиях, когда оптика скользящего падения становится неэффективной. Кроме того, изображение не является прямым, а изображение скорее реконструируется путем постобработки сигнала.

Отражение

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. Поскольку падающие рентгеновские лучи должны попадать на наклонную поверхность зеркала, площадь сбора мала. Однако его можно увеличить путем вложения зеркал друг в друга.

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, аналогично эффекту Фабри-Перо . Эти колебания можно использовать для определения толщины слоя и других свойств.

Области применения[править]

Макет телескопа XMM-Ньютона

В наиболее коротковолновой части диапазона 0,01-0,02 нм рентгеновские зеркала позволяют фокусировать излучение синхротронов или рентгеновских трубок на исследуемые объекты или формировать параллельные пучки. В частности, их применение увеличивает эффективность рентгеновских трубок в 30-100 раз, что делает возможным заменить синхротронное излучение в ряде биологических, структурных и материаловедческих исследований. Приблизительно в этом же диапазоне лежит излучение высокотемпературной плазмы (лазерной и ТОКАМАКов). Здесь зеркала нашли применение как дисперсионные элементы для спектральных исследований.

В диапазоне 0,6-6 нм лежит характеристическое излучение легких элементов (бора, фосфор). Здесь рентгеновские зеркала также используются для исследования спектров в приборах элементного анализа материалов.

Широкое применение роентгеновские зеркала находя в телескопах.
Рентгеновская многослойная оптика широко применяется для формирования фильтрации и управления поляризацией в синхротронных источниках. В области 10-60 нм лежат линии излучения солнечной плазмы. Объективы космических телескопов из рентгеновских зеркал и сейчас находятся на орбите и регулярно передают на Землю изображение Солнца на линиях Fe IX-Fe XI (17,5 нм) и Не II (30,4 нм).

Дифракция

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 рассеивается 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, отклоняется 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 не дифрагируют от ядер атомов, а только от окружающих их электронов.