Рентгеновская оптика - X-ray optics

Рентгеновская оптика это филиал оптика что манипулирует Рентгеновские лучи вместо видимый свет. 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 Т. Д.

Поскольку и рентгеновские лучи, и видимый свет являются электромагнитные волны они распространяются в космосе таким же образом, но из-за гораздо более высокой частота и фотон Энергия рентгеновских лучей очень по-разному взаимодействует с веществом. Видимый свет легко перенаправляется с помощью линзы и зеркала, а потому что реальная часть комплексный показатель преломления всех материалов очень близок к 1 для рентгеновских лучей,[1] вместо этого они имеют тенденцию первоначально проникать и в конечном итоге впитываются в большинство материалов, не сильно меняя направление.

Рентгеновские методы

Существует множество различных методов перенаправления рентгеновских лучей, большинство из которых меняют направление только на ничтожные углы. Чаще всего используется принцип отражение в заболеваемость выпасом углы, либо используя полное внешнее отражение под очень маленькими углами или многослойные покрытия. Другие используемые принципы включают: дифракция и вмешательство в виде зонные пластины, преломление в сложные преломляющие линзы которые используют множество небольших рентгеновских линз последовательно, чтобы компенсировать их количество за мельчайший показатель преломления, Отражение Брэгга от плоскости кристалла в плоском или изогнутом состоянии кристаллы.

Рентгеновские лучи часто коллимированный или уменьшенные в размерах с помощью точечных отверстий или подвижных щелей, обычно сделанных из вольфрама или других материалов с высокойZ материал. Узкие части рентгеновского снимка спектр можно выбрать с помощью монохроматоры на основе одного или нескольких брэгговских отражений от кристаллов. Спектрами рентгеновских лучей также можно управлять, если рентгеновские лучи проходят через фильтр (оптика). Это обычно уменьшает низкоэнергетическую часть спектра и, возможно, части выше края поглощения из элементы используется для фильтра.

Фокусирующая оптика

Аналитические рентгеновские методы, такие как рентгеновская кристаллография, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей, широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей, Рентгеновская флуоресценция, Рентгеновская спектроскопия и Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия все получают выгоду от высокой плотности потока рентгеновского излучения на исследуемых образцах. Это достигается за счет фокусировки расходящегося пучка от Источник рентгеновского излучения на образец с помощью одного из фокусирующих оптических компонентов. Это также полезно для сканирующий зонд такие методы, как сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия и сканирующая рентгенофлуоресцентная визуализация.

Поликапиллярная оптика

Поликапиллярная линза для фокусировки рентгеновских лучей

Поликапиллярные линзы представляют собой наборы небольших полых стеклянных трубок, которые направляют рентгеновские лучи с множеством полное внешнее отражение на внутренней стороне трубок.[2]Матрица 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 30кэВ и может достичь увеличения потока от 100 до 10000 по сравнению с использованием точечное отверстие 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 пластины

Основная статья: Зональная пластина

Зональные пластины состоят из подложки с концентрическими зонами из фазосдвигающего или поглощающего материала, причем зоны сужаются по мере увеличения их радиуса. Ширина зоны рассчитана таким образом, чтобы проходящая волна конструктивное вмешательство в одной точке, дающей фокус.[4] Зональные пластины можно использовать как конденсаторы для сбора света, а также для прямой визуализации полного поля, например, рентгеновский микроскоп. Зональные пластины очень хроматический и обычно предназначены только для узкого энергетического диапазона, поэтому необходимо иметь монохромный Рентгеновские снимки для эффективного сбора и получения изображений с высоким разрешением.

Составные преломляющие линзы

Основная статья: Составная рефракционная линза

Поскольку показатели преломления на длинах волн рентгеновского излучения настолько близки к 1, фокусные расстояния нормального линзы получить непрактично долго. Чтобы преодолеть эти линзы с очень маленькими радиусы кривизны используются, и их укладывают длинными рядами так, чтобы комбинированные фокусирующая сила становится заметным.[5] Поскольку показатель преломления рентгеновских лучей меньше 1, эти линзы должны быть вогнутый для достижения фокусировки, в отличие от линз видимого света, которые выпуклый для эффекта фокусировки. Радиусы кривизны обычно меньше миллиметра, поэтому полезная ширина рентгеновского луча составляет не более 1 мм.[6] Чтобы уменьшить поглощение рентгеновских лучей в этих стопках, материалы с очень низким атомным номером, такие как бериллий или же литий обычно используются. Поскольку показатель преломления сильно зависит от длины волны рентгеновского излучения, эти линзы имеют высокую хроматический и изменение фокусного расстояния в зависимости от длины волны необходимо учитывать для любого приложения.

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 отражать луч Рентгеновские лучи от поверхности и для измерения интенсивности 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 падающие 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 падающей интенсивности равно Рентгеновская отражательная способность для поверхности. Если граница раздела не является идеально четкой и гладкой, отраженная интенсивность будет отклоняться от предсказанной Закон 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 Эффект Фабри-Перо. Эти колебания можно использовать для определения толщины слоя и других свойств.

Дифракция

Симметрично расположенные атомы заставляют повторно излученные рентгеновские лучи усиливать друг друга в определенных направлениях, где их длина пути различается, 2dгрехθ, равно целому числу, кратному длине волныλ

При дифракции рентгеновских лучей луч падает на кристалл и дифракция во многих конкретных направлениях. Углы и интенсивности дифрагированных лучей указывают на трехмерную плотность электроны внутри кристалла. Рентгеновские лучи создают дифракционную картину, потому что их длина волны обычно то же самое порядок величины (0,1-10,0 нм) как 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 разделением d, эти сферические волны будут синхронизироваться (конструктивно сложить) только в направлениях, где разница их длины пути 2dгрехθ равен целому числу, кратному длине волны λ. Таким образом, входящий луч, похоже, был отклонен на угол 2θ, создавая отражение место в дифракционная картина.

Рентгеновская дифракция - это форма упругое рассеяние 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 к более высокому уровень энергии. Такое неупругое рассеяние снижает энергию (или увеличивает длину волны) выходящего луча. Неупругое рассеяние полезно для исследования таких электронное возбуждение, но не в определении распределения атомов внутри кристалла.

Более длинноволновые фотоны (например, ультрафиолетовый радиация ) не будет иметь достаточного разрешения для определения положения атомов. С другой стороны, фотоны с более короткой длиной волны, такие как гамма излучение их трудно производить в больших количествах, их трудно сфокусировать, и они слишком сильно взаимодействуют с материей, производя пары частица-античастица.

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

Вмешательство

рентгеновский снимок вмешательство сложение (суперпозиция ) двух или более рентгеновских волны что приводит к новой волновой структуре. Рентгеновская интерференция обычно относится к взаимодействию коррелированных или последовательный друг с другом, либо потому, что они происходят из одного источника, либо потому, что у них одинаковые или почти одинаковые частота.

Два не-монохромный Рентгеновские волны только полностью последовательный друг с другом, если они оба имеют одинаковый диапазон длины волн и то же самое фаза различия 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, являются ли рентгеновские волны, достигающие точки, в фазе (конструктивное вмешательство) или не в фазе (деструктивная интерференция).

Технологии

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

Большинство рентгеновских оптических элементов (за исключением зеркал скользящего падения) очень малы и должны быть разработаны для конкретных условий. угол падения и энергии, тем самым ограничивая их применение в расходящихся радиация. Хотя технология быстро развивается, ее практическое использование за пределами исследований все еще ограничено. Тем не менее, прилагаются усилия по внедрению рентгеновской оптики в медицину. Рентгеновское изображение. Например, одно из наиболее перспективных приложений заключается в улучшении как контраст и разрешающая способность из маммографический изображения по сравнению с обычными антирассеивающие сетки.[16] Другое применение - оптимизация распределения энергии рентгеновского луча для улучшения отношение контрастности к шуму по сравнению с обычной энергетической фильтрацией.[17]

Зеркала для рентгеновской оптики

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 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 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, лучевые 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 NuStar Космический телескоп, работающий на 79 кэВ, был изготовлен с использованием многослойных покрытий, компьютерного 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 Wolter.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Спиллер, Э. (2003). «Рентгеновская оптика». Энциклопедия оптической инженерии. Тейлор и Фрэнсис. Bibcode:2003eoe..book ..... D. Дои:10.1081 / E-EOE-120009497 (неактивно 09.09.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2020 г. (связь)
  2. ^ Макдональд, Кэролайн А. (2010). «Фокусирующая поликапиллярная оптика и их применение». Рентгеновская оптика и приборы. 2010: 1–17. Bibcode:2010XROI.2010E..11M. Дои:10.1155/2010/867049.
  3. ^ «Поликапиллярная фокусирующая оптика - рентген». XOS. Получено 2016-12-13.
  4. ^ "Зональные пластины". Буклет с рентгеновскими данными. Центр рентгеновской оптики и передовых источников света. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Получено 13 января 2015.
  5. ^ Снигирев, А. (1998). «Фокусировка рентгеновских лучей высоких энергий с помощью составных преломляющих линз». Прикладная оптика. 37 (4): 653–62. Bibcode:1998ApOpt..37..653S. Дои:10.1364 / AO.37.000653. PMID  18268637.
  6. ^ «Составная рефракционная рентгеновская оптика (ХРЛ)». X-ray-Optics.de. Получено 2016-12-14.
  7. ^ а б Роб Петре. «Системы рентгеновской визуализации». НАСА.
  8. ^ Брэдт, Хейл (2007). Методы астрономии. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 106. ISBN  978-0-521-53551-9.
  9. ^ Уолтер, Х. (1952). «Системы скользящих зеркал в качестве оптики для рентгеновских лучей». Annalen der Physik. 10 (1): 94. Bibcode:1952AnP ... 445 ... 94 Вт. Дои:10.1002 / иp.19524450108.
  10. ^ Уолтер, Х. (1952). "Verallgemeinerte Schwarzschildsche Spiegelsysteme streifender Reflexion als Optiken für Röntgenstrahlen". Annalen der Physik. 10 (4–5): 286–295. Bibcode:1952АнП ... 445..286Вт. Дои:10.1002 / иp.19524450410.
  11. ^ Pikuz, T.A .; 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. Дои:10.1109 / PLASMA.2000.854969.
  12. ^ Кумахов, М.А. (1990). «Каналирование фотонов и новая рентгеновская оптика». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 48 (1–4): 283–286. Bibcode:1990НИМПБ..48..283К. Дои:10.1016 / 0168-583X (90) 90123-C.
  13. ^ Дабагов, С.Б. (2003). «Каналирование нейтральных частиц в микро- и нанокапиллярах». Успехи физики. 46 (10): 1053–1075. Bibcode:2003PhyU ... 46.1053D. Дои: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. Bibcode:2009МедФ..36..626Ф. Дои:10.1118/1.3062926. PMID  19292003.
  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. Дои:10.1364 / OE.17.011388. PMID  19582053.
  18. ^ «Взаимодействие рентгеновских лучей CXRO с веществом». henke.lbl.gov. Получено 2016-02-19.
  19. ^ а б NuStar: Приборы: Оптика В архиве 1 ноября 2010 г. Wayback Machine

внешняя ссылка