Кіріспе
Рентгендік оптика – көзге көрінетін жарық емес, рентген сәулелерін қолданатын оптика саласы. Ол рентген сәулелерін фокустау және рентгендік дифракция, рентгендік кристаллография, рентгендік флуоресценция, кішкентай бұрышты рентгендік шашырау, рентгендік микроскопия, рентгендік фазалық контрастты бейнелеу және рентгендік астрономия сияқты зерттеу техникаларын пайдалану үшін оларды басқарудың басқа да тәсілдерімен айналысады. Рентген сәулелері мен көзге көрінетін жарық екеуі де электромагниттік толқындар болғандықтан, олар кеңістікте бірдей таралады, бірақ рентген сәулелерінің әлдеқайда жоғары жиілігі мен фотон энергиясының салдарынан олар заттармен өте әртүрлі әрекеттеседі. Көрінетін жарықты линзалар мен айналар арқылы оңай бағыттауға болады, бірақ барлық материалдардың кешенді сындыру көрсеткішінің нақты бөлігі рентген сәулелері үшін 1-ге өте жақын болғандықтан, олар көптеген материалдарға еніп, бағытын көп өзгертпей сіңіріледі.
Рентгендік техника
Рентген сәулелерін бағытын өзгерту үшін көптеген әдістер қолданылады, олардың көпшілігі бағытты өте шағын бұрыштармен өзгертеді. Көбінесе қолданылатын принцип – шеткі бұрыштарда шағылысу, яғни өте кішкентай бұрыштарда толық сыртқы шағылысу немесе көп қабатты жабындарды пайдалану. Басқа принциптерге дифракция және интерференция (зоналық пластиналар түрінде), құрама рефракциялық линзалардағы рефракция (көптеген кішкентай рентген линзаларын тізбектей пайдаланып, олардың саны арқылы рефракцияның шағын индексін толықтыру) және жазық немесе иілген кристалдардағы кристалл жазықтығынан Брэгг шағылысы жатады. Рентген сәулелерін вольфрамнан немесе басқа жоғары Z материалынан жасалған кішкентай тесіктер немесе жылжымалы жарықтар арқылы жинақтауға немесе мөлшерін кішірейтуге болады. Кристаллдардың бір немесе бірнеше Брэгг шағылысына негізделген монохроматорлар арқылы рентген сәулелері спектрінің тар бөліктерін таңдауға болады. Рентген сәулелері спектрін өзгерту үшін сәулелерді сүзгі арқылы (оптикалық құрал) өткізуге болады. Бұл әдетте спектрдің төмен энергиялық бөлігін, сондай-ақ сүзгіге қолданылған элементтердің сіңіру шегінен жоғары бөліктерін азайтады.
Фокусты оптика
Рентгендік талдау әдістері, мысалы рентгендік кристаллография, кішкентай бұрышты рентгендік шашырау, кең бұрышты рентгендік шашырау, рентгендік люминесценция, рентгендік спектроскопия және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия, зерттеліп жатқан үлгілерге жоғары рентгендік сәуле ағынының тығыздығымен тиімді жұмыс істейді. Бұл рентген сәуле көзінен шығатын шашыраған сәулені, түрлі фокустаушы оптикалық элементтердің бірін қолданып, үлгіге шоғырландыру арқылы қол жеткізіледі. Бұл сканерлі зондтық әдістер үшін де пайдалы, мысалы сканерлі өткізу рентгендік микроскопиясы және сканерлі рентгендік люминесценциялық бейнелеу.
Поликапиллярлы оптика
Поликапиллярлы линзалар – бұл рентген сәулелерін түтікшелердің ішкі бетінде көптеген толық сыртқы шағылыстар арқылы бағыттайтын кішкентай қуыс шыны түтіктердің жиынтығы. Жиынтықтың бір ұшы капиллярлардың рентген сәуле көзіне, екіншісі – сынамаға бағытталған етіп жасалады. Поликапиллярлы оптика ахроматикалық, сондықтан сканерлеуші флуоресценциялық бейнелеу және кең рентген спектрі қажет болатын басқа да қолданулар үшін қолайлы. Олар 0,1-ден 30 кВ-қа дейінгі фотон энергиялары үшін рентген сәулелерін тиімді жинап алады және рентген сәуле көзінен 100 мм қашықтықтағы тілік пайдаланумен салыстырғанда 100-ден 10000 есеге дейін ағынды арттыруға мүмкіндік береді. Капиллярларға өте тар бұрышпен кіретін рентген сәулелері ғана толық ішкі шағылысқа ұшырайтындықтан, оптика арқылы тек шағын нүктеден келетін сәулелер ғана өтеді. Поликапиллярлы оптика бір нүктеден екінші нүктеге бейнелей алмайды, сондықтан олар рентген сәулелерін жарықтандыру және жинау үшін қолданылады.
Аймақтық тақталар
Аймақтық пластиналар фазалық өзгерту немесе сіңіру қабатынан тұратын, концентрлі аймақтары бар негізден құралады, мұнда аймақтардың ені радиусы үлкендеген сайын тарылады. Аймақ ендері жіберілген толқынның бір нүктеде конструктивті интерференция тудырып, фокусқа жиналуын қамтамасыз етеді. Аймақтық пластиналарды жарықты жинауға арналған конденсор ретінде, сондай-ақ, мысалы, рентгендік микроскопта толық көріністі бейнелеу үшін қолдануға болады. Аймақтық пластиналар жоғары хроматикалыққа ие және әдетте тар энергия диапазоны үшін ғана жасалады, сондықтан тиімді жинау және жоғары ажыратымды бейнелеу үшін монохроматикалық рентген сәулелері қажет.
Қиындықты ажырататын құрамдас линзалар
Рентген толқындарының ұзындығындағы сындыру көрсеткіштері 1-ге өте жақын болғандықтан, әдеттегі линзалардың фокус аралық қашықтығы тым ұзын болып шығады. Бұл мәселені шешу үшін өте кішкентай қисықтық радиусы бар линзалар қолданылады және олар біріктірілген фокустау қуатын арттыру үшін ұзын қатарларға жинақталады. Рентген сәулелері үшін сындыру көрсеткіші 1-ден кем болғандықтан, осы линзалар фокустау үшін дөңгелек болуы керек, бұл көрінетін жарық линзаларынан өзгеше, олар фокустау үшін ойыс болады. Қисықтық радиусы әдетте миллиметрден аспайды, сондықтан пайдалы рентген сәулесінің ені шамамен 1 мм-ге жетеді. Бұл жиынтықтарда рентген сәулелерін сіңіруді азайту үшін бериллий немесе литий сияқты атомдық саны өте төмен материалдар жиі қолданылады. Нарықта басқа материалдардан жасалған линзалар да бар: сәулеленуге төзімді полимер (эпоксид негізінде) SU 8, никель және кремний. Сындыру көрсеткіші рентген толқынының ұзындығына күшті түрде тәуелді болғандықтан, бұл линзалар жоғары хроматикалық және кез келген қолданба үшін толқын ұзындығына байланысты фокус аралық қашықтықтың өзгеруін ескеру қажет.
Ойлану
Негізгі идея – рентген сәулесін бір беттен шағылыстырып, көпіршік бағытында шағылған рентген сәулелерінің қарқындылығын өлшеу (шағылыс бұрышы түсу бұрышына тең). Параболалық айнадан шағылысқаннан кейін гиперболалық айнадан шағылысу рентген сәулелерін шоғырландыратындығы көрсетілді. Шағылысқан қарқындылық пен түскен қарқындылық арақатынасы – бұл беттің рентген сәулесін шағылыстыру қасиеті. Егер интерфейс мүлдем өткір және тегіс болмаса, шағылысқан қарқындылық Френельдің шағылысу заңы бойынша күтілетіннен ауытқып кетеді. Бұл ауытқуларды талдау арқылы интерфейстің бетке перпендикуляр тығыздық профилін анықтауға болады. Көп қабатты пленкалар үшін рентген сәулесінің шағылысуы толқын ұзындығына байланысты Фабри-Перо эффексіне ұқсас тербелістерді көрсетуі мүмкін. Бұл тербелістер қабаттардың қалыңдығы және басқа да қасиеттерін анықтау үшін қолданылуы мүмкін.
Дифракция
Рентген сәулелерінің дифракциясында сәуле кристаллға соқтығысады және көптеген нақты бағыттарға дифракцияланады. Дифракцияланған сәулелердің бұрыштары мен қарқындылығы кристалл ішіндегі электрондардың үш өлшемді тығыздығын көрсетеді. Рентген сәулелері дифракциялық үлгі жасайды, өйткені олардың толқын ұзындығы, әдетте, кристалдағы атомдық жазықтықтар арасындағы арақашықтықпен бірдей шамаға ие (0,1–10,0 нм). Әрбір атом кіріс сәуленің бір бөлігін шар тәрізді толқын түрінде қайта сәулелендіреді. Егер атомдар симметриялы түрде (кристаллдағыдай) d арақашықтығымен орналасса, бұл сфералық толқындар тек олардың жол ұзындығы айырмасы 2d sin θ толқын ұзындығы λ-ның толық еселігіне тең болатын бағыттарда ғана бір фазада (құрылымдық түрде қосылады). Сондықтан кіріс сәуле 2θ бұрышымен ауытқырылғандай көрінеді, дифракциялық үлгіде шағылысу нүктесін тудырады. Рентген сәулелерінің дифракциясы – алға бағытталған серпімді шашыраудың бір түрі; шығатын рентген сәулелері кіріс рентген сәулелерімен бірдей энергияға және, демек, бірдей толқын ұзындығына ие, тек бағыты өзгеше. Керісінше, серпімсіз шашырау кіріс рентген сәулесінен энергияны ішкі қабықшадағы электронға беру арқылы, оны жоғары энергия деңгейіне көтеріп, пайда болады. Мұндай серпімсіз шашырау шығатын сәуленің энергиясын азайтады (немесе толқын ұзындығын арттырады). Серпімсіз шашырау мұндай электронның қоздырылуын зерттеу үшін пайдалы, бірақ кристалл ішіндегі атомдардың таралуын анықтау үшін емес. Ұзын толқынды фотондар (мысалы, ультракүлгін сәулелену) атомдық позицияларды анықтау үшін жеткілікті ажыратымдылыққа ие болмайды. Ал екінші жағынан, гамма сәулелері сияқты қысқа толқынды фотондарды көп мөлшерде өндіру қиын, оларды фокустау қиын, және олар затпен тым күшті өзара әрекеттеседі, бөлшек-антибөлшек жұптарын тудырады. Электрондарды немесе нейтрондарды шашырату арқылы да ұқсас дифракциялық үлгілер жасалуы мүмкін. Рентген сәулелері әдетте атом ядроларынан емес, тек оларды қоршаған электрондардан ғана дифракцияланады.
Шашылысу
Рентгендік интерференция – екі немесе одан көп рентген толқындарының қосылуы (суперпозициясы), нәтижесінде жаңа толқын мүсіні қалыптасады. Рентгендік интерференция көбінесе бір-бірімен байланысты немесе когерентті толқындардың өзара әрекеттесуін білдіреді, себебі олар бір көзден шыққан немесе бірдей немесе шамалы айырмасы бар жиілікке ие. Екі монохроматикалық емес рентген толқыны, егер олардың толқын ұзындығының диапазоны толыққандай сәйкес келіп, әрбір толқын ұзындығындағы фазалық айырмашылықтары бірдей болса ғана толық когерентті болады. Жалпы фазалық айырмашылық жол айырмасы мен бастапқы фазалық айырмашылықтың қосындысынан шығарылады (рентген толқындары екі немесе одан көп әртүрлі көздерден туған жағдайда). Содан кейін, белгілі бір нүктеге жеткен рентген толқындары фазада (конструктивтік интерференция) немесе фазадан шығып (деструктивтік интерференция) тұрғаны анықталады.
Қатты рентгендік айналар
79 кэВ-қа дейін жұмыс істейтін NuSTAR ғарыш телескопы үшін рентгендік айна оптикасы көп қабатты жабындар, компьютерлік дайындау және басқа да технологиялар қолданылып жасалды. Айналар, Wolter телескопының дизайнын мүмкін ететін, шүмектік шыныға жатқан вольфрам/силикон (W/Si) немесе платина/силикон карбиді (Pt/SiC) көп қабатты жабындарымен жабдықталған.