Введение
Рентгеновская оптика — это раздел оптики, который оперирует рентгеновскими лучами вместо видимого света. Она изучает фокусировку и другие способы управления рентгеновскими пучками, применяемые в исследовательских методах, таких как рентгеновская дифракция, 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, однако из-за значительно более высокой частоты и энергии фотонов рентгеновских лучей их взаимодействие с веществом существенно отличается. Видимый свет легко отклоняется линзами и зеркалами, но поскольку действительная часть комплексного показателя преломления всех материалов для рентгеновских лучей очень близка к единице, они, как правило, первоначально проникают и в конечном итоге поглощаются большинством материалов, практически не изменяя своего направления.
Рентгеновские методы
Существует множество различных методов перенаправления рентгеновских лучей, большинство из которых изменяют направление лишь на очень малые углы. Наиболее распространенным принципом является отражение на скользящих углах, либо с использованием полного внешнего отражения при очень малых углах, либо многослойных покрытий. Другие используемые принципы включают дифракцию и интерференцию в форме зонных пластин, преломление в составных рефракционных линзах, использующих множество небольших рентгеновских линз последовательно для компенсации малого показателя преломления их количеством, отражение Брэгга от кристаллической плоскости в плоских или изогнутых кристаллах. Рентгеновские пучки часто коллимируют или уменьшают в размере с помощью пинхолов или подвижных щелей, обычно изготавливаемых из вольфрама или другого материала с высоким атомным номером. Узкие участки рентгеновского спектра могут быть выделены с помощью монохроматоров, основанных на одном или нескольких отражениях Брэгга от кристаллов. Спектр рентгеновских лучей также можно изменять, пропуская их через фильтр (оптику). Это обычно уменьшает низкоэнергетическую часть спектра и, возможно, участки выше краев поглощения элементов, используемых в фильтре.
Фокусирующая оптика
Аналитические методы рентгеновского излучения, такие как рентгеновская кристаллография, малоугловое рассеяние рентгеновских лучей, широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей, рентгеновская флуоресценция, рентгеновская спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, выигрывают от высокой плотности потока рентгеновского излучения на исследуемых образцах. Это достигается фокусировкой расходящегося пучка от источника рентгеновского излучения на образец с помощью одного из различных фокусирующих оптических элементов. Это также полезно для сканирующих зондовых методов, таких как сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия и сканирующая рентгеновская флуоресцентная визуализация.
Поликапиллярная оптика
Поликапиллярные линзы представляют собой массивы небольших полых стеклянных трубок, которые направляют рентгеновские лучи, используя множество полных внешних отражений на внутренней поверхности трубок. Массив сужается таким образом, что один конец капилляров направлен на источник рентгеновского излучения, а другой – на образец. Поликапиллярная оптика ахроматична и поэтому подходит для сканирующей флуоресцентной визуализации и других приложений, где полезен широкий спектр рентгеновского излучения. Она эффективно собирает рентгеновские лучи с энергией фотонов от 0,1 до 30 кэВ и может обеспечивать усиление потока в 100–10000 раз по сравнению с использованием пинхола на расстоянии 100 мм от источника рентгеновского излучения. Поскольку полное внутреннее отражение происходит только для рентгеновских лучей, входящих в капилляры под очень узким углом, через оптику проходят только лучи, исходящие из небольшой области. Поликапиллярная оптика не способна отображать более одной точки в другую, поэтому она используется для освещения и сбора рентгеновских лучей.
Зонные таблички
Зонные пластины состоят из подложки с концентрическими зонами материала, изменяющего фазу или поглощающего излучение, при этом ширина зон уменьшается с увеличением радиуса. Ширина зон рассчитывается таким образом, чтобы прошедшая волна испытывала конструктивную интерференцию в одной точке, формируя фокус. Зонные пластины могут использоваться как конденсоры для сбора света, а также для непосредственного получения изображений всего поля, например, в рентгеновском микроскопе. Зонные пластины обладают высокой хроматической аберрацией и обычно разрабатываются для узкого энергетического диапазона, что требует использования монохроматического рентгеновского излучения для эффективного сбора и получения изображений с высоким разрешением.
Соединенные рефракционные линзы
Поскольку показатели преломления на рентгеновских длинах волн очень близки к 1, фокусные расстояния обычных линз становятся практически неприменимо большими. Для решения этой проблемы используются линзы с очень малым радиусом кривизны, которые собираются в длинные ряды, чтобы суммарная фокусирующая способность стала значительной. Так как показатель преломления для рентгеновских лучей меньше 1, эти линзы должны быть вогнутыми для достижения фокусировки, в отличие от линз видимого света, которые выпуклые для фокусирующего эффекта. Радиусы кривизны обычно составляют менее миллиметра, что ограничивает полезную ширину рентгеновского пучка примерно 1 мм. Для снижения поглощения рентгеновских лучей в таких стопках часто применяют материалы с очень низким атомным номером, например, бериллий или литий. На рынке также доступны линзы из других материалов: радиационно-стойкие полимеры (на основе эпоксидной смолы), такие как SU 8, никель и кремний. Поскольку показатель преломления сильно зависит от длины волны рентгеновского излучения, эти линзы обладают высокой хроматической аберрацией, и изменение фокусного расстояния в зависимости от длины волны необходимо учитывать в любом применении.
Отражение
Основная идея заключается в отражении пучка рентгеновских лучей от поверхности и измерении интенсивности рентгеновских лучей, отраженных в спекулярном направлении (угол отражения равен углу падения). Показано, что отражение от параболического зеркала с последующим отражением от гиперболического зеркала приводит к фокусировке рентгеновских лучей. Отношение интенсивности отраженных лучей к интенсивности падающих лучей является рентгеновской отражательной способностью поверхности. Если граница раздела не является идеально четкой и гладкой, измеренная интенсивность отражения будет отличаться от предсказанной законом Френеля. Эти отклонения можно проанализировать для определения профиля плотности границы раздела, перпендикулярного поверхности. Для пленок, состоящих из нескольких слоев, рентгеновская отражательная способность может проявлять колебания с длиной волны, аналогичные эффекту Фабри-Перо. Эти колебания можно использовать для определения толщины слоев и других характеристик.
Дифракция
При рентгеновской дифракции луч падает на кристалл и дифрактируется во многих определенных направлениях. Углы и интенсивности дифрагированных лучей указывают на трехмерную плотность электронов внутри кристалла. Рентгеновские лучи образуют дифракционную картину, поскольку их длина волны обычно сопоставима по порядку величины (0,1–10,0 нм) с межплоскостными расстояниями в кристалле. Каждый атом переизлучает небольшую часть интенсивности входящего луча в виде сферической волны. Если атомы расположены симметрично (как это бывает в кристалле) с расстоянием между ними d, эти сферические волны будут находиться в фазе (интерферировать конструктивно) только в направлениях, где разность хода 2d sin θ равна целому числу длин волн λ. Входящий луч, таким образом, как будто отклоняется на угол 2θ, образуя отраженный пучок в дифракционной картине. Рентгеновская дифракция является формой упругого рассеяния в прямом направлении; выходящие рентгеновские лучи имеют ту же энергию, и, следовательно, ту же длину волны, что и входящие, но с измененным направлением. В отличие от этого, неупругое рассеяние происходит, когда энергия передается от входящего рентгеновского луча к электрону внутренней оболочки, переводя его на более высокий энергетический уровень. Такое неупругое рассеяние уменьшает энергию (или увеличивает длину волны) выходящего луча. Неупругое рассеяние полезно для исследования возбуждения электронов, но не для определения распределения атомов в кристалле. Фотоны с большей длиной волны (например, ультрафиолетовое излучение) не обладают достаточным разрешением для определения положения атомов. С другой стороны, фотоны с меньшей длиной волны, такие как гамма-лучи, трудно получить в больших количествах, их трудно сфокусировать, и они слишком сильно взаимодействуют с веществом, создавая пары частица-античастица. Аналогичные дифракционные картины могут быть получены при рассеянии электронов или нейтронов. Рентгеновские лучи обычно дифрактируются не от атомных ядер, а только от окружающих их электронов.
Вмешательство
Рентгеновская интерференция — это сложение (суперпозиция) двух или более рентгеновских волн, приводящее к образованию новой волновой картины. Рентгеновская интерференция обычно рассматривается как взаимодействие 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 имеют абсолютно одинаковый спектр длин волн и одинаковые фазовые сдвиги для каждой длины волны в этом спектре. Полный фазовый сдвиг определяется суммой разности хода и начальной разности фаз (если рентгеновские волны генерируются двумя или более различными источниками). На основании этого можно определить, находятся ли рентгеновские волны, достигающие определенной точки, в фазе (конструктивная интерференция) или в противофазе (деструктивная интерференция).
Жёсткие рентгеновские зеркала
Рентгеновская зеркальная оптика для космического телескопа NuSTAR, работающая с энергией до 79 кэВ, была изготовлена с использованием многослойных покрытий, автоматизированного производства и других технологий. Зеркала используют многослойное покрытие из вольфрама/кремния (W/Si) или платины/карбида кремния (Pt/SiC), нанесенное на деформированное стекло, что позволяет реализовать конструкцию телескопа Вольтера.