< 10 −4 Å.
Одной из причин развития рентгеновской оптики является возможность получения на рентгеновских микроскопах изображений объектов с невероятно малыми размерами за счёт повышения разрешающей способности оптических систем при использовании более коротких длин волн. Также рентгеновская оптика используется в рентгеновских лазерах и рентгеновских телескопах .
Материалы, используемые в обычной оптике, в рентгеновской оптике не применимы из-за близости к единице показателя преломления рентгеновских лучей. Другими словами, рентгеновские лучи проходят через вещество практически не изменяя своей траектории. Кроме того, рентгеновские лучи сильно поглощаются в веществе вследствие фотоэффекта . Так слой воздуха толщиной 1 см практически полностью непрозрачен для мягкого рентгеновского излучения. Поэтому для работы рентгеновских оптических систем необходим вакуум , а рентгеновские телескопы выносятся за атмосферу .
Главной задачей рентгеновской оптики является фокусировка рентгеновских лучей. Поэтому важнейшими характеристиками оптических систем является фокусное расстояние и ширина выходного пучка. Существует несколько типов оптических систем в зависимости от принципа работы.
Отражение электромагнитных волн от границы раздела двух сред описывается в оптике формулами Френеля . При нормальном падении на зеркало коэффициент отражения оказывается слишком мал, то есть рентгеновские лучи практически не отражаются, а только поглощаются зеркалом или проходят сквозь него. Поэтому зеркала нормального падения 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).
Данное устройство представляет собой полую коническую трубку. Вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, поэтому если луч падает на гладкую поверхность капилляра под углом меньше критического, то он испытывает полное отражение Этот принцип реализован в оптике Кумахова .
Зонная пластинка Френеля также может использоваться для фокусировки рентгеновских лучей. Принцип её работы основан на делении волнового фронта на зоны таким образом, что соседние зоны оказываются в противофазе. Например, если закрыть (затемнить) все чётные зоны, то оставшиеся открытыми нечётные зоны будут все в одной фазе. В результате интерференции сигнал будет многократно усилен. Впервые рентгеновские зонные пластинки получены в 1988 году в Lawrence Livermore National Laboratory .
Ширина зон во френелевской пластинке зависит от длины волны излучения, поэтому чем оно более монохроматично , тем лучше работает пластинка. Поэтому зонную пластинку напыляют на монокристалл и монохроматичность излучения обеспечивается дифракцией Брэгга .
Конструкция составной преломляющей линзы с пустотами параболической кривизны
В рентгеновском диапазоне практически все материалы имеют показатель преломления близкий к единице. Поэтому отдельная линза имела бы чрезвычайно большое фокусное расстояние, что не может иметь применения в рентгеновском эксперименте. Эта проблема решается с помощью создания в определенном материале пустот определенного размера и формы, которые ведут себя как последовательность линз; а также, путём создания обособленных параболических преломляющих линз, наборы которых могут фокусировать рентгеновские лучи на маленьком фокусном расстоянии. Такие устройства в английской литературе получили название Compound refractive lens (составные преломляющие линзы) .
Такие устройства являются аналогом устройств, используемых в обычной оптике. Излучение транспортируется по изогнутым волноводам и собирается в точку .
Бенигсен от Горок спустился по большой дороге к мосту, на который Пьеру указывал офицер с кургана как на центр позиции и у которого на берегу лежали ряды скошенной, пахнувшей сеном травы. Через мост они проехали в село Бородино, оттуда повернули влево и мимо огромного количества войск и пушек выехали к высокому кургану, на котором копали землю ополченцы. Это был редут, еще не имевший названия, потом получивший название редута Раевского, или курганной батареи.
Пьер не обратил особенного внимания на этот редут. Он не знал, что это место будет для него памятнее всех мест Бородинского поля. Потом они поехали через овраг к Семеновскому, в котором солдаты растаскивали последние бревна изб и овинов. Потом под гору и на гору они проехали вперед через поломанную, выбитую, как градом, рожь, по вновь проложенной артиллерией по колчам пашни дороге на флеши [род укрепления. (Примеч. Л.Н. Толстого.) ], тоже тогда еще копаемые.
Cтраница 1
Рентгеновская оптика), а в дисперсионных системах используется дифракция рентг.
Практическое развитие рентгеновской оптики и ее приложений зависит от того, в какой мере удастся усовершенствовать современную технологию и методы контроля в соответствии с весьма высокими требованиями, предъявляемыми к качеству поверхности и точности формы рентгеновских зеркал. Характер этих требований вытекает как из свойств рентгеновского излучения, так и из особенностей конкретной области применения.
В основе рентгеновской оптики скользящего падения лежит явление полного внешнего отражения (ПВО), открытое Комптоном в 1922 г. и заключающееся в том, что эффективное отражение рентгеновского излучения от однородного зеркала возможно только при падении пучка под малыми скользящими углами, меньшими некоторого критического значения (см. гл.
Поскольку в рентгеновской оптике речь идет о длинах волн X та 0 1 - - 30 нм, то ясно, что на любой реальной поверхности даже после самой совершенной обработки остаются шероховатости, высоты которых сравнимы с длиной волны падающего излучения. В равной степени это относится и к поверхности идеальных кристаллов, атомная структура которых благодаря реконструкции может характеризоваться масштабами, существенно превосходящими межатомные расстояния.
Таким образом, в рентгеновской оптике идет речь о сверхгладких поверхностях, требования к которым не регламентируются существующими стандартами. Как будет видно из последующих глав, в ряду факторов, ограничивающих сегодня параметры как рентгеновской оптики скользящего падения, так и многослойной, шероховатость поверхности занимает одно из первых мест.
Крупный шаг в развитии изображающей рентгеновской оптики был сделан в 1952 г. Вольтером , который предложил использовать осесимметричные, глубоко асферические зеркала о поверхностями вращения второго порядка. Такие зеркала не имеют астигматизма и сферической аберрации, апертура пучка может быть значительно большей, чем в системах скрещенных зеркал. Вольтер показал, что кома первого порядка, препятствующая построению изображений с помощью одиночных осесимметрич-ных зеркал скользящего падения, значительно снижается в системах с четным числом отражений. К ним относятся системы параболоид-гиперболоид, гиперболоид-эллипсоид, параболоид-эллипсоид и ряд других, которые будут подробно рассмотрены ниже. Системы, построенные на идеях Вольтера, в настоящее время находят широкое применение в различных рентгеновских приборах.
Эти вопросы чрезвычайно важны не только для рентгеновской оптики, но и для точного машиностроения, микроэлектроники и других отраслей.
Прямой метод измерения индикатрисы рассеяния является безусловно наилучшим способом контроля качества рентгеновской оптики, однако имеет ограниченное применение. Сложности возникают при измерении неплоских зеркал, зеркал больших размеров, а также при контроле а процессе изготовления рентгеновского зеркала. С этим связаны поиски других методов контроля шероховатости поверхности, и самым существенным в этой работе является, по-видимому, сравнение результатов измерения каким-либо выбранным методом с измерениями рассеяния в рентгеновской области. Ниже мы более подробно остановимся на установлении корреляции измерений, выполненных различными способами.
В первой главе вводятся основные физические понятия и положения, используемые в рентгеновской оптике, а также сообщаются сведения из атомной физики, необходимые для описания оптических свойств материалов в MP-диапазоне. Рассматривается актуальный вопрос экспериментального определения оптических констант.
Несовершенства, дефекты кристаллической структуры смазывают эффекты многократного рассеяния; в этом случае в рентгеновской оптике говорят о кинематическом рассеянии.
Таким образом, вопрос о влиянии поверхностных неоднород-ностей на отражение и рассеяние падающего излучения приобретает для рентгеновской оптики чрезвычайно важное значение, а перспективы ее развития и применения в значительной мере зависят от совершенствования технологии изготовления сверхгладких поверхностей (как плоских, так и сложной формы) с высотой шероховатостей в десятые доли нанометров.
Вероятно, особо следует сказать еще об одном виде измерений, связанном с интенсивным развитием в последнее время многослойной рентгеновской оптики - об измерении коэффициента отражения и разрешающей способности диспергирующих элементов для мягкой и ультрамягкой рентгеновской области. Для измерения коэффициентов отражения многослойных систем должна быть обеспечена возможность уотановки углов падения в широком диапазоне скользящих углов - от 10 до практически нормального падения. Измерение разрешающей способности требует высокого спектрального разрешения монохроматора и достаточно малой угловой расходимости выходящего из монохроматора пучка. Если учесть, что параметры существующих сегодня многослойных систем, имеющих ширину на полувысоте кривой отражения, на Ка-линии С около 30, выходящий из монохроматора пучок должен иметь угловую расходимость не хуже единиц угловых минут.
Работы по синтезу таких слоистых материалов, ведущиеся с 20 - х годов, завершились в последнее десятилетие разработкой технологических процессов нанесения высококачественных многослойных покрытий, удовлетворяющих требованиям рентгеновской оптики и ее приложений. В этой статье изложена краткая история вопроса. Описаны как ранние, так и современные методы нанесения покрытий. Далее обсуждается современный статус многослойной рентгеновской оптики, использующей как плоские, так и изогнутые структуры. Рассматриваются физические и технологические ограничения и перспективы дальнейшего развития.
Так как сдвиг по фазе PJ не зависит от индексов дифракционного луча и, в частности, не заменяется на обратную величину при переходе от hkl к Ш, то включение поправки на аномальное рассеяние делает лучи с индексами hkl и hkl не вполне равноценными по интенсивности и, следовательно, нарушает закон центросимметричности рентгеновской оптики.
Так как сдвиг по фазе ifj не зависит от шдексов дифракционного луча и, в частности, не заменяется ча обратную величину при переходе от hkl к hkl, то включение по-фавки на аномальное рассеяние делает лучи с индексами hkl и / ltd ie вполне равноценными по интенсивности и, следовательно, нарушает закон центросимметричности рентгеновской оптики.
Материалы, используемые в обычной оптике, в рентгеновской оптике не применимы из-за близости к единице показателя преломления рентгеновских лучей. Другими словами, рентгеновские лучи проходят через вещество практически не изменяя своей траектории. Кроме того, рентгеновские лучи сильно поглощаются в веществе вследствие фотоэффекта . Так слой воздуха толщиной 1 см практически полностью непрозрачен для мягкого рентгеновского излучения. Поэтому для работы рентгеновских оптических систем необходим вакуум , а рентгеновские телескопы выносятся за атмосферу .
Главной задачей рентгеновской оптики является фокусировка рентгеновских лучей. Поэтому важнейшими характеристиками оптических систем является фокусное расстояние и ширина выходного пучка. Существует несколько типов оптических систем в зависимости от принципа работы.
Схема работы рентгеновского зеркала
Отражение электромагнитных волн от границы раздела двух сред описывается в оптике формулами Френеля . При нормальном падении на зеркало коэффициент отражения оказывается слишком мал, то есть рентгеновские лучи практически не отражаются, а только поглощаются зеркалом или проходят сквозь него. Поэтому зеркала нормального падения 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).
Данное устройство представляется собой полую коническую трубку. Вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, поэтому если луч падает на гладкую поверхность капилляра под углом меньше критического, он испытывает полное отражение Этот принцип реализован в оптике Кумахова .
Зонная пластинка Френеля также может использоваться для фокусировки рентгеновских лучей. Принцип её работы основан на делении волнового фронта на зоны таким образом, что соседние зоны оказываются в противофазе. Например, если закрыть (затемнить) все чётные зоны, то оставшиеся открытыми нечётные зоны будут все в одной фазе. В результате интерференции сигнал будет многократно усилен. Впервые рентгеновские зонные пластинки получены в 1988 году в Lawrence Livermore National Laboratory .
Основная статья: Брэгг - френелевская оптика
Ширина зон в френелевской пластинке зависит от длины волны излучения, поэтому чем оно более монохроматично , тем лучше работает пластинка. Поэтому зонную пластинку напыляют на монокристалл и монохроматичность излучения обеспечивается дифракцией Брэгга .
В рентгеновском диапазоне практически все материалы имеют показатель преломления близкий к единице. Поэтому отдельная линза имела бы чрезвычайно большое фокусное расстояние. Эта проблема решается с помощью создания в материале пустот определенного размера и формы, которые ведут себя как последовательность линз. Такие устройства в английской литературе получили название Compound refractive lens (составные преломляющие линзы) .
Принцип работы коллиматора
Такие устройства являются аналогом устройств, используемых в обычной оптике. Излучение транспортируется по изогнутым волноводам и собирается в точку .
Wikimedia Foundation . 2010 .
Стеклянная капиллярная оптика применяется в различных методах рентгеновского анализа, например, в рентгенодифракционном анализе (РДА), рентгенофлуоресцентном анализе (РФА) и в рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Развитие технологий сделало возможным сфокусировать рентгеновские лучи в пятно малого диаметра при расстоянии от источника до образца в 400 мм и более. Для микро-РФА в растровом электронном микроскопе разработано новое поколение поликапиллярной оптики, позволяющей получить фокусное пятно диаметром 10 мкм при MoKα.
Развитие поликапиллярной оптики направлено на дальнейшее уменьшение размера фокусного пятна и увеличение коэффициента прохождения. Для решения многих задач, в которых используется мощный источник излучения, необходима соответствующая высококачественная оптика. Основной целью является возможность получения фокусного пятна малого диаметра вне зависимости от расстояния до источника. Изменение диаметра капилляров и использование нового типа стекла значительно повысили коэффициент прохождения рентгеновской оптики.
Фокусирующая поликапиллярная оптика
Стеклянная капиллярная оптика применяется для коллимирования и фокусировки рентгеновского излучения. В этих элементах используется явление многократного полного внутреннего отражения рентгеновских лучей от гладкой поверхности. Оптические устройства могут включать в себя один или несколько моно или поликапилляров, которые специальным образом расположены или изогнуты в соответствии с условиями формирования рентгеновского пучка. Такие капиллярные структуры изготавливаются из специального стекла с внутренней поверхностью высочайшего качества.
Коллимирующая поликапиллярная оптика
Такие элементы можно получить получить разрезав фокусирующую линзу на две полулинзы. В зависимости от направления пучка, полулинзы могут использоваться для создания квазипараллельных рентгеновских пучков из расходящихся или для фокусировки параллельных пучков. Оптика этого типа используется в РДА.
Монокапиллярные рентгеноводы
Рентгеновод представляет собой монокапилляр цилиндрической формы. Рентгеновод коллимирует рентгеновское излучение, при этом максимальный угол расхождения рентгеновских лучей на выходе из монокапилляра соответствует критическому углу полного внутреннего отражения.
В отличие от точечной диафрагмы (pinhole) рентгеноводы значительно повышают интенсивность излучения на образце. Рентгеноводы могут иметь различные диаметры и длину капилляра в соответствии с конкретной задачей (см. спецификацию). Дополнительно рентгеновод может быть оборудован точечной диафрагмой.
Параболические монокапилляры
Рентгеновские параболические монокапилляры предназначены для фокусировки коллимированного рентгеновского излучения или для коллимации расходящихся лучей от источника рентгеновского излучения (см. схему ниже), расположенного в фокусе. Параболические монокапилляры являются системами однократного отражения. Размер фокусного пятна зависит не только от качества самой оптики, но ещё и от параметров источника.
Эллиптические монокапилляры
Эллиптические рентгеновские монокапилляры относятся к оптическим системам однократного отражения. Пространственное разрешение данной оптики зависит от технологии производства, а также от параметров источника. Конструкция монокапилляра может быть оптимизирована в соответствии с конкретной задачей. Для увеличения изображения монокапилляр (выделен на схеме жирным начертанием) должен быть расположен между источником и малой осью эллипса (2 b), соответственно для уменьшения изображения - позади малой оси.
Поликапиллярные конические коллиматоры - рентгеноводы.
Конические коллиматоры представляют собой поликапиллярную рентгеновскую оптику и имеют форму усечённого конуса. Данные элементы выполняют функцию рентгеновода, а также коллимируют расходящиеся от источника рентгеновские лучи (см. схему ниже)
К примеру, рентгеноводы данного типа могут использоваться для коллимации расходящегося излучения от образца в установках рентгенофлуоресцентного или рентгенодифракционного анализа (см. схему ниже)
Рентгеновская оптика - отрасль прикладной оптики , изучающая процессы распространения рентгеновских лучей в средах, а также разрабатывающая элементы для рентгеновских приборов. Рентгеновская оптика, в отличие от обычной, рассматривает электромагнитные волны в диапазоне длин волн рентгеновского 10 −4 до 100 (от 10 −14 до 10 −8 ) и гамма-излучений < 10 −4 Å.
Одной из причин развития рентгеновской оптики является возможность получения на рентгеновских микроскопах изображений объектов с невероятно малыми размерами за счёт повышения разрешающей способности оптических систем при использовании более коротких длин волн. Также рентгеновская оптика используется в рентгеновских лазерах и рентгеновских телескопах .
Материалы, используемые в обычной оптике, в рентгеновской оптике не применимы из-за близости к единице показателя преломления рентгеновских лучей. Другими словами, рентгеновские лучи проходят через вещество, практически не изменяя своей траектории. Кроме того, рентгеновские лучи сильно поглощаются в веществе вследствие фотоэффекта . Так слой воздуха толщиной 1 см практически полностью непрозрачен для мягкого рентгеновского излучения. Поэтому для работы рентгеновских оптических систем необходим вакуум , а рентгеновские телескопы выносятся за атмосферу .
Главной задачей рентгеновской оптики является фокусировка рентгеновских лучей. Поэтому важнейшими характеристиками оптических систем является фокусное расстояние и ширина выходного пучка. Существует несколько типов оптических систем в зависимости от принципа работы.
Отражение электромагнитных волн от границы раздела двух сред описывается в оптике формулами Френеля . При нормальном падении на зеркало коэффициент отражения оказывается слишком мал, то есть рентгеновские лучи практически не отражаются, а только поглощаются зеркалом или проходят сквозь него. Поэтому зеркала нормального падения 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).
Данное устройство представляет собой полую коническую трубку. Вакуум для рентгеновских лучей является оптически более плотной средой, поэтому если луч падает на гладкую поверхность капилляра под углом меньше критического, то он испытывает полное отражение Этот принцип реализован в оптике Кумахова .
Зонная пластинка Френеля также может использоваться для фокусировки рентгеновских лучей. Принцип её работы основан на делении волнового фронта на зоны таким образом, что соседние зоны оказываются в противофазе. Например, если закрыть (затемнить) все чётные зоны, то оставшиеся открытыми нечётные зоны будут все в одной фазе. В результате интерференции сигнал будет многократно усилен. Впервые рентгеновские зонные пластинки получены в 1988 году в Lawrence Livermore National Laboratory .
Основная статья: Брэгг-френелевская оптика
Ширина зон во френелевской пластинке зависит от длины волны излучения, поэтому чем оно более монохроматично , тем лучше работает пластинка. Поэтому зонную пластинку напыляют на монокристалл и монохроматичность излучения обеспечивается дифракцией Брэгга .
В рентгеновском диапазоне практически все материалы имеют показатель преломления, близкий к единице. Поэтому отдельная линза имела бы чрезвычайно большое фокусное расстояние, что не может иметь применения в рентгеновском эксперименте. Эта проблема решается с помощью создания в определенном материале пустот определенного размера и формы, которые ведут себя как последовательность линз; а также, путём создания обособленных параболических преломляющих линз, наборы которых могут фокусировать рентгеновские лучи на маленьком фокусном расстоянии. Такие устройства в английской литературе получили название
