Lentila de refracție compozită

Lentila de refracție compozită - un set de lentile de refracție cu raze X unice care asigură refracția razelor X , care sunt aranjate într-o matrice liniară pentru a obține focalizarea razelor X în intervalul de energie de 2-100 keV . Ele reprezintă o direcție promițătoare în dezvoltarea opticii moderne cu raze X.

Cum funcționează

În principiu, lentilele de refracție cu raze X sunt similare cu lentilele convenționale de focalizare optică . Aceste dispozitive optice cu raze X au fost inventate și testate în practică [referința 1] în 1996 de către A. A. Snigirev și colegii (IPTM RAS, Chernogolovka) și, de atunci, au trecut printr-o cale de îmbunătățire destul de intensă și au fost utilizat pe scară largă pe o serie de surse de radiație sincrotron pentru a produce microraze de raze X foarte focalizate cu o densitate mare a fluxului de fotoni .

Ideea lentilelor de refracție cu raze X Snigirev este următoarea [link 2] . Indicele de refracție al razelor X este puțin mai mică decât unitatea (indicele de refracție al razelor cu o energie fotonică de 5-40 keV în materialele transparente cu raze X diferă de unitate prin ), iar vidul și gazele pentru razele X se dovedesc la să fie medii optic mai dense decât un solid . Prin urmare, razele X, în comparație cu lumina vizibilă , se comportă în mod opus față de refracția de către diferite medii. Dacă lumina este focalizată de o lentilă biconvexă , care intră în ea din aer sau vid, atunci razele X vor fi focalizate printr-o cavitate de vid biconvexă din sticlă, căzând în ea din sticlă. Dacă, de exemplu, un gol cilindric (forează o gaură) este realizat într-un material cu un coeficient scăzut de absorbție de raze X [Nota 1] , acest gol va focaliza razele X. Ca și în optica convențională , distanța focală a unei astfel de lentile este direct proporțională cu raza de curbură și invers proporțională cu valoarea diferenței dintre partea reală a indicelui de refracție și unitate. Datorită dimensiunii sale reduse pentru raze X, un singur gol va focaliza razele la o distanță foarte mare de lentilă (de ordinul a sute de metri) chiar și cu un diametru gol de ordinul a 1 mm. Cu toate acestea, dacă faceți un rând de astfel de goluri, atunci acestea vor devia în mod constant razele din ce în ce mai mult de la direcția lor inițială, reducând distanța focală, care este egală cu . $\sim$ $10^{-5}$ $n=1-\delta$ $\delta$ $N$ $F=R/2N\delta$

Această idee a fost pentru prima dată confirmată experimental în [link 1] , unde a fost descrisă prima lentilă practică de focalizare cu raze X refractive cu o distanță focală relativ mică și un raport de deschidere suficient de mare (Fig. 1).

Prima lentilă de focalizare testată a fost un rând de 30 de găuri cilindrice, de 0,3 mm în diametru, găurite în paralel într-un bloc de aluminiu. Cu ajutorul acestuia, autorii au reușit să focalizeze un fascicul paralel de raze X cu o energie de 14 keV într-un punct de dimensiune µm la o distanță de 1,8 m de lentilă (în cazul unui singur gol, distanța focală ar fi fi 54 m) și, ca și în cazul focalizării cu o lentilă optică, o creștere semnificativă a densității fluxului fotonic. Distanța focală a unei lentile complexe poate fi influențată de selectarea razei de curbură a golurilor și a numărului acestora . Cu cât raza este mai mică și numărul de goluri este mai mare, cu atât distanța focală este mai mică. $\sigma =8$ $R$ $N$

Lentile de refracție cilindrice

Tehnologia descrisă în secțiunea anterioară poate fi utilizată pentru fabricarea lentilelor de refracție complexe care focalizează fasciculul în două planuri reciproc perpendiculare [referința 3] . Pentru a face acest lucru, în blocul de material sunt create șiruri de găuri cilindrice reciproc perpendiculare.

Pentru fabricarea unor astfel de lentile, este necesar să se utilizeze materiale din elemente chimice cu un număr redus de elemente pentru a minimiza absorbția, obținând în același timp o distanță focală scurtă cu un câștig mare de densitate a fluxului fotonic la focalizare. Au fost testate lentile [link 4] din aluminiu, carbură de bor , pirografit, beriliu și fluoroplast. Cele mai bune rezultate în ceea ce privește factorul de amplificare a fluxului de fotoni au fost obținute în lentilele Be cu diametrul găurii de 1 mm (cu un factor de 13,6, cu perspectiva creșterii acestui factor la 40). S-a stabilit că astfel de lentile funcționează bine cu raze X în intervalul de energie de 9-30 keV, iar proprietățile lor nu sunt foarte sensibile la sarcinile termice, ceea ce face posibilă utilizarea lor pe fasciculele de radiație superbright ale ondulatoarelor , LUR ( accelerator liniar de revenire a puterii ) și chiar raze X. lasere [link 5] . $Z$

Dezavantajul lentilelor de focalizare bidimensională cu un design simplu considerat este aberațiile sferice puternice ale imaginii fasciculului la focalizare.

Lentile refractive parabolice

Dezavantajul lentilelor de focalizare bidimensionale, constând în aberații sferice puternice ale imaginii fasciculului la focalizare, a fost aproape complet eliminat prin fabricarea de lentile compuse cu goluri parabolice [referința 6] . Elementele lentilei sunt blocuri separate cu depresiuni sub forma unui paraboloid de revolutie, iar din aceste blocuri se asambleaza un obiectiv, asemanator unui obiectiv fotografic optic compus din lentile biconvexe, dar, in acest caz, aceste lentile sunt de vid sau de aer. goluri [Nota 2] .

Teoria imagistică cu raze X folosind lentile de refracție prezentată în [referința 3] arată că la fabricarea lentilelor parabolice din beriliu, similar cu lentilele din aluminiu testate, va fi posibilă creșterea transmitanței până la 30%, amplificarea densității fluxului fotonic. factor de până la și obține o rezoluție spațială mai mică de un micron. O teorie exactă pentru calcularea focalizării razelor X de către lentile de refracție, care ia în considerare majoritatea efectelor fizice ale împrăștierii razelor X într-o substanță, este descrisă în [referința 7] . [ Ref . 8] descrie o tehnologie de fabricare și testare a lentilelor planare parabolice din silicon, care face posibilă producerea de lentile cu o curbură de ordinul unui micron, având o distanță focală de câțiva milimetri și capabile să focalizeze un fascicul de raze X. într-o linie lată de câteva sute de nanometri. Lentilele similare pot focaliza razele X într-un loc apropiat ca dimensiune de limita de difracție , dacă sunt realizate cu suficientă precizie. $10^{3}$

Un avantaj esențial al lentilelor de refracție parabolice compozite de acest tip este absența aproape completă a aberațiilor geometrice într-un fascicul focalizat și capacitatea de a lucra cu raze X până la o energie de ordinul a 60 keV fără a schimba optica. În comparație cu oglinzile cu raze X și cu monocromatoarele cristaline, lentilele de refracție au avantajul că nu schimbă direcția de propagare a fasciculului primar de raze X și pot simplifica semnificativ proiectarea unității optice de raze X. În plus, lentilele complexe de focalizare refractivă sunt foarte mici [Nota 3] .

Astfel de lentile sunt deja dezvoltate și fabricate profesional [Nota 4] , [Referința 8] și utilizate la stațiile experimentale ale multor surse de radiație sincrotron, cum ar fi Petra-III și ESRF . Domeniul lor principal de aplicare: obținerea de microraze intense de fotoni de raze X pentru microdifracție de raze X, microscopie și alte metode de examinare cu raze X a microvolumelor de materie.

Zoom-uri cu raze X

După cum sa menționat în secțiunea anterioară , indicele de refracție al lentilelor de refracție este extrem de apropiat de unitate și, în plus, depinde de energia radiației incidente. Este ușor de observat din formulele de mai sus că distanța focală a lentilei depinde, deci, de energie: $n$ $E$

F={\frac {R}{2N\delta }}\sim {\frac {R}{2Nn}}\sim {\frac {RE}{2N}}

Acest lucru înseamnă automat că numărul de lentile dintr-o lentilă de refracție compusă trebuie corectat pentru a obține o anumită distanță focală atunci când energia razelor incidente se modifică în experimentul cu sincrotron. Pentru automatizarea și comoditatea acestui proces, au fost inventate dispozitive speciale cu un număr variabil de lentile, așa-numitele. zoom -uri cu raze X [link 9] , care oferă ușor și rapid o modificare a distanței focale la o lungime de undă (sau energie) dată a radiației incidente.

Obiectivul zoom (Fig. 3) este format din mai multe cartușe care conțin un număr diferit de lentile (2, 4, 16, 32, 64, 128 etc.). Mai mult, numărul de lentile din cartușe este selectat în așa fel încât distanța focală să poată fi ajustată continuu prin introducerea sau îndepărtarea unuia sau mai multor cartușe cu lentile din fasciculul de raze X. Au fost deja inventate atât zoomurile umplute cu aer, cât și cele cu vid [ref. 10] , precum și un zoom compact de dimensiuni reduse. Datorită simplității și confortului lor, zoom-urile cu raze X sunt utilizate pe scară largă pe multe surse de radiații sincrotron ( Petra-III , ESRF ).

Note

↑ Sticla, care este folosită la fabricarea lentilelor optice, nu este cel mai bun material pentru raze X din punct de vedere al transparenței. Din punctul de vedere al minimului de absorbție, litiul și beriliul s-au dovedit a fi cele mai potrivite materiale pentru fabricarea lentilelor de refracție cu raze X.
↑ . Analogia dintre o lentilă parabolică cu raze X refractive și lentilele obișnuite pentru focalizarea luminii poate fi construită într-un alt mod. Deoarece refracția razelor X și a luminii de către mediile condensate are loc în sens invers, atunci, din punctul de vedere al opticii geometrice, lumina este focalizată de o lentilă biconvexă dintr-o substanță în stare condensată, iar razele X ar trebui să fie focalizate. focalizat de o lentilă biconcavă. Apoi, lentila de focalizare poate fi gândită ca un set dintr-o serie de lentile biconcave.
↑ Lungimea obiectivului de focalizare a 100 de lentile biconcave consecutive variază de la câțiva centimetri la câțiva milimetri, în funcție de raza de curbură și de distanța focală dorită. De exemplu, o lentilă parabolică unidimensională complexă din siliciu cu și μm testată într-una dintre lucrări avea o lungime de-a lungul axei optice de 8,4 mm la o distanță focală de 15,6 mm. $N=100$ $R=2,15$
↑ De exemplu, Institutul de Fizică al Technische Hochschule din Aachen (Germania) [1] Copie de arhivă din 26 aprilie 2013 la Wayback Machine în cooperare cu ESRF (Franța), dezvoltă și produce lentile compozite de refracție cu raze X din Si și Fiți pentru microscoape cu raze X alimentate de radiații sincrotron. xray-lens.de Arhivat la 8 februarie 2005 la Wayback Machine . De exemplu, o lentilă parabolică complexă cu litiu, fabricată internă, a fost folosită ca colimator de focalizare la APS pentru a produce microraze X super-luminoase (APS Science 2003. P.113-114)

Surse

↑ 1 2 Snigirev, A., V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler 1996: O lentilă de refracție compusă pentru focalizarea razelor X de înaltă energie. Nature, 384, 49-51
↑ Fetisov G. V. Radiația de sincrotron. Metode de studiere a structurii substanțelor. — M.: FIZMATLIT. 2007. ISBN 978-5-9221-0805-8
↑ 1 2 Lengeler B., Schroer C., Tummler J., Benner B., Richwin M., Snigirev A., Snigireva I., Drakopoulos M. 1999 J. Synchrotron Rad. 6, 1153
↑ Lengeler B, Tummler J, Snigirev A, Snigireva I și Raven C , 1998 J. Appl. Fiz. 84 5855-61
↑ Schroer CG, Lengeler B, Benner B, Gunzler TF, Kuhlmann M, Simionovici AS, Bohic S, Drakopoulos M, Snigirev A, Snigireva I și Schroder WH 2001 X-Ray Micro- and Nano-Focusing: Applications and Techniques II ed I McNulty Proc. SPIE 4499 52-63
↑ Lengeler B, Schroer CG, Benner B, Gerhardus A, Gunzler TF, Kuhlmann M, Meyer J și Zimprich C. 2002 J. Synchrotron Radiat. 9 119-24
↑ Kohn VG , Zh. Exp. Teor. Fiz. 124, 224 (2003) [JETP 97, 204 (2003)]
↑ 1 2 Schroer CG et al 2003 Appl. Fiz. Lett. 82 1485-87
↑ Snigirev, A., Snigireva, I., Vaughan, G., Wright, J., Rossat, M., Bytchkov, A. & Curfs, C. (2009a). J Phys. Conf. Ser. 186, 012073
↑ Vaughan, GBM, JP Wright, A. Bytchkov, M. Rossat, H. Gleyzolle, I. Snigireva, A. Snigirev , 2010: X-ray transfocators: focusing devices based on compound refractive lenses. J. Sincrotron Rad. 18, 125-133