Рентгеновское зеркало

Рентгеновское зеркало (принцип работы)

Схема работы рентгеновских зеркал в телескопах

Рентгеновское зеркало — оптическое устройство, служащее для отражения, фокусирования и рассеивания рентгеновских лучей.

Рентгеновские зеркала (рентгеновская оптика преломления, фокусировки и рассеяния) применяются для рентгеновских лучей с длиной волны от 2 до 45—55 нм. Рентгеновское зеркало обычно изготавливается ионноплазменным способом нанесения тонких покрытий в глубоком вакууме специальных материалов (например, кристаллов кремния и др. до нескольких сотен слоев) с разными коэффициентами преломления.

На Рис.1 показана схема работы рентгеновского зеркала. При этом ход рентгеновских лучей из центра — источника рентгеновсого пучка лучей(или из фокуса рентгеновской трубки) в результате скользящего падения и отражения, преломления от зеркальной кривой поверхности зеркала под углами порядка 0,001 радиана (для жёстких лучей). В результате явлений дифракций и интерференции формируется вторичный пучок отражённых параллельных рентгеновских лучей с усилением их интенсивности рентгеновской флюоресценции. Применение рентгеновских зеркал в резонаторах и интерферометрах с применением чистой кристаллической структурой (например, кристаллов кремния) поверхностей отражения и преломления показали , что они высокоэффективны, добротны и оцениваются показателем в 109, а также обладают наивысшими монохроматизирующими свойствами. С другой стороны, работая в режиме космических исследований приходящих потоков рентгеновских лучей из космоса, рентгеновские зеркала обеспечивают их фокусировку (см. на Рис.1 — они фокусируются в фокусе), т.е эти сигналы попадают на фокальную поверхность, перпендикулярной главной оптической оси и дают возможность получить рентгеновское изображение.

Новое направление в рентгеновской оптике

В настоящее время начинает применяться совместно разработанная технология российскими и зарубежными учёными Рентгеновская оптика преломления и фокусировки рентгеновских лучей (жёстких) — преломляющие линзы, фокусирующие оптические элементы на базе киноформных преломляющих профилей и оптических элементов призм, полученных из кремния.

Линза из кремния для преломления Х-лучей

Преломляющие Х-излучения оптические элементы и на их базе оптические устройства (микроскопы, телескопы и др.) отличаются новыми свойствами и характеристиками, которые дают возможность получать более высокое разрешение в микроскопии, телескопии по сравнению с существующими рентгенооптическими системами. Применение, например, рентгеновских преломляющих составных линз (Рентгеновская оптика) является более перспективным направлением в исследованиях атомно-молекулярного и структурного анализа тонких плёнок, изучения скрытых слоёв, синтезированных периодических систем, например, фотонных кристаллов. Методы рентгеновской томографии базируются на применении преломляющих рентгеновские лучи линз и др. элементов рентгеновской оптики для передачи и получения рентгеновских изображений.

История рентгеновских зеркал

Многослойные покрытия подбирают для балансировки ориентационных эффектов в малоугловом отражении рентгеновских лучей. Согласно приближениям Кирхгофа в области рассеяния электромагнитных волн, где ионы отражаются от отдельной касательной поскости в точке их соприкосновения, принято называть зеркальным отражением. При этом главным фактором преломления рентгеновских лучей (РЛ) является дифракция РЛ при взаимодействии с кристаллами и именно благодаря этому впервые учёные зафиксировали волновой харктер рентгеновского излучения. В 1912 году М. Лауэ, В.Фридрихом и П.Книппингом было экспериментально доказано и получена зависимость:

2d sin q = nl, где:

• d — межплоскостное расстояние в кристалле;
• q — угол скольжения;
• n — порядок отражения;
• l — длина волны.

При прохождении РЛ чрез кристаллическую решётку обнаруживается интерференционный характер после прохождения РЛ и экспериментально получены зависимости между межплостным расстоянием кристалла, углом скольжения и длиной проходящей эдектромагнитной волны. Получены значения длин волн. Рентгеновсие лучи (мягкие,жёсткие) по своему размеру близки к межплоскостным расстояниям в кристаллах.(порядок 10^-4 до 10² Å и гамма-излучения в диапазоне — от 10^-14 до 10^-8 м))и т.д. Слои покрытий по толщине находятся в пределах межплоскостных расстояний кристаллов и их применяют для получения нужных параметров преломления (каждый слой имеет свою кристаллическую решётку), похожих на многолинзовые объективы для лучей видимого спектра света. Откуда влияние шереховатости поверхностей и многослойности покрытий являются определяющим фактором.

Области применения

Макет телескопа XMM-Ньютона

В наиболее коротковолновой части диапазона 0,01-0,02 нм рентгеновские зеркала позволяют фокусировать излучение синхротронов или рентгеновских трубок на исследуемые объекты или формировать параллельные пучки. В частности, их применение увеличивает эффективность рентгеновских трубок в 30-100 раз, что делает возможным заменить синхротронное излучение в ряде биологических, структурных и материаловедческих исследований. Приблизительно в этом же диапазоне лежит излучение высокотемпературной плазмы (лазерной и ТОКАМАКов). Здесь зеркала нашли применение как дисперсионные элементы для спектральных исследований.

В диапазоне 0,6-6 нм лежит характеристическое излучение легких элементов(бора, фосфор). Здесь рентгеновские зеркала также используются для исследования спектров в приборах элементного анализа материалов.

Широкое применение рентгеновские зеркала находя в телескопах. Рентгеновская многослойная оптика широко применяется для формирования фильтрации и управления поляризацией в синхротронных источниках. В области 10-60 нм лежат линии излучения солнечной плазмы. Объективы космических телескопов из рентгеновских зеркал и сейчас находятся на орбите и регулярно передают на Землю изображение Солнца на линиях Fe IX?Fe XI (17,5 нм) и Не II (30,4 нм).

Материалы для рентгеновских зеркал

Так как рентгеновское зеркало имеет многослойную структуру (до нескольких сотен слоев), то требует особых условий производства. Материалы для создания отражающих покрытий должны иметь сверхвысокую чистоту и осаждаются на основу зеркала напылением в вакууме. Для создания таких специальных слоев используются металлы и некоторые химические соединения. Диапазон длин волн, где будет работать зеркало и дополнительные условия и требования определяют применение тех или иных материалов для зеркала.

Наиболее употребительные материалы для производства отражающих поверхностей рентгеновских зеркал и их характеристики:

• W/Si
• W/B4C
• Cr/Sc
• W/Sc
• Ni/C
• Cr/C
• W/C
• Mo/B4C
• Mo/Si
• W/Si
• Sc/Si
• Co/C
• WC/Si
• Mo2B5/B4C
• WSi2/Si
• CrB2/C
• MoSi2/Si

По мере развития рентгеновской оптики спектр применяемых материалов значительно шире чем указанный выше (наиболее широкоупотребительные композиции), так например в длинноволновой части спектра мягкого рентгеновского излучения весьма эффективны композиции осмий-кремний и осмий-скандий-кремний, а в более жесткой части рентгеновского спектра весьма эффективен гафний и его композиции с другими элементами. Очень важно отметить также то обстоятельство, что рентгеновские зеркала при малых размерах, устройства сложные и трудоемкие в производстве, откуда их стоимость чрезвычайно высока.

В России головной организацией по производству и разработке рентгеновских зеркал является ФИАН.

См. также

• Рентгеновская оптика преломления

Литература

de:Röntgenoptik en:X-ray optics