Taitekykyinen komposiittilinssi

Komposiitti taittava linssi  - sarja yksittäisiä röntgensäteiden taittolinssejä, jotka tarjoavat röntgensäteiden taittamisen ja jotka on järjestetty lineaariseen matriisiin röntgensäteiden keskittymisen saavuttamiseksi energia-alueella 2-100 keV . Ne ovat lupaava suunta nykyaikaisen röntgenoptiikan kehittämisessä .

Kuinka se toimii

Periaatteessa röntgensäteitä taittavat linssit ovat samanlaisia ​​kuin perinteiset optiset tarkennuslinssit . Nämä optiset röntgensädelaitteet keksivät ja testasivat käytännössä [viite 1] vuonna 1996 A. A. Snigirev ja työtoverit (IPTM RAS, Chernogolovka) toimesta, ja siitä lähtien ne ovat käyneet läpi melko intensiivisen parannuspolun ja ovat olleet käytetään laajalti useissa lähteissä synkrotronisäteilyä erittäin fokusoituneiden röntgensäteiden tuottamiseen suurella fotonivuon tiheydellä .

Snigirevin röntgensäteen taittolinssien idea on seuraava [linkki 2] . Röntgensäteiden taitekerroin on hieman pienempi kuin yksikkö (säteiden, joiden fotonienergia on 5-40 keV, taitekerroin röntgenläpinäkyvissä materiaaleissa eroaa yksiköstä ) ja tyhjiö ja kaasut röntgensäteitä varten osoittautuvat olla optisesti tiheämpi väliaine kuin kiinteä aine . Siksi röntgensäteet, verrattuna näkyvään valoon , käyttäytyvät päinvastaisesti eri välineiden taittumisen suhteen. Jos valon fokusoi kaksoiskupera linssi , joka tulee siihen ilmasta tai tyhjiöstä, niin röntgensäteet tarkentuvat lasissa olevaan kaksoiskuperaan tyhjiöonteloon, joka putoaa siihen lasista. Jos esimerkiksi lieriömäinen ontelo (poraa reikä) tehdään materiaaliin, jolla on alhainen röntgensäteilyn absorptiokerroin [Huom. 1] , tämä ontelo fokusoi röntgensäteet. Kuten tavanomaisessa optiikassa , tällaisen linssin polttoväli on suoraan verrannollinen kaarevuussäteeseen ja kääntäen verrannollinen taitekertoimen todellisen osan ja yksikön välisen eron arvoon. Koska se on pieni röntgensäteiden kannalta, yksi ontelo kohdistaa säteet erittäin suurelle etäisyydelle linssistä (satojen metrien luokkaa), vaikka aukon halkaisija on 1 mm. Jos kuitenkin teet rivin tällaisia ​​aukkoja, ne poikkeavat jatkuvasti säteitä enemmän ja enemmän alkuperäisestä suunnastaan ​​vähentäen polttoväliä, joka on yhtä suuri kuin .

Tämä ajatus vahvistettiin ensimmäisen kerran kokeellisesti [linkki 1] , jossa kuvattiin ensimmäinen käytännöllinen tarkentava taitekykyinen röntgenlinssi, jolla on suhteellisen pieni polttoväli ja riittävän suuri aukkosuhde (kuva 1).

Ensimmäinen testattu tarkennuslinssi oli rivi 30 sylinterimäistä reikää, halkaisijaltaan 0,3 mm, porattu rinnakkain alumiinilohkoon. Sen avulla tekijät onnistuivat fokusoimaan 14 keV:n energian rinnakkaisen röntgensäteen 1,8 m:n etäisyydellä linssistä olevaan µm:n pisteeseen (yksittäisen aukon tapauksessa polttoväli olisi olla 54 m), ja, kuten optisella linssillä tarkennettaessa, fotonivuon tiheys kasvaa merkittävästi. Monimutkaisen linssin polttoväliin voidaan vaikuttaa aukkojen kaarevuussäteen ja niiden lukumäärän valinnalla . Mitä pienempi säde ja suurempi onteloiden määrä, sitä pienempi polttoväli.

Sylinterimäiset taittolinssit

Edellisessä osiossa kuvatulla tekniikalla voidaan valmistaa monimutkaisia ​​taittolinssejä, jotka fokusoivat säteen kahteen keskenään kohtisuoraan tasoon [viite 3] . Tätä varten materiaalilohkoon luodaan riviä keskenään kohtisuorassa olevia sylinterimäisiä reikiä.

Tällaisten linssien valmistuksessa on välttämätöntä käyttää materiaaleja kemiallisista elementeistä, joissa on pieni määrä elementtejä, jotta minimoidaan absorptio ja saavutetaan lyhyt polttoväli korkealla fotonivuon tiheyden vahvistuksella. Alumiinista, boorikarbidista , pyrografiitista, berylliumista ja fluoroplastista valmistetut linssit [linkki 4] testattiin. Parhaat tulokset fotonivuon vahvistustekijän suhteen saavutettiin Be -linsseillä , joiden reiän halkaisija on 1 mm (kertoimella 13,6, ja tämä kerroin on tarkoitus nostaa 40:een). On todettu, että tällaiset linssit toimivat hyvin röntgensäteillä energia-alueella 9-30 keV, eivätkä niiden ominaisuudet ole kovin herkkiä lämpökuormille, mikä mahdollistaa niiden käytön aaltoilijoiden superkirkkaissa säteissä , LUR. ( lineaarinen tehonpalautuskiihdytin ) ja jopa röntgensäteet . laserit [linkki 5] .

Tarkastelun yksinkertaisen suunnittelun kaksiulotteisesti tarkentavien linssien haittana on teräskuvan voimakkaat pallopoikkeamat .

Paraboliset taittolinssit

Kaksiulotteisten tarkennuslinssien haitta, joka koostui säteen kuvan voimakkaista pallopoikkeamista tarkennuksessa, eliminoitiin lähes kokonaan valmistamalla yhdistelinssejä, joissa on parabolisia aukkoja [viite 6] . Linssin elementit ovat erillisiä lohkoja, joissa on pyörimisparaboloidin muotoisia syvennyksiä ja näistä lohkoista kootaan linssi, kuten kaksoiskuperista linsseistä koostuva optinen valokuvalinssi , mutta tässä tapauksessa nämä linssit ovat tyhjiö- tai ilmalinssit tyhjiöt [Huom. 2] .

[Viite 3] :ssa esitetty teoria röntgenkuvauksesta taittolinsseillä osoittaa, että kun valmistetaan parabolisia linssejä berylliumista, kuten testattuja alumiinilinssejä, on mahdollista nostaa läpäisykyky jopa 30 %, fotonivuon tiheyden vahvistus. kerroin ja saavutetaan alle mikronin tilaresoluutio. Tarkka teoria röntgensäteiden fokusoinnin laskemiseksi taitelinssien avulla, joka ottaa huomioon suurimman osan röntgensäteen sironnan fysikaalisista vaikutuksista aineessa, on kuvattu [viite 7] . [ Viite 8] kuvaa tasomaisten parabolisten piilinssien valmistus- ja testaustekniikkaa, jonka avulla voidaan valmistaa linssejä, joiden kaarevuus on mikronin suuruusluokkaa ja joiden polttoväli on useita millimetrejä ja jotka pystyvät kohdistamaan röntgensäteen useita satoja nanometrejä leveäksi viivaksi. Pohjimmiltaan samanlaiset linssit voivat tarkentaa röntgensäteet pisteeseen, joka on kooltaan lähellä diffraktiorajaa , jos ne on tehty riittävän tarkasti.

Tämän tyyppisten parabolisten komposiittitaittolinssien olennainen etu on geometristen aberraatioiden lähes täydellinen puuttuminen fokusoidussa säteessä ja kyky työskennellä röntgensäteiden kanssa luokkaa 60 keV:n energialla optiikkaa muuttamatta. Röntgenpeileihin ja kiteisiin monokromaattoreihin verrattuna taittolinsseillä on se etu, että ne eivät muuta ensisijaisen röntgensäteen etenemissuuntaa ja voivat merkittävästi yksinkertaistaa röntgenoptisen yksikön suunnittelua. Lisäksi monimutkaiset taitekykyiset tarkennuslinssit ovat hyvin pieniä [Huom. 3] .

Tällaisia ​​linssejä kehitetään ja valmistetaan jo ammattimaisesti [Huomautus 4] , [Viite 8] ja niitä käytetään monien synkrotronisäteilylähteiden, kuten Petra-III:n ja ESRF :n, koeasemilla . Niiden pääsovellusalue: intensiivisten röntgenfotonien mikrosäteiden saaminen röntgenmikrodiffraktioon, mikroskopiaan ja muihin menetelmiin aineen mikrotilavuuksien röntgentutkimukseen.

Röntgenzooomit

Kuten edellisessä osiossa todettiin , taitekerroin linssien taitekerroin on erittäin lähellä yksikköä, ja lisäksi se riippuu tulevan säteilyn energiasta . Yllä olevista kaavoista on helppo nähdä, että linssin polttoväli riippuu sitten energiasta:

Tämä tarkoittaa automaattisesti, että yhdistetyn taittolinssin linssien lukumäärää on korjattava tietyn polttovälin saavuttamiseksi, kun tulevien säteiden energia muuttuu synkrotronikokeessa. Tämän prosessin automatisoimiseksi ja mukavuuden vuoksi keksittiin erityisiä laitteita, joissa on vaihteleva määrä linssejä, ns. röntgenzooomit [linkki 9] , jotka muuttavat polttoväliä helposti ja nopeasti tulevan säteilyn tietyllä aallonpituudella (tai energialla).

Zoom-objektiivi (kuva 3) koostuu useista patruunoista, jotka sisältävät eri määrän objektiiveja (2, 4, 16, 32, 64, 128 jne.). Lisäksi patruunoissa olevien linssien lukumäärä valitaan siten, että polttoväliä voidaan jatkuvasti säätää asettamalla tai poistamalla yksi tai useampi linssillä varustettu patruuna röntgensäteestä. Sekä ilmatäytteiset että tyhjiötäytteiset zoomit on jo keksitty [viite 10] , samoin kuin pienennetty kompakti zoomi. Yksinkertaisuuden ja kätevyyden vuoksi röntgenzoomeja käytetään laajalti monissa synkrotronisäteilylähteissä ( Petra-III , ESRF ).

Muistiinpanot

  1. ↑ Optisten linssien valmistuksessa käytettävä lasi ei ole läpinäkyvyyden kannalta paras materiaali röntgensäteille. Absorptiominimin näkökulmasta litium ja beryllium osoittautuivat sopivimmiksi materiaaleiksi röntgensäteen taittolinssien valmistukseen.
  2. ↑ . Analogia taittavan röntgenparabolisen linssin ja tavallisten valon tarkentamiseen tarkoitettujen linssien välillä voidaan rakentaa toisella tavalla. Koska röntgensäteiden ja valon taittuminen kondensoituneella väliaineella tapahtuu päinvastoin, niin geometrisen optiikan näkökulmasta valo fokusoidaan kaksoiskuperalla linssillä kondensoituneesta aineesta, ja röntgensäteet tulisi tarkennettu kaksoiskuveralla linssillä. Tällöin tarkennuslinssiä voidaan pitää sarjana kaksoiskuveria linssejä.
  3. ↑ 100 peräkkäisen kaksoiskoveran linssin tarkennusobjektiivin pituus vaihtelee muutamasta senttimetreistä muutamaan millimetriin kaarevuussäteen ja halutun polttovälin mukaan. Esimerkiksi monimutkaisen yksiulotteisen parabolisen, piistä tehdyn linssin, jonka ja jonka μm testattiin yhdessä työssä, pituus optista akselia pitkin oli 8,4 mm polttovälillä 15,6 mm.
  4. ↑ Esimerkiksi Technische Hochschulen fysiikan instituutti Aachenissa (Saksa) [1] Arkistokopio 26. huhtikuuta 2013 Wayback Machinessa yhteistyössä ESRF :n (Ranska) kanssa, kehittää ja valmistaa komposiittitaittavia röntgenlinssejä Si:stä ja Sopii synkrotronisäteilyllä toimiville röntgenmikroskoopeille. xray-lens.de Arkistoitu 8. helmikuuta 2005 Wayback Machinessa . Esimerkiksi itse valmistettua monimutkaista litiumparabolista linssiä käytettiin APS:n tarkennuskollimaattorina tuottamaan superkirkkaita röntgensäteiden mikrosäteitä (APS Science 2003. P.113-114)
Lähteet
  1. ↑ 1 2 Snigirev, A., V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler 1996: Yhdistelmä taittuva linssi korkean energian röntgensäteiden fokusointiin. Nature, 384, 49-51
  2. ↑ Fetisov G. V.  Synkrotronisäteily. Menetelmät aineiden rakenteen tutkimiseen. — M.: FIZMATLIT. 2007. ISBN 978-5-9221-0805-8
  3. ↑ 1 2 Lengeler B., Schroer C., Tummler J., Benner B., Richwin M., Snigirev A., Snigireva I., Drakopoulos M. 1999 J. Synchrotron Rad. 6, 1153
  4. ↑ Lengeler B, Tummler J, Snigirev A, Snigireva I ja Raven C , 1998 J. Appl. Phys. 84 5855-61
  5. ↑ Schroer CG, Lengeler B, Benner B, Gunzler TF, Kuhlmann M, Simionovici AS, Bohic S, Drakopoulos M, Snigirev A, Snigireva I ja Schroder WH 2001 X-Ray Micro- ja Nano Focusing: Applications and Techniques II ed I McNulty Proc. SPIE 4499 52-63
  6. ↑ Lengeler B, Schroer CG, Benner B, Gerhardus A, Gunzler TF, Kuhlmann M, Meyer J ja Zimprich C. 2002 J. Synchrotron Radiat. 9 119-24
  7. ↑ Kohn VG , Zh. Exp. Teor. Fiz. 124, 224 (2003) [JETP 97, 204 (2003)]
  8. ↑ 1 2 Schroer CG et al 2003 Appl. Phys. Lett. 82 1485-87
  9. ↑ Snigirev, A., Snigireva, I., Vaughan, G., Wright, J., Rossat, M., Bytchkov, A. & Curfs, C. (2009a). J Phys. Conf. Ser. 186, 012073
  10. ↑ Vaughan, GBM, JP Wright, A. Bytchkov, M. Rossat, H. Gleyzolle, I. Snigireva, A. Snigirev , 2010: X-ray transfocators: tarkennuslaitteet, jotka perustuvat yhdistettäviin taittolinsseihin. J. Synchrotron Rad. 18, 125-133