Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Общие сведения

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 .

История

Принципы работы

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.

Отражательная рентгеновская оптика

Рентгеновское зеркало

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).

Конусный капилляр

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 .

Дифракционная оптика

Зонные пластинки

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 .

Брэгг - френелевская оптика

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 .

Рентгеновская оптика преломления

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

Рентгеновские волноводы

Такие устройства являются аналогом устройств, используемых в обычной оптике. Излучение транспортируется по изогнутым волноводам и собирается в точку .

Другие способы построения изображения

См. также

Примечания

Литература

1. Пинскер З. Г. Рентгеновская кристаллооптика. М.: Наука, 1982.
2. Высоцкий В. И., Воронцов В. И., Кузьмин Р. Н. и др. Опыт Саньяка на рентгеновском излучении // Успехи физ. наук. 1994. Т. 164, № 3. С. 309-324.
3. Бушуев В. А., Кузьмин Р. Н. Вторичные процессы в рентгеновской оптике. М.: Изд-во МГУ, 1990.
4. Ingal V.N., Beliaevskaya E.A. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1995. Vol. 28. P. 2314.
5. Duax W.L. Holograhy with X-rays // Intern. Union Crystallography // Newsletter. 1996. Vol. 4, № 2. P. 3.
6. Элтон Р. Рентгеновские лазеры / Пер. с англ. под ред. А. В. Виноградова. М.: Мир, 1994.
7. Шмаль Г.,Рудольф Д. Рентгеновская оптика и микроскопия:Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 463 с.

Ссылки

• Павлинский В.Г. Преломление и отражение рентгеновского излучения (Методическое пособие)

Wikimedia Foundation . 2010 .

РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА - область исследований, в к-рой изучаются явления и процессы распространения рентг. излучения при его взаимодействии с веществом, а также разрабатываются элементы для рентг. приборов. При рассмотрении вопросов Р. о. рентг. диапазон условно делят на 3 области длин волн l: область жёсткого - ЖР (0,01 < l < 1 нм), мягкого - МР (1 < l < 30 нм) и ультрамягкого - УМР (30 < l < 100 нм) рентг. излучения.

Оптич. характеристики веществ в рентг. диапазоне обладают рядом особенностей. Во-первых, в рентг. диапазоне все атомы обладают низкой поляризуемостью по сравнению с более ДВ-диапазонами спектра (см. Поляризуемость рентгеновская ). Рентг. кванты взаимодействуют с электронами внутр. оболочек атомов, причём для большинства электронов их энергия связи меньше энергии рентг. кванта ђ w (w - круговая частота излучения). За исключением узких областей вблизи точных вклад фотон-электронного взаимодействия в диэлектрич. проницаемость значительно меньше, чем вклад оптич. электронов в видимой и ИК-областях (см. Дисперсия света ).По этой причине показатель преломления n в рентг. области для всех веществ мало отличается от 1 и почти во всём диапазоне |п| < 1 (только для нек-рых металлов в УМР-области |п| > 1). Элементы типа линз и призм в Р. о. практически не используются. Так, напр., собирающая линза из никеля с радиусами поверхностей r = 1 см при l = 0,1 нм должна иметь фокусное расстояние ~100 м.

Вторая особенность взаимодействия рентг. излучения с веществом - значит. фотопоглощение, связанное с большой вероятностью фотоэффекта, при к-ром рентг. квант выбивает один из внутр. электронов атома. Величина линейного коэф. поглощения m растёт с l и особенно велика в МР- и УМР-областях (для твёрдых материалов m ~10 2 -10 5 см -1), поэтому слои вещества толщиной в доли мм в МР-области и в несколько мкм в УМР-области спектра являются практически непрозрачными. Слой атм. воздуха толщиной менее 1 см полностью поглощает рентг. излучение с l > 1 нм, поэтому рентгенооптич. приборы МР- и УМР-диапазо-нов могут работать только в вакууме. В ЖР-области поглощение воздуха в масштабах обычных лаб. установок незначительно.

Как внутр. структура вещества, так и неоднородность границы раздела влияют на распространение рентг. излучения, причём характер взаимодействия зависит от соотношения между l и размером структурных неоднородностей а . В этой связи могут быть рассмотрены 2 группы явлений: Р. о. однородных и неупорядоченных сред и Р. о. сред с упорядоченной структурой ( . оптика).

Рентгеновская оптика однородных и неупорядоченных сред

По отношению к рентг. излучению однородными могут считаться вещества с аморфной структурой, а также кристаллы в случае, когда постоянная решётки a l . В предположении идеально гладкой поверхности раздела сред рассматриваются френелевское отражение и преломление рентг. излучения. В тех случаях, когда граница раздела сред неидеальна, т. е. имеются локальные отклонения профиля границы от ср. линии (шероховатость) или имеется неоднородный градиент диэлектрич. проницаемости в глубь среды, возникает рассеяние падающего рентг. излучения на границе раздела. При прохождении рентг. излучения через среду, содержащую нерегулярно расположенные структурные неоднородности с линейными размерами a l (частицы др. вещества, дефекты кристаллич. решётки и т.д.), наблюдается малоугловое рассеяние .

Френелевское отражение рентг. излучения, как и в оптике более ДВ-диапазона, связано с величиной п . В общем виде в рентг. области

где d и b - т. н. рентг. оптич. константы, к-рые могут быть представлены через атомные факторы рассеяния f 1 и f 2:

здесь N a - плотность атомов, - классич. . По порядку величины d и b изменяются от ~10 -6 -10 -5 в ЖР-области до ~10 -2 -10 -1 в УМР-области рентг. диапазона. В случае чистых металлов величину d можно оценить с помощью соотношения где Z - ат. номер, r - плотность вещества в г/см 3 , А Z - ат. вес, l выражена в нм. Величина b связана с m соотношением b = lm/4p.

Отражение рентг. излучения на идеально гладкой поверхности раздела однородная среда - вакуум для s - и р -поляризаций (см. Поляризация света ] характеризуется коэф. отражения R s и R р соответственно, рассчитываемыми по Френеля формулам . Если пренебречь поглощением излучения внутри среды (это в большей степени справедливо в ЖР-области), Снелля закон для рентг. излучения запишется в виде

где q и q" - скользящие углы падения и преломления. Для рентг. излучения |п| < 1, поэтому q" < q. При больших значениях q френелевский коэф. отражения очень мал; при нормальном падении для всех веществ он не превосходит 10 -3 для l ~ 10 нм и быстро падает с уменьшением l. Вследствие этого обычные зеркала нормального падения с однородными покрытиями неприменимы в рентг. диапазоне длин волн. При очень малых q значение q" оказывается мнимым, т. е. излучение не входит в среду, а полностью отражается. Это явление наз. полным внешним отражением по аналогии с полным внутр. отражением в оптике видимого диапазона. При условии cosq" = 1, т. е. когда преломлённый луч скользит по границе раздела, угол q = q c наз. критич. углом полного внеш. отражения: Т. о., рентг. излучение отражается от идеально гладких поверхностей однородных сред только при падении под скользящими углами q < q с, к-рые для любых веществ изменяются от долей градуса в ЖР-области до 10-20° в УМР-области спектра. При таких углах различие в коэф. отражения для разных практически отсутствует, поэтому вводится один френелевский коэф. отражения R (q).

При учёте поглощения величина R зависит также и от b, в частности вид зависимости Д(0) определяется гл. обр. отношением b/d (рис. 1). Т. к. коэф. отражения падает с уменьшением l, для каждого материала и опре-дел. угла q существует КВ-граница отражения l отр. Эта особенность используется в отражат. фильтрах скользящего падения, отсекающих КВ-часть излучения. Напр., в качестве таких фильтров могут служить зеркала из Аl (l отр > 1,2 нм, q > 2°), Ni (l отр > 1,9 нм, q > 4,5°), Сr (l отр > 2,8 нм, q > 5°) и др.

Рис. 1. Зависимость френелевского коэффициента отражения (R ) при скользящем падении от отношения q/q c при различных значениях b/d.

Рассеяние при отражении рентг. излучения от шероховатой поверхности среды - результат вторичных волн от элементарных излучателей в тонком приповерхностном слое вещества. В случае малого рассеяния (см. ниже) угл. распределение (индикатриса )отражённого излучения содержит две компоненты: зеркальный пик, соответствующий отражению от идеально гладкой поверхности и повторяющий распределение интенсивности в падающем пучке, и широкую диффузную компоненту, распределение интенсивности в к-рой определяется свойствами рассеивающей поверхности.

При случайном характере шероховатости интегральный поток рентг. излучения l д, рассеянный поверхностью однородной среды, и угл. ширина диффузной компоненты DF при определ. условиях связаны с мик-рогеометрией поверхности соотношениями

где I 0 - интенсивность падающего пучка, s и a - сред-неквадратическая высота и корреляц. радиус шероховатостей (определяется характерным масштабом изменения ф-ции корреляции профиля поверхности). Из (3) следует, что хорошие рентг. зеркала должны иметь очень гладкую поверхность. Напр., для того чтобы рассеяние не превышало 10% при l - 1 нм и q = 1 ° , значение s не должно превышать 1,5 нм. Опыт показывает, что обычная оптич. полировка даёт поверхности с шероховатостью в пределах неск. нм, "суперполировка" (или т. н. глубокая полировка) - менее 1 нм. Значения радиусов корреляции, как правило, заключены в пределах от долей мкм до неск. десятков (иногда сотен) мкм. Более точная теория рассеяния, рассматривающая в приближении теории возмущений модель шероховатой поверхности как неоднородного слоя, формирующего отражённую волну, даёт более сложную зависимость интенсивности и индикатрисы рассеяния от параметров пучка и геометрии поверхности. В частности, в практически наиболее важном случае относительно больших радиусов корреляции и углов скольжения, близких к q с, индикатриса рассеяния имеет симметричный вид и её максимум совпадает с зеркальным пиком. При очень малых а рассеяние практически полностью концентрируется в области критич. угла отражения при любых q (при q > q С это проявляется в виде т. н. эффекта Ионеды: индикатриса рассеяния имеет два пика - зеркальный, смещающийся с изменением q, и диффузный, остающийся при атом в положении, соответствующем q= q с).

На френелевском отражении основаны зеркала скользящего падения (ЗСП), применяемые для концентрации излучения в рентг. каналах синхротронов, микроанализаторах, камерах малоуглового рассеяния, рентге-носпектральных и др. приборах. Обычно используют вогнутые сферические, цилиндрические, тороидальные или эллиптические ЗСП, а также параболоиды и эллипсоиды вращения. Недостаток одиночных ЗСП - большие аберрации, гл. обр. астигматизм и кома, к-рые ограничивают в конечном итоге светосилу и предел концентрации излучения.

Для построения изображений самосветящихся или просвечиваемых объектов в рентг. телескопах и рентг. микроскопах применяются системы из двух или большего числа ЗСП. Простейшая из таких систем - система Киркпатрика - Баэза - состоит из пары скрещенных сферпч. или цилиндрич. зеркал (см. Рентгеновский микроскоп , рис. 2).

Рис. 2 . Изображающие зеркальные системы скользящего падения (системы Вольтера): а и б - системы параболоид- гиперболоид 1-го и 2-го рода; в - система гиперболоид - эллипсоид; F - действительный фокус; F" - промежуточный фокус; S - источник.

Высоким разрешением и значительно большей, чем скрещенные системы, светосилой обладают системы глубоко асферических осесимметричных ЗСП с отражающими поверхностями, имеющими форму параболоидов, гиперболоидов и эллипсоидов вращения. Для компенсации аберраций число зеркал в таких системах должно быть чётным. Наиб. распространены т. н. системы Вольтера (рис. 2): параболоид - гиперболоид, используемая в рентг. телескопах, и система гиперболоид - эллипсоид, применяемая в рентг. микроскопах. Принцип построения систем Вольтера состоит в том, что промежуточное мнимое изображение источника строится в общем фокусе 1-го и 2-го зеркал, а результирующее действительное - в сопряжённом фокусе 2-го зеркала.

Геом. апертура систем Вольтера представляет собой кольцевое отверстие, ширина к-рого определяется углом скольжения и длиной зеркал, ограниченной вследствие роста аберраций. Для увеличения апертуры используют "гнездообразные" системы из вложенных друг в друга пар зеркал с общим фокусом. Предельным случаем являются системы из неск. десятков или сотен очень коротких двойных конич. колец, для к-рых качество изображения определяется в осн. шириной кольца, а коэф. использования площади входного отверстия достигает 50% и более. Эфф. светосила ЗСП зависит также и от коэф. отражения покрытия R (q), к-рое подбирается исходя из максимума произведения q·R (q) для заданного диапазона длин волн. В МР-и УМР-диапазонах наиб. часто используют покрытия из никеля и золота, имеющие наиб. значения q·R (q).

Особый тип ЗСП - зеркала с многократным отражением, работающие по принципу "шепчущей галереи". Если направить пучок рентг. излучения под углом q < q c к поверхности изогнутого зеркала, то в результате многократных отражений от неё пучок можно повернуть на значит. угол f, к-рый может составлять десятки градусов. Коэф. отражения при этом определяется l, оптич. константами материала зеркала, f и шероховатостью отражающей поверхности. Он оказывается на неск. порядков больше, чем при однократном отражении с поворотом на тот же угол. Этот принцип применяется и в рентг. волноводах (обычно изготовляемых из кварцевых нитевидных капилляров), к-рые можно использовать для передачи излучения на расстояние в десятки см и преобразования пучков аналогично волоконным световодам видимого диапазона.

Рентгеновская оптика сред с упорядоченной структурой

В том случае, когда структура вещества упорядочена и характерный период структуры a ~ l, интерференция когерентных волн, дифрагировавших на элементах структуры, приводит к концентрации рассеянного излучения в нек-рых дискретных направлениях, в к-рых волны складываются в фазе; интенсивность этого излучения пропорц. квадрату числа элементов структуры. В рамках такого дифракц. подхода рассматриваются брэгговская оптика кристаллов, оптика многослойных отражающих покрытий, микроструктурная рентг. оптика. В первом случае в качестве рентгенооптич. элементов используют кристаллич. структуры, в последних двух - искусственно созданные объёмные или поверхностные структуры - зеркала нормального падения с многослойными покрытиями, отражательные и пропускающие дифракц. решётки, зонные пластинки Френеля, брэгг-френелевские отражатели.

Брэгговская оптика кристаллов. При взаимодействии рентг. излучения с кристаллом, когда выполняются условия Брэгга - Вульфа, возникает брэгговское отражение (см. Дифракция рентгеновских лучей ).Это явление легло в основу рентгено-спектральных методов (см. Рентгеновская спектральная аппаратура) , а также методов рентгеновской топографии . Диапазон спектра, в к-ром может использоваться тот или иной кристалл, определяется постоянной решётки 2d и диапазоном изменения (обычно от 3-5° до 60-70°) угла Брэгга q (угла между плоскостью кристалла и направлением падающего пучка). Кристаллы со структурой, близкой к идеальной, имеют наиб. высокую разрешающую силу- энергия рентг. кванта, - энергетич. ширина максимума отражения) при сравнительно небольшом значении интегрального коэф. отражения Напр., кристалл кварца при отражающей плоскости (1011) (2d = 0,6686 нм) имеет R с mах = 1,23·10 -4 и = 7700, при отражающей плоскости (2023) (2 d = 0,2750 нм) = 1,5·10 -5 и = 1·10 5 .

Мозаичный кристалл графита [плоскость (002), 2 d = 0,6708 нм] имеет = 1,52·10 -3 и = 113.

Для повышения R c , а следовательно, и светосилы прибора за счёт нек-рого снижения разрешающей силы используют мозаичные кристаллы, состоящие из множества отд. блоков, кристаллография, плоскости к-рых слегка развёрнуты друг относительно друга.

Рентгенооптич. элементы на основе кристаллов могут быть плоской, цилиндрич., сферич. или асферич. формы, к-рая им придаётся изгибом и полировкой в спец. оправках или наклеиванием (выращиванием) тонких кристаллов на подложки требуемой формы.

Дифракция ЖР-излучения на совершенном кристалле благодаря регулярному расположению атомов крис-таллич. структуры носит динамич. характер (динамич. дифракция; см. Дифракция рентгеновских лучей ),Это означает, что многократное рассеяние излучения на кристаллич. плоскостях сохраняет свои когерентные свойства, в результате чего амплитуда дифраги-ров. волн становится сравнимой с амплитудой проходящей волны. Интерференция дифрагированных и проходящей волн приводит к образованию результирующего волнового поля в кристалле, к-рое может быть представлено в виде суперпозиции волн, получивших назв. блоховских. Эфф. длина блоховской волны в кристалле принимает значение от единиц до десятков мкм, что существенно снижает требования к изготовлению рентгенооптич. элементов.

Достоинства обычных ЗПФ - относит. простота их изготовления, возможность массового воспроизводства, относит. простота расчёта параметров структуры элементов. Недостатки - низкие термич. и радиац. стойкости, ограничение рабочего диапазона длин волн (l ~ 0,5-1 нм), отсутствие возможности создания управляемых, переключаемых элементов, ограничения на апертуру и разрешение в связи с тем, что толщина оптич. элементов много больше l. В результате необходимости учёта эффекта объёмной дифракции предельное разрешение ЗПФ оценивается по ф-ле

и составляет для разл. элементов от 50 до 100 нм.

Брэгг - френелевская оптика. Использование объёмной дифракции на многослойной или кристаллич. структуре с определ. формой поверхности или изменением периода отражающих плоскостей позволяет создать оптич. элементы, совмещающие высокое пространственное разрешение ЗПФ и высокое спектральное разрешение п механич. стабильность многослойных и кристаллич. структур. Идеальная брэгг-френелевская линза (БФЛ) - трёхмерная голограмма точки, представляющая собой систему эллипсоидов или параболоидов вращения границ трёхмерных зон Френеля (рис. 7). БФЛ обладает хроматич, аберрациями, фокусирует все длины волн, отражаемые решёткой, в одну точку. Однако такая система весьма трудна в реализации, т. к. требует создания очень точной формы поверхности кристалла пли зеркала. Синтезированные БФЛ, обладая всеми свойствами объёмных БФЛ, позволяют использовать плоские кристаллы или многослойные зеркала. Совмещая объёмные зоны Френеля с идеальной объёмной решёткой, периодической или апериодической, выделяя области, в к-рых положение границ системы объёмных зон Френеля и плоскостей решётки совпадают или отличаются не больше чем на четверть межплоскостного расстояния, получают структуру синтезированной БФЛ (рис. 7).

Рис. 7 . Схема получения брэгг-френелевской зонной пластинки: А 1 и А 2 - когерентные источники; E - эллиптические изофазные поверхности; М - многослойная структура.

Изменяя коэф. отражения или фазу рассеяния от зоны к зоне, можно получить эффект фокусировки, как и в случае плоской ЗПФ. Параметрич. ур-ния пространственной структуры БФЛ:

где k - тангенс наклона элемента к оптич. оси, М 0 - относит. коэф. увеличения системы, 2a - расстояние от объекта до изображения, и -1< h < 1- параметры системы,

Трёхмерные БФЛ изготовляются из совершенных кристаллов или зеркал с МСП. Одномерные брэгг-френелевские элементы (БФЭ) с вариацией периода в объёме структуры являются дифракц. признаками. Управляя положением отражающих плоскостей БФЭ с помощью электрич., оптич. и УЗ-сигналов, можно менять коэф. отражения и фазу отражённой волны. Модулировать положение отражающих плоскостей можно также путём смещения плоскостей из отражающего положения, изменением параметра решётки (межплоскостного расстояния) внеш. воздействием, искажением формы поверхности кристалла в целом импульсными пли волновыми процессами и путём модуляции электронной плотности в кристалле. БФЭ могут быть использованы в широком диапазоне длин волн, имеют большие механич., термич. и радиац. устойчивости. На базе управляемых БФЭ можно создавать устройства сканирования рентг. пучком, модуляции и передачи информации. БФЛ, совмещённые с интерферометрами Фабри - Перо и изготовляемые на прозрачных для рентг. излучения мембранах, рассматриваются как осн. элементы для резонаторов рентг. лазеров.

Перспективы развития Р. о. связаны гл. обр. с совершенствованием технологии изготовления рентгенооп-тич. элементов (получения сверхгладких зеркальных поверхностей разд. профиля, улучшения качества поверхностей многослойных покрытий, повышения разрешения микроструктур и т. д.). Наибольшие надежды возлагаются на Р. о. многослойных покрытий и брэгг-френелевскую оптику в связи с разработкой рентг. лазеров, рентг. голографии, рентг. микроскопии и др. направлений.

Лит.: Зимкина Т. М., Фомичев В. А., Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия, Л., 1971; Burek A. J., Crystals for astronomical X-ray spectroscopy, "Space Sci. Instr.", 1976, v. 2, № 1/3, p. 53; Каули Д., Физика дифракции, пер. с англ., М., 1979; Пинскер 3. Г., Рентгеновская кристаллооптика, М., 1982; Рентгеновская оптика и микроскопия, под ред. Г. Шмаля и Д. Рудольфа, пер. с англ., М., 1987; Мишетт А., Оптика мягкого рентгеновского излучения, пор. с англ., М., 1989; Зеркальная рентгеновская оптика, под ред. А. В. Виноградова, Л., 1989; Аристов В. В., Eр-ко А. И., Рентгеновская оптика, М., 1991.

В В Аристов, А. И. Ерко, В. А. Слемзин, А. А. Снигирёе .

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)

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.