Рентгеновская оптика

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 Å (от 10⁻¹⁴ до 10⁻⁸ м) и гамма-излучений < 10⁻⁴ Å.

Общие сведения

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.

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

Файл:Prelomlenie skolsashich X-lutshey.jpg

Схема работы рентгеновского зеркала

Основная статья: Рентгеновское зеркало

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

Основная статья: Зонная пластинка Френеля

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

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, путем 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 (Составная преломляющая линза|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

• Коллиматоры
• Кодирующая апертура

См. также

• Рентгеновский микроскоп
• Рентгеновский телескоп
• Рентгеновский лазер

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

• Сайт Рентгеновская оптика, содержащий много материалов по теме.
• Павлинский В.Г. Преломление и отражение рентгеновского излучения (Методическое пособие)
• КУЗЬМИН Р.Н. Рентгеновская оптика. Статья Соросовского Образовательного журнала