Komposit refraktiv linse

Sammensat refraktiv linse  - et sæt enkelte røntgen-refraktive linser, der giver brydning af røntgenstråler , som er arrangeret i et lineært array for at opnå fokusering af røntgenstråler i energiområdet 2-100 keV . De er en lovende retning i udviklingen af ​​moderne røntgenoptik .

Sådan virker det

I princippet ligner røntgen-refraktive linser konventionelle optiske fokuseringslinser . Disse optiske røntgenapparater blev opfundet og testet i praksis [reference 1] i 1996 af A. A. Snigirev og kolleger (IPTM RAS, Chernogolovka), og siden da har de gennemgået en ret intensiv udviklingsvej og er blevet udbredt på en række kilder synkrotronstråling til at producere højt fokuserede røntgenmikrostråler med en høj fotonfluxtæthed .

Ideen med røntgen-refraktive linser Snigirev er som følger [link 2] . Røntgenstrålers brydningsindeks er lidt mindre end en (brydningsindekset for stråler med en fotonenergi på 5-40 keV i røntgengennemsigtige materialer adskiller sig fra enhed med ), og vakuum og gasser for røntgenstråler viser sig at være optisk tættere medie end et fast stof . Derfor opfører røntgenstråler sig, sammenlignet med synligt lys , på den modsatte måde med hensyn til brydning af forskellige medier. Hvis lys fokuseres af en bikonveks linse , der kommer ind i den fra luft eller vakuum, vil røntgenstråler blive fokuseret af et bikonveks vakuumhulrum i glas, der falder ned i det fra glasset. Hvis der for eksempel laves et cylindrisk hulrum (bor et hul) i et materiale med en lav røntgenabsorptionskoefficient [Note 1] , vil dette hulrum fokusere røntgenstrålerne. Som i konventionel optik er brændvidden af ​​en sådan linse direkte proportional med krumningsradius og omvendt proportional med værdien af ​​forskellen mellem den reelle del af brydningsindekset og enhed. På grund af dets lille for røntgenstråler vil et enkelt hulrum fokusere stråler i meget stor afstand fra linsen (i størrelsesordenen hundreder af meter) selv med en hulrumsdiameter i størrelsesordenen 1 mm. Men hvis du laver en række af sådanne hulrum, vil de konsekvent aflede strålerne mere og mere fra deres oprindelige retning, hvilket reducerer brændvidden, som er lig med .

Denne idé blev først eksperimentelt bekræftet i [link 1] , hvor den første praktiske fokuserende refraktive røntgenlinse med en relativt lille brændvidde og et tilstrækkeligt højt blændeforhold blev beskrevet (fig. 1).

Den første fokuseringslinse, der blev testet, var en række af 30 cylindriske huller, 0,3 mm i diameter, boret parallelt i en blok af aluminium. Med dens hjælp lykkedes det for forfatterne at fokusere en parallel stråle af røntgenstråler med en energi på 14 keV til en plet µm i størrelse i en afstand af 1,8 m fra linsen (i tilfælde af et enkelt hulrum ville brændvidden være 54 m), og, som i tilfældet med fokusering med en optisk linse, en signifikant stigning i fotonfluxtæthed. Brændvidden af ​​en kompleks linse kan påvirkes af valget af krumningsradius for hulrummene og deres antal . Jo mindre radius og jo større antal hulrum, jo ​​mindre brændvidde.

Cylindriske refraktive linser

Teknologien beskrevet i det foregående afsnit kan bruges til at fremstille komplekse refraktive linser, der fokuserer strålen i to indbyrdes vinkelrette planer [reference 3] . For at gøre dette oprettes rækker af indbyrdes vinkelrette cylindriske huller i materialeblokken.

For at fremstille sådanne linser er det nødvendigt at anvende materialer fra kemiske grundstoffer med et lavt antal elementer for at minimere absorptionen, samtidig med at der opnås en kort brændvidde med en høj fotonfluxtæthedsforstærkning ved fokus. Linser [link 4] lavet af aluminium, borcarbid , pyrografit, beryllium og fluoroplast blev testet. De bedste resultater med hensyn til fotonflux-forstærkningsfaktoren blev opnået i Be -linser med en huldiameter på 1 mm (med en faktor på 13,6, med udsigt til at øge denne faktor til 40). Det er blevet fastslået, at sådanne linser fungerer godt med røntgenstråler i energiområdet 9-30 keV, og deres egenskaber er ikke særlig følsomme over for termiske belastninger, hvilket gør det muligt at bruge dem på stråler af superklar stråling fra undulatorer , LUR ( lineær power return accelerator ) og endda røntgenstråler lasere [link 5] .

Ulempen ved todimensionelt fokuserende linser af det betragtede simple design er de stærke sfæriske aberrationer i strålebilledet ved fokus.

Parabolske refraktive linser

Ulempen ved todimensionelle fokuseringslinser, bestående af stærke sfæriske aberrationer af strålebilledet ved fokus, blev næsten fuldstændig elimineret ved at fremstille sammensatte linser med parabolske hulrum [reference 6] . Linsens elementer er separate blokke med fordybninger i form af en omdrejningsparaboloid, og fra disse blokke er en linse samlet, som en optisk fotografisk linse sammensat af bikonvekse linser, men i dette tilfælde er disse linser vakuum eller luft tomrum [Note 2] .

Teorien om røntgenbilleddannelse ved brug af refraktive linser præsenteret i [reference 3] viser, at når man fremstiller parabolske linser fra beryllium, svarende til de testede aluminiumslinser, vil det være muligt at øge transmittansen op til 30 %, fotonfluxdensitetsforstærkningen faktor op til og opnå rumlig opløsning mindre end en mikron. En nøjagtig teori til beregning af fokusering af røntgenstråler med refraktive linser, som tager højde for de fleste af de fysiske effekter af røntgenspredning i et stof, er beskrevet i [reference 7] . [ Ref . 8] beskriver en teknologi til fremstilling og afprøvning af plane parabolske siliciumlinser, som gør det muligt at fremstille linser med en krumning af størrelsesordenen en mikron, med en brændvidde på flere millimeter og i stand til at fokusere en røntgenstråle. ind i en linje flere hundrede nanometer bred. Grundlæggende lignende linser kan fokusere røntgenstråler til et sted tæt på størrelsen af ​​diffraktionsgrænsen , hvis de er lavet med tilstrækkelig præcision.

En væsentlig fordel ved parabolske sammensatte refraktive linser af denne type er det næsten fuldstændige fravær af geometriske aberrationer i en fokuseret stråle og evnen til at arbejde med røntgenstråler op til en energi i størrelsesordenen 60 keV uden at ændre optik. Sammenlignet med røntgenspejle og krystallinske monokromatorer har refraktive linser den fordel, at de ikke ændrer udbredelsesretningen af ​​den primære røntgenstråle og kan forenkle designet af den røntgenoptiske enhed betydeligt. Derudover er komplekse refraktive fokuseringslinser meget små [Note 3] .

Sådanne linser udvikles og fremstilles allerede professionelt [Note 4] , [Reference 8] og bruges på forsøgsstationerne i mange synkrotronstrålingskilder såsom Petra-III og ESRF . Deres hovedanvendelsesområde: opnåelse af intense mikrostråler af røntgenfotoner til røntgenmikrodiffraktion, mikroskopi og andre metoder til røntgenundersøgelse af mikrovolumener af stof.

Røntgenzoom

Som bemærket i det foregående afsnit er brydningsindekset for brydningslinser ekstremt tæt på enhed, og afhænger desuden af ​​energien af ​​den indfaldende stråling. Det er let at se fra ovenstående formler, at linsens brændvidde afhænger af energien:

Det betyder automatisk, at antallet af linser i en sammensat refraktiv linse skal korrigeres for at opnå en given brændvidde, når energien af ​​de indfaldende stråler ændres i synkrotroneksperimentet. For automatisering og bekvemmelighed af denne proces blev specielle enheder opfundet med et variabelt antal linser, de såkaldte. røntgenzoom [ link 9] , som nemt og hurtigt giver en ændring i brændvidde ved en given bølgelængde (eller energi) af den indfaldende stråling.

Zoomobjektivet (fig. 3) består af flere patroner, der indeholder et forskelligt antal objektiver (2, 4, 16, 32, 64, 128 osv.). Desuden er antallet af linser i patronerne valgt på en sådan måde, at brændvidden kan justeres løbende ved at indsætte eller fjerne en eller flere patroner med linser fra røntgenstrålen. Både luftfyldte og vakuumfyldte zoomer er allerede opfundet [ref. 10] , samt en kompakt zoom i reduceret størrelse. På grund af deres enkelhed og bekvemmelighed er røntgenzoomer meget brugt på mange synkrotronstrålingskilder ( Petra-III , ESRF ).

Noter

  1. ↑ Glas, som bruges til fremstilling af optiske linser, er ikke det bedste materiale til røntgenstråler med hensyn til gennemsigtighed. Ud fra et absorptionsminimums synspunkt viste lithium og beryllium sig at være de mest egnede materialer til fremstilling af røntgen-refraktive linser.
  2. ↑ . Analogien mellem en refraktiv røntgenparabollinse og almindelige linser til fokusering af lys kan konstrueres på en anden måde. Da brydningen af ​​røntgenstråler og lys af kondenserede medier sker på den modsatte måde, så fokuseres lys fra et geometrisk optiks synspunkt af en bikonveks linse fra et stof i en kondenseret tilstand, og røntgenstråler bør fokuseret af en bikonkav linse. Så kan fokuseringslinsen opfattes som et sæt af en række bikonkave linser.
  3. ↑ Længden af ​​fokusobjektivet på 100 på hinanden følgende bikonkave linser varierer fra nogle få centimeter til et par millimeter, afhængigt af krumningsradius og den ønskede brændvidde. For eksempel havde en kompleks endimensionel parabollinse lavet af silicium med og μm testet i et af værkerne en længde langs den optiske akse på 8,4 mm ved en brændvidde på 15,6 mm
  4. ↑ For eksempel udvikler og fremstiller Fysik Institut ved Technische Hochschule i Aachen (Tyskland) [1] Arkivkopi dateret 26. april 2013 på Wayback Machine i samarbejde med ESRF (Frankrig) sammensatte refraktive røntgenlinser fra Si og Vær til røntgenmikroskoper drevet af synkrotronstråling. xray-lens.de Arkiveret 8. februar 2005 på Wayback Machine . En internt fremstillet kompleks lithiumparabollinse blev for eksempel brugt som en fokuseringskollimator ved APS til at producere superlyse røntgenmikrostråler (APS Science 2003. P.113-114)
Kilder
  1. ↑ 1 2 Snigirev, A., V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler 1996: En sammensat refraktiv linse til fokusering af højenergirøntgenstråler. Nature, 384, 49-51
  2. ↑ Fetisov G. V.  Synkrotronstråling. Metoder til undersøgelse af stoffers struktur. — 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 og 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 og Schroder WH 2001 X-Ray Micro- and 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 og 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. Konf. Ser. 186, 012073
  10. ↑ Vaughan, GBM, JP Wright, A. Bytchkov, M. Rossat, H. Gleyzolle, I. Snigireva, A. Snigirev , 2010: Røntgentransfokatorer: fokuseringsanordninger baseret på sammensatte brydningslinser. J. Synchrotron Rad. 18, 125-133