Komposit brytningslins

Sammansatt brytningslins  - en uppsättning enstaka röntgenbrytande linser som ger brytning av röntgenstrålar , som är arrangerade i en linjär array för att uppnå fokusering av röntgenstrålar i energiområdet 2-100 keV . De är en lovande riktning i utvecklingen av modern röntgenoptik .

Hur det fungerar

I princip liknar röntgenbrytande linser konventionella optiska fokuseringslinser . Dessa optiska röntgenanordningar uppfanns och testades i praktiken [referens 1] 1996 av A. A. Snigirev och medarbetare (IPTM RAS, Chernogolovka) och sedan dess har de gått igenom en ganska intensiv väg av förbättringar och har varit används ofta på ett antal källor synkrotronstrålning för att producera högfokuserade röntgenmikrostrålar med hög fotonflödestäthet .

Idén med röntgenbrytande linser Snigirev är följande [länk 2] . Röntgenstrålningens brytningsindex är något mindre än enhet (brytningsindexet för strålar med en fotonenergi på 5-40 keV i röntgengenomskinliga material skiljer sig från enhet med ), och vakuum och gaser för röntgenstrålar visar sig vara vara optiskt tätare media än ett fast material . Därför beter röntgenstrålar, jämfört med synligt ljus , på motsatt sätt med avseende på brytning av olika medier. Om ljus fokuseras av en bikonvex lins , kommer in i den från luft eller vakuum, kommer röntgenstrålar att fokuseras av en bikonvex vakuumkavitet i glas som faller in i den från glaset. Om till exempel ett cylindriskt tomrum (borra ett hål) görs i ett material med en låg röntgenabsorptionskoefficient [Not 1] kommer detta tomrum att fokusera röntgenstrålarna. Liksom i konventionell optik är brännvidden för en sådan lins direkt proportionell mot krökningsradien och omvänt proportionell mot värdet av skillnaden mellan den reella delen av brytningsindexet och enheten. På grund av dess litenhet för röntgenstrålar kommer ett enda tomrum att fokusera strålar på ett mycket stort avstånd från linsen (i storleksordningen hundratals meter) även med en tomrumsdiameter av storleksordningen 1 mm. Men om du gör en rad med sådana tomrum, kommer de konsekvent att avleda strålarna mer och mer från sin ursprungliga riktning, vilket minskar brännvidden, vilket är lika med .

Denna idé bekräftades först experimentellt i [länk 1] , där den första praktiska fokuserande brytningsröntgenlinsen med en relativt liten brännvidd och ett tillräckligt högt bländarförhållande beskrevs (Fig. 1).

Den första fokuseringslinsen som testades var en rad med 30 cylindriska hål, 0,3 mm i diameter, borrade parallellt i ett block av aluminium. Med dess hjälp lyckades författarna fokusera en parallell stråle av röntgenstrålar med en energi på 14 keV till en fläck µm i storlek på ett avstånd av 1,8 m från linsen (vid ett enda tomrum skulle brännvidden skulle vara 54 m), och, som i fallet med fokusering med en optisk lins, en signifikant ökning av fotonflödestätheten. Brännvidden för en komplex lins kan påverkas av valet av hålrummens krökningsradie och deras antal . Ju mindre radie och ju större antal tomrum, desto mindre brännvidd.

Cylindriska refraktiva linser

Tekniken som beskrivs i föregående avsnitt kan användas för att tillverka komplexa refraktiva linser som fokuserar strålen i två ömsesidigt vinkelräta plan [referens 3] . För att göra detta skapas rader av ömsesidigt vinkelräta cylindriska hål i materialblocket.

För att tillverka sådana linser är det nödvändigt att använda material från kemiska element med ett lågt antal element för att minimera absorptionen samtidigt som man erhåller en kort brännvidd med en hög fotonflödestäthetsförstärkning i fokus. Linser [länk 4] gjorda av aluminium, borkarbid , pyrografit, beryllium och fluoroplast testades. De bästa resultaten när det gäller fotonflödesförstärkningsfaktorn uppnåddes i Be -linser med en håldiameter på 1 mm (med en faktor på 13,6, med utsikten att öka denna faktor till 40). Det har fastställts att sådana linser fungerar bra med röntgenstrålar i energiområdet 9-30 keV, och deras egenskaper är inte särskilt känsliga för termiska belastningar, vilket gör det möjligt att använda dem på strålar av superbright strålning av undulatorer , LUR ( linjär kraftåtergångsaccelerator ), och även röntgenstrålar, lasrar [länk 5] .

Nackdelen med tvådimensionellt fokuserande linser av den ansett enkla designen är de starka sfäriska aberrationerna i strålbilden i fokus.

Paraboliska brytningslinser

Nackdelen med tvådimensionella fokuseringslinser, bestående av starka sfäriska aberrationer av strålbilden i fokus, eliminerades nästan helt genom att tillverka sammansatta linser med paraboliska tomrum [referens 6] . Linsens element är separata block med fördjupningar i form av en rotationsparaboloid, och från dessa block är en lins sammansatt, som en optisk fotografisk lins som består av bikonvexa linser, men i detta fall är dessa linser vakuum eller luft tomrum [Not 2] .

Teorin om röntgenavbildning med brytningslinser som presenteras i [referens 3] visar att när man tillverkar parabollinser från beryllium, liknande de testade aluminiumlinserna, kommer det att vara möjligt att öka transmittansen upp till 30 %, förstärkningen av fotonflödestätheten faktor upp till och uppnå rumslig upplösning mindre än en mikron. En exakt teori för beräkning av fokusering av röntgenstrålar med refraktiva linser, som tar hänsyn till de flesta av de fysiska effekterna av röntgenspridning i ett ämne, beskrivs i [referens 7] . [ Ref 8] beskriver en teknologi för tillverkning och testning av plana paraboliska kisellinser, som gör det möjligt att producera linser med en krökning i storleksordningen en mikron, med en brännvidd på flera millimeter och som kan fokusera en röntgenstråle på en linje flera hundra nanometer bred. Grundläggande liknande linser kan fokusera röntgenstrålar till en plats nära diffraktionsgränsen i storlek , om de är gjorda med tillräcklig precision.

En väsentlig fördel med paraboliska sammansatta refraktiva linser av denna typ är den nästan fullständiga frånvaron av geometriska aberrationer i en fokuserad stråle och förmågan att arbeta med röntgenstrålar upp till en energi i storleksordningen 60 keV utan att ändra optik. Jämfört med röntgenspeglar och kristallina monokromatorer har refraktiva linser fördelen att de inte ändrar utbredningsriktningen för den primära röntgenstrålen och kan avsevärt förenkla utformningen av den optiska röntgenenheten. Dessutom är komplexa brytningsfokuseringslinser mycket små [Note 3] .

Sådana linser utvecklas och tillverkas redan professionellt [Note 4] , [Referens 8] och används vid experimentstationerna för många synkrotronstrålningskällor som Petra-III och ESRF . Deras huvudsakliga användningsområde: erhållande av intensiva mikrostrålar av röntgenfotoner för röntgenmikrodiffraktion, mikroskopi och andra metoder för röntgenundersökning av mikrovolymer av materia.

Röntgenzoom

Som noterats i föregående avsnitt är brytningsindexet för brytningslinser extremt nära enhet och beror dessutom på energin hos den infallande strålningen. Det är lätt att se från formlerna ovan att linsens brännvidd beror på energin:

Detta innebär automatiskt att antalet linser i en sammansatt brytningslins måste korrigeras för att uppnå en given brännvidd när energin hos de infallande strålarna ändras i synkrotronexperimentet. För automatisering och bekvämlighet av denna process uppfanns speciella enheter med ett variabelt antal linser, de så kallade. röntgenzoom [ länk 9] , som enkelt och snabbt ger en förändring i brännvidd vid en given våglängd (eller energi) av den infallande strålningen.

Zoomlinsen (fig. 3) består av flera patroner som innehåller olika antal objektiv (2, 4, 16, 32, 64, 128, etc.). Dessutom väljs antalet linser i patronerna på ett sådant sätt att brännvidden kan justeras kontinuerligt genom att sätta in eller ta bort en eller flera patroner med linser från röntgenstrålen. Både luftfyllda och vakuumfyllda zoomar har redan uppfunnits [ref. 10] , liksom en kompakt zoom i förminskad storlek. På grund av deras enkelhet och bekvämlighet används röntgenzoomar i stor utsträckning på många synkrotronstrålningskällor ( Petra-III , ESRF ).

Anteckningar

  1. ↑ Glas, som används vid tillverkning av optiska linser, är inte det bästa materialet för röntgenstrålning när det gäller transparens. Ur absorptionsminimums synvinkel visade sig litium och beryllium vara de mest lämpliga materialen för tillverkning av röntgenbrytande linser.
  2. ↑ . Analogin mellan en refraktiv röntgenparabollins och vanliga linser för att fokusera ljus kan konstrueras på annat sätt. Eftersom brytningen av röntgenstrålar och ljus av kondenserade medier sker på motsatt sätt, så fokuseras ljuset, ur geometrisk optiks synvinkel, av en bikonvex lins från ett ämne i ett kondenserat tillstånd, och röntgenstrålar bör vara fokuserad av en bikonkav lins. Då kan fokuseringslinsen ses som en uppsättning av en serie bikonkava linser.
  3. ↑ Längden på fokusobjektivet för 100 på varandra följande bikonkava linser varierar från några centimeter till några millimeter, beroende på krökningsradien och önskad brännvidd. Till exempel hade en komplex endimensionell parabollins gjord av kisel med och μm testad i ett av verken en längd längs den optiska axeln på 8,4 mm vid en brännvidd av 15,6 mm
  4. ↑ Till exempel, Physics Institute of the Technische Hochschule i Aachen (Tyskland) [1] Arkivkopia daterad 26 april 2013 på Wayback Machine i samarbete med ESRF (Frankrike), utvecklar och tillverkar sammansatta refraktiva röntgenlinser från Si och Var för röntgenmikroskop som drivs av synkrotronstrålning. xray-lens.de Arkiverad 8 februari 2005 på Wayback Machine . En egentillverkad komplex litiumparabollins användes till exempel som en fokuseringskollimator vid APS för att producera superljusa röntgenmikrostrålar (APS Science 2003. P.113-114)
Källor
  1. ↑ 1 2 Snigirev, A., V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler 1996: A compound refractive Lens for focusing High-Energy X-rays. Nature, 384, 49-51
  2. ↑ Fetisov G. V.  Synkrotronstrålning. Metoder för att studera ämnens 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 och 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 och 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 och 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: Röntgentransfokatorer: fokuseringsanordningar baserade på sammansatta brytningslinser. J. Synchrotron Rad. 18, 125-133