Составная преломляющая линза

Составная преломляющая линза — набор одиночных рентгеновских преломляющих линз, обеспечивающих преломление рентгеновских лучей, которые расположены в линейном массиве для достижения фокусировки рентгеновского излучения в диапазоне энергий 2—100 кэВ. Являются перспективным направлением развития современной рентгеновской оптики.

Принцип действия

По принципу работы, рентгеновские преломляющие линзы похожи на обычные оптические фокусирующие линзы. Эти рентгеновские оптические устройства были изобретены и опробованы на практике в 1996 г. А. А. Снигиревым с сотрудниками (ИПТМ РАН, Черноголовка) и, начиная с этого времени, прошли довольно интенсивный путь совершенствования и начали широко применяться на ряде источников синхротронного излучения для получения остросфокусированных микропучков рентгеновских лучей с высокой плотностью потока фотонов.

Рис. 1. Схема фокусировки пучка параллельных рентгеновских лучей преломлением на ряде из N цилиндрических полостей в среде.

Идея рентгеновских преломляющих линз Снигирева заключается в следующем. Показатель преломления рентгеновских лучей немного меньше единицы (коэффициент преломления лучей с энергией квантов 5—40 кэВ в рентгенопрозрачных материалах отличается от единицы на $\sim$ $10^{-5}$), причём вакуум и газы для рентгеновских лучей оказываются оптически более плотными средами, чем твёрдое тело. Поэтому рентгеновские лучи, по сравнению с видимым светом, ведут себя противоположным образом по отношению к преломлению разными средами. Если свет фокусируется двояковыпуклой линзой, попадая в неё из воздуха или вакуума, то рентгеновские лучи будут фокусироваться двояковыпуклой вакуумной полостью в стекле, попадая в неё из стекла. Если в материале с низким коэффициентом поглощения рентгеновских лучей сделать, например, цилиндрическую пустоту (просверлить отверстие), то эта пустота будет фокусировать рентгеновские лучи. Как и в обычной оптике, фокусное расстояние такой линзы прямо пропорционально радиусу кривизны и обратно пропорционально величине $n=1-\delta$, отличия действительной части показателя преломления от единицы. Из-за малости $\delta$ для рентгеновских лучей, одиночная пустота будет фокусировать лучи на очень большом расстоянии от линзы (порядка сотни метров) даже при диаметре пустоты порядка 1 мм. Однако, если сделать ряд из $N$ таких пустот, то они последовательно будут все сильнее отклонять лучи от их первоначального направления, уменьшая фокусное расстояние, которое равно $F=R/2N\delta$.

Данная идея впервые экспериментально подтверждена в работе, где была описана первая практически действующая фокусирующая рентгеновская преломляющая линза с относительно малым фокусным расстоянием и достаточно высокой светосилой (рис.1).

Первая испытывавшаяся фокусирующая линза представляла собой ряд из 30 цилиндрических отверстий радиусом 0,3 мм параллельно просверленных в блоке из алюминия. С её помощью авторам удалось сфокусировать параллельный пучок рентгеновских лучей с энергией 14 кэВ в пятно размером $\sigma =8$ мкм на расстоянии 1,8 м от линзы (в случае одной пустоты фокусное расстояние было бы 54 м), причём, как и при фокусировке оптической линзой, наблюдалось значительное увеличение плотности потока фотонов. На фокусное расстояние комплексной линзы можно влиять подбором радиуса кривизны $R$ пустот и их числа $N$. Чем меньше радиус и больше число пустот, тем меньше фокусное расстояние.

Цилиндрические преломляющие линзы

Технология, описанная в предыдущем разделе может применяться для изготовления комплексных преломляющих линз, фокусирующих пучок в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для этого в блоке материала создаются ряды взаимно перпендикулярных цилиндрических отверстий.

Для изготовления подобных линз необходимо использовать материалы из химических элементов с низким номером $Z$, чтобы минимизировать поглощение при получении малого фокусного расстояния с высоким коэффициентом усиления плотности потока фотонов в фокусе. Проводились испытания линз, изготовленных из алюминия, карбида бора, пирографита, бериллия и фторопласта. Наилучшие результаты по коэффициенту усиления потока фотонов были достигнуты в линзах из Be с диаметром отверстий 1 мм (в 13,6 раза, с перспективой повысить этот коэффициент до 40). Установлено, что подобные линзы хорошо работают с рентгеновскими лучами из энергетического диапазона 9—30 кэВ, причём их свойства мало чувствительны к тепловым нагрузкам, что дает возможность для их применения на пучках сверхъяркого излучения ондуляторов, ЛУР (линейный ускоритель с возвратом мощности) и даже рентгеновских лазеров.

Недостаток двумерно фокусирующих линз рассмотренной простой конструкции состоит в сильных сферических аберрациях изображения пучка в фокусе.

Параболические преломляющие линзы

Файл:Parabcrl.jpg

Рис. 2. Конструкция комплексной линзы с пустотами параболической кривизны. (сверху) — конструкция одного блока линзы (двояковогнутая линза). (снизу) — составной фокусирующий «объектив» из набора параболических элементов. Толщина линзы вдоль оптической оси измеряется микронами.

Недостаток двумерных фокусирующих линз, состоящий в сильных сферических аберрациях изображения пучка в фокусе удалось практически полностью устранить, изготавливая составные линзы с пустотами параболической формы . Элементы линзы представляют собой отдельные блоки с впадинами в форме параболоида вращения, и из этих блоков собирается линза, наподобие оптического фотообъектива составленного из двояковыпуклых линз, но, в данном случае, этими линзами являются вакуумные или воздушные пустоты.

Приведенная в работе теория получения изображений в рентгеновских лучах с помощью преломляющих линз показывает, что при изготовлении параболических линз из бериллия, аналогичных испытывавшимся алюминиевым линзам, позволит повысить коэффициент пропускания до 30 %, коэффициент усиления плотности потока фотонов до $10^3$ и достичь пространственного разрешения меньше микрона. Точная теория расчета фокусировки рентгеновских лучей преломляющими линзами, учитывающая большинство физических эффектов рассеяния рентгеновских лучей в веществе, изложена в работе . В работе описана технология изготовления и испытания планарных параболических линз из кремния, позволяющая изготавливать линзы с кривизной порядка микрона, имеющих фокусное расстояние несколько миллиметров и способных фокусировать пучок рентгеновских лучей в линию шириной несколько сотен нанометров. Принципиально подобные линзы могут фокусировать рентгеновские лучи в пятно, близкое по размерам к величине дифракционного предела, если обеспечить достаточную точность их изготовления.

Существенным достоинством параболических композиционных преломляющих линз подобного типа является почти полное отсутствие геометрических аберраций в сфокусированном пучке и способность работать с рентгеновскими лучами вплоть до энергии порядка 60 кэВ без смены оптики. По сравнению с рентгеновским зеркалом и кристаллическими монохроматорами преломляющие линзы обладают тем преимуществом, что они не меняют направления распространения первичного пучка рентгеновских лучей и позволяют существенно упростить конструкцию рентгеновского оптического блока. Кроме того, комплексные преломляющие фокусирующие линзы имеют очень малые размеры.

Подобные линзы уже разрабатываются и изготавливаются профессионально, и используются на экспериментальных станциях многих источников синхротронного излучения, таких как Petra-III и ESRF. Основная область их применения: получение интенсивных микропучков рентгеновских фотонов для рентгеновской микродифракции, микроскопии и других методов рентгеновского исследования микрообъёмов вещества.

Рентгеновские трансфокаторы

Как было отмечено в предыдущем разделе, показатель преломления $n$ рефракционных линз чрезвычайно близок к единице, и, к тому же, находится в зависимости от энергии $E$ падающего излучения. Нетрудно заметить из вышеприведенных формул, что и фокусное расстояние линзы, тогда, зависит от энергии:

$F=\frac{R}{2N\delta }\sim \frac{R}{2Nn}\sim \frac{RE}{2N}$

Это автоматически означает необходимость корректировки числа линз в составной преломляющей линзе для достижения заданного фокусного расстояния, при изменении энергии падающих лучей в синхротронном эксперименте. Для автоматизации и удобства данного процесса, были изобретены специальные устройства с изменяемым числом линз, т. н. рентгеновские трансфокаторы , легко и быстро обеспечивающие изменение фокусного расстояния при заданной длине волны (или энергии) падающего излучения.

Трансфокатор (рис. 3) состоит из нескольких картриджей, содержащих разное количество линз (2, 4, 16, 32, 64, 128 и т. д.). Причём, число линз в картриджах подобрано таким образом, что фокусное расстояние можно непрерывно регулировать путём вставки или удаления одного или нескольких картриджей с линзами из рентгеновского пучка. Уже изобретены трансфокаторы как с воздушным, так и с вакуумным наполнением, а также компакт-трансфокатор уменьшенных размеров. Благодаря простоте и удобству, рентгеновские трансфокаторы широко используются на многих источниках синхротронного излучения (Petra-III, ESRF).

Примечания

Источники Шаблон:Примечания