Главная » Дизайн ванной комнаты » Рентгеновская оптика. Большая энциклопедия нефти и газа

Рентгеновская оптика. Большая энциклопедия нефти и газа

< 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 .

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

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 представляет 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, то 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

Ширина зон во 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, путём 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 (составные преломляющие линзы) .

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

Напишите отзыв о статье "Рентгеновская оптика"

Примечания

Литература

Пинскер З. Г. Рентгеновская кристаллооптика. М.: Наука, 1982.
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.
Бушуев В. А., Кузьмин Р. Н. Вторичные процессы в рентгеновской оптике. М.: Изд-во МГУ, 1990.
Ingal V.N., Beliaevskaya E.A. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1995. Vol. 28. P. 2314.
Duax W.L. Holograhy with X-rays // Intern. Union Crystallography // Newsletter. 1996. Vol. 4, № 2. P. 3.
Элтон Р. Рентгеновские лазеры / Пер. с англ. под ред. А. В. Виноградова. М.: Мир, 1994.
Шмаль Г.,Рудольф Д. Рентгеновская оптика и микроскопия:Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 463 с.

Ссылки

Отрывок, характеризующий Рентгеновская оптика

– По правде вам сказать, entre nous, [между нами,] левый фланг наш бог знает в каком положении, – сказал Борис, доверчиво понижая голос, – граф Бенигсен совсем не то предполагал. Он предполагал укрепить вон тот курган, совсем не так… но, – Борис пожал плечами. – Светлейший не захотел, или ему наговорили. Ведь… – И Борис не договорил, потому что в это время к Пьеру подошел Кайсаров, адъютант Кутузова. – А! Паисий Сергеич, – сказал Борис, с свободной улыбкой обращаясь к Кайсарову, – А я вот стараюсь объяснить графу позицию. Удивительно, как мог светлейший так верно угадать замыслы французов!
– Вы про левый фланг? – сказал Кайсаров.
– Да, да, именно. Левый фланг наш теперь очень, очень силен.
Несмотря на то, что Кутузов выгонял всех лишних из штаба, Борис после перемен, произведенных Кутузовым, сумел удержаться при главной квартире. Борис пристроился к графу Бенигсену. Граф Бенигсен, как и все люди, при которых находился Борис, считал молодого князя Друбецкого неоцененным человеком.
В начальствовании армией были две резкие, определенные партии: партия Кутузова и партия Бенигсена, начальника штаба. Борис находился при этой последней партии, и никто так, как он, не умел, воздавая раболепное уважение Кутузову, давать чувствовать, что старик плох и что все дело ведется Бенигсеном. Теперь наступила решительная минута сражения, которая должна была или уничтожить Кутузова и передать власть Бенигсену, или, ежели бы даже Кутузов выиграл сражение, дать почувствовать, что все сделано Бенигсеном. Во всяком случае, за завтрашний день должны были быть розданы большие награды и выдвинуты вперед новые люди. И вследствие этого Борис находился в раздраженном оживлении весь этот день.
За Кайсаровым к Пьеру еще подошли другие из его знакомых, и он не успевал отвечать на расспросы о Москве, которыми они засыпали его, и не успевал выслушивать рассказов, которые ему делали. На всех лицах выражались оживление и тревога. Но Пьеру казалось, что причина возбуждения, выражавшегося на некоторых из этих лиц, лежала больше в вопросах личного успеха, и у него не выходило из головы то другое выражение возбуждения, которое он видел на других лицах и которое говорило о вопросах не личных, а общих, вопросах жизни и смерти. Кутузов заметил фигуру Пьера и группу, собравшуюся около него.
– Позовите его ко мне, – сказал Кутузов. Адъютант передал желание светлейшего, и Пьер направился к скамейке. Но еще прежде него к Кутузову подошел рядовой ополченец. Это был Долохов.
– Этот как тут? – спросил Пьер.
– Это такая бестия, везде пролезет! – отвечали Пьеру. – Ведь он разжалован. Теперь ему выскочить надо. Какие то проекты подавал и в цепь неприятельскую ночью лазил… но молодец!..
Пьер, сняв шляпу, почтительно наклонился перед Кутузовым.
– Я решил, что, ежели я доложу вашей светлости, вы можете прогнать меня или сказать, что вам известно то, что я докладываю, и тогда меня не убудет… – говорил Долохов.
– Так, так.
– А ежели я прав, то я принесу пользу отечеству, для которого я готов умереть.
– Так… так…
– И ежели вашей светлости понадобится человек, который бы не жалел своей шкуры, то извольте вспомнить обо мне… Может быть, я пригожусь вашей светлости.
– Так… так… – повторил Кутузов, смеющимся, суживающимся глазом глядя на Пьера.
В это время Борис, с своей придворной ловкостью, выдвинулся рядом с Пьером в близость начальства и с самым естественным видом и не громко, как бы продолжая начатый разговор, сказал Пьеру:
– Ополченцы – те прямо надели чистые, белые рубахи, чтобы приготовиться к смерти. Какое геройство, граф!
Борис сказал это Пьеру, очевидно, для того, чтобы быть услышанным светлейшим. Он знал, что Кутузов обратит внимание на эти слова, и действительно светлейший обратился к нему:
– Ты что говоришь про ополченье? – сказал он Борису.
– Они, ваша светлость, готовясь к завтрашнему дню, к смерти, надели белые рубахи.
– А!.. Чудесный, бесподобный народ! – сказал Кутузов и, закрыв глаза, покачал головой. – Бесподобный народ! – повторил он со вздохом.
– Хотите пороху понюхать? – сказал он Пьеру. – Да, приятный запах. Имею честь быть обожателем супруги вашей, здорова она? Мой привал к вашим услугам. – И, как это часто бывает с старыми людьми, Кутузов стал рассеянно оглядываться, как будто забыв все, что ему нужно было сказать или сделать.
Очевидно, вспомнив то, что он искал, он подманил к себе Андрея Сергеича Кайсарова, брата своего адъютанта.
– Как, как, как стихи то Марина, как стихи, как? Что на Геракова написал: «Будешь в корпусе учитель… Скажи, скажи, – заговорил Кутузов, очевидно, собираясь посмеяться. Кайсаров прочел… Кутузов, улыбаясь, кивал головой в такт стихов.
Когда Пьер отошел от Кутузова, Долохов, подвинувшись к нему, взял его за руку.
– Очень рад встретить вас здесь, граф, – сказал он ему громко и не стесняясь присутствием посторонних, с особенной решительностью и торжественностью. – Накануне дня, в который бог знает кому из нас суждено остаться в живых, я рад случаю сказать вам, что я жалею о тех недоразумениях, которые были между нами, и желал бы, чтобы вы не имели против меня ничего. Прошу вас простить меня.
Пьер, улыбаясь, глядел на Долохова, не зная, что сказать ему. Долохов со слезами, выступившими ему на глаза, обнял и поцеловал Пьера.
Борис что то сказал своему генералу, и граф Бенигсен обратился к Пьеру и предложил ехать с собою вместе по линии.
– Вам это будет интересно, – сказал он.
– Да, очень интересно, – сказал Пьер.
Через полчаса Кутузов уехал в Татаринову, и Бенигсен со свитой, в числе которой был и Пьер, поехал по линии.

Бенигсен от Горок спустился по большой дороге к мосту, на который Пьеру указывал офицер с кургана как на центр позиции и у которого на берегу лежали ряды скошенной, пахнувшей сеном травы. Через мост они проехали в село Бородино, оттуда повернули влево и мимо огромного количества войск и пушек выехали к высокому кургану, на котором копали землю ополченцы. Это был редут, еще не имевший названия, потом получивший название редута Раевского, или курганной батареи.
Пьер не обратил особенного внимания на этот редут. Он не знал, что это место будет для него памятнее всех мест Бородинского поля. Потом они поехали через овраг к Семеновскому, в котором солдаты растаскивали последние бревна изб и овинов. Потом под гору и на гору они проехали вперед через поломанную, выбитую, как градом, рожь, по вновь проложенной артиллерией по колчам пашни дороге на флеши [род укрепления. (Примеч. Л.Н. Толстого.) ], тоже тогда еще копаемые.

Общие сведения

История

Принципы работы

Отражательная рентгеновская оптика

Рентгеновское зеркало

Схема работы рентгеновского зеркала

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

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

Другие способы построения изображения

См. также

Примечания

Литература

Пинскер З. Г. Рентгеновская кристаллооптика. М.: Наука, 1982.
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.
Бушуев В. А., Кузьмин Р. Н. Вторичные процессы в рентгеновской оптике. М.: Изд-во МГУ, 1990.
Ingal V.N., Beliaevskaya E.A. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1995. Vol. 28. P. 2314.
Duax W.L. Holograhy with X-rays // Intern. Union Crystallography // Newsletter. 1996. Vol. 4, № 2. P. 3.
Элтон Р. Рентгеновские лазеры / Пер. с англ. под ред. А. В. Виноградова. М.: Мир, 1994.
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)

X-RAY OPTICS РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА R. N. KUZ’MIN к. з. дмбъеаз The physical principles of еУТНУ‚ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ ЛП. е.З. гУПУМУТУ‚‡ X-ray optics and its appli- cations are described. The analysis of the peculiari- В 1995 году исполнилось 100 лет с момента за- мечательного события – открытия рентгеновских ties of X-ray diffraction лучей, которое повлияло на различные области на- has been performed within учных знаний и сыграло огромную роль в практи- the system of the three- ческой деятельности человека. Рентгеновская оптика как один из разделов оп- mirror monoblock crystal- тики имеет четко определенные физические грани- line interferometer. The цы. Это обусловлено как самим происхождением Sagnac experiment on the рентгеновских лучей, так и особенностями взаимо- действия рентгеновского излучения с веществом. X-rays, X-ray images of Практическое исследование оптических свойств в the biological object, and рентгеновском диапазоне длин волн началось са- X-ray microscope are dis- мим первооткрывателем Конрадом Рентгеном. cussed. оабауЦлдаЦ лЗйвлнЗД кЦзнЙЦзйЗлдап гмуЦв к‡ТТПУЪ ВМ˚ ЩЛБЛ˜ВТ- иУ„ОУ˘ВМЛВ Л Ф ﬂПУОЛМВИМУВ ‡ТФ УТЪ ‡МВМЛВ НЛВ Ф ЛМˆЛФ˚ ВМЪ„В- ВМЪ„ВМУ‚ТНЛı ОЫ˜ВИ МУ‚ТНУИ УФЪЛНЛ Л ВВ Рентген, не зная физической природы открытых Ф ЛОУКВМЛﬂ. и У‚В‰ВМ им в 1895 году проникающих лучей, назвал их таин- ‡М‡ОЛБ УТУ·ВММУТЪВИ ственными X-лучами. Рентгеновским лучам и их ВМЪ„ВМУ‚ТНУИ ‰ЛЩ ‡Н- использованию посвящены горы книг и статей. Ни об одном открытии в физике весть не разлеталась по ˆЛЛ ‚ ТЛТЪВПВ Ъ ВıБВ - миру так быстро. Только за один год, последовав- Н‡О¸МУ„У ПУМУ·ОУ˜МУ„У ший за первым сообщением Рентгена, появилось Н ЛТЪ‡ООЛ˜ВТНУ„У ЛМ- более тысячи публикаций в научных журналах и прессе. Именно практическое применение рентге- ЪВ ЩВ УПВЪ ‡. й·ТЫК- новских лучей в медицине и технике закрепило сла- ‰ВМ˚ УФ˚Ъ л‡М¸ﬂН‡, ЛБУ- ву Рентгена. Просвечивание вещества основано на · ‡КВМЛВ ·ЛУОУ„Л˜ВТ- общем свойстве электромагнитных волн – их пря- молинейном распространении. Прохождение рент- НУ„У У·˙ВНЪ‡ Л ВМЪ„В- геновских лучей через вещество сопровождается МУ‚ТНЛИ ПЛН УТНУФ. вторичными процессами, следствием которых яв- ляется и ослабление рентгеновского пучка, описы- ваемое коэффициентом поглощения, который ха- рактеризует вещество. Он различен для разных элементов, зависит от длины волны излучения и ис- пытывает характерные скачки поглощения. Отме- тим, что это свойство создает контраст изображе- ния. Вообще вторичные процессы шире отражают процесс взаимодействия излучения с веществом, © дЫБ¸ПЛМ к.з., 1997 поэтому могут содержать дополнительную инфор- мацию об объекте. Особенно ярко проявляются вторичные процессы при взаимодействии рентге- новского излучения с кристаллами . СЛЩ ‡НˆЛﬂ ВМЪ„ВМУ‚ТНЛı ОЫ˜ВИ При взаимодействии рентгеновских лучей с кристаллами была установлена волновая природа 92 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1997 рентгеновского излучения. Сделали это М. Лауэ, При переходе рентгеновского луча из вакуума в В. Фридрих и П. Книппинг в 1912 году, когда зафик- среду с меньшим показателем преломления при уг- сировали интерференционную картину после про- ле падения, близком к 90°, наблюдается явление свечивания рентгеновскими лучами. Это была пер- полного внешнего отражения (ПВО) рентгеновских вая лауэграмма. У. Брэгг и Ю.В. Вульф независимо лучей от поверхности. При некотором критическом выразили условие интерференции в виде закона от- угле скольжения, очень малом (меньше 1′), рент- ражения геновская волна не проникает в вещество и отра- жается. Коэффициент отражения близок к едини- 2d sin θ = nλ, це. Явление ПВО происходит и для жесткого где d – межплоскостное расстояние в кристалле, θ – рентгеновского и даже гамма-излучений, но при угол скольжения, λ – длина волны, n – порядок от- этом критический угол становится предельно ма- ражения. Важным физическим выводом явилось лым – меньше 0,001 радиана. экспериментальное доказательство того, что рент- Рентгеновская оптика лучше проявляется в ди- геновские лучи представляют собой электромаг- фракционных эффектах в совершенных (идеальная нитные волны с чрезвычайно малой длиной волны решетка) кристаллах . ∼ 1 Е (10− 8 см), по порядку величины равной меж- плоскостным расстояниям в кристалле. Сам крис- талл представляет собой идеальную оптическую ре- кЦзнЙЦзйЗлдДь йинадД ийЗЦкпзйлна шетку для разложения рентгеновского излучения в дкалнДггйЗ спектр. Отражение в атомных плоскостях рентге- Необходимо сделать несколько общих вводных новских лучей происходит так же, как и в оптике от предложений для раскрытия особенности взаимо- зеркала. Только в случае кристалла имеется множе- действия рентгеновского излучения с кристаллом. ство идентичных зеркал – систем атомных плоско- Лауэ разработал геометрическую (кинематическую) стей, расположенных параллельно одна другой. Ес- теорию трехмерной дифракции и интерференции. ли кристалл установлен так, что условие дифракции В этой теории амплитуды рассеянных волн малы по Вульфа–Брэгга не выполняется ни для одной из си- сравнению с амплитудой первичной волны. В дина- стем атомных плоскостей, то брэгговского отраже- мической теории Дарвина отражение рентгенов- ния не происходит. При выполнении условия ди- ских лучей рассматривалось как последовательное фракции для двухволнового случая (падающая и многократное отражение от миллионов плоско- волна и отраженная) в рентгеновской оптике разли- стей, составляющих кристалл. Ч. Дарвин получил чают две крайние схемы наблюдения дифракции. В формулу, которая правильно учитывала отражение схеме Лауэ рентгеновские лучи проходят через кри- от идеального кристалла в некотором конечном ин- сталл, отражаясь от семейства атомных плоскостей, тервале углов около угла Брэгга. Глубина проникно- перпендикулярных поверхности кристалла. В этом вения рентгеновских лучей в образец при этом ми- случае поток энергии волн, выходящих с нижней нимальна. Она носит специальное наименование границы (для непоглощающего излучения) кристал- длины экстинкции и составляет несколько микрон. ла, равен потоку энергии, падающей на кристалл. Вдали от угла дифракции проникновение рентге- В случае дифракции по Брэггу существует область новских лучей характеризуется обычным экспонен- углов скольжения, в пределах которой происходит циальным поглощением, которое составляет не- полное отражение падающей волны на кристалл. сколько десятков микрон для кристалла из кремния. Отметим, однако, что любое электромагнитное из- Еще одна изумительная теория дифракции была со- лучение, встречая преграду на своем пути, изменяет здана П.П. Эвальдом. Она предвосхитила много- направление потока квантов, луч преломляется, а волновые эффекты в рентгенооптике. Сфера отра- по мере продвижения через среду и поглощается. жений, которую принято называть сферой Эвальда, Поэтому закон отражения Вульфа–Брэгга является связала воедино векторы падающего и рассеянного только первым приближением вследствие того, что квантов с векторами обратной решетки кристалла. преломление влияет и на угол отражения. Стоит отметить, что в теориях Дарвина и Эвальда Физическим следствием этого является то, что содержались элементы зонной структуры твердых для рентгеновских лучей действительная часть по- тел. Область сильного отражения отвечает запре- казателя преломления меньше единицы лишь на щенной зоне. В дальнейшем было обнаружено экс- малую величину δ ∼ 10− 5, поэтому их преломление периментально, что интенсивность рассеяния рент- незначительно. Показатель преломления настолько геновских лучей не совпадает с рассчитанной по близок к единице, что вогнутые преломляющие дарвиновским формулам, а превышает ее примерно линзы должны иметь неприемлемо большие фокус- в десять раз. Поэтому Дарвин предположил, что ные расстояния и огромную кривизну у краев линз. реальные кристаллы несовершенны и состоят из В результате рентгеновские кванты полностью по- блоков мозаичной структуры, в которой каждый глотятся на периферии линз. Таким образом, в отдельный блок кристалла обладает совершенной рентгеновском диапазоне не удается использовать решеткой, но слегка повернут относительно со- линзы, аналогичные оптическим. седних блоков. Данная теория легла в основу дмбъеаз к.з. кЦзнЙЦзйЗлдДь йинадД 93 рентгеноструктурного анализа кристаллов, огром- электронным поглощением на атомах, их положе- ной ветви рентгеновской оптики, которой мы здесь нием в структуре кристалла и фазами отражения. касаться не будем. Поскольку поглощение зависит от угла падения, то Современная динамическая теория дифракции интенсивность вторичного процесса также зависит в совершенных кристаллах восходит к Лауэ, кото- от него. Измерения интенсивности рентгеновской рый заменил точечные дипольные резонаторы флуоресценции при двухлучевой дифракции на Эвальда на непрерывную электронную плотность. совершенном кристалле впервые выполнил Бат- Распространение и дифракция плоских монохрома- терман. Рентгеновское флуоресцентное излучение тических волн описываются уравнениями Максвел- выходит с больших глубин, поэтому его экспери- ла и материальным уравнением, устанавливающим ментальная кривая оказалась обращенной к кривой связь между возмущением и откликом диэлектриче- отражения. Не имея особенностей, она не содержала ской проницаемости среды или ее поляризуемости. дополнительной информации о структуре кристал- Появление совершенных кристаллов кремния и ла. Но начало было положено. Со временем методи- германия – основных “кирпичиков” современной ка была усовершенствована и позволила определять микроэлектроники – привело к интенсивному изу- положение примесных атомов на поверхности по- чению динамических эффектов, которые больше лупроводниковых монокристаллов. всего проявляются в аномальном слабом поглоще- Таким образом, новой возможностью явилась нии рентгеновских лучей при прохождении их через регистрация вторичных процессов одновременно с идеальный кристалл в условиях дифракции. Это наблюдением брэгговского рассеяния. Амплитуда открытие случайно сделал Х. Борман. Физически эффект Бормана можно представить как явление стоячей рентгеновской волны слабо зависит от от- каналирования незаряженных частиц – квантов клонения от точного брэгговского угла, но в то же рентгеновского излучения – через щель между плос- время фаза волны резко изменяется с угловым от- костями кристалла. При пропускании параллель- клонением, обусловливая этим движение узлов и ного монохроматического рентгеновского пучка пучностей поля относительно отражающих плоско- через клинообразную кристаллическую пластинку стей. Этот факт непосредственно проявляется в уг- можно наблюдать на фотопластинке максимумы и ловой зависимости выхода фотоэлектронов. Иссле- минимумы, представляющие собой интерференци- дуя угловую зависимость рассеяния рентгеновских онные полосы. квантов PR (рис. 1) вблизи брэгговского угла, можно наблюдать сильную аномалию, состоящую в резком В двухволновом приближении в каждом из двух уменьшении выхода фотоэлектронов κ от угла от- полей имеет место периодическая модуляция по клонения от точного значения θБ. глубине кристалла, которая возникает в результате интерференции преломленной и дифрагированной волн. Период модуляции совпадает с периодом ре- κ шетки, а максимумы и минимумы двух полей (или соответствующие пучности и узлы) смещены на по- ловину периода. В результате фотоэлектронное по- 1,4 глощение, играющее основную роль при взаимо- действии рентгеновских лучей с кристаллом, резко возрастает для того поля, максимумы которого ле- жат на атомных плоскостях, и падает в противном случае. Возникает как бы стоячая волна. Период та- 1,0 кой волны-линейки жестко связан с периодом пов- торяемости. Слегка изменяя угол падения в некотором PR конечном интервале вблизи угла Брэгга, можно совмещать либо пучности волны, либо ее узлы с атомными плоскостями. Отсюда следует, что стоя- 0,4 чая рентгеновская волна представляет собой уни- кальную инструментальную технику измерения длины в масштабах межатомных расстояний. Рент- геновская стоячая волна возбуждает атомы крис- талла, а они, в свою очередь, испускают вторичное 0 излучение. Это излучение может быть в виде рент- –60 –40 0 40 60 ∆θ геновского флуоресцентного, комптоновского, теп- лового диффузного рассеяния, представлять собой Рис. 1. Типичные кривые фотоэмиссии κ и отра- внешний и внутренний фотоэффекты. Интенсив- жения PR в случае симметричного (111)-отраже- ность вторичного процесса прямо связана с фото- ния от кристалла германия, излучение Cu Kα 94 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1997 Для прикладных целей , по-видимому, наи- кЦзнЙЦзйЗлдаЦ азнЦкоЦкйеЦнкх больший интерес представляет использование в ме- а кЦбйзДнйкх тодике стоячих рентгеновских волн именно фото- Рентгеновский пучок можно разделить на два с электронной эмиссии. В частности, кривая выхода помощью кристаллического зеркала, затем после- фотоэмиссии обладает высокой чувствительностью дующей дифракцией на втором кристалле свести их к степени аморфизации поверхности. Малая глуби- в плоскость третьего. Такой прибор, построенный на выхода фотоэлектронов, высокая чувствитель- по классической оптической схеме, имеет в данном ность к структурным искажениям вблизи поверхно- случае вместо зеркал и призм другие отражающие сти кристалла, сравнительно простая методика элементы – кристаллические плоскости (рис. 2). эксперимента определяют преимущества перед ре- При смешивании когерентных пучков в кристалли- гистрацией других вторичных продуктов атомных ческом интерферометре также образуются стоячие реакций. Дальнейшее развитие методики связано с рентгеновские волны. Важную роль в развитии энергетическим анализом фотоэлектронов, посколь- рентгеновской интерферометрии сыграли работы ку наличие корреляции между энергией электронов У. Бонза и М. Харта. Обнаруженный ими, а затем и глубиной их выхода открывает возможность по- другими исследователями эффект муара привел к слойного неразрушающего контроля структурного разработке рентгеновской топографии. Муар очень совершенства тонких (от одного микрона до не- чувствителен к изменениям периодов решетки кри- скольких нанометров) приповерхностных слоев сталлов вплоть до величины ∆d / d = 10− 7. Легкая де- кристаллов. формация изменяет картину муара, что позволяет Основу послойного анализа составляют вероят- идентифицировать различные типы нарушений и ности выхода фотоэлектронов с различной глубины. создавать атомный стандарт массы. Для их получения используются угловые зависимо- Рентгеновский прибор с замкнутой траектори- сти выхода фотоэлектронов различных энергий в ус- ей луча представляет собой кристаллический ре- ловиях Брэгг–Лауэ дифракции при скользящем па- зонатор. Л.А. Ривлин впервые рассмотрел условия дении рентгеновских лучей на образец. образования кольцевой (замкнутой) траектории Позднее освоение скользящего падения произо- рентгеновского излучения на основе отражения от шло, вероятно, потому, что симметричная дифрак- плоскостей кристалла и ПВО. Он также оценил ция давала достаточно сведений о дефектной струк- добротность резонатора, которая оказалась боль- туре совершенных кристаллов. Была достигнута ше 109. Кристаллические резонаторы обладают огромная точность в рентгеновской дифрактомет- рии двух- и трехкристальных схем. В трехканальном дифрактометре после монохроматора, изготовлен- O ного из совершенного кристалла, рентгеновский пучок с малой (секундной) расходимостью попадает на образец. Далее третьим совершенным кристал- лом анализируется угловое распределение интен- сивности, отраженной образцом. Промер кривой отражения осуществляется с точностью до долей се- кунды. Гониометр с пьезоэлементом обеспечивает точность углового перемещения кристалла не хуже 10− 5 радиана. Ранее было отмечено, что при выходе из области сильного отражения рентгеновские лучи почти на порядок глубже проникают в кристалл. Вместе с тем глубина, с которой выходит дифраги- рованное излучение, уменьшается по мере удале- 1 2 3 ния от угла θБ и даже может стать сравнимой с меж- плоскостным расстоянием. Она уникальна в том смысле, что точность измерения переходных слоев между пленками достигает десятых долей нанометра. Можно представить ситуацию, в которой одно- временно с зеркальным отражением имеет место и брэгговская дифракция от плоскостей, перпенди- кулярных поверхности. В подобном эксперименте Рис. 2. Схема рентгеновских пучков в трехкрис- падающая, преломленная и отраженная волны не тальном интерферометре состоит из трех отдель- лежат в одной плоскости, поэтому схема называется ных монокристаллов, вырезанных из большого совершенного кристалла кремния: 1 – раздели- некомпланарной. Подобные работы положили на- тель, 2 – зеркало, 3 – анализатор. Изменение чало опытам по реконструкции атомарной поверх- фазы рентгеновского луча возникает при поме- ности кристаллических тел. щении в одно из плеч интерферометра объекта О дмбъеаз к.з. кЦзнЙЦзйЗлдДь йинадД 95 удивительно высокими сверхмонохроматизирую- ляет надеяться на получение изображений с большей щими свойствами. разрешающей способностью. Последняя зависит от Интерферометры и резонаторы как точечные ин- двух факторов: длины волны и угловой апертуры. струменты можно использовать в гироскопических и Для микроскопии важен также контраст, а он может акселерометрических системах. В оптике хорошо быть достигнут за счет изменения длины волны, по- изучены особенности распространения излучения в скольку для рентгеновских лучей проникающая инерциальных и неинерциальных системах отсчета. способность различна для разных длин волн и изме- Хорошо известны эффект увлечения О.Ж. Френеля, няется в широких пределах. Например, характерис- опыты М.Г. Саньяка–Ф. Харриса, А.А. Майкельсо- тическое излучение меди по проникновению в цел- на–Х.Г. Гейля и др. Аналогичные эффекты наблю- люлозу в 103 раз превосходит электроны, создающие даются и в рентгеновской оптике . В результате изображение в электронном микроскопе при на- богатой волновой картины и чрезвычайно резкой пряжении в 105 В, а характеристическое излучение зависимости амплитуд отдельных волн и их фаз от углерода (λ = 44 Е) поглощается наполовину влаж- параметров и ориентации кристаллов вся система ной бесцветной тканью микронной толщины, кото- оказывается чувствительной к внешним воздейст- рая почти полностью прозрачна для света. Кроме виям, в том числе связанным с движением. того, наличие скачков вблизи краев поглощения элементов повышает контраст в рентгеновской ми- Система из двух монокристаллических пластин, кроскопии и позволяет проводить качественный вырезанных из одного блока, реагирует на прост- химический анализ. ранственный поворот одной из них на угол ∼ 10− 4 уг- ловой секунды (0,0001′), что недостижимо в оптике, Самый простой способ получения изображений а трехкристальный интерферометр фиксирует сме- теневой. На отбрасывании тени основаны контра- щение одного из кристаллов на величину ∼10−11 см. стная рентгеновская микроскопия (микрорадио- Простейшее проявление релятивистских эффектов графия) и проекционная микроскопия с точечным в дифракции связано с аберрацией, отражающей источником. В проекционном микроскопе рентге- смещение падающего луча на угол ∆θ = (υ / c)sin α, новские лучи проходят сквозь объект и создают его где α – угол между вектором скорости и волновым изображение на экране или фотоматериале. Влияние вектором луча. При использовании двухкристаль- на четкость изображения оказывает только образец. ного интерферометра в случае α = π /2 легко зафик- При этом лучи не отражаются и не преломляются в сировать этот эффект при поступательном или пе- каком-либо устройстве. Предельная разрешающая риодическом движении одного из монокристаллов сила не зависит от апертуры. Принципиально она со скоростью υ ∼ 1 см/с. В оптике для обнаружения ограничена френелевской дифракцией, а практи- этого эффекта нужны установки космических мас- чески – размерами источника и разрешением реги- штабов. Опыт Саньяка в рентгеновском диапазоне стрирующего материала: фотопленка, резист. Для позволяет определять параметры неинерциального популярного рентгеновского резиста полиметил- движения, в частности угловую скорость вращения метакрилата наилучшее разрешение меньше 100 Е. Земли, с использованием интерференции волн, обе- Кристаллические отражатели, фокусирующие гающих во встречных направлениях контур во вра- устройства также можно использовать в рентгенов- щающемся с известной угловой скоростью интер- ских микроскопах. Первоначально они создавались ферометре . для рентгеновских фокусирующих спектрометров (Дж.В.М. Дю-Монд и П. Кирпатрик, У. Кошуа и кЦзнЙЦзйЗлдав еадкйлдйи Дж.З. Иогансон). Особо заслуживает упоминания сферическое изогнутое зеркало Рамачандрана и Та- Устойчивый интерес к рентгеновской оптике такари. Монокристалл слюды был ими прикреплен диктуется практическими задачами рентгеновской на конце откачанной вакуумной трубки. От такого микроскопии. Несмотря на то что был достигнут зеркала рентгеновские лучи при дифракции отобра- значительный прогресс в изготовлении искусст- жали точечный источник в точку. Несмотря на иден- венных периодических структур (штрих-решеток), тичность оптическому изображению, в этом случае гладких поверхностей и многослойных зеркал, имеется предел разрешения в 0,1 мкм, обусловлен- принципиальная трудность в создании рентгенов- ный реальной шириной кривой отражения. ских микроскопов и телескопов не преодолена. Так как для рентгеновских лучей n < 1, а для оптики n > 1, Новейшая история рентгеновских микроскопов то линзы, фокусирующие свет, заставят рентгенов- связана с созданием зонных пластинок и дифрак- ские лучи расходиться, а отрицательные линзы бу- ционных решеток. Эти дифракционные элементы дут действовать как положительные, хотя и с очень представляют собой либо концентрические окруж- малой оптической силой. Нетрудно рассчитать, что ности с разностью диаметров менее 100 нм, либо фокусное расстояние стеклянной линзы для рентге- прямые штриховые дифракционные решетки. Чрез- новских лучей с λ = 10− 8 см в 105 раз превосходит ее вычайно точное изготовление решеток обеспечива- фокусное расстояние в области видимого света. Од- ет сохранение одной и той же фазы для одинаковых нако малая длина волны рентгеновских лучей позво- ее элементов. Процесс образования изображений 96 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1997 зонными пластинками с большим числом зон под- чиняется тем же закономерностям, что и при ис- пользовании тонких линз. Известны устройства диаметром до 9 мм и числом зон до 4 ⋅ 104, установ- a ленные на накопительном кольце электронов. Обычно зонные пластинки с высоким разрешением имеют малые размеры – от 20 до нескольких мик- A рон. Такие пластинки называются микрозонными. Многослойные структуры (МИС), состоящие из чередующихся слоев двух различных веществ, при толщине слоя, начиная с моноатомного, перспек- тивны для использования их в качестве отражающих и дисперсионных элементов. Подобные структуры, θБ нанесенные на слегка искривленные подложки, α позволяют фокусировать и концентрировать излу- чение в существенно большем угле, чем однород- ные структуры. Прямым аналогом оптического ин- Рис. 3. Сжатие рентгеновского пучка в асиммет- терферометра Фабри–Перо является структура, в ричной дифракции. А – ширина падающего пучка которой два идентичных многослойных периодиче- на монокристалл, кристаллические отражающие ских зеркала разделены слоем слабопоглощающего плоскости параллельны основанию; а – ширина после дифракции вещества с толщиной, значительно превышающей период многослойной структуры. Слабопоглощаю- щая (углеродная) пленка является резонансной по- Развитием рентгеновского просвечивания явля- лостью и аналогична оптической пластинке. ется метод фазовой дисперсионной интроскопии Новые типы рентгенооптических устройств мо- (радиографии), который применяется к анализу гут быть получены комбинированием микрострук- мягких тканей биологических объектов. Рассмот- тур, представляющих собой отражательные элемен- рим схему метода (рис. 4). Рентгеновский коллими- ты: дифракционные решетки, зонные пластинки и рованный пучок двумя монохроматорами форми- т.д., у которых отражающие области изготовлены по руется в параллельный (слаборасходящийся ∆θ ≈ типу МИС. Подобные устройства могут работать ≈ 0,1″–0,5″) широкий поток рентгеновских лучей, при больших углах скольжения вплоть до нормаль- который проходит через объект. В нем он ослабляет- ного падения в случае мягкого рентгеновского из- ся за счет частичного поглощения и, главное, пре- лучения. ломляется из-за неоднородного распределения плотности вещества в объекте, что приводит к изме- Известны различные фокусирующие кристал- нению фазы волны в плоскости волнового фронта за лические системы, повышающие плотность потока объектом. Прошедшее излучение анализируется вы- рентгеновского излучения. Примером может слу- сокосовершенным кристаллом-анализатором. Это жить асимметричная дифракция. В этом случае рентгеновское излучение падает на кристалл, в ко- фазово-модулированное излучение испытывает тором отражающие плоскости по отношению к по- дифракционное рассеяние, характер которого зави- верхности расположены под некоторым углом. Из- сит как от ориентации анализатора, так и от слож- меняя этот угол, можно достичь такого положения, ного интерференционного поведения поля на его когда отраженный луч окажется практически под поверхностью (рис. 3). 2 3 5 Для создания идеальной коллимации рентге- 5 6 новского излучения используется многолучевая ди- 7 фракция. Эта N-лучевая дифракция отличается от 8 двухволнового случая тем, что условия Брэгга T должны одновременно выполняться для системы 1 4 атомных плоскостей. В настоящее время экспери- R ментально изучены шести-, восьми- и даже двенад- цатилучевая дифракции. При этом одним из наибо- лее ярких когерентных эффектов, сопровождающих многоволновое рассеяние в совершенных кристал- Рис. 4. Схема опыта по фазовой дисперсионной лах, является многоволновой эффект Бормана. В рентгеновской интроскопии: 1 – рентгеновская экспериментах в этом случае формируется практи- трубка, 2 – щелевой коллиматор, 3 – первый крис- талл-монохроматор, 4 – второй кристалл-моно- чески коллимированный пучок с очень малой рас- хроматор, 5 – щели, 6 – объект (аквариумная рыб- ходимостью (∼10− 6 радиан), усиленный в 103 по ка), 7 – кристалл-анализатор, 8 – детектор (фото- сравнению с двухволновым случаем. пленка) дмбъеаз к.з. кЦзнЙЦзйЗлдДь йинадД 97 а Видны только позвоночник и ребра. Остальные де- тали мягких тканей и внутренностей не проявляют- ся. Последующие фото получены с использованием фазово-дисперсионной интроскопии: б – изображе- ния в Т-пучке, угол поворота анализатора ∆θ = 1″ ; в – в Т-пучке и г – ∆θ = −1″ в R-пучке. Изображение становится более информативным и рельефным. Помимо костей видны спинной нерв, грудные плавники, рыбий воздушный пузырь и даже мелкий б червячок в желудке рыбки, которого она проглоти- ла перед рентгеновской съемкой. Высокая фазовая чувствительность метода нахо- дится вне конкуренции с другими методами, что обеспечивает ему блестящую перспективу в диагно- стике раковых образований на ранних стадиях . Ясно, что рентгеновская оптика будет разви- ваться. Определенные успехи достигнуты в области в Глаз Позвоночник рентгеновской голографии . Можно полагать, что новые открытия произойдут после создания ла- зеров ангстремного диапазона длин волн . Ребра Автор признателен В.Н. Ингалу и Е.А. Беляев- ской за предоставление оригинала рентгеновского Рот снимка рыбки для публикации. Плавник г Мозг Спинной ганЦкДнмкД нерв 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 Червяк 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. Рис. 5. а – абсорбционное изображение (без анализатора) аквариумной рыбки (4 см длиной и 4. Ingal V.N., Beliaevskaya E.A. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 0,5 см толщиной) в рентгеновском излучении 1995. Vol. 28. P. 2314. МоКα , видны только позвоночник и ребра; б–г – фазовое дисперсионное изображение аквариум- 5. Duax W.L. Holograhy with X-rays // Intern. Union ной рыбки. Пояснения см. в тексте Crystallography // Newsletter. 1996. Vol. 4, № 2. P. 3. 6. Элтон Р. Рентгеновские лазеры / Пер. с англ. под поверхности. Отраженный (R) и прошедший (T) пуч- ред. А.В. Виноградова. М.: Мир, 1994. ки регистрируются рентгеновской пленкой. Эта тех- ника близка к интерферометрической схеме рис. 2, * * * когда в один из разделенных пучков вставляется ис- следуемый объект. В новой схеме изменяется угол Рунар Николаевич Кузьмин, доктор физико-ма- кристалла-анализатора по отношению к направле- тематических наук, профессор физического фа- нию падающего пучка, что позволяет подбирать культета Московского государственного универси- лучший контраст в изображении объекта. Малей- тета им. М.В. Ломоносова, специалист в смежных шие изменения фазы волны приводят к значитель- областях физики твердого тела, прикладной ядер- ному усилению контраста изображения по сравне- ной физики и оптики. Директор Института синерге- нию с обычным просвечиванием. тики Академии творчества при Московском универ- ситете. Первый вице-президент Общенациональной На рис. 5, а показано абсорбционное изображе- академии знаний. Автор более 250 статей, десяти ние четырехсантиметровой аквариумной рыбки. монографий и учебных пособий. 98 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹2, 1997

Напечатать