Рентгенотехніка

Рентгеноте́хніка (Пулюєтехніка) (рос. рентгенотехника (пулюетехника), англ. X-ray engineering, нім. Röntgenotechnik f (Pulujitechnik f)) — сукупність методів і апаратури, за допомогою яких одержують і використовують рентгенівське (пулюєве) проміння, а також виготовляють відповідні прилади, механізми тощо.

Рентгенівська оптика — розділ оптики, що має справу з рентгенівським випромінюванням, а не з видимим світлом. Вона охоплює фокусування та інші способи керування рентгенівськими пучками для дослідницьких методик, таких як рентгеноструктурфольгиний аналіз, рентгенівська кристалографія, рентгенофлуоресцентний аналіз, малокутове розсіювання рентгенівських променів, рентгенівська мікроскопія, рентгенівська фазово-контрастна візуалізація та рентгенівська астрономія.

Рентгенівське випромінювання і видиме світло — це обидва види електромагнітних хвиль, які поширюються у просторі однаково, але через набагато вищі частоти та енергії фотонів рентгенівські промені зовсім інакше взаємодіють із речовиною. Видиме світло легко перенаправляється за допомогою лінз і дзеркал, але оскільки дійсна частина комплексного показника заломлення для рентгенівських променів у всіх матеріалів дуже близька до 1,^[1] рентгенівські промені зазвичай спершу проникають і зрештою поглинаються більшістю матеріалів без значної зміни напряму.

Рентгенівські методики

Існує багато різних прийомів перенаправлення рентгенівських променів, більшість із яких змінюють напрям лише на дуже малі кути. Найпоширенішим принципом є відбиття за умов ковзного падіння, або завдяки повному зовнішньому відбиттю^[en] на дуже малих кутах, або за допомогою багатошарових покриттів^[en]. Також використовують дифракцію та інтерференцію у вигляді зонних пластинок, заломлення у складених рефракційних лінзах^[en] (ряди багатьох малих рентгенівських лінз, що компенсують малий показник заломлення кількістю елементів), а також Бреггівське відбиття на площинах кристала у пласких або вигнутих кристалах.

Рентгенівські пучки часто колімують (звужують) за допомогою пінхолів або рухомих щілин, зазвичай із вольфраму чи іншого матеріалу з великим атомним номером (Z). Вузькі ділянки рентгенівського спектра можна виділяти монохроматорами на основі одного або кількох бреггівських відбиттів у кристалах. Також спектри можна коригувати, пропускаючи рентгенівські промені через фільтр, що зазвичай зменшує низькоенергетичну частину спектра і, можливо, ділянки вище країв поглинання^[en] відповідних елементів.

Фокусувальна оптика

Аналітичні рентгенівські методи, зокрема рентгенівська кристалографія, мало- та широко-кутове розсіяння, рентгенівська флуоресценція, рентгенівська спектроскопія і рентгенівська фотоелектронна спектроскопія потребують високої густини потоку рентгенівських фотонів на зразку. Цього досягають фокусуванням розбіжного пучка від джерела випромінювання на зразок одним із кількох можливих фокусувальних оптичних елементів. Це також корисно для методів сканувальної зондової мікроскопії, таких як сканувальна просвічувальна рентгенівська мікроскопія^[en] та сканувальна рентгенівська флуоресцентна візуалізація.

Полікапілярна оптика

Полікапілярна лінза для фокусування рентгенівських променів

Полікапілярні лінзи — це масиви малих порожнистих скляних трубок, які спрямовують рентгенівські промені завдяки численним повним зовнішнім відбиттям^[en] всередині капілярів.^[2] Масив звужується так, що один кінець капілярів спрямований у бік джерела рентгенів, а інший — на зразок. Полікапілярна оптика ахроматична, тож придатна для сканувальної флуоресцентної візуалізації та інших застосувань, де корисний широкий рентгенівський спектр. Вона ефективно збирає рентгенівське випромінювання для енергій фотонів^[en] 0,1–30 кеВ і може забезпечувати приріст потоку у 100–10000 разів порівняно з пінхолом^[en] на відстані 100 мм від джерела.^[3] Оскільки повне відбиття відбувається лише для променів, що входять у капіляри в дуже вузькому кутовому діапазоні, передаються тільки промені від малої ділянки джерела. Полікапілярна оптика не формує зображення «точка-в-точку», тож її застосовують для освітлення і збирання рентгенівського випромінювання.

Зонні пластинки

Докладніше: Зонна пластинка

Зонні пластинки — це підкладинки з концентричними зонами фазозсувного або поглинального матеріалу, причому ширина зон зменшується із ростом радіуса. Ширини зон підібрані так, щоб пропущена хвиля давала конструктивну інтерференцію в одній точці — фокусі.^[4] Зонні пластинки можна використовувати як конденсори для збирання випромінювання, а також для прямої повнопольової візуалізації (наприклад, у рентгенівському мікроскопі). Вони сильно хроматичні й зазвичай розраховані на вузький діапазон енергій, отже для ефективного збирання та високої роздільної здатності потрібне монохроматичне рентгенівське випромінювання.

Складені рефракційні лінзи

Докладніше: Складена рефракційна лінза^[en]

Оскільки показники заломлення на рентгенівських довжинах хвиль дуже близькі до 1, фокусні відстані звичайних лінз стають непрактично великими. Щоб це обійти, використовують лінзи з дуже малими радіусами кривизни^[en], складені в довгі ряди, тож їхня сумарна оптична сила стає відчутною.^[5] Оскільки для рентгенівських променів показник заломлення менший за 1, такі лінзи мають бути ввігнутими, на відміну від лінз для видимого світла, де для фокусування вони опуклі. Радіуси кривизни зазвичай менші за 1 мм, тож робоча ширина пучка становить щонайбільше близько 1 мм.^[6] Щоб зменшити поглинання випромінювання у таких стекових системах, часто застосовують матеріали з дуже малим атомним номером — Берилій або Літій. Також використовують інші матеріали: радіаційностійкі полімери (на основі епоксидів) на кшталт SU-8, нікель і кремній. Оскільки показник заломлення сильно залежить від довжини хвилі, ці лінзи є сильно хроматичними, і зміна фокусної відстані з довжиною хвилі має враховуватися у застосуваннях.

Відбиття

Схеми на основі ковзного відбиття, що застосовуються в рентгенівських телескопах: Кіркпатріка—Баєза^[en] та кілька варіантів Вольтера (Вольтер I–IV)

Базова ідея полягає у відбитті пучка рентгенівських променів від поверхні й вимірюванні інтенсивності у дзеркальному напрямку (кут відбиття дорівнює куту падіння). Показано, що відбиття від параболічного дзеркала з наступним відбиттям від гіперболічного приводить до фокусування рентгенівських променів.^[7] Оскільки вхідні промені мають падати на нахилену поверхню, збиральна площа невелика. Її можна збільшити, «вкладуючи» дзеркала одне в інше (гніздування).^[8]

Відношення інтенсивності відбитого пучка до падаючого є ентгенівською рефлективністю^[en] поверхні. Якщо межа розділу неідеально різка й гладка, інтенсивність відбиття відхилятиметься від передбаченої і розраховується формулами Френеля; ці відхилення можна проаналізувати, щоб отримати профіль густини вздовж нормалі до поверхні. Для багатошарових плівок рентгенівська рефлективність може демонструвати осциляції з довжиною хвилі, аналогічні до ефекту Фабрі — Перо. За цими осциляціями можна визначати товщини шарів та інші параметри.

Дифракція

Симетрично розміщені атоми спричиняють взаємне підсилення перерозсіяних рентгенівських фотонів у напрямках, де різниця ходу 2d sin θ дорівнює цілому кратному довжини хвилі λ

У рентгенівській дифракції пучок падає на кристал і дифрагує у багато специфічних напрямків. Кути й інтенсивності дифрагованих променів відтворюють тривимірний розподіл густини електронів у кристалі. Рентгенівські промені дають дифракційну картину, оскільки їхня довжина хвилі зазвичай має той самий порядок величини (0,1–10,0 нм), що й відстані між атомними площинами в кристалі.

Кожен атом повторно випромінює невелику частку інтенсивності вхідного пучка у вигляді сферичної хвилі. Якщо атоми розміщені симетрично (як у кристалі) на відстані d, ці сферичні хвилі будуть в фазі (конструктивно додаються) лише у тих напрямах, де різниця ходу 2d sin θ дорівнює цілому кратному довжини хвилі λ. У результаті здається, що вхідний пучок відхилився на кут 2θ, утворюючи «відбиття» на дифракційній картині.

Рентгенівська дифракція — це різновид пружного розсіяння у прямому напрямку; вихідні рентгенівські промені мають ту саму енергію (і довжину хвилі), що й вхідні, лише змінюють напрям. На відміну від цього, непружне розсіяння відбувається, коли частина енергії вхідного рентгенівського фотона передається електрону внутрішньої оболонки, збуджуючи його на вищий енергетичний рівень. Таке розсіяння зменшує енергію (збільшує довжину хвилі) вихідного пучка. Непружне розсіяння корисне для дослідження збуджень електронів, але не для визначення просторового розподілу атомів у кристалі.

Довгохвильові фотони (наприклад, ультрафіолет) не мають достатньої роздільної здатності для визначення атомних позицій. На іншому кінці спектра гамма-промені важко отримувати у великій кількості, складно фокусувати, а їх взаємодія з речовиною надто сильна, що призводить до народження пар частинка–античастинка.

Подібні дифракційні картини можна отримати розсіянням електронів або нейтронів. Рентгенівські промені зазвичай дифрагують не на атомних ядрах, а лише на навколишніх електронах.

Інтерференція

Рентгенівська інтерференція внаслідок суперпозиції двох або більше рентгенівських хвиль породжує нову картину хвильового поля. Зазвичай під рентгенівською інтерференцією мають на увазі взаємодію хвиль, що є корельованими або когерентними між собою — або тому, що походять з одного джерела, або тому, що мають однакову чи майже однакову частоту.

Дві немонохроматичні рентгенівські хвилі будуть повністю когерентними одна з одною лише тоді, коли вони мають точно той самий набір довжин хвиль і однакові фазові різниці на кожній зі складових довжин хвиль.

Загальна різниця фаз визначається сумою різниці ходу та початкової різниці фаз (якщо рентгенівські хвилі породжені двома або більше різними джерелами). Тоді можна встановити, чи приходять хвилі у фазі (конструктивна інтерференція), чи протифазно (деструктивна інтерференція).

Технології

Існує низка методів спрямування рентгенівських фотонів у потрібне місце на детекторі:

• Око лобстера;
• Дзеркала ковзного падіння у телескопі Вольтера^[7][9][10] або в рентгенівському відбивному мікроскопі Кіркпатріка—Баєза;
• Зонні пластинки;
• Вигнуті кристали;^[11]
• Дзеркала нормального падіння з використанням багатошарових покриттів;
• Лінза нормального падіння, подібна до оптичної лінзи, наприклад складена рефракційна лінза;
• Мікроструктуровані оптичні масиви^[en], тобто капілярні/полікапілярні системи;^{[12][13][14][15]}
• Візуалізація з кодованою апертурою;
• Модуляційні коліматори;
• Рентгенівські хвилеводи.

Більшість рентгенівських оптичних елементів (за винятком дзеркал ковзного падіння) дуже малі та мають бути розраховані на певний кут падіння і енергію, що обмежує їх застосування для розбіжного випромінювання. Станом на 2009, попри швидкий розвиток технології, практичні застосування поза науковими дослідженнями були обмежені. Велися зусилля з упровадження рентгенівської оптики у медичну рентгенівську візуалізацію. Наприклад, одним із найперспективніших застосувань є підвищення контрасту та роздільної здатності мамографічних знімків порівняно зі звичайними анти-розсіювальними ґратками^[en].^[16] Інше застосування — оптимізувати енергетичний розподіл рентгенівського пучка для поліпшення співвідношення контрасту до шуму^[en] порівняно зі звичайною енергетичною фільтрацією.^[17]

Дзеркала для рентгенівської оптики

Одне з дзеркал XRISM, виготовлене зі 203 шарів фольги

Рентгенівські дзеркала виготовляють зі скла, кераміки або металевої фольги з відбивним покриттям.^[1] Найчастіше використовують покриття з золота й іридію. Навіть для них критичний кут відбиття залежить від енергії: для золота на 1 кеВ він становить 2,4°.^[18]

Використання рентгенівських дзеркал одночасно вимагає:

• можливості визначати місце реєстрації рентгенівського фотона у двох вимірах;
• прийнятної детекційної ефективності.

Багатошарові структури для рентгенів

Жоден матеріал не має значної відбивної здатності для рентгенів, окрім дуже малих кутів ковзного падіння. Багатошарові структури підсилюють малу рефлективність на одній межі, когерентно додаючи невеликі амплітуди відбиття від багатьох меж. Наприклад, якщо на одній межі відбивність R = 10⁻⁴ (амплітуда r = 10⁻²), додавання 100 амплітуд від 100 меж може дати відбивність R, близьку до одиниці. Період Λ багатошарової структури, що забезпечує додавання у фазі, дорівнює періоду стоячої хвилі, утвореної вхідним і вихідним пучками: Λ = λ/2 sin θ, де λ — довжина хвилі, а 2θ — подвоєний кут між двома пучками. Для θ = 90° (нормальне падіння) період Λ = λ/2. Найменший можливий період обмежений розмірами атомів — близько 2 нм, що відповідає довжинам хвиль понад 4 нм. Для коротших хвиль доводиться зменшувати кут θ до більш ковзного падіння.

Матеріали для багатошарових структур добирають так, щоб на кожній межі відбиття було якнайбільшим, а поглинання під час проходження — якомога меншим. Зазвичай це поєднання легких, низькогустинних матеріалів для прошарку і важчих матеріалів для високого контрасту. Поглинання у важчому матеріалі можна зменшити, розміщуючи його поблизу вузлів стоячої хвилі всередині структури. Добрі матеріали-розділювачі з малим поглинанням: Be, C, B, B₄C, Si. Як контрастні шари добре працюють W, Rh, Ru, Mo.

Застосування:

• оптика нормального та ковзного падіння для телескопів від ЕУФ (EUV) до жорстких рентгенів;
• мікроскопи, експериментальні станції на синхротронах і FEL;
• ЕУФ-літографія^[en].

Пара Mo/Si використовується для майже нормальних відбивачів в EUV-літографії.

Дзеркала для жорстких рентгенів

Оптика рентгенівських дзеркал для космічної обсерваторії NuSTAR, що працює на 79 кеВ (жорстке, тобто високоенергетичне рентгенівське випромінювання), виготовлена із застосуванням багатошарових покриттів, комп’ютеризованого виробництва та інших технологій.^[19] Дзеркала використовують багатошарові покриття вольфрам/кремній (W/Si) або платина/карбід кремнію (Pt/SiC) на молірованому склі, що дозволяє реалізувати схему Вольтера.^[19]

Див. також

• Вільгельм Конрад Рентген
• Пулюй Іван Павлович
• Дзеркало Кіркпатріка—Баєза
• Рентгенівський телескоп
• Телескоп Вольтера — тип рентгенівського телескопа з дзеркалами ковзного падіння
• XMM-Newton та обсерваторія «Чандра», орбітальні обсерваторії, що використовують рентгенівську оптику
• Рентгенівська спектроскопія
• Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія
• Рентгенівська кристалографія