Óptica de rayos X

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La óptica de rayos X  es una rama de la óptica aplicada que estudia la propagación de los rayos X en los medios y también desarrolla elementos para dispositivos de rayos X. La óptica de rayos X, a diferencia de la óptica convencional, considera la reflexión y refracción de ondas electromagnéticas en el  rango de longitud de onda de rayos X de 10 −4 a 100 Å (de 10 −14 a 10 −8 m ) y radiación gamma < 10 −4 Å .

Información general

Una de las razones del desarrollo de la óptica de rayos X es la posibilidad de obtener imágenes de objetos increíblemente pequeños en microscopios de rayos X aumentando la resolución de los sistemas ópticos utilizando longitudes de onda más cortas. También la óptica de rayos X se utiliza en láseres de rayos X y telescopios de rayos X.

Los materiales utilizados en la óptica convencional no son aplicables en la óptica de rayos X debido a la proximidad a la unidad del índice de refracción de los rayos X para todas las sustancias. En otras palabras, los rayos X atraviesan la materia casi sin cambiar su dirección. Además, los rayos X son fuertemente absorbidos y dispersados ​​en la materia debido al efecto fotoeléctrico y al efecto Compton .

La óptica de rayos X tiene características en comparación con la óptica convencional, por ejemplo, una capa de aire de 1 cm de espesor es casi completamente opaca a los rayos X suaves. Por lo tanto, se requiere vacío para el funcionamiento de los sistemas ópticos de rayos X en el rango de rayos X blandos , y los telescopios de rayos X se lanzan al espacio .

Historia

La óptica de rayos X se remonta al descubrimiento de los rayos X en 1895 por Wilhelm Conrad Roentgen . Tras el descubrimiento, se inició el estudio de las propiedades ópticas de las ondas en el rango de los rayos X, lo que condujo a su aplicación práctica en medicina y tecnología. 1901 , por su descubrimiento, Roentgen recibió el primer premio Nobel. En 1912, Max Laue , Walter Friedrich , Paul Knipping determinaron la naturaleza ondulatoria de los rayos X. Cuando los rayos X interactuaron con los cristales, se registró un patrón de interferencia. Laue fue galardonado con el Premio Nobel en 1914 por el descubrimiento de la difracción de rayos X por cristales . Al mismo tiempo, William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg trabajaban en la Universidad de Leeds y en 1913 , mientras estudiaban la interacción de los rayos X con la materia, establecieron una ley que lleva su nombre. Como resultado, apareció un nuevo método para estudiar la estructura atómica de una sustancia: el análisis de difracción de rayos X.

,

donde - ángulo de deslizamiento - ángulo adicional al ángulo de incidencia, λ - longitud de onda , n (n = 1.2 ...) - un número entero llamado orden de difracción .

En 1915, el padre y el hijo de Braggy recibieron el Premio Nobel de Física por sus contribuciones al estudio de los cristales utilizando rayos X.

George Wulf , independientemente de los Bragg, llegó a la misma conclusión en 1913, razón por la cual la ley de difracción de Bragg también se denomina condición de Wulf-Bragg .



Principios de funcionamiento

La tarea principal de la óptica de rayos X es el enfoque de los rayos X. Por lo tanto, la distancia focal y el ancho del haz de salida son las características más importantes de los sistemas ópticos. Existen varios tipos de sistemas ópticos según el principio de funcionamiento.

Óptica reflectante de rayos X

Espejo de rayos X

El reflejo de las ondas electromagnéticas desde la interfaz entre dos medios se describe en óptica mediante las fórmulas de Fresnel . Cuando los rayos X caen sobre un espejo con ángulos de incidencia cercanos a los normales , el coeficiente de reflexión resulta ser demasiado pequeño, es decir, los rayos X prácticamente no se reflejan, sino que solo son absorbidos por el espejo o lo atraviesan. Por lo tanto, dichos espejos no se utilizan en la óptica de rayos X. Con un aumento en el ángulo de incidencia, aumenta el coeficiente de reflexión, lo que hace posible el uso de espejos de incidencia "oblicuos" (el haz en ellos se desliza a lo largo de la superficie del espejo) utilizados en astronomía de rayos X (ver telescopio Voltaire ).

Óptica capilar

El principio de funcionamiento de un colimador de rayos X es la transmisión de una corriente de rayos X a través de una sustancia absorbente con muchos orificios paralelos: los capilares.

Otro dispositivo capilar es el tubo capilar de enfoque, que es un tubo cónico hueco con capilares convergentes. El vacío para rayos X es un medio ópticamente más denso, por lo tanto, si un haz cae sobre una superficie lisa de un capilar en un ángulo menor que cierto crítico, entonces experimenta una reflexión total [1] . Este principio de enfoque se implementa en la óptica Kumakhov .

Óptica difractiva

Placas de zona

También se puede utilizar una placa de zona de Fresnel para enfocar los rayos X. El principio de su focalización se basa en la división del frente de onda en zonas de onda de forma que la radiación de las zonas vecinas esté en fase. Por ejemplo, si cierra (oscurece) todas las zonas de onda pares, las zonas impares abiertas restantes irradiarán frentes de onda secundarios en una fase. Como resultado de la interferencia, la intensidad en el foco se multiplicará muchas veces. Las primeras placas de zona de rayos X se obtuvieron en 1988 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore [1] .

Óptica Bragg Fresnel

El ancho de las zonas en una placa de Fresnel depende de la longitud de onda de la radiación, por lo que cuanto más monocromática sea , mejor enfoca la placa. Por lo tanto, una placa de zona se deposita sobre un solo cristal y la monocromaticidad de la radiación se asegura mediante difracción de Bragg en planos de cristal [1] .

Óptica de refracción de rayos X

En el rango de rayos X, casi todos los materiales tienen un índice de refracción cercano a la unidad, y el vacío de los rayos X es un medio ópticamente más denso que la sustancia, por lo que las lentes de enfoque deben fabricarse en forma de vacíos en el material. Además, una sola lente tendría una distancia focal extremadamente larga, lo que la haría inutilizable.

El problema de acortar la distancia focal se resuelve creando huecos de cierto tamaño y forma en un determinado material transparente a los rayos X, que se comportan como una pila de lentes, así como creando lentes parabólicas separadas, un conjunto de los cuales tiene una distancia focal bastante corta. Dichos dispositivos en la literatura en idioma inglés se denominan lentes refractivas compuestas ( composite refractive lens ) [2] .

guías de ondas de rayos X

Dichos dispositivos son análogos a los dispositivos utilizados en la óptica convencional. La radiación se transporta a lo largo de guías de ondas curvas y se recoge en un punto [1] .

Otras formas de construir una imagen

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 Pavlinskiy VG  Refracción y reflexión de rayos X. (Guía metodológica) Archivado el 15 de marzo de 2017 en Wayback Machine .
  2. ↑ Aristov V. V., Shabelnikov L. G. Avances modernos en óptica refractiva de rayos X. . Consultado el 7 de julio de 2020. Archivado desde el original el 23 de octubre de 2020.

Literatura

  1.  Óptica de cristal de rayos X Pinsker ZG . Moscú: Nauka, 1982.
  2. Vysotsky, V.I., Vorontsov, V.I., Kuzmin, R.N., et al., Experimento de Sagnac sobre rayos X, Usp. Phys. Ciencias. 1994. V. 164, No. 3. S. 309-324.
  3. Bushuev VA, Kuzmin RN  Procesos secundarios en óptica de rayos X. M.: Editorial de la Universidad Estatal de Moscú, 1990.
  4. Ingal VN, Beliaevskaya EA // J. Phys. D: aplicación física 1995 vol. 28. pág. 2314.
  5. Duax WL Holograhy con rayos X // Intern. Unión Cristalografía // Boletín. 1996 vol. 4, No. 2. Pág. 3.
  6. Elton R. Láseres de rayos X / Per. De inglés. edición A. V. Vinogradova. M.: Mir, 1994.
  7. Schmal G., Rudolf D. Óptica y microscopía de rayos X: Per. De inglés. M.: Mir, 1987. 463 p.

Enlaces

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