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óptica de rayos X

La óptica de rayos X es la rama de la óptica que se ocupa de los rayos X , en lugar de la luz visible . Se ocupa del enfoque y otras formas de manipular los haces de rayos X par...

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La óptica de rayos X es la rama de la óptica que se ocupa de los rayos X , en lugar de la luz visible . Se ocupa del enfoque y otras formas de manipular los haces de rayos X para técnicas de investigación como la difracción de rayos X , la cristalografía de rayos X , la fluorescencia de rayos X , la dispersión de rayos X de ángulo pequeño , la microscopía de rayos X , la obtención de imágenes de contraste de fase de rayos X y la astronomía de rayos X.

Los rayos X y la luz visible son ondas electromagnéticas y se propagan en el espacio de la misma manera, pero debido a la frecuencia y energía fotónica mucho mayores de los rayos X, interactúan con la materia de forma muy diferente. La luz visible se puede redirigir fácilmente usando lentes y espejos , pero debido a que la parte real del índice de refracción complejo de todos los materiales es muy cercana a 1 para los rayos X, [ 1 ] tienden a penetrar inicialmente y finalmente ser absorbidos en la mayoría de los materiales sin un cambio significativo de dirección.

técnicas de rayos X

Existen diversas técnicas para redirigir los rayos X, la mayoría de las cuales modifican su dirección en ángulos mínimos. El principio más común es la reflexión en ángulos de incidencia rasante , ya sea mediante reflexión externa total en ángulos muy pequeños o recubrimientos multicapa . Otros principios utilizados incluyen la difracción y la interferencia en forma de placas de zona , la refracción en lentes refractivas compuestas que emplean muchas lentes de rayos X pequeñas en serie para compensar, mediante su número, el índice de refracción mínimo, y la reflexión de Bragg en un plano cristalino en cristales planos o curvados .

Los haces de rayos X suelen colimarse (reducir su tamaño) mediante orificios o rendijas móviles, generalmente de tungsteno u otro material de alto número atómico . Se pueden seleccionar regiones estrechas del espectro de rayos X con monocromadores, basándose en una o varias reflexiones de Bragg producidas por cristales. Los espectros de rayos X también pueden manipularse haciéndolos pasar a través de un filtro que normalmente reduce la parte de baja energía del espectro y, posiblemente, las partes por encima de los bordes de absorción de los elementos utilizados en el filtro.

Óptica de enfoque

Las técnicas analíticas de rayos X, como la cristalografía de rayos X, la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, la dispersión de rayos X de ángulo amplio , la fluorescencia de rayos X, la espectroscopia de rayos X y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, se benefician de altas densidades de flujo de rayos X en las muestras investigadas. Esto se logra enfocando el haz divergente de la fuente de rayos X sobre la muestra mediante uno de los diversos componentes ópticos de enfoque disponibles. Esto también resulta útil para técnicas de sonda de barrido, como la microscopía de rayos X de transmisión de barrido y la imagen de fluorescencia de rayos X de barrido.

Óptica policapilar

Una lente policapilar para enfocar rayos X

Las lentes policapilares son conjuntos de pequeños tubos de vidrio huecos que guían los rayos X con múltiples reflexiones externas totales en el interior de los tubos. [ 2 ] El conjunto es cónico, de modo que un extremo de los capilares apunta a la fuente de rayos X y el otro a la muestra. La óptica policapilar es acromática y, por lo tanto, adecuada para imágenes de fluorescencia de barrido y otras aplicaciones donde se requiere un amplio espectro de rayos X. Recolectan rayos X de manera eficiente para energías de fotones de 0,1 a 30 keV y pueden lograr ganancias de 100 a 10000 en flujo en comparación con el uso de un orificio estenopeico a 100 mm de la fuente de rayos X. [ 3 ] Dado que solo los rayos X que ingresan a los capilares dentro de un ángulo muy estrecho se reflejarán internamente de forma total, solo los rayos X provenientes de un punto pequeño se transmitirán a través de la óptica. La óptica policapilar no puede proyectar imágenes de más de un punto sobre otro, por lo que se utiliza para la iluminación y la recolección de rayos X.  

Placas de zona

Las placas de zona consisten en un sustrato con zonas concéntricas de un material absorbente o de cambio de fase, cuyas zonas se estrechan a medida que aumenta su radio. El ancho de las zonas está diseñado para que una onda transmitida experimente interferencia constructiva en un único punto, creando un foco. [ 4 ] Las placas de zona pueden utilizarse como condensadores para captar luz, pero también para la obtención de imágenes directas de campo completo, por ejemplo, en un microscopio de rayos X. Las placas de zona son altamente cromáticas y generalmente están diseñadas solo para un rango de energía estrecho, por lo que es necesario contar con rayos X monocromáticos para una captación eficiente y una obtención de imágenes de alta resolución.

Lentes refractivas compuestas

Dado que los índices de refracción en longitudes de onda de rayos X son tan cercanos a 1, las distancias focales de las lentes normales se vuelven impracticablemente largas. Para superar esto, se utilizan lentes con radios de curvatura muy pequeños , y se apilan en largas filas, de modo que el poder de enfoque combinado se vuelve apreciable. [ 5 ] Dado que el índice de refracción es menor que 1 para los rayos X, estas lentes deben ser cóncavas para lograr el enfoque, a diferencia de las lentes de luz visible, que son convexas para un efecto de enfoque. Los radios de curvatura son típicamente menores a un milímetro, lo que hace que el ancho del haz de rayos X utilizable sea como máximo de aproximadamente 1  mm. [ 6 ] Para reducir la absorción de rayos X en estas pilas, a menudo se utilizan materiales con un número atómico muy bajo como el berilio o el litio . También hay lentes de otros materiales disponibles: polímero resistente a la radiación (a base de epoxi) como SU-8 , níquel y silicio . Dado que el índice de refracción depende en gran medida de la longitud de onda de los rayos X, estas lentes son altamente cromáticas , y la variación de la distancia focal con la longitud de onda debe tenerse en cuenta para cualquier aplicación.

Reflexión

Los diseños basados ​​en la reflexión de incidencia rasante utilizados en telescopios de rayos X incluyen el de Kirkpatrick-Baez y varios de Wolter ( Wolter  I-IV ).

La idea básica consiste en reflejar un haz de rayos X desde una superficie y medir la intensidad de los rayos X reflejados en la dirección especular (ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia). Se ha demostrado que una reflexión en un espejo parabólico seguida de una reflexión en un espejo hiperbólico produce el enfoque de los rayos X. [ 7 ] Dado que los rayos X incidentes deben incidir sobre la superficie inclinada del espejo, el área de captación es pequeña. Sin embargo, puede aumentarse mediante la disposición de espejos anidados unos dentro de otros. [ 8 ]

La relación entre la intensidad reflejada y la intensidad incidente constituye la reflectividad de rayos X de la superficie. Si la interfaz no es perfectamente nítida y lisa, la intensidad reflejada se desviará de la predicha por la ley de reflectividad de Fresnel ; estas desviaciones pueden analizarse para obtener el perfil de densidad de la interfaz perpendicular a la superficie. En películas multicapa, la reflectividad de rayos X puede presentar oscilaciones con la longitud de onda, análogas al efecto Fabry-Pérot . Estas oscilaciones pueden utilizarse para inferir el espesor de las capas y otras propiedades.

Difracción

Los átomos espaciados simétricamente provocan que los rayos X reemitidos se refuercen mutuamente en las direcciones específicas donde la diferencia de su longitud de trayectoria 2 d sin θ es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda λ.  

En la difracción de rayos X, un haz incide sobre un cristal y se difracta en múltiples direcciones específicas. Los ángulos e intensidades de los haces difractados indican la densidad tridimensional de electrones dentro del cristal. Los rayos X producen un patrón de difracción porque su longitud de onda suele tener el mismo orden de magnitud (0,1–10,0  nm) que la distancia entre los planos atómicos del cristal.

Cada átomo reemite una pequeña porción de la intensidad de un haz incidente como una onda esférica. Si los átomos están dispuestos simétricamente (como en un cristal) con una separación d , estas ondas esféricas estarán en fase (se sumarán constructivamente) solo en las direcciones donde su diferencia de longitud de trayectoria 2d sen θ sea igual a un múltiplo entero de la longitud de onda λ . Por lo tanto, el haz incidente parece haber sido desviado un ángulo 2θ , produciendo un punto de reflexión en el patrón de difracción . 

La difracción de rayos X es una forma de dispersión elástica en la dirección de propagación; los rayos X salientes tienen la misma energía y, por lo tanto, la misma longitud de onda que los rayos X incidentes, solo que con una dirección diferente. En cambio, la dispersión inelástica se produce cuando la energía se transfiere del rayo X incidente a un electrón de la capa interna, excitándolo a un nivel de energía superior . Esta dispersión inelástica reduce la energía (o aumenta la longitud de onda) del haz saliente. La dispersión inelástica es útil para estudiar dicha excitación electrónica , pero no para determinar la distribución de átomos dentro del cristal.

Los fotones de mayor longitud de onda (como la radiación ultravioleta ) no tendrían la resolución suficiente para determinar las posiciones atómicas. En el otro extremo, los fotones de menor longitud de onda, como los rayos gamma, son difíciles de producir en grandes cantidades, difíciles de enfocar e interactúan demasiado fuertemente con la materia, produciendo pares partícula-antipartícula .

Patrones de difracción similares pueden producirse mediante la dispersión de electrones o neutrones . Los rayos X generalmente no se difractan en los núcleos atómicos, sino solo en los electrones que los rodean.

Interferencia

La interferencia de rayos X debida a la superposición de dos o más ondas de rayos X produce un nuevo patrón de ondas. La interferencia de rayos X generalmente se refiere a la interacción de ondas que están correlacionadas o son coherentes entre sí, ya sea porque provienen de la misma fuente o porque tienen la misma frecuencia o casi la misma .

Dos ondas de rayos X no monocromáticas solo son totalmente coherentes entre sí si ambas tienen exactamente el mismo rango de longitudes de onda y las mismas diferencias de fase en cada una de las longitudes de onda que las componen.

La diferencia de fase total se obtiene sumando la diferencia de trayectoria y la diferencia de fase inicial (si las ondas de rayos X se generan a partir de dos o más fuentes diferentes). De este modo, se puede determinar si las ondas de rayos X que llegan a un punto están en fase (interferencia constructiva) o desfasadas (interferencia destructiva).

Tecnologías

Existen diversas técnicas para dirigir los fotones de rayos X al lugar adecuado en un detector de rayos X:

La mayoría de los elementos ópticos de rayos X (con la excepción de los espejos de incidencia rasante) son muy pequeños y deben diseñarse para un ángulo de incidencia y una energía particulares, lo que limita sus aplicaciones en radiación divergente . A partir de 2009Aunque la tecnología había avanzado rápidamente, sus usos prácticos fuera de la investigación eran limitados. Se estaban realizando esfuerzos para introducir la óptica de rayos X en la imagenología médica de rayos X. Por ejemplo, una de las aplicaciones más prometedoras es la mejora del contraste y la resolución de las imágenes mamográficas , en comparación con las rejillas antidifusión convencionales . [ 16 ] Otra aplicación consiste en optimizar la distribución de energía del haz de rayos X para mejorar la relación contraste-ruido con respecto al filtrado de energía convencional. [ 17 ]

Espejos para óptica de rayos X

Uno de los espejos de XRISM hecho de 203 láminas

Los espejos de rayos X pueden estar hechos de vidrio, cerámica o lámina metálica, recubiertos con una capa reflectante. [ 1 ] Los materiales reflectantes más utilizados para espejos de rayos X son el oro y el iridio . Incluso con estos, el ángulo crítico de reflexión depende de la energía. Para el oro a 1  keV, el ángulo crítico de reflexión es de 2,4°. [ 18 ]

El uso simultáneo de espejos de rayos X requiere:

  • la capacidad de determinar la ubicación de llegada de un fotón de rayos X en dos dimensiones,
  • una eficiencia de detección razonable.

Multicapas para rayos X

Ningún material presenta una reflexión sustancial para los rayos X, excepto en ángulos rasantes muy pequeños. Las multicapas mejoran la baja reflectividad de un único límite al sumar las pequeñas amplitudes reflejadas de muchos límites de forma coherente y en fase. Por ejemplo, si un único límite tiene una reflectividad de R = 10 −4 (amplitud r = 10 −2 ), entonces la suma de 100 amplitudes de 100 límites puede dar una reflectividad R cercana a uno. El período Λ de la multicapa que proporciona la suma en fase es el de la onda estacionaria producida por el haz de entrada y salida, Λ = λ /2 sin θ , donde λ es la longitud de onda y 2 θ el semiángulo entre los dos haces. Para θ = 90°, o reflexión en incidencia normal, el período de la multicapa es Λ = λ /2. El período mínimo que se puede utilizar en una multicapa está limitado por el tamaño de los átomos a unos 2 nm, lo que corresponde a longitudes de onda superiores a 4 nm. Para longitudes de onda más cortas , es necesario reducir el ángulo de incidencia θ hacia un ángulo más rasante.   

Los materiales para las multicapas se seleccionan para lograr la máxima reflexión posible en cada límite y la mínima absorción o propagación a través de la estructura. Esto se suele conseguir con materiales ligeros y de baja densidad para la capa espaciadora y un material más denso que genere un alto contraste. La absorción en el material más denso se puede reducir colocándolo cerca de los nodos del campo de onda estacionaria dentro de la estructura. Algunos buenos materiales espaciadores de baja absorción son Be, C, B, B₄C y Si. Algunos ejemplos de materiales más densos con buen contraste son W, Rh, Ru y Mo.

Las aplicaciones incluyen:

  • Óptica de incidencia normal y rasante para telescopios desde EUV hasta rayos X duros,
  • microscopios, líneas de haz en instalaciones de sincrotrón y FEL,
  • Litografía EUV.

El Mo/Si es el material seleccionado para los reflectores de incidencia casi normal en la litografía EUV.

Espejos de rayos X duros

Se fabricó una óptica de espejo de rayos X para el telescopio espacial NuSTAR que opera a 79  keV (radiación X dura, es decir, de alta energía) utilizando recubrimientos multicapa, fabricación asistida por computadora y otras técnicas. [ 19 ] Los espejos utilizan un recubrimiento multicapa de tungsteno / silicio (W/Si) o platino / carburo de silicio (Pt/SiC) sobre vidrio termoformado , lo que permite un diseño de telescopio Wolter . [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Spiller, E. (2015). "Rayos X: Elementos ópticos". En Craig Hoffman; Ronald Driggers (eds.). Enciclopedia de ingeniería óptica (2.ª  ed.). Taylor & Francis. doi : 10.1081/E-EOE2 . ISBN 978-1-351-24718-4.
  2. ↑ MacDonald, Carolyn A. (2010). "Óptica policapilar de enfoque y sus aplicaciones" . Óptica e instrumentación de rayos X. 2010 : 1–17 . Bibcode : 2010XROI.2010E..11M . doi : 10.1155/2010/867049 .
  3. ↑ "Óptica de enfoque policapilar – Rayos X" . XOS. Archivado del original el 20 de diciembre de 2016. Consultado el 13 de diciembre de 2016 .
  4. ↑ "Láminas de zona" . Folleto de datos de rayos X. Centro de Óptica de Rayos X y Fuente de Luz Avanzada. Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Consultado el 13 de enero de 2015 .
  5. ↑ Snigirev, A. (1998). "Enfoque de rayos X de alta energía mediante lentes refractivas compuestas". Applied Optics . 37 (4): 653– 662. Bibcode : 1998ApOpt..37..653S . doi : 10.1364/AO.37.000653 . PMID 18268637 . 
  6. ↑ "Óptica de rayos X refractiva compuesta (CRL)" . X-ray-Optics.de . Consultado el 14 de diciembre de 2016 .
  7. 1 2 Rob Petre. "Sistemas de imágenes de rayos X" . NASA.
  8. ↑ Bradt, Hale (2007). Métodos de astronomía . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. pág. 106. ISBN  978-0-521-53551-9.
  9. ↑ Wolter, H. (1952). "Sistemas de espejos de incidencia rasante como óptica de imagen para rayos X". Annalen der Physik . 10 (1): 94. Bibcode : 1952AnP...445...94W . doi : 10.1002/andp.19524450108 .
  10. ^ Wolter, H. (1952). "Verallgemeinerte Schwarzschildsche Spiegelsysteme streifender Reflexion als Optiken für Röntgenstrahlen". Annalen der Physik . 10 ( 4– 5): 286– 295. Bibcode : 1952AnP...445..286W . doi : 10.1002/andp.19524450410 .
  11. ↑ Pikuz, TA; Faenov, A. Ya.; Fraenkel, M.; Zigler, A.; Flora, F.; Bollanti, S.; Di Lazzaro, P.; Letardi, T.; Grilli, A.; Palladino, L.; Tomassetti, G.; Reale, A.; Reale, L.; Scafati, A.; Limongi, T.; Bonfigli, F.; Alainelli, L.; Sanchez del Rio, M. (2000). Uso de cristales curvados esféricamente para obtener imágenes de retroiluminación de rayos X monocromáticas de campo amplio y alta resolución para un amplio rango de ángulos de Bragg . 27.ª Conferencia Internacional IEEE sobre Ciencia del Plasma. pág. 183. doi : 10.1109/PLASMA.2000.854969 . 
  12. ↑ Kumakhov, MA (1990). "Canalización de fotones y nueva óptica de rayos X". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B . 48 ( 1– 4): 283– 286. Bibcode : 1990NIMPB..48..283K . doi : 10.1016/0168-583X(90)90123-C .
  13. ↑ Dabagov, SB (2003). "Canalización de partículas neutras en micro y nanocapilares". Physics-Uspekhi . 46 (10): 1053– 1075. Bibcode : 2003PhyU...46.1053D . doi : 10.1070/PU2003v046n10ABEH001639 . S2CID 115277219 . 
  14. ↑ Introducción a la óptica de rayos X.
  15. ↑ Óptica policapilar Archivado el 4 de diciembre de 2013 en Wayback Machine .
  16. ^ Fredenberg, Erik; Cederström, Björn; Åslund, Magnus; Nilio, Pedro; Danielsson, Mats (27 de enero de 2009). "Un eficiente colimador pre-objeto basado en una lente de rayos X" . Física Médica . 36 (2): 626– 633. arXiv : 2101.07788 . Código bibliográfico : 2009MedPh..36..626F . doi : 10.1118/1.3062926 . PMID 19292003 . S2CID 44470446 .  
  17. ^ Fredenberg, Erik; Cederström, Björn; Nilio, Pedro; Ribbing, Carolina; Karlsson, Staffan; Danielsson, Mats (2009). "Un filtro de energía de rayos X de baja absorción para aplicaciones a pequeña escala" . Óptica Express . 17 (14): 11388– 11398. Bibcode : 2009OExpr..1711388F . doi : 10.1364/OE.17.011388 . PMID 19582053 . 
  18. ↑ "Interacciones de rayos X CXRO con la materia" . henke.lbl.gov . Consultado el 19 de febrero de 2016 .
  19. 1 2 NuStar: Instrumentación: Óptica . Archivado el 1 de noviembre de 2010 en Wayback Machine.
  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con la óptica de rayos X en Wikimedia Commons.
  • Arndt Last. "Óptica de rayos X" . Consultado el 19 de noviembre de 2019 .