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 manipulación de los 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 fases 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 más altas de los rayos X, interactúan con la materia de manera muy diferente. La luz visible se redirige fácilmente utilizando 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] en cambio tienden a penetrar inicialmente y eventualmente ser absorbidos en la mayoría de los materiales sin un cambio significativo de dirección.
Existen muchas técnicas diferentes que se utilizan para redirigir los rayos X, la mayoría de ellas modificando las direcciones en ángulos diminutos. El principio más común utilizado es la reflexión en ángulos de incidencia rasantes , ya sea utilizando la 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 utilizan muchas lentes de rayos X pequeñas en serie para compensar con su número el índice de refracción diminuto y la reflexión de Bragg desde un plano de cristal en cristales planos o doblados .
Los rayos X suelen colimarse (reducirse de tamaño) mediante orificios o rendijas móviles, generalmente hechos de tungsteno o algún otro material de alto valor Z. Las partes estrechas de un espectro de rayos X se pueden seleccionar con monocromadores basados en una o varias reflexiones de Bragg de los cristales. Los espectros de rayos X también se pueden manipular al pasar los rayos X a través de un filtro que generalmente reduce la parte de baja energía del espectro y, posiblemente, las partes por encima de los bordes de absorción de los elementos utilizados para el filtro.
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 las altas densidades de flujo de rayos X en las muestras que se investigan. Esto se logra enfocando el haz divergente de la fuente de rayos X sobre la muestra utilizando uno de los varios componentes ópticos de enfoque posibles. Esto también es útil para las técnicas de sonda de barrido, como la microscopía de transmisión de rayos X de barrido y la obtención de imágenes de fluorescencia de rayos X de barrido.
Las lentes policapilares son conjuntos de pequeños tubos huecos de vidrio que guían los rayos X con muchas 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. Las ópticas policapilares son acromáticas y, por lo tanto, adecuadas para la obtención de imágenes de fluorescencia mediante escaneo y otras aplicaciones en las que es útil un espectro amplio 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 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 por completo, solo los rayos X que provienen de un punto pequeño se transmitirán a través de la óptica. Las ópticas policapilares no pueden generar imágenes de más de un punto a otro, por lo que se utilizan para la iluminación y la recolección de rayos X.
Las placas de zona consisten en un sustrato con zonas concéntricas de un material absorbente o desfasador, con zonas que se hacen más estrechas cuanto mayor es su radio. Los anchos de las zonas están diseñados de modo que una onda transmitida reciba interferencia constructiva en un único punto, lo que da lugar a un foco. [4] Las placas de zona se pueden utilizar como condensadores para recoger 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 muy cromáticas y, por lo general, están diseñadas solo para un intervalo de energía estrecho, lo que hace necesario disponer de rayos X monocromáticos para una recogida eficaz y una obtención de imágenes de alta resolución.
Como los índices de refracción en las longitudes de onda de los rayos X son tan cercanos a 1, las longitudes focales de las lentes normales se vuelven imprácticamente largas. Para superar esto, se utilizan lentes con radios de curvatura muy pequeños y se apilan en filas largas, de modo que el poder de enfoque combinado se vuelve apreciable. [5] Como el índice de refracción es menor que 1 para los rayos X, estas lentes deben ser cóncavas para lograr el enfoque, al contrario 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 están disponibles lentes de otros materiales: polímero resistente a la radiación (basado en 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 se debe tener en cuenta la variación de la distancia focal con la longitud de onda para cualquier aplicación.
La idea básica es reflejar un haz de rayos X desde una superficie y medir la intensidad de los rayos X reflejados en la dirección especular (ángulo reflejado igual al ángulo incidente). Se ha demostrado que una reflexión en un espejo parabólico seguida de una reflexión en un espejo hiperbólico conduce a la focalización de los rayos X. [7] Dado que los rayos X entrantes deben incidir en la superficie inclinada del espejo, el área de recolección es pequeña. Sin embargo, se puede aumentar mediante la colocación de espejos anidados uno dentro del otro. [8]
La relación entre la intensidad reflejada y la intensidad incidente es 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 ; las desviaciones se pueden analizar para obtener el perfil de densidad de la interfaz normal a la superficie. Para películas con múltiples capas, la reflectividad de rayos X puede mostrar oscilaciones con la longitud de onda, análogas al efecto Fabry-Pérot . Estas oscilaciones se pueden utilizar para inferir el espesor de las capas y otras propiedades.
En la difracción de rayos X, un haz incide sobre un cristal y se difracta en muchas direcciones específicas. Los ángulos y las intensidades de los haces difractados indican una 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 el espaciamiento entre los planos atómicos del cristal.
Cada átomo re-irradia una pequeña porción de la intensidad de un haz incidente como una onda esférica. Si los átomos están dispuestos simétricamente (como ocurre en un cristal) con una separación d , estas ondas esféricas estarán en fase (se sumarán de manera constructiva) solo en direcciones donde la diferencia de longitud de trayectoria 2 d sen θ sea igual a un múltiplo entero de la longitud de onda λ . Por lo tanto, el haz incidente parece haber sido desviado en un ángulo 2 θ , lo que produce un punto de reflexión en el patrón de difracción .
La difracción de rayos X es una forma de dispersión elástica en la dirección de avance; los rayos X salientes tienen la misma energía y, por lo tanto, la misma longitud de onda que los rayos X entrantes, solo que con una dirección alterada. Por el contrario, la dispersión inelástica se produce cuando se transfiere energía del rayo X entrante a un electrón de la capa interna, excitándolo a un nivel de energía más alto . Tal dispersión inelástica reduce la energía (o aumenta la longitud de onda) del haz saliente. La dispersión inelástica es útil para investigar dicha excitación de electrones , pero no para determinar la distribución de átomos dentro del cristal.
Los fotones de longitud de onda más larga (como la radiación ultravioleta ) no tendrían la resolución suficiente para determinar las posiciones atómicas. En el otro extremo, los fotones de longitud de onda más corta, como los rayos gamma , son difíciles de producir en grandes cantidades, difíciles de enfocar e interactúan demasiado fuertemente con la materia, lo que produce pares partícula-antipartícula .
Se pueden producir patrones de difracción similares dispersando electrones o neutrones . Los rayos X generalmente no se difractan desde los núcleos atómicos, sino solo desde los electrones que los rodean.
La interferencia de rayos X debida a la superposición de dos o más ondas de rayos X produce un nuevo patrón de onda. 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 o casi la misma frecuencia .
Dos ondas de rayos X no monocromáticas solo son completamente 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 constituyentes.
La diferencia de fase total se obtiene de la suma de 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 esta manera, se puede concluir si las ondas de rayos X que llegan a un punto están en fase (interferencia constructiva) o desfasadas (interferencia destructiva).
Existe una variedad de técnicas utilizadas para canalizar los fotones de rayos X a la ubicación adecuada en un detector de rayos X:
La mayoría de los elementos ópticos de rayos X (con 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 la radiación divergente . A partir de 2009 [actualizar], aunque 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 las imágenes médicas por rayos X. Por ejemplo, una de las aplicaciones que muestra mayor promesa es la de mejorar tanto el contraste como la resolución de las imágenes mamográficas , en comparación con las rejillas antidispersión convencionales . [16] Otra aplicación es optimizar la distribución de energía del haz de rayos X para mejorar la relación contraste-ruido con respecto al filtrado de energía convencional. [17]
Los espejos de rayos X pueden estar hechos de vidrio, cerámica o láminas metálicas recubiertas por 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 de espejos de rayos X requiere simultáneamente:
Ningún material tiene una reflexión sustancial para los rayos X, excepto en ángulos rasantes muy pequeños. Las multicapas mejoran la pequeña reflectividad de un único límite al sumar las pequeñas amplitudes reflejadas de muchos límites de manera coherente 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 sen θ , donde λ es la longitud de onda y 2 θ el medio ángulo entre los dos haces. Para θ = 90°, o reflexión con incidencia normal, el período de la multicapa es Λ = λ /2. El período más corto 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 , se debe utilizar una reducción del ángulo de incidencia θ hacia una mayor área rasante.
Los materiales para las multicapas se seleccionan para proporcionar la mayor reflexión posible en cada límite y la menor absorción o propagación a través de la estructura. Esto se logra generalmente con materiales ligeros y de baja densidad para la capa espaciadora y un material más pesado que produce un alto contraste. La absorción en el material más pesado se puede reducir posicionándolo cerca de los nodos del campo de ondas estacionarias dentro de la estructura. Buenos materiales espaciadores de baja absorción son Be, C, B, B 4 C y Si. Algunos ejemplos de los materiales más pesados con buen contraste son W, Rh, Ru y Mo.
Las aplicaciones incluyen:
Mo/Si es el material seleccionado para los reflectores de incidencia casi normal para la litografía EUV.
Se fabricó un espejo óptico de rayos X para el telescopio espacial NuSTAR que funciona 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 múltiple de tungsteno / silicio (W/Si) o platino / carburo de silicio (Pt/SiC) sobre vidrio desplomado , lo que permite un diseño de telescopio Wolter . [19]
Medios relacionados con la óptica de rayos X en Wikimedia Commons