La óptica de rayos X es la rama de la óptica que manipula 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 difracción de rayos X , cristalografía de rayos X , fluorescencia de rayos X , dispersión de rayos X de ángulo pequeño , microscopía de rayos X , rayos X. imágenes de contraste de fase y astronomía de rayos X.
Dado que los rayos X y la luz visible son ondas electromagnéticas, 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 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 eventualmente ser absorbidos en la mayoría de los materiales sin cambiando mucho de dirección.
Se utilizan muchas técnicas diferentes para redirigir los rayos X, y la mayoría de ellas cambian las direcciones solo en ángulos diminutos. El principio más común utilizado es la reflexión en ángulos de incidencia rasantes , ya sea utilizando reflexión externa total en ángulos muy pequeños o recubrimientos multicapa . Otros principios utilizados incluyen la difracción y la interferencia en forma de placas zonales , 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, la reflexión de Bragg desde un plano cristalino en plano o cristales doblados .
Los haces de rayos X a menudo se coliman o se reducen de tamaño mediante orificios o hendiduras móviles típicamente hechas de tungsteno o algún otro material de alto Z. Se pueden seleccionar partes estrechas de un espectro de rayos X con monocromadores basados en una o múltiples reflexiones de Bragg por cristales. Los espectros de rayos X también se pueden manipular haciendo que los rayos X pasen a través de un filtro (óptica) . Por lo general, esto reducirá la parte del espectro de baja energía y posiblemente 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 gran ángulo , la fluorescencia de rayos X, la espectroscopia de rayos X y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, se benefician de una alta densidad de rayos X. densidades de flujo 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 una variedad de componentes ópticos de enfoque. Esto también es útil para técnicas de sonda de barrido , como la microscopía de rayos X de transmisión de barrido y la obtención de imágenes de fluorescencia de rayos X.
Las lentes policapilares son conjuntos de pequeños tubos de vidrio huecos que guían los rayos X con muchos reflejos externos totales en el interior de los tubos. [2] La matriz tiene forma cónica de modo que un extremo de los capilares apunte a la fuente de rayos X y el otro a la muestra. La óptica policapilar es acromática y, por tanto, adecuada para escanear imágenes de fluorescencia y otras aplicaciones en las que es útil un amplio espectro de rayos X. Recogen 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 utilizando un orificio a 100 mm de la fuente de rayos X. [3] Dado que sólo los rayos X que entran en los capilares dentro de un ángulo muy estrecho se reflejarán totalmente internamente, sólo los rayos X procedentes de un punto pequeño se transmitirán a través de la óptica. La óptica policapilar no puede visualizar más de un punto en otro, por lo que se utiliza para iluminación y recolección de rayos X.
Las placas de zona consisten en un sustrato con zonas concéntricas de un material absorbente o desfasador, cuyas zonas se estrechan cuanto mayor es su radio. Los anchos de zona están diseñados para que una onda transmitida obtenga una interferencia constructiva en un solo punto dando un foco. [4] Las placas de zona se pueden utilizar como condensadores para recoger la luz, pero también para obtener 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 intervalo de energía estrecho, lo que hace necesario tener rayos X monocromáticos para una recolección eficiente y una obtención de imágenes de alta resolución.
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 imprácticamente largas. Para solucionar este problema, se utilizan lentes con radios de curvatura muy pequeños y se apilan en largas filas, de modo que el poder de enfoque combinado resulta apreciable. [5] Dado que el índice de refracción es inferior a 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 lograr un efecto de enfoque. Los radios de curvatura suelen ser inferiores a un milímetro, lo que hace que el ancho utilizable del haz de rayos X sea como máximo de aproximadamente 1 mm. [6] Para reducir la absorción de rayos X en estas pilas, se suelen utilizar materiales con un número atómico muy bajo, como el berilio o el litio . También se encuentran en el mercado lentes de otros materiales: 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 longitud focal con la longitud de onda debe tenerse en cuenta 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 al enfoque 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 colocando los espejos 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 suave, la intensidad reflejada se desviará de la predicha por la ley de reflectividad de Fresnel . Luego se pueden analizar las desviaciones para obtener el perfil de densidad de la interfaz normal a la superficie. Para películas con múltiples capas, la reflectividad de los rayos X puede mostrar oscilaciones con la longitud de onda, análogas al efecto Fabry-Pérot . Estas oscilaciones se pueden utilizar para inferir espesores de capas y otras propiedades.
En la difracción de rayos X, un haz incide en 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 a 10,0 nm) que el espacio entre los planos atómicos del cristal.
Cada átomo vuelve a irradiar una pequeña porción de la intensidad de un haz entrante como una onda esférica. Si los átomos están dispuestos simétricamente (como se encuentra en un cristal) con una separación d , estas ondas esféricas estarán en fase (suma constructivamente) sólo en direcciones donde su diferencia de longitud de trayectoria 2 d sen θ es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda λ . Por lo tanto, el haz entrante parece haber sido desviado en un ángulo 2 θ , produciendo un punto de reflexión en el patrón de difracción .
La difracción de rayos X es una forma de dispersión elástica en dirección hacia adelante; Los rayos X salientes tienen la misma energía y, por tanto, la misma longitud de onda que los rayos X entrantes, sólo que con una dirección alterada. Por el contrario, la dispersión inelástica ocurre cuando la energía se transfiere de los rayos X entrantes a un electrón de la capa interna, excitándolo a un nivel de energía más alto . Esta dispersión inelástica reduce la energía (o aumenta la longitud de onda) del haz saliente. La dispersión inelástica es útil para probar dicha excitación de electrones , pero no para determinar la distribución de átomos dentro del cristal.
Los fotones de longitudes de onda más largas (como la radiación ultravioleta ) no tendrían suficiente resolución 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, produciendo pares partícula-antipartícula .
Se pueden producir patrones de difracción similares dispersando electrones o neutrones . Los rayos X normalmente no se difractan de los núcleos atómicos, sino sólo de los electrones que los rodean.
La interferencia de rayos X es la suma ( superposición ) de dos o más ondas de rayos X que da como resultado un nuevo patrón de ondas. La interferencia de rayos X suele referirse a la interacción de ondas que están correlacionadas o 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 sólo 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 constituyen.
La diferencia de fase total se deriva 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). Entonces 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 que se utilizan para canalizar 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 radiación divergente . Aunque la tecnología ha avanzado rápidamente, sus usos prácticos fuera de la investigación siguen siendo limitados. Sin embargo, se están realizando esfuerzos para introducir la óptica de rayos X en las imágenes de rayos X médicas . Por ejemplo, una de las aplicaciones más prometedoras 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 en comparación con el filtrado de energía convencional. [17]
Los espejos pueden estar hechos de vidrio, cerámica o lámina metálica, recubiertos por una capa reflectante. [1] Los materiales reflectantes más utilizados para los espejos de rayos X son el oro y el iridio . Incluso con estos, el ángulo de reflexión crítico depende de la energía. Para el oro a 1 keV, el ángulo de reflexión crítico es de 2,4°. [18]
El uso de espejos de rayos X requiere simultáneamente:
Ningún material tiene una reflexión sustancial de los rayos X, excepto en ángulos rasantes muy pequeños. Las capas múltiples mejoran la pequeña reflectividad de un solo límite al agregar las pequeñas amplitudes reflejadas de muchos límites de manera coherente en fase. Por ejemplo, si un solo 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. vigas. Para θ = 90°, o reflexión en 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 aproximadamente 2 nm, correspondiente 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 pastoreo.
Los materiales para multicapas se seleccionan para dar la mayor reflexión posible en cada límite y la menor absorción o propagación a través de la estructura. Esto generalmente se logra mediante materiales livianos 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 colocándolo cerca de los nodos del campo de onda estacionaria dentro de la estructura. Buenos materiales espaciadores de baja absorción son Be, C, B, B 4 C y Si. Algunos ejemplos de materiales más pesados con buen contraste son W, Rh, Ru y Mo.
Las aplicaciones incluyen:
Mo/Si es la selección de material utilizada para los reflectores de incidencia casi normal para la litografía EUV.
Se fabricó una óptica de espejo de rayos X para el telescopio espacial NuSTAR que funciona hasta 79 keV utilizando recubrimientos multicapa, fabricación asistida por computadora y otras técnicas. [19] Los espejos utilizan una capa 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