Óptica de rayos X

La óptica de rayos X se ocupa de la propagación de la radiación de rayos X y su interacción con la materia. Se utiliza no solo en el rango de longitud de onda de la radiación de rayos X real (0,01 a 10  nm ), sino también en longitudes de onda de hasta 100 nm ( radiación VUV ).

En óptica de rayos X, se hace una distinción entre rayos X suaves y duros. El rango en el que la longitud de onda de la radiación es mayor que la distancia entre los átomos del sólido (0,1 nm a 0,5 nm) se denomina radiación de rayos X suaves . Aquí el sólido se ve como un medio homogéneo . Los rayos X duros, por otro lado, son el rango en el que la longitud de onda es más corta que la distancia entre los átomos en el sólido, es decir, en el rango de 0.01 a aproximadamente 0.5 nm. Aquí es donde la estructura atómica del sólido entra en juego.

Diferencias con la óptica con luz visible

Para los rayos X, el índice de refracción de la materia es un poco menor que uno (desviación en el rango de 10 −8 a 10 −6 dependiendo de la longitud de onda). Esto da como resultado una velocidad de fase de la onda que es mayor que la velocidad de la luz . La razón de la desviación por debajo de uno es que la frecuencia de oscilación de la radiación electromagnética en el rango de rayos X es más alta que la frecuencia de oscilación de los electrones externos de los átomos iluminados, que realizan oscilaciones forzadas por encima de su frecuencia de resonancia en el campo eléctrico de la radiación de rayos X. Esta propiedad se puede utilizar para definir rayos X.

En principio , la dirección de propagación de la radiación electromagnética se puede cambiar, por ejemplo , enfocando, utilizando refracción , reflexión y difracción .

Cuando se utiliza la refracción de los rayos X en una superficie, se debe tener en cuenta la relación del índice de refracción entre el entorno y el material de la lente . En un entorno de vacío (el índice de refracción es uno) y, por ejemplo, una lente de enfoque (índice de refracción menor que uno), la lente tiene una forma cóncava en contraste con el rango espectral visible, en lugar de una forma convexa, como es necesario con lentes convergentes visibles.

Al utilizar la reflexión, debe tenerse en cuenta que este efecto se basa en la denominada "reflexión total externa" (cf. reflexión total interna en el rango espectral visible) para pequeños ángulos con la superficie de la óptica. En ángulos más grandes, el efecto de la reflexión múltiple se utiliza a través de disposiciones de material en capas en la óptica para permitir una reflexión eficaz.

Cuando se usa la difracción, se crea específicamente una diferencia de camino entre los rangos de onda individuales. Por ejemplo, la interferencia puede crear un foco detrás de la óptica.

Para las longitudes de onda de los rayos X, en particular para las longitudes de onda inferiores a 100 nm, no existen medios completamente radiotransparentes ("transparentes"). Como resultado, las lentes de rayos X deben ser lo más delgadas posible. Las formas más sencillas de enfocar la luz de rayos X son los espejos y las placas de zona de Fresnel . Los espejos de rayos X deben tener una superficie mucho más plana que los espejos para la luz visible. La dispersión difusa en una superficie es causada por imperfecciones llamadas rugosidad de la superficie. Si la distancia media o el tamaño de las protuberancias es mucho menor que la longitud de onda, la rugosidad de la superficie juega un papel menor. Sin embargo, si esta distancia es similar a la longitud de onda de la luz, un rayo incidente se dispersa principalmente de manera difusa y apenas se refleja como un rayo. En el caso de los rayos X, que tienen longitudes de onda muy pequeñas, las superficies que parecen absolutamente planas a la luz visible suelen ser muy rugosas.

Espejo de rayos x

Para compensar la baja reflectividad en el rango de rayos X, se utilizan esencialmente tres métodos diferentes:

Idea de pastoreo

La reflectividad de las superficies aumenta a medida que el ángulo de incidencia se vuelve más plano . Con un índice de refracción inferior a 1, la reflexión total puede ocurrir incluso en ángulos de incidencia muy planos . Es por eso que los espejos se utilizan a menudo en óptica de rayos X con incidencia rasante. Un ejemplo de dispositivo óptico que funciona con incidencia rasante es el telescopio Wolter .

Sistemas multicapa

Si necesita espejos que proporcionen alta reflectividad en ángulos de incidencia pronunciados y solo tenga que trabajar en una longitud de onda, a menudo se utilizan espejos hechos de sistemas multicapa. Consisten en dos materiales diferentes que se encuentran uno encima del otro en capas alternas. Estos sistemas multicapa siempre se construyen para una longitud de onda específica y un ángulo de incidencia específico. Como regla general, se utiliza un medio ópticamente denso y ópticamente delgado en la longitud de onda asociada. Los espesores de capa están coordinados de modo que el período siempre corresponda a la longitud de onda para el ángulo de incidencia previsto. Entonces se produce una interferencia constructiva durante la reflexión sobre las capas ópticamente más densas . Un sistema multicapa popular es, por ejemplo, la combinación de silicio y molibdeno para longitudes de onda alrededor de 13,5 nm. Aquí, el silicio es el medio ópticamente delgado y el molibdeno es el ópticamente más denso.

Reflexión de Bragg

Con rayos X duros, se puede utilizar la interferencia estructural de las ondas en la red cristalina descrita por la ecuación de Bragg . Se genera un reflejo de difracción en un cristal en un cierto ángulo a una cierta longitud de onda. Sin embargo, la intensidad del haz reflejado es muy baja.

Dispositivos ópticos de rayos X

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