Капиллярная оптика — это раздел оптики, изучающий использование узких цилиндрических каналов (капилляров) для управления рентгеновским и синхротронным излучением. Эти структуры позволяют концентрировать, направлять и фокусировать жесткое рентгеновское излучение, используя эффекты полного внутреннего отражения. Применение капиллярных систем особенно важно в экспериментах с малым потоком фотонов и высокой пространственной когерентностью синхротронного излучения.
Ключевым принципом работы капилляров является эффект многократного полного внутреннего отражения, возникающий при углах падения фотонов, меньших критического угла материала. Для рентгеновского излучения критический угол отражения определяется зависимостью:
$$ \theta_c \approx \sqrt{2\delta}, $$
где δ — показатель преломления для рентгеновского излучения, который обычно очень мал (порядка 10−6 − 10−5).
1. Однокапиллярные линзы (monocapillary lenses) Представляют собой один цилиндрический канал с внутренней полировкой. Такие линзы позволяют фокусировать пучок в одной точке, но имеют ограничения по дифракционной апертуре и пропускной способности.
2. Многокапиллярные пучки (polycapillary optics) Состоят из большого числа параллельных или слегка изогнутых капилляров, объединённых в единый блок. Каждая трубка направляет часть пучка, что обеспечивает суммарное усиление интенсивности и улучшение пространственного профиля.
Геометрия капилляров сильно влияет на свойства излучения:
Материалы выбираются с учётом коэффициента отражения и устойчивости к рентгеновскому облучению. Наиболее распространены стекло и кремний, иногда с покрытием из металлов для увеличения критического угла.
Капиллярная оптика позволяет концентрировать пучок до размеров порядка нескольких микрометров, сохраняя при этом высокую пропускную способность. Основные параметры:
Математически интенсивность в фокусе описывается суммой вкладов от отдельных каналов с учётом многократных отражений:
$$ I_f = \sum_{i=1}^{N} R_i^n I_0, $$
где N — число капилляров, Ri — коэффициент отражения на стенке i-го капилляра, n — число отражений, I0 — начальная интенсивность.
Капиллярная оптика нашла широкое применение в экспериментах на синхротронах:
Микрофокусные эксперименты Использование капилляров позволяет получать пучки диаметром 1–10 мкм, что критично для микроскопии, микродифракции и анализа отдельных кристаллитов.
Синхротронная спектроскопия В спектроскопических экспериментах малые фокальные размеры повышают разрешение и локализуют точку измерения.
Импульсные исследования В экспериментах с быстрыми процессами (пико- и наносекундные) капилляры помогают концентрировать излучение, увеличивая детектируемый сигнал.
Наноструктурные исследования Формирование узких пучков с высокой когерентностью позволяет проводить фазовую контрастную визуализацию и наноструктурный анализ материалов.