Зеркала для жесткого рентгеновского излучения

Зеркала для жесткого рентгеновского излучения работают на основе явления полного внешнего отражения. В отличие от видимого света, рентгеновские лучи имеют чрезвычайно малые углы преломления в плотных материалах. Критический угол полного отражения для рентгеновского излучения с энергией 10 кэВ составляет доли градуса. Этот угол зависит от:

  • Энергии фотонов E;
  • Плотности материала ρ;
  • Зависимости показателя преломления от энергии n = 1 − δ + iβ, где δ ∼ 10−6 − 10−5 для жесткого рентгена.

Для углов θ < θc происходит практически полное отражение, при θ > θc интенсивность отраженного пучка быстро падает.

Материалы для рентгеновских зеркал

Выбор материала критически важен для эффективности зеркал. Основные критерии:

  • Высокая плотность — увеличивает критический угол;
  • Низкая атомная абсорбция — уменьшает потери на поглощение;
  • Химическая и механическая стабильность — для точной полировки и долговременной эксплуатации.

На практике применяются:

  • Золото (Au) — наиболее распространенный материал благодаря высокой отражательной способности;
  • Платина (Pt) — для более высоких энергий;
  • Борид кремния (SiB₆), карбид кремния (SiC) — для специальных конструкций с низкой шероховатостью поверхности.

Типы зеркал

  1. Плоские зеркала Используются для направления пучка или удаления высокоэнергетических компонент. Основные задачи: прецизионная дефлекция без фокусировки.

  2. Конусные и цилиндрические зеркала Применяются для фокусировки пучка рентгеновского излучения.

    • Цилиндрические зеркала — фокусировка в одной плоскости;
    • Конические (эллиптические/параболические) — двухплоскостная фокусировка, минимизация аберраций.

  3. Многослойные зеркала (multilayer mirrors) Позволяют увеличивать угол отражения за счет интерференционного эффекта. Представляют собой чередующиеся слои металлов и диэлектриков с толщиной слоя порядка половины длины волны излучения (λ/2). Преимущества:

    • Возможность работы при углах, превышающих критический;
    • Тонкая настройка отражательной способности на определенные энергии; Ограничения:
    • Энергетическая селективность;
    • Ограниченная долговечность при высокой мощности пучка.

Полировка и качество поверхности

Эффективность зеркала напрямую зависит от шероховатости поверхности. Для жесткого рентгена требуется шероховатость < 0.5 нм rms. Методы достижения:

  • Механическая шлифовка и полировка — начальная стадия формирования формы;
  • Ионно-пучковая обработка — для устранения микронеровностей;
  • Нанопокрытия и напыление — создание отражающих слоев для многослойных зеркал.

Геометрические ошибки и аберрации

Даже при идеально гладкой поверхности отражение рентгеновских лучей чувствительно к геометрической точности зеркала. Основные типы аберраций:

  • Сферическая аберрация — фокусировка не в одной точке при больших апертурах;
  • Кома и астигматизм — появляются при отклонении от идеальной формы или при несимметричном падении пучка;
  • Волновые фронты — любое отклонение поверхности от идеала приводит к фазовым искажением волнового фронта.

Для уменьшения аберраций применяются:

  • Зеркала с эллиптической или параболической формой;
  • Коррекция положения и наклона с помощью пьезоэлектрических механизмов;
  • Использование адаптивных зеркал с управляемой деформацией.

Тепловые эффекты

Жесткий рентген часто имеет высокую плотность потока энергии, что вызывает:

  • Тепловое расширение зеркала — изменение формы и фокусировки;
  • Тепловые напряжения — риск трещин или деформации;
  • Снижение отражательной способности за счет изменения плотности слоев в многослойных зеркалах.

Методы борьбы:

  • Водяное или жидкостное охлаждение подложки;
  • Использование высокотеплопроводных материалов (например, кремний, алмаз);
  • Проектирование зеркал с минимальной толщиной слоя, чувствительного к теплу.

Оптическая настройка и выравнивание

Для достижения максимальной эффективности отражения необходимо точное выравнивание зеркала по углу падения и азимуту. Применяются:

  • Пьезоэлектрические наклонные корректоры с микронной точностью;
  • Лазерные и интерферометрические системы контроля формы поверхности;
  • Мониторинг интенсивности отраженного пучка для оптимизации угла падения в реальном времени.

Применение в синхротронной радиации

Зеркала для жесткого рентгена применяются для:

  • Фокусировки пучка на образец в экспериментах с высокой пространственной разрешающей способностью;
  • Отделения энергетических компонентов с помощью многослойных зеркал;
  • Формирования когерентного пучка для экспериментов в когерентной рентгеновской дифракции;
  • Защиты оптики и оборудования от прямого попадания высокоэнергетических частиц.

Эффективное использование зеркал является ключевым элементом современных экспериментов на синхротронах, обеспечивая высокую яркость, направленность и качество рентгеновского пучка.

Оглавление