Рентгеновские линзы

Психология и физиология восприятия информации

Рентгеновские линзы

Во многих областях науки и техники все большее применение находят специально выращенные монокристаллы различных веществ, то есть кристаллы с "правильной" укладкой атомов по всему объему. В числе их главных потребителей - микроэлектроника, где, например, монокристаллы кремния служат основным материалом для создания интегральных микросхем. К совершенству атомной структуры и чистоте монокристаллов предъявляются все более жесткие требования. Например, специально выращенные монокристаллы германия и кремния, которые используются в электронной промышленности, должны содержать не более 0,0001 % примесей, и в них необходимо практически полностью устранить многие виды дефектов кристаллической решетки (то есть места с "неправильной" укладкой атомов), присутствующие в природных кристаллах. В этих условиях возникает потребность в методах исследования совершенства кристаллов, а также методах контроля, которые еще в ходе производственного процесса позволили бы проверять качество кристаллов, не нарушая их структуры. Разработка этих методов и соответствующих приборов в итоге может открыть новые возможности для многих отраслей науки - от астрономии до биологии и медицины.

Рис. 2. Отражение рентгеновской волны от кристалла как от совокупности атомных плоскостей. Сильный дифрагированный пучок возникнет, если волны, пришедшие в точку 3 из точек 1 и 2, будут иметь одинаковые фазы, то есть пройдут пути, отличающиеся на целое число длин волн.

Существует несколько способов увидеть микроструктуру того или иного образца. Первый способ - это микроскопия в обычном видимом свете, которая наряду с многими достоинствами имеет и серьезные недостатки: во-первых, далеко не все материалы прозрачны для видимого света, и, во-вторых, с помощью обычного светового микроскопа нельзя различить на объекте детали с размерами меньше 0,5 мкм (0,0005 мм). Связано это с тем, что минимальный размер различаемых деталей (так называемое разрешение микроскопа, его разрешающая способность) в принципе не может быть меньшим, чем длина волны излучения, которое используется для их освещения, а минимальная длина волны видимого света как раз и составляет примерно 0,5 мкм.

Рис. 3. Траектории квазичастиц в кристалле. Сплошная линия вверху - пучок, падающий на кристалл под точным брэгговским углом; ему в кристалле соответствует центральная траектория, показанная сплошной линией. За кристаллом она разделяется на сшедший и дифрагированный пучки. Пунктиром показан пучок, падающий на кристалл с отклонением от брэгговского положения на угол дельта альфа, соответствующая ему траектория в кристалле отклоняется на угол Если дельта тета порядка долей угловой секунды, то дельта альфа обычно несколько градусов, то есть дельта альфа больше, чем дельта тета, примерно в 100 000 раз.

Разрешение можно значительно улучшить, если использовать электронный микроскоп. При ускоряющем напряжении 100 киловольт длина волны электронов (дебройлевская длина волны) равна 0,03 ангстрема (1 ангстрем = 10^~4 мкм) , и в электронном микроскопе удается различать на изображении детали размерами примерно в 1 ангстрем (А). Такое колоссальное разрешение позволяет видеть отдельные атомы; казалось бы, исследователям больше не о чем мечтать. Но у электронной микроскопии есть свои недостатки. Прежде всего для пучка электронов с энергией 100 кэВ прозрачны только очень тонкие слои вещества - порядка 100-1000 ангстрем, и поэтому для исследований в электронном микроскопе из образца приготовляют тонкую фольгу. Для этого, например, образец растворяют в кислоте до появления в нем отверстия и наблюдают в электронном микроскопе узкую полоску вблизи края отверстия, где толщина образца не превышает 100-1000 ангстрем. Таким образом исходный образец приходится разрушить, а это, разумеется, не всегда допустимо. И еще одно, пожалуй, самое важное обстоятельство: в процессе приготовления фольги меняется ее структура, так что картина, наблюдаемая в электронном микроскопе для тонкой фольги, вообще говоря, не соответствует структуре толстого, массивного образца.

Рис. 4. Дифракционная фокусировка рентгеновских лучей в П-образном интерферометре. При распространении рентгеновского пучка сквозь первый кристалл происходит его расширение, но в процессе прохождения сквозь второй кристалл веер траекторий сжимается обратно в узкий штрих, то есть второй кристалл фокусирует проходящий через него волновой пакет и, следовательно, является рентгеновской линзой.

Исследовать структуру таких образцов практически всех материалов без их разрушения можно с помощью рентгеновских лучей (все, что дальше будет сказано про рентгеновские лучи, справедливо и для нейтронного излучения с той же длиной дебройлевской волны). Метод исследования микроструктуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей, позволяющий получать картину распределения различного рода дефектов кристаллической решетки внутри образца, называется рентгеновской микроскопией, или рентгеновской топографией. В качестве примера на рис. 1 приведено изображение структуры монокристалла кремния, полученное с помощью рентгеновской съемки "на просвет". При этом на фотопластинке получается изображение в масштабе 1 :1, все увеличение достигается затем путем пересъемки этой фотопластинки в обычном микроскопе.

Рис. 5. Рентгеновский спектрометр с дифракционной фокусировкой. Пучки излучения с разной длиной волны оказываются в брэгговском положении в разных точках входной поверхности кристалла, за счет чего происходит разложение первичного пучка в спектр. Но при этом волновой пакет для каждого участка спектра расширяется; второй кристалл сжимает (фокусирует) его обратно в узкий штрих, и на фотопластинке появляется отчетливый спектр.

Как уже говорилось, основное достоинство рентгеновской топографии состоит в том, что она позволяет заглянуть внутрь образца толщиной в несколько миллиметров (или даже несколько сантиметров), не распиливая и не растворяя его, то есть не нарушая его структуры. Поэтому такие методы можно использовать, например, для того, чтобы контролировать внутреннее строение интегральных схем между различными технологическими стадиями их изготовления.

Рис. 6. Фокусировка рентгеновской волны профилированным кристаллом. Наклон входной поверхности кристалла можно подобрать так, чтобы траектории квазичастиц (хотя бы одного сорта) собрались в одной точке на выходной поверхности кристалла.

Но у рентгеновской топографии, в свою очередь, также есть недостатки, и главный из них - плохое разрешение - порядка 10 мкм (то есть 100 000 ангстрем), несмотря на то, что длина волны использованного рентгеновского излучения примерно в сто тысяч раз меньше. В чем же причина такого различия? Все дело в том, что в рентгеновских съемочных камерах, которые используются для получения топограммы, нет линз, то есть нет никаких рентгенооптических устройств, которые формировали бы изображение объекта. Иными словами, причина столь плохого разрешения заключается в том, что рентгеновские топограммы представляют собой несфокусированное изображение. Для рентгеновских лучей в настоящее время вообще не существует линз, то есть нет таких устройств, которые фокусировали бы рентгеновские лучи, ка" это делают преломляющие линзы в световой оптике. Работа оптической линзы основана на разнице коэффициентов преломления света для двух сред, обычно для стекла и воздуха: за счет этой разницы и искривляется ход светового луча. Коэффициент преломления всех веществ в рентгеновском диапазоне отличается от коэффициента преломления вакуума и воздуха лишь на десятитысячные доли процента, и поэтому создать рентгеновскую оптику, копируя фокусирующие устройства для видимого света, невозможно. В то же время, если бы удалось создать рентгеновские линзы, их значение для науки и техники было бы чрезвычайно велико. В частности, с их помощью можно было бы изучать с высоким разрешением структуру разных образцов значительной толщины, причем без их разрушения.

Рис. 7. Схема дифракционной фокусировки рентгеновских лучей изогнутым кристаллом. Каждая точка объекта испускает сферичесную волну, то есть широкий веер траекторий квазичастиц, который, проходя сквозь изогнутый кристалл, собирается в узкий штрих. В результате этого процесса фокусировки на фотопластинке за кристаллом появляется изображение объекта, увеличенное по горизонтали цилиндрической линзой в 15 раз.

Обнадеживает то, что в последние годы наметились некоторые пути решения проблемы, но, чтобы рассказать о них, нужно сначала кратко остановиться на основных понятиях физики дифракции рентгеновских лучей и некоторых специальных эффектах рентгеновской оптики, фокусировка рентгеновских лучей с помощью плоских и изогнутых кристаллов (в том числе и кристаллов с выемкой, напоминающих линзы) начала применяться в рентгеновской технике еще в 30-е годы. При этом под фокусировкой понимали пересечение в одной области пространства нескольких некогерентных пучков, то есть пучков с фазами, изменяющимися в пространстве и времени независимо друг от друга. Такие пучки не могут сложиться друг с другом в небольшой области и дать острый максимум интенсивности (фокус).

Рис. 8. Фокусировка рентгеновской волны по двум направлениям (в точку); а и 6 - сечения рентгеновского пучка плоскостями, перпендикулярными к поверхностям кристалла; в - пучок за кристаллом, изображение фокуса рентгеновской линзы.

Оптические устройства, фокусирующие когерентные волновые пакеты, должны иметь гораздо более высокие характеристики, прежде всего минимальные размеры фокуса и максимальное разрешение- способность передавать изображение мелких деталей объекта. Именно такие устройства могут в полной мере быть отнесены к когерентной рентгеновской оптике, и далее речь пойдет именно о такой фокусировке рентгеновских лучей и нейтронов.

Наиболее фундаментальное отличие оптики рентгеновских лучей от оптики видимого света связано с тем, что длина волны рентгеновских лучей близка к размерам атомов. Если в оптике видимого света среду, в которой распространяется волна, во многих случаях можно считать однородной, то в случае рентгеновского излучения пренебрегать ее дискретностью, ее прерывистостью на атомных расстояниях уже нельзя. Более того, самые важные эффекты рентгеновской оптики связаны именно с такой неоднородностью среды.

Основной эффект, на котором базируется рентгеновская оптика,- это дифракция излучения на кристаллической решетке. Предположим, что рентгеновская волна распространяется сквозь кристалл, который можно представить как совокупность атомных плоскостей, параллельных друг другу (см. рис. 2). Основная часть падающей волны проходит сквозь атомную плоскость, и лишь ничтожная ее доля отражается под углом, равным, разумеется, углу падения в. При прохождении первичной падающей волны сквозь миллионы атомных плоскостей возникает большое число отраженных волн, и все они складываются друг с другом, интерферируют. Если эти волны имеют различные фазы, то они погасят друг друга; сильная отраженная (или, как говорят, дифрагированная) волна возникнет, если все отраженные волны имеют одинаковую фазу или, точнее, если фазы различаются между собой на целое число периодов. Легко видеть, что разность фаз (то есть разность путей отдельных отраженных лучей) будет определяться расстоянием между атомными плоскостями, длиной волны и углом падения первичного (падающего) луча. Поэтому для рентгеновского диапазона возникает своеобразная ситуация, когда сильное отражение возможно лишь при некоторых углах падения первичного луча. Зависимость этих углов от расстояния между атомными плоскостями в кристалле и длиной волны называется законом Вульфа - Брэгга, а соответствующие "разрешенные" углы - брэгговскими углами. Когда первичный луч падает на отражающие атомные плоскости кристалла под брэгговским углом и возникает сильный отраженный (дифрагированный) пучок, то говорят, что кристалл находится в брэгговском положении.

Итак, когда условие Вульфа - Брэгга выполняется, в кристалле существуют две волны: первичная (проходящая) и дифрагированная (отраженная). Но кристалл можно представить состоящим одновременно из многих наборов атомных плоскостей, как это показано на рис. 2, и в принципе зозможна ситуация, когда условие Вульфа - Брэгга выполняется одновременно для нескольких таких наборов. Тогда в кристалле возникают одна проходящая и несколько дифрагированных волн и наблюдается, как принято говорить, многоволновая дифракция.

Долгое время процессы перекачки энергии из пучка в пучок описывались с помощью упрощенной теории, которую называли "кинематической". Ее основное предположение состояло в том, что при переходе энергии из первичного пучка в дифрагированные можно пренебречь ослаблением первичного пучка. Но это противоречит закону сохранения энергии, и для больших кристаллов, где первичный пучок может полностью передать свою энергию дифрагированным волнам, необходимо более строгое описание. Такая теория - ее называют динамической - была в основном создана еще в 1913-1917 годах английским физиком Дарвином и немецким исследователем Эвальдом, Современную форму эта теория приняла в 60-х годах, когда были получены уравнения, которые строго описывают процесс обмена энергией между пучками в кристалле.

Однако эти уравнения сами по себе не дают ответа на вопрос, что же мы увидим на фотопластинке, осветив кристалл рентгеновским (электронным, нейтронным) пучком; они не решение задачи, а лишь ее формулировка. Для каждого кристалла, содержащего свои дефекты кристаллической структуры (оборванные атомные плоскости, неоднородности распределения примеси и т. п.), задачу надо решать заново, и чаще всего каждый раз изображение удается получить после весьма сложных расчетов на ЭВМ.

Методы машинного расчета изображений широко используются в рентгеновской, топографии и электронной микроскопии. Но, оказывается, это не единственный путь к пониманию процессов, происходящих при движении волны сквозь кристалл: можно понять задачу "на пальцах", если несколько поступиться строгостью решения. Для этого надо воспользоваться приближенными методами описания волновых процессов, и такие методы есть - они известны, например, из оптики видимого света. Это методы, опирающиеся на понятия лучей, причем методы являются нестрогими, так как они ничего "не знают" о таких явлениях, как дифракция и интерференция, поскольку в лучевой оптике пренебрегают тем, что свет - это волна. Но зато получают важный выигрыш - простоту расчетов и наглядность образов.

Итак, когда мы говорим о световых лучах, мы забываем о том, что свет - это волна, что есть такие явления, как дифракция и интерференция света. Мы пользуемся представлениями корпускулярной теории, где действительно лучи - это траектории, по которым движутся частицы. И в случае движения рентгеновской волны сквозь кристалл оказывается полезным рассматривать этот процесс как движение некоторых особых частиц по своим траекториям. Но только кристалл не вакуум, и рентгеновская волна сильно взаимодействует с решеткой, в результате чего законы ее распространения (и, следовательно, законы движения соответствующих частиц) оказываются совсем не такими, как в пустом пространстве.

Для того чтобы подчеркнуть эти особенности поведения, напомнить, что речь идет не об обычных частицах в пустоте, перед их названием добавляют частичку "квази". Одна из особенностей поведения квазичастиц- их переменная масса, она увеличивается или уменьшается в зависимости от условий движения (подобные явления известны в теории относительности, где масса тел меняется при движении с околосветовыми скоростями, но там такое изменение- свойство пространства и времени, а в нашем случае это результат взаимодействия квазичастиц с кристаллической решеткой). Необычно и то, что в одной и той же области кристалла одновременно могут сосуществовать несколько разных "сортов" квазичастиц: они отличаются массами и законом движения. Когда квазичастица пролетает через искаженную (растянутую, изогнутую) область кристалла, ее траектория изгибается, как будто на квазичастицу действует внешняя сила, но траектории квазичастиц разных "сортов" изгибаются на различные углы и иногда даже в противоположные стороны.

Еще одна особенность движения квазичастиц: они могут двигаться не в любом направлении, а только внутри угла между проходящим и дифрагированным пучками. Повернуть за пределы этой области квазичастицы не могут. Поэтому если осветить на входной поверхности кристалла точку, то веер всевозможных траекторий заполнит в кристалле треугольную область, получившую название "треугольник Бормана" по имени известного немецкого физика. При многоволновой дифракции треугольник превращается в пирамиду. Поскольку каждый такой волновой пакет порожден одним точечным источником на входной поверхности кристалла, то он является когерентным, то есть разность фаз в двух произвольных точках остается постоянной во времени, поэтому пучки, выходящие из разных участков основания треугольника Бормана, можно в принципе заставить интерферировать друг с другом, что необходимо для фокусировки волновых полей.

И, наконец, несколько слов еще об одном очень важном эффекте: начальным направлением траекторий квазичастиц при их рождении у входной поверхности кристалла можно управлять, отклоняя падающую на кристалл волну от брэгговского положения. При этом оказывается, что когда это отклонение меняется в пределах примерно одной угловой секунды, то направления движения квазичастиц в кристалле изменяются на десятки градусов внутри треугольника Бормана, проходя его ст края и до края. Описывая эту ситуацию, можно говорить об угловом усилении, реально оно достигает величины 100 000. Получается, что вне брэгговского положения волна практически "не замечает" кристалл, а в брэгговском положении она ведет себя так, будто коэффициент преломления кристалла поднялся до сотен тысяч. В действительности, разумеется, такое колоссальное отклонение траекторий квазичастиц в кристалле вызвано не преломлением, а совсем другим физическим процессом - дифракцией на кристаллической решетке. Но для создания рентгеновских линз не важно, каким способом отклоняется волна, существенно лишь, что есть такие условия, при которых траектории рентгеновских квазичастиц можно собрать (сфокусировать) в одну точку.

Впервые мысль о возможности использования дифракции рентгеновских лучей на совершенных монокристаллах для создания когерентной фокусирующей оптики была высказана В. Л. Инденбомом с сотрудниками (Институт кристаллографии АН СССР) в 1974 году. Идея предложенного и теоретически рассмотренного ими эксперимента такова: если на кристалл падает узкий пучок, как это показано на рисунках 4, 5, то из кристалла выходит широкий когерентный волновой пакет, модулированный по фронту некоторым сложным образом. Если же осветить кристалл таким пучком, не сожмется ли он обратно в острый фокус? Пучок с такой сложной пространственной структурой можно получить, пропуская когерентную плоскую рентгеновскую волну через специальную зонную пластинку с отверстиями, сделанными в строго определенных местах, или же используя пучок, получающийся в результате дифракции на другом кристалле. Последняя рентгенооптическая схема, изображенная на рис. 4, получила название П-образного интерферометра. Первое плечо этого интерферометра (верхняя пластина кристалла на рисунке) используется для приготовления модулированной в пространстве волны, второе плечо (нижняя пластинка) - для ее фокусировки. Таким образом, в П-образном интерферометре есть кристаллическая пластина (нижняя), которая работает как рентгеновская линза. Было теоретически доказано, что при дифракции на втором кристалле волновой пакет, вместо того чтобы расшириться до удвоенной величины, должен сжаться в острый фокус, интенсивность которого в сотни раз выше окружающего фона. Такая фокусировка наблюдалась экспериментально в Институте физики твердого тела АН СССР в 1974 году. На рис. 4а приведены распределения интенсивности, снятые на фотопластинку в однократно дифрагированном пучке (за первым кристаллом, фото 1) и в дважды дифрагированном пучке (за вторым кристаллом, фото 2). На второй фотографии виден узкий штрих, представляющий собой сфокусированное изображение источника - щели перед первым кристаллом.

Используя такую рентгеновскую линзу, можно существенно упростить некоторые устройства, например, создать простой рентгеновский спектрометр. Принцип его действия (рис. 5) основан на том, что описанная линза работает только тогда, когда попадает в брэгговское положение, а брэгговский угол зависит от длины волны. Пусть излучение, содержащее разные длины волн, выходит из точечного источника и попадает на П-образный интерферометр, как это показано на рисунке. Лучи с разной длиной волны окажутся в брэгговском положении в различных точках входной поверхности первого кристалла. Широкие волновые пакеты "различных цветов", выходящие их этого кристалла в различных местах, будут сфокусированы вторым кристаллом, за которым можно снимать спектр на фотопластинку. По спектральному разрешению такой прибор не уступает лучшим известным образцам традиционных рентгеновских спектрометров, но он значительно проще в обращении, а о габаритах его можно судить по тому, что три-четыре П-образные линзы умещаются в спичечном коробке.

Направление траекторий квазичастиц в кристалле зависит не только от направления падающей на кристалл волны, но и от наклона его входной поверхности по отношению к отражающим плоскостям. Меняя этот наклон от точки к точке, можно подобрать такую форму входной поверхности кристалла, что все выходящие из нее траектории пересекутся в одной точке на выходной поверхности кристалла. Это тоже линза, ее роль выполняет совершенный монокристалл с входной поверхностью сложной формы (рис. 6). Такая конструкция, получившая название профилированного кристалла, должна фокусировать падающие на нее плоские волны с угловым разрешением до сотых долей угловой секунды, что может представлять интерес для рентгеновской астрономии. Интересно отметить, что статьи, в которых исследовалась эта линза, назывались "Дифракционная фокусировка нейтронов" и "Дифракционная нейтронная оптика", однако профилированный кристалл равным образом применим и для фокусировки рентгеновских лучей.

Но вернемся к проблеме рентгеновской микроскопии. Для того чтобы можно было получать с помощью линз изображения произвольных объектов, эти линзы должны фокусировать сферические волны, испускаемые точками объекта. Рассмотрим рентгенооптическую схему (рис. 6), где сферическая рентгеновская волна, излученная точечным источником, падает на изогнутый кристалл так, что в некоторой точке входной поверхности условие Вульфа - Брэгга выполняется точно. Можно так подобрать параметры падающей сферической волны, что траектории хотя бы одного сорта квазичастиц будут сходиться примерно в одной точке на выходной поверхности кристалла. По крайней мере по значительной части таких траекторий волны придут в эту точку с одинаковой фазой. Авторам этой схемы Ф. Н. Чуховскому и П. В. Петрашеню удалось найти условия, при которых это произойдет ("условия фокусировки"), и показать, что в результате такого процесса в точке пересечения траекторий должен возникнуть острый фокус, подобно тому, как это происходит в П-образном интерферометре. Существенное отличие заключается в том, что если в интерферометре коэффициент увеличения равен единице, то при фокусировке сферической волны изогнутым кристаллом увеличение может составлять от десятков до тысяч, а разрешение соответственно улучшается от десятков тысяч ангстрем (несколько микрометров) до сотни ангстрем.

Различие в коэффициентах увеличения связано с тем, что в последнем случае кристалл изогнут и источник оказывается расположенным вблизи центра кривизны кристалла, поэтому малые перемещения источника приводят к значительно более сильным перемещениям точки, в которой выполняется брэгговское условие на входной поверхности кристалла, а фокус на выходной его поверхности расположен напротив этой точки.

При фокусировке сферических волн траектории квазичастиц сходятся лишь приблизительно в одну точку. Если рассмотреть картину фокусировки подробнее, то окажется, что разные пучки траекторий пересекаются в близких, но все же различных точках, и такие микрофокусы заполняют в пространстве поверхность, называемую каустикой (в переводе - жгучая). Каустику в оптическом диапазоне можно наблюдать, если взять широкий сосуд с плоским дном и гладкими блестящими стенками и расположить его вблизи источника света. Тогда на дне этого сосуда возникнет яркая V-образная линия, и после небольшой "настройки" можно добиться появления у нее острия. Яркость в этой точке- вершине каустики - еще выше, чем на ней самой. Каустики возникают во многих оптических системах, а то, что обычно называют фокусом, есть вершина каустики. В описанной выше схеме фокусировки рентгеновской сферической волны изогнутым кристаллом задача заключается в том, чтобы добиться совпадения вершины каустики с выходной поверхностью кристалла, где этот яркий фокус можно будет, например, зафиксировать на фотопластинке.

Здесь следует отметить, что все схемы фокусировки рентгеновских лучей, о которых шла речь до сих пор, - это схемы цилиндрических линз в том смысле, что они сжимают падающие на них волновые пакеты в одном направлении. Поэтому изображение точечного источника, полученное с помощью таких линз (фокус), имеет форму штриха. Название "цилиндрическая линза" взято по аналогии с фокусирующим действием обычной преломляющей линзы, имеющей форму цилиндра или ограниченной цилиндрическими поверхностями. Сделав это замечание, обратимся к результатам эксперимента по передаче изображения в рентгеновских лучах с помощью такой линзы.

В первых экспериментах, когда наблюдалась фокусировка рентгеновской волны изогнутым кристаллом, ход лучей в линзе был обратным показанному на рисунке 7, поэтому кристалл в этих экспериментах работал как уменьшающая линза. Затем были осуществлены эксперименты по передаче изображения в рентгеновских лучах с помощью изогнутых кристаллов в режиме увеличения. Упрощенная схема одного из таких экспериментов представлена на рис. 7. В качестве объекта была взята непрозрачная для рентгеновских лучей золотая сетка с периодом ячейки 60 микрон. На рисунке приведены фотографии этой сетки, полученные контактным способом (слева) и с помощью увеличивающей рентгеновской линзы (справа). Последняя фотография представляет собой изображение сетки, растянутое цилиндрической рентгеновской линзой по горизонтали в 15 раз. Темные вертикальные полосы - изображения перемычек сетки; светлые горизонтальные полоски-изображения отдельных отверстий.

Как уже отмечалось, рентгеновские линзы, о которых шла речь, сжимают падающие на них волновые пакеты в одном направлении - в штрих. Между тем для большинства приложений практических задач и, в частности, для рентгеновской микроскопии необходимы "сферические" линзы, сжимающие падающие на них волновые пакеты по двум направлениям - в точку. Недавно эта задача была решена теоретически, и было показано, что такая фокусировка возможна, если в кристалле возникает не один, а множество дифрагированных пучков (многоволновая дифракция); при этом фокусирующий кристалл должен быть изогнут, но не цилиндрически, а наподобие поверхности эллипсоида.

Подобные эксперименты достаточно сложны, поэтому, прежде чем проводить их "в металле", проводится детальное моделирование на ЭВМ. Результаты такого моделирования фокусировки рентгеновской волны двухосно изогнутым кристаллом иллюстрируют рисунки 8 а, б, в. На них представлены рассчитанные на машине распределения интенсивности рентгеновских волн, которые имитируют экспериментальную фотографию. Рассчитывалось поле внутри кристалла, имеющего форму тонкой пластины. На рисунках 8 а, б показаны распределения интенсивности в двух сечениях, перпендикулярных к поверхностям этой пластины, на которых наблюдается сжатие волнового пакета при его движении в глубь кристалла. Если толщину кристалла выбрать равной глубине максимального сжатия пучка (вблизи этого места расположены вершины каустик для траекторий двух сортов квазичастиц), то за выходной поверхностью кристалла (рис. 8 в) можно наблюдать острый пик интенсивности, являющийся фокусом этой линзы.

Подводя итог сказанному, можно констатировать, что сейчас зарождается новая ветвь рентгеновской оптики - рентгеновская когерентная фокусирующая оптика. В ее основе лежит принцип дифракционной фокусировки рентгеновских лучей с помощью высокосовершенных монокристаллов, находящихся в брэгговском положении. Используемые при этом физические явления в корне отличаются от явлений, лежащих в основе оптики видимого света. Пока еще нет пригодных для практического использования рентгеновских линз и микроскопов, однако выполнены теоретические и экспериментальные работы, из которых следует, что на этом пути можно создать рентгеновскую и нейтронную оптику с уникальными характеристиками, а на ее основе - новые неразру-шающие методы исследования и контроля микроструктуры вещества. Задача создания такой оптики - это большая комплексная проблема. Например, в рентгеновском микроскопе должны быть объединены новые мощные источники рентгеновского излучения, собственно рентгеновские линзы, усилители яркости, рентгенотелевизионная система, которая позволила бы производить настройку и получать изображение в реальном масштабе времени. Необходима в приборе и ЭВМ, контролирующая множество его параметров. Несмотря на многие сложности, которые предстоит преодолеть, создание такого прибора представляется делом реалистичным. Что же касается возможностей, которые откроют новые рентгеновские приборы, в частности микроскопы, то даже небольшая их часть, то, что можно наметить сегодня, делает оправданными все усилия в области исследований и разработок рентгеновской оптики.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно

Университет