Óptica de raios-x

A óptica de raios X trata da propagação da radiação de raios X e sua interação com a matéria. É usado não apenas na faixa de comprimento de onda da radiação de raios-X real (0,01 a 10  nm ), mas também em comprimentos de onda de até 100 nm ( radiação VUV ).

Na óptica de raios X, é feita uma distinção entre raios X suaves e duros. A faixa na qual o comprimento de onda da radiação é maior do que a distância entre os átomos no sólido (0,1 nm a 0,5 nm) é chamada de radiação de raios-X suave . Aqui, o sólido é visto como um meio homogêneo . Os raios X fortes, por outro lado, são a faixa em que o comprimento de onda é mais curto do que a distância entre os átomos no sólido, ou seja, na faixa de 0,01 a aproximadamente 0,5 nm. É aqui que a estrutura atômica do sólido se destaca.

Diferenças de ótica com luz visível

Para os raios-X, o índice de refração da matéria é um pouco menor que um (desvio na faixa de 10 -8 a 10 -6 dependendo do comprimento de onda). Isso resulta em uma velocidade de fase da onda maior que a velocidade da luz . A razão para o desvio abaixo de um é que a frequência de oscilação da radiação eletromagnética na faixa dos raios X é maior do que a frequência de oscilação dos elétrons externos dos átomos iluminados, que realizam oscilações forçadas no campo elétrico da radiação de raios X acima de sua frequência de ressonância . Esta propriedade pode ser usada para definir os raios-X.

A direção de propagação da radiação eletromagnética pode, em princípio, ser alterada, por exemplo focada, utilizando refração , reflexão e difração .

Ao usar a refração dos raios X em uma superfície, a relação do índice de refração entre o ambiente e o material da lente deve ser levada em consideração. Em um ambiente de vácuo (índice de refração é um) e, por exemplo, uma lente de foco (índice de refração menor que um), a lente tem uma forma côncava em contraste com a faixa espectral visível - em vez de uma forma convexa, como é necessário com lentes convergentes visíveis.

Ao usar a reflexão, deve-se notar que este efeito é baseado na chamada "reflexão total externa" (cf. reflexão total interna na faixa espectral do visível) para pequenos ângulos com a superfície da óptica. Em ângulos maiores, o efeito de reflexão múltipla é usado por meio de arranjos de material em camadas na óptica para permitir uma reflexão eficaz.

Quando a difração é usada, uma diferença de caminho é criada especificamente entre as faixas de onda individuais. Por exemplo, a interferência pode criar um foco por trás da ótica.

Para comprimentos de onda de raios-X - em particular para comprimentos de onda menores que 100 nm - não há meio completamente permeável à radiação (“transparente”). Como resultado, as lentes de raios X devem ser o mais finas possível. As maneiras mais fáceis de focar a luz de raios-X são espelhos e placas de zona de Fresnel . Os espelhos de raios X devem ter uma superfície muito mais plana do que os espelhos para a luz visível. A dispersão difusa em uma superfície é causada por imperfeições chamadas rugosidade da superfície. Se a distância média ou o tamanho das saliências for muito menor do que o comprimento de onda, a rugosidade da superfície desempenha apenas um papel menor. No entanto, se essa distância for semelhante ao comprimento de onda da luz, um feixe incidente é principalmente difusamente espalhado e dificilmente refletido como um feixe. Para os raios X, que têm comprimentos de onda muito pequenos, as superfícies que parecem absolutamente planas na luz visível costumam ser muito rugosas.

Espelho de raio x

Para compensar a baixa refletividade na faixa de raios-X, são usados ​​essencialmente três métodos diferentes:

Ideia de pastoreio

A refletividade das superfícies aumenta à medida que o ângulo de incidência se torna mais plano . Com um índice de refração inferior a 1, a reflexão total pode ocorrer até mesmo em ângulos de incidência muito planos . É por isso que os espelhos são freqüentemente usados ​​em óptica de raios-X com incidência rasante. Um exemplo de dispositivo óptico que funciona com incidência rasante é o telescópio Wolter .

Sistemas multicamadas

Se você precisa de espelhos que fornecem alta refletividade em ângulos de incidência acentuados e só precisam funcionar em um comprimento de onda, costumam ser usados ​​espelhos feitos de sistemas multicamadas. Eles consistem em dois materiais diferentes que ficam um sobre o outro em camadas alternadas. Esses sistemas multicamadas são sempre construídos para um comprimento de onda específico e um ângulo de incidência específico. Como regra, usa-se um meio opticamente denso e um meio opticamente fino no comprimento de onda associado. As espessuras das camadas são coordenadas de forma que o período sempre corresponda ao comprimento de onda do ângulo de incidência pretendido. Uma interferência construtiva ocorre então durante a reflexão nas camadas opticamente mais densas . Um sistema multicamadas popular é, por exemplo, a combinação de silício e molibdênio para comprimentos de onda em torno de 13,5 nm. Aqui, o silício é o meio opticamente fino e o molibdênio é o opticamente mais denso.

Reflexo de bragg

Com os raios X duros, a interferência estrutural das ondas na rede cristalina descrita pela equação de Bragg pode ser usada. Um reflexo de difração é gerado em um cristal em um determinado ângulo em um determinado comprimento de onda. No entanto, a intensidade do feixe refletido é muito baixa.

Equipamento óptico de raio x

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