рентгеновская оптика

РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА - область исследований, в к-рой изучаются явления и процессы распространения рентг. излучения при его взаимодействии с веществом, а также разрабатываются элементы для рентг. приборов. При рассмотрении вопросов Р. о. рентг. диапазон условно делят на 3 области длин волн l: область жёсткого - ЖР (0,01 < l < 1 нм), мягкого - МР (1 < l < 30 нм) и ультрамягкого - УМР (30 < l < 100 нм) рентг. излучения.

Оптич. характеристики веществ в рентг. диапазоне обладают рядом особенностей. Во-первых, в рентг. диапазоне все атомы обладают низкой поляризуемостью по сравнению с более ДВ-диапазонами спектра (см. Поляризуемость рентгеновская). Рентг. кванты взаимодействуют с электронами внутр. оболочек атомов, причём для большинства электронов их энергия связи меньше энергии рентг. кванта ђw (w - круговая частота излучения). За исключением узких областей вблизи точных резонансов вклад фотон-электронного взаимодействия в диэлектрич. проницаемость значительно меньше, чем вклад оптич. электронов в видимой и ИК-областях (см. Дисперсия света ).По этой причине показатель преломления n в рентг. области для всех веществ мало отличается от 1 и почти во всём диапазоне |п| < 1 (только для нек-рых металлов в УМР-области |п| > 1). Элементы типа линз и призм в Р. о. практически не используются. Так, напр., собирающая линза из никеля с радиусами поверхностей r = 1 см при l = 0,1 нм должна иметь фокусное расстояние ~100 м.

Вторая особенность взаимодействия рентг. излучения с веществом - значит. фотопоглощение, связанное с большой вероятностью фотоэффекта, при к-ром рентг. квант выбивает один из внутр. электронов атома. Величина линейного коэф. поглощения m растёт с l и особенно велика в МР- и УМР-областях (для твёрдых материалов m ~10²-10⁵ см^-1), поэтому слои вещества толщиной в доли мм в МР-области и в несколько мкм в УМР-области спектра являются практически непрозрачными. Слой атм. воздуха толщиной менее 1 см полностью поглощает рентг. излучение с l > 1 нм, поэтому рентгенооптич. приборы МР- и УМР-диапазо-нов могут работать только в вакууме. В ЖР-области поглощение воздуха в масштабах обычных лаб. установок незначительно.

Как внутр. структура вещества, так и неоднородность границы раздела влияют на распространение рентг. излучения, причём характер взаимодействия зависит от соотношения между l и размером структурных неоднородностей а. В этой связи могут быть рассмотрены 2 группы явлений: Р. о. однородных и неупорядоченных сред и Р. о. сред с упорядоченной структурой (дифракц. оптика).

Рентгеновская оптика однородных и неупорядоченных сред

По отношению к рентг. излучению однородными могут считаться вещества с аморфной структурой, а также кристаллы в случае, когда постоянная решётки al. В предположении идеально гладкой поверхности раздела сред рассматриваются френелевское отражение и преломление рентг. излучения. В тех случаях, когда граница раздела сред неидеальна, т. е. имеются локальные отклонения профиля границы от ср. линии (шероховатость) или имеется неоднородный градиент диэлектрич. проницаемости в глубь среды, возникает рассеяние падающего рентг. излучения на границе раздела. При прохождении рентг. излучения через среду, содержащую нерегулярно расположенные структурные неоднородности с линейными размерами al (частицы др. вещества, дефекты кристаллич. решётки и т.д.), наблюдается малоугловое рассеяние.

Френелевское отражение рентг. излучения, как и в оптике более ДВ-диапазона, связано с величиной п. В общем виде в рентг. области

где d и b - т. н. рентг. оптич. константы, к-рые могут быть представлены через атомные факторы рассеяния f₁ и f₂:

где

здесь N_a - плотность атомов, - классич. радиус электрона. По порядку величины d и b изменяются от ~10^-6-10^-5 в ЖР-области до ~10^-2-10^-1 в УМР-области рентг. диапазона. В случае чистых металлов величину d можно оценить с помощью соотношения где Z - ат. номер, r - плотность вещества в г/см³, А_Z - ат. вес, l выражена в нм. Величина b связана с m соотношением b = lm/4p.

Отражение рентг. излучения на идеально гладкой поверхности раздела однородная среда - вакуум для s- и р-поляризаций (см. Поляризация света] характеризуется коэф. отражения R_s и R_р соответственно, рассчитываемыми по Френеля формулам. Если пренебречь поглощением излучения внутри среды (это в большей степени справедливо в ЖР-области), Снелля закон для рентг. излучения запишется в виде

где q и q' - скользящие углы падения и преломления. Для рентг. излучения |п| < 1, поэтому q' < q. При больших значениях q френелевский коэф. отражения очень мал; при нормальном падении для всех веществ он не превосходит 10^-3 для l ~ 10 нм и быстро падает с уменьшением l. Вследствие этого обычные зеркала нормального падения с однородными покрытиями неприменимы в рентг. диапазоне длин волн. При очень малых q значение q' оказывается мнимым, т. е. излучение не входит в среду, а полностью отражается. Это явление наз. полным внешним отражением по аналогии с полным внутр. отражением в оптике видимого диапазона. При условии cosq' = 1, т. е. когда преломлённый луч скользит по границе раздела, угол q = q_c наз. критич. углом полного внеш. отражения: Т. о., рентг. излучение отражается от идеально гладких поверхностей однородных сред только при падении под скользящими углами q < q_с, к-рые для любых веществ изменяются от долей градуса в ЖР-области до 10-20° в УМР-области спектра. При таких углах различие в коэф. отражения для разных поляризаций практически отсутствует, поэтому вводится один френелевский коэф. отражения R(q).

При учёте поглощения величина R зависит также и от b, в частности вид зависимости Д(0) определяется гл. обр. отношением b/d (рис. 1). Т. к. коэф. отражения падает с уменьшением l, для каждого материала и опре-дел. угла q существует КВ-граница отражения l_отр. Эта особенность используется в отражат. фильтрах скользящего падения, отсекающих КВ-часть излучения. Напр., в качестве таких фильтров могут служить зеркала из Аl (l_отр > 1,2 нм, q > 2°), Ni (l_отр > 1,9 нм, q > 4,5°), Сr (l_отр > 2,8 нм, q > 5°) и др.

Рис. 1. Зависимость френелевского коэффициента отражения (R) при скользящем падении от отношения q/q_c при различных значениях b/d.

Рассеяние при отражении рентг. излучения от шероховатой поверхности среды - результат интерференции вторичных волн от элементарных излучателей в тонком приповерхностном слое вещества. В случае малого рассеяния (см. ниже) угл. распределение (индикатриса)отражённого излучения содержит две компоненты: зеркальный пик, соответствующий отражению от идеально гладкой поверхности и повторяющий распределение интенсивности в падающем пучке, и широкую диффузную компоненту, распределение интенсивности в к-рой определяется свойствами рассеивающей поверхности.

При случайном характере шероховатости интегральный поток рентг. излучения l_д, рассеянный поверхностью однородной среды, и угл. ширина диффузной компоненты DF при определ. условиях связаны с мик-рогеометрией поверхности соотношениями

где I₀ - интенсивность падающего пучка, s и a - сред-неквадратическая высота и корреляц. радиус шероховатостей (определяется характерным масштабом изменения ф-ции корреляции профиля поверхности). Из (3) следует, что хорошие рентг. зеркала должны иметь очень гладкую поверхность. Напр., для того чтобы рассеяние не превышало 10% при l - 1 нм и q = 1^°, значение s не должно превышать 1,5 нм. Опыт показывает, что обычная оптич. полировка даёт поверхности с шероховатостью в пределах неск. нм, "суперполировка" (или т. н. глубокая полировка) - менее 1 нм. Значения радиусов корреляции, как правило, заключены в пределах от долей мкм до неск. десятков (иногда сотен) мкм. Более точная теория рассеяния, рассматривающая в приближении теории возмущений модель шероховатой поверхности как неоднородного слоя, формирующего отражённую волну, даёт более сложную зависимость интенсивности и индикатрисы рассеяния от параметров пучка и геометрии поверхности. В частности, в практически наиболее важном случае относительно больших радиусов корреляции и углов скольжения, близких к q_с, индикатриса рассеяния имеет симметричный вид и её максимум совпадает с зеркальным пиком. При очень малых а рассеяние практически полностью концентрируется в области критич. угла отражения при любых q (при q > q_С это проявляется в виде т. н. эффекта Ионеды: индикатриса рассеяния имеет два пика - зеркальный, смещающийся с изменением q, и диффузный, остающийся при атом в положении, соответствующем q= q_с).

На френелевском отражении основаны зеркала скользящего падения (ЗСП), применяемые для концентрации излучения в рентг. каналах синхротронов, микроанализаторах, камерах малоуглового рассеяния, рентге-носпектральных и др. приборах. Обычно используют вогнутые сферические, цилиндрические, тороидальные или эллиптические ЗСП, а также параболоиды и эллипсоиды вращения. Недостаток одиночных ЗСП - большие аберрации, гл. обр. астигматизм и кома, к-рые ограничивают в конечном итоге светосилу и предел концентрации излучения.

Для построения изображений самосветящихся или просвечиваемых объектов в рентг. телескопах и рентг. микроскопах применяются системы из двух или большего числа ЗСП. Простейшая из таких систем - система Киркпатрика - Баэза - состоит из пары скрещенных сферпч. или цилиндрич. зеркал (см. Рентгеновский микроскоп, рис. 2).

Рис. 2. Изображающие зеркальные системы скользящего падения (системы Вольтера): а и б - системы параболоид- гиперболоид 1-го и 2-го рода; в - система гиперболоид - эллипсоид; F - действительный фокус; F' - промежуточный фокус; S - источник.

Высоким разрешением и значительно большей, чем скрещенные системы, светосилой обладают системы глубоко асферических осесимметричных ЗСП с отражающими поверхностями, имеющими форму параболоидов, гиперболоидов и эллипсоидов вращения. Для компенсации аберраций число зеркал в таких системах должно быть чётным. Наиб. распространены т. н. системы Вольтера (рис. 2): параболоид - гиперболоид, используемая в рентг. телескопах, и система гиперболоид - эллипсоид, применяемая в рентг. микроскопах. Принцип построения систем Вольтера состоит в том, что промежуточное мнимое изображение источника строится в общем фокусе 1-го и 2-го зеркал, а результирующее действительное - в сопряжённом фокусе 2-го зеркала.

Геом. апертура систем Вольтера представляет собой кольцевое отверстие, ширина к-рого определяется углом скольжения и длиной зеркал, ограниченной вследствие роста аберраций. Для увеличения апертуры используют "гнездообразные" системы из вложенных друг в друга пар зеркал с общим фокусом. Предельным случаем являются системы из неск. десятков или сотен очень коротких двойных конич. колец, для к-рых качество изображения определяется в осн. шириной кольца, а коэф. использования площади входного отверстия достигает 50% и более. Эфф. светосила ЗСП зависит также и от коэф. отражения покрытия R(q), к-рое подбирается исходя из максимума произведения q·R(q) для заданного диапазона длин волн. В МР-и УМР-диапазонах наиб. часто используют покрытия из никеля и золота, имеющие наиб. значения q·R(q).

Особый тип ЗСП - зеркала с многократным отражением, работающие по принципу "шепчущей галереи". Если направить пучок рентг. излучения под углом q < q_c к поверхности изогнутого зеркала, то в результате многократных отражений от неё пучок можно повернуть на значит. угол f, к-рый может составлять десятки градусов. Коэф. отражения при этом определяется l, оптич. константами материала зеркала, f и шероховатостью отражающей поверхности. Он оказывается на неск. порядков больше, чем при однократном отражении с поворотом на тот же угол. Этот принцип применяется и в рентг. волноводах (обычно изготовляемых из кварцевых нитевидных капилляров), к-рые можно использовать для передачи излучения на расстояние в десятки см и преобразования пучков аналогично волоконным световодам видимого диапазона.

Рентгеновская оптика сред с упорядоченной структурой

В том случае, когда структура вещества упорядочена и характерный период структуры a ~ l, интерференция когерентных волн, дифрагировавших на элементах структуры, приводит к концентрации рассеянного излучения в нек-рых дискретных направлениях, в к-рых волны складываются в фазе; интенсивность этого излучения пропорц. квадрату числа элементов структуры. В рамках такого дифракц. подхода рассматриваются брэгговская оптика кристаллов, оптика многослойных отражающих покрытий, микроструктурная рентг. оптика. В первом случае в качестве рентгенооптич. элементов используют кристаллич. структуры, в последних двух - искусственно созданные объёмные или поверхностные структуры - зеркала нормального падения с многослойными покрытиями, отражательные и пропускающие дифракц. решётки, зонные пластинки Френеля, брэгг-френелевские отражатели.

Брэгговская оптика кристаллов. При взаимодействии рентг. излучения с кристаллом, когда выполняются условия Брэгга - Вульфа, возникает брэгговское отражение (см. Дифракция рентгеновских лучей ).Это явление легло в основу рентгено-спектральных методов (см. Рентгеновская спектральная аппаратура), а также методов рентгеновской топографии. Диапазон спектра, в к-ром может использоваться тот или иной кристалл, определяется постоянной решётки 2d и диапазоном изменения (обычно от 3-5° до 60-70°) угла Брэгга q (угла между плоскостью кристалла и направлением падающего пучка). Кристаллы со структурой, близкой к идеальной, имеют наиб. высокую разрешающую силу- энергия рентг. кванта, - энергетич. ширина максимума отражения) при сравнительно небольшом значении интегрального коэф. отражения Напр., кристалл кварца при отражающей плоскости (1011) (2d = 0,6686 нм) имеет R_{с mах} = 1,23·10^-4 и = 7700, при отражающей плоскости (2023) (2 d = 0,2750 нм) = 1,5·10^-5 и = 1·10⁵.

Мозаичный кристалл графита [плоскость (002), 2 d = 0,6708 нм] имеет= 1,52·10^-3 и = 113.

Для повышения R_c, а следовательно, и светосилы прибора за счёт нек-рого снижения разрешающей силы используют мозаичные кристаллы, состоящие из множества отд. блоков, кристаллография, плоскости к-рых слегка развёрнуты друг относительно друга.

Рентгенооптич. элементы на основе кристаллов могут быть плоской, цилиндрич., сферич. или асферич. формы, к-рая им придаётся изгибом и полировкой в спец. оправках или наклеиванием (выращиванием) тонких кристаллов на подложки требуемой формы.

Дифракция ЖР-излучения на совершенном кристалле благодаря регулярному расположению атомов крис-таллич. структуры носит динамич. характер (динамич. дифракция; см. Дифракция рентгеновских лучей ),Это означает, что многократное рассеяние излучения на кристаллич. плоскостях сохраняет свои когерентные свойства, в результате чего амплитуда дифраги-ров. волн становится сравнимой с амплитудой проходящей волны. Интерференция дифрагированных и проходящей волн приводит к образованию результирующего волнового поля в кристалле, к-рое может быть представлено в виде суперпозиции волн, получивших назв. блоховских. Эфф. длина блоховской волны в кристалле принимает значение от единиц до десятков мкм, что существенно снижает требования к изготовлению рентгенооптич. элементов.

Рис. 3. Рентгеновский интерферометр Бонзе - Харта.

Рентгенооптич. прибором, использующим брэгговскую дифракцию, является интерферометр Бонзе - Харта (рие. 3), состоящий из трёх пластинок с общим основанием, изготовленных из монокристалла (напр., Si). Расщеплённый на кристалле-разделителе 5 рентг. пучок сводится кристаллом-зеркалом М на анализаторе А. Сформированная интерференц. картина обладает исключительно высокой чувствительностью к разл. рода нарушениям. Такого типа интерферометры используются для измерений показателей преломления, структурных дефектов. Применение технологии микроструктурирования позволяет изготовлять из совершенных монокристаллов сложные типы микроинтерферометров, спектральных приборов и их элементов.

Рис. 4. Схема многослойных покрытий; e₁, e₂ - диэлектрические проницаемости 1-го и 2-го материалов.

Рентгеновская оптика многослойных покрытий. В МР- и УМР-области используют зеркала с многослойными покрытиями (МСП), к-рые, в отличие от зеркал скользящего падения, могут работать при любых углах вплоть до нормального падения. Такие зеркала широко применяются в приборах для фокусировки излучения и построения изображений, спектрального анализа и поляриметрии, в резонаторах рентг. лазеров, в качестве делителей пучков и т. п. МСП (рис. 4) представляет собой периодич. структуру из чередующихся слоев веществ с разл. значением диэлектрич. проницаемости e₁ и e₂, нанесённых на подложку таким образом, что период d постоянен или изменяется по определ. закону. При больших углах скольжения коэф. отражения от каждой границы раздела невелик, но благодаря сложению синфазных волн. отражённых от неск. десятков или сотен слоев, полный коэф. отражения покрытия может составлять десятки процентов. Условие, при к-ром достигается максимум коэф. отражения МСП для монохроматич. излучения, с точностью до отличия показателя преломления от 1 совпадает с условием Брэгга - Вульфа: 2dcosf = = ml (f - угол падения, m - порядок интерференции). Т. о., МСП представляет собой искусственный одномерный кристалл, причём, в отличие от обычных кристаллов, период структуры может быть задан произвольно в широких пределах (от сотен до единиц нм).

В МСП возможны два механизма отражения. Первый - интерференц. отражение, реализующееся, когда поглощение в обоих веществах мало и выполняется условие; в этом случае величина макс. коэф. отражения МСП определяется скачком действит. части (e₁ - e₂). Второй - отражение вследствие эффекта Бормана (см. Аномального пропускания эффект; )в этом случае вещества подбираются так, чтобы выполнялось условие и коэф. отражения определяется скачком мнимой части e. Такая структура состоит из очень тонких слоев сильно поглощающего вещества и дополняющих их до периода d слоев вещества со слабым поглощением. При резонансном отражении в структуре образуется стоячая волна, узлы к-рой приходятся на слои вещества с большим поглощением, и поэтому затухание в них мало. Реально в отражении участвуют в той или иной мере оба механизма, поэтому необходимо подбирать оптим. соотношение толщин слоев в пределах заданного периода.

Отражение от зеркал с МСП, в отличие от зеркал скользящего падения, узкополосно. Разрешающая способность определяется числом эффективно отражающих слоев, к-рое, в свою очередь, зависит от коэф. отражения и поглощения слоев, образующих элементы структуры. По спектральному разрешению, достигающему в нек-рых случаях мн. сотен, зеркала с МСП успешно конкурируют с молекулярными кристаллами; при работе под углами, близкими к брюстеровскому (в рентг. области 45°), они являются эфф. поляризаторами излучения.

С помощью МСП может быть реализована фокусирующая и изображающая Р. о. нормального падения с использованием сферич. и асферич. зеркал, подложки для к-рых изготовляются методами традиц. оптич. технологии, в то время как изготовление зеркал скользящего падения намного более сложно и трудоёмко. Ожидается, что в ближайшем будущем с помощью зеркал с МСП будет достигнуто разрешение в рентг. области, близкое к дифракционному, что в десятки раз выше достижимого в видимом диапазоне спектра. В то же время использование МСП зеркал скользящего падения, работающих в области l < 1 нм, даёт возможность в неск. раз увеличить углы скольжения и светосилу приборов (напр., рентг. микроскопов, микроанализаторов).

Осн. методы изготовления МСП - электронно-лучевое, магнетронное и лазерное напыления на подложку слоев тяжёлых металлов (W/Re, Mo, Ni, Ru, Ti, Au) в сочетании со слоями лёгких элементов (С, В, Be, Si). К 1993 макс. значения коэф. отражения при нормальном падении (~ 70-80%) достигнуты в УМР-области (l ~ 13-20 нм) для структуры Mo - Si, изготовленной магнетронным напылением; разрешающая способность таких систем составляет 10-20. Наиб. разрешение (200-300) достигнуто для структуры из 400-800 слоев Ni-С с d2 нм, напыляемой электронным пучком. Изменяя период структуры по мере напыления МСП, можно в нек-рых пределах управлять шириной полосы отражения. При изготовлении подложки из веществ, прозрачных для рентг. излучения (напр., С, Si), удаётся создать делитель рентг. пучка, эталон Фабри - Перо (рис. 5) и т. п. оптич. элементы.

Рис. 5. Эталон Фабри - Перо для рентгеновского излучения (а), состоящий из многослойных покрытий W и С, и его кривая отражения (б).

На качество зеркал с МОП влияют погрешность формы и шероховатость поверхности подложки, межплое-костные шероховатости и разброс толщин слоев, неравномерная плотность слоев и размытие их границ вследствие диффузии. Влияние шероховатости подложки, проявляющееся на всех слоях структуры, и шероховатостей поверхностей самих слоев проявляется в снижении коэф. отражения МСП, к-рое описывается Дебая - Уоллера фактором:

где R₀ - коэф. отражения структуры при абсолютно гладких границах слоев, s - эфф. высота шероховатости слоя. МСП с наиб. гладкой поверхностью слоя (s ~ 0,2-0,3 нм) удаётся получить при напылении на хорошо отполированную подложку из кремния или плавленого кварца структур типа (Re - W) - С, Ni - С, для к-рых получены МСП с наим. периодом (d ~ 1,2 нм).

Отражающие и пропускающие дифракц. решётки используются в МР- и УМР-об-ластях для монохроматизации излучения и построения спектральных изображений. Дисперсионное ур-ние для отражающих дифракц. решёток (ОДР) в общем случае имеет вид

где d - период решётки, g - угол между волновым вектором падающего пучка и нормалью на плоскость дисперсии, a и b - углы между проекциями на плоскость дисперсии волновых векторов падающего и дифрагиров. пучков и нормалью к плоскости решётки. Решётка может освещаться по классич. схеме, когда падающий пучок лежит в плоскости дисперсии, и по т. н. схеме конич. дифракции, в к-рой плоскость падения пучка почти нормальна к плоскости дисперсии, т. е. пучок падает вдоль решётки. Эффективность ОДР определяется интенсивностью дифракц. пучка, зависящей от углов дифракции, периода решётки, геометрии штриха, его освещения и коэф. отражения покрытия, к-рый, в свою очередь, зависит от угла q между направлением пучка и плоскостью отражающей грани штриха (в большинстве случаев q не превышает 20-30°).

Преимущество классич. схемы - более высокая дисперсия, т. к. за счёт скользящего падения видимое расстояние между штрихами решётки уменьшается в l/sing раз. В то же время для схемы конич. дифракции характерна более высокая эффективность, поскольку в ней отсутствует взаимное затенение штрихов.

В рентг. области наиб. часто используют ОДР с треугольным, синусоидальным или прямоуг. штрихом; в последних может быть получена концентрация излучения в определ. порядок спектра за счёт интерференции волн, отражённых от верхней и нижней поверхностей профиля штриха. В классич. схеме наиб. эффективностью обладают решётки с треугольным профилем штриха - эшелетты - при выполнении условия блеска, т. е. когда падающий и дифрагиров. пучки симметричны относительно нормали к отражающей грани штриха. Макс. эффективность (теоретич.) эшелеттов с золотым покрытием и частотой 600 штрихов на 1 мм достигается при угле блеска 2,5° и l ~ 10 нм - св. 40%; для ОДР синусоидального и прямоуг. профиля она составляет соответственно ок. 30 и 20% · С увеличением частоты штрихов, а также при больших или меньших l эффективность падает. Кроме того, реальная эффективность ниже теоретической в 1,5-2 раза из-за несовершенства формы штрихов и шероховатости их поверхности.

По форме ОДР могут быть плоскими, сферическими пли асферическими. Вогнутые ОДР могут использоваться одноврем. в качестве диспергирующего и фокусирующего элементов. Для снижения значит. аберраций, возникающих при скользящем падении, применяют особые схемы расположения источника, решётки и детектора (напр., для сферич. решётки - схема Роулан-да; см. Рентгеновская спектральная аппаратура), а также переходят к асферич. форме подложки (тороидальной, эллиптической или более высокого порядка). Для получения стигматич. изображений используют также перем. шаг и кривизну штрихов, при этом могут быть построены весьма светосильные ОДР, дающие спектральные изображения с разрешением l/Dl ~ ~ 10⁴-10⁵ [предельное разрешение обычных сферич. решёток с регулярными прямолинейными штрихами не превышает (2-3)·10³].

Совр. способы изготовления ОДР - нарезка на металле (алюминий, золото) алмазным резцом на станке с управлением от ЭВМ (макс. частота 3600 штрихов на мм; возможно получение профиля штриха с малым углом наклона при ограничениях на форму подложки), а также голографич. методы с использованием УФ-ла-зеров и синхротронного излучения (макс. частота - до неск. десятков тысяч штрихов на мм). Для достижения оптим. профиля штрихов - треугольного или прямоугольного - и переноса голографич. рисунка решётки на более гладкую подложку применяют ионное травление. Для полученных таким способом кварцевых ОДР с прямоуг. штрихом КВ-граница составляет ок. 0,5 нм. С помощью рентгеновской литографии изготовляют рентгеновские ОДР с многослойным покрытием, к-рые могут работать с высокой эффективностью при больших q вплоть до нормального падения, однако их область дисперсии ограничена спектральной шириной максимума отражения покрытия.

Пропускающие дифракц. решётки (ПДР) изготовляются методами микролитографии и представляют собой тонкоплёночные структуры, обычно из Аи, толщиной в неск. мкм. Макс. эффективность дифракции зависит от l и в 1-м порядке может достигать 5-10% при плотности штрихов от неск. сотен до неск. тысяч на 1 мм. Вследствие конечной толщины структуры существует КВ-предел применения ПДР (~ 0,1 нм), ниже к-рого решётка становится практически прозрачной. ПДР могут устанавливаться в сходящемся или расходящемся пучке совм. с фокусирующей Р. о., при этом для коррекции возникающих аберраций шаг структуры делают переменным.

Рис. 6. Фазовая зонная пластинка из кремния на длину волны 0,83 нм.

Зонные пластинки Френеля (ЗПФ) в рентг. диапазоне являются дифракц. аналогами обычных линз и обладают наивысшим из рентгенооптич. элементов пространственным разрешением. ЗПФ как рентгенооптич. элемент предложены в 1952 А. Баэзом (A. Baez). Они служат осн. элементом в сканирующих и изображающих рентг. микроскопах с использованием синхротронного излучения. ЗПФ представляет собой искусств. микроструктуру с радиально расположенными чередующимися кольцевыми, прозрачными, поглощающими или преломляющими областями, параметры к-рых связаны соотношением

где r_n - радиус n-й кольцевой зоны; F - её фокусное расстояние.

Эффективность ЗПФ зависит от оптич. свойств материалов и формы профиля зоны, заполненной материалом. Оптим. толщина t_опт поглощающего (преломляющего) слоя для бинарного (прямоугольного) профиля определяется из ур-ния

где b и d - оптич. константы. Эффективность ЗПФ описывается ур-нием

и для сильно поглощающих материалов, напр. Аи при l > 1 нм (bd), не превышает p². ЗПФ являются фазовыми, если изготовлены из материала с отношением b/d < 0,1. Так, для создания эффективных ЗПФ наилучшими свойствами обладают следующие хим. элементы: С (в интервале l от 5,1 до 8.5 нм) А1 (1,4-2,2 нм), Si (0,7-2 нм), Си (0,4-0,5 нм), Ag (0,46-0,7 нм), Аи (0,2-0,234 нм). На рис. 6 приведена фазовая ЗПФ из кремния.

Изображение, создаваемое ЗПФ, свободно от дистор-сии, разрешение определяется размером последней зоны. Для создания ЗПФ применяют голографич. методы, а также электронно-лучевую литографию, плазмохим. травление, селективное хим. травление материалов и т. д. Технология создания ЗПФ включает получение тонких мембран из карбида и нитрида кремния, полиамида толщиной от долей мкм до неск. мкм. Радиус последней зоны должен составлять 1-2 мм с точностью до единиц нм. Размер последней зоны достигает 10 нм. В перспективе возможно создание кино-формных ЗПФ со спец. формой профиля зоны (см. Киноформ).

Достоинства обычных ЗПФ - относит. простота их изготовления, возможность массового воспроизводства, относит. простота расчёта параметров структуры элементов. Недостатки - низкие термич. и радиац. стойкости, ограничение рабочего диапазона длин волн (l ~ 0,5-1 нм), отсутствие возможности создания управляемых, переключаемых элементов, ограничения на апертуру и разрешение в связи с тем, что толщина оптич. элементов много больше l. В результате необходимости учёта эффекта объёмной дифракции предельное разрешение ЗПФ оценивается по ф-ле

и составляет для разл. элементов от 50 до 100 нм.

Брэгг - френелевская оптика. Использование объёмной дифракции на многослойной или кристаллич. структуре с определ. формой поверхности или изменением периода отражающих плоскостей позволяет создать оптич. элементы, совмещающие высокое пространственное разрешение ЗПФ и высокое спектральное разрешение п механич. стабильность многослойных и кристаллич. структур. Идеальная брэгг-френелевская линза (БФЛ) - трёхмерная голограмма точки, представляющая собой систему эллипсоидов или параболоидов вращения границ трёхмерных зон Френеля (рис. 7). БФЛ обладает хроматич, аберрациями, фокусирует все длины волн, отражаемые решёткой, в одну точку. Однако такая система весьма трудна в реализации, т. к. требует создания очень точной формы поверхности кристалла пли зеркала. Синтезированные БФЛ, обладая всеми свойствами объёмных БФЛ, позволяют использовать плоские кристаллы или многослойные зеркала. Совмещая объёмные зоны Френеля с идеальной объёмной решёткой, периодической или апериодической, выделяя области, в к-рых положение границ системы объёмных зон Френеля и плоскостей решётки совпадают или отличаются не больше чем на четверть межплоскостного расстояния, получают структуру синтезированной БФЛ (рис. 7).

Рис. 7. Схема получения брэгг-френелевской зонной пластинки: А₁ и А₂ - когерентные источники; E - эллиптические изофазные поверхности; М - многослойная структура.

Изменяя коэф. отражения или фазу рассеяния от зоны к зоне, можно получить эффект фокусировки, как и в случае плоской ЗПФ. Параметрич. ур-ния пространственной структуры БФЛ:

где k - тангенс наклона элемента к оптич. оси, М₀ - относит. коэф. увеличения системы, 2a - расстояние от объекта до изображения, и -1< h < 1- параметры системы,

Трёхмерные БФЛ изготовляются из совершенных кристаллов или зеркал с МСП. Одномерные брэгг-френелевские элементы (БФЭ) с вариацией периода в объёме структуры являются дифракц. признаками. Управляя положением отражающих плоскостей БФЭ с помощью электрич., оптич. и УЗ-сигналов, можно менять коэф. отражения и фазу отражённой волны. Модулировать положение отражающих плоскостей можно также путём смещения плоскостей из отражающего положения, изменением параметра решётки (межплоскостного расстояния) внеш. воздействием, искажением формы поверхности кристалла в целом импульсными пли волновыми процессами и путём модуляции электронной плотности в кристалле. БФЭ могут быть использованы в широком диапазоне длин волн, имеют большие механич., термич. и радиац. устойчивости. На базе управляемых БФЭ можно создавать устройства сканирования рентг. пучком, модуляции и передачи информации. БФЛ, совмещённые с интерферометрами Фабри - Перо и изготовляемые на прозрачных для рентг. излучения мембранах, рассматриваются как осн. элементы для резонаторов рентг. лазеров.

Перспективы развития Р. о. связаны гл. обр. с совершенствованием технологии изготовления рентгенооп-тич. элементов (получения сверхгладких зеркальных поверхностей разд. профиля, улучшения качества поверхностей многослойных покрытий, повышения разрешения микроструктур и т. д.). Наибольшие надежды возлагаются на Р. о. многослойных покрытий и брэгг-френелевскую оптику в связи с разработкой рентг. лазеров, рентг. голографии, рентг. микроскопии и др. направлений.

Лит.: Зимкина Т. М., Фомичев В. А., Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия, Л., 1971; Burek A. J., Crystals for astronomical X-ray spectroscopy, "Space Sci. Instr.", 1976, v. 2, № 1/3, p. 53; Каули Д., Физика дифракции, пер. с англ., М., 1979; Пинскер 3. Г., Рентгеновская кристаллооптика, М., 1982; Рентгеновская оптика и микроскопия, под ред. Г. Шмаля и Д. Рудольфа, пер. с англ., М., 1987; Мишетт А., Оптика мягкого рентгеновского излучения, пор. с англ., М., 1989; Зеркальная рентгеновская оптика, под ред. А. В. Виноградова, Л., 1989; Аристов В. В., Eр-ко А. И., Рентгеновская оптика, М., 1991.

В В Аристов, А. И. Ерко, В. А. Слемзин, А. А. Снигирёе.

   <<      Предметный указатель      >>