X線光学 – 日本語百科事典辞書

X-ray_optics
X線光学は、可視光の代わりにX線を操作する光学の分野です。それは、X線結晶構造解析、X線蛍光、小角X線散乱、X線顕微鏡、X線位相コントラストイメージングなどの研究技術のためにX線ビームを操作する集束および他の方法を扱います。X線天文学など。
X線と可視光はどちらも電磁波であるため、同じように空間を伝播しますが、X線の周波数と光子エネルギーがはるかに高いため、物質との相互作用は大きく異なります。可視光はレンズとミラーを使用して簡単に方向を変えることができますが、すべての材料の複素屈折率の実数部はX線では1に非常に近いため、代わりに、最初は透過し、最終的にはほとんどの材料に吸収される傾向が方向を大きく変えます。

コンテンツ
1 X線技術
2 フォーカシング光学系
2.1 ポリキャピラリー光学系 2.2 ゾーンプレート 2.3 複合屈折レンズ
3 反射4 回折 5 干渉
6 テクノロジー
7 X線光学用ミラー
7.1 X線用の多層 7.2 硬X線ミラー
8 も参照してください
9 参考文献
10 外部リンク

X線技術
X線の方向を変えるために使用されるさまざまな手法があり、それらのほとんどはわずかな角度で方向を変更します。使用される最も一般的な原理は、反射における入射放牧角度を、いずれかを使用して総外部反射が非常に小さい角度またはで多層コーティング。他の原理は、使用される回折及び干渉の形態におけるゾーンプレート、屈折における化合物の屈折レンズ屈折の分率のためにそれらの数によって補償するように直列に多数の小さなX線レンズを使用して、ブラッグ反射平坦で結晶面のオフまたは曲がった結晶。
X線ビームは、通常、タングステンまたはその他の高Z材料で作られたピンホールまたは可動スリットを使用して、コリメートまたはサイズが縮小されることがよくX線スペクトルの狭い部分は、結晶からの1つまたは複数のブラッグ反射に基づくモノクロメーターで選択できます。X線スペクトルは、X線をフィルター（光学系）に通すことによって操作することもできます。これは、典型的にはスペクトルの低エネルギー部分を低減し、おそらくは上記部品ます吸収端の要素をフィルタするために使用されます。

フォーカシング光学系
X線結晶学、小角X線散乱、広角X線散乱、X線蛍光、X線分光法、X線光電子分光法などの分析X線技術はすべて高X線の恩恵を受けます調査中のサンプルのフラックス密度。これは、集束光学部品の範囲のうちの1つを使用して、X線源からの発散ビームをサンプルに集束させることによって実現されます。これは、走査型透過型X線顕微鏡法や走査型蛍光X線イメージングなどの走査型プローブ技術にも役立ちます。

ポリキャピラリー光学系

X線を集束させるためのポリキャピラリーレンズ
ポリキャピラリーレンズは、X線をガイドする小さな中空ガラス管のアレイであり、管の内側で多くの外部反射が発生します。アレイは、キャピラリーの一方の端がX線源を指し、もう一方の端がサンプルを指すようにテーパーが付けられています。ポリキャピラリー光学系はアクロマティックであるため、スキャン蛍光イメージングや、幅広いX線スペクトルが役立つその他のアプリケーションに適しています。それらは、0.1〜30 keVの光子エネルギーで X線を効率的に収集し、X線源から100 mmのピンホールを使用するよりも、100〜10000のフラックスのゲインを達成できます。非常に狭い角度でキャピラリーに入るX線のみが全反射するため、小さなスポットからのX線のみが光学素子を透過します。ポリキャピラリー光学系は、複数のポイントを別のポイントにイメージングできないため、X線の照明と収集に使用されます。

ゾーンプレート
ゾーンプレート
ゾーンプレートは、位相シフトまたは吸収材料の同心ゾーンを備えた基板で構成され、ゾーンは半径が大きくなるほど狭くなります。ゾーン幅は、送信された波が焦点を与える単一のポイントで建設的な干渉を受けるように設計されています。ゾーンプレートは、光を収集するためのコンデンサーとして使用できますが、X線顕微鏡などの直接フルフィールドイメージングにも使用できます。ゾーンプレートは色彩が高く、通常は狭いエネルギースパン用にのみ設計されているため、効率的な収集と高解像度のイメージングには単色のX線が必要です。

複合屈折レンズ
複合屈折レンズ
X線波長での屈折率は1に非常に近いため、通常のレンズの焦点距離は実用的ではありません。この問題を克服するために、曲率半径が非常に小さいレンズが使用され、それらは長い列に積み重ねられているため、組み合わされた集束力がかなり高くなります。 X線の屈折率は1未満であるため、これらのレンズは、集束効果のために凸面である可視光レンズとは対照的に、集束を達成するために凹面でなければなりません。曲率半径は通常1ミリメートル未満であり、使用可能なX線ビーム幅は最大で約1mmになります。これらのスタックでのX線の吸収を減らすために、ベリリウムやリチウムなどの原子番号が非常に小さい材料が通常使用されます。屈折率はX線の波長に強く依存するため、これらのレンズは色が濃く、どのような用途でも焦点距離の波長による変化を考慮する必要が

反射

X線望遠鏡で使用されるかすめ入射反射に基づく設計には、Kirkpatrick-Baezによるものと、Wolterによるものが含まれます（Wolter I-IV）
基本的な考え方はする反映のビームX線（反射角が入射角に等しい）表面からの鏡面方向に反射X線の強度を測定します。放物面鏡での反射とそれに続く双曲線鏡での反射がX線の集束につながることが示されています。入射X線はミラーの傾斜面に当たる必要があるため、収集領域は小さくなります。ただし、ミラーの配置を相互にネストすることで増やすことができます。
入射強度に対する反射強度の比率は、表面のX線反射率です。境界面が完全にシャープで滑らかでない場合、反射強度はフレネル反射法則によって予測された強度から逸脱します。次に、偏差を分析して、表面に垂直な界面の密度プロファイルを取得できます。複数の層を持つフィルムの場合、X線反射率は、ファブリペロー効果と同様に、波長による振動を示す場合がこれらの振動は、層の厚さやその他の特性を推測するために使用できます。

回折

それらの経路長の差、2ここで、対称的に再放射X線原因離間原子が特定の方向に互いを補強するため
のD罪
θは、波長の整数倍に等しい
λを
X線回折では、ビームが結晶に当たり、多くの特定の方向に回折します。回折ビームの角度と強度は、結晶内の電子の3次元密度を示しています。X線の波長は通常、結晶内の原子平面間の間隔と同じオーダー（0.1〜10.0 nm）であるため、X線は回折パターンを生成します。
各原子は、入射ビームの強度のごく一部を球面波として再放射します。原子が分離して（結晶に見られるように）対称的に配置されている場合、Dは、これらの球面波は、それらの経路長差2方向に（建設追加）同期であろうDの罪 θは、の整数倍に等しいです。波長λ。したがって、入射ビームは角度2θだけ偏向されているように見え、回折パターンに反射スポットが生成されます。
X線回折は、順方向の弾性散乱の一形態です。出て行くX線は入ってくるX線と同じエネルギー、したがって同じ波長を持っていますが、方向が変わっているだけです。対照的に、非弾性散乱は、エネルギーが入射X線から内殻電子に伝達されてより高いエネルギーレベルに励起されるときに発生します。このような非弾性散乱は、発信ビームのエネルギーを減少させます（または波長を増加させます）。非弾性散乱は、このような電子励起を調べるのに役立ちますが、結晶内の原子の分布を決定するのには役立ちません。（例えば、より長い波長の光子紫外線放射は）原子位置を決定するのに十分な解像度を持っていないであろう。もう一方の極端な例として、ガンマ線などの短波長の光子は、大量に生成するのが難しく、焦点を合わせるのが難しく、物質との相互作用が強すぎて、粒子と反粒子のペアが生成されます。
同様の回折パターンは、電子または中性子を散乱させることによって生成できます。X線は通常、原子核から回折されるのではなく、それらを取り巻く電子からのみ回折されます。

干渉
X線干渉は、2つ以上のX線波の加算（重ね合わせ）であり、新しい波形パターンになります。X線干渉とは、通常、波が同じソースからのものであるか、周波数が同じまたはほぼ同じであるために、相互に相関またはコヒーレントな波の相互作用を指します。
2つの非単色X線波は、両方が正確に同じ波長範囲を持ち、各構成波長で同じ位相差を持っている場合にのみ、互いに完全にコヒーレントになります。
総位相差は、パス差と初期位相差の両方の合計から導き出されます（X線波が2つ以上の異なるソースから生成された場合）。次に、ある点に到達するX線波が同相（建設的干渉）であるか、位相がずれている（破壊的干渉）かを結論付けることができます。

テクノロジー
X線光子をX線検出器の適切な場所に集めるために使用されるさまざまな手法が
入射ミラーを放牧ウォルター望遠鏡、又はカークパトリック・バエズX線反射顕微鏡、
ゾーンプレート、
曲がった結晶、
多層コーティングを利用した法線入射ミラー、
複合屈折レンズなどの光学レンズによく似た法線入射レンズ、
微細構造光学アレイ、すなわちキャピラリー/ポリキャピラリー光学システム
コード化開口イメージング、
変調コリメータ、または
X線導波路。
ほとんどのX線光学素子（かすめ入射ミラーを除く）は非常に小さく、特定の入射角とエネルギー用に設計する必要があるため、発散放射線での用途が制限されます。技術は急速に進歩していますが、研究以外での実用化はまだ限られています。しかしながら、医療用X線イメージングにX線光学系を導入するための努力が続けられています。例えば、大きな約束を示すアプリケーションの一つは、両方の増強であり、コントラスト及び解像度のマンモグラフィ、従来に比べ、画像を散乱防止グリッド。別のアプリケーションは、X線ビームのエネルギー分布を最適化して、従来のエネルギーフィルタリングと比較してコントラスト対ノイズ比を改善することです。

X線光学用ミラー
ミラーは、反射層でコーティングされたガラス、セラミック、または金属箔で作ることができます。 X線ミラーに最も一般的に使用される反射材料は、金とイリジウムです。これらを使用しても、臨界反射角はエネルギーに依存します。1 keVの金の場合、臨界反射角は2.4度です。
X線ミラーを同時に利用するには、次のものが必要です。
X線フォトンの到着位置を2次元で決定する機能
妥当な検出効率。

X線用の多層
非常に小さいグレージング角度を除いて、X線に対して実質的な反射を持つ材料はありません。多層は、同相でコヒーレントに多くの境界からの小さな反射振幅を追加することにより、単一の境界からの小さな反射を強化します。たとえば、単一の境界の反射率がR = 10 -4（振幅r = 10 -2）の場合、100個の境界から100個の振幅を追加すると、反射率Rが1に近くなります。同相加算を提供する多層膜の周期Λは、入力ビームと出力ビームによって生成される定在波の周期Λ=λ/2sinθです。ここで、λは波長、2θは2つのビーム間の半角です。θ= 90°または垂直入射での反射の場合、多層の周期はΛ=λ/ 2です。多層膜で使用できる最短周期は、原子のサイズによって、4nmを超える波長に対応する約2nmに制限されます。より短い波長の場合、より多くのかすめに向けて入射角θを小さくする必要が
多層の材料は、各境界で可能な限り高い反射を与え、構造全体の吸収または伝播を最小にするように選択されます。これは通常、スペーサー層用の軽量で低密度の材料と、高コントラストを生成するより重い材料によって実現されます。重い材料の吸収は、構造内の定在波場の節点の近くに配置することで減らすことができます。優れた低吸収スペーサー材料は、Be、C、B、B 4 C、およびSiです。W、Rh、Ru、Moは、コントラストの良い重い素材の例です。
アプリケーションが含まれます：
EUVから硬X線までの望遠鏡用の通常およびかすめ入射光学系。
顕微鏡、シンクロトロンおよびFEL施設のビームライン。
EUVリソグラフィー。
Mo / Siは、EUVリソグラフィのほぼ垂直入射反射体に使用される材料の選択です。

硬X線ミラー
79 keVで動作するNuStar宇宙望遠鏡用のX線ミラー光学系は、多層コーティング、コンピューター支援製造、およびその他の技術を使用して作成されました。ミラーは、スランプガラス上にタングステン（W）/シリコン（Si）またはプラチナ（Pt）/シリコンカーバイド（SiC）のマルチコーティングを使用しており、ヴォルター望遠鏡の設計が可能です。

も参照してください
Kirkpatrick-Baezミラー
X線望遠鏡
ヴォルター望遠鏡、視射入射鏡で構築されたX線望遠鏡の一種
XMM-ニュートンおよびチャンドラX線天文台、X線光学系を使用して軌道を回る天文台
X線分光法、X線光電子分光法、X線結晶学

参考文献
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外部リンク

コモンズのX線光学に関連するメディア
アーントラスト。「X線光学」。”