Содержание к диссертации
Введение
1. Современные достижения и направления рентгеновской оптики 27
1.1. Физические свойства рентгеновских лучей. Общие замечания о рентгеновских лучах 27
1.2. Приближение геометрической оптики 29
1.3. Коэффициент преломления веществ в рентгеновском диапазоне 33
1.4. Общая теория отражение и преломления рентгеновских лучей на границе сред... 35
1.5. Приближение малых углов скольжения 39
1.6. Рентгеновская оптика скользящего падения 41
1.7. Сложные приборы оптики скользящего падения 45
1.8. Капиллярная рентгеновская оптика 46
Заключения к главе 1 50
2. Теоретико-расчётное обоснование рентгеновской мультиэлементной преломляющей оптики 51
2.1.0 принципиальной возможности создания преломляющей рентгеновской оптики 51
2.2. Рентгеновские микролинзы и их свойства 52
2.3. Собирающие рентгеновские микролинзы и мультилинзы 55
2.4. Потери и фокусировка излучения в собирающей мультилинзе 60
2.5. Пределы применимости преломляющей рентгеновской оптики и материалы для неё 63
2.6. Рассеивающие рентгеновские микролинзы и мультилинзы 70
2.7. Рентгеновские микропризмы и мультипризмы 75
2.8. Несимметричное отражение рентгеновских лучей от поверхности мультилинз и мультипризм 78
2.9. Искажения и дефекты в мультиэлементной оптике 80
2.10. О возможности применения мультиэлементной оптики в других областях и границы их применимости 87
2.11. Замечания по технологическим возможностям изготовления преломляющих рентгеновских систем 90
2.12. Применение мультиэлементной преломляющей оптики 91
3. Концентраторы для рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения 94
3.1. Широкоугольный концентратор 94
3.2. "Тонкий" концентратор 98
4. Резонаторы на основе оптики скользящего падения для рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения 103
4.1. Лазеры в диапазоне жёстких электромагнитных волн 103
4.2. Несимметричные кольцевые резонаторы 105
4.3. Аксиально-симметричные кольцевые резонаторы 111
Выводы главы 4 125
Заключение 126
Список использованных источников и литературы 128
- Коэффициент преломления веществ в рентгеновском диапазоне
- Сложные приборы оптики скользящего падения
- Потери и фокусировка излучения в собирающей мультилинзе
- Применение мультиэлементной преломляющей оптики
Введение к работе
Со времени открытия рентгеновских лучей в 1895 г., интерес к ним с течением времени не уменьшался, менялись только доминирующие направления их исследований и приложений.
Исследование рентгеновского диапазона электромагнитного излучения развивается в нескольких относительно самостоятельных направлениях.
Создание источников рентгеновского излучения обладающих заданными характеристиками;
Создание технических систем способных изменять характеристики потоков рентгеновских лучей.
Работа с рентгеновским излучением сводится к следующим основным операциям: детектирование, усиление {концентрирование), коллимация (формирование пучка), изменение направления (поворот), выделение спектраль-1 ных областей (фильтрация) излучения и др.
3. Использование рентгеновского излучения для различных целей. В ча стности для изучения объектов излучающих в рентгеновском диапазоне и объектов, просвечиваемых рентгеновскими лучами. Это, рентгеновская спек троскопия, рентгеновская микроскопия, рентгеновская астрономия и т. д.
Исследованием рентгеновских лучей, их управлением и практическим использованием занимается рентгеновская оптика (англ. X-Ray Optics), которая в настоящее время является быстро развивающейся областью.
Актуальность проблемы. Требования науки, техники и технологии приводят к стимулированию исследований в рентгеновской оптике. Создаются новые и совершенствуются уже существующие рентгеиооптические системы. Развитие рентгеновской оптики актуально, в частности, для следующих областей:
Разработка и совершенствование различных источников рентгеновского излучения: рентгеновских трубок, лазерной плазмы, лайнеров, синхротронов, ондуляторов и др.;
Получение и использование синхротронного и ондуляторного излучения рентгеновского диапазона;
Разработка источников когерентного рентгеновского излучения {рентгеновских лазеров), таких как плазменные лазеры, лазеры на свободных электронах и другие;
Развитие рентгеноскопии, для исследования структуры материалов и выявления дефектов;
Разработка и совершенствование рентгеновской литографии;
Создание и совершенствование рентгеновских микроскопов и рентгеновской микроскопии',
Создание и совершенствование рентгеновских телескопов, и дальнейшее развитие рентгеновской астрономии;
Создание и развитие рентгеновской голографии;
Различные разновидности рентгеновской спектроскопии;
Исследование поверхности материалов с помощью рентгеновского излучения исходящего от исследуемой поверхности. Например, EXAFS-спектроскопия (от англ. Extended X-ray Absorption Fine Structure — анализ протяженной тонкой структуры рентгеновского поглощения) и XANES-шшт (от англ. X-ray Absorption Near Edge Structure — исследование ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения) и др.;
Исследование микроструктуры веществ с помощью разных методов рентгеноструктурного анализа;
Рентгеновская топография, как способ изучения дефектов в кристаллах с помощью дифракции рентгеновских лучей;
Исследование тонких пленок с помощью рентгеновского излучения;
В области рентгеновской рефрактометрии;
В области рентгеновской томографии;
16. Для создания монохроматоров для рентгеновских лучей;
Перечисленные направления имеют важное фундаментальное и прикладное значение в физике, кристаллографии, химии, биологии и других областях науки, а также в технике и технологии.
Космическое рентгеновское излучение, приходящее от космических объектов, регистрируется и изучается в рентгеновской астрономии, что дает богатую информацию о строении и эволюции звезд, галактик, квазаров, межзвездной и межгалактической материи и о других объектах Вселенной. Для развития рентгеновской астрономии большое значение имеет улучшение характеристик рентгеновских телескопов и повышение чувствительности рентгеновских детекторов.
Современная микроэлектроника интенсивно развивается во многом благодаря прогрессу в литографии. Постоянно возрастающие требования к миниатюризации микросхем, требуют продвижение литографии в область меньших длин волн. В настоящее время ведутся исследования в области создания рентгеновской литографии, развитие которой, невозможно без развития рентгенооптических систем и источников рентгеновского излучения. Рентгеновская литография по некоторым параметрам имеет преимущества перед другими разновидностями литографии (электронная, ионная...) и литографией больших длин волн (оптическая, ультрафиолетовая...). В производстве чипов для засветки фоторезиста предполагается использовать рентгеновское син-хротронное излучение, излучение рентгеновских лазеров и др. Управление излучением в литографии возможно с помощью рентгенооптических систем из разных областей рентгеновской оптики.
В настоящее время ведутся исследования в области рентгеновской микроскопии. Разрабатываются и создаются рентгеновские микроскопы, которые по некоторым параметрам имеют преимущества перед другими типами микроскопов, такими как оптические, электронные, нейтронные, позитрон-ные и т. д.
В рентгеновской спектроскопии требуются оптические системы для управления потоками рентгеновского излучения с целью повышения их спектральной чувствительности.
Объект и предмет исследования. В современных научных исследованиях в физике и химии, а также в астрономии, биологии, технике, медицине и т. д,, широко используется рентгеновское излучение разных диапазонов — от длинноволнового до коротковолнового. Этот обусловлено свойствами рентгеновского излучения, такими, как:
Рентгеновское излучение имеет длину волны на несколько порядков меньше, чем оптическое, что позволяет исследовать с его помощью значительно более мелкие объекты;
Жёсткое рентгеновское излучение (Я = 400 *- 0,0001 А) имеет большую проникающую способность, что позволяет исследовать различные объекты, материалы и вещества просвечивая их рентгеновским излучением.
Предметом исследования данной диссертационной работы являются теоретические и прикладные аспекты главным образом преломляющей рентгеновской оптики и оптики скользящего падения.
Достижения в изучении объекта исследования. До настоящего времени в мире проведены обширные исследования рентгеновского лучей, их взаимодействие с веществом, возможностей управления ими и применения.
Вначале проводились исследования природы рентгеновских лучей и их взаимодействие с веществом, что привело к возникновению различных направлений рентгеноструктурного анализа (Я. Дебай {P. Debye), М. Лауэ (М Laue) и др.).
Позже более широко стали разрабатывать различные способы управления потоками рентгеновского излучения. Исследования стали проводить не только из научных соображений, но также исходя из потребностей техники и технологий.
В последнее время стали создаваться научно-исследовательские учреждения, специализирующиеся на исследовании различных аспектов рентгенов-
9 ского излучения и/или рентгеновской оптики. В 1991 г. в Москве был открыт Институт рентгеновской оптики, деятельность которого связана главным образом с разработкой и производством рентгенооптических систем.
В настоящее время в России широко ведутся исследования в области разработки и создания рентгеновской оптики во многих научно-исследовательских учреждениях и вузах. Во многих НИИ работают группы и отделы, занимающиеся рентгеновским излучением и/или рентгеновской оптикой. К таким организациям можно отнести Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Физический институт Российской академии наук им. П. И. Лебедева, Институт общей физики Российской академии наук, Московский физико-технический институт, Московский инженерно-физический институт, Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, Российский научный центр "Курчатовский институт" в Москве, Институт физики микроструктур Российской академии наук в Нижнем Новгороде, Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых веществ Российской академии наук в Черноголовке, Институт физики микроструктур Российской академии наук в Нижнем Новгороде, Институт ядерной физики им. Г. И Будкера Сибирского отделения Российской академии наук в Новосибирске, Института физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук в Красноярске и многие другие.
В ряде направлений рентгеновской оптики Российские исследователи находятся на переднем крае или нередко опережают зарубежные. В странах СНГ — Украине, Белоруссии также активно ведутся исследования в рентгеновской оптике.
За пределами СНГ исследования в области рентгеновской оптики также ведутся очень широко. Исследования по рентгеновской оптике во многих странах стали одним из приоритетных направлений в научно-технических и технологических разработках. Прежде всего, в США (Ватсоновский исследовательский центр ИБМ (IBM), Массачусетскж технологический институт (МТТ), Станфордский университет, Центр рентгеновской оптики в Олбани,
10 Гавайский университет, Ливерморская лаборатория, Рочестерская лаборатория, НАСА (NASA), фирма OSMIC и т. д.), а так же в Англии (Бристольский университет), в Германии (Кильский университет, Мюнстерский университет, Гёттингенский университет, фирма FOMIPP), во Франции (лаборатория LURE по исследованию синхротронного излучения в Орсэ, фирма ESRF), в Италии (римская фирма ENEA), в Нидерландах (фирма Philips), в Швеции, в Японии и в других странах, где рентгеновская оптика стала одним из приоритетных научно-технических направлений.
Все больше создаются новые, а так же совершенствуются ранее разработанные рентгеновские приборы, такие как рентгеновские микроскопы и телескопы, концентраторы, спектрометры. Кроме этого разрабатываются источники рентгеновского излучения: лазеры рентгеновского диапазона, синхротроны, плазменные источники, такие как лайнеры, источники, основанные на излучении лазерной плазмы (лазерные фокусы) и др. Постоянно расширяется сфера применения рентгеновских приборов.
Современное состояние исследований. Рентгеновская оптика стала обширной областью физики, которая переживает в настоящее время бурное развитие. Широко ведутся как теоретические, так и практические исследования. Причем это развитие имеет существенный технологический уклон, т. е. большое значение придается выходу к практическому применению получаемых результатов.
Это привело к тому, что за последние двадцать лет в области рентгеновских исследований число работающих специалистов возросло примерно в два раза и значительно увеличилось финансирование рентгеновских исследований. По рентгеновской оптике стало больше публиковаться статей, обзоров, сборников и монографий. Больше стало проводиться конференций, семинаров, школ и т. д. В России и за рубежом последнее время проводятся конференции по рентгеновской оптике и постоянно работают семинары.
Кроме прикладных исследований интенсивно ведутся исследования в физике рентгеновского излучения, имеющие фундаментальный характер. Речь идет, прежде всего, о создании генераторов монохроматического когерентного рентгеновского излучения. Это рентгеновские лазеры (разеры, резеры, или в английском варианте —X~Ray4azers). В настоящее время уже создан ряд таких устройств. С другой стороны, появление рентгеновских лазеров открыло возможность для создания рентгеновской голографии. В настоящее время поставлен ряд обнадеживающих экспериментов в этой области.
На развитии рентгеновской оптики сказываются многие обстоятельства. С одной стороны это потребности науки и техники, а с другой появление новых технических и технологических возможностей, например, вакуумной техники, появление новых материалов и способов их обработки.
Перспективы развития рентгеновской оптики. Рентгеновская оптика открывает широкие возможности создания приборов для химического анализа на расстоянии, которые могут использоваться в химии, биологии и могут иметь значение для экологии, в военном деле, кристаллографии и т. д.
Из приборов рентгеновской оптики разрабатываются такие, как рентгеновские концентраторы, рентгеновские лазеры и резонаторы для них, рентгеновские микроскопы, рентгеновские телескопы, рентгеновские спектрографы и многие другие. Многие приборы рентгеновской оптики, такие как рентгеновские резонаторы и концентраторы, имеют существенный потенциал развития. К настоящему времени уже созданы единичные образцы элементов преломляющей рентгеновской оптики, такие как составные рентгеновские линзы и микропризмы.
Цели и решаемые задачи. Данная диссертация посвящена исследованию автора в области, главным образом, в рентгеновской оптике и частично нейтронной оптике и оптике вакуумного ультрафиолетового излучения, а также отдельным вопросам создания лазеров коротковолнового электромагнитного излучения:
1. Разработка преломляющей рентгеновской оптики. Основными задачами здесь являются:
12 1J. Теоретическое обоснование принципиальной возможности создания преломляющей рентгеновской оптики;
Рассмотрение преломляющих микроскопических рентгенооптиче-ских систем: собирающих и рассеивающих рентгеновских микролинз, а также рентгеновских микропризм;
Рассмотрение конкретных макроскопических преломляющих рент-генооптических систем: собирающих и рассеивающих рентгеновских мулъти-линз, а так же рентгеновских мультипризм;
Расчет свойств и эффективности преломляющих рентгенооптиче-ских систем;
Расчет диапазона рентгеновского излучения, в котором возможно создание достаточно эффективной преломляющей рентгеновской оптики;
Выбор материалов, из которых возможно создание преломляющей рентгеновской оптики;
Рассмотрение дефектов, возможных в преломляющей рентгеновской оптике.
Рассмотрение возможности применения похожих элементов преломляющей оптики в области вакуумного ультрафиолетового диапазона.
Рассмотрение возможности применения похожих элементов преломляющей оптики для нейтронного излучения.
1.10. Рассмотрена возможность создания преломляющей оптики, спо собной работать как с рентгеновским, так и с нейтронным излучением.
2. Следующей целью является создание и совершенствования рентгено-оптических приборов на основе рентгеновской оптики скользящего падения— рентгеновских концентраторов и рентгеновских резонаторов. Задачи рассматриваемые здесь следующие:
2.1. Разработка и модификация рентгеновских концентраторов, работа которых основана на оптике скользящего падения. Проведение расчета их свойств и эффективности их работы;
Разработка кольцевых рентгеновских резонаторов работающих на оптике скользящего падения, которые можно использовать для обеспечения положительной обратной связи в рентгеновских лазерах;
Проведение расчетов основных характеристик таких резонаторов и их эффективности.
Специфические проблемы рентгеновской оптики как предмета исследования. Рентгеновская оптика имеет ряд особенностей, создающих специфические проблемы для изучения как сами по себе, так по сравнению с оптикой видимого диапазона.
Одной из таких проблем в области создания рентгеновской техники вообще и рентгеновской оптики в частности является ее относительно более низкая эффективность, чем приборов оптики видимого диапазона и радиодиапазона.
Большое поглощение мягкого рентгеновского излучения (1 = 400 + 10 А) в веществе также приводит к снижению эффективности приборов рентгеновской оптики.
Перечисленные особенности приводят к тому, что технология изготовления приборов рентгеновской оптики, как правило, сложней, а, следовательно, дороже, чем оптики видимого диапазона. Необходимость вложения больших средств в рентгенооптические исследования, в известном смысле, приводит к сдерживанию развития рентгеновской оптики. Но растущие потребности науки и техники в рентгеновской оптике стимулируют финансирование этих разработок.
С другой стороны, источники рентгеновского излучения достаточно дороги, громоздки и мало доступны, что отрицательно сказывается на широком исследовании и использовании рентгеновской оптики, что тоже тормозит ее развитие.
В области создания рентгеновских лазеров одной из самых важных является проблема создания достаточно эффективных рентгеновских резонаторов для обеспечения обратной связи.
14 Последние несколько лет ведутся работы по созданию преломляющей рентгеновской оптики. Раньше возможность ее создания ставилась под сомнение. Позже было показано, что существует принципиальная возможность ее создания. Кроме этого, были предложены и рассчитаны конкретные схемы объектов преломляющей рентгеновской оптики. К настоящему времени появились экспериментальные работы, в которых подтверждена возможность ее' создания на простых примерах. Были созданы рентгеновские микролинзы и системы продольно расположенных микролинз, работа которых хорошо согласуется с теорией. Позже были предложены и рассчитаны другие элементы преломляющей рентгеновской оптики— мультилишы и мультипризмы. Можно сказать, что преломляющая рентгеновская оптика только делает свои первые шаги.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические методы исследования; аналитические выводы и численные оценки. Расчёты рентгенооптических систем проводились на основе электродинамики сплошных сред: методы геометрической оптики, модифицированные для рентгеновского излучения, методы оптики скользящего падения, в частности, методы, разработанные А. В. Виноградовым и др.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Концентрическое расположение N кольцевых микролинз повышает плотность потока собираемого в их общем фокусе излучения в N раз, а апер туру такой системы — приблизительно в 2N раз по сравнению с отдельной сферической микролинзой с тем же радиусом кривизны /?.
Для рентгеновского и нейтроного излучения радиусы кривизны микролинз, составляющих указанную систему, лежат в пределах /?-0,01-^ 0,0001 см, а характерные фокусные расстояния— в пределах /=0,1 -*-10 см;
2. Для рентгеновского излучения с длинами волн А = 1 + 30 А для созда ния систем микролинз наилучшими являются материалы, состоящие из хими-
15 ческих элементов с зарядами ядер Z = 1 -г- 6 с возможными примесями из лёгких элементов с Z > 6.
В области длин волн Л = 100-^-1000 А для различных металлических и диэлектрических материалов наилучшей является толщина микролинзы, близкая к 1000 А.
Для нейтронного излучения с длинами волн Л = 1 * 30 А для создания' систем микролинз наилучшими являются материалы с максимальной концентрацией рабочего изотопа;
3. В системах концентрически расположенных кольцевых микролинз с общим фокусом имеют место специфические аберрации. К последним отно сятся: а. "Разброс фокусов микролинз" в системе микролинз, возникающий вследствие несовпадения их фокусов, что приводит к хаотическому размыва нию изображения, получаемого системой микролинз; б. "Кольцевые фокусы", возникающие вследствие рассогласования зна чений корректирующих углов микропризм и радиусов кривизны кольцевых микролинз в системе микролинз. Вследствие этого изображение точки имеет форму замкнутой линии, близкой к кольцу; в. "Угловые аберрации", которые появляются при построении изобра жений в системе микролинз, снабженных корректирующими микропризмами, из-за поворота последними проходящих через них потоков излучения на ма лые углы а„. В результате отдельные микролинзы формируют изображения, расположенные под различными углами друг относительно друга;
4. Плазменный источник рентгеновского излучения с характерным размером р в сочетании с отражателем, образованным совокупностью зеркал, плотно покрывающих полусферу, причём каждое из них, в свою очередь, со стоит из совокупности вложенных отражающих поверхностей, близких к по лусферам с характерными размерами Rg»pt концентрирует рентгеновское излучение в объёме с размерами порядка/?;
Минимальный продольный размер устройств, использующих оптику скользящего падения и работающих в режиме распространения волн (например, рентгеновских) вдоль вогнутых поверхностей путём многократных отражений иод углами скольжения 0
Замыкание рентгеновского излучения, распространяющегося путём многократных отражений под углами скольжения 0<0С = \J2S вдоль вогнутых криволинейных поверхностей, образующих резонатор, формирует пучок лазерного рентгеновского излучения с типом симметрии, определяемым свойствами симметрии отражателей резонатора (вс — критический угол скольжения, 3—декремент преломления материала поверхности).
Достоверность полученных результатов. Достоверность защищаемых положений и других результатов диссертационной работы, с одной стороны, находят своё подтверждение в аналитических выводах, основанных на геометрической оптике применительно к рентгеновскому диапазону и конкретных численных расчётах. С другой стороны, эксперименты, проведённые другими авторами по частично пересекающейся тематике и опубликованные в печати, находятся в хорошем качественном и количественном согласии с полученными выводами и также подтверждают полученные результаты.
1. Правомерность первого защищаемого положения подтверждается аналитическими выводами, численными расчётами, при которых использовались те же приближения, что и у других авторов. Кроме того, достоверность полученных результатов по мультилинзам и мультипризмам подкрепляется экспериментами, проведёнными с рентгеновскими микролинзами и с продольными системами микролинз— составными рентгеновскими линзами (A.Snigirev, KKohn at ai (1996—1998), P. Elleaume (1998), Ю.И./{удчик, H. Я. Кольчевский at al (1998), В. E. Асадчиков, А. В. Виноградов и др. (2001), Л. Г. Шабелъников, Р. Э. Александрович и др. (2002)). Эксперименты по прохождению рентгеновских лучей через алмазные микропризмы
17 (А. Г. Турьянский, Р.А.Пиришн, и др. (2001)) и алмазные бипризмы {Л. Г. Щавельников, И. А. Щёлоков и др. (2002)) также подтверждают результаты, касающиеся микропризм в мультилнзах и мультипризмах.
Возможность создания мультилинз и мультипризм подтверждается технологиями, на основе которых созданы рентгеновские зонные пластинки (N.M.Ceglio (1981)), и особенно— рентгеновские киноформные линзы (В. В. Аристов, А. И. Ерко (1991)). Последние имеют геометрию и характерные размеры, аналогичные характеристикам мультилинз и мультипризм. О возможности создания мультилинз и мультипризм также свидетельствуют технологии изготовления составных рентгеновских линз (А. Н. Артемьев, А. А. Спигирёв (2004), В. Я. Назьмов, Е. Ф. Резникова (2004)).
Правомерность второго защищаемого положения подтверждается расчётами на основе существующих теорий и экспериментальных данных приведённых во многих монографиях: по рентгеновской оптике (М. А. Блохин (1957), А. В. Виноградов, И. А. Брытов и др. (1989), А. Мишетт (1989)), по вакуумному ультрафиолетовому излучению (Заидель А. Н., Шрейдер Е. Я. (1976)) и по физике нейтронов {Ю.А.Александров (1982), Н.А.Власов (1971)).
Правомерность четвёртого, пятого и шестого, защищаемых положений подтверждается теоретическими расчётами коэффициентов отражения зеркал /^работающих в режиме скользящего падения и экспериментальными данными Rr для разных поверхностей и длин волн многих авторов (И. В. Кожевников (1989), А. В. Виноградов, Н. Н. Зорев и др. (1985), М. Е. Плоткин, В. А. Слемзин (1985), А.В.Виноградов, Н. А. Коноплев и др. (1982), А. К Vinogradov, 1. V. Kozhevnikov atal (1983), А.В.Виноградов, А Н. Ораевский (2001), А.В.Виноградов, В.Ф.Ковалев и др. (1985), А. В. Виноградов, В. М. Елинсон и др. (1987), Ф. Ф. Комаров, А. И. Наумович и др. (1986), А.В.Виноградов, И.В.Кожевников (1984), В. А. Аркадьев, М. А. Кумахов (1986)).
18 4. Правомерность четвёртого и пятого защищаемых положений в аспекте, касающемся выводов для широкоугольного и "тонкого" концентраторов, частично подтверждается результатами работы (А. В. Виноградов, О. И. Топстихин (1989)). " 5. Дополнительно правомерность четвёртого защищаемого положения подтверждается результатами работы, в которой, в частности, обоснована не-' зависимость длины пути излучения с длиной волны Л, распространяющегося под углами скольжения 0<&е = -J2S вдоль криволинейных поверхностей, от числа отражений JV [И. В. Кожевников (1989)).
6. Дополнительно правомерность шестого защищаемого положения подтверждается как теоретическими, так и экспериментальными результатами статьи (А. В. Виноградов, В. Ф. Ковалев и др. (1985)).
Научная новизна полученных результатов.
В задачах преломляющей оптики (1, 2 и 3-е защищаемые положения)
Высказана и обоснована принципиальная возможность создания преломляющей рентгеновской оптики на основе систем микролинз и микропризм. Обоснована возможность использования приближения тонкой линзы для рентгеновских микролинз (1999).
Предложены конструктивные схемы собирающих и рассеивающих рентгеновских линз, а также рентгеновских призм, для которых предложен термин—мультилинзы и мульт ипризмы.
Сформулирован комплекс рекомендаций технологического и инженерно-конструкторского характера по созданию элементной базы и устройств мультиэлементной преломляющей оптики (1999—2003).
Получены формулы для расчёта характеристик мультилинз и мульти-призм, таких как фокусное расстояние микролинз, корректирующие углы корректирующих микропризм, коэффициенты ослабления и др. Произведены некоторые расчёты оптических свойств предлагаемых рентгенооптических систем для конкретных параметров материалов (1999—2003).
3. Обоснованы рекомендации по выбору диапазонов длин волн, для ко торых целесообразно создание мультилинз: в области вакуумного ультрафио летового излучения и ближней части мягкого рентгеновского излучения (Я = 100 + 1000 Л), а также в дальней части мягкого рентгеновского излучения и ближней части жесткого рентгеновского излучения (Я = 1-* 30 А), где, в ча стности, создание дифракционной и многослойной рентгеновская оптики про-' блематично (1999).
Показана возможность использования мультилинз и мультипризм для нейтронного излучения с длинами волн к = 1 -і- 30 А (2003).
4. Даны рекомендации относительно выбора химических элементов, входящих в состав материалов для мультилинз (1999—2003).
Сделаны численные оценки поглощения рентгеновского излучения с длинами волн Я = ОД * 3 А для бериллия, алмаза и полиэтилена, а также предложен ряд других материалов, из которых можно изготавливать мультилинзы (2003).
Для нейтронов даны рекомендации по выбору изотопного состава материалов для мультилинз и мультипризм (2003).
5. Выявлены и проанализированы геометрические и оптико-физические факторы, снижающие чёткость изображений, получаемых с помощью мульти линз:
В вопросах создании концентраторов рентгеновского излучения (4 и 5-е защищаемые положения)
6. Предложены оптические схемы концентраторов для рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения, состоящих из зеркал скользящего падения: а) концентратор, содержащий систему вложенных криволинейных зеркалскользящего падения, расположенных на полусфере; б) "тонкий" рентгеновский концентратор.
В вопросах создания резонаторов рентгеновского излучения (6-е защищаемое положение)
7. Предложено несколько схем резонаторов для рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения, работа которых основана на законах оптики скользящего падения: а) простой кольцевой резонатор (2001); б) кольцевой резонатор с возвратным кольцом (1998); в) резонатор с "грушевидными" отражателями (2004); г)резонаторы с "возвратными" зеркалами (2001); д) "полукольцевой"резонатор (2003).
Рассчитаны оптико-физические характеристики предложенных рентгеновских резонаторов и получены условия, при которых они могут осуществлять обратную связь в лазерах.
Научная ценность работы. В 1, 2 и 3-м защищаемых положениях обоснована возможность нового направления рентгеновской и нейтронной оптики — мулътиэлементной преломляющей оптики1. Элементную базу её составляют мулътилинзы и мулътипризмы, которые формируются из согласованно работающих микролинз и микропризм. Часть рабочей области длин волн мультиэлементной преломляющей оптики лежит в диапазоне более жёсткого рентгеновского излучения, чем многослойная и дифракционная рентгеновская оптика.
Другая рабочая область лежит в диапазоне вакуумного ультрафиолетового излучения: от 1000 А до 100 А, для которого до настоящего времени возможность осуществления преломляющей оптики не была доказана.
Для нейтронов с длинами волн от 1 А до 30 А продемонстрирована возможность создания мультиэлементной преломляющей нейтронной оптики — аналога мультиэлементной преломляющей рентгеновской оптики.
Тем самым создаётся основа для представления техники рентгеновской оптики, оптики вакуумного ультрафиолетового излучения и нейтронного излучения в неосвоенные и малоосвоенные области длин волн.
Широкоугольный концентратор, предложенный в 4-м защищаемом положении, способен собирать и фокусировать рентгеновское излучение от компактного источника рентгеновского излучения с телесного угла близкого к 1 Термин предложен Б. Н. Пойзнером.
21 4к и превосходит предложенные ранее по количеству собираемого от источника излучения. "Тонкий" рентгеновский концентратор, предложенный в 5-м защищаемом положении, имеет небольшие продольные размеры.
В 6-м защищаемом положении предложен ряд новых рентгеновских резонаторов, которые обеспечивают обратную связь в рентгеновских лазерах." Для данных резонаторов рассчитаны коэффициенты отражения рабочих поверхностей и критические инверсии при превышении которых резонаторы будут осуществлять обратную связь в рентгеновских лазерах.
Найдены условия функционирования предложенных резонаторов, в частности, получены формулы для критической инверсии, с превышением которой в резонаторе возможно осуществление обратной связи в рентгеновских лазерах.
Отметим, что из тридцати наиболее важных проблем стоящих перед физикой в XXI в., по В. Л. Гинзбургу, на двенадцатом месте стоит задача создания лазеров рентгеновского и гамма-диапазонов (В. Л. Гинзбург (2001)).
Практическая значимость. Мультиэлементные преломляющие системы — мультилинзы и мультипризмы, рассмотренные б / — 3-м защищаемых положениях, позволяют работать с электромагнитным излучением в диапазонах Я ж 1000 -^ 100 Л и Я«30-Н А. Аналогичная оптика реализуема для нейтронного излучения с длинами волн Я и 30 -з-1 А. Дифракционные и интерференционные рентгенооптические системы — зонные пластинки и многослойные зеркала, работают в области длин волн X « 1000 + 100 А, но в области ЯиЗ'О-ї-'іАих создание проблематично, что придаёт дополнительную привлекательность мультиэлементной преломляющей оптике.
Мультилинзы и мультипризмы пригодны для создания рентгеновских и нейтронных микроскопов, телескопов, спектрометров и других сложных приборов, работающих в диапазоне длин волн Я« 1000 +100 А и в области Я w 30 + 1 А для электромагнитного излучения, а также для нейтронного излучения с длинами волн в диапазоне Я я 30 -^ 1 А,
22 Возможность получения высокой степени концентрации рентгеновского или нейтронного излучения в фокус мультилинз делает их во многих случаях более предпочтительными, чем отдельные микроликзы или составные линзы, которые являются системами микролинз, расположенных вдоль оптической оси.
В технологическом аспекте разработаны рекомендации по выбору кон-' фигурации и материалов для изготовления мультилинз и мультипризм. Показано, что их целесообразно выполнять из множества микролинз и микропризм с характерными размерами R = 0,01 -^-0,0001 см и меньше. При этом микролинзы и микропризмы должны быть определённым образом сориентированы в пространстве. Даны условия согласования работы микролинз и микропризм в мультилинзах.
Мультиэлементная преломляющая оптика может быть использована для создания сложных оптических приборов, таких как микроскопы, телескопы, спектрографы, которые могут работать в области вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов, а также в области длинноволнового нейтронного излучения.
Предложенные в 4 и 5-м защищаемых положениях концентраторы пригодны для получения высоких плотностей излучения вакуумного ультрафиолетового, рентгеновского и нейтронного излучения. В частности, широкоугольный и "тонкий" рентгеновские концентраторы пригодны для осуществления фотонакачки в плазменных рентгеновских лазерах, в спектрографах, в рентгеновских датчиках.
Широкоугольный рентгеновский концентратор позволяет собирать и концентрировать рентгеновское излучение от компактного источника с телесного угла близкого к 4;г.
Возможна минимизация до значения NX продольных размеров устройств, в которых используется режим распространения волн, например рентгеновских, вдоль вогнутой поверхности путём многократных отражений под углами скольжения 9<вс = -я26. В "тонком" рентгеновском концентраторе
23 возможно сокращение его габаритов вдоль оптической оси по сравнению с поперечными размерами. Проведённые исследования демонстрируют, что в ряде ситуаций функциональные возможности концентратора аналогичны линзам, но позволяют выигрывать в габаритах и расходе материала.
Предлагаемые в 6-м защищаемом положении резонаторы обеспечивают положительную обратную связь в рентгеновских лазерах. В настоящее время в немногочисленных рентгеновских лазерах резонаторы, как правило, не используются, излучение происходит в однопроходном режиме (или режиме излучения). Предлагаемые резонаторы способны существенно повысить мощность излучения лазеров и улучшить когерентность излучения рентгеновских лазеров, которые в этом случае способны работать в режиме генерации.
Большая часть предложенных резонаторов позволяют формировать аксиально-симметричные пучки лазерного рентгеновского излучения.
Найдены условия, при которых коэффициент отражения рентгеновских лучей К в отражателях резонаторов под малыми углами скольжения достигает 0,5 и выше.
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе выводы получены лично автором. Им был внесен определенный вклад, выраженный в выборе программы исследования, постановке целей и задач, а также проведены все необходимые работы, связанные с достижением поставленных целей и решением поставленных задач.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликованы статьи, тезисы докладов, обзор. По вопросам, обсуждаемым в диссертации, проводились доклады на семинарах и на различных конференциях, в том числе и на международных.
Основные результаты работы докладывались на семинарах Института сильноточной электроники (ИСЭСОРАН), г.Томск, 1990г. и 2003г.; Томского политехнического университета ТПУ, Томск, 1991 г.; Томского государственного педагогического института ТГПИ, г. Томск, 2000 г.; Томского
24 университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), г. Томск, 2002 г.; Томского государственного университета (ТГУ), г. Томск, 2000 г.
Основные результаты работы докладывались на IV межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь, наука и образование: проблемы и перспективы" в Томском государственном педагогическом институте, г. Томск, 24—29 апреля 2000 г.; На региональной . научно-практической конференци "Сибирская школа молодого ученого", г. Томск, 21—23 декабря 1998 г.; В Томском государственном педагогическом университете, на 4-й, 5-й и 6-й международных конференциях "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (ИЛПАМ—99, ИЛПАМ—2001 и ИЛПАМ—2003) в Институте оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, 1999 г., 2001 г. и 2003 г.
Благодарности коллегам по работе, научному руководителю и консультантам. Приятной обязанностью автора, является возможность поблагодарить специалистов, которые сыграли положительную роль при написании данной диссертации: доктору физ.-мат. н., проф., В. Г. Багрову, доктору тех. н., А. И. Литвину, кандидату физ.-мат. н., доц., Б. Н. Пойзнеру, кандидату физ.-мат. н., доц., Е. Н. Тельминову. доктору тех. п., А. С. Тоболкину.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 171 странице, из которых 32 составляют приложения. В основном тексте содержится 40 рисунков и 4 таблицы.
Диссертация состоит из следующих частей: введения, четырёх глав, заключения, списка библиографических ссылок и семи приложений.
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели работы, защищаемые положения, научная новизна, практическая значимость работы и структура диссертации.
Коэффициент преломления веществ в рентгеновском диапазоне
Коэффициенты (показатели) преломления веществ, описывающие их оптические свойства, в рентгеновском диапазоне имеет свои особенности, и выражаются [3] где S— декремент коэффициента преломления, и fi— величина, характеризующая поглощение рентгеновского излучения средой, п — действительная часть коэффициента преломления. В рентгеновском диапазоне, как правило, выполняется соотношение \Ь\ \р\ Кроме того, для рентгеновского диапазона, действительная часть коэффициента преломления мало отличается от единицы Для реальных веществ и для разных длин рентгеновского излучения декремент показателя преломления имеет значения в пределах ?= 1(Г2 + ІСҐ. Это говорит о малой преломляющей способности материалов для рентгеновских лучей. Соотношение между коэффициентом преломления п (который иногда называют абсолютным коэффициентом преломления) и электрической проницаемостью вещества є и магнитной проницаемостью вещества jtt вещества дается формулой Максвелла где v — фазовая скорость фотонов. Для рентгеновского диапазона (предполагая в дальнейшем для магнитной проницаемости ц = /), легко найти соотношение Коэффициенты д и р можно выразить через частичные коэффициенты 8І и Pi, соответствующие отдельным электронам і атомной оболочки, в которой М электронов тогда коэффициент преломления можно записать через частичные показатели преломления Частичные коэффициенты декременты показателя преломления [3] где щ — плотности ї -х электронов, т« — масса электрона, v — частота рентгеновского излучения, v,-— резонансные частоты i-x электронов атомной оболочки, с — скорость света. Для рентгеновского излучения справедливо соотношение v V,- и д 0, а для оптического диапазона будет выполняться v v,- и 8 0.
Из этого следует, что в оптическом диапазоне коэффициент преломления п\Х) У, а для рентгеновского п\Х) 1. Другими словами, в рентгеновском диапазоне вещества имеют оптическую плотность меньше, чем у вакуума. Для рентгеновских лучей действуют те же законы отражения и преломления, как и для электромагнитного излучения других диапазонов, но в рентгеновском диапазоне имеют свои особенности. Рассмотрим отражения и преломления электромагнитных волн на разделе двух сред [1—3], (Рисунок 1.1). Лучи падающего, отраженного и преломленного лучей лежат в одной плоскости, которую называют плоскостью падения. Для компонент волновых векторов параллельных оси х должны выполняться соотношения где нулем обозначена компонента волнового вектора падающего фотона, единицей — отраженного, двойкой — преломленного. Для магнитной проницаемости обеих сред щ и ц2 предполагается справедливым соотношение Ці = Дг = /, что предполагает их однородность и изо-тропию, а также их непроводимость, т. е. обе среды являются диэлектриками. Для компонент волновых векторов параллельных оси z справедливы соотношения где v— частота фотона, є і и є — диэлектрическая проницаемость первой и второй сред. Волновые вектора падающей и отраженной волн (соответственно нулевая и первая компоненты) вещественны, а преломленной (вторая компонента), комплексна и берется положительной, что соответствует ее затуханию в среде после преломления Законы отражения и преломления будут фотонов соответственно в первой и второй средах, пі, ІЇ2—коэффициенты преломления первой и второй сред, П2і— относительный показатель преломления между этими средами. Если П2і 1 (т.е. гі2 Пі\ то оптическая плотность второй среды больше, чем первой и, тогда будет справедлив закон преломления Снеллиуса — Декарта. Амплитудные коэффициенты отражения и преломления электромагнитных волн на разделе сред описываются формулами Френеля. [1—3], которые справедливы для прозрачных сред без поглощения. Если предположить, что вектор падающей волны Ехя перпендикулярен плоскости падения xz (s-поляризация), тогда соответствующие вектора отраженной и преломленной волн будут Ei/ и Еи, будут параллельны Е±0 из соображения симметрии. В этом случае вектор Н будет лежать в плоскости падения xz,
Сложные приборы оптики скользящего падения
Для эффективного управления рентгеновскими лучами часто используют поверхности вращения от кривых второго порядка, В таких системах,, обычно меньше аберраций, по сравнению поверхностями другой геометрии. Это позволяет создавать эффективные рентгенооптические системы, такие, как. рентгеновские микроскопы, телескопы, концентраторы и др. Примеры таких систем показаны на Рисунке 1.6. Рисунок 1.6 — Оптические системы скользящего падения, использующие в качестве отражателей поверхности второго порядка. Однопараболоидная система — аналог ньютоновского телескопа нормального падения (слева вверху). Система, сочетающая элипсоидаль-ную и гиперболическую поверхность (справа вверху). Вольтеровская система 1-го рода; оптическими элементами в ней служат отражающие внутренние гюверхносги параболоида и гиперболоида (слева внизу). Схема микроскопа Вольтера П-города (справа внизу) [б] Капиллярная (поликапиллярная) рентгеновская оптика является разновидностью рентгеновской оптики скользящего падения, в которой в качестве поверхности для транспортировки рентгеновского излучения используют внутреннюю поверхность тонких, обычно стеклянных, капилляров, как показано на Рисунке 1.7 [20—23]. Рисунок 1.7 — Схема распространения рентгеновских лучей внутри капилляров Капиллярная рентгеновская оптика является аналогом волоконной оптики видимого диапазона, но ввиду сравнительно большего поглощения рентгеновских лучей, расстояния, на которые возможна транспортировка рентгеновских квантов, значительно меньше соответствующих расстояний для квантов видимого диапазона. Эффективность работы капилляра зависит от угла падения & рентгеновского излучения на его внутреннюю поверхность, от которого зависит степень захвата у рентгеновского излучения [23] где г — поперечный радиус капилляра, Rc — радиус кривизны капилляра. Параметр у і в случаях, когда пучок рентгеновского излучения падает, главным образом параллельно оси капилляра и под углами меньше критического 9 9Сі а эффективность работы капилляра высокая. С ростом угла в растет доля потерянных квантов еще на входе и при в вс коэффициент захвата будет у /, и эффективность работы капилляра будет ниже, как это показано на Рисунке 1.8. Рисунок 1.8 — Распределение плотности рентгеновского излучения в капиллярах с разными степенями степенях изгиба у [23] где х — координата.
Граница зоны захвата показана на Рисунке 1.9. Рисунок 1.9 — Граница зоны захвата рентгеновского излучения в капилляре, здесь у — степень изгиба капилляра, г — внутренний поперечный радиус капилляра, Re — радиус кривизны капилляра, у(х)—граница захвата излучения заштриховано [23] При транспортировке рентгеновского излучения внутри капилляра наблюдается явление изменения распределения плотности излучения на разных участках капилляров. Основной поток по мере прохождения по изогнутой поверхности капилляра "прижимается" к той стороне поверхности, вдоль кото рой он транспортируется. Это явление характерно не только для капиллярной рентгеновской оптики, но вообще для оптики скользящего падения (Рисунок 1.10). С помощью капилляров можно управлять рентгеновским излучением, меняя его направление на значительные углы. Из капилляров можно создавать различные рентгеновские приборы, в которых капилляры будут работать со- гласованно, например капиллярные линзы, концентраторы, резонаторы и др. (Рисунок 1.11) [23]. В заключение стоит заметить, что оптика скользящего падения возможна не только для рентгеновского излучения, но и для вакуумного ультрафиолетового диапазона [11], а также для длинноволновых нейтронов. Из этого следует, что, все приборы рентгеновской оптики скользящего падения, или, по крайней мере, большая их часть могут работать или иметь аналоги для вакуумного ультрафиолетового и нейтронного излучения. 1. Дано описание достижений рентгеновской оптики. Показана меньшая эффективность рентгенооптических систем по сравнению с системами оптического диапазона. 2. Рассмотрены общие принципы геометрической оптики и приведено обоснование её использования для рентгеновской оптики скользящего падения и преломляющей рентгеновской оптики. 3. Описаны физические основы отражения и преломления рентгеновских лучей на разделе двух сред. 4. Рассмотрены основы рентгеновской оптики скользящего (косого) падения и показана ее достаточно высокая гибкость для создания различных рентгенооптических приборов. 5. Приведён пример частного случая рентгеновской оптики скользящего падения — капиллярной (поликапиллярной) рентгеновской оптики.
Потери и фокусировка излучения в собирающей мультилинзе
При прохождении потока излучения 1Q через мультилинзу, часть его будет теряться на поглощение и на рассеяние материалом мультилинзы, на отражение от её поверхности и на дифракционные потери. Эти потери можно выразить соотношением [35] где /— плотность потока излучения прошедшего через мультилинзу, Ки И Ко— коэффициенты дифракционных потерь и потерь на отражение, //— коэффициент ослабления рентгеновских квантов в веществе, который равен сумме коэффициента поглощения т и коэффициента рассеяния cr, lopt— средний оптический путь в мультилинзе, вычисление которого достаточно громоздкое, но приближенно его можно выразить через радиус кривизны микролинзы 4pt 2/?. Основным каналом потерь будет поглощение рентгеновского излучения материалом мультилинзы. Дифракционными потерями будем пренебрегать, и вначале потерями, связанными с отражением. Найдём точные соотношения для поглощения в отдельной кольцевой микролинзе, которое будет проходить в соответствии с законом Бугера—Ламберта [37—38] где /„ — поток, падающий на и-ю микролинзу, призму 1П — поток выходящий из микролинзы, 1„(х) — переменная толщине микролинзы. Предполагается, что оптическая толщина микролинзы достаточно мала, т. е. /// (х) «1. Переменную толщину микролинзы можно выразить как сумму трех слагаемых (Рисунок 2.2) где ї {х)— толщина корректирующей призмы, V -Г -const— толщина несущего слоя, 1п (х) — толщина собственно микролинзы. Найдем длину пробегов фотонов в веществе микролинзы в зависимости аг точки ирохожде-, ния х, 0 х 2р- „ Ось х проходит через сторону призмы АС Найдем, как поток равномерного рентгеновского излучения f падающего на мультилинзу параллельно фокальной оси z разбивается на потоки проходящего через отдельные микролиты ln. где коэффициенты snjS показывают, какая часть общего потока f падает на п-к микролинзу.
При этом sn— площадь проекции микролинзы на площадь перпендикулярную направлению потока, а 5—общая гшощадь проекции мультилинзы на ту же плоскость. Простые вычисления дают Мультилинзы являются изображающими оптическими системами, в которых изображения будет получаться путем наложения изображений от каждой оптической пары— микролинза-микропризма. Благодаря этому собирающие мультилинзы использоваться не только для фокусировки рентгенов ского излучения, но и в сложных рентген ооптических установках, таких как микроскопы, телескопы и т. д. Рассмотрим спектральный диапазон применимости мультилинз для рентгеновского излучения и свойства материалов для их изготовления. Верхняя рабочая граница рентгеновской оптики определяется проникающей способностью рентгеновских фотонов в веществе мультилинзы. По зависимости коэффициента ослабления ц от длины волны рентгеновских лучей [3], оценим максимальную длину волны Дтах для эффективной преломляющей рентгеновской оптики где г— коэффициент поглощения связанный с взаимодействием рентгеновского излучения и внутренних электронов оболочки атома (внутренний фотоэффект), т— коэффициент рассеяния, С— полуэмпирический коэффициент, зависящий от Я и от атомной структуры вещества приведенный в [3], Z— заряд ядра элемента из которого сделана линза или призма, г\ — плотность материала призмы, NA— число Авогадро, А— вес одного грамм-атома (атомный вес), е — заряд электрона, m — масса электрона, с — скорость света.
Из приведенной формулы видно, что наименьшее поглощение будет у материриалов, в состав которых будут входить химические элементы с малыми зарядами ядер 7=1- -6. В частности для Z = 3 (Li) Ятах 30 А, а для Z = 6 (С) Лтах = 8 А (таблица 2.1) {30, 34, 35].
Нижняя граница для длин фотонов Хт\п ограничена размерами атомов вещества гау т. е. Лтщ ra 1К Для элементов с Z 6 границы Х и Лтіг1 практически сходятся, что говорит о малой эффективности преломляющей рентгеновской оптики для них.
Применение мультиэлементной преломляющей оптики
Мультилинзы и мультипризмы могут использоваться как отдельно, так и в сложных системах и могут найти широкое применение в науке и технике. Их можно использовать в приборах изображающей оптики, таких как, микроскопы, телескопы, интроскопы, рентгенотелевизионные установки, рентгеновские фотоаппараты, рентгеновские томографы и др. Элементы мульти-элементных преломляющих систем могут использоваться также в неизобра-жающей оптике: литография, концентраторы, спектроскопы, спектрографы, микрорентгенографы, рентгеновские датчики и т. д. Применение микропризм и мультипризм тоже может быть самым разным. Прежде всего, как было показано выше, микропризмы используются в рентгеновских мультилинзах для корректировки потоков рентгеновских лучей в отдельных микролинзах мультилинз. Другие их применения аналогичны применениям обычных оптических призм. Например, для разложения потоков рентгеновского излучения в спектр [33], о чем подробней сказано в приложении 6. Для построения изображений с помощью систем мультилинз в рассмотренных предположениях желательно, чтобы размер изображения Y был больше размера области фокусировки мультилинзы где dp— степень разброса фокусов ту — средний радиус фокусов. Чем лучше выполняется это неравенство, тем более чётким будет изображение. Но, по сути, изображение будет совокупностью N+ 1 изображений (по количеству микролинз) наложенных друг на друга, центры, которых будут разбросаны по 0 области фокусировки мультилинзы.
Одно из самых простых применений рентгеновской собирающей мультилинзы возможно для получения рентгеновской лазерной искры [48]. 1. Предложены схемы создания собирающих и рассеивающих рентге новских линз, а также рентгеновских призм состоящих из согласованно рабо тающих микролинз и микропризм, для которых был предложен термин мультилинзы и мулътипризмы. Получены формулы для расчета их характеристик. Произведены расчеты оптических свойств, предлагаемых рентгеноопти-ческих систем. 2. Найдены пределы применимости преломляющей рентгеновской оптики, в которых она будет работать. Показано, что наиболее эффективная преломляющая рентгеновская оптика возможна в области рентгеновского излучения А = I - - 30 А (от 1,9 кэВ до 12,4 кзВ). Для этой рабочей области с наиболее подходящими материалами для создания мультилинз и мультипризм являются материалы состоящие из атомов с зарядом ядер в пределах Z = 1 - 6 с возможными примесями из лёгких химических элементов с зарядом ядра Z 6; 3. Обоснована возможность создания мультиэлементной преломляющей оптики для коротковолновой части вакуумного ультрафиолетового излучения X = 400 - 1000 А и для длинноволновой части мягкого рентгеновского излучения Л = 100 + 400 А. Исходя из экспериментальных данных, сделан вывод, что в этом диапазоне применимы многие материалы (Al, Sn, Cd, Be, Mg, С, Ті, Se, Те, Ag, Au, In, Bi, Cr, Sb, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Zn, Ga, Ge, Si, Tr, Pb,. SiO, S1O2, А Оз, MgO, BeO) толщина которых должна быть, как правило, не более 1000 А; 4. Показана возможность создания мультиэлементной преломляющей оптики для нейтронного излучения с рабочим диапазоном Я = / + 30 А; 5. Рассмотрены особенности работы и недостатки (аберрации и другие дефекты) свойственные мультилинзам. Концентраторами излучения являются оптические устройства, предназначенные для сбора и повышения плотности (концентрации) излучения. В этом смысле концентраторами являются микро... и мультилинзы.
Но, обычно, для концентрации, например, рентгеновского излучения используют устройства на основе оптики скользящего падения. В таких концентраторах с помощью систем гладких поверхностей улавливается, транспортируется и фокусируется рентгеновское излучение [4, 8, 23, 49]. Создание концентраторов на оптике скользящего падения возможно для вакуумного ультрафиолетового (1000 А Я 400 А), мягкого рентгеновского (400 А Я 10 А) и длинноволновой части жёсткого (10 А А 1 А) рентгеновского излучения, а также для длинноволновых нейтронов (А 1 А) (далее будем говорить только о рентгеновском излучении). Эффективность концентраторов будет зависеть от материала поверхность, ее качества и длины волны транспортируемого излучения. Предлагаемые концентраторы имеют решения, улучшающие некоторые их рабочие характеристики. Предлагаемый широкоугольный концентратор служит для сбора и фокусировки рентгеновского излучения от источников достаточно малого размера [50]. Например, таким источником может служить лазерная плазма. Ряд предлагаемых технических решений позволит собирать излучение с телесного угла близкого к 4гг, с достаточно высокой эффективностью, и фокусировать его на площади близкой по размерам или даже меньшей, чем площадь излучающей плазмы. Концентратор рентгеновского излучения состоит из двух основных час
