Rentgenowskie elementy optyczne. soczewki, monochromatory, lustra, optyka polikapilarna

Podobne dokumenty
Wstęp do astrofizyki I

Wstęp do astrofizyki I

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Soczewkami nazywamy ciała przeźroczyste ograniczone dwoma powierzchniami o promieniach krzywizn R 1 i R 2.

Optyka geometryczna MICHAŁ MARZANTOWICZ

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Najprostszą soczewkę stanowi powierzchnia sferyczna stanowiąca granicę dwóch ośr.: powietrza, o wsp. załamania n 1. sin θ 1. sin θ 2.

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

Mikroskop teoria Abbego

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

Ćw.6. Badanie własności soczewek elektronowych

Ćwiczenie 4. Część teoretyczna

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Prawa optyki geometrycznej

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

OPTYKA W INSTRUMENTACH GEODEZYJNYCH

Optyka. Wykład XI Krzysztof Golec-Biernat. Równania zwierciadeł i soczewek. Uniwersytet Rzeszowski, 3 stycznia 2018

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Rodzaje obrazów. Obraz rzeczywisty a obraz pozorny. Zwierciadło. Zwierciadło. obraz rzeczywisty. obraz pozorny

Monochromatyzacja promieniowania molibdenowej lampy rentgenowskiej

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Podstawy fizyki wykład 8

Technologia elementów optycznych

Wykład XI. Optyka geometryczna

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Załamanie na granicy ośrodków

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje.

Optyka 2012/13 powtórzenie

Propagacja światła we włóknie obserwacja pól modowych.

Ćwiczenie 53. Soczewki

Laboratorium Optyki Falowej

TECHNIKI OBSERWACYJNE ORAZ METODY REDUKCJI DANYCH

Rozdział 9. Optyka geometryczna

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Ćwiczenie 2. Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje. Wprowadzenie teoretyczne

Obrazowanie rentgenowskie. tomografia, mikroskopia, kontrast fazowy


Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

+OPTYKA 3.stacjapogody.waw.pl K.M.

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 7, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Materiały pomocnicze 14 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Optyka instrumentalna

Ćwiczenie 2. Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje. Wprowadzenie teoretyczne

Fotonika. Plan: Wykład 2: Elementy refrakcyjne i dyfrakcyjne

Falowa natura światła

Optyka. Wykład IX Krzysztof Golec-Biernat. Optyka geometryczna. Uniwersytet Rzeszowski, 13 grudnia 2017

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

Def. MO Optyczne elementy o strukturze submm lub subμm, produkowane głównie metodami litograficznymi

Rozpraszanie i dyfrakcja promieniowania X część II. Jak eksplorować przestrzeń odwrotną - eksperymenty dyfrakcyjne

Optyka instrumentalna

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

Promienie

Krystalografia. Dyfrakcja

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

ĆWICZENIE 6. Hologram gruby

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Dyfrakcja na kryształach. Dyfrakcja na kryształach

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Zasada Fermata mówi o tym, że promień światła porusza się po drodze najmniejszego czasu.

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 34 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2. ZAŁAMANIE ŚWIATŁA. SOCZEWKI

PRZYSŁONY. Przysłona aperturowa APERTURE STOP (ogranicza ilość promieni pochodzących od obiektu)

FIZYKA KLASA III GIMNAZJUM

Wielomodowe, grubordzeniowe

SCENARIUSZ LEKCJI Z WYKORZYSTANIEM TIK

Wykład 16: Optyka falowa

Rentgenografia - teorie dyfrakcji

Optyka falowa. dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ 2012/13

35 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2

Plan wynikowy (propozycja)

Wykład 16: Optyka falowa

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

ODWZOROWANIE W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

Ćw. 16. Skalowanie mikroskopu i pomiar małych przedmiotów

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Wykłady z Fizyki. Optyka

ŚWIATŁO I JEGO ROLA W PRZYRODZIE

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

f = -50 cm ma zdolność skupiającą

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

Światło ma podwójną naturę:

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 53: Soczewki

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

Rozpraszanie i dyfrakcja promieniowania X

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

Transkrypt:

Rentgenowskie elementy optyczne soczewki, monochromatory, lustra, optyka polikapilarna

Elementarne własności promieniowania X: Współczynnik załamania W zakresie widzialnym n>1 i n 1.5 (szkło), n 1.0003 (powietrze) Promieniowanie X: n = 1 d n<1 d ~ 10-6 10-5

Problemy z rozdzielczością optyki rentgenowskiej Światło Promieniowanie rentgenowskie l 500nm 0.1nm Dx ~250 nm ~10 nm Optyka wyśmienita Ograniczenie długość fali Długość fali wyśmienita Ograniczenie optyka Konstrukcję wydajnej optyki rentgenowskiej ogranicza współczynnik załamania efekty refrakcyjne są niewielkie

SOCZEWKI: Optyka geometryczna [przypomnienie] x p z o z p x o Równanie Gaussa: Dla przedmiotu w nieskończoności (czyli dla wiązki równoległej) Powiększenie: Punktowe ognisko

SOCZEWKI: Optyka falowa [przypomnienie] Obraz w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki jest transformatą Fouriera wiązki w przedniej płaszczyźnie ogniskowej Dla idealnej soczewki i fali płaskiej w ognisku powstaje delta Diraca. W innym przypadku należy uwzględnić skończoną aperturę geometryczną D soczewki Dx Transformata Fouriera kołowej apertury (plamka Airy ego) D apertura geometryczna A num apertura numeryczna Rozmiar ogniska zależy od apertury numerycznej Dla małych apertur (w tej geometrii): czynniki proporcjonalności zależą od kształtu apertury

Apertura numeryczna Mikroskopy optyczne Świetna strona o mikroskopach/optyce i obrazowaniu cyfrowym (np. interaktywne tutoriale ): http://micro.magnet.fsu.edu/primer/index.html

Skupiające soczewki rentgenowskie (n<1) Skupiająca soczewka rentgenowska jest wklęsła!

Najprostsza refrakcyjna soczewka rentgenowska (n=1-d) Równanie szlifierzy soczewek (soczewka sferyczna) Przykład: l=1å R=0.5 mm d=2.9x10-6 f~100m Słabe efekty refrakcyjne Taka soczewka jest bezużyteczna!

Dla N cienkich soczewek ogniskowa układu dana jest przez: Układ soczewek Takie same soczewki Uwaga: dla soczewek rentgenowskich możemy prawie zawsze używać przybliżenia cienkich soczewek! Prosta realizacja układu soczewek cylindrycznych (jednowymiarowe ogniskowanie): N R=0.5mm d=25mm N=100 f 0 ~1m

Refrakcyjna cylindryczna soczewka rentgenowska pierwsza demonstracja Sinigirev et al.

Ogniskowanie w dwóch wymiarach Skrzyżowane cylindryczne soczewki rentgenowskie Snigirev et al., SPIE Proc, 1997

Soczewki sferyczne (bąbelkowe) pęcherzyki powietrza

Aberracja sferyczna (dystorsja) B. Lengeler

Soczewki paraboliczne Brak aberracji sferycznej! Mikro Soczewki paraboliczne N=100-300 f=0.15m 2m Lengerer et at, NIMA 467-468 (2001) 944 Nano Nanosoczewki o różnych parametrach na jednej płytce [litografia] f =10mm,N=100,R=2mm, L=10mm Lengerer et at, APL 81 (2002) 1527

Co ogranicza aparaturę numeryczną? soczewki paraboliczne soczewki sferyczne Poprzednie slajdy: Soczewki sferyczne Nie ma sensu zwiększać N aberracja sferyczna Soczewki paraboliczne Musimy uwzględnić absorpcję!

Rola absorpcji Profil soczewki parabolicznej: Całkowita droga promieni: Absorpcja w materiale soczewki: Wiązka na wyjściu ma pewien profil (Gauss): Gauss ma szerokość: na podstawie: B.Cederstrom, Praca doktorska, Sztokholm 2002 Lengerer et al J. Syncgrotron Rad. 6 (1999) 1153 profil wiązki zmodyfikowany przez absorpcję Efektywna apertura geometryczna i numeryczna:

Przykład Si E=21keV N=100 R=2mm d=7.7 x 10-7 m= 4.7 x 10-4 mm -1 A num =4x10-4 (dla światła ~1!) Dx=57nm

Limit dyfrakcyjny dla różnych materiałów soczewek Paradoksalnie gładkość nie jest ma krytycznego wpływu Głównym ograniczeniem jest mały stosunek d/b czyli refrakcji do absorpcji! O. Kurapova, Praca doktorska, Aachen, 2005

Jak zmniejszyć absorbcję optyka refrakcyjna optyka dyfrakcyjna Soczewka skupia ponieważ zmienia fazę padającego promieniowania. Faza jest ważna modulo 2p. Można się więc pozbyć części materiału dającego zmianę faz n2p 7 6 5 4 3 2 1 fazowe lub absorpcyjne J. Als-Nielsen,Elements of Modern X-ray Physics

Kinoformy Soczewka Fresnela Płytka Fresnela (binarna aproksymacja soczewki) f=15cm Dx~2mm f=50cm Dx~4mm J. Susini

Płytki strefowe Fresnela Obowiązują te same zasady jak dla soczewek refrakcyjnych Warunek na konstruktywną interferencję Maksymalna różnica dróg promieni z danej strefy wynosi l/2: r n promień n-tej strefy Dr n szerokość n-tej strefy N liczba stref D=2r n apertura geometryczna

Płytki strefowe Fresnela - rozdzielczość 2 Przybliżamy: Promień, szerokość ostatniej strefy i apertura geometryczna: Zatem apertura numeryczna dana jest przez: Rozdzielczość Rozdzielczość płytki strefowej Fresnela jest równa szerokości jej najbardziej zewnętrznej strefy! Potrzebna jest nanotechnologia!

Płytki strefowe Fresnela - przykłady Płytki strefowe Fresnela są obecnie najlepszymi soczewkami. Szczególnie wydajnie pracują w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (l>1nm E<1keV)

Płytki strefowe Fresnela twarde promieniowanie Duży problem technologiczny! 1:10 100nm:1000nm 1:100 10nm:1000nm

W kierunku 1nm (?) - Multilayer Laue Lens (MLL), Produkcja cienkich warstw H. C. Kang et. Al.. Nanometer Linear Focusing of Hard X Rays by a Multilayer Laue Lens, Phys. Rev. Lett. 96, 127401 (2006).

W kierunku 1nm (?) - Multilayer Laue Lens (MLL), X-Ray Optics and Instrumentation Volume 2010 (2010), http://dx.doi.org/10.1155/2010/401854

11nm (1D) Scientific Reports 3, (2012) doi:10.1038/srep01307

J. Synchrotron Rad. (2015). 22, 336-341 Pushing the limits: an instrument for hard X-ray imaging below 20 nm

Dygresja: Jak zrobić soczewkę przy użyciu płyty gramofonowej? B.Cederstrom, Praca doktorska, Sztokholm 2002

B.Cederstrom, Praca doktorska, Sztokholm 2002

Monochroatyzacja: najprostsze elementy absorbery (filtry) Lampa Mo (Z=42) linia K a E=17.48keV linia K b E=19.61 kev Filtr (absorber) Zr (Z=40) Współczynnik absorpcji liniowej krawędź K E=18.00keV Transmisja T=e -md d=0.1mm Ostatecznie N=N 0 e -md Do wstępnej monochromatyzacji można używać filtrów Z-1, Z-2 Do osłabiania wiązki stosuje się zwykle absorbery pasywne [ bez krawędzi absorpcji] np. aluminium

Monochromatory - idea Ogólna zasada (prawo Bragga): Biała (polichromatyczna) wiązka równoległa Ustawiając kryształ pod danym kątem uzyskuje się odbicie dla danej długości fali (energii) [+harmonicznych]

Monochromatory wybrane przykłady Podstawowa symetryczne odbicie Bragga na płaskim krysztale Płaszczyzny sieciowe są równoległe do powierzchni Asymetryczne odbicie Bragga Płaszczyzny sieciowe nie są równoległe do powierzchni Kompresja lub ekspansja wiązki kąt odbicia kąt padania Podwójny. Najczęstsza wersja na synchrotronach! Wiązka padająca i rozproszona są równoległe. Pozycja wiązki nie ulega zmianie! kompensacja wysokości oś obrotu Wygięte kryształy: pozwalają na ogniskowanie rozbieżnej wiązki w punktowe ognisko promień R koło Rowlanda Geometria Johanna Promień krzywizny kryształu 2R aberracja Geometria Johannsona Promień krzywizny kryształu 2R Szlifowanie R brak aberracji

Monochromatory zdolność rozdzielcza Rozważmy płaski kryształ i wiązkę o rozbieżności Rozdzielczość: Rozdzielczość można, do pewnej granicy poprawiać stosując szczeliny Nawet dla idealnie równoległej wiązki, rozdzielczość energetyczna będzie skończona

Monochromatory kryształy doskonałe/mozaikowe kryształy niedoskonałe (mozaikowe) kryształy niemal doskonałe HOPG (highly oriented pyrolitic graphite) LiF Kwarc krzem, german Dla idealnie równoległej wiązki dq jest ograniczona mozaiką rozrzutem kątowym krystalitów E~10keV dq~0.1 (lub nawet 1 ) de/e~10-2 de>100ev dq jest ograniczona przez tzw. szerokość Darwina (dynamiczna teoria dyfrakcji) E~10keV dq~0.001 de/e~10-4 de>1ev Słaba rozdzielczość/dobra akceptacja kątowa Dobra rozdzielczość/słaba akceptacja kątowa Dobór monochromatorów (materiały, refleksy) : http://xdb.lbl.gov/section4/sec_4-1.html

Lustra Typowe zadanie: zogniskowanie wiązki ze źródła w jak najbardziej punktowe ognisko: Silne odbicie możliwe jest tylko w pobliżu kąta krytycznego. Zwykle używa się ciężkich materiałów by zmniejszyć rozmiary. Lustra pozwalają wyeliminować harmoniczne!

Lustra Idealną powierzchnią odbijającą jest elipsoida. Rozważmy odbicie 1:1. Dla elipsoidy wszystkie promienie wychodzące z jednego ogniska trafią do drugiego q p q F 1 ea a F 2 b Cecha elipsy: Cecha lustra: Dla promieniowania X jesteśmy ograniczeni do małych kątów q. Elipsoida jest niezwykle asymetrycnza Tylko niewielki fragment elipsy może być wykorzystany do ogniskowania. [ Dlatego zwykle używa się powierzchni lokalnie aproksymujących elipsę] Szukamy powierzchni torusa aproksymującej elipsoidę: (promieni krzywizny) Blisko centrum: Elipsa jest kontrakcją koła, więc: 10-4 -10-5!

Lustra - przykład www.esrf.fr shape cylindrical (toroidal) dimensions : L x W x H(mm3) 1000 x 130 x 100 material sagittal radius coating surface roughness (Å; rms) 1.8 SiC on a graphite body 64.53 mm Pt incidence angles (mrad) 2.335 energy range (kev) 5-39 distance source-mirror (m) 28.1; 29.7; 31.3 mirror-focus distance(m) 26.8 demagnification M 0.85-0.95 slope error (µrad; rms) 9.0 (4.21 over 380 mm in the centre) gravity sag (km) 4.7 bending range (km) 1.8-4.7