РЕНТГЕ́НОВСКАЯ О́ПТИКА

РЕНТГЕ́НОВСКАЯ О́ПТИКА, раз­дел оп­ти­ки и тех­ни­ки, вклю­чаю­щий управ­ле­ние пуч­ка­ми рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния (от­ра­же­ние, фо­ку­си­ров­ку, спек­траль­ную фильт­ра­цию, раз­ло­же­ние в спектр, по­строе­ние изо­бра­же­ний и др.), а так­же раз­ра­бот­ку но­вых рент­ге­но­оп­тич. эле­мен­тов и схем. С по­мо­щью ди­фрак­ции рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния в кри­стал­лах (М. Ла­уэ и др., 1912) ста­ло воз­мож­ным по­лу­че­ние мо­но­хро­ма­тич. и кол­ли­ми­ро­ван­ных пуч­ков, что спо­соб­ст­во­ва­ло рас­ши­ре­нию об­лас­ти при­ме­не­ния рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Спо­соб­ность кри­стал­лов фор­ми­ро­вать пуч­ки рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния ос­но­ва­на на Брэг­га – Вуль­фа ус­ло­вии для ди­фрак­ции из­лу­че­ния в кри­стал­лах: $2d \sin θ=mλ$ ($d$ – меж­пло­ско­ст­ное рас­стоя­ние в кри­стал­ле, $θ$ – угол сколь­же­ния па­даю­ще­го лу­ча, $λ$ – дли­на вол­ны, $m$ – по­ря­док от­ра­же­ния). Ве­личи­на $2d$ в со­вер­шен­ных при­род­ных кри­стал­лах не пре­вы­ша­ет 3 нм, по­это­му об­ласть при­ме­не­ния кри­стал­лов как эле­мен­тов Р. о. ог­ра­ни­че­на ус­ло­ви­ем $λ\lt 3$ нм. Ны­не тер­мин «Р. о.» при­ме­няют так­же к диа­па­зо­ну длин волн $0,2\lt λ\lt 100$ нм (т. н. да­лё­кий ва­ку­ум­ный ульт­ра­фио­лет).

Труд­ность соз­да­ния эле­мен­тов Р. о. свя­за­на с силь­ным по­гло­ще­ни­ем из­лу­че­ния в ве­ще­ст­ве и ма­лым от­ли­чи­ем ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти ве­ще­ст­ва $ε$ и по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния $n=\sqrt{ε}$ от еди­ни­цы: $ε=1-δ+iγ=1-(Nr_0λ^2/π)(f_1+if_2)$. Здесь $δ$ и $γ$ – ве­ли­чи­ны, оп­ре­де­ляю­щие со­от­вет­ст­вен­но оп­тич. дли­ну пу­ти и по­гло­ще­ние; $f=f_1+if_2$ – атом­ный фак­тор рас­сея­ния, ис­поль­зуе­мый при рас­чё­те ко­эф. от­ра­же­ния и про­пус­ка­ния; $N$ – плот­ность ато­мов; $r_0$=2,818·10–15 м – клас­сич. ра­ди­ус элек­тро­на. Ос­но­вы­ва­ясь на экс­пе­рим. из­ме­ре­ни­ях и тео­ре­тич. рас­чё­тах, Б. Хен­ке и др. (США) со­ста­ви­ли таб­ли­цы ве­ще­ст­вен­ной ($f_1$) и мни­мой ($f_2$) час­тей атом­но­го фак­то­ра для эле­мен­тов от H до U (дан­ные дос­туп­ны на сай­те Цен­тра рент­ге­нов­ской оп­ти­ки в Берк­ли). Т. к. $∣δ∣≪1$ и $γ≪1$, пре­лом­ле­ние рент­ге­нов­ских лу­чей не­зна­чи­тель­но, а ко­эф. от­ра­же­ния бы­ст­ро па­да­ет с умень­ше­ни­ем дли­ны вол­ны (при нор­маль­ном па­де­нии на гра­ни­цу ва­ку­ум – ве­ще­ст­во).

Важ­ней­ши­ми ин­ст­ру­мен­та­ми Р. о. яв­ля­ют­ся зер­ка­ла и от­ра­жат. ди­фрак­ци­он­ные ре­шёт­ки (в жё­ст­ком рент­ге­нов­ском диа­па­зо­не для фо­ку­си­ров­ки и раз­ло­жения из­лу­че­ния в спектр ис­поль­зу­ют так­же реф­рак­цию). Раз­ви­тие мик­ро­ли­то­гра­фии и др. тех­но­ло­гий сде­ла­ло воз­мож­ным из­го­тов­ле­ние ре­шё­ток с пе­ре­мен­ным ша­гом, про­пус­каю­щих ре­шё­ток с час­то­той до 10000 ли­ний/мм, зон­ных пла­стин, эле­мен­тов брэгг-фре­не­лев­ской и ка­пил­ляр­ной оп­ти­ки. Ко­эф. от­ра­же­ния су­ще­ст­вен­но уве­ли­чи­ва­ет­ся в слу­чае сколь­зя­ще­го па­де­ния лу­чей. Из­лу­че­ние, па­даю­щее из ва­куу­ма ($n=1$) на глад­кую по­верх­ность ве­ще­ст­ва с $n=1-δ/2$ под уг­лом сколь­же­ния $θ\lt θ_{кр}=\arccos n$, не рас­про­стра­ня­ет­ся в глубь ве­ще­ст­ва и, сле­до­ва­тель­но, от­ра­жа­ет­ся об­рат­но (т. н. эф­фект пол­но­го внеш­не­го от­ра­же­ния). С рос­том уг­ла $θ$ умень­ше­ние ко­эф. от­ра­же­ния про­ис­хо­дит плав­но (без скач­ка при $θ=θ_{кр}$).

Впер­вые от­ра­же­ние рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния при сколь­зя­щем па­де­нии на по­верх­ность про­де­мон­ст­ри­ро­вал А. Комп­тон в 1922. При сколь­зя­щих уг­лах па­де­ния оди­ноч­ные во­гну­тые сфе­рич. зер­ка­ла не да­ют изо­бра­же­ния объ­ек­та. В 1948 амер. фи­зи­ки П. Кир­кпат­рик и А. Ба­ец, ис­поль­зуя па­ру скре­щен­ных сфе­рич. зер­кал, соз­да­ли пер­вую оп­тич. сис­те­му для по­строе­ния рент­ге­нов­ско­го изо­бра­же­ния – рент­ге­нов­ский мик­ро­скоп. В рент­ге­нов­ской ас­тро­но­мии при­ме­нял­ся ме­тод по­строе­ния изо­бра­же­ния, в ко­то­ром ис­поль­зо­ва­лось от­ра­же­ние от внутр. по­верх­но­сти зер­кал, имею­щих фор­му фи­гур вра­ще­ния с силь­но раз­ли­чаю­щи­ми­ся ра­диу­са­ми кри­виз­ны (т. н. воль­те­ров­ская оп­ти­ка).

В 1970-х гг. нем. фи­зик Э. Шпил­лер, рос. фи­зик А. В. Ви­но­гра­дов и др. соз­да­ли кон­цеп­цию мно­го­слой­ных ин­тер­фе­рен­ци­он­ных по­кры­тий. Пе­рио­дич. струк­ту­ра, со­стоя­щая из че­ре­дую­щих­ся сло­ёв двух ма­те­риа­лов с разл. значениями $ε$, об­ла­да­ет ре­зо­нанс­ным спек­траль­ным кон­ту­ром от­ра­же­ния с цен­тром на дли­не вол­ны $λ_0$, удов­ле­тво­ряю­щей ус­ло­вию Брэг­га – Вуль­фа. Бла­го­да­ря ин­тер­фе­рен­ции волн, от­ра­жён­ных от од­но­им. гра­ниц раз­де­ла, ко­эф. от­ра­же­ния да­же при нор­маль­ном па­де­нии из­лу­че­ния во мно­го раз вы­ше, чем при от­ра­же­нии от од­ной по­верх­но­сти. Мно­го­слой­ные зер­ка­ла син­те­зи­ру­ют на сверх­глад­ких по­верх­но­стях ме­то­да­ми маг­не­трон­но­го, элек­трон­но-лу­че­во­го и ла­зер­но­го рас­пы­ле­ния ма­те­риа­лов. Соз­да­ние мно­го­слой­ных зер­кал зна­чи­тель­но рас­ши­ри­ло об­ласть при­ме­не­ния рент­ге­нов­ской оп­ти­ки.

Ме­то­ды и ин­ст­ру­мен­ты Р. о. ис­поль­зу­ют­ся при ди­аг­но­сти­ке плаз­мы и др. ла­бо­ра­тор­ных ис­точ­ни­ков рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, в спек­тро­мет­рах, мо­но­хро­ма­то­рах, ди­фрак­то­мет­рах, реф­лек­то­мет­рах, мик­ро­ско­пах, те­ле­ско­пах и др. на­уч. при­бо­рах, в пром. при­бо­рах для рент­ге­ноф­луо­рес­цент­но­го ана­ли­за, в мик­ро­ли­то­гра­фии и др.