एक्स-रे प्रकाशिकी
एक्स-रे ऑप्टिक्स ऑप्टिक्स की वह शाखा है जो दृश्य प्रकाश के बजाय एक्स-रे में हेरफेर करती है। यह एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी , एक्स-रे प्रतिदीप्ति, छोटे-कोण एक्स-रे स्कैटरिंग, एक्स-रे माइक्रोस्कोपी, एक्स-रे चरण-कंट्रास्ट इमेजिंग जैसी अनुसंधान तकनीकों के लिए एक्स-रे बीम पर ध्यान केंद्रित करने और हेरफेर करने के अन्य तरीकों से संबंधित है। और एक्स-रे खगोल विज्ञान।
चूंकि एक्स-रे और दृश्यमान प्रकाश दोनों विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, वे उसी तरह से अंतरिक्ष में फैलती हैं, लेकिन एक्स-रे की बहुत अधिक आवृत्ति और फोटॉन ऊर्जा के कारण वे पदार्थ के साथ बहुत अलग तरीके से बातचीत करते हैं। दृश्यमान प्रकाश को [[लेंस (प्रकाशिकी)]] और दर्पणों का उपयोग करके आसानी से पुनर्निर्देशित किया जाता है, लेकिन क्योंकि सभी सामग्रियों के जटिल अपवर्तक सूचकांक का वास्तविक भाग एक्स-रे के लिए 1 के बहुत करीब है,[1] इसके बजाय वे शुरू में प्रवेश करते हैं और अंततः बिना दिशा बदले अधिकांश सामग्रियों में अवशोषित हो जाते हैं।
एक्स-रे तकनीक
एक्स-रे को पुनर्निर्देशित करने के लिए कई अलग-अलग तकनीकों का उपयोग किया जाता है, उनमें से अधिकांश दिशाओं को केवल मिनट कोणों से बदलते हैं। उपयोग किया जाने वाला सबसे आम सिद्धांत चराई घटना कोणों पर प्रतिबिंब (भौतिकी) है, या तो बहुत छोटे कोणों या बहुपरत प्रकाशिकी पर कुल बाहरी प्रतिबिंब का उपयोग करना। उपयोग किए जाने वाले अन्य सिद्धांतों में जोन प्लेट ों के रूप में विवर्तन और हस्तक्षेप (तरंग प्रसार) शामिल हैं, यौगिक अपवर्तक लेंस में अपवर्तन, जो श्रृंखला में कई छोटे एक्स-रे लेंस का उपयोग करते हैं, अपवर्तन के मिनट सूचकांक के लिए उनकी संख्या द्वारा क्षतिपूर्ति करने के लिए, एक क्रिस्टल से ब्रैग प्रतिबिंब समतल या मुड़े हुए क्रिस्टल में समतल।
एक्स-रे बीम अक्सर समांतरित्र होते हैं या पिनहोल या मूवेबल स्लिट्स का उपयोग करके आकार में कम होते हैं जो आमतौर पर टंगस्टन या किसी अन्य उच्च-परमाणु संख्या वाली सामग्री से बने होते हैं। एक्स-रे स्पेक्ट्रम के संकीर्ण भागों को क्रिस्टल द्वारा एक या एकाधिक ब्रैग प्रतिबिंबों के आधार पर मोनोक्रोमेटर्स के साथ चुना जा सकता है। एक्स-रे स्पेक्ट्रा को फ़िल्टर (ऑप्टिक्स) के माध्यम से एक्स-रे पास करके भी हेरफेर किया जा सकता है। यह आम तौर पर स्पेक्ट्रम के कम-ऊर्जा वाले हिस्से को कम कर देगा, और संभवतः फ़िल्टर के लिए उपयोग किए जाने वाले रासायनिक तत्व के अवशोषण किनारों के ऊपर के हिस्से।
फ़ोकसिंग ऑप्टिक्स
विश्लेषणात्मक एक्स-रे तकनीक जैसे एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी, छोटे-कोण एक्स-रे स्कैटरिंग, वाइड-एंगल एक्स-रे स्कैटरिंग, एक्स-रे प्रतिदीप्ति, एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी और एक्स - रे फ़ोटोइलैक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी सभी उच्च एक्स-रे से लाभान्वित होते हैं। जांच की जा रही नमूनों पर फ्लक्स घनत्व। यह एक्स-रे जनरेटर से अलग-अलग बीम पर ध्यान केंद्रित करके प्राप्त किया जाता है। ऑप्टिकल घटकों को ध्यान केंद्रित करने की एक सीमा से एक का उपयोग करके नमूना पर एक्स-रे स्रोत। यह स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी तकनीकों जैसे स्कैनिंग ट्रांसमिशन एक्स-रे माइक्रोस्कोपी और स्कैनिंग एक्स-रे प्रतिदीप्ति इमेजिंग के लिए भी उपयोगी है।
पॉलीकेपिलरी ऑप्टिक्स
पॉलीकेपिलरी लेंस छोटे खोखले ग्लास ट्यूबों की सरणी होते हैं जो एक्स-रे को ट्यूबों के अंदर कई बाहरी बाहरी प्रतिबिंबों के साथ निर्देशित करते हैं।[2]
सरणी को पतला किया जाता है ताकि केशिकाओं का एक सिरा एक्स-रे स्रोत पर और दूसरा नमूना पर इंगित हो। पॉलीकेपिलरी ऑप्टिक्स अक्रोमैटिक हैं और इस प्रकार प्रतिदीप्ति इमेजिंग और अन्य अनुप्रयोगों को स्कैन करने के लिए उपयुक्त हैं जहां एक व्यापक एक्स-रे स्पेक्ट्रम उपयोगी है। वे 0.1 से 30 कीव ी की फोटॉन ऊर्जा के लिए कुशलतापूर्वक एक्स-रे एकत्र करते हैं और एक्स-रे स्रोत से 100 मिमी पर एक पिनहोल (ऑप्टिक्स) का उपयोग करके फ़्लक्स में 100 से 10000 का लाभ प्राप्त कर सकते हैं।[3] चूंकि केवल एक बहुत ही संकीर्ण कोण के भीतर केशिकाओं में प्रवेश करने वाली एक्स-रे पूरी तरह से आंतरिक रूप से परिलक्षित होंगी, केवल एक छोटे से स्थान से आने वाली एक्स-रे ऑप्टिक के माध्यम से प्रेषित की जाएंगी। पॉलीकेपिलरी ऑप्टिक्स एक बिंदु से दूसरे बिंदु पर छवि नहीं बना सकते हैं, इसलिए उनका उपयोग रोशनी और एक्स-रे संग्रह के लिए किया जाता है।
जोन प्लेट्स
ज़ोन प्लेट्स में एक चरण-स्थानांतरण या अवशोषित सामग्री के संकेंद्रित क्षेत्रों के साथ एक सब्सट्रेट होता है, जो ज़ोन के साथ बड़ा त्रिज्या होता है। ज़ोन की चौड़ाई को इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि एक प्रेषित तरंग को फ़ोकस देने वाले एकल बिंदु में रचनात्मक हस्तक्षेप मिलता है।[4] ज़ोन प्लेट्स को प्रकाश एकत्र करने के लिए कंडेनसर (माइक्रोस्कोप) के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन प्रत्यक्ष पूर्ण-क्षेत्र इमेजिंग के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है। एक एक्स-रे माइक्रोस्कोप। ज़ोन प्लेटें अत्यधिक रंगीन विपथन हैं और आमतौर पर केवल एक संकीर्ण ऊर्जा अवधि के लिए डिज़ाइन की जाती हैं, जिससे कुशल संग्रह और उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग के लिए एकरंगा एक्स-रे होना आवश्यक हो जाता है।
यौगिक अपवर्तक लेंस
चूंकि एक्स-रे तरंग दैर्ध्य पर अपवर्तक सूचकांक 1 के इतने करीब हैं, सामान्य लेंस (ऑप्टिक्स) की फोकल लंबाई अव्यावहारिक रूप से लंबी हो जाती है। इसे दूर करने के लिए, बहुत कम वक्रता त्रिज्या वाले लेंसों का उपयोग किया जाता है, और उन्हें लंबी पंक्तियों में रखा जाता है, ताकि संयुक्त फोकसिंग शक्ति प्रशंसनीय हो।[5] चूंकि एक्स-रे के लिए अपवर्तक सूचकांक 1 से कम है, इन लेंसों को ध्यान केंद्रित करने के लिए अवतल लेंस होना चाहिए, दृश्य-प्रकाश लेंस के विपरीत, जो एक फोकसिंग प्रभाव के लिए उत्तल लेंस हैं। वक्रता की त्रिज्या आमतौर पर एक मिलीमीटर से कम होती है, जिससे प्रयोग करने योग्य एक्स-रे बीम की चौड़ाई लगभग 1 मिमी हो जाती है।[6] इन ढेरों में एक्स-रे के अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) को कम करने के लिए, बहुत कम परमाणु संख्या वाली सामग्री जैसे फीरोज़ा या लिथियम का आमतौर पर उपयोग किया जाता है। चूंकि अपवर्तक सूचकांक एक्स-रे तरंग दैर्ध्य पर दृढ़ता से निर्भर करता है, ये लेंस अत्यधिक रंगीन विपथन हैं, और किसी भी आवेदन के लिए तरंग दैर्ध्य के साथ फोकल लम्बाई की भिन्नता को ध्यान में रखा जाना चाहिए।
प्रतिबिंब
मूल विचार परावर्तन (भौतिकी) एक सतह से एक्स-रे की एक किरण है और स्पेक्युलर दिशा में परावर्तित एक्स-रे की तीव्रता को मापने के लिए (घटना कोण के बराबर परावर्तित कोण)। यह दिखाया गया है कि एक परवलयिक दर्पण से प्रतिबिंब के बाद एक अतिपरवलयिक दर्पण से प्रतिबिंब के कारण एक्स-रे का ध्यान केंद्रित होता है।[7]चूंकि आने वाली एक्स-रे को दर्पण की झुकी हुई सतह पर प्रहार करना चाहिए, इसलिए संग्रह क्षेत्र छोटा होता है। हालाँकि, इसे एक दूसरे के अंदर दर्पणों की नेस्टिंग व्यवस्था द्वारा बढ़ाया जा सकता है।[8]
घटना की तीव्रता से परावर्तित तीव्रता का अनुपात सतह के लिए एक्स-रे परावर्तकता है। यदि इंटरफ़ेस पूरी तरह से तेज और चिकना नहीं है, तो परावर्तित तीव्रता फ्रेस्नेल परावर्तकता कानून द्वारा भविष्यवाणी की गई तीव्रता से विचलित हो जाएगी। सतह के सामान्य इंटरफ़ेस के घनत्व प्रोफ़ाइल को प्राप्त करने के लिए विचलन का विश्लेषण किया जा सकता है। कई परतों वाली फिल्मों के लिए, एक्स-रे परावर्तन तरंग दैर्ध्य के साथ दोलन दिखा सकता है, फैब्री-पेरोट इंटरफेरोमीटर के अनुरूप। फैब्री-पेरोट प्रभाव। इन दोलनों का उपयोग परत की मोटाई और अन्य गुणों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है।
विचलन
एक्स-रे विवर्तन में एक किरण एक क्रिस्टल से टकराती है और कई विशिष्ट दिशाओं में विवर्तन होता है। विवर्तित बीम के कोण और तीव्रता क्रिस्टल के भीतर इलेक्ट्रॉनों के त्रि-आयामी घनत्व का संकेत देते हैं। एक्स-रे एक विवर्तन पैटर्न उत्पन्न करते हैं क्योंकि उनके तरंग दैर्ध्य में आमतौर पर परिमाण का एक ही क्रम (0.1–10.0 एनएम) क्रिस्टल में परमाणु विमानों के बीच की दूरी के समान होता है।
प्रत्येक परमाणु एक गोलाकार तरंग के रूप में आने वाली बीम की तीव्रता के एक छोटे से हिस्से को फिर से विकीर्ण करता है। यदि परमाणुओं को सममित रूप से व्यवस्थित किया जाता है (जैसा कि एक क्रिस्टल में पाया जाता है) एक पृथक्करण d के साथ, ये गोलाकार तरंगें चरण में होंगी (रचनात्मक रूप से जोड़ें) केवल उन दिशाओं में होंगी जहां उनका पथ-लंबाई अंतर 2d sin θ एक पूर्णांक गुणक के बराबर है तरंग दैर्ध्य λ। ऐसा प्रतीत होता है कि आने वाली बीम को कोण 2θ द्वारा विक्षेपित किया गया है, जो विवर्तन पैटर्न में एक प्रतिबिंब स्थान का निर्माण करता है।
एक्स-रे विवर्तन आगे की दिशा में लोचदार बिखरने का एक रूप है; आउटगोइंग एक्स-रे में समान ऊर्जा होती है, और इस प्रकार समान तरंग दैर्ध्य, आने वाली एक्स-रे के रूप में, केवल परिवर्तित दिशा के साथ। इसके विपरीत, अप्रत्यास्थ बिखराव तब होता है जब ऊर्जा को आने वाली एक्स-रे से एक आंतरिक-शेल इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित किया जाता है, जो इसे उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित करता है। इस तरह के अप्रत्यास्थ बिखरने से बाहर जाने वाली किरण की ऊर्जा कम हो जाती है (या तरंग दैर्ध्य बढ़ जाती है)। [[बेलोचदार बिखराव]] ऐसे इलेक्ट्रॉन उत्तेजना की जांच के लिए उपयोगी है, लेकिन क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं के वितरण का निर्धारण करने में नहीं।
लंबी-तरंग दैर्ध्य फोटोन (जैसे कि पराबैंगनी विद्युत चुम्बकीय विकिरण) में परमाणु स्थिति निर्धारित करने के लिए पर्याप्त रिज़ॉल्यूशन नहीं होगा। दूसरे चरम पर, गामा किरणों जैसे छोटे-तरंग दैर्ध्य फोटॉनों का बड़ी संख्या में उत्पादन करना मुश्किल होता है, ध्यान केंद्रित करना मुश्किल होता है, और पदार्थ के साथ बहुत दृढ़ता से बातचीत करते हैं, जिससे जोड़ी उत्पादन होता है। कण-प्रतिपक्षी जोड़े।
इसी तरह के विवर्तन पैटर्न को इलेक्ट्रॉनों या न्यूट्रॉन को बिखेर कर बनाया जा सकता है। एक्स-रे आमतौर पर परमाणु नाभिक से विचलित नहीं होते हैं, बल्कि केवल उनके आसपास के इलेक्ट्रॉनों से होते हैं।
हस्तक्षेप
एक्स-रे इंटरफेरेंस (तरंग प्रसार) दो या दो से अधिक एक्स-रे तरंगों का जोड़ (सुपरपोज़िशन सिद्धांत) है जिसके परिणामस्वरूप एक नया तरंग पैटर्न होता है। एक्स-रे हस्तक्षेप आमतौर पर उन तरंगों की बातचीत को संदर्भित करता है जो एक दूसरे के साथ सहसंबद्ध या जुटना (भौतिकी) हैं, या तो क्योंकि लहर एक ही स्रोत से आते हैं या क्योंकि उनके पास समान या लगभग समान आवृत्ति होती है।
दो गैर-मोनोक्रोमैटिक एक्स-रे तरंगें केवल एक दूसरे के साथ पूरी तरह से सुसंगतता (भौतिकी) होती हैं यदि दोनों में तरंग दैर्ध्य की बिल्कुल समान सीमा होती है और प्रत्येक घटक तरंग दैर्ध्य में समान चरण (तरंगें) अंतर होते हैं।
कुल चरण अंतर पथ अंतर और प्रारंभिक चरण अंतर दोनों के योग से प्राप्त होता है (यदि एक्स-रे तरंगें दो या दो से अधिक विभिन्न स्रोतों से उत्पन्न होती हैं)। इसके बाद यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि एक बिंदु तक पहुंचने वाली एक्स-रे तरंगें चरण (रचनात्मक हस्तक्षेप) या चरण से बाहर (विनाशकारी हस्तक्षेप) हैं या नहीं।
टेक्नोलॉजीज
एक्स-रे फोटॉनों को एक्स-रे डिटेक्टर पर उपयुक्त स्थान पर फ़नल करने के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग किया जाता है:
- वोल्टर टेलीस्कोप में ग्रेज़िंग आपतन दर्पण,[7][9][10] या किर्कपैट्रिक-बैज़ एक्स-रे माइक्रोस्कोप | एक्स-रे प्रतिबिंब माइक्रोस्कोप।
- जोन प्लेटें।
- बेंट क्रिस्टल।[11]
- सामान्य-घटना दर्पण बहुपरत कोटिंग्स का उपयोग कर रहे हैं।
- एक सामान्य घटना लेंस एक ऑप्टिकल लेंस की तरह होता है, जैसे कि एक यौगिक अपवर्तक लेंस।
- सूक्ष्म संरचित ऑप्टिकल सरणियाँ, अर्थात्, केशिका / पॉलीकेपिलरी ऑप्टिकल सिस्टम।[12][13][14][15]
- कोडित एपर्चर इमेजिंग।
- मॉडुलन समापक।
- एक्स-रे वेवगाइड्स।
अधिकांश एक्स-रे ऑप्टिकल तत्व (चराई-घटना दर्पण के अपवाद के साथ) बहुत छोटे होते हैं और उन्हें एक विशेष कोण (ऑप्टिक्स) और ऊर्जा के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, इस प्रकार अपसारी विकिरण में उनके अनुप्रयोगों को सीमित करना चाहिए। हालांकि तकनीक तेजी से उन्नत हुई है, लेकिन शोध के बाहर इसका व्यावहारिक उपयोग अभी भी सीमित है। हालांकि, मेडिकल एक्स-रे इमेजिंग में एक्स-रे ऑप्टिक्स को पेश करने के प्रयास जारी हैं। उदाहरण के लिए, पारंपरिक बिखराव विरोधी ग्रिड की तुलना में मैमोग्राम छवियों के कंट्रास्ट (दृष्टि) और छवि रिज़ॉल्यूशन दोनों को बढ़ाने में अधिक वादा दिखाने वाले अनुप्रयोगों में से एक है।[16] एक अन्य अनुप्रयोग पारंपरिक ऊर्जा फ़िल्टरिंग की तुलना में कंट्रास्ट-टू-शोर अनुपात में सुधार के लिए एक्स-रे बीम के ऊर्जा वितरण को अनुकूलित करना है।[17]
एक्स-रे प्रकाशिकी के लिए दर्पण
दर्पण कांच, सिरेमिक, या धातु की पन्नी से बने हो सकते हैं, जो एक परावर्तक परत द्वारा लेपित होते हैं।[1]एक्स-रे दर्पणों के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली परावर्तक सामग्री सोना और इरिडियम हैं। इनके साथ भी क्रांतिक परावर्तन कोण ऊर्जा पर निर्भर है। 1 keV पर सोने के लिए, क्रांतिक परावर्तन कोण 2.4° होता है।[18] एक साथ एक्स-रे दर्पणों के उपयोग की आवश्यकता है:
- दो आयामों में एक्स-रे फोटॉन के आगमन का स्थान निर्धारित करने की क्षमता,
- एक उचित पहचान दक्षता।
एक्स-रे के लिए बहुपरत
बहुत छोटे चराई कोणों को छोड़कर, किसी भी सामग्री का एक्स-रे के लिए पर्याप्त प्रतिबिंब नहीं होता है। मल्टीलेयर चरण में सुसंगत रूप से कई सीमाओं से छोटे परावर्तित आयामों को जोड़कर एकल सीमा से छोटी परावर्तकता को बढ़ाते हैं। उदाहरण के लिए, यदि किसी एकल सीमा की परावर्तकता R = 10 है−4 (आयाम r = 10−2), तो 100 सीमाओं से 100 एम्पलीट्यूड का जोड़ परावर्तकता R को एक के करीब दे सकता है। मल्टीलेयर की अवधि Λ जो इन-फेज जोड़ प्रदान करती है, वह इनपुट और आउटपुट बीम द्वारा उत्पन्न स्टैंडिंग वेव की है, Λ = λ/2 sin θ, जहां λ तरंग दैर्ध्य है, और 2θ दो बीमों के बीच आधा कोण है . θ = 90°, या सामान्य आपतन पर परावर्तन के लिए, बहुपरत की अवधि Λ = λ/2 है। एक बहुपरत में उपयोग की जा सकने वाली सबसे छोटी अवधि परमाणुओं के आकार द्वारा लगभग 2 एनएम तक सीमित होती है, जो 4 एनएम से ऊपर तरंग दैर्ध्य के अनुरूप होती है। कम तरंग दैर्ध्य के लिए अधिक चराई की ओर घटना कोण θ की कमी का उपयोग किया जाना है।
प्रत्येक सीमा पर उच्चतम संभव प्रतिबिंब और संरचना के माध्यम से सबसे छोटा अवशोषण या प्रसार देने के लिए बहुपरतों के लिए सामग्री का चयन किया जाता है। यह आमतौर पर स्पेसर परत के लिए प्रकाश, कम घनत्व वाली सामग्री और उच्च कंट्रास्ट पैदा करने वाली भारी सामग्री द्वारा प्राप्त किया जाता है। भारी सामग्री में अवशोषण को संरचना के अंदर स्टैंडिंग-वेव फील्ड के नोड्स के करीब स्थित करके कम किया जा सकता है। अच्छी निम्न-अवशोषण स्पेसर सामग्री Be, C, B, B हैं4सी और सी। अच्छे कंट्रास्ट वाले भारी पदार्थों के कुछ उदाहरण हैं W, Rh, Ru और Mo।
अनुप्रयोगों में शामिल हैं:
- ईयूवी से हार्ड एक्स-रे तक दूरबीनों के लिए सामान्य और चराई-घटना प्रकाशिकी,
- माइक्रोस्कोप, बीम लाइन और सिंक्रोट्रॉन और एफईएल सुविधाएं,
- ईयूवी लिथोग्राफी।
Mo/Si EUV लिथोग्राफी के लिए लगभग सामान्य आपतन परावर्तकों के लिए प्रयुक्त सामग्री चयन है।
हार्ड एक्स-रे दर्पण
परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपिक टेलीस्कोप ऐरे स्पेस टेलीस्कोप के लिए एक एक्स-रे मिरर ऑप्टिक 79 keV तक काम कर रहा है, जिसे मल्टीलेयर्ड कोटिंग्स, कंप्यूटर-एडेड मैन्युफैक्चरिंग और अन्य तकनीकों का उपयोग करके बनाया गया था।[19] दर्पण की दर में गिरावट ग्लास पर टंगस्टन/सिलिकॉन (W/Si) या प्लैटिनम /सिलिकन कार्बाइड |सिलिकॉन-कार्बाइड (Pt/SiC) मल्टीकोटिंग का उपयोग करते हैं, जिससे वोल्टर टेलीस्कोप डिज़ाइन की अनुमति मिलती है।[19]
यह भी देखें
- किर्कपैट्रिक-बैज दर्पण
- एक्स-रे टेलीस्कोप
- वोल्टर टेलिस्कोप, एक प्रकार का एक्स-रे टेलीस्कोप है जो ग्लांसिंग-इंसिडेंस मिरर के साथ बनाया गया है
- XMM- न्यूटन और चंद्रा एक्स-रे वेधशाला, एक्स-रे प्रकाशिकी का उपयोग कर परिक्रमा करने वाली वेधशालाएं
- एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी
संदर्भ
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बाहरी संबंध
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