Вчені Інституту Пола Шеррера розробили революційну ахроматичну лінзу для рентгенівських променів. Вона дозволяє точно сфокусувати рентгенівські промені в одній точці, навіть якщо вони мають різні довжини хвиль. Згідно зі статтею, опублікованою дослідниками в науковому журналі Nature Communications, нова лінза значно полегшить вивчення наноструктур за допомогою рентгенівських променів.
Ахроматичні лінзи необхідні для отримання чітких зображень у фотографії та оптичних мікроскопах. Вони гарантують, що різні кольори, тобто світло з різною довжиною хвилі, мають загальну фокусну точку.
Однак досі ахроматичні лінзи не були доступні для рентгенівських променів, тому рентгенівська мікроскопія з високою роздільною здатністю була можлива тільки з монохроматичними рентгенівськими променями. На практиці це означає, що всі інші довжини хвиль повинні бути відфільтровані зі спектру рентгенівського променя, і, отже, можна ефективно використовувати тільки невелику частину світу, що призводить до відносно неефективного процесу захоплення зображення.
Група вчених PSI вирішила цю проблему, успішно розробивши ахроматичну рентгенівську лінзу для рентгенівських променів. Оскільки рентгенівські промені можуть виявляти набагато дрібніші структури, ніж видиме світло, інноваційна лінза особливо корисна для досліджень і розробок в таких секторах, як мікрочіпи, батареї і матеріалознавство.
Той факт, що розробка ахроматичної лінзи для рентгенівських променів не була здійснена досі, на перший погляд може здатися дивним: для видимого світла ахроматичні лінзи існують вже понад 200 років.
Зазвичай вони складаються з двох різних матеріалів. Світло проникає в перший матеріал і поділяється на його спектральні кольори - так само, як при проходженні через звичайну скляну призму. Потім він проходить через другий матеріал, щоб звернути цей ефект назад. У фізиці процес поділу різних довжин хвиль називається «дисперсією».
Однак цей основний принцип, що застосовується у видимому діапазоні, не працює в рентгенівському діапазоні. Для рентгенівських променів не існує пари матеріалів, для яких оптичні властивості досить різняться в широкому діапазоні довжин хвиль, щоб один матеріал врівноважував ефект іншого. Іншими словами: дисперсія матеріалів у рентгенівському діапазоні занадто схожа.
Два принципи замість двох матеріалів
Тому замість того, щоб шукати відповідь у поєднанні двох матеріалів, вчені поєднали два різних оптичних принципи. «Хитрість полягала в тому, щоб зрозуміти, що ми можемо розмістити другу лінзу перед нашою дифракційною лінзою», - кажуть вчені.
"Вже багато років PSI є світовим лідером у виробництві рентгенівських лінз. Ми поставляємо спеціалізовані лінзи, відомі як зонні пластини Френеля, для рентгенівської мікроскопії з синхротронними джерелами світла по всьому світу ".
Дослідницька група використовує відомі методи нанолітографії для виробництва дифракційних лінз.
Однак для другого елемента ахроматичної лінзи - переважної структури - знадобився новий метод, який став доступний лише недавно: 3D-друк у мікрометровому масштабі. Зрештою це дозволило створити форму, яка віддалено нагадує мініатюрну ракету.
Потенційні комерційні програми
Нещодавно розроблена лінза дозволяє перейти від дослідницького застосування до рентгенівської мікроскопії для комерційного використання, наприклад, у промисловості.
«Синхротронні джерела генерують рентгенівські промені такої високої інтенсивності, що можна відфільтрувати всі довжини хвиль, крім однієї, зберігаючи при цьому достатньо світла для створення зображення», - пояснюють дослідники.
Однак синхротрони - це великомасштабні дослідницькі установки. На сьогоднішній день співробітникам відділу досліджень і розробок, що працюють в промисловості, виділяється встановлений час пучка для проведення експериментів на синхротронах в дослідницьких інститутах, включаючи швейцарське джерело світла SLS в PSI. Цей час проміння надзвичайно обмежений, дорого і потребує довгострокового планування.
"Промисловість хотіла б мати набагато швидші цикли реагування у своїх процесах досліджень і розробок. Наша ахроматична рентгенівська лінза дуже допоможе в цьому: вона дозволить створювати компактні рентгенівські мікроскопи, які промислові компанії зможуть використовувати у своїх власних приміщеннях ".
Щоб охарактеризувати свою ахроматичну рентгенівську лінзу, вчені використовували рентгенівський промінь в SLS.
Одним з використовуваних там методів є високорозвинена методика рентгенівської мікроскопії, звана птихографією. Цей метод зазвичай використовується для дослідження невідомого зразка.
Вчені протестували нову лінзу, використовуючи метод, при якому зразок переміщується через фокус рентгенівського променя невеликими растровими кроками. Коли довжина хвилі рентгенівського променя змінюється, зображення, отримані за допомогою звичайної рентгенівської лінзи, стають дуже розмитими.
Однак цього не відбувається при використанні нового ахроматичного об'єктива. «Коли ми зрештою отримали чітке зображення тестового зразка в широкому діапазоні довжин хвиль, ми зрозуміли, що наш об'єктив працює», - пояснюють дослідники.
Про відкриття повідомляється в журналі Nature Communications.
