Инновационная рентгеновская линза позволяет заглянуть в наномир

Ученые Института Пола Шеррера разработали революционную ахроматическую линзу для рентгеновских лучей. Она позволяет точно сфокусировать рентгеновские лучи в одной точке, даже если они имеют разные длины волн. Согласно статье, опубликованной исследователями в научном журнале Nature Communications, новая линза значительно облегчит изучение наноструктур с помощью рентгеновских лучей.

Ахроматические линзы необходимы для получения четких изображений в фотографии и оптических микроскопах. Они гарантируют, что разные цвета, т. е. свет с разной длиной волны, имеют общую фокусную точку.

Однако до сих пор ахроматические линзы не были доступны для рентгеновских лучей, поэтому рентгеновская микроскопия с высоким разрешением была возможна только с монохроматическими рентгеновскими лучами. На практике это означает, что все другие длины волн должны быть отфильтрованы из спектра рентгеновского луча, и, следовательно, можно эффективно использовать только небольшую часть света, что приводит к относительно неэффективному процессу захвата изображения.

Группа ученых PSI решила эту проблему, успешно разработав ахроматическую рентгеновскую линзу для рентгеновских лучей. Поскольку рентгеновские лучи могут выявлять гораздо более мелкие структуры, чем видимый свет, инновационная линза особенно полезна для исследований и разработок в таких секторах, как микрочипы, батареи и материаловедение.

Тот факт, что разработка ахроматической линзы для рентгеновских лучей не была осуществлена до сих пор, на первый взгляд может показаться удивительным: для видимого света ахроматические линзы существуют уже более 200 лет.

Обычно они состоят из двух разных материалов. Свет проникает в первый материал и разделяется на его спектральные цвета — так же, как при прохождении через обычную стеклянную призму. Затем он проходит через второй материал, чтобы обратить этот эффект вспять. В физике процесс разделения различных длин волн называется «дисперсией».

Однако этот основной принцип, применяемый в видимом диапазоне, не работает в рентгеновском диапазоне. Для рентгеновских лучей не существует пары материалов, для которых оптические свойства достаточно различаются в широком диапазоне длин волн, чтобы один материал уравновешивал эффект другого. Другими словами: дисперсия материалов в рентгеновском диапазоне слишком похожа.

Два принципа вместо двух материалов

Поэтому вместо того, чтобы искать ответ в сочетании двух материалов, ученые соединили два разных оптических принципа. «Хитрость заключалась в том, чтобы понять, что мы можем разместить вторую преломляющую линзу перед нашей дифракционной линзой», — говорят ученые.

«Уже много лет PSI является мировым лидером в производстве рентгеновских линз. Мы поставляем специализированные линзы, известные как зонные пластины Френеля, для рентгеновской микроскопии с синхротронными источниками света по всему миру».

Исследовательская группа использует известные методы нанолитографии для производства дифракционных линз.

Однако для второго элемента ахроматической линзы — преломляющей структуры — потребовался новый метод, который стал доступен лишь недавно: 3D-печать в микрометровом масштабе. В конечном итоге это позволило создать форму, отдаленно напоминающую миниатюрную ракету.

Потенциальные коммерческие приложения

Недавно разработанная линза позволяет перейти от исследовательского применения к рентгеновской микроскопии для коммерческого использования, например, в промышленности.

«Синхротронные источники генерируют рентгеновские лучи такой высокой интенсивности, что можно отфильтровать все длины волн, кроме одной, сохраняя при этом достаточно света для создания изображения», — объясняют исследователи.

Однако синхротроны — это крупномасштабные исследовательские установки. На сегодняшний день сотрудникам отдела исследований и разработок, работающим в промышленности, выделяется установленное время пучка для проведения экспериментов на синхротронах в исследовательских институтах, включая швейцарский источник света SLS в PSI. Это время луча чрезвычайно ограничено, дорого и требует долгосрочного планирования.

«Промышленность хотела бы иметь гораздо более быстрые циклы реагирования в своих процессах исследований и разработок. Наша ахроматическая рентгеновская линза очень поможет в этом: она позволит создавать компактные рентгеновские микроскопы, которые промышленные компании смогут использовать в своих собственных помещениях».

Чтобы охарактеризовать свою ахроматическую рентгеновскую линзу, ученые использовали рентгеновский луч в SLS.

Одним из используемых там методов является высокоразвитая методика рентгеновской микроскопии, называемая птихографией. Этот метод обычно используется для исследования неизвестного образца.

Ученые протестировали новую линзу, используя метод, при котором образец перемещается через фокус рентгеновского луча небольшими растровыми шагами. Когда длина волны рентгеновского луча изменяется, изображения, полученные с помощью обычной рентгеновской линзы, становятся очень размытыми.

Однако этого не происходит при использовании нового ахроматического объектива. «Когда мы в конце концов получили четкое изображение тестового образца в широком диапазоне длин волн, мы поняли, что наш объектив работает», — объясняют исследователи.