X ışını optiği

X ışını optiği, optiğin görünen ışık yerine X ışınları kullanılan bir dalıdır. Görünen ışık için lensler kırılma indisi esasen 1’ den büyük olan şeffaf materyalden yapılırken ; X ışınları içinkırılma indisi birden biraz daha küçüktür.^[1]  X ışınlarını yönetmenin prensip methodları yansıma, kırınım ve girişimden gelir. Uygulama örnekleri X ışını teleskopları ve X ışını mikroskoplarını içerir. Kırınım, bileşik kırınım merceği için bir temeldir, birçok küçük X ışını merceği seriler halinde X ışınlarının kırınım indisi anı numaralarına göre denklenmişlerdir. Kırınım indisinin hayali kısmı da (soğurmaya karşılık gelen), X ışınlarını yönlendirmek için kullanılabilir. Görünür ışık için de kullanılabilen pim deliği kamerasi buna bir örnektir.

Temel fikir bir X ışını demetini bir yüzeyden yansıtmak ve aynaya özgü bir yönde yansıyan X ışınlarının yoğunluğunu ölçmektir (yansıma açısı gelen açıya eşittir). Parabolik bir aynadan sonra hiperbolik bir aynadan yansıyan X ışınlarının odaklanabildiği görülmüştür.^[2] Gelen X ışınları aynanın eğik yüzeyine vurmak zorunda olduğundan toplama alanı küçüktür.Neyse ki, aynaların iç içe konulduğu yuvalama düzenlemeleriyle büyütülebilir.^[3]

Yansıyan yoğunluğun gelen yoğunluğa oranı yüzeyün X ışını yansıtma oranıdır. Eğer arayüzey mükemmel derecede keskin ve pürüzsüz değilse yansıyan yoğunluk Fresnel yansıtma yasasından tahminle sapma yapar. Sapmalaryüzeyin ara yüzey normalinin yoğunluk profilini elde etmek için analiz edilebilir. Çok katmanlı filmler için, X ışını yansıtıcılığı (Fabry- Perot efektine benzer şekilde) dalgaboyuna bağlı olarak kararsızlık gösterebilir. Bu kararsızlıklar katman kalınlıklarını ve özelliklerini belirlemek için kullanılabilir.

X ışınıkırınımında bir demet bir kristale çarpar ve çok sayıda spesifik yöne kırılır. Kırılan demetlerin açı ve yoğunlukları kristal içinde 3 boyutlu bir elektron yoğunluğu belirtir. X ışınları bir kırınım modeli üretir çünkü dalgaboyları tipik olarak kristaldeki atomik düzlem boşluklarıyla aynı kuvvet sırasına sahiptir (0.1-10.0 nm).

Her atom gelen demetin yoğunluğunun bir kısmını küresel bir dalga şeklinde yeniden yayar. Eğer atomlar bir d mesafesiyle simetrik şekilde düzenlendiyse(bir kristalde bulunduğu gibi), bu küresel dalgalar yalnızca yol-uzunluk farkları 2d sin θ, dalgaboyu λ nın bir tam sayı katı olursa senkronize olurlar. Gelen demet bu yüzden kırınım modelinde bir yansıma yeri oluşturan 2θ lık bir açıyla sapmalıdır.

X ışını kırınımı elastik saçılımın bir formudur; giden X ışınları gelen X ışınları gibi aynı ancak değişik yönde enerjiye ve dalga boyuna sahiptir. Buna zıt olarak, inelastik saçılım enerji gelen X ışınından onu yüksek bir kabuğa çıkaracak şekilde bir iç kabuk elektronuna transfer edilirse oluşur. Bu inelastik saçılım giden demetin enerji seviyesini düşürür (veya dalga boyunu artırır). İnelastik saçılım bu şekil elektron uyarılmalarını araştırmada kullanışlıdır, fakat atomların kristal içindeki dağılımlarını belirlemede değildir.

Uzun dalga boylu fotonlar (ultraviyoleradyasyonu gibi) atomik pozisyonları belirlemek için yeterli çözünürlüğe sahip değildir. Diğer uç noktada, Kısa dalga boylu gamma ışınları gibi parçacık-anti parçacık grupları üreten fotonlar çok sayıda üretmesi, odaklaması ve maddeyle çok güçlü etkileşim yaptırması zor fotonlardır.

Benzer kırınım modelleri elektron veya nötron saçılımlarıyla elde edilebilir. X ışınları genelde atomik esaslardan kırınım yapmaz.

X-ışını girişim, yeni bir dalga modelinde sonuçlanan iki veya daha fazla X-ışını dalgalarının eklenmesi (süperpozisyon) 'dir. X-ışını girişim genellikle ilişkili ya da birbirleri ile tutarlı olan dalgaların etkileşimi ifade eder ya da aynı kaynaktan gelen veya çünkü aynı veya hemen hemen aynı frekansı var.

İki olmayantek renkli X-ışını dalga oluşturucu dalga boyunda her birinde sadece iki dalga boyu, aynı faz farklarının tam olarak aynı aralığı vardır birbirlerine tamamen tutarlıdır.

Toplam faz farkı yol farkı ve (X-ışını dalga, iki ya da daha çok farklı kaynaklardan elde edilen ise) başlangıç faz farkı, her iki toplamı elde edilir. Daha sonra bir noktaya ulaşan X-ışını dalga faz (yapıcı girişim) veya faz (yıkıcı girişim) dışında olup olmadığı sonucuna varılabilir.

X ışını fotonlarını X ışını dedektöründe uygun bir yere yönlendirmek için kullanılan çeşitli teknikler vardır:

•  Geliş aynaları bir Wolter Teleskopunda,^[2][4][5] toplamak veya Kirkpatrick- Baez X ışını yansıma mikroskobunda toplamak,
• Bölge levhaları,
• Bükülmüş kristaller,^[6]
• Normal-geliş aynalarının çoklu katman tabakası yapmada kullanımı,
• Tıpkı biroptik mercek gibi normal-geliş merceği, bileşik kırıcı lens gibi,
• Mini-yapı optik serileri, kılcal optik sistemler,^{[7][8][9][10]}
• Kodlanmış aralık görüntülemesi veya
• Modülasyon kolimatörü,
• X ışını dalha yapıları.

X ışını optik birimlerinin çoğu (geliş aynası toplama dışında) çok küçüktür ve parçacık geliş açısı ve enerjisi için dizayn edilmiştir, bu sayede ıraksak radyasyonda uygulamaları sınırlıdır. Teknoloji çok hızlı bir şekilde gelişmiş olsa da, pratik kullanımları hala sınırlıdır. Büyük bir umut vadeden bir uygulama hem kontrast hem mamografik çözünürlüğü artırır ve konvensiyonel anti-saçılım ızgaralarıyla karşılaştırılır.

Aynalar yansıtıcı katmanla kaplanmış camdan, seramikten veya metal folyodan yapılabilir.^[1] X ışını aynaları için en çok kullanılan yansıtıcı materyaller altın ve iridyumdur. Bunlarla birlikte dahi kritik yansıma açısı enerjiye bağlıdır. Altın için 1 keV da kritik yansıma açısı 2.4 derecedir.^[11]

X ışınlarının kullanımı aynı anda şunları gerektirir:

• Bir X ışını fotonunun varış yerini iki boyutta belirlemek
• Uygun bir keşif verimliliği.

Çoklu katman kaplamaları kullanılarak yapılan, bilgisayar yardımı ve diğer tekniklerle üretilmiş bir X ışını ayna optiği NuStar uzay teleskopu için 79 keV a kadar çalışmaktadır.^[12] Aynalar Wolter teleskopu dizaynına izin veren Tungsten(W) / Silicon(Si) veya Platinyum(Pt) / Silikon karbit (SiC) yığılmış cama çoklu kaplama işlemi kullanır.^[12]

Bu o zaman sınır olarak düşünülmüştü fakat 2012’deki bir keşif Gama ışını teleskoplarına yoğunlaşmaya izin verdi.^[13] Foton enerjisinin 700 keV dan daha büyük olduğu durumlarda kırınım indisi tekrar artmaya başlar.^[13]

• Chandra X-ray Observatory
•  X-ray crystallography
• RXOPTICS: Refractive x-ray lenses