Один оптический элемент объединил рентгеновскую съёмку и спектроскопию
Международная группа учёных из Германии, Швейцарии и Японии экспериментально проверила отражательную зонную пластину (reflection zone plate, RZP) — наноструктурированный оптический элемент, который одновременно отражает, фокусирует, формирует изображение и разлагает мягкое рентгеновское излучение по спектру. Раньше для этих задач требовалось несколько отдельных компонентов и сложная юстировка. Работа опубликована в журнале Optics Express. Корреспондирующий автор — Чжун Инь (Zhong Yin) из Института синхротронного излучения Университета Тохоку (SRIS); в числе соавторов Йенс Реханек (Jens Rehanek), Кристоф Брайг (Christoph Braig), Хайке Лёхель (Heike Löchel) и другие исследователи из DESY (Гамбург) и Швейцарского института синхротронного излучения (PSI). Эксперименты проходили на линии P04 синхротрона PETRA III в DESY.
Что такое отражательная зонная пластина
Обычные зонные пластины пропускают рентгеновские лучи через тонкую мембрану. Отражательная пластина работает в отражении: луч падает под малым углом на сверхполированную кремниевую подложку с нанометровыми структурами. Благодаря параксиальному режиму — приёму излучения в узком диапазоне углов — удаётся почти устранить оптические аберрации, которые долгое время считались неизбежными при рентгеновской визуализации малых внеосевых областей.
Одновременно пластина диспергирует свет по энергиям, то есть в одном эксперименте получается как пространственная карта образца, так и его спектральный портрет.
Что позволяет один элемент:
- Сформировать изображение с пространственным разрешением около 14–24 мкм
- Провести RIXS-картирование (резонансное неупругое рентгеновское рассеяние) без изменения геометрии установки
- Одновременно регистрировать упругие и неупругие сигналы в одной оптической конфигурации
- Ускорить сканирование круговых объектов примерно в 27 раз по сравнению с точечным 2D-сканированием
Как проходил эксперимент
Команда проверила элемент на двух типах задач. Для визуализации использовались тестовые объекты — звёзды Зименса и буквы «RIXS»: образец перемещали через узкую линию рентгеновского пучка, а полосы данных объединяли вычислительно. Параллельно регистрировалось спектральное рассеяние.
Для RIXS-картирования в качестве образца взяли жидкую струю ацетонитрила в этаноле. Полный набор данных удалось получить примерно за 220 секунд. Спектральное разрешение составило около 0,3 эВ в диапазоне энергий 388,6–401,8 эВ вблизи K-края поглощения азота.
Перспективы применения
Читайте также: Один рентгеновский импульс показал наноструктуры плазмы разных размеров.
Авторы называют несколько направлений использования нового подхода: химическое и элементное картирование неоднородных материалов, исследование динамических процессов в жидкостях и быстро меняющихся системах, а также работа с разными типами источников — от лабораторных генераторов высоких гармоник и лазерной плазмы до рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Компактность схемы и отсутствие хрупкой мембраны снижают требования к установке.
