1.5. Рентгеновская поликапиллярная оптика

В начале 1980-х гг. сотрудник Института атомной энергии им. И.В. Курчатова М.А. Кумахов предложил принцип фокусирования рентгеновских лучей, основанный на применении поликапиллярной оптики [36-39]. Позднее автор идеи организовал Институт рентгеновской оптики (ИРО). Принцип фокусирования получил развитие и практическую реализацию в приборах различного типа и различного назначения.

Хорошо известно, что для оптического диапазона используют волоконные световоды. Они включают центральную «жилу» из прозрачного, оптически плотного материала, которая находится внутри гибкой трубки из материала, оптически менее плотного. При попадании светового луча на торец световода (под определённым углом) имеет место полное внутреннее отражение, и свет проходит вдоль изогнутого волокна, не покидая пределов центральной жилы. Это связано с тем, что в оптическом диапазоне практически во всех средах показатель преломления света больше единицы. Рентгеновские же лучи по такому световоду не пойдут из-за сильного взаимодействия с веществом и быстрого затухания, а также в связи с тем, что рентгеновский луч нельзя удержать внутри световода: в рентгеновском диапазоне показатель преломления абсолютного большинства сред несколько меньше единицы. Однако по этой же причине рентгеновский луч можно удержать в полом слабо изогнутом капилляре. При попадании луча в капилляр под очень малым критическим углом возникает эффект полного внешнего отражения – рентгеновский луч без взаимодействия с веществом стенки многократно отражается от внутренних поверхностей полого капилляра, без большого затухания проходя по менее плотной среде (воздуху или вакууму).

Специальным образом организованная система с осевой симметрией из сотен тысяч или миллионов таких капилляров, отличающихся друг от друга радиусом кривизны и характером изменения внутреннего диаметра единичного канала вдоль оси, может быть использована в качестве рентгеновской линзы. С помощью таких линз можно получать параллельный пучок рентгеновских лучей и, что самое главное, сфокусировать рентгеновское излучение. За счёт фокусирования излучения от весьма слабых источников в фокусе линзы можно достичь очень высоких плотностей рентгеновского пучка. Такие плотности достижимы только на современных синхротронных ускорителях громадной мощности и объёма.

Рис. 1.9. Схема функционирования линзы Кумахова.

После создания первой капиллярной линзы (1984 г.) технология постоянно совершенствовалась. Если первая линза состояла из двух тысяч каналов с диаметром около 0,5 мм, то линзы последней генерации состоят из нескольких миллионов каналов микронных и субмикронных размеров. Основные исследования по поликапиллярной оптике и её применению проводились в упомянутом институте. Там же было организовано производство поликапиллярных линз и разработка аналитических приборов с их использованием.

Рис. 1.10. Мурадин Абубекирович Кумахов (29.07.1928–25.06.2014) – физик, создатель рентгеновской оптики Кумахова.

Поликапиллярная оптика обладает очень большим углом захвата излучения – 0,1 радиан и даже больше, совместима с простыми и дешёвыми рентгеновскими источниками – рентгеновскими трубками. Оптика дает возможность формировать расходящиеся от источника излучения лучи в квазипараллельный пучок в обоих направлениях (рентгеновские полулинзы) или же фокусировать пучок (линзы). Поликапиллярные линзы и полулинзы имеют небольшие размеры (от нескольких миллиметров до десятка сантиметров в зависимости от назначения); они могут работать в вакууме и воздухе.

Возможности фокусировки рентгеновских лучей определяют достоинства создаваемых на базе поликапиллярной оптики приборов: очень малая потребляемая мощность (от единиц ватт до нескольких десятков вместо традиционных киловатных источников); небольшой вес и габариты; многофункциональность. Эти приборы не требуют специальных помещений и защиты; многие из них можно использовать в полевых условиях; они удобны и просты в эксплуатации.

Разработана серия аналитических приборов на основе поликапиллярной оптики; приборы находят применение; среди этих приборов есть многофункциональные. Так, в комплексе “Mini-Lab-6” сочетается ряд функций – элементный анализ, дифрактометрия, рефрактометрия и др. Рентгенофлуоресцентный микроанализатор «Фокус-М» (спектрометр, позволяющий проводить локальный элементный анализ) используется во многих лабораториях, в том числе в криминалистических центрах. При использовании двух линз, которые смотрят в одну точку, получается объёмное изображение. Создан ручной прибор – микроанализатор (массой около 3 кг) для анализа горных пород, сплавов, предметов искусства, ювелирных изделий.

Весьма интересен прибор, получивший название «лабораторный синхротрон». Это маленькое устройство (масса около 10 кг) дает поток монохроматических квазипараллельных пучков, сравнимый с потоками синхротронов среднего поколения. Это оказалось возможным благодаря созданию новой технологии поликапиллярных линз и яркого микрофокусного источника. На базе поликапиллярной технологии создан рентгенофлуоресцентный анализатор чувствительностью на уровне n·10^–7%. Этот прибор даёт возможность анализа воды, растворов и т.д.

Рис. 1.11. Микроанализатор «Фокус-М» с рентгеновской линзой Кумахова.

Около тысячи приборов с оптикой Кумахова используются при решении различных практических задач. Производители рентгеновской техники – фирмы EDAX, Philips, Siemens, Bede, Shimadzu, Unisantis и другие – выпускают приборы с этой оптикой. Устройства используются в крупных синхротронных центрах для фокусировки синхротронного излучения, а также для получения объёмного изображения объекта с помощью двух линз. При фокусировке плотность синхротронного излучения увеличивается более чем на три порядка. Оптика Кумахова и приборы на её основе получили многочисленные призы и дипломы на международных выставках и конференциях.

Создание поликапиллярной оптики и соответствующих приборов является, несомненно, одним из наиболее важных достижений в аналитической рентгеновской технике за последние десятилетия.