Diversos tipos de lentes refractivas

Los primeros intentos medianamente exitosos de crear lentes refractivas de rayos X fueron hechos en la década del 1990’. Se hicieron varios intentos hasta que se reconocieron los tipos de lentes más prometedores. Aquí se describen algunos de ellos.

Lentes de filas de agujeros

Lentes-burbuja

Lentes-cocodrilo

Lentes de rayos X enrolladas

Lentes de filas de agujeros

Estas lentes están formadas por prismas rectangulares de aluminio o berilio, en los cuales se hacen agujeros (imagen 1), [Tom 1996, Sni 1996]. Como el índice de refracción del aire en los agujeros es mayor que el del metal para los rayos X, éstos actúan como lentes cilíndricas. Al ordenar los agujeros en dos filas perpendiculares se forma una lente con foco puntual. Estas ópticas tienen dos desventajas principales. La primera es que la absorción es relativamente alta, porque la distancia entre dos agujeros considerados no puede ser demasiado pequeña. La segunda es la aberratión esférica, inherente al método de producción.

$Refractive X-ray lens made of a row of holes in a metal bar$

Imagen 1: Lentes refractivos de rayos X hechos a partir de una barra de aluminio agujereada

Lentes a partir de burbujas en capilares

Se pueden realizar lentes refractivas al introducir burbujas de aire en una resina epoxy, que se encuentra en un capilar [Dud 1998, Gar 2004]. En inglés estas lentes son llamadas “Bubble Compound Refractive Lenses” (BCRL). Tienen la ventaja de ser simples de realizar. Por otro lado, su principal desventaja es que los meniscos que quedan en la superficie de la resina endurecida (y esta superficie en sí) no pueden ser modificados ni corregidos más adelante. Los meniscos son aproximadamente esféricos y resultan en una aberración esférica.

Mono capillary optics

Imagen 2: Burbujas de aire en una resina epoxi dentro de un capilar forman un lente refractivo (para mayor comprensión, se muestra sólo una mitad)

Lentes-cocodrilo

Las lentes-cocodrilo también son llamadas “lentes multiprismáticas” [Ced 2000, Ced 2002]. Las primeras lentes-cocodrilo fueron hechas mediante dos franjas de un disco de vinilo, recortadas en dirección radial (perpendicular a los surcos) (imagen 3). Las franjas luego son colocadas una frente a otra con un pequeño ángulo respecto al eje óptico (imagen 4). Al atravesar los rayos X los surcos del disco, que actúan como prismas de plástico (según disco 25 µm a 90 µm de profundidad y 180 µm de distancia entre surcos), se forma un foco lineal. Se puede formar un foco puntual, si se colocaran dos lentes-cocodrilo perpendiculares entre sí y alineadas, una luego de la otra. Más adelante también se han hecho estas ópticas a partir de berilio, silicio, resina epoxy y diamante.
La distancia desde el eje óptico a la que pasa un haz a través del número máximo de prismas, se puede modificar al variar el ángulo entre las dos franjas. De esa forma también se modifica la distancia focal. Al calcular el efecto de esta óptica, resulta que la desviación de los rayos se logra sin aberración esférica, tal como en las lentes parabólicas refractivas. Dado que estas lentes son fáciles de producir, pueden ser utilizadas en muchas aplicaciones.

Vinyl record stripes forming X-ray alligator lens

Imagen 3: Dos franjas de un disco de vinilo son utilizadas en la elaboración de una lente-cocodrilo

Alligator lens or Multi Prism lens

Imagen 4: Lente-cocodrilo con foco lineal (en este caso sólo una cara del disco presenta surcos)

Lentes de rayos X enrolladas

Las lentes de rayos X enrolladas están hechas a partir de una lámina de polímero estructurada, que es enrollada formando una espiral [Sim 2009; Kar 2009] (imagen 5).

rolled X-ray prism lens

Imagen 5: Esquema de una lente de rayos X prismática enrollada (falta un cuarto para mayor claridad)

La lámina puede ser estructurada p. ej. recubriendo con una poliamida una plaqueta de silicio, en la cual ya fueron estructurados los perfiles triangulares [Sim 2009]. Esto a su vez puede lograrse marcando litográficamente el silicio a través de una máscara de líneas paralelas fotoresistentes. Luego se aplica un solvente de Si-100, que forma perfiles triangulares paralelos. La lámina terminada tiene un grosor de sólo 1,5 µm de base con perfiles triangulares de 10 µm de lado. La base tiene que ser lo más fina posible, ya que sólo mantiene a los perfiles triangulares unidos y absorbe parte de la luz. los perfiles triangulares deben ser lo más chico que sea técnicamente posible: cuanto más pequeños, mayor es la relación entre superficie refractiva y el volumen de absorció de los prismas. La lente luego es formada con la lámina, al enrollar ésta sobre un eje, p. ej. una fibra de vidrio (ver imagen 6, pasando el ratón por encima). Los rayos incidentes refractan en los “anillos” prismáticos, convergiendo a un foco puntual (imagen 6).

rolled X-ray prism lens with beam

Imagen 6: Lente prismática de rayos X enrollada con la trayectoria de los rayos y esquema del proceso de enrollar la lámina estructurada al pasar por encima con el ratón

[Ced 2000]	B. Cederström, R. Cahn, M. Danielsson, M. Lundqvist and D. Nygren, Focusing hard X-rays with old LP’s, Nature 404, p. 951, 2000
[Ced 2002]	B. Cederström, A Multi-Prism Lens for Hard X-Rays, PhD thesis,Kungl Tekniska Högskolan, Stockholm, ISBN 91-7283-385-8, 2002
[Dud 1998]	Yu. I. Dudchik and N. N. Kolchevsky, A microcapillary lens for X-rays, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., vol. A 421, p. 361, DOI: 10.1016/S0168-9002(98)01269-8, 1998
[Gar 2004]	C. K. Gary, S. A. Pikuz, M. D. Mitchell, K. M. Chandler, T. A. Shelkovenko, D. A. Hammer, Yu. I. Dudchik, X-ray imaging of an X-pinch plasma with a bubble compound refractive lens, Rev. Sci. Instrum., vol. 75, p. 3950, DOI:10.1063/1.1789252, 2004
[Sni 1996]	A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengeler, A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays, Nature, vol. 384, pp. 49-51, DOI: 10.1038/384049a0, 1996
[Tom 1996]	T. Tomie, X-ray lens, Japanese Patent 1994000045288, priority 18.02.1994, 1996
[Sim 2009]	M. Simon, Röntgenrolllinse, Patent DE102009031476A1, 01.07.2009
[Kar 2009]	Approach and device for focusing x-rays, St. Karlsson, United States Patent Application 20090257563, filing date 11.4.2008, published 15.10.2009