L'optique capillaire est généralement constituée de capillaires en verre. La lumière des rayons X est réfléchie une fois dans les capillaires ou - dans le cas des polycapillaires - plusieurs fois. Le tableau 1 donne un aperçu des paramètres typiques de l'optique capillaire.

 

Paramètre Symbole
Valeurs typiques Commentaire
    monocapillaires polycapillaires  
Diamètre du faisceau

du or
dx,u
, dy,u

0.01-20 mm 0.1-20 mm  
Diamètre de la tache focale dcapillaire 0.25-1000 µm 6-1000 µm  
Diamètre de la surface d'entrée D1 0.01-20 mm 0.1-20 mm  
Diamètre de la surface de départ D2 0.01-0.2 mm 0.1-20 mm  
Augmentation de l'intensité radiante KΘ 5-50 10-100 KΘ=τ(ΔΘE/ΔΘA)2
Longueur du capillaire Lcapillaire 10-1000 mm 10-1000 mm  
Distance de travail côté entrée rcap,1 ∞-0.1 mm ∞-3 mm  
Distance de travail côté sortie rcap,2 0.1-∞ mm 3-∞ mm  
Acceptation de l'angle côté entrée ΔΘE 0.01-0.25 rad 0.01-0.25 rad ΔΘE=2 arctan(D1/(2r1))
Acceptation de l'angle côté sortie ΔΘA 0.01-0.25 rad 0.01-0.25 rad ΔΘA=2 arctan(D2/(2r2))
Divergence du faisceau quasi-parallèle (pour les semi-polycapillaires) ΔΘA 0.0005-0.001 rad 0.001-0.005 rad  
Augmentation de l'intensité K 5-1000 500-20000  
Transmission spectrale τ(λ) 0.1-0.9 0.05-0.6  

Tableau 1 : Paramètres typiques des optiques capillaires [VDI 2009b]

 

Optiques polycapillaires

En optiques polycapillaires (aussi appelées lentilles de Kumakhov), les rayons X sont guidés par réflexion totale dans un fibré de capillaires étroits de verre courbés (Fig. 1) [Kum 1992]. Les capillaires du fibré sont incurvés de sorte qu'un côté de chaque capillaire pointe vers la source lumineuse et l'autre côté des points capillaires vers le point focal. Les polycapillaires ne projettent pas la source lumineuse sur le foyer dans le sens d'une image optique : la lumière quitte les capillaires avec le même angle de divergence qu'à l'entrée du capillaire. La lumière diverge de l'extrémité de chaque capillaire à cet angle de divergence (généralement égal à l'angle limite de réflexion totale). Le foyer n'est donc obtenu qu'en alignant les capillaires avec le foyer. Le foyer ne s'agrandit pas si le diamètre de la source est agrandi. Les polycapillaires sont des optiques d'éclairage et ne conviennent pas à l'imagerie optique.

Concentrating X-rays using a capillary optics Concentrating X-rays using a capillary optics

Fig. 1 : Conduction de la lumière dans une optique polycapillaire ; photo d'un polycapillaire

 

Monocapillaires

Dans un monocapillaire, les rayons X d'un seul capillaire en verre sont réfléchis par réflexion totale de la source lumineuse dans le foyer. L'intérieur du monocapillaire a la forme d'un ellipsoïde rotatif ou d'un paraboloïde rotatif. La source lumineuse est située dans l'un des deux points focaux de l'ellipsoïde ou dans le point focal du paraboloïde. La lumière est imagée dans le deuxième point focal de l'ellipsoïde ou collimatée dans le cas des paraboloïdes. Inversement, un faisceau lumineux incident parallèle à l'axe optique peut également être focalisé. Dans tous les cas, chaque faisceau est réfléchi exactement une fois à l'intérieur de l'optique monocapillaire. Par conséquent, cette optique ne répond pas au critère d'Abbé, ce qui signifie qu'elle n'est pas bien adaptée pour focaliser une source lumineuse étendue. Depuis quelques années, il existe aussi des monocapillaires, dont l'intérieur est formé comme une optique Wolter. Ces optiques sont adaptées à l'imagerie.

X-ray mono capillary

Fig. 2 : Monocapillaire ; les rayons perdus sont marqués en rouge lorsque la souris survole l'image.

 

Capillaires coniques

Les optiques capillaires coniques se composent d'un capillaire intérieur légèrement conique avec des parois internes très lisses.  L'angle d'ouverture maximal admissible du cône dépend de l'angle limite de réflexion totale du matériau de paroi utilisé pour l'énergie photonique utilisée. La lumière incidente est réfléchie une ou plusieurs fois par réflexion totale externe sur les parois internes du capillaire. Ces capillaires sont généralement en verre, mais d'autres matériaux sont également possibles. Le système optique ne produit pas un foyer de point prononcé, mais plutôt une ligne d'intensité accrue sur l'axe optique à l'extrémité du capillaire (Fig. 3, dans laquelle la conicité est extrêmement exagérée). Ces capillaires sont simples, mais ont de très petites distances de travail et aucune propriété d'imagerie.

tapered capillary optics with simulated intensity distribution

Fig. 3 : Capillaire conique avec distribution d'intensité simulée

 

[Kum 1992] M. A. Kumakhov and  V. A. Sharov, A neutron lens, Nature vol. 357, pp. 390-391, DOI: 10.1038/357390a0, 1992
[VDI 2009b] VDI/VDE 5575 Blatt 3: 2009-02 Röntgenkapillaren (X-ray optical systems; Capillary X-ray optics), Berlin, Beuth Verlag, 2009

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