La distancia focal de una lente de rayos X depende de la energía fotónica, del radio de curvatura de las superficies refractoras, del material de la lente y del número de elementos de lente dispuestos en serie. Dado que el índice de refracción del material de la lente de un CRL no puede modificarse, ni tampoco el radio de curvatura de las superficies refractoras de una lente de rayos X acabada, la distancia focal de una lente de rayos X puede conseguirse modificando el número de elementos de la lente en el haz de rayos X. Las lentes de rayos X cuya distancia focal puede ajustarse se conocen como transfocadores o CRL de zoom. En sentido estricto, los transfocadores son ópticas cuya distancia focal puede modificarse por pasos y los objetivos zoom son ópticas cuya distancia focal puede modificarse de forma continua. Las ópticas refractivas de rayos X con una distancia focal casi infinitamente variable son denominadas aquí CRL zoom.
Transfocadores
La mayoría de los transfocadores son sistemas en los que actuadores neumáticos o electromotrices mueven elementos individuales de lentes de berilio o grupos (normalmente formados por 1, 2, 4, 8,... elementos de lentes) de dichos elementos de lentes dentro o fuera del haz de rayos X. Puesto que no tengo derechos sobre las imágenes, aquí hay algunos enlaces a tales dispositivos: Transfokator, 2010; Microfocusing transfocator, 2012; F-Switch, 2016; Compact transfocator, 2019
Las ventajas son que los elementos de lente de berilio incorporados pueden enfriarse bien por su alta conductividad térmica y, por tanto, pueden utilizarse en un haz de rayos X blanco y policromático. La desventaja es que la mayoría de los dispositivos son relativamente grandes, miden más de 1/2 metro, y por lo tanto son más difíciles de integrar en los montajes experimentales. Además, los elementos de lente de berilio sólo se fabricaban con radios de curvatura discretos de 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 500 µm, 1 mm, 1,5 mm..... Esto significa que no se pueden conseguir todas las distancias focales deseadas, ni siquiera combinando hábilmente los elementos de lente.
LIGA-CRLs zoom
Desde 2017, el KIT/IMT ha estado desarrollando CRL zoom (Fig. 1) para radiación monocromática basados en CRL fabricados mediante litografía de rayos X, en los que los elementos de lente se colocan en los extremos de dedos de flexión hechos de silicio. Accionando palancas excéntricas se pueden doblar los aproximadamente 30 dedos de flexión (cada uno para la dirección de enfoque vertical y horizontal) y, de este modo, retirar del haz de rayos X los elementos de lente situados en el respectivo dedo de flexión. Los radios de curvatura de las superficies ópticas de los elementos de lente a lo largo del CRL varían en el rango porcentual, lo que permite un ajuste casi infinitamente variable de la distancia focal mediante una hábil combinación de diferentes elementos de lente. Como la distancia focal puede ajustarse independientemente en sentido vertical y horizontal, también puede realizarse una óptica astigmática.
Por ejemplo (dependiendo del CRL instalado), una distancia focal deseada de 300 mm puede mantenerse constante con una precisión de 25 µm, aunque la energía de los fotones varíe en el rango de 8-18 keV. O una distancia focal larga de 5 m, por ejemplo, puede ajustarse con una precisión de 2 mm para una energía de fotones de 12 keV, en la que sólo unos pocos elementos de la lente se encuentran en el haz.
El CRL zoom tiene una masa de alrededor de un kilogramo y un volumen de construcción de aproximadamente un litro. Se tarda unos 25 segundos en ajustar una distancia focal diferente. Para ello, un motor paso a paso mueve una pinza hasta los dedos de flexión correspondientes y un segundo motor paso a paso mueve un balancín con la pinza para que se mueva la palanca excéntrica respectiva. La distancia focal se mantiene incluso en caso de corte de corriente. La distancia focal deseada y la energía fotónica se introducen en un programa correspondiente, que calcula qué elementos de la lente deben estar en el haz y ajusta esta combinación mediante un microcontrolador en la LIGA-CRL zoom.
Fig. 1: Vista CAD de un LIGA-CRL zoom con elementos de lente 1, dedos de flexión 2, palancas excéntricas 3, varillas de tope 4, motores paso a paso 5 y 6, balancín con correa dentada 7, final de carrera 8, sensor de posición 9 y zócalos de conexión 10 (izquierda); foto de un LIGA-CRL zoom (derecha).
Aquí puede descargarse un vídeo del CRL zoom (5 MB). La figura 2 muestra el sistema completo.
Fig. 2: Vista del CRL zoom con electrónica de control, fuente de alimentación y ordenador portátil con programa de control
Óptica zoom giratoria
La óptica de rayos X zoom con enfoque puntual también podría realizarse con las llamadas lentes aligator. Para ello sería necesario disponer dos pares de sustratos ranurados casi paralelos de tal forma que el ángulo de cuña entre los sustratos vecinos pudiera regularse con gran precisión. Para ello se necesitarían cuatro actuadores giratorios con incrementos angulares de unas 100 µrad y, por tanto, sería mecánicamente complejo.
Fig. 3: Óptica zoom aligator con enfoque lineal. Para un enfoque puntual, habría que disponer otra óptica de este tipo detrás de esta óptica, girada 90° alrededor del eje óptico.
W. Jark ha propuesto una variante mecánicamente más sencilla con una óptica zoom prismática giratoria con enfoque puntual. Una microestructura como la de la figura 4 enfoca el haz de rayos X incidente. Si se gira alrededor del eje de 45° mostrado en gris en la imagen, la distancia focal aumenta a medida que aumenta el ángulo de rotación. Las ventajas de un sistema óptico de este tipo son el ajuste muy rápido de la distancia focal y la sencilla construcción mecánica. La desventaja es la menor calidad de enfoque debido a los radios de redondeo de los bordes del prisma en el haz relacionados con la fabricación.
Fig. 4: Dibujo CAD de una óptica zoom prismática giratoria con foco puntual; la distancia focal se ajusta girándola alrededor del eje marcado
La figura 5 muestra la intensidad medida en el foco (5 µm x 19 µm, mejora de la intensidad espectral SIE = 85) de una óptica zoom prismática giratoria 580 mm por detrás de la óptica. Los dos cuadrados naranjas arriba a la izquierda y abajo a la derecha muestran la intensidad del haz sin óptica.
Fig. 5: Intensidad medida en el foco de un lente zoom prismático giratorio, la longitud del borde de la imagen corresponde a 1 mm aprox.