La distance focale d'une lentille à rayons X dépend de l'énergie des photons, du rayon de courbure des surfaces réfringentes, du matériau de la lentille et du nombre d'éléments de lentille disposés en série. Étant donné que l'indice de réfraction du matériau de la lentille d'une CRL ne peut pas être modifié et que le rayon de courbure des surfaces de réfraction d'une lentille à rayons X finie ne peut pas non plus être modifié, il est possible de faire varier la distance focale d'une lentille à rayons X en modifiant le nombre d'éléments de la lentille dans le faisceau de rayons X. Les lentilles à rayons X dont la distance focale peut être réglée sont appelées transfocateurs ou CRL zoom. Plus précisément, les transfocateurs sont des optiques dont la distance focale peut être modifiée par étapes, tandis que les lentilles zoom sont celles dont la distance focale peut être modifiée en continu. Les optiques réfractives à rayons X, dont la distance focale est variable presque en continu, sont ici appelées des CRL zoom.
Transfocateurs
La plupart des transfocateurs sont des systèmes dans lesquels des actionneurs pneumatiques ou électriques déplacent des éléments individuels de lentilles en béryllium ou des groupes (généralement composés de 1, 2, 4, 8, etc.) d'éléments de lentilles dans le faisceau de rayons X ou hors de celui-ci. Comme je n'ai pas les droits sur les images, voici quelques liens vers de tels appareils. Transfokator, 2010; Microfocusing transfocator, 2012; F-Switch, 2016; Compact transfocator, 2019
Les avantages sont que les éléments de lentilles en béryllium utilisés peuvent être bien refroidis en raison de leur conductivité thermique élevée, ce qui permet de les utiliser dans un faisceau de rayons X blanc et polychromatique. L'inconvénient est que la plupart des appareils sont relativement grands, avec des dimensions supérieures à 1/2 m, et donc plus difficiles à intégrer dans des dispositifs expérimentaux. De plus, les éléments de lentilles en béryllium n'ont été fabriqués qu'avec des rayons de courbure discrets de 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 500 µm, 1 mm, 1,5 mm... De ce fait, même en combinant habilement les éléments de lentilles, il n'est pas possible d'obtenir toutes les distances focales souhaitées.
LIGA-CRLs zoom
Sur la base de CRL fabriquées par lithographie en profondeur des rayons X, le KIT/IMT a développé depuis 2017 des CRL zoom (voir la figure 1) pour le rayonnement monochromatique. Dans ces dernières, les éléments de la lentille sont situés sur les extrémités des doigts de flexion en silicium. Il est possible de courber les quelque 30 doigts de flexion (pour les directions de focalisation verticale et horizontale) en déplaçant des leviers excentriques, et ainsi de retirer les éléments de lentille du faisceau de rayons X sur le doigt de flexion correspondant. Les rayons de courbure des surfaces optiques des éléments de lentille le long de la CRL varient de l'ordre du pourcentage, ce qui permet un réglage presque continu de la distance focale par une combinaison judicieuse de différents éléments de lentille. Comme la distance focale peut être réglée indépendamment dans le sens vertical et dans le sens horizontal, il est également possible de réaliser des optiques astigmatiques ciblées.
Par exemple, une distance focale souhaitée de 300 mm peut être maintenue constante à 25 µm près (selon la CRL utilisée), même si l'énergie des photons varie dans la plage de 8 à 18 keV. Ou encore, une longue distance focale de 5 m peut être réglée à 2 mm près pour une énergie photonique de 12 keV, pour laquelle seuls quelques éléments de la lentille se trouvent dans le faisceau.
Le CRL zoom a une masse d'un peu plus d'un kilogramme et un volume de construction d'environ un litre. Le réglage d'une autre distance focale prend environ 25 secondes. Pour ce faire, un moteur pas à pas déplace une griffe vers les doigts de flexion correspondants et un deuxième moteur pas à pas déplace un bras oscillant avec la griffe de manière à ce que le levier excentrique correspondant soit rabattu. La distance focale est maintenue même en cas de panne de courant. La distance focale souhaitée et l'énergie des photons sont entrées dans un programme associé qui calcule quels éléments de la lentille doivent se trouver dans le faisceau et règle cette combinaison via un microcontrôleur sur la LIGA-CRL zoom.
Fig. 1: Vue CAO d'une LIGA-CRL zoom avec éléments de lentille 1, doigts de flexion 2, leviers excentriques 3, tiges de butée 4, moteurs pas à pas 5 et 6, bras oscillant avec courroie crantée 7, interrupteur de fin de course 8, capteur de position 9 et douilles de raccordement 10 (à gauche) ; photo d'une LIGA-CRL zoom (à droite)
Voici une vidéo à télécharger sur la CRL zoom (5 MB). La figure 2 montre le système dans son ensemble.
Fig. 2: Vue de la CRL zoom avec électronique de commande, bloc d'alimentation et ordinateur portable avec programme de commande
Optiques à zoom rotatif
Les lentilles dites alligator permettraient également de réaliser des optiques à rayons X zoom avec focalisation ponctuelle. Pour cela, il faudrait disposer de deux paires de substrats rainurés presque parallèles de telle sorte que l'angle de coin entre les substrats voisins pouvant être réglé très précisément. Cela nécessiterait quatre actionneurs rotatifs avec des incréments angulaires d'environ 100 µrad, ce qui serait coûteux sur le plan mécanique.
Fig. 3: Optique zoom alligator avec mise au point de ligne. Pour une mise au point ponctuelle, une autre optique de ce type devrait être placée derrière cette optique, tournée de 90° autour de l'axe optique.
W. Jark a proposé une variante mécaniquement plus simple avec une optique à prisme à zoom rotatif avec focalisation ponctuelle. Une microstructure comme celle de la figure 4 focalise le faisceau de rayons X incident. Si on la fait tourner autour de l'axe indiqué en gris sur l'image, qui est à 45°, la distance focale s'allonge avec l'augmentation de l'angle de rotation. Les avantages d'une telle optique sont la possibilité de régler très rapidement la distance focale et la simplicité de la construction mécanique. Le désavantage est la qualité réduite de la mise au point en raison des rayons d'arrondi des arêtes des prismes se trouvant dans le faisceau, dus à la fabrication.
Fig. 4: Dessin CAO d'une optique à prisme à zoom rotatif avec focalisation ponctuelle ; la distance focale est réglée par rotation autour de l'axe dessiné
La figure 5 montre l'intensité mesurée à la focale (5 µm x 19 µm, augmentation d'intensité spectrale SIE = 85) d'une optique à prisme à zoom rotatif à 580 mm derrière l'optique. Les deux carrés orange en haut à gauche et en bas à droite indiquent l'intensité du faisceau sans l'optique.
Fig. 5: Intensité mesurée à la focale d'une optique à prisme à zoom rotatif, la longueur du bord de l'image correspond à environ 1 mm