Was ist eine Zonenplatte?
Eine Zonenplatte ist ein flaches, kreisförmiges Material, das zum Fokussieren von Licht oder anderen elektromagnetischen Wellen wie Röntgenstrahlen unter Verwendung von Beugungsprinzipien verwendet wird. Sie werden oft als Fresnel-Zonenplatten bezeichnet und beziehen sich auf die Fresnel-Linse, die beide nach einem französischen Ingenieur aus dem 19. Jahrhundert, Augustin-Jean Fresnel, benannt sind, der die Natur der Optik studierte. Beugungsgittereffekte mit einer Zonenplatte oder einer Fresnellinse finden Anwendung in der Fotografie, Mikroskopie und Gammastrahlenholographie sowie für potenzielle weltraumbasierte Antennensysteme.
Zonenplatten nutzen das Prinzip der Beugung, um eine Welle aus Licht oder anderer Energie wie Schall oder Materiewellen auf Quantenebene von freien Neutronen und Heliumatomen zu biegen, indem sie ihren Einfallswinkel beim Auftreffen auf transparente und opake Medien biegen. Dies erzeugt ein Maß an konstruktiver Interferenz mit den Lichtwellen, wo sie jenseits der Zonenplatte fokussiert werden, was die Auflösung für bestimmte Aspekte der Licht- oder Energiewelle erhöhen kann. Um die gesamte elektromagnetische Strahlung, die auf diese Weise auf eine Oberfläche auftrifft, zu verarbeiten, besteht eine Zonenplatte aus konzentrischen Kreisen, die sich zwischen reflektierenden oder undurchsichtigen Eigenschaften und transparenten oder hellen Eigenschaften abwechseln, was ihr das Aussehen eines Volltreffers verleiht.
Eine spezielle Art von Zonenplatte, bei der die dunklen und hellen Ringe ineinander übergehen, erzeugt einen einzigen Brennpunkt, der für Gammastrahlen im Bereich der medizinischen Holographie verwendet wurde. Die Idee wird für die Abbildung von Regionen um Tracer-Isotope erforscht, die in der Nuklearmedizin in den Körper eingeführt werden. Wenn die radioaktive Quelle eine Zonenplatte beleuchtet, wirft die Platte einen Schatten, der auf einem fotografischen Film mit einer kleineren Größe als die tatsächliche Quelle aufgezeichnet werden kann. Dieses Bild reflektiert genau das von der Zonenplatte erzeugte Interferenzmuster in drei Dimensionen, und das fotografierte Bild kann später mit gewöhnlichem Licht beleuchtet werden, um das Bild zu rekonstruieren und die Struktur um die Isotope im Detail zu untersuchen.
Die Röntgenmikroskopie ist eine der Hauptforschungsarenen für den Einsatz von Beugungsgittergeräten wie Zonenplatten. Dies liegt daran, dass herkömmliche Linsenmaterialien wie Glas Röntgenstrahlen reflektieren oder sie aufgrund ihrer geringen Wellenlängengröße nur schwach beugen, anstatt sie zu fokussieren, und Zonenplatten im Nanometerbereich konstruiert werden müssen, um den gewünschten Fokussiereffekt zu erzielen. Typischerweise hat eine Röntgenzonenplatte einen kreisförmigen Durchmesser von ungefähr 4 Millimetern und eine Zonendicke zwischen 50 und 300 Nanometern. Solche Zonenplattenlinsen können Röntgenstrahlen bis zu einer Auflösung von 10 Nanometern oder 10 Milliardstel Metern fokussieren. Zum Vergleich: Ein typisches Wassermolekül oder H 2 O hat einen Durchmesser von etwa 1 Nanometer. Dies ermöglicht es, biologische Materialien, Kristalle und andere Strukturen auf atomarer Ebene mit einer feinen optischen Auflösung zu untersuchen.
Die Verwendung von Zonenplatten aus 1 Millimeter dickem Wolfram zur Erfassung energiereicher Röntgenstrahlen mit Energieniveaus von bis zu 250.000 Elektronenvolt (250 keV) in weltraumgestützten Antennensystemen wurde von 1968 bis 2003 untersucht. Dies geht über das hinaus die Fähigkeit herkömmlicher Linsenmaterialien, Photonen über 10 keV nicht einzufangen. Zwei-Zonen-Platten wurden in einem Experiment hintereinander verwendet, wobei ein Durchmesser von 2,4 cm 144 konzentrische Zonen enthielt, die im Abstand von 30 cm im Teleskop angeordnet waren. Sie zeigten eine Auflösung von ungefähr 30 Bogensekunden, ohne einen Arago-Punkt im Schattenwurfprozess für die Röntgenstrahlen. Ein Arago-Punkt oder Poisson-Punkt ist ein typischer Energiepunkt, der im Schattenzentrum eines Fresnel-Beugungsmusters auftritt, bei dem konstruktive Interferenzen zwischen Energiewellenlängen auftreten. Zonenplattenreflektorantennen für Raumfahrzeuge werden als technologischer Fortschritt gegenüber herkömmlichen Parabolantennen angesehen, da sie viel kostengünstiger und leichter sind und Leistungsmerkmale mit hohem Gewinn sowie Wirkungsgrade für die Erfassung von bis zu 95% der einfallenden Strahlung aufweisen.