¿Qué es una placa de zona?
Una placa de zona es un medio plano y circular de material utilizado para enfocar la luz u otras ondas electromagnéticas, como los rayos X, utilizando principios de difracción. A menudo se les conoce como placas de zona de Fresnel y están relacionadas con la lente de Fresnel, que llevan el nombre de un ingeniero francés del siglo XIX, Augustin-Jean Fresnel, que estudió la naturaleza de la óptica. Los efectos de rejilla de difracción con una placa de zona o lente de Fresnel tienen aplicaciones en fotografía, microscopía y holografía de rayos gamma, así como para posibles sistemas de antena basados en el espacio.
Las placas de zona utilizan el principio de difracción para doblar una onda de luz u otra energía, como ondas de materia de sonido o de nivel cuántico de neutrones libres y átomos de helio, doblando su ángulo de incidencia al impactar en medios transparentes y opacos. Esto crea un nivel de interferencia constructiva con las ondas de luz donde se enfocan más allá de la placa de zona, lo que puede aumentar la resolución de ciertos aspectos de la onda de luz o energía. Para procesar toda la radiación electromagnética que impacta en una superficie de esta manera, una placa de zona está compuesta de círculos concéntricos que alternan entre cualidades reflectantes u opacas y cualidades transparentes o luminosas, lo que le da la apariencia de un ojo de buey.
Un tipo especial de placa de zona donde los anillos oscuros y claros se desvanecen entre sí creará un único punto focal, que se ha utilizado con rayos gamma en el campo de la holografía de imágenes médicas. La idea se está investigando para obtener imágenes de regiones alrededor de isótopos trazadores introducidos en el cuerpo en medicina nuclear. A medida que la fuente radiactiva ilumina una placa de zona, la placa proyecta una sombra que puede grabarse en una película fotográfica a un tamaño menor que la fuente real. Esta imagen refleja con precisión el patrón de interferencia creado por la placa de zona en tres dimensiones, y la imagen fotografiada puede luego iluminarse con luz ordinaria para reconstruir la imagen y examinar la estructura alrededor de los isótopos en detalle.
La microscopía de rayos X es uno de los principales ámbitos de investigación para el uso de dispositivos de rejilla de difracción, como las placas de zona. Esto se debe a que los materiales de lentes tradicionales como el vidrio reflejarán rayos X o solo los difragarán débilmente en lugar de enfocarlos, debido a su pequeño tamaño de longitud de onda, y las placas de zona deben construirse en una escala nanométrica para lograr el efecto de enfoque deseado. Típicamente, una placa de zona de rayos X tiene un diámetro circular de aproximadamente 4 milímetros y espesores de zona de entre 50 y 300 nanómetros. Tales lentes de placa de zona pueden enfocar los rayos de rayos X a una resolución tan fina como 10 nanómetros, o 10 billonésimas de metro. En comparación, una molécula típica de agua, o H2O, tiene aproximadamente 1 nanómetro de diámetro. Esto hace posible estudiar materiales biológicos, cristales y otras estructuras a nivel atómico con un fino grado de resolución óptica.
El uso de placas de zona hechas de tungsteno de 1 milímetro de espesor para capturar rayos X de alta energía con niveles de energía de hasta 250,000 voltios de electrones (250 keV) en sistemas de antenas basadas en el espacio se ha investigado desde 1968 hasta 2003. Esto va más allá La capacidad de los materiales de lentes convencionales, que no pueden capturar fotones por encima de 10 keV. Se utilizaron placas de dos zonas en tándem en un experimento, con un diámetro de 2,4 centímetros que contenía 144 zonas concéntricas, colocadas a 30 centímetros de distancia en el telescopio. Demostraron una resolución de alrededor de 30 segundos de arco, sin punto de arago en el proceso de proyección de sombras para los rayos X. Un punto de arago, o punto de Poisson, es un punto de energía típico que aparece en el centro de la sombra de un patrón de difracción de Fresnel donde se produce una interferencia constructiva entre las longitudes de onda de energía. Las antenas reflectoras de placa de zona para naves espaciales se consideran un salto tecnológico hacia delante de la antena parabólica tradicional, ya que tienen un costo y un peso mucho más bajos, con características de rendimiento de alta ganancia y eficiencias para capturar hasta el 95% de la radiación incidente.