Che cos'è una piastra di zona?
Una piastra di zona è un mezzo piatto e circolare di materiale utilizzato per focalizzare la luce o altre onde elettromagnetiche, come i raggi X, usando i principi di diffrazione. Sono spesso indicati come piastre di zona di Fresnel e sono collegati alla lente di Fresnel, che prendono entrambi il nome da un ingegnere francese del XIX secolo, Augustin-Jean Fresnel, che studiò la natura dell'ottica. Gli effetti del reticolo di diffrazione con una piastra di zona o una lente di fresnel hanno applicazioni in fotografia, microscopia e olografia a raggi gamma, nonché per potenziali sistemi di antenne spaziali.
Le piastre di zona usano il principio di diffrazione per piegare un'onda di luce o altra energia, come onde sonore o di materia quantica a livello di neutroni liberi e atomi di elio, piegando il loro angolo di incidenza mentre incidono su mezzi trasparenti e opachi. Questo crea un livello di interferenza costruttiva con le onde luminose in cui vengono messe a fuoco oltre la piastra di zona, il che può aumentare la risoluzione per alcuni aspetti della luce o dell'onda di energia. Per elaborare tutte le radiazioni elettromagnetiche che colpiscono una superficie in questo modo, una piastra di zona è costituita da cerchi concentrici che si alternano tra qualità riflettenti o opache e qualità trasparenti o luminose, che le conferiscono l'aspetto di un occhio di bue.
Un tipo speciale di piastra di zona in cui gli anelli di luce e oscurità si dissolvono l'uno nell'altro creerà un singolo punto focale, che è stato utilizzato con i raggi gamma nel campo dell'olografia per imaging medico. L'idea è in fase di ricerca per l'imaging delle regioni intorno agli isotopi traccianti introdotti nel corpo nella medicina nucleare. Quando la sorgente radioattiva illumina una lastra di zona, la lastra proietta un'ombra che può essere registrata su una pellicola fotografica di dimensioni inferiori rispetto alla sorgente effettiva. Questa immagine riflette esattamente il modello di interferenza creato dalla piastra di zona in tre dimensioni e l'immagine fotografata può essere successivamente illuminata con una luce normale per ricostruire l'immagine ed esaminare in dettaglio la struttura attorno agli isotopi.
La microscopia a raggi X è una delle principali aree di ricerca per l'uso di dispositivi di reticolo a diffrazione come le piastre di zona. Questo perché i materiali delle lenti tradizionali come il vetro rifletteranno i raggi X o li diffonderanno debolmente invece di focalizzarli, a causa della loro piccola lunghezza d'onda, e le piastre di zona devono essere costruite su una scala nanometrica per ottenere l'effetto di messa a fuoco desiderato. Tipicamente una piastra di zona radiografica ha un diametro circolare di circa 4 millimetri e spessori di zona compresi tra 50 e 300 nanometri. Tali lenti a piastra di zona possono focalizzare i raggi X a una risoluzione fino a 10 nanometri o 10 miliardesimi di metro. In confronto, una tipica molecola di acqua, o H 2 O, ha un diametro di circa 1 nanometro. Ciò consente di studiare materiali biologici, cristalli e altre strutture a livello atomico con un buon grado di risoluzione ottica.
Usando piastre di zona in tungsteno di 1 millimetro di spessore per catturare raggi X ad alta energia con livelli di energia fino a 250.000 elettron volt (250 keV) di dimensioni, nei sistemi spaziali basati su antenne è stato studiato dal 1968 al 2003. Questo va oltre la capacità dei materiali per lenti convenzionali, che non possono catturare fotoni superiori a 10 keV. Piastre a due zone sono state usate in tandem in un esperimento, con un diametro di 2,4 centimetri contenente 144 zone concentriche, distanti 30 centimetri nel telescopio. Hanno dimostrato una risoluzione di circa 30 secondi d'arco, senza punti arago nel processo di fusione dell'ombra per i raggi X. Un punto arago, o punto di Poisson, è un tipico punto di energia che appare al centro dell'ombra di un modello di diffrazione di Fresnel in cui si verificano interferenze costruttive tra le lunghezze d'onda dell'energia. Le antenne con riflettore a piastra di zona per veicoli spaziali sono viste come un salto tecnologico in avanti rispetto all'antenna parabolica tradizionale, essendo di costo e peso molto inferiori, con caratteristiche di rendimento ad alto guadagno ed efficienze per catturare fino al 95% della radiazione incidente.