ゾーンプレートとは

ゾーンプレートは、回折の原理を使用して、X線などの光または他の電磁波の焦点を合わせるために使用される材料の平らな円形媒体です。 フレネルゾーンプレートと呼ばれることも多く、フレネルレンズに関連しています。どちらも光学の性質を研究した19世紀のフランス人エンジニア、オーギュスタンジャンフレネルにちなんで名付けられました。 ゾーンプレートまたはフレネルレンズを使用した回折格子効果は、写真、顕微鏡検査、ガンマ線ホログラフィ、および潜在的な宇宙ベースのアンテナシステムに用途があります。

ゾーンプレートは回折の原理を使用して、透明または不透明な媒体に衝突する際に入射角を曲げることにより、光または自由中性子やヘリウム原子の音や量子レベルの物質波などのエネルギーの波を曲げます。 これにより、光がゾーンプレートを超えて焦点を結ぶようになると、光波との建設的な干渉が発生し、光波またはエネルギー波の特定の側面の解像度が向上します。 この方法で表面に衝突するすべての電磁放射を処理するために、ゾーンプレートは同心円で構成され、反射または不透明の品質と透明または光の品質が交互になり、雄牛の目の外観になります。

暗いリングと明るいリングが互いにフェードインする特殊なタイプのゾーンプレートは、単一の焦点を作成します。これは、医療画像ホログラフィの分野でガンマ線とともに使用されています。 この考えは、核医学で体内に導入されたトレーサー同位体周辺の領域のイメージングのために研究されています。 放射線源がゾーンプレートを照らすと、プレートは実際の線源よりも小さいサイズで写真フィルムに記録できる影を落とします。 この画像は、ゾーンプレートによって作成された干渉パターンを3次元で正確に反映し、撮影した画像を後で通常の光で照らして画像を再構成し、同位体周辺の構造を詳細に調べることができます。

X線顕微鏡は、ゾーンプレートなどの回折格子デバイスを使用するための主要な研究分野の1つです。 これは、ガラスなどの従来のレンズ素材は、X線を反射するか、波長サイズが小さいために焦点を合わせる代わりにわずかに回折するだけであり、望ましい焦点効果を達成するには、ナノメートルスケールでゾーンプレートを構築する必要があるためです 典型的には、Ｘ線ゾーンプレートは、約４ミリメートルの円形直径および５０から３００ナノメートルの間のゾーン厚さを有する。 このようなゾーンプレートレンズは、X線ビームを10ナノメートル、または100億分の1メートルの解像度に収束できます。 それに比べて、水の典型的な分子、またはH ₂ Oは、直径がおよそ1ナノメートルです。 これにより、生物学的材料、結晶、その他の構造を原子レベルで詳細な光学分解能で研究することが可能になります。

宇宙ベースのアンテナシステムで、厚さ1ミリメートルのタングステンで作られたゾーンプレートを使用して、最大250,000電子ボルト（250 keV）のエネルギーレベルの高エネルギーX線を捕捉することは、1968年から2003年まで研究されています。 10 keVを超える光子を捕捉できない従来のレンズ材料の能力。 1つの実験で2ゾーンプレートがタンデムで使用され、144の同心ゾーンを含む直径2.4センチで、望遠鏡に30センチ離れて配置されました。 彼らは、約30アーク秒の解像度を実証し、X線のシャドウキャスティングプロセスにアラゴスポットはありませんでした。 アラゴスポットまたはポアソンスポットは、フレネル回折パターンの影の中心に現れる典型的なエネルギーポイントであり、エネルギー波長間で建設的な干渉が発生します。 宇宙船用のゾーンプレートリフレクターアンテナは、従来のパラボラアンテナからの技術的進歩であり、コストと重量がはるかに低く、高ゲインの性能特性と最大95％の入射放射線を捕捉する効率を備えています。