Wat is een zoneplaat?

Een zoneplaat is een plat, cirkelvormig medium dat wordt gebruikt voor het focusseren van licht of andere elektromagnetische golven, zoals röntgenstralen, met behulp van diffractieprincipes. Ze worden vaak aangeduid als Fresnel-zoneplaten en zijn gerelateerd aan de fresnellens, beide vernoemd naar een Franse ingenieur uit de 19e eeuw, Augustin-Jean Fresnel, die de aard van optica bestudeerde. Diffractieroostereffecten met een zoneplaat of fresnellens hebben toepassingen in fotografie, microscopie en gammastralingsholografie, evenals voor potentiële ruimtegebaseerde antennesystemen.

Zoneplaten gebruiken het diffractieprincipe om een ​​lichtgolf of andere energie, zoals geluids- of kwantumniveau materiegolven van vrije neutronen en heliumatomen, te buigen door hun invalshoek te buigen wanneer deze op transparante en ondoorzichtige media botsen. Dit creëert een niveau van constructieve interferentie met de lichtgolven waar ze voorbij de zoneplaat komen te focussen, wat de resolutie voor bepaalde aspecten van de licht- of energiegolf kan verhogen. Om op deze manier alle elektromagnetische straling op een oppervlak te verwerken, bestaat een zoneplaat uit concentrische cirkels die afwisselen tussen reflecterende of ondoorzichtige eigenschappen en transparante of lichtkwaliteiten, waardoor het lijkt op een schot in de roos.

Een speciaal type zoneplaat waar de donkere en lichte ringen in elkaar vervagen, creëert een enkel brandpunt, dat is gebruikt met gammastralen op het gebied van medische beeldvormingholografie. Het idee wordt onderzocht voor de beeldvorming van regio's rond tracer-isotopen die in het lichaam in de nucleaire geneeskunde worden geïntroduceerd. Terwijl de radioactieve bron een zoneplaat verlicht, werpt de plaat een schaduw die kan worden opgenomen op fotografische film met een kleinere grootte dan de werkelijke bron. Dit beeld weerspiegelt precies het interferentiepatroon gecreëerd door de zoneplaat in drie dimensies, en het gefotografeerde beeld kan later worden belicht met gewoon licht om het beeld te reconstrueren en de structuur rond de isotopen in detail te onderzoeken.

Röntgenmicroscopie is een van de belangrijkste onderzoekscentra voor het gebruik van diffractieroosterinrichtingen zoals zoneplaten. Dit komt omdat traditionele lensmaterialen zoals glas röntgenstralen zullen reflecteren of ze slechts zwak buigen in plaats van ze te focussen, vanwege hun kleine golflengte, en zoneplaten moeten op nanometerschaal worden geconstrueerd om het gewenste focusseereffect te bereiken. Typisch heeft een röntgenzoneplaat een cirkelvormige diameter van ongeveer 4 millimeter en zonediktes tussen 50 tot 300 nanometer. Dergelijke zoneplaatlenzen kunnen röntgenstralen scherpstellen tot een resolutie van 10 nanometer of 10 miljardste meter. Ter vergelijking: een typische watermolecule of H20 heeft een diameter van ongeveer 1 nanometer. Dit maakt het mogelijk om biologische materialen, kristallen en andere structuren op atomair niveau te bestuderen met een fijne optische resolutie.

Het gebruik van zoneplaten gemaakt van 1 millimeter dik wolfraam om röntgenstralen met een hoge energie vast te leggen met energieniveaus tot 250.000 elektronenvolt (250 keV) groot, in ruimtegebaseerde antennesystemen is onderzocht van 1968 tot 2003. Dit gaat verder het vermogen van conventionele lensmaterialen, die geen fotonen boven 10 keV kunnen vastleggen. Twee-zone platen werden achter elkaar gebruikt in één experiment, met een diameter van 2,4 centimeter met 144 concentrische zones, 30 centimeter uit elkaar geplaatst in de telescoop. Ze toonden een resolutie van ongeveer 30 boogseconden, zonder aragovlek in het schaduwgietproces voor de röntgenstralen. Een aragovlek, of Poisson-vlek, is een typisch energiepunt dat verschijnt in het schaduwcentrum van een Fresnel-diffractiepatroon waar constructieve interferentie optreedt tussen energiegolflengten. Zoneplaatreflectorantennes voor ruimtevaartuigen worden gezien als een technologische sprong voorwaarts ten opzichte van traditionele parabolische antennes, met veel lagere kosten en gewicht, met high-gain prestatiekenmerken en efficiëntie voor het opvangen van maximaal 95% van de invallende straling.