O que é uma placa de zona?
Uma placa de zona é um meio plano e circular de material usado para focalizar a luz ou outras ondas eletromagnéticas, como raios-x, usando princípios de difração. Eles são freqüentemente chamados de placas de zona de Fresnel e estão relacionados às lentes de fresnel, que são nomeadas em homenagem a um engenheiro francês do século 19, Augustin-Jean Fresnel, que estudou a natureza da óptica. Os efeitos da grade de difração com uma placa de zona ou lente fresnel têm aplicações em fotografia, microscopia e holografia de raios gama, bem como em possíveis sistemas de antena baseados em espaço.
As placas de zona usam o princípio da difração para dobrar uma onda de luz ou outra energia, como ondas de matéria quântica de som ou nível quântico de nêutrons livres e átomos de hélio, dobrando seu ângulo de incidência à medida que impactam em meios transparentes e opacos. Isso cria um nível de interferência construtiva nas ondas de luz, onde elas se concentram além da placa de zona, o que pode aumentar a resolução de certos aspectos da onda de luz ou energia. Para processar toda a radiação eletromagnética que afeta uma superfície dessa maneira, uma placa de zona é composta de círculos concêntricos que alternam entre qualidades refletivas ou opacas e qualidades transparentes ou claras, o que dá a aparência de um olho de boi.
Um tipo especial de placa de zona, onde os anéis escuro e claro se desvanecem, criará um único ponto focal, que foi usado com raios gama no campo da holografia de imagens médicas. A idéia está sendo pesquisada para a imagem de regiões ao redor de isótopos rastreadores introduzidos no corpo na medicina nuclear. À medida que a fonte radioativa ilumina uma placa de zona, ela lança uma sombra que pode ser gravada no filme fotográfico em um tamanho menor que a fonte real. Essa imagem reflete com precisão o padrão de interferência criado pela placa de zona em três dimensões, e a imagem fotografada pode ser posteriormente iluminada com luz comum para reconstruir a imagem e examinar detalhadamente a estrutura ao redor dos isótopos.
A microscopia de raios-X é uma das principais áreas de pesquisa para o uso de dispositivos de grade de difração, como placas de zona. Isso ocorre porque os materiais tradicionais das lentes, como o vidro, refletem raios-x ou os difratam fracamente em vez de focalizá-los, devido ao tamanho pequeno do comprimento de onda, e as placas de zona devem ser construídas em escala nanométrica para alcançar o efeito de foco desejado. Tipicamente, uma placa de zona de raio-x tem um diâmetro circular de cerca de 4 milímetros e espessuras de zona entre 50 e 300 nanômetros. Essas lentes de placas de zona podem focar feixes de raios-X em uma resolução tão fina quanto 10 nanômetros, ou 10 bilionésimos de metro. Em comparação, uma molécula típica de água, ou H2O, tem aproximadamente 1 nanômetro de diâmetro. Isso possibilita o estudo de materiais biológicos, cristais e outras estruturas no nível atômico com um alto grau de resolução óptica.
Utilizando placas de zona feitas de tungstênio de 1 milímetro de espessura para capturar raios-X de alta energia com níveis de energia de até 250.000 elétron-volts (250 keV) em tamanho, em sistemas de antenas espaciais foi pesquisado de 1968 a 2003. Isso vai além a capacidade de materiais de lentes convencionais, que não podem capturar fótons acima de 10 keV. Placas de duas zonas foram usadas em conjunto em um experimento, com um diâmetro de 2,4 centímetros contendo 144 zonas concêntricas, colocadas a 30 centímetros de distância no telescópio. Eles demonstraram uma resolução de cerca de 30 segundos de arco, sem ponto de arago no processo de projeção das sombras para os raios-x. Um ponto de arago, ou ponto de Poisson, é um ponto de energia típico que aparece no centro das sombras de um padrão de difração de Fresnel, onde ocorre interferência construtiva entre os comprimentos de onda da energia. As antenas refletoras de placas de zona para naves espaciais são vistas como um salto tecnológico em relação às antenas parabólicas tradicionais, com custo e peso muito mais baixos, com características de desempenho de alto ganho e eficiências para capturar até 95% da radiação incidente.