DE10011882A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen zur Realisierung von Röntgen-Zoom-Optiken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen mittels Glaskapillaroptiken und dient insbesondere der Realisierung von Röntgen-Zoom-Optiken. Das Verfahren basiert darauf, daß durch die Veränderung der Abstände zweier sich gegenüberliegend angeordneter Halblinsen die Fokusabstände eingestellt werden können. DOLLAR A Die Konstruktion der Vorrichtung ist so gewählt, dass der Abstand zwischen den beiden Halblinsen durch einen feinfühligen Drehmechanismus eingestellt werden kann. Auf diesem Wege lassen sich beispielsweise Fokusabstände von 50 bis 300 mm einstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen mittels Glaskapillaroptiken und dient insbesondere der Realisierung von Röntgen-Zoom-Optiken.

Aufgabe von Röntgenoptiken ist es, die im allgemeinen divergent auseinanderlaufenden Röntgenstrahlen einer Röntgenquelle zu fokussieren, zu parallelisieren oder/und zu monochromatisieren. Wegen der im Vergleich zum sichtbaren Licht sehr viel höheren Photonenenergie können die bekannten Optiken, wie sie vom sichtbaren Licht bis zu VUV bekannt sind, nicht verwendet werden. Bei den erfindungsgemäß verwendeten Optiken wird auf Glaskapillarsysteme zurückgegriffen, bei denen der physikalische Effekt der Totalreflexion von Photonen an glatten Festkörperoberflächen angewendet wird. In der Literatur werden verschiedene Lösungsansätze und Glaskapillaroptiken beschrieben, wie z. B. zylindrische Monokapillaren als Kollimatoren, elliptische und parabolische Monokapillaren zur Erzeugung eines Parallelstrahls oder zur Fokussierung und letztlich die Anwendung und Polykapillarsystemen, mit denen ein Fokus auf einem Fokus abgebildet werden kann oder aus einem Fokus ein Parallelstrahl erzeugt wird oder ein Parallelstrahl auf einen vorgegebenen Punkt fokussiert werden soll.

In den Veröffentlichungen US 5 497 008, WO 89/12817, EP 0555 376 B1, DE 44 08 057 und WO 95/24638 wird der Einsatz von kapillaroptischen Systemen auf den Gebieten der Röntgendiffraktometrie und der Röntgenfluoreszenzanalyse beschrieben. Entsprechende Angaben zu diesen Einsatzfeldern befinden sich auch in den Veröffentlichungen M. A. Kumakhov, F. F. Komarov, Phys. Rep. Vol. 191, 289-350, 1990 sowie R. Wedell, "Röntgenlichtleiter in der Analysetechnik", Phys. Blätter 52, Nr. 11, 1134-1136.

Die Polykapillaroptiken gemäß dem bekannten Stand der Technik weisen dabei eine vorgegebene Geometrie auf, die durch den Abstand der beiden Foki, durch den Photonenenergiebereich und durch die gerätetechnisch vorgegebenen Einsatzbedingungen bestimmt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen der Fokusabstand von Röntgenoptiken variiert werden kann und mit einfachen Mitteln Röntgen-Zoom-Optiken realisiert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 und 4.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, eine stufenlose Variation des Abstandes der Foki zu realisieren, indem das mit Hilfe einer Punktquelle emittierte Röntgenlicht in einem verhältnismäßig großen Raumwinkel erfaßt und zu einem parallelen Strahl gebündelt wird. Dieser Parallelstrahl tritt in eine zweite Polykapillarhalblinse ein, die diesen im gewünschten Abstand auf einen Punkt fokussiert. Zur Verringerung der Strahlungsverluste zwischen den beiden Halblinsen kann eine zylindrische Monokapillare verwendet wird.

Zur weiteren Strahlmanipulierung können in das Gehäuse, in welchem sich die Halblinsen und die Monokapillare befinden, integriert werden:

• - Kristalle für die Monochromatisierung des Strahls
• - Filter als Absorber zur Unterdrückung der langwelligen Strahlungsanteile und der Kβ-Linien
• - Detektoren für das Monitoring des Röntgenstrahls und
• - Shutter für das Abblenden des Strahls als Schutzmaßnahme.

Die Konstruktion der Vorrichtung ist so gewählt, dass der Abstand zwischen den beiden Halblinsen durch einen feinfühligen Drehmechanismus eingestellt werden kann. Auf diesem Wege lassen sich Fokusabstände von 50 bis 300 mm einstellen. Bei konventionellen Lösungen werden in der Regel Lochkollimatoren verwendet, mit denen Strahldurchmesser bis 10 µm realisiert werden können.

An das Strahlenaustrittsende des Gehäuses können weitere Elemente mit folgenden Funktionen angebaut werden:

• - Detektorbaugruppe mit Vorverstärker, die zur Analyse des Primärstrahls eine feste Geometrie aufweist (Neigung bestimmt den Abstand zwischen Ausgang der Optik und Probenoberfläche)
• - zwei optische Punktquellen, z. B. Laser, mit deren Hilfe der exakte Abstand zwischen der Anregungs- und Messanordnung zur Probenoberfläche eingestellt werden kann
• - eine CCD-Kamera mit Optik, die die visuelle Beobachtung der Probenoberfläche gestattet.

Auf diese Weise lässt sich ein kompaktes Mikro-RFA- Gerät aufbauen. Es ist auch denkbar, zur Verbesserung der lateralen Auflösung auf der Probenoberfläche vor den Detektor eine konische Polykapillarlinse zu setzen.

Im Falle des Einsatzes der beschriebenen Röntgenzoomoptik läßt sich ein Intensitätsgewinn mit dem Faktor von 100 und mehr realisieren. Das hat zur Folge, dass je nach Einsatz in verschiedenen Methoden entweder die Messzeit verringert oder mit leistungsärmeren Röntgenquellen gearbeitet werden kann. Diese Art von Röntgenoptiken findet Einsatz in der Röntgenfluoreszenzspektroskopie und Röntgendiffraktometrie.

Die gerätetechnische Realisierung der Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine als justierbarer Kapillarhalter ausgebildete Vorrichtung für zwei Halblinsen 2, 3 und eine zylindrische Kapillare 4, welche in einem mehrteilig ausgebildeten Gehäuse 6 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Verstellbereiche 1a, 1b realisiert, welche hier über einen Drehmechanismus, beispielsweise Feingewinde, eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes der beiden Halblinsen 2 und 3 zueinander und damit des Abstandes ihrer Foki ermöglichen.

Zwischen den Halblinsen 2 und 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zylindrische Monokapillare 4 angeordnet.

Zur weiteren Strahlmanipulierung sind in das Gehäuse 6 die in der Fig. 1 stilisiert dargestellten Bauelemente 5 integrierbar. Dies können sein:

• - Kristalle für die Monochromatisierung des Strahls
• - Filter als Absorber zur Unterdrückung der langwelligen Strahlungsanteile und der Kβ-Linien
• - Detektoren für das Monitoring des Röntgenstrahls und
• - Shutter für das Abblenden des Strahls als Schutzmaßnahme.

An das Strahlenaustrittsende sind weitere Elemente mit folgenden Funktionen anbaubar:

• - Detektorbaugruppe mit Vorverstärker, die zur Analyse des Primärstrahls eine feste Geometrie aufweist (Neigung bestimmt den Abstand zwischen Ausgang der Optik und Probenoberfläche)
• - zwei optische Punktquellen, z. B. Laser, mit deren Hilfe der exakte Abstand zwischen der Anregungs- und Messanordnung zur Probenoberfläche eingestellt werden kann
• - eine CCD-Kamera mit Optik, die die visuelle Beobachtung der Probenoberfläche gestattet.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier be­ schriebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es mög­ lich, durch geeignete Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisie­ ren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Fokussieren von Röntgenstrahlen zur Realisierung einer Röntgen-Zoom-Optik, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Veränderung der Abstände zweier sich gegenüberliegend angeordneter Halblinsen die Fokusabstände eingestellt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Hilfe einer Punktquelle emittierte Röntgenlicht von einer ersten Polykapillarhalblinse in einem verhältnismäßig großen Raumwinkel erfaßt und zu einem parallelen Strahl gebündelt wird und dieser Parallelstrahl in eine zweite Polykapillarhalblinse eintritt, die diesen im gewünschten Abstand auf einen Punkt fokussiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Strahlungsverluste zwischen den beiden Halblinsen eine zylindrische Monokapillare verwendet wird.

4. Vorrichtung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen zur Realisierung einer Röntgen-Zoom-Optik, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (6) mindestens zwei einander gegenüberliegende Halblinsen (2, 3) in ihrem Abstand verstellbar zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halblinsen (2, 3) eine Kapillare (4) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (4) eine zylindrische Monokapillare ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Strahlmanipulierung in dem Gehäuse (6) weitere Bauelemente (5) integriert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (5) Kristalle für die Monochromatisierung des Strahls und/oder Filter als Absorber zur Unterdrückung der langwelligen Strahlungsanteile und der Kβ-Linien und/oder Detektoren für das Monitoring des Röntgenstrahls und/oder Shutter für das Abblenden des Strahls sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das Strahlenaustrittsende des Gehäuses weitere Elemente mit folgenden Funktionen angebaut sind:

• - Detektorbaugruppe mit Vorverstärker, die zur Analyse des Primärstrahls eine feste Geometrie aufweist (Neigung bestimmt den Abstand zwischen Ausgang der Optik und Probenoberfläche)
• - zwei optische Punktquellen, z. B. Laser, mit deren Hilfe der exakte Abstand zwischen der Anregungs- und Messanordnung zur Probenoberfläche eingestellt werden kann
• - eine CCD-Kamera mit Optik, die die visuelle Beobachtung der Probenoberfläche gestattet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) mehrteilig ausgebildet ist und die Veränderung der Abstände der Halblinsen (1a, 1b) durch einen Drehmechanismus erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmechanismus mit Feingewinden zusammenwirkt.