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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fokussierung von Röntgenstrahlen,
insbesondere ultrakurzer Röntgenimpulsen,
mit isotroper Strahlenverteilung, die von einer punktförmigen Strahlenquelle ausgesendet
und zum Zweck ihrer Bündelung
an einer gekrümmten
Wirkungsfläche
in eine Fokusebene reflektiert werden.
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Die
Erfindung ist insbesondere überall
dort einsetzbar, wo nahezu isotrope monochromatische Röntgenstrahlen
einer weitestgehend Punktstrahlenquelle zur Realisierung einer hochintensiven
Röntgenstrahlungsquelle,
beispielsweise für
wissenschaftlich-technische Untersuchungen und Bearbeitungsprozesse,
hochintensiv fokussiert werden sollen.
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Die
Wellenlänge
der Röntgenstrahlung
ist nahezu monochromatisch, kann aber beliebig gewählt werden.
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Es
ist allgemein bekannt, dass von einer Punktstrahlenquelle ausgesendete
Strahlen an Wirkungsflächen
abzulenken und mit dieser Reflexion auf eine Fokusebene zu leiten
sind. Eine gute Strahlenfokussierung erfordert dabei, dass möglichst
viele Strahlen der Quelle erfasst werden, dass die Strahlen nahezu
punktförmig
in einer Ebene gebündelt
werden, dass möglichst
geringe Strahlenwege von der Quelle zur Fokusebene vorliegen, dass
die Wegdifferenzen der einzelnen Strahlen untereinander möglichst
klein sind und dass der Intensitätsverlust
möglichst
gering ist.
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Darüber hinaus
kann in der Röntgenoptik eine
brauchbare Strahlablenkung lediglich unter einem bestimmten Einfallswinkel
erfolgen.
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Es
ist ebenfalls bekannt, (z. B. Berreman, D. W.: „Curved-crystal x-ray monochromator
efficiency", Physical
Review B, Volume 19, Number 2, 1979) als Wirkungsflächen, an
denen die ausgesendeten Röntgenstrahlen
reflektiert werden sollen, gekrümmte Flächen zu
untersuchen und miteinander zu kombinieren. Da sphärische Flächen die
Einfallswinkelkonstanz für
einen Braggwinkel von 90° exakt
oder für andere
Braggwinkel nahezu erfüllen,
wurden für
diese eine hohe Strahlenausbeute ermittelt und die Kugel an sich
als Idealfall dargestellt. Abweichungen davon sowie Kombinationen
mit anderen Flächen wurden
aus Gründen
großer
Strahlenwegdifferenzen und Problemen der technischen Realisierung
lediglich in ihrem theoretischen Wert untersucht.
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Der
Vorteil der Einfallswinkelkonstanz der Kugel wird auch in
US 6,233,096 B1 genutzt.
Dem Nachteil der schlechten Strahlenbündelung wird begegnet, indem
Kugelflächenbereiche
so gedreht werden, dass eine Punktvereinigung erfolgt. Das Problem
großer
Wegdifferenzen bleibt allerdings nach wie vor bestehen.
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Bekannt
sind auch koaxial angeordnete Zylinder, an deren Innenflächen die
Strahlen reflektiert werden (Antonov, A. A.; Baryshev, V. B.; Grigorieva, I.
G.; Kulipanov, G. N.; Schipkov, N. N.: "Focusing shaped pyrogaphite monochromators
in synchrotron radiation experiments", Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research A308, 1991, North-Holland). Mehrflächengebilde führen jedoch
zu großen Strahlenwegdifferenzen.
Darüber
hinaus sind zwar zylindrische Flächen
technisch relativ gut herstellbar, erfüllen jedoch die eingangs genannten
Bedingungen für
eine gute Strahlenfokussierung nur sehr schlecht.
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Beckoff
verwendet in seiner Dissertation einen sogenannten geschlossenen
Toroid (Beckoff B.: „Röntgenfocussierung
mit stark gekrümmten
HOPG Kristallen in der energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse", Dissertationsschrift,
Universität
Bremen, April 1995). Die Reflexionsfläche entsteht, indem ein Kreisbogen
um eine Achse rotiert, wobei die Rotationsachse nicht den Kreisbogenmittelpunkt
enthält.
Damit wird die Konstanz des Einfallswinkels erfüllt. Allerdings resultieren,
wie die vorgestellten Untersuchungsergebnisse zeigen, auch hier
schlechte Fokussiereigenschaften und große Strahlenwegdifferenzen.
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Die
Publikationen bekunden das Interesse von Wissenschaft und Technik,
Röntgenstrahlen
intensiv zu hochenergetischen Strahlenquellen zu bündeln, zeigen
aber auch, dass diese Bemühungen selbst
unter relativ hohen Aufwendungen aus den besagten Gründen noch
nicht zum erwünschten
Erfolg geführt
haben.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, punktförmig ausgesendete
und divergierende Röntgenstrahlen
isotroper Strahlenverteilung mit sehr hoher Strahlbündelung
und in möglichst
einfacher Weise auf einen Punkt zu fokussieren.
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Erfindungsgemäß werden
die punktförmig ausgesendeten
Röntgenstrahlen
mit isotroper Strahlenverteilung an einer im Wesentlichen ellipsoidförmigen Wirkungsfläche in die
Fokusebene reflektiert, wobei die ellipsoidförmige Wirkungsfläche zumindest in
dem für
den Braggwinkel relevanten Flächenbereich
eine Kristalloberfläche
aufweist. In einem der beiden Brennpunkte des Ellipsoids ist der
Strahlensender für
die punktförmig
ausgesendeten Röntgenstrahlen
angeordnet, im anderen Brennpunkt befindet sich die Fokusebene mit
dem punktförmigen Strahlenempfänger. Die
Parameter des Ellipsoids werden zum einen durch röntgenspektroskopische Parameter,
wie insbesondere Wellenlänge
der Strahlung und Netzebenenabstand der strahlenumleitenden Kristalloberfläche, und
zum anderen durch zeitliche und geometrische Kenngrößen, wie
Strahlungsdauer und Strahlenweglänge
zwischen Sender und Empfänger,
bestimmt. Durch diese Eigenschaften werden Strahlwegdifferenzen
zwischen der punktförmigen
Strahlenquelle, der gekrümmten
Wirkungsfläche
und dem Strahlenfokus vermieden und ultrakurze Röntgenimpulse (< 10–13 s)
können
ohne zeitliche Verschmierung des Röntgenimpulses im zweiten Brennpunkt
des Ellipsoids fokussiert werden.
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Die
ellipsoidförmige
Wirkungsfläche
zur Reflexion der Röntgenstrahlen
weist in dem besagten für
den Braggwinkel relevanten Flächenbereich
eine Kristalloberfläche
auf. Diese kann sowohl in Form einer Kristall-Oberflächenbeschichtung
als auch durch eine Kristallfolie, welche die sogenannte Braggsche Reflexion
unterstützt,
auf die Wirkungsfläche
aufgebracht werden. Als geeignet haben sich Kristalle mit einer
breiten Reflexionskurve, beispielsweise hoch orientierte pyrolytische
Graphite, gezeigt.
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Vorteilhaft
wird der vorgenannte relevante Flächenbereich durch einen geschlossenen
rotationssymmetrischen Körper
als Träger
realisiert, dessen Inneres als Ellipsoid (Fläche um die größere Achse,
welche mit der Rotationsachse des Ellipsoids identisch ist) mit
kristalliner Oberflächenbeschaffenheit
ausgebildet ist. Ein derartiger rotationssymmetrischer Körper ist
relativ aufwandgering herstellbar.
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Es
hat sich gezeigt, dass durch die Strahlenreflexion an der ellipsoidförmigen Wirkungsfläche divergierende
Röntgenstrahlen
mit höherer
Strahlbündelung
und damit intensiver als bisher auf einen Punkt konzentriert werden
können.
Damit eröffnen sich
neue Möglichkeiten
für röntgenologische
Untersuchungen, Anwendungen in der Medizin und Technik.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Die
Zeichnung stellt die Zuordnung von Strahlenquelle, Strahlenfokussiereinrichtung
und Strahlenempfänger
dar.
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Den
Strahlensender 1 bilden eine Lochblende 2, ein
auf dieselbe auftreffendes primäres
Röntgenstrahlbündel 3 sowie
eine hinter der Lochblende 2 angeordnete fluoreszierende
Monochromatorfolie 4. Als Blendendurchmesser der Lochblende 2 wurde eine
Größe von 0,15
mm gewählt.
Die Monochromatorfolie 4 besteht aus Titan, wodurch Kα-Strahlung bereitgestellt
wird, und ist in einem Brennpunkt F1 eines für punktförmig ausgesendete monochromatische
Röntgenstrahlen 5 des
Strahlensenders 1 als strahlreflektierende Wirkungsfläche wirkenden
Ellipsoids 6 angeordnet. Im Brennpunkt F2 des Ellipsoids 6 befindet
sich ein Strahlenempfänger 7,
der (aus Übersichtsgründen nicht
explizit dargestellt) beispielsweise ein Röntgenfilm, eine gekühlte Siliziumdiode
oder ein sonstiger röntgenempfindlicher
Detektor sein kann. Der Ort des Strahlenempfängers 7 (Brennpunkt
F2) kann aber auch zur Realisierung einer ebenfalls nicht dargestellten
Strahlenquelle für Anwendungen
der fokussierten Röntgenstrahlen, beispielsweise
in Medizin und Technik dienen.
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In
dem für
den sogenannten Braggwinkel der Strahlenreflexion relevanten Bereich
des Ellipsoids 6 wird dessen Wirkungsfläche durch einen geschlossenen
Körper 8 als
Wirkungsflächenträger realisiert, wobei
im Innern des Wirkungsflächenträgers das
besagte Ellipsoid als rotationssymmetrischer Hohlraum 9 ausgebildet
ist. Auf der Ellipsoidoberfläche
dieses Hohlraums 9 befindet sich eine Kristallfolie 10,
an welcher die Röntgenstrahlen 5 in
der symbolhaft gezeigten Weise in den Brennpunkt F2 der Fokusebene reflektiert
und dort gebündelt
werden.
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Der
Körper 8 ist
ein Zylinder aus festem Material, wie z. B. eine Aluminiumlegierung.
In den Zylinder ist die besagte Wirkungsfläche, beispielsweise durch Ausfräsung, eingearbeitet.
Die Wirkungsfläche im
Innern des Körpers 8 ist
der Ausschnitt aus einer Fläche,
welche durch das Ellipsoid 6 bei Rotation um ihre größere Achse 11 entsteht.
Dieser Ausschnitt ist in seiner Ausdehnung (Zylinderhöhe h) symmetrisch zur
kleineren Achse 12 des Ellipsoids 6 gewählt worden.
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Die
auf die Wirkungsfläche
des ellipsoiden Hohlraums 9 aufgebrachte Kristallfolie 10 ist
0,01 mm dick. Das Material ist hoch orientiertes pyrolytisches Graphit.
Die Oberflächen güte dieser
Wirkungsflache ist so gewählt,
dass die Kristallfolie 10 durch Adhäsion am Körper 8 haftet.
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Die
Halbachsenarameter a und b des Ellipsoids 6 werden unter
anderem durch die Braggsche Reflexionsbedingung 2dsinΘ0 = mλbestimmt.
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Dabei
sind d der Netzebenenabstand des Kristalls der Kristallfolie 10, Θ0 der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen 5 zu
den Netzebenen der Kristallfolie 10, λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlen 5 und m
die Reflexionsordnung der Röntgenstrahlen 5.
Die Parameter λ als
Materialkonstante der Monochromatorfolie 4 und d als Materialkonstante
der Kristallfolie 10 können
entsprechenden Tabellen oder Datenbanken entnommen werden. Nach
freier Wahl des Mittenstrahlenabschnittes F1 – P = r1 des Röntgenstrahls 5 (Strecke
zwischen dem Brennpunkt F1 und dem auf der Wirkungsfläche in der
Ebene der kleineren Achse des Ellipsoids 6 gelegenen Reflexionspunktes
P) werden mit Hilfe des gebildeten Dreiecks F1-O-P (O = Achsenschnittpunkt
von Ellipsoid 6) und der an sich bekannten Ellipsengleichung
die Halbachsenparameter a und b bestimmt. Dabei gilt: a = r1 und
b = r1 sinΘ0.
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Um
zu verhindern, dass direkte und nicht an der Wirkungsfläche des
Ellipsoids 6 reflektierte Röntgenstrahlen 5 von
dem Strahlensender 1 im Brennpunkt F1 zum Strahlenempfänger 7 im
Brennpunkt F2 gelangt, ist in der größeren Achse 11 des
Ellipsoids 6 ein Strahlenabschirmer 13 vorgesehen.
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- 1
- Strahlensender
- 2
- Lochblende
- 3
- Röntgenstrahlbündel
- 4
- Monochromatorfolie
- 5
- punktförmig ausgesendete
monochromatische Röntgenstrahlen
- 6
- Ellipsoid
- 7
- Strahlenempfänger
- 8
- Körper
- 9
- Hohlraum
- 10
- Kristallfolie
- 11
- größere Achse
des Ellipsoids 6
- 12
- kleinere
Achse des Ellipsoids 6
- 13
- Strahlenabschirmer
- a,
b
- Halbachsen
des Ellipsoids 6
- h
- Zylinderhöhe des Körpers 8
- r1
- Mittenstrahlenabschnitt
der Röntgenstrahlen 5
- F1,
F2
- Brennpunkte
des Ellipsoids 6
- P
- Reflexionspunkt