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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der räumlichen
Auflösung
einer Mikroporenoptik für
Röntgenstrahlen
gemäß Anspruch
1.
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Beim
Bau eines Teleskops für
Röntgenstrahlen
ergibt sich das Problem, dass für
Röntgenstrahlung
wegen der geringen Brechung und der starken Absorption in Materie
keine geeigneten Linsen existieren. Auch Spiegel im üblichen
Sinn sind nicht einsetzbar, da die Reflektivität für Röntgenstrahlen anders als für sichtbares
Licht bei weitem zu gering ist. Einzig für sehr große Einfallswinkel nahe an 90
Grad ergeben sich ausreichende Reflektivitätswerte. Dieser Effekt kann
genutzt werden, um ein Spiegelteleskop für Röntgenstrahlen zu bauen, vorausgesetzt, dass
geeignet gestaltete Oberflächen
gefunden werden. Dabei müssen
die Röntgenstrahlen
sehr flach auf die reflektierende Oberfläche treffen (streifender Einfall,
grazing incidence). Röntgenstrahlen
werden von polierten Oberflächen
nämlich
nur dann reflektiert, wenn der Einfall der Strahlen fast streifend
ist. Eine Möglichkeit
für die
Realisierung eines Röntgenteleskops
besteht daher in der Verwendung eines Parabolspiegels. Dieser hat
jedoch unter den Bedingungen eines streifenden Einfalls sehr große Bildfehler.
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Aus
dem Stand der Technik ist ein Teleskop von Typ Wolter I bekannt
(siehe beispielsweise auch die Veröffentlichung „Spiegelsysteme
streifenden Einfalls als abbildende Optiken für Röntgenstrahlen", H. Wolter, Analen
der Physik, 10, 1952, S. 94–114). Ein
solches Teleskop nützt
die Reflexion von Röntgenstrahlung
bei streifendem Einfall auf Metalloberflächen aus. Die Grundidee besteht
darin, dass hinter das Paraboloid als Korrekturspiegel ein Hyperboloid gesetzt
wird, an dem die Röntgenstrahlen
ein zweites Mal reflektiert werden.
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Die
Spiegelanordnung vom Typ Wolter-I setzt sich aus vielfach ineinander
geschachtelten metallischen (oft nur aus beschichteten Folien bestehenden)
Rotationsparaboloiden zusammen, denen jeweils ein Rotationshyperboloid
folgt. Diese Spiegel haben zusammen ähnliche Abbildungseigenschaften,
wie gewöhnliche
Teleskope im sichtbaren Bereich des Lichts. Bei ihm werden die Strahlen
zunächst
an einem kleinen Ausschnitt eines Parabolspiegels und anschließend an
einem Ausschnitt eines Hyperbolspiegels reflektiert. Um größere Intensitäten zu erzielen,
wurden mehrere solcher Spiegelsysteme ineinander verschachtelt.
Denn jedes Spiegelpaar hat wegen des streifenden Einfalls nur einen ganz
schmalen Bereich, in dem es Röntgenlicht
aufnehmen und in den Brennpunkt bündeln kann. Zum Beispiel sind
beim Spiegelsystem des Röntgensatelliten
ROSAT vier Wolter-Doppelspiegel gleicher Brennweite ineinander geschachtelt,
um eine große Sammelfläche zu erreichen.
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Aus
dem Stand der Technik ist ferner eine Approximation der Wolter-I-Optik
bekannt, welche mehrere Stapel von einfach geneigten zylindrischen Flächen verwendet,
welche die Paraboloiden und Hyperboloiden ersetzt. Eine solche Approximation
ist tolerierbar, wenn große
Brennweiten gewählt
werden.
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Ferner
wird bislang eine Röntgenlinse
durch eine Porenoptik erzeugt, deren reflektierende Oberflächen eine
ideale Wolter-I-Optik durch zwei zylindrische Flächen annähert. Eine solche Porenoptik
ist in den 1A und 1B dargestellt.
Eine Approximation geschieht aus herstellungsrelevanten Gründen: Auf
eine zylinderförmige
Unterlage 10, wie sie in 1A dargestellt
ist, werden Schicht für
Schicht die zylindrischen Spiegelschalen 12 aufgebracht
(siehe 1B). Eine Spiegelschale ist
auf der Vorderseite poliert und auf der Rückseite mit vielen Stegen 14 versehen.
Die Stege 14 der letzten aufgebrachten Spiegelschale 12 werden
mit der Spiegeloberfläche der
darunter liegenden Spiegelschale 12 verbunden, so dass
die letzte Spiegeloberfläche
wieder genauso wie die darunter liegende gekrümmt ist. Diese Herstellungsmethode
erfordert, dass die zwischen den Stegen 14 und den Spiegelschalen 12 verbleibenden Zwischenräume, die
Poren, einen rechteckigen Querschnitt haben.
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Der
Vorteil einer Porenoptik ist es, viele Spiegelschalen präzise herzustellen
und hintereinander haltern zu können.
Die Spiegelschalen sind durch Stege miteinander verbunden, was zur
Geometrie vieler kleiner Poren führt.
Ein Nachteil des Standes der Technik ist allerdings, dass die räumliche
Auflösung
der Röntgenoptiken
bekannter Lösungen
nicht mehr den heutigen Anforderungen entspricht.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
für eine
Röntgenoptik
zu schaffen, welche im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte
räumliche
Auflösung
erreicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Verbesserung
des Auflösungsvermögens eines
röntgenoptischen
Apparates für
einen aus einer Einfallsrichtung einfallenden Röntgenstrahl, umfassend ein
Spiegelelement mit einer Spiegelflanke, wobei die erste Spiegelflanke
durch einen ersten Zylinderschalenabschnitt um eine Flankenachse
gebildet und das Spiegelelement bezüglich einer zur Einfallsrichtung
parallelen Fokusachse durch einen Fokuspunkt des röntgenoptischen
Apparates in einer Radialrichtung beabstandet angeordnet ist, und
wobei das Spiegelelement ferner um eine sich in Radialrichtung erstreckende
Achse gegenüber
der Einfallsrichtung gedreht derart angeordnet ist, dass die Flankenachse
gegenüber
der Einfallsrichtung geneigt ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich
durch eine Drehung des Spiegelelementes um die Radialachse eine
Approximation der parabolischen und hyperbolischen Form erreichen
lässt,
welche sich näher
an der optimalen Form orientiert, als dies eine einfache Approximation aus
Zylinderschalen ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat den Vorteil, dass sie zu einer Verbesserung der räumlichen
Auflösung
einer Röntgenabbildung
führen kann,
was bei einer breiten Anwendung von röntgenoptischen Geräten einen
weiten Einsatzbereich finden kann. Mit anderen Worten besteht ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
darin, dass diese zu einer geringeren Unschärfe des Bildes führt, was
wiederum zu einer besseren Bildqualität führt. Die gewünschte Reduktion
der Bildunschärfe
kann von der Stapellänge
und der Brennweite abhängig
sein. Die Verbesserung der Auflösung
kann beispielsweise im Bereich von einem Faktor 3 liegen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann eine an die Spiegelflanke angrenzende zweiten
Spiegelflanke vorgesehen sein, die durch einen zweiten Zylinderschalenabschnitt
um eine zweite Flankenachse gebildet ist, wobei das Spiegelelement derart
angeordnet sein kann, dass eine die Flankenachse und zweite Flankenachse
umfassende Ebene gegenüber
der Einfallsrichtung geneigt ist. Dies hat den Vorteil, dass nunmehr
nicht nur der Übergang zwischen
der ersten und zweiten Spiegelflanke besser approximiert werden
kann, sondern auch neben der Spiegelflanke die zweite Spiegelflanke
durch die Zylinderapproximation kostengünstig hergestellt werden kann.
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Um
ein Spiegelelement herzustellen, dass der Wolter-I-Optik besonders
gut entspricht, kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung die Spiegelflanke einer Approximation einer parabolischen Form
und die zweite Spiegelflanke einer Approximation einer hyperbolischen
Form entsprechen.
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Damit
das Spiegelelement eine besonders gute Approximation der Wolter-I-Optik darstellt,
kann gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung das Spiegelelement eine Breite aufweisen, die geringer
als etwa ein Zehntel des radialen Abstandes des Spiegelelementes
bezüglich
der Fokusachse ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der
Approximationsbereich nicht zu groß wird, so dass die Approximation
nicht unzulässig
wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann das Spiegelelement eine Breite aufweisen, die
einer Bogenlänge
von weniger als etwa zwei Grad in die Radialrichtung entspricht.
Dieser Bereich der Breite des Spiegelelementes bietet eine noch bessere
Approximation der Form der Wolter-I-Optik, da der zu approximierende
Bereich sehr klein gegenüber
der gesamten parabolischen und hyperbolischen Form der Wolter-I-Optik
ist, so dass die Approximation keinen großen Fehler verursacht.
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Auch
kann gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung eine Neigung zwischen der Flankenachse und der Einfallsrichtung
in einem Bereich zwischen etwa einem halben Grad und etwa fünf Grad liegen,
was sich als besonders guter Neigungsbereich für die Verbesserung der Auflösungsvermögens des
röntgenoptischen
Apparates auszeichnet.
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Um
eine weitere Verbesserung des Auflösungsverhaltens des röntgenoptischen
Apparates zu erreichen, kann gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ein weiteres Spiegelelement mit einer dritten Spiegelflanke
und einer an die dritte Spiegelflanke angrenzenden vierten Spiegelflanke
vorgesehen sein, wobei die dritte Spiegelflanke durch einen dritten
Zylinderschalenabschnitt um eine dritte Flankenachse gebildet und
das weitere Spiegelelement bezüglich
der Fokusachse in einer weiteren Radialrichtung beabstandet angeordnet
ist, und wobei das weitere Spiegelelement ferner um eine sich in
die weitere Radialrichtung erstreckende weitere Achse gegenüber der
Einfallsrichtung derart gedreht angeordnet ist, dass die dritte
Flankenachse gegenüber
der Einfallsrichtung geneigt ist. Durch das Vorsehen eines derartigen
weiteren Spiegelelementes kann somit eine Verbesserung der Ausbeute
der einfallenden Röntgenstrahlen
erreicht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann das weitere Spiegelelement an das Spiegelelement
angrenzen und in einem Abstand von der Fokusachse angeordnet sein,
der dem Abstand des Spiegelelementes von der Fokusachse entspricht, und
ein lateraler Übergang
zwischen dem Spiegelelement und dem weiteren Spiegelelement kann
einen Stufenversatz aufweisen. Durch diese verkippte Anordnung der
Spiegelelemente kann der Bereich der vertikalen Ausdehnung der Grenzlinie
zwischen der ersten und zweiten Spiegelflanke bzw. der dritten und vierten
Spiegelflanke in einem sehr engen Bereich gehalten werden, so dass
einfallende Röntgenstrahlen
an beiden Spiegelelementen auf einen sehr kleinen Fokusbereich bzw.
Fokuspunkt abgelenkt werden können.
Wäre die
Anordnung der Spiegelelemente derart gewählt, dass sich die Grenzlinien
zwischen der ersten und zweiten Spiegelflanke und der dritten und
vierten Spiegelflanke berühren
würden, würde eine
solche Anordnung keine optimale Fokussierung auf einen gemeinsamen
Fokuspunkt bewirken.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Mehrzahl von zusätzlichen Spiegelelementen
umfasst, die einen Ring aus Spiegelelementen um die Fokusachse bilden.
Dies bewirkt, dass Röntgenstrahlen
von einer Vielzahl von Spiegelelementen auf einen einzigen Fokusbereich bzw.
Fokuspunkt abgelenkt werden, was wiederum die Intensität des Lichtflecks
in dem Fokuspunkt erhöht.
Hierdurch ist dann eine bessere Detektion bzw. Auswertungsfähigkeit
der eintreffenden Röntgenstrahlen
möglich.
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Auch
kann die Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ein zusätzliches
Spiegelelement aufweisen, welches in der Radialrichtung von der
Fokusachse beabstandet angeordnet ist, wobei ein Abstand des zusätzlichen
Spiegelelementes von der Fokusachse größer ist, als der Abstand des Spiegelelementes
zu der Fokusachse. Insbesondere ist eine solche Vorrichtung dann
vorteilhaft, wenn das zusätzliche
Spiegelelement zwei Spiegelflanken aufweist, die eine Neigung zueinander
haben, so dass ein in der Einfallsrichtung einfallender Röntgenstrahl auf
einen im wesentlichen identischen Fokuspunkt reflektiert wird, wie
ein Röntgenstrahl,
der am Spiegelelement abgelenkt wird. Somit kann durch eine geschachtelte
Anordnung ebenfalls eine Verbesserung des Auflösungsverhaltens erreicht werden.
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Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der
hinten angeführten
Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1A und 1B Darstellungen
des Aufbaus einer Porenoptik;
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2 eine
schematische Darstellung von zwei aufeinanderfolgenden Spiegelschalen
gemäß der Wolter-I-Anordnung;
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3 eine
Darstellung von Zylindersegmenten einer Spiegelschale;
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4 eine
Darstellung eines Ausführungsbeispiels
der Drehung von Zylindersegmenten um die radiale Achse der Teleskopanordnung;
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5A und 5B Darstellungen
eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung in zwei unterschiedlichen Schnittansichten;
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6 eine
Darstellung der Ablenkung von Lichtstrahlen an dem Teleskop;
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7 ein
Spotdiagramm in der Fokalebene, wobei konische Spiegelschalen zur
Erzeugung des Spotdiagramms verwendet werden;
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8 ein
Diagramm der Abweichung bei Verwendung eines Spiegelelementes aus
zwei Zylinderflächen;
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9A und 9B Diagramme
der Abweichung der Zylindernäherung
einer konischen Fläche für einen
Paraboloiden (9A) bzw. eine Hyperboliden (9B);
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10 eine
Darstellung der Beleuchtung des Spiegelelementes aus zwei Zylinderschalen;
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11 ein
Spotdiagramm in der Fokalebene, das durch ein Spiegelelement mit
Zylinderflächen erzeugt
wird;
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12A und 12B Diagramme
der Abweichung eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung von einer unmodifizierten Zylinderapproximation
für die
erste Spiegelflanke (12A) und die zweite Spiegelflanke
(12B); und
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13 ein
Spotdiagram in der Fokalebene, das durch ein Spiegelelement gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
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Zur
genaueren Erklärung
der vorliegenden Erfindung sollen zunächst die Grundüberlegungen näher erläutert werden,
die zur erfindungsgemäßen Vorrichtungen
führen.
Absolute Größenangaben
in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen sind nur beispielhafte
Angaben, welche die Erfindung nicht einschränken.
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1. Konische Approximation zur Wolter-I-Optik
für Röntgenastronomie
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Ein
Röntgenteleskop
kann aus Spiegelschalen 20, 22 bestehen, die eine
so genannte Wolter-I-Optik darstellen. Dann ist die dem Objekt zugewandte
Spiegelschale 20 ein Ausschnitt eines Paraboloiden und
die der Bildebene zugewandten Spiegelschale 22 ein Ausschnitt
eines Hyperboloiden. Demnach wäre
die erste Spiegelschale 20 der Paraboloidausschnitt und
die zweite Spiegelschale 22 der Hyperboloidausschnitt,
wie es in 2 dargestellt ist.
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Um
stets im Bereich des streifenden Einfalls von Röntgenstrahlen 24 zu
arbeiten, sind die Ausschnitte des Paraboloiden und des Hyperboloiden schmale
Spiegelschalen. Sie werden üblicherweise gestaffelt
angeordnet, um eine größere Lichtmenge auf
die Fokalebene 23 im Abstand 24a von den Spiegelschalen 20, 22 abzubilden.
Es ist gängig,
die schmalen schalenförmigen
Ausschnitte des Paraboloiden und des Hyperboloiden durch konische
Elemente anzunähern.
In diesem Fall stellen die Spiegel 20 und 22 ringförmige Ausschnitte
von Kegelmäntel mit
einem Radius 26 dar. Die beiden zugrunde liegenden Kegel
habe eine Kegelachse, die mit der Teleskopsymmetrieachse (oder Fokusachse 25)
identisch ist. Die Kegelwinkel sind so gewählt, dass sich die Kegelflächen am
Ort der Spiegelschalen 20 und 22 tangential aneinander
anschmiegen. Im Anwendungsbeispiel ist einleitend eine konische
Approximation einer Wolter-I-Optik beschrieben.
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Ein
Kriterium zur Beurteilung der Qualität der optischen Abbildung ist
der Durchmesser des Lichtflecks 27 in der Fokalebene 23.
Ein kleiner Fleck 27 bedeutet, dass das Auflösungsvermögen des
Teleskops groß ist,
während
bei einem großen
Lichtfleck 27 zwei nahe beieinander liegende Objekte nicht
unterschieden werden können.
Daher ist es das Ziel jeden optischen Teleskops, einen möglichst
kleinen Lichtfleck 27 in der Fokalebene 23 zu
erzeugen.
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2. Zylinderapproximation
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Eine
Fertigung ganzer Spiegelschalen 20, 22 ist aufwendig.
Es ist zweckmäßig, eine
azimutale Segmentierung 30 vorzunehmen, wie es in 3 dargestellt
ist. Ein solches Spiegelsegment 32 bzw. eine Spiegelflanke
kann näherungsweise
durch eine Ausschnittsfläche
eines Zylindermantels beschrieben werden. Das erleichtert die Fertigung
der Spiegelschalensegmente sehr. Diese Näherung führt allerdings auch dazu, dass
der Durchmesser des Lichtflecks in der Focalebene größer wird.
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Die
Zylinderapproximation besteht darin, eine Zylinderfläche an die
konische Fläche,
welche den Paraboloidausschnitt repräsentiert, anzupassen. Das gelingt
gut, sofern die azimutale Segmentgröße 30 im Vergleich
zu dem Radius der Schalen 34 klein ist, d.h. bSegment << RSchale gilt.
Die Folge dieser Approximation ist, dass der Lichtfleck in der Fokalebene größer wird.
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3. Zylinderapproximation mit gedrehten
Zylinderflächen
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Gegenstand
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist eine Modifikation der Zylinderapproximation, die
es ermöglicht,
den Lichtfleckdurchmesser gegenüber
der Zylinderapproximation deutlich zu verkleinern. Damit ist es
möglich,
mit Zylinderschalenausschnitten einen Lichtfleck der Größe der konischen
Approximation zur Wolter-I-Optik zu erzielen. Auf diese Weise hat
man die Vorteile der einfacheren Fertigung von Zylinderschalensegmenten
ohne signifikanten Verlust des Auflösungsvermögens des Teleskops erwirkt.
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Die
Modifikation besteht gemäß einem
Ausführungsbeispiel
darin, dass die Zylindersegmente 40 um die radiale Achse 42 der
Spiegelschalenanordnung des Teleskops, welche durch das Zentrum des
Spiegelschalensegments verläuft,
gedreht werden. Eine derartige Anordnung der Drehung der Zylindersegmente
um die radiale Achse der Teleskopanordnung ist in 4 dargestellt.
Das Anwendungsbeispiel zeigt, dass damit der Durchmesser des Lichtflecks
in der Fokusebene um einen Faktor drei reduziert werden kann. Die
Verbesserung ist abhängig vom
Abstand des Spiegelsegments zur Symmetrieachse: Sie nimmt mit kleinerem
Abstand zu. Da das Anwendungsbeispiel sich auf ein Spiegeltandem
der Peripherie des Teleskops bezieht, werden für die inneren Spiegeltandems
deutlich kleinere Lichtfleckdurchmesser erreicht.
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Die 5A und 5B zeigen
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Spiegelelementes
in verschiedenen Schnittdarstellungen. Hierbei zeigt die 5A eine
Querschnittsdarstellung des Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Spiegelelementes.
das Spiegelelement umfasst dabei eine erste Spiegelflanke 52 und
eine zweiten Spiegelflanke 54, welche beide aneinander
angrenzen. Hierbei ist die erste Spiegelflanke 52 in einem radialen
Abstand 56 um eine erste Flankenachse 58 herum
angeordnet. Die erste Spiegelflanke 52 bildete sich aus
einem Zylindersegment bzw. einem Zylinderoberflächenabschnitt. Hierbei ist
die erste Flankenachse 58 gegenüber der Fokusachse 25 geneigt. Weiterhin
besteht auch die zweite Spiegelflanke 54 aus einem Zylinderoberflächenabschnitt,
der in einem zweiten in radialen Abstand 60 um eine zweite Flankenachse 62 herum
angeordnet ist. Die zweite Flankenachse 62 ist dabei gegenüber der
ersten Flankenachse 58 geneigt, so dass das aus der ersten in
Spiegelflanke 52 und der zweiten Spiegelflanke 54 bestehende
Spielelement eine geknickte Form aufweist. Hierdurch kann sichergestellt
werden, dass Röntgenstrahlen,
die in einer zur Fokusachse 25 parallelen Einfallsrichtung
auf das Spiegelelement auftreffen, auf einen im 5A nicht
dargestellten Fokuspunkt fokussiert werden.
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5B zeigen
eine Grundrissdarstellung des in 5A dargestellten
Spiegelelements wobei zugleich benachbart angeordnete Spiegelelemente ebenfalls
dargestellt sind. In 5B ist ebenfalls wieder die
Fokusachse 25 sowie die erste Flankenachse 58 sowie
die zweite Flankenachse 62 dargestellt ist. Die erste und
zweite Spiegelflanke 52 beziehungsweise 54 der
einzelnen Spiegelelemente sind dabei wieder Zylinderoberflächenabschnitte,
wie dies bereits im Zusammenhang mit 5A beschrieben wurde.
Ferner ist in 5B dargestellt, dass erfindungsgemäß eine Rotation
um eine zur Fokusachse 25 rechtwinklig angeordnete Radialachse
(hier nicht dargestellt) gedreht ist, so dass zwischen der Fokusachse 25 unter
der ersten bzw. zweiten Flankenachse 58 beziehungsweise 62 ein
Versatzwinkel 64 entsteht. Durch diesen Versatzwinkel 64 kann
nun die Verbesserung in der optischen Auflösung erreicht werden, welche
erfindungsgemäß angestrebt
werden soll.
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Weiterhin
können
auch benachbarte Spiegelelemente, wie sie in 5B durch
die Bezugszeichen 66 und 68 dargestellt sind,
in einem Stufenversatz 70 angeordnet sein, so dass sich
die in 5B dargestellte Struktur ergibt.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass eine Begrenzung zwischen
der ersten Spiegelflanke 52 und der zweiten Spiegelflanke 54 möglichst
in einem schmalen lateralen Bereich liegt, so dass eine Fokussierung
von Lichtstrahlen bzw. Röntgenstrahlen
von verschiedenen Spiegelelementen möglichst alle auf einen kleinen
Fokuspunkt fokussiert werden. Auch kann durch die in 5B dargestellte
Struktur eine Ringform um in die Fokusachse 25 erstellt
werden, wie es beispielsweise in 2 dargestellt
ist. Ansatzweise ist eine solche Form auch bereits in 4 angedeutet.
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Erfindungsgemäß wird die
Verbesserung bei der Fokussierung eines Röntgenstrahles dadurch erreicht,
dass durch den Versatzwinkel 64 eine bessere Approximation
der Wolter-I-Optik erreicht werden kann, als er wenn die Begrenzungslinie
zwischen einer der ersten Spiegelflanke 52 und der zweite
Spiegelflanke 54 waagerecht, das heißt rechtwinklig zur Fokusachse 25 ist.
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Im
Folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung im Vergleich mit einer konischen sowie einer einfachen
Zylinderapproximation näher
beschrieben.
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Ein
Modell der konischen Approximation der Wolter-I-Optik und der unmodifizierten
und modifizierten Zylinderapproximation (d.h. eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung) der konischen Approximation der Wolter-I-Optik
wurde mit Hilfe des Optik-Programms „ASAP" erstellt. Mithilfe geometrischoptischen
Strahldurchrechnungen wurde der Lichtfleck in der Fokalebene der
Anordnung (Spotdiagramm) berechnet.
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– Geometrieparameter
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- Abstand zwischen Spiegelschalen und Fokalebene: f = 50000
mm
- Radius der Spiegelschalen Begrenzung: R = 3500 mm
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– Konische
Approximation der Wolter-I-Optik
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Lichtquelle:
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Lichtstrahlen 24 (speziell
Röntgenstrahlen) fallen
parallel zur Symmetrieachse 25 des Teleskops auf die ringförmige Anordnung
eines Spiegeltandems 40, das aus der Spiegelschale, welche
die konische Approximation des Paraboloiden darstellt, und der zweiten
Spiegelschale, welche die konische Approximation des Hyperboloiden
darstellt, besteht. Das Raster der Lichtstrahlen ist in 6 angedeutet,
wobei das linke Teilbild eine Grundrissdarstellung und das rechte
Teilbild eine Aufrissdarstellung eines solchen Teleskopes wiedergibt.
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Lichtfleck in der Fokalebene:
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Es
ergibt sich dann ein rotationssymmetrischer Lichtfleck im Zentrum
der Fokalebene, dessen Durchmesser etwa 0.6 mm beträgt. Das
geht aus den Dimensionen des in 7 dargestellten
Diagrams hervor, das die Auftreffpunkte der Strahlen in der Fokalebene
darstellt. Wie erwartet werden kann, ist die Symmetrie erhalten
und die Bildpunkte der einzelnen Strahlen liegen auf Kreisen. Eine
Verschiebung der Fokalebene entlang der Teleskopachse hat zur Folge,
dass der Lichtfleck größer wird,
unabhängig
von der Verschieberichtung. Das zeigt, dass tatsächlich die Fokalebene vorliegt.
Die 7 zeigt dabei ein Spotdiagram in der Fokalebene.
Die beiden konischen Spiegelschalen werden mit axialen Lichtstrahlen
beleuchtet. Der Spotdurchmesser beträgt 0.42 mm.
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– Zylinderapproximation
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Ein
azimutales Segment entspricht beispielsweise einem 360-stet eines
Kreisbogens, also einem Grad. Bei einem Kreisradius von 3500 mm
bedeutet das eine Bogenlänge
von b = (2π/360)
1 deg 3500 mm = 61 mm. Es ist jeweils eine Zylinderfläche an die konischen
Flächen
1 und 2 angepasst worden, die den Spiegelflächen 52 und 54 entsprechen.
Das ist sehr gut möglich,
weil die Bogenlänge
sehr viel kleiner als der Kreisradius ist. 8 zeigt
eine Abbildung eines solchen Tandems aus zwei Zylinderflächen.
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Die
Abweichung der Zylinderflächen
von den konischen Flächen
ist stets kleiner als ein Mikrometer. Die 9A und 9B zeigen,
dass die Differenz im Fall der Spiegelfläche 1 (entsprechend der Spiegelflanke 52,
daher mit dem Bezugszeichen 52' gekennzeichnet) weniger als 10
nm beträgt (9A),
im Fall der Spiegelfläche
2 (entsprechend der Spiegelflanke 54, daher mit dem Bezugszeichen 54' gekennzeichnet)
sind es weniger als 200 nm (9B). Somit
ist in 9A die Abweichung von der konischen
Approximation als Differenz zwischen der Zylindernäherung der
konischen Fläche
dargestellt, die den Paraboloiden der Wolter-I-Optik beschreibt,
während
in 9B die Abweichung von der konischen Approximation
als Differenz zwischen der Zylindernäherung der konischen Fläche dargestellt ist,
die den Hyperboloiden der Wolter-I-Optik beschreibt. Die y-Achse
gibt die Abweichung in Mikrometern an.
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Lichtquelle:
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Das
Tandem aus Zylinderspiegeln 52', 54' wird mit Lichtstrahlen 24 beleuchtet.
Die Lichtstrahlen 24 verlaufen parallel zur Teleskopachse 25,
ihre räumliche
Anordnung ist in 10 gezeigt, in der die Beleuchtung
des Tandems aus zwei Zylinderschalen 52' und 54' dargestellt ist. Der Kreisbogenausschnitt ist übertrieben
dargestellt; tatsächlich
ist der Azimutwinkel etwa 1 Grad.
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Lichtfleck in der Fokalebene:
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Ein
Zylinderspiegeltandem erzeugt einen Lichtfleck im Zentrum der Fokalebene,
welcher unsymmetrisch ist. Seine maximale Ausdehnung liegt in der
Richtung senkrecht zu dem Spiegeltandem und beträgt etwa 0.82 mm, wie in dem
Spotdiagramm aus 11 zu entnehmen ist. Eine Anordnung
aus mehreren Zylinderspiegeltandems derart, dass ein kompletter
Ring aus Spiegelschalen entsteht, hat dann einen runden Lichtfleck
in der Mitte der Fokalebene zur Folge, dessen Durchmesser etwa 0.82
mm beträgt. 11 zeigt
dabei ein Spotdiagramm in der Fokalebene, das ein Tandem aus zwei
beschrieben Zylinderflächen
aus den axial einfallenden Lichtstrahlen erzeugt. Der Spotdurchmesser
beträgt
0.82 mm.
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– Zylinderapproximation
mit gedrehten Zylinderflächen
(Anordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung)
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Die
Oberflächen
der modifizierten (d.h. der erfindungsgemäß gedrehten) und unmodifizierten Zylinderapproximation
der Spiegelfläche 52 bzw. 52' unterscheiden
sich um weniger als 40 Mikrometer; die Oberflächen der modifizierten und
unmodifizierten Zylinderapproximation der Spiegelfläche 54 und 54' unterscheiden
sich um weniger als 60 Mikrometer. Obwohl das kleine Zahlen im Vergleich
zu den lateralen Dimensionen der Spiegelflächen sind, stellen sie doch
signifikante Abweichungen dar, wenn man bedenkt, dass der Unterschied
zwischen Zylinder- und konischer Approximation um drei Größenordnungen
kleiner ist. In 12A ist die Abweichung der modifizierten
(gedrehten) und unmodifizierten Zylinderapproximation für die Spiegelfläche 52 bzw. 52' dargestellt,
wogegen in 12B die Abweichung der modifizierten
(gedrehten) und unmodifizierten Zylinderapproximation für die Spiegelfläche 2 des
Spiegeltandems dargestellt ist.
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Lichtquelle:
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Um
einen direkten Vergleich zu haben, ist die gleiche Lichtquelle wie
im vorangegangen Abschnitt verwendet worden.
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Lichtfleck in der Fokalebene:
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Durch
Drehung des Tandems aus den beiden Zylinderspiegeln 52 und 54 um
die radiale Achse der Teleskopanordnung um 1,00713 Grad kann der Durchmesser
des Lichtflecks deutlich verkleinert werden. Wie in 13 gezeigt
ist, beträgt
die maximale Ausdehnung des Lichtflecks etwa 0.25 mm. Eine Anordnung
aus mehreren Zylinderspiegeltandems derart, dass ein kompletter
Ringe aus Spiegelschalen entsteht, hat dann einen runden Lichtfleck
in der Mitte der Fokalebene zur Folge, dessen Durchmesser etwa 0.25
mm beträgt.
Das ist etwa um einen Faktor 3.3 kleiner als im Fall der unmodifizierten
Zylinderapproximation und etwa um einen Faktor 2.4 kleiner als im
Fall der konischen Approximation der Wolter-I-Optik. 13 zeigt
dabei ein Spotdiagramm in der Fokalebene, das ein Tandem aus zwei
gedrehten Zylinderflächen
aus den axial einfallenden Lichtstrahlen erzeugt. Der Spotdurchmesser
beträgt
0.25 mm.
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- 10
- Unterlage
- 12
- zylindrische
Spiegelschalen
- 14
- Stege
- 20,
22
- Spiegelschalen
- 23
- Fokusebene
- 24
- Lichtstrahlen,
Röntgenstrahlen
- 24a
- Abstand
zwischen der Fokalebene und den Spiegelschalen
- 25
- Fokusachse,
Teleskopachse
- 26
- Radius
der Spiegelschalen
- 27
- Lichtfleck
- 30
- azimutate
Segmentierung
- 32
- Spiegelsegment
- 34
- Radius
der Schalen der Zylinderapproximation
- 40
- Zylindersegment
- 42
- radiale
Achse, Radialachse
- 52
- erste
Spiegelflanke
- 54
- zweite
Spiegelflanke
- 56
- radialer
Abstand von der ersten Spiegelflanke zur ersten Flankenachse 58
- 58
- erste
Flankenachse
- 60
- radialer
Abstand von der zweiten Spiegelflanke zur zweiten Flankenachse 62
- 62
- zweite
Flankenachse
- 64
- Versatzwinkel
- 66,
68
- weitere
Spiegelelemente
- 70
- Stufenversatz