DE102019132935B3

DE102019132935B3 - Arrangement and method for manipulating or generating X-ray pulses

Info

Publication number: DE102019132935B3
Application number: DE102019132935.3A
Authority: DE
Inventors: Ivo Zizak; Simone Vadilonga; Alexei ERKO
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-12-05

Abstract

Mit der erfindungsgemäße Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Manipulation oder Erzeugung von Röntgenpulsen ist eine hohe Wiederholrate bis in den GHz-Bereich erzeugbar. Die Anordnung ist dabei flexibel ausgestaltbar, bei gleichzeitig hohem Kontrast und hoher Beugungseffizienz. Einzelpulse mit kurzer Pulsdauer, d.h. bis in den Sub-Nanosekundenbereich sind erzeugbar.Die erfindungsgemäße Anordnung zur Manipulation oder Erzeugung von Röntgenpulsen, umfasst dabei mindestens ein erstes Bauteil aus piezoelektrischem Material mit einer Oberfläche sowie Elektroden. Das Material des ersten Bauteils ist dabei einkristallin. Alle Elektroden sind zusammen auf der mindestens einen Oberfläche aufgebracht und die Elektroden derart beabstandet und geometrisch ausgeformt, dass diese eine Struktur bilden, die zur Beugung von Röntgenstrahlen geeignet ist.Das erfindungsgemäße Verfahren zur Manipulation oder Erzeugung von Röntgenpulsen umfasst die Schritte:a) Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung,b) Ausrichten der mindestens einen Oberfläche des ersten Bauteils der Anordnung gegenüber einer Einfallsrichtung eines Röntgenstrahls, so dass die Beugungsbedingungen für einen Beugungswinkel Θxin einer beugenden Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils, welcher bestimmt ist durch die Beabstandung und geometrische Ausformung der Elektroden, erfüllt ist;c) Beaufschlagung der Elektroden der Anordnung für eine erste Zeitdauer t1und Einstrahlung eines Röntgenstrahls in der Einfallsrichtung auf die Anordnung mindestens abschnittsweise während der ersten Zeitdauer t1undd) Beliebige Anzahl an Wiederholung des Schrittes c) in einer ersten Frequenz f1.With the arrangement according to the invention and the method according to the invention for manipulating or generating X-ray pulses, a high repetition rate up into the GHz range can be generated. The arrangement can be designed flexibly, with high contrast and high diffraction efficiency at the same time. Individual pulses with a short pulse duration, i.e. down to the sub-nanosecond range, can be generated. The arrangement according to the invention for manipulating or generating X-ray pulses comprises at least a first component made of piezoelectric material with a surface and electrodes. The material of the first component is monocrystalline. All electrodes are applied together on the at least one surface and the electrodes are spaced apart and geometrically shaped in such a way that they form a structure that is suitable for the diffraction of X-rays. The inventive method for manipulating or generating X-ray pulses comprises the steps: a) Providing a arrangement according to the invention, b) aligning the at least one surface of the first component of the arrangement with respect to a direction of incidence of an X-ray beam, so that the diffraction conditions for a diffraction angle Θx in a diffractive structure in the surface of the first component, which is determined by the spacing and geometric shape of the electrodes , is fulfilled; c) exposure of the electrodes of the arrangement for a first period of time t1 and irradiation of an X-ray beam in the direction of incidence on the arrangement at least in sections during the first period of time t1 and d) any number of repetitions of the step ttes c) in a first frequency f1.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 wiedergegebenen Art, wie sie zur Manipulation von Röntgenpulsen oder zur Erzeugung solcher aus einer kontinuierlichen Röntgenquelle zum Einsatz kommt sowie ein Verfahren.The invention relates to an arrangement of the type recited in the preamble of claim 1, such as is used for manipulating X-ray pulses or for generating them from a continuous X-ray source, as well as a method.

Stand der TechnikState of the art

Röntgenstrahlung wird in vielfältiger Weise für die Charakterisierung von Materie eingesetzt. Beispiele sind die Kristallstrukturanalyse mittels Röntgenbeugung, die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung mittels Röntgenfluoreszenzanalyse und die Bestimmung von elektronischen Zuständen mittels inelastischer, resonanter Röntgenstreuung.X-rays are used in a variety of ways to characterize matter. Examples are the crystal structure analysis by means of X-ray diffraction, the determination of the chemical composition by means of X-ray fluorescence analysis and the determination of electronic states by means of inelastic, resonant X-ray scattering.

Um sehr schnelle Änderungen von Materialeigenschaften, wie sie zum Beispiel in einer chemischen Reaktion erfolgen, mit Röntgenstrahlung erfassen zu können, werden kurze Röntgenpulse benötigt, deren Dauer der angestrebten Zeitauflösung anzupassen ist. Dies kann Röntgenpulse mit einer Dauer im Piko- oder Femtosekunden Bereich erfordern.In order to be able to detect very rapid changes in material properties, such as those that occur in a chemical reaction, with X-ray radiation, short X-ray pulses are required, the duration of which must be adapted to the desired time resolution. This can require X-ray pulses with a duration in the picosecond or femtosecond range.

Die klassischen Röntgen-Laborquellen, die z.B. eine Röntgenröhre nutzen, liefern einen kontinuierlichen Röntgenstrahl. Um diesen Röntgenstrahl für zeitaufgelöste Experimente nutzen zu können, müssen aus dem kontinuierlichen Röntgenstrahl durch Modulation kurze Pulse erzeugt werden. Anders ist es bei den Großgeräten, insbesondere Synchrotronstrahlungsquellen, die gepulste Röntgenstrahlen liefern. Die hier gelieferten Röntgenpulse haben für zeitaufgelöste Experimente eine geeignete Dauer. Der Nachteil dieser Röntgenpulse ist jedoch, dass sie eine vorgegebene, sehr hohe Frequenz haben. Die Frequenz sowie die Dauer der einzelnen Pulse sind durch die Eigenschaften der Quelle bedingt, wobei insbesondere die Frequenz für einige Untersuchungsmethoden zu hoch ist. Dies erfordert eine Modulation der Pulsfolge durch Selektion einiger Pulse (engl. „pulse picking“) aus der gegebenen Folge, woraus Pulsfolgen mit geringerer Frequenz folgen.The classic X-ray laboratory sources, which use e.g. an X-ray tube, deliver a continuous X-ray beam. In order to be able to use this X-ray beam for time-resolved experiments, short pulses have to be generated from the continuous X-ray beam by modulation. It is different with large devices, especially synchrotron radiation sources that deliver pulsed X-rays. The X-ray pulses supplied here have a suitable duration for time-resolved experiments. The disadvantage of these X-ray pulses, however, is that they have a predetermined, very high frequency. The frequency and the duration of the individual pulses are determined by the properties of the source, the frequency in particular being too high for some examination methods. This requires a modulation of the pulse train by selecting a few pulses ("pulse picking") from the given train, from which pulse trains with a lower frequency follow.

Zur Selektion oder Erzeugung von Röntgenpulsen können z.B. sehr schnelle Kristallstrukturänderungen genutzt werden. Die sogenannte Bragg-Gleichung beschreibt, unter welchen Bedingungen es zu konstruktiver Interferenz (Beugung) von Röntgenstrahlung bei Streuung an einem kristallinen Gitter kommt: $n \cdot λ = 2 d sin θ,$

mit λ = Wellenlänge des Röntgenstrahls, d = Abstand der Gitterebenen in der Kristallstruktur, n = Beugungsordnung und 0 = Beugungswinkel.For example, very rapid crystal structure changes can be used to select or generate X-ray pulses. The so-called Bragg equation describes the conditions under which constructive interference (diffraction) of X-rays occurs when scattered on a crystalline lattice:

n \cdot λ = 2 d sin θ,

with λ = wavelength of the X-ray beam, d = distance between the lattice planes in the crystal structure, n = diffraction order and 0 = diffraction angle.

Wobei eine kurzfristige Änderung der Gitterstruktur die Bragg-Bedingung so ändern kann, dass eine konstruktive Interferenz nur in dem angeregten - geänderten Zustand zustande kommt. Bei konstruktiver Interferenz, d.h. Erfüllung der durch die Bragg-Gleichung beschriebenen Bedingungen, wird ein einfallender Röntgenstrahl gebeugt, so dass ein, unter dem gleichen Beugungswinkel wie der einfallende Röntgenstrahl, ausfallender Röntgenstrahl entsteht, der auch als Reflex oder gebeugter Röntgenstrahl bezeichnet wird.A short-term change in the lattice structure can change the Bragg condition in such a way that constructive interference only occurs in the excited - changed state. With constructive interference, i.e. fulfillment of the conditions described by the Bragg equation, an incident X-ray beam is diffracted, so that an X-ray beam emerges at the same angle of diffraction as the incident X-ray beam, which is also referred to as a reflex or diffracted X-ray beam.

Zum Beispiel können kurzfristige Änderungen in der Gitterstruktur von Kristallen durch Anregung mit sehr kurzen (Piko- bis Femtosekunden) Laserpulsen hervorgerufen werden. Da Kristallstrukturänderungen eine Änderung der Röntgenbeugungsbedingungen hervorrufen, können zeitlich begrenzte, geänderte Beugungsbedingungen zur Generierung von kurzen bis ultrakurzen (Piko- bis Femtosekunden) Röntgenpulsen -als Reflexe-, unter einem Beugungswinkel Θ_x, genutzt werden. Der Beugungswinkel Θ_x entspricht dabei dem Beugungswinkel, der die Bragg-Gleichung für die durch Anregung mit dem Laserpuls geänderte Kristallstruktur erfüllt. Er kann darüber hinaus auch für Reflexe gelten, die zum Zeitpunkt der Anregung eine deutlich gesteigerte Beugungseffizienz aufweisen und keine Verschiebung erfahren oder durch die Anregung erst erzeugt werden.For example, short-term changes in the lattice structure of crystals can be caused by excitation with very short (picosecond to femtosecond) laser pulses. Since changes in the crystal structure cause a change in the X-ray diffraction conditions, time-limited, changed diffraction conditions can be used to generate short to ultra-short (picosecond to femtosecond) X-ray pulses - as reflections - at a diffraction angle Θ _x . The diffraction angle Θ _x corresponds to the diffraction angle that fulfills the Bragg equation for the crystal structure changed by excitation with the laser pulse. In addition, it can also apply to reflections that have a significantly increased diffraction efficiency at the time of the excitation and do not experience any shift or are only generated by the excitation.

Im Falle, dass es sich um ein Plangitter (Beugungsgitter), d.h. Streuung von Röntgenstrahlen an einem zweidimensionalen Gitter handelt, lautet die Gleichung: $n λ = d (sin α - sin β),$

mit n = Beugungsordnung, λ = Wellenlänge, d = Gitterperiode (Abstand der Rillen), α = Winkel zwischen einfallendem Strahl und Gitternormale und β = Winkel zwischen gebeugtem (ausfallendem) Strahl und der Gitternormale.In the case that it is a plane grating (diffraction grating), i.e. scattering of X-rays on a two-dimensional grating, the equation is:

n λ = d (sin α - sin β),

with n = diffraction order, λ = wavelength, d = grating period (distance between the grooves), α = angle between the incident beam and the grating normal and β = angle between the diffracted (outgoing) beam and the grating normal.

Hierbei ist zusätzlich zu beachten, dass bei einem Plangitter, welches als longitudinale Modulation der geometrischen oder kristallinen Eigenschaften an der Oberfläche eines Einkristalls vorliegt, sowohl Beugung im Kristall als auch am Plangitter auftreten kann, wenn die Bedingungen hierfür jeweils erfüllt sind. Die durch die Beugung an dem Plangitter hervorgerufenen Reflexe treten zusätzlich zu den Bragg-Reflexen des Kristallgitters auf, so dass erstere als Satelliten um den Bragg-Reflex erscheinen.It should also be noted that with a plane lattice, which is present as a longitudinal modulation of the geometric or crystalline properties on the surface of a single crystal, diffraction can occur in the crystal as well as on the plane lattice if the conditions for this are met. The reflections caused by the diffraction on the plane grating occur in addition to the Bragg reflections of the crystal lattice, so that the former appear as satellites around the Bragg reflex.

Die Beugungseffizienz ist das Verhältnis von eingestrahlter Röntgenstrahlintensität zur integralen Intensität des gebeugten Röntgenstrahls -Reflex- unter einem Beugungswinkel Θ.The diffraction efficiency is the ratio of the incident X-ray intensity to the integral intensity of the diffracted X-ray -reflection- at a diffraction angle Θ.

In dem Aufsatz 1 von P. H. Bucksbaum und R. Merlin (The phonon Bragg switch: a proposal to generate sub-picosecond X-ray pulses, Solid state Communications 111, 1999, S. 535-539) wird die Erzeugung von Röntgenpulsen durch Anregung der Kristallstruktur von Galliumarsenid (GaAs) durch Laserpulse beschrieben. Die hier genutzte Form der Anregung sind kohärent oszillierende, optische Phononen des Kristallgitters. Sie werden durch Ramanstreuung der eingestrahlten Laserpulse an Phononen im Gitter erzeugt. Durch die Anregung wird die Beugungseffizienz (Intensität) von Reflexen, die im nicht angeregten Zustand des GaAs schwach sind, verstärkt. Die zeitliche Dauer dieser oszillierenden Anregung kann durch einen zweiten Laserpuls auf Pikosekunden begrenzt werden. Der Kontrast zwischen der Verstärkung der Beugungseffizienz der Reflexe im angeregten Zustand und ihrer normalen Beugungseffizienz ist jedoch gering.In essay 1 by PH Bucksbaum and R. Merlin (The phonon Bragg switch: a proposal to generate sub-picosecond X-ray pulses, Solid state Communications 111, 1999, pp. 535-539) describes the generation of X-ray pulses by exciting the crystal structure of gallium arsenide (GaAs) with laser pulses. The form of excitation used here are coherently oscillating optical phonons of the crystal lattice. They are generated by Raman scattering of the incident laser pulses on phonons in the grating. The excitation increases the diffraction efficiency (intensity) of reflections that are weak in the non-excited state of the GaAs. The duration of this oscillating excitation can be limited to picoseconds by a second laser pulse. However, the contrast between the enhancement of the diffraction efficiency of the reflections in the excited state and their normal diffraction efficiency is small.

Der Kontrast ist definiert als die Änderung der unter einem festen Beugungswinkel Θ_x (maximal durch die Kristallstrukturänderung verschobener Beugungswinkel) auftretenden Intensität η eines Beugungsreflexes im angeregten Zustand (η_max) zum Untergrund im nichtangeregten Zustand (η_min), normiert auf die Intensität des Untergrunds: (η_max-η_min)/η_min. Bei η_min kann es sich auch um die Intensität eines Beugungsreflexes handeln, dessen Intensität im angeregten Zustand erhöht ist.The contrast is defined as the change in the _{intensity η of a diffraction reflex in the excited state (η max} ) to the background in the non-excited state (η _min ), normalized to the intensity of the background, _{at a fixed diffraction angle Θ x} (maximum diffraction angle shifted by the change in the crystal structure) : (η _max -η _min ) / η _min . Η _min can also be the intensity of a diffraction reflex, the intensity of which is increased in the excited state.

In dem Aufsatz 2 von M. Herzog et al. (Ultrafast manipulation of hard x-rays by efficient Bragg switches, Applied Physics Letters 96, 2010, 161906:1-4) wird das Übergitter eines heteroepitaktischen Multischichtsystems, bestehend aus einige Nanometer dicken Schichten von Strontiumruthenat (SrRuO₃) und Strontiumtitanat (SrTiO₃), durch Laserpulse moduliert. Die Modulation wird durch die Absorption des Laserpulses in den metallisch leitenden Strontiumruthenat-Schichten erzeugt, welche sich hierdurch ausdehnen. Die Strontiumtitanat-Schichten werden entsprechend komprimiert. Die hierdurch hervorgerufene Bewegung der Atome entspricht einer stehenden Welle (longitudinales, akustisches - Phonon). Die stehende Welle erscheint dabei als periodisch oszillierende Änderungen der Schichtdicken. Die Beugungseffizienz der Übergitterreflexe, die aus der Schichtstruktur resultieren, wird folglich durch den Laserpuls beeinflusst, wodurch diese Reflexe unter ihrem Beugungswinkel zeitlich begrenzt aufscheinen, d.h. die Intensität dieser Reflexe zeitlich begrenzt erhöht wird. Die Übergitterreflexe treten jedoch in einer zeitlichen Abfolge, die der Oszillationsperiode entspricht, auf und nicht als Einzelpulse. Demnach können mit dieser Anordnung keine Einzelpulse generiert werden.In essay 2 by M. Herzog et al. (Ultrafast manipulation of hard x-rays by efficient Bragg switches, Applied Physics Letters 96, 2010, 161906: 1-4) the superlattice of a heteroepitaxial multilayer system, consisting of a few nanometer-thick layers of strontium ruthenate (SrRuO ₃ ) and strontium titanate (SrTiO ₃ ), is modulated by laser pulses. The modulation is generated by the absorption of the laser pulse in the metallically conductive strontium ruthenate layers, which expand as a result. The strontium titanate layers are compressed accordingly. The resulting movement of the atoms corresponds to a standing wave (longitudinal, acoustic - phonon). The standing wave appears as periodically oscillating changes in the layer thickness. The diffraction efficiency of the superlattice reflections resulting from the layer structure is consequently influenced by the laser pulse, as a result of which these reflections appear for a limited time at their diffraction angle, ie the intensity of these reflections is increased for a limited time. However, the superlattice reflections occur in a time sequence that corresponds to the oscillation period and not as individual pulses. Accordingly, no individual pulses can be generated with this arrangement.

In dem Aufsatz 3 von H. Navirian et al. (Shortening x-ray pulses for pumpprobe experiments at synchrotrons, Journal of Applied Physics 109, 2011, 126104:1-3) , wird das Übergitter eines heteroepitaktischen Multischichtsystems, bestehend aus einige Nanometer dicken Schichten von Lanthan-Strontium-Manganat (La_0.7Sr_0.3MnO₃) und Strontiumtitanat (SrTiO₃) durch Laserpulse moduliert. Im Gegensatz zum Aufsatz 2 wird hier nicht die Änderung der Beugungseffizienz eines Reflexes genutzt, sondern die Verschiebung des Beugungswinkels eines Reflexes, die mit der durch die Laserpulsabsorption induzierten Wärmeausdehnung einhergeht. Diese Änderung erzeugt jedoch nur begrenzt kurze Pulse (~ 30 ps). Nachteilig an dieser Methode ist, dass durch die benötigten, intensitätsstarken Laser das System erhitzt wird und in Folge nicht mehr funktionsfähig. Zudem ist die Wiederholungsrate gering.In essay 3 by H. Navirian et al. (Shortening x-ray pulses for pumpprobe experiments at synchrotrons, Journal of Applied Physics 109, 2011, 126104: 1-3) , the superlattice of a heteroepitaxial multilayer system consisting of a few nanometer thick layers of lanthanum strontium manganate (La _0.7 Sr _0.3 MnO ₃ ) and strontium titanate (SrTiO ₃ ) is modulated by laser pulses. In contrast to article 2, the change in the diffraction efficiency of a reflex is not used here, but the shift in the diffraction angle of a reflex, which is associated with the thermal expansion induced by the laser pulse absorption. However, this change produces only limited short pulses (~ 30 ps). The disadvantage of this method is that the system is heated up by the required, high-intensity lasers and is no longer functional as a result. In addition, the repetition rate is low.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung von verkürzten Röntgenpulsen, bis in den Pikosekundenbereich, durch Einstrahlung von Laserpulsen auf ein Schichtsystem ist in der DE 10 2013 112 088 B4 offenbart. Die Einstrahlung der Laserpulse erzeugt eine Modulation der Phononen im Schichtsystem und dadurch eine Beeinflussung der Beugungsbedingungen.A device for generating shortened X-ray pulses, down to the picosecond range, by irradiating laser pulses onto a layer system is in the DE 10 2013 112 088 B4 disclosed. The irradiation of the laser pulses produces a modulation of the phonons in the layer system and thus an influence on the diffraction conditions.

In dem Aufsatz 4von A. Grigoriev et al.(Subnanosecond piezoelectric x-ray switch, Applied Physics Letters, 89, 2006, 021109 - 1-4) der den nächsten Stand der Technik bildet, wird eine Materialänderung -und dadurch bedingte Veränderung der Beugungsbedingung-, die durch einen piezoelektrischen Effekt hervorgerufen wird, genutzt. Eine dünne piezoelektrische Schicht aus tetragonalem Strontiumruthenat (SrRuO₄), ist dazu zwischen zwei Strontiumtitanat (SrTiO₃) Schichten als Elektroden, angeordnet. Der piezoelektrische Effekt im Strontiumruthenat bewirkt eine Verzerrung des Kristallgitters und damit der Gitterkonstanten und Schichtabstände und somit auch veränderter Beugungsbedingungen, die zur Pulserzeugung nutzbar sind.In the article 4 of A. Grigoriev et al. (Subnanosecond piezoelectric x-ray switch, Applied Physics Letters, 89, 2006, 021109 - 1-4) which represents the closest prior art, a material change - and the resulting change in the diffraction condition - which is caused by a piezoelectric effect, is used. A thin piezoelectric layer made of tetragonal strontium ruthenate (SrRuO ₄ ) is arranged between two strontium titanate (SrTiO ₃ ) layers as electrodes. The piezoelectric effect in the strontium ruthenate causes a distortion of the crystal lattice and thus the lattice constants and layer spacings and thus also changed diffraction conditions that can be used for pulse generation.

In dem Aufsatz 5 von T ucoulou et al. (High frequency electro-acoustic chopper for synchrotron radiation, Nuclear Instruments and Methods B, 132, 1997, 207-213) ist eine Vorrichtung beschrieben, die für einen Einsatz an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) bestimmt ist, in der ein Röntgenpuls aus einer Abfolge isoliert wird. Dieser isolierte Röntgenpuls liegt zeitlich in der Mitte der 1.8 µs langen Pause zwischen zwei Pulsen der Strahlquelle. In der Vorrichtung wird eine Oberflächenwelle (English: Surface Acoustic Wave, SAW) als periodische Deformation über die Oberfläche eines optischen Elements (Kristall) geschickt. Da diese Oberflächenwelle viel langsamer ist als die Lichtgeschwindigkeit, hat die Bewegung der Welle keine Auswirkung auf die Streuung bzw. Beugung und kann als statische Deformation betrachtet werden. Die Zeitauflösung der Vorrichtung ist durch die Zeit bestimmt, die die Oberflächenwelle benötigt, sich über die Strecke des Strahldurchmessers auf der Oberfläche des optischen Elements zu bewegen und somit beschränkt. Zudem hat die Größe bzw. der Strahldurchmesser des Strahls einen starken Einfluss auf die Zeitauflösung. Je Größer der Durchmesser, desto langsamer die Vorrichtung bzw. desto schlechter die Zeitauflösung.In essay 5 by T ucoulou et al. (High frequency electro-acoustic chopper for synchrotron radiation, Nuclear Instruments and Methods B, 132, 1997, 207-213) describes a device which is intended for use at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), in which an X-ray pulse is isolated from a sequence. This isolated X-ray pulse lies in the middle of the 1.8 µs long pause between two pulses from the beam source. In the device, a surface wave (English: Surface Acoustic Wave, SAW) is sent as a periodic deformation over the surface of an optical element (crystal). Since this surface wave is much slower than the speed of light, the Movement of the wave has no effect on scattering or diffraction and can be viewed as static deformation. The time resolution of the device is determined by the time that the surface wave needs to move over the distance of the beam diameter on the surface of the optical element and is therefore limited. In addition, the size or the beam diameter of the beam has a strong influence on the time resolution. The larger the diameter, the slower the device or the worse the time resolution.

In der WO 2013/ 057 046 A1 ist ein Spiegel offenbart, der ein piezoelektrisches Material umfasst, mit dem die Reflexivität des Spiegels bezüglich bestimmter Wellenlängen durch Anlegen einer Spannung beinflussbar ist. Die Schichtdicke der reflektierenden, piezoelektrischen Beschichtung wird dabei durch die angelegte Spannung beeinflusst, wodurch sich die Reflexionseigenschaften bezüglich des Wellenlängenmaximums der Reflexion ändert.In the WO 2013/057 046 A1 a mirror is disclosed which comprises a piezoelectric material with which the reflectivity of the mirror with respect to certain wavelengths can be influenced by applying a voltage. The layer thickness of the reflective, piezoelectric coating is influenced by the applied voltage, which changes the reflection properties with respect to the wavelength maximum of the reflection.

Die im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen hängen in ihren Eigenschaften stark von den vorgegebenen Strukturen und deren Eigenschaften ab.The properties of the arrangements described in the prior art depend heavily on the given structures and their properties.

AufgabenstellungTask

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zur Manipulation oder Erzeugung von Röntgenpulsen anzugeben, mit denen eine hohe Wiederholrate bis in den GHz-Bereich erzeugbar ist und wobei die Anordnung flexibel ausgestaltbar ist, bei gleichzeitig hohem Kontrast und hoher Beugungseffizienz und mit denen Einzelpulse mit kurzer Pulsdauer, d.h. bis in den Sub-Nanosekundenbereich erzeugbar sind.The object of the present invention is to provide an arrangement and a method for manipulating or generating X-ray pulses with which a high repetition rate up to the GHz range can be generated and wherein the arrangement can be configured flexibly, with high contrast and high diffraction efficiency and at the same time with which individual pulses with a short pulse duration, ie down to the sub-nanosecond range, can be generated.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Gegenstands des Anspruchs 1 und Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by the features of the subject matter of claim 1 and claim 5. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Verkürzung oder Erzeugung von Röntgenpulsen weist mindestens ein erstes Bauteil aus piezoelektrischem Material auf. Das Bauteil ist in praktischer Weise insbesondere quaderförmig ausgestaltet und weist mindestens eine Oberfläche auf. Die Quaderform kann dabei in einer Richtung stark verkürzt sein, so dass sich eine Platte ergibt. Die mindestens eine Oberfläche ist dabei insbesondere glatt, in dem Sinne, dass sie sich gleichmäßig erstreckt. Die Oberfläche kann dabei eben, im Sinne von flach, oder aber auch gebogen (konvex, konkav, toroidal und andere) sein. Die Oberfläche ist dabei in vorteilhafter Weise poliert.The arrangement according to the invention for shortening or generating X-ray pulses has at least one first component made of piezoelectric material. The component is designed in a practical manner, in particular cuboid, and has at least one surface. The cuboid shape can be greatly shortened in one direction, so that a plate results. The at least one surface is particularly smooth in the sense that it extends evenly. The surface can be flat, in the sense of flat, or else curved (convex, concave, toroidal and others). The surface is polished in an advantageous manner.

Als piezoelektrische Materialien, aus denen das erste Bauteil gefertigt ist, kommen alle piezoelektrischen Materialien in Betracht. Insbesondere ist das piezoelektrische Material eines aus der Gruppe, die aus folgenden Materialien gebildet ist: tetragonales Strontium Ruthenat (SrRuO₄), Lithium-Niobat (LiNbO₃), α-Quartz, LGS (Langasite; Lantan Gallium Silikat), LGT (Langatat; Lantan Galium Tantalat), CTGS (Kalzium-Tantal Galium Silikat), Galliumorthophosphat (GaPO₄), Aluminiumnitrid (AIN) und Zinkoxid (ZnO) sowie Berlinit, Minerale der Turmalingruppe, Seignettesalz und alle Ferroelektrika wie Bariumtitanat (BTO) oder Blei-Zirkonat-Titanate (PZT) und Blei-Magnesium-Niobate (PMN).All piezoelectric materials come into consideration as piezoelectric materials from which the first component is made. In particular, the piezoelectric material is one from the group which is formed from the following materials: tetragonal strontium ruthenate (SrRuO ₄ ), lithium niobate (LiNbO ₃ ), α-quartz, LGS (Langasite; Lantan Gallium Silicate), LGT (Langatat; Lantan Galium Tantalate), CTGS (calcium tantalum galium silicate), gallium orthophosphate (GaPO ₄ ), aluminum nitride (AIN) and zinc oxide (ZnO) as well as berlinite, minerals of the tourmaline group, seignette salt and all ferroelectrics such as barium titanate (BTO) or lead-zirconate Titanate (PZT) and lead magnesium niobate (PMN).

Das Material liegt dabei einkristallin, in vorteilhafter Weise mit geringen Kristallgitterdefekten vor. Die Orientierung des Einkristalls erfolgt dabei derart, dass eine Richtung im Kristallsystem des piezoelektrischen Materials, die mindestens mit einer vorhandenen Änderung und insbesondere mit der größten Änderung im Fall einer elektrischen Spannungsbelastung behaftet ist, senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche des ersten Bauteils orientiert ist. Die Änderung besteht dabei in einer elastischen Verformung, die in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung in einer Dehnung bzw. in einer Stauchung einer Gitterkonstante des piezoelektrischen Materials besteht. Die Richtung ist durch die Struktur des piezoelektrischen Materials bestimmt.The material is monocrystalline, advantageously with small crystal lattice defects. The orientation of the single crystal takes place in such a way that a direction in the crystal system of the piezoelectric material, which is subject to at least one existing change and in particular the greatest change in the case of an electrical voltage load, is oriented perpendicular to the at least one surface of the first component. The change consists in an elastic deformation which, depending on the polarity of the voltage, consists of an expansion or compression of a lattice constant of the piezoelectric material. The direction is determined by the structure of the piezoelectric material.

Die Anordnung umfasst weiterhin Elektroden. Die Polung der Elektroden kann dabei durch einen Zusammenschluss von Elektroden erfolgen oder einzeln. Die Elektroden sind aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt und insbesondere aus Metall und in besonders vorteilhafter Weise aus Aluminium. Aluminium ist in einem weiten Energiebereich, mindestens ab 4 keV der Röntgenstrahlung, in dem viele Methoden zur Anwendung kommen, nur schwach wechselwirkend, d.h. hat einen geringen Streuquerschnitt, so dass eventuelle Reflexe oder Streuung und Absorption der Elektroden an sich, vernachlässigbar sind. Entsprechend einer angedachten Wellenlänge, in dem die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzt wird, ist das Material der Elektroden gegebenenfalls anzupassen, in dem entsprechend eines mit geringem Streuquerschnitt bei der betreffenden Wellenlänge ausgewählt wird. Alle Elektroden sind zusammen auf der mindestens einen Oberfläche des ersten Bauteils angeordnet.The arrangement further comprises electrodes. The electrodes can be polarized by combining electrodes or individually. The electrodes are made of electrically conductive material and, in particular, of metal and, in a particularly advantageous manner, of aluminum. In a wide energy range, at least from 4 keV of the X-ray radiation, in which many methods are used, aluminum only interacts weakly, i.e. has a small scattering cross-section, so that any reflections or scattering and absorption of the electrodes themselves are negligible. According to an intended wavelength in which the arrangement according to the invention is used, the material of the electrodes may have to be adapted by selecting one with a small scattering cross section at the wavelength in question. All electrodes are arranged together on the at least one surface of the first component.

Die Anzahl der Elektroden in der Anordnung, durch die ein Gitter vorgegeben ist, muss genügen um konstruktive Interferenz zu bedingen und insbesondere einen einfallenden Röntgenstrahl zu beugen, d.h. mindestens ≥ 2 sein und in vorteilhafter Weise insbesondere größer 100.The number of electrodes in the arrangement, through which a grid is specified, must be sufficient to cause structural interference and in particular to bend an incident X-ray beam, i.e. at least ≥ 2 and advantageously in particular greater than 100.

Die Elektroden sind dabei zur gegensätzlichen, abwechselnden Polung, d.h. Beaufschlagung mit Spannung, vorgesehen. Die Polung der Elektroden verursacht dabei eine Dehnung oder Stauchung (einer Gitterkonstanten des piezoelektrischen Materials) in einer Richtung senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche des piezoelektrischen Materials, welches entsprechend orientiert ist (siehe oben). Es lassen sich folglich auf der Oberfläche des ersten Bauteils Dämme und Gräben an den Orten der Elektroden bilden. Da die Orte an denen die Gräben und Dämme gebildet werden durch die Kristallstruktur des ersten Bauteils bestimmt sind, bildet das Gitter, welches durch die Elektroden vorgegeben ist (Elektrodengitter), eine Überstruktur zu dem Kristallgitter in der Oberfläche des ersten Bauteils, welches auch als kristallines „Supergitter“ bezeichnet werden kann und welches einen ursprünglich durch das Kristallgitter bestimmten Reflex aufspaltet. Der ursprüngliche Bragg-Reflex wird dabei von den, durch das Elektrodengitter auf der Oberfläche des ersten Bauteils gebildete Oberflächengitter, neu entstehenden Reflexen unterschieden. Die neuen Reflexe werden als „Satelliten“ angesprochen. Abhängig von der Amplitude der Verformung auf der Oberfläche des ersten Bauteils, durch das Elektrodengitter, können dabei die Satelliten-Reflexe stärker werden als ursprüngliche Reflexe des Kristallgitters. Die Anordnung der Elektroden auf der Oberfläche gibt dabei eine Struktur für ein in der Oberfläche des ersten Bauteils zu bildendes Gitter (Oberflächengitter) vor, die in ihrer Ausformung, d.h. in den Beabstandungen und Geometrien der Elektroden, zur Beugung von Röntgenstrahlung geeignet ist, d.h. Röntgenbeugungsstrukturen. Die Elektroden liegen dabei insbesondere in einer Ausformung vor, in der diese in einer Richtung gestreckt sind, d.h. mit einem in einer Richtung verjüngten Querschnitt und insbesondere stäbchen-, streifen- oder stiftförmig und gebogen. Als Beispiele für Strukturen, die durch die Anordnung der Elektroden in der mindestens einen Oberfläche des ersten Bauteils realisierbar sind und die zur Beugung von Röntgenstrahlung geeignet sind, sind sogenannte ebene Gitter mit konstantem oder variablem Gitterabstand und Fresnel-Zonenplatten zu nennen. Alle genannten Gitter sind insbesondere auf ebenen aber auch auf gebogenen Oberflächen zu realisieren. Durch die Ausbildung einer Struktur, die zur Beugung geeignet ist, in der Oberfläche des ersten Bauteils, und die mindestens einen Gitterabstand d aufweist, wird zu dem Zeitpunkt der Beaufschlagung der Elektroden unter einem Beugungswinkel θ, im Falle eines auf die Oberfläche einfallenden Röntgenstrahls, ein hierzu gehöriger Satelliten-Reflex gebildet. Dieser Satelliten-Reflex kann dabei zusätzlich zu denen, die schon gegebenenfalls durch das Kristallgitter bedingt auftreten erscheinen oder aber singulär auftreten. Die so gebildeten Reflexe sind zudem durch die Dauer der Beaufschlagung bzw. gegensätzliche Polung der Elektroden zeitlich begrenzt.The electrodes are provided for opposite, alternating polarity, ie application of voltage. The polarity of the Electrodes cause an expansion or compression (a lattice constant of the piezoelectric material) in a direction perpendicular to the at least one surface of the piezoelectric material, which is oriented accordingly (see above). As a result, dams and trenches can be formed on the surface of the first component at the locations of the electrodes. Since the places where the trenches and dams are formed are determined by the crystal structure of the first component, the grid that is specified by the electrodes (electrode grid) forms a superstructure to the crystal lattice in the surface of the first component, which is also called crystalline "Superlattice" can be called and which splits a reflex originally determined by the crystal lattice. The original Bragg reflex is differentiated from the newly created reflexes formed by the electrode grid on the surface of the first component. The new reflections are addressed as "satellites". Depending on the amplitude of the deformation on the surface of the first component through the electrode grid, the satellite reflections can become stronger than the original reflections of the crystal lattice. The arrangement of the electrodes on the surface provides a structure for a grid (surface grid) to be formed in the surface of the first component, the shape of which, ie the spacing and geometries of the electrodes, is suitable for diffraction of X-rays, ie X-ray diffraction structures . The electrodes are in particular in a shape in which they are stretched in one direction, ie with a cross-section tapered in one direction and in particular in the form of rods, strips or pins and curved. Examples of structures that can be implemented by arranging the electrodes in the at least one surface of the first component and that are suitable for diffraction of X-rays are so-called flat grids with constant or variable grid spacing and Fresnel zone plates. All of the grids mentioned can be implemented in particular on flat surfaces, but also on curved surfaces. By forming a structure which is suitable for diffraction in the surface of the first component and which has at least one grid spacing d, a diffraction angle θ, in the case of an X-ray beam incident on the surface, is produced at the point in time at which the electrodes are applied at a diffraction angle θ associated satellite reflex formed. This satellite reflex can appear in addition to those that may already occur due to the crystal lattice or else appear singularly. The reflections formed in this way are also limited in time by the duration of the action or opposing polarity of the electrodes.

Entscheidend bei der erfindungsgemäßen Ausbildung einer beugenden Struktur, die durch das Elektrodengitter vorgegeben ist, in der Oberfläche des ersten Bauteils, ist, dass die Beugung an der zur Beugung strukturierten bzw, modulierten Oberfläche des ersten Bauteils stattfindet bzw. in der Oberfläche, und nicht an den Elektroden bzw. dem Elektrodengitter. Die Elektroden bilden entsprechend ihrer Anordnung selbst eine Struktur, die Beugung ermöglicht. Aufgrund dessen, dass aber ein Reflex in der modifizierten Oberfläche des ersten Bauteils gebildet wird, der unter den Bedingungen der Bragg-Gleichung (Gleichung (1)) entsteht und nicht unter den Bedingungen für Beugung an einem Gitter (Gleichung (2)), wie es für die Elektroden zutrifft, ist die potentielle Beugung an dem von den Elektroden gebildeten Gitter nicht relevant, zumal die Elektroden zudem im Material so gewählt sind, dass sie kaum Streuquerschnitt bei der verwendeten Wellenlänge haben. Es ist lediglich auszuschließen, dass eventuell zusammenfallende Reflexe, des Gitters der Elektroden und der modifizierten Oberfläche des ersten Bauteils zusammenfallen. Zu beachten ist weiterhin, dass die, bei Beaufschlagung der Elektroden mit abwechselnder Polung gebildete beugende Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils immer mindestens eine doppelt so lange Periode aufweist, wie die Periode der Elektroden an sich.In the inventive formation of a diffractive structure, which is predetermined by the electrode grid, in the surface of the first component, it is decisive that the diffraction takes place on the surface of the first component that is structured or modulated for diffraction or in the surface, and not on the electrodes or the electrode grid. Depending on their arrangement, the electrodes themselves form a structure that enables diffraction. Due to the fact that a reflex is formed in the modified surface of the first component, which arises under the conditions of the Bragg equation (equation (1)) and not under the conditions for diffraction at a grating (equation (2)), such as If it applies to the electrodes, the potential diffraction on the grid formed by the electrodes is not relevant, especially since the electrodes are also chosen in the material so that they hardly have a scattering cross-section at the wavelength used. It is only to be excluded that possibly coincident reflections, of the grid of the electrodes and the modified surface of the first component coincide. It should also be noted that the diffractive structure formed in the surface of the first component when the electrodes are applied with alternating polarity always has a period that is at least twice as long as the period of the electrodes itself.

In einer ersten Ausführungsform sind die Elektroden als Plangitter (ebenes Gitter), angeordnet. Die Elektroden sind dabei jeweils von einer Seite über sie verbindende Stege mit einer Spannung beaufschlagbar, z.B. durch Kontaktierung.In a first embodiment, the electrodes are arranged as a plane grid (plane grid). The electrodes can each have a voltage applied to them from one side via webs connecting them, e.g. by making contact.

Die Anzahl der Elektroden in der Anordnung, durch die ein Gitter vorgegeben ist, muss dabei genügen um konstruktive Interferenz zu bedingen und insbesondere einen einfallenden Röntgenstrahl zu beugen, d.h. mindestens ≥ 2 sein und in vorteilhafter Weise insbesondere größer 100. Dies gilt für alle Ausführungsformen.The number of electrodes in the arrangement, through which a grid is specified, must be sufficient to cause structural interference and in particular to bend an incident X-ray beam, i.e. at least ≥ 2 and advantageously in particular greater than 100. This applies to all embodiments.

Die Elektroden sind dabei in der ersten Ausführungsform auf der mindestens einen Oberfläche des ersten Bauteils so angeordnet, dass diese symmetrisch und dabei auf der Oberfläche liegend, ineinander greifen. Dadurch sind diese in dem Bereich, in dem sie überlappen, mit einem regelmäßigen Abstand, a, beabstandet. Der Bereich der Überlappung (des Ineinandergreifens) der Elektroden entspricht dadurch dem eines Plangitters. Der Abstand a ist dabei individuell an eine bestimmte Wellenlänge einer Röntgenstrahlung, die an der beugenden Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils gebeugt werden soll anpassbar. Insbesondere ist die mindestens eine Oberfläche in dieser Ausführungsform eben (flach).In the first embodiment, the electrodes are arranged on the at least one surface of the first component in such a way that they mesh with one another symmetrically and lying on the surface. As a result, these are spaced at a regular distance, a, in the area in which they overlap. The area of the overlap (of the interlocking) of the electrodes thus corresponds to that of a plane grid. The distance a can be individually adapted to a specific wavelength of an X-ray radiation that is to be diffracted at the diffractive structure in the surface of the first component. In particular, the at least one surface is planar (flat) in this embodiment.

Diese erfindungsgemäße Anordnung von einem Bauteil aus piezoelektrischem Material und den Elektroden bewirkt, dass sich bei einer Beaufschlagung der Elektroden mit Spannung gegensätzlicher Polung, an der Oberfläche des ersten Bauteils Dämme und Gräben mit regelmäßiger Beabstandung ergeben, die der Beabstandung der ineinander greifenden Elektroden d entspricht. Die Bildung der Dämme und Gräben erfolgt dabei entsprechend der piezoelektrischen Antwort des Materials, die sich entsprechend der Polung der Elektroden als eine Dehnung oder Stauchung von Gitterkonstanten im piezoelektrischen Material manifestiert. Es wird hier also der inverse piezoelektrische Effekt genutzt. Die Dämme und Gräben ergeben entsprechend der geometrischen Ausformung der Elektroden und deren Anordnung in dieser Ausführungsform ein Gitter (entsprechend einem Plangitter), wodurch die beugende Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils gebildet ist, an dem die Beugung eines einfallenden Röntgenstrahls erfolgt.This arrangement according to the invention of a component made of piezoelectric material and the electrodes has the effect that when voltage is applied to the electrodes, opposing forces occur Poling, on the surface of the first component, dams and trenches result with regular spacing, which corresponds to the spacing of the interdigitated electrodes d. The dams and trenches are formed in accordance with the piezoelectric response of the material, which manifests itself as an expansion or compression of lattice constants in the piezoelectric material, depending on the polarity of the electrodes. The inverse piezoelectric effect is used here. In this embodiment, the dams and trenches result in a grid (corresponding to a plane grid) according to the geometrical shape of the electrodes and their arrangement, whereby the diffractive structure is formed in the surface of the first component on which the diffraction of an incident X-ray beam occurs.

Die beugende Struktur auf der Oberfläche des ersten Bauteils und damit die Beugungsbedingungen sind hingegen zeitlich durch die Dauer der Beaufschlagung der Elektroden mit Spannung gegensätzlicher Polung begrenzbar und wiederholbar. Dabei sind abhängig vom Material Wiederholraten, d.h. Frequenzen f₁, in einem Bereich von 0 Hz (als Grenzfall des quasi unendlichen Pulses bzw. stetiger Erfüllung der Beugungsbedingung) bis > 1 GHz realisierbar. Die Pulsdauern, d.h. die Zeitdauern, in denen die Beugungsbedingungen erfüllt sind, sind dabei bis in den Nanosekundenbereich verkürzbar.In contrast, the diffractive structure on the surface of the first component and thus the diffraction conditions can be limited and repeated in terms of time by the duration of the application of voltage to the electrodes of opposite polarity. Depending on the material, repetition rates, ie frequencies f ₁ , can be achieved in a range from 0 Hz (as a limit case of the quasi-infinite pulse or constant fulfillment of the diffraction condition) to> 1 GHz. The pulse durations, ie the time durations in which the diffraction conditions are met, can be shortened to the nanosecond range.

In einer anderen Ausführungsform sind die Elektroden im Gegensatz zur ersten Ausführungsform unterschiedlich beabstandet, so dass eine beugende Struktur entsprechend einem sogenannten VLS-Gitter (engl. variable line space grating, „unterschiedlicher-Linienabstand-Gitter“) bei Beaufschlagung der Elektroden auf der Oberfläche des ersten Bauteils gebildet ist. Die Beugungsbedingungen entsprechen dann ebenfalls denen der Bragg-Gleichung nur das der Abstand d örtlich begrenzt im Gitter vorliegt. Insbesondere ist die mindestens eine Oberfläche des ersten Bauteils in dieser Ausführungsform eben.In another embodiment, in contrast to the first embodiment, the electrodes are spaced differently, so that a diffractive structure corresponding to a so-called VLS grid (variable line space grating, "different line spacing grid") when the electrodes are applied to the surface of the first component is formed. The diffraction conditions then also correspond to those of the Bragg equation, only that the distance d is locally limited in the grating. In particular, the at least one surface of the first component is flat in this embodiment.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Elektroden entsprechend den Linien einer sogenannten Reflexions-Bragg-Fresnel-Zonenplatte, wie eine solche z.B. in dem Aufsatz 5 von A. Erko et al. (High-resolution diffraction X-ray optics, Optics and Precision Engineering, Vol. 15, Nr. 12, 2007, 1816-1622) beschrieben ist, angeordnet. Die Beugungsbedingungen sind hier etwas verändert gegenüber denen der Bragg-Gleichung und können dem Aufsatz 5 entnommen werden. In dieser Ausführungsform wird der einfallende Röntgenstrahl zusätzlich auch fokussiert.In a further embodiment, the electrodes are in accordance with the lines of a so-called reflection Bragg Fresnel zone plate, such as one in the article 5 of FIG A. Erko et al. (High-resolution diffraction X-ray optics, Optics and Precision Engineering, Vol. 15, No. 12, 2007, 1816-1622) is described, arranged. The diffraction conditions are slightly different here compared to those of the Bragg equation and can be found in article 5. In this embodiment, the incident X-ray beam is also focused.

Die Polung bzw. Beaufschlagung der Elektroden ist dabei nach Bedarf festzulegen.The polarity or application of the electrodes is to be determined as required.

Die Elektroden werden bevorzugt durch die physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung, durch eine geeignete Maske, auf der Oberfläche des ersten Bauteils deponiert. Andere Methoden, die ebenfalls zur Aufbringung der Elektroden in geeigneter Form dienen, sind ebenfalls einsetzbar.The electrodes are preferably deposited on the surface of the first component by physical or chemical vapor deposition, through a suitable mask. Other methods, which also serve to apply the electrodes in a suitable form, can also be used.

Die Anordnung kann auf der ersten Oberfläche und den Elektroden mit einer Schutzschicht, z.B. aus einem Polymer bedeckt sein.The arrangement can be covered on the first surface and the electrodes with a protective layer, for example made of a polymer.

Eine Ausführung auf einer gekrümmten Oberfläche des ersten Bauteils, die zugleich eine fokussierende Bedingung der Röntgenstrahlung beinhaltet, ist von der erfinderischen Idee mit beinhaltet.An embodiment on a curved surface of the first component, which at the same time contains a focusing condition of the X-ray radiation, is also included in the inventive idea.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verkürzung oder Erzeugung von Röntgenpulsen weist mindestens die im Folgenden näher erläuterten Schritte auf.The method according to the invention for shortening or generating X-ray pulses has at least the steps explained in more detail below.

Im ersten Schritt a) erfolgt zunächst das Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie oben stehend in der Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen näher bestimmt ist.In the first step a), an arrangement according to the invention is initially provided, as defined in more detail above in the description of the individual embodiments.

Anschließend erfolgt in Schritt b) das Ausrichten der mindestens einen Oberfläche des ersten Bauteils mit den Elektroden der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber einer Einfallsrichtung eines Röntgenstrahls, so dass die Beugungsbedingungen für einen Beugungswinkel Θ_x der beugenden Struktur in der modifizierten Oberfläche des ersten Bauteils unter Beaufschlagung der Elektroden, erfüllt sind.Then, in step b), the at least one surface of the first component is aligned with the electrodes of the arrangement according to the invention with respect to a direction of incidence of an X-ray beam, so that the diffraction conditions for a diffraction angle Θ _{x of} the diffractive structure in the modified surface of the first component when the electrodes are applied , are met.

Zur funktionalen Ausbildung der beugenden Struktur auf der Oberfläche des ersten Bauteils werden dann in Schritt c) die Elektroden mit Spannung beaufschlagt, d.h. gegensätzlich gepolt. Dadurch wird die beugende Struktur in der Oberfläche ausgebildet und somit funktional, wie oben stehend näher erläutert. Die Zeitdauer der Polung der Elektroden hängt dabei von der benötigten Pulslänge ab. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Zeitdauern der Polung, t₁, und damit Pulslängen erzeugen, die kürzer als eine Nanosekunde (< 1 ns) sind. Um die Röntgenpulse zu erzeugen, muss mindestens abschnittsweise während der Polung der Elektroden ein Röntgenstrahl auf das gebildete Plangitter einfallen. Die Zeitdauer, in der der Röntgenstrahl auf die Oberfläche des ersten Bauteils der Anordnung fällt, liegt dabei in einem Bereich von kontinuierlich bis zu kürzer als die Zeitdauer einer Polung und überlappt dabei mindestens teilweise mit dieser. So werden Röntgenpulse erzeugt oder manipuliert bzw. selektiert.For the functional formation of the diffractive structure on the surface of the first component, voltage is then applied to the electrodes in step c), that is to say they are polarized in opposite directions. As a result, the diffractive structure is formed in the surface and is therefore functional, as explained in more detail above. The duration of the polarity of the electrodes depends on the required pulse length. With the device according to the invention, polarity periods, t ₁ , and thus pulse lengths can be generated which are shorter than one nanosecond (<1 ns). In order to generate the X-ray pulses, an X-ray beam must be incident on the plane lattice formed at least in sections while the electrodes are being polarized. The period of time in which the X-ray beam falls on the surface of the first component of the arrangement is in a range from continuous to shorter than the period of a polarity and at least partially overlaps with it. X-ray pulses are generated, manipulated or selected in this way.

Der Schritt c), d.h. die Erzeugung von Röntgenpulsen wird im Schritt d) beliebig oft wiederholt. Erfindungsgemäß sind dabei Frequenzen der so erzeugten Röntgenpulse erzielbar, die im GHz-Bereich liegen.Step c), ie the generation of X-ray pulses, is repeated as often as desired in step d). According to the invention, frequencies of the X-ray pulses generated in this way can be achieved which are in the GHz range.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Frequenz f₁, in der die Elektroden gepolt werden, abstimmbar mit einer Frequenz f₂, eines auf die Oberfläche des ersten Bauteils der Anordnung einfallenden, gepulsten Röntgenstrahls. Insbesondere ist die Frequenz f₁ dabei so auf die Frequenz f₂ der einfallenden Röntgenstrahlen abgestimmt, dass von den einfallenden Röntgenpulsen nur sequentiell Pulse zur Beugung kommen, so dass die Frequenz der gebeugten Röntgenstrahlen gleich der Frequenz f₁ der Polung der Elektroden ist. Dies bedeutet mit andern Worten, dass die Frequenz f₂ (ausgenommen der einfachste Fall kontinuierlicher Röntgenstrahlung) einfallender Röntgenpulse ein Vielfaches der Frequenz f₁ ist. Jeder n-te Puls des einfallenden Röntgenstrahls wird gebeugt. Die Anpassung der Frequenz der Elektroden f₁ ist dabei auch an ein Pulsmuster einer Röntgenpulsquelle, wie z.B. Synchrotron anpassbar, in dem z.B. Abfolgen von Pulssequenzen vorliegen können.According to one embodiment, the frequency f ₁ at which the electrodes are polarized can be tuned to a frequency f ₂ , of a pulsed X-ray beam incident on the surface of the first component of the arrangement. In particular, the frequency f _{1 is} matched to the frequency f _{2 of} the incident X-rays so that only sequential pulses are diffracted from the incident X-ray pulses, so that the frequency of the diffracted X-rays is equal to the frequency f _{1 of} the polarity of the electrodes. In other words, this means that the frequency f ₂ (with the exception of the simplest case of continuous X-ray radiation) of incident X-ray pulses is a multiple of the frequency f ₁ . Every nth pulse of the incident X-ray beam is diffracted. The adaptation of the frequency of the electrodes f ₁ can also be adapted to a pulse pattern of an X-ray pulse source, such as a synchrotron, in which, for example, sequences of pulse sequences can be present.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass sie kostensparend und individuell anpassbar ist sowie gleichzeitig mit ihr in dem erfindungsgemäßen Verfahren gepulste Röntgenstrahlung in einem Frequenzbereich im GHz Bereich erzeugbar ist. Der Vorteil ist besonders auch durch den Umstand gegeben, dass in der erfindungsgemäßen Anordnung die Geschwindigkeit eines Schaltvorgangs zur Erzeugung der Röntgenpulse bestimmt ist durch die Beaufschlagung der Elektroden mit Spannung und somit viel schneller als im Stand der Technik. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Anordnung nicht abhängig von Strahlgrößen oder mechanischen Beschränkungen.The arrangement according to the invention has the advantage that it is cost-saving and individually adaptable and, at the same time, it can be used to generate pulsed X-rays in a frequency range in the GHz range in the method according to the invention. The advantage is given in particular by the fact that in the arrangement according to the invention the speed of a switching process for generating the X-ray pulses is determined by the application of voltage to the electrodes and thus much faster than in the prior art. Furthermore, the arrangement according to the invention is not dependent on jet sizes or mechanical restrictions.

AusführungsbeispielEmbodiment

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen und anhand von 2 Figuren näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail in exemplary embodiments and with reference to two figures.

Die Figuren zeigen:

1: Schematischer Querschnitt a) und Aufsicht b) einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit spannungsfreien Elektroden.
2: Schematischer Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung mit gegensätzlich gepolten Elektroden, die beugende Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils ist ausgebildet.

The figures show:

1 : Schematic cross-section a) and top view b) of an arrangement according to the invention, with voltage-free electrodes.
2 : Schematic cross section of an arrangement according to the invention with oppositely polarized electrodes, the diffractive structure is formed in the surface of the first component.

Die 1 a) zeigt einen schematischen Querschnitt, nicht maßstabsgetreu, der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Querschnitt ist senkrecht zu den Elektroden ZE geführt. Der Abstand a der Elektroden ZE ist eingezeichnet. Eine potentielle Polung der Elektroden ZE ist durch die eingeklammerten „+“- und „-‟-Zeichen angedeutet. In dieser Abbildung sind die Elektroden nicht mit Spannung beaufschlagt. Eine Aufsicht auf die mindestens eine Oberfläche O des ersten Bauteils ist in 1 b) gezeigt. Die Elektroden ZE, die symmetrisch ineinander greifen und die auf der Oberfläche O angeordnet sind, sind hier gezeigt. Der Bereich, in dem potentiell die beugende Struktur in der Oberfläche ausgebildet ist, für den Fall, dass die Elektroden gegensätzlich gepolt sind, ist in dem strichpunktierten Gebiet angedeutet. Der Abstand a der Elektroden ZE ist ebenfalls gezeigt. Die Elektroden bilden dabei eine Struktur entsprechend einem Plangitter.The 1 a) shows a schematic cross section, not true to scale, of the arrangement according to the invention. The cross section is perpendicular to the electrodes ZE. The distance a between the electrodes ZE is shown. A potential polarity of the electrodes ZE is indicated by the bracketed "+" and "-" signs. In this figure there is no voltage applied to the electrodes. A plan view of the at least one surface O of the first component is shown in FIG 1 b) shown. The electrodes ZE, which intermesh symmetrically and which are arranged on the surface O, are shown here. The area in which the diffractive structure is potentially formed in the surface, in the event that the electrodes are polarized in opposite directions, is indicated in the dot-dash area. The distance a between the electrodes ZE is also shown. The electrodes form a structure corresponding to a plane lattice.

In der 2 ist der schematische Querschnitt, nicht maßstabsgetreu, der erfindungsgemäßen Anordnung der 1 a) gezeigt, mit dem Unterschied, dass die Elektroden hier gegensätzlich gepolt sind. Die Antwort des Materials des ersten Bauteils der Anordnung, dass aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist, auf die gegensätzliche Polung der Elektroden ist als die Ausformung von Dämmen und Gräben auf der mindestens einen Oberfläche O und damit der Bildung der beugenden Struktur gegeben. Der doppelte Abstand a entspricht der Gitterperiode d, die die Wellenlängen der einfallenden Röntgenstrahlung, die an dem Plangitter gebeugt werden bestimmt.In the 2 FIG. 3 is the schematic cross section, not to scale, of the inventive arrangement of FIG 1 a) shown, with the difference that the electrodes are polarized in opposite directions. The response of the material of the first component of the arrangement, which is made of a piezoelectric material, to the opposite polarity of the electrodes is given as the formation of dams and trenches on the at least one surface O and thus the formation of the diffractive structure. Twice the distance a corresponds to the grating period d, which determines the wavelengths of the incident X-rays that are diffracted at the plane grating.

In dem Ausführungsbeispiel ist das erste Bauteil der erfindungsgemäßen Anordnung aus Lithium-Niobat (LiNbO₃) gebildet und als Schicht ausgeformt. Die Elektroden sind direkt auf der Oberfläche dieser Schicht angeordnet und aus Aluminium gebildet. Sie haben eine Länge von 1 mm. Ihre Dicke beträgt 100 nm. Der Abstand a der einzelnen Elektroden beträgt 1 µm. Die Breite b der Elektroden beträgt ebenso 1 µm und damit beträgt die Gitterperiode $d = 2 * a + 2 * b = 4 μ m .$

In the exemplary embodiment, the first component of the arrangement according to the invention is formed from lithium niobate (LiNbO ₃ ) and shaped as a layer. The electrodes are arranged directly on the surface of this layer and are made of aluminum. They have a length of 1 mm. Its thickness is 100 nm. The distance a between the individual electrodes is 1 μm. The width b of the electrodes is also 1 µm and thus the grating period is

d = 2 * a + 2 * b = 4th μ m .

Im Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren, wird die im obigen Ausführungsbeispiel näher gekennzeichnete erfindungsgemäße Anordnung eingesetzt zur Erzeugung von Röntgenpulsen. Die Anordnung wird unter dem Beugungswinkel θ_x, entsprechend einem Gitterabstand d in der beugenden Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils, in Einfallsrichtung einer kontinuierlichen Laborquelle so angeordnet, dass die Beugungsbedingungen erfüllt sind. Die Elektroden werden im Ausführungsbeispiel mit kurzen Pulsen von 50 ns Dauer und einer Spannung von 10 V mit einer Wiederholungsrate von 1 Mhz beaufschlagt. Dabei kommt es zu einer kurzfristigen Ausformung der beugenden Struktur in der Oberfläche des ersten Bauteils in der Anordnung und somit zu Röntgenpulsen der Länge 50 ns mit einer Frequenz von 1Mhz.In the exemplary embodiment for the method according to the invention, the arrangement according to the invention characterized in more detail in the above exemplary embodiment is used to generate X-ray pulses. The arrangement is arranged at the diffraction angle θ _x , corresponding to a lattice spacing d in the diffractive structure in the surface of the first component, in the direction of incidence of a continuous laboratory source so that the diffraction conditions are met. In the exemplary embodiment, short pulses of 50 ns duration and a voltage of 10 V with a repetition rate of 1 MHz are applied to the electrodes. This results in a brief formation of the diffractive structure in the surface of the first component in the arrangement and thus X-ray pulses with a length of 50 ns at a frequency of 1 MHz.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird die oben beschriebene erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung an einer Synchrotronstrahlungsquelle verwendet, um aus der von der Quelle gegebenen Pulsfolge Pulse zu selektieren. Die Frequenz f₁ mit der die Elektroden beaufschlagt werden wird elektronisch mit der Umlaufzeit der Elektronen in dem Synchrotron synchronisiert. In einem Umlauf von Elektronen erzeugen Synschrotronstrahlungsquellen mehrere hundert pulse. Der Spannungspuls, mit dem die Elektroden beaufschlagt werden, wird nur für eine Dauer eingeschaltet, die von ihrer Länge so angepasst ist, dass nur ein Puls der per Umlauf generierten Pulse selektiert wird, d.h. zur Beugung kommt. Die Spanungspulse sind dabei elektronisch verzögerbar, so dass bestimmte Röntgenpulse ausgewählt werden können. Das ist vorteilhaft, wenn die Pulse der Synchrotronstrahlungsquelle pro Umlauf der Elektronen unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen.In a further exemplary embodiment of the method according to the invention, the above-described first embodiment of the arrangement according to the invention is used on a synchrotron radiation source in order to select pulses from the pulse train given by the source. The frequency f ₁ with which the electrodes are applied is electronically synchronized with the rotation time of the electrons in the synchrotron. Synschrotron radiation sources generate several hundred pulses in one cycle of electrons. The voltage pulse with which the electrodes are applied is only switched on for a duration whose length is adapted so that only one pulse of the pulses generated per cycle is selected, ie is diffracted. The voltage pulses can be electronically delayed so that certain X-ray pulses can be selected. This is advantageous if the pulses from the synchrotron radiation source have different physical properties per revolution of the electrons.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das erste Bauteil der Anordnung als Teil eines Doppel-Kristall-Monochromators für Röntgenstrahlung verbaut. Der erste Kristall in dem Doppel-Kristall-Monochromator ist dabei aus dem gleichen Material gefertigt wie das erste Bauteil der erfindungsgemäßen Anordnung, jedoch ohne Elektroden. Der zweite Kristall in dem Monochromator entspricht dann der erfindungsgemäßen Anordnung. Diese spezielle Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet einen zusätzlichen Vorteil: Es kann der einfallende Röntgenstrahl bzw. -puls monochromatisiert werden und gleichzeitig Pulse erzeugt bzw. selektiert werden. Praktisch ist in dieser Anwendung auch, dass der Strahl nach dem Passieren des Doppel-Kristall-Monochromators in derselben Richtung propagiert, wie der einfallende Röntgenstrahl.In a further exemplary embodiment, the first component of the arrangement is installed as part of a double-crystal monochromator for X-rays. The first crystal in the double-crystal monochromator is made of the same material as the first component of the arrangement according to the invention, but without electrodes. The second crystal in the monochromator then corresponds to the arrangement according to the invention. This special application of the arrangement according to the invention for carrying out the method according to the invention offers an additional advantage: the incident X-ray beam or pulse can be monochromatized and pulses can be generated or selected at the same time. It is also practical in this application that the beam propagates in the same direction as the incident X-ray beam after passing through the double-crystal monochromator.

Claims

Arrangement for manipulating or generating X-ray pulses, at least comprising a first component made of piezoelectric material and electrodes and wherein the first component has at least one surface, characterized in that the material of the first component is monocrystalline and that all electrodes are applied together on the at least one surface and the electrodes are spaced apart and geometrically shaped in such a way that they form a structure which is suitable for the diffraction of X-rays.

Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the electrodes are spaced and shaped according to a plane grid.

Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the electrodes are spaced and shaped according to a VLS grid.

Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the electrodes are spaced and shaped in accordance with a reflection Bragg Fresnel zone plate.

A method for manipulating or generating x-ray pulses at least comprising the steps: a) providing an arrangement according to one of the Claims 1 to 4th ; b) aligning the at least one surface of the first component of the arrangement with respect to a direction of incidence of an X-ray beam, so that the diffraction conditions for a diffraction angle Θ _{x are met} in a diffractive structure in the surface of the first component that is present when the electrodes are applied; c) exposure of the electrodes of the arrangement for a first period of time t ₁ and irradiation of an X-ray beam in the direction of incidence on the arrangement at least in sections during the first period of time t ₁ and d) any number of repetitions of step c) at a first frequency f ₁ .

Process for manipulating or generating X-ray pulses according to Claim 5 , characterized in that the first frequency f _{1 is} tuned to a second frequency f ₂ , which is determined by a pulsed X-ray beam radiating onto the at least one surface of the arrangement.