DE10204218A1

DE10204218A1 - Low temperature radiation receiver protection unit, e.g. for detector, comprises capillary lens cooled to low temperature and placed in radiation path

Info

Publication number: DE10204218A1
Application number: DE2002104218
Authority: DE
Inventors: Valeri S Edelman; Rudolf Herrmann
Original assignee: IAP INST fur ANGEWANDTE PHOTO
Current assignee: IAP INST fur ANGEWANDTE PHOTO
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: DE10204218C2

Abstract

An arrangement for protecting a low temperature radiation receiver, e.g. a detector or a probe, against infra-red radiation, comprises a capillary lens (9) cooled to low temperature and placed in the radiation path. The capillaries allow the short wavelength radiation to penetrate, but absorb the infra red radiation, so the short wavelength radiation can be focussed on the detector (4).

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Schutz eines Strahlungsempfängers kurzwelliger Strahlung wie ein Röntgendetektor, auf den zum Beispiel Röntgenstrahlung trifft, und der auf tiefe oder auch sehr tiefe Temperaturen abgekühlt ist, vor Infrarotstrahlung. The invention describes a device for protecting a Radiation receiver short-wave radiation like a X-ray detector that is hit by X-rays, for example, and that to low or very low temperatures has cooled, before infrared radiation.

Die Fokussierung von Röntgenstrahlung auf Proben oder allgemein auf Strahlungsempfänger, die sich auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff (77 K) oder flüssigem Helium (4,2 K) und noch tieferen Temperaturen befinden, erfolgt nach dem bekannten Stand der Technik dadurch, dass sich das fokussierende Element, z. B. eine Röntgenkapillarlinse, die aus gebogenen Glaskapillaren besteht, vor dem Kryostaten, in dem die Kühlung der Strahlungsempfänger oder Proben erfolgt, angeordnet wird. The focus of x-rays on samples or generally referring to radiation receivers Temperatures of liquid nitrogen (77 K) or liquid helium (4.2 K) and even lower temperatures according to the known prior art in that the focusing element, e.g. B. an X-ray capillary lens, the consists of curved glass capillaries, in front of the cryostat, in which the cooling of the radiation receiver or samples takes place, is arranged.

Damit Röntgenstrahlung auf die Detektoren oder Proben gelangt, werden an das Dewargefäß, in dem sich die Detektoren oder Proben zur Kühlung befinden, zum Schutz vor Wärmeverlusten und zur Aufrechterhaltung der Isolationsvakua, mindestens drei Fenster angebracht, die sich auf den entsprechenden Temperaturniveaus von ≤ 4.2 K, einer Zwischentemperatur meist von 77 K und Zimmertemperatur befinden. Diese Fenster müssen die von außen einfallende Infrarotstrahlung weitgehend von den Strahlungsempfängern oder Proben fernhalten, damit diese nicht erwärmt werden. So that X-rays on the detectors or samples get to the Dewar, in which the Detectors or samples for cooling are located to protect against Heat loss and to maintain the Isolation vacuum, at least three windows attached to the corresponding temperature levels of ≤ 4.2 K, one Intermediate temperature mostly of 77 K and room temperature are located. These windows must be those from the outside Infrared radiation largely from the radiation receivers or keep samples away so that they are not heated.

Das ist jedoch auch stets mit einer starken Abschwächung der einfallenden Röntgenstrahlung verbunden (R. Wedell: "Röntgenlichtleiter in der Analysentechnik", Physikalische Blätter, Bd. 52, No. 11 (1996) 1134-1136; V. Arkadiev et al.: "Application of capillary optics in modern scientific instrumentation", Surface Vol. 1 (2000) 48-54). However, this is always with a strong slowdown the incident X-rays (R. Wedell: "X-ray light guide in analysis technology", physical Blätter, Vol. 52, No. 11 (1996) 1134-1136; V. Arkadiev et al .: "Application of capillary optics in modern scientific instrumentation ", Surface Vol. 1 (2000) 48-54).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu beschreiben, mit der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit der gewährleistet ist, dass Strahlungsempfänger wie Röntgendetektoren oder Proben vor Infrarotstrahlung nahezu vollständig geschützt werden. The object of the invention is to provide a device describe the disadvantages of the prior art avoided and which ensures that Radiation receivers such as X-ray detectors or samples Infrared radiation can be almost completely protected.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This task is accomplished by a device with the features of claim 1 solved.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine auf tiefe Temperaturen gekühlte Kapillarlinse in den Strahlengang der Strahlung so eingebracht ist, dass deren Kapillare die kurzwellige Strahlung durchlassen, deren Wände aber die Infrarotstrahlung absorbieren, so dass die kurzwellige Strahlung ohne Schwächung auf den Detektor fokussiert wird und dabei mindestens zwei Fenster zum Fernhalten der Infrarotstrahlung vom Detektor eingespart sind. The device according to the invention is thereby characterized that a cooled to low temperatures Capillary lens in the beam path of radiation so is introduced that the capillary is the short-wave Allow radiation, but the walls of which Absorb infrared radiation, so the short-wave Radiation is focused on the detector without attenuation and at least two windows to keep the Infrared radiation from the detector are saved.

Durch diese Art der Anordnung einer Kapillarlinse wird der Einsatz von gekühlten Fenstern mit der damit verbundenen Schwächung der Röntgenstrahlung vermieden. Der Schutz der Strahlungsempfänger vor Infrarotstrahlung wird ohne starke Schwächung der Röntgenstrahlung mit weniger Aufwand als bisher effizienter erreicht. This type of arrangement of a capillary lens will Use of cooled windows with the associated X-ray attenuation avoided. Protection of Radiation receiver before infrared radiation is without strong X-ray attenuation with less effort than previously achieved more efficiently.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben. Advantageous embodiments of the invention are in Subclaims described.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Schutz von tiefgekühlten Röntgendetektoren vor Infrarotstrahlung beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: The invention is described below in one embodiment a device for the protection of frozen X-ray detectors described before infrared radiation. In the associated drawing show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Röntgenquelle und eines Röntgendetektors nach dem bekannten Stand der Technik, Fig. 1 is a schematic representation of the arrangement of an X-ray source and an X-ray detector according to the known state of the art,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 is a schematic representation of the device according to the invention and

Fig. 3 die schematische Darstellung einer geometrischen Ausführung der Kapillarlinse in der Vorrichtung nach Fig. 2. Fig. 3 is a schematic representation of a geometric design of the capillary lens in the apparatus of FIG. 2.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 befinden sich nach dem bekannten Stand der Technik die Strahlungsempfänger, zum Beispiel ein Röntgendetektor 4, zum Schutz vor Wärmeverlusten und einfallender Wärmestrahlung in einem Heliumdewargefäß 1, das eine Temperatur von 4.2 K oder darunter hat, das noch von einem Stickstoffdewargefäß 2 umgeben wird, das eine Temperatur von 77 K hat. Beide Gefäße 1, 2 befinden sich in einem Vakuumgefäß 3, welches sich auf Zimmertemperatur befindet. Alle drei Gefäße 1 bis 3 sind durch Hochvakuum gegeneinander wärmeisoliert. According to the representation in FIG. 1, according to the known prior art, the radiation receivers, for example an X-ray detector 4 , are located in a helium dewar 1 , which has a temperature of 4.2 K or below, to protect against heat losses and incident heat radiation, which is still from is surrounded by a nitrogen dewar 2 , which has a temperature of 77 K. Both vessels 1 , 2 are in a vacuum vessel 3 , which is at room temperature. All three vessels 1 to 3 are thermally insulated from one another by high vacuum.

Für die Detektierung von Röntgenstrahlung mit einem Detektor 4, der sich in dem Dewargefäß 1 auf tiefe Temperaturen ≤ 4.2 K befindet, müssen also zwischen einer Röntgenquelle 8 und dem Detektor 4 mindestens drei Fenster 5 bis 7, die sich auf unterschiedlichen Temperaturen, von 4.2 K, einer Zwischentemperatur, meistens 77 K, und Zimmertemperatur, befinden, angeordnet werden (siehe Fig. 1) Diese Fenster 5 bis 7 müssen auch den Einfall der Infrarotstrahlung auf den Detektor 4 verhindern. Dabei muss die einfallende Infrarotstrahlung vom äußeren Fenster 5, das sich auf Zimmertemperatur befindet, bis zum Detektor 4 um das Zehntausendfache abgeschwächt werden. Das ist für die Arbeit von Detektoren 4, die auf Temperaturen bis zu 0.05 K abgekühlt sind, unumgänglich, um das Rauschen des Detektors 4 so stark zu erniedrigen, dass damit die Registrierung der Röntgenstrahlung mit hoher energetischer Auflösung ermöglicht wird. For the detection of X-rays with a detector 4 , which is located in the dewar 1 at low temperatures 4.2 4.2 K, at least three windows 5 to 7 , which are at different temperatures, of 4.2 K must be between an X-ray source 8 and the detector 4 , an intermediate temperature, mostly 77 K, and room temperature, are arranged (see Fig. 1). These windows 5 to 7 must also prevent the infrared radiation from entering the detector 4 . The incident infrared radiation from the outer window 5 , which is at room temperature, to the detector 4 must be attenuated ten thousand times. This is essential for the work of detectors 4 , which are cooled to temperatures down to 0.05 K, in order to reduce the noise of the detector 4 to such an extent that it enables the registration of the X-rays with high energy resolution.

Auch wenn zur Fokussierung der Röntgenstrahlung auf den Detektor 4 vor diesen Fenstern 5 bis 7 eine Röntgenkapillarlinse 9 entsprechend der Fig. 1 angeordnet wird, ist bei diesem Vorgehen die Abschwächung der einfallenden Röntgenstrahlung durch die Fenster 5 bis 7 die gleiche. Even if an x-ray capillary lens 9 according to FIG. 1 is arranged in front of these windows 5 to 7 to focus the x-ray radiation on the detector 4 , the attenuation of the incident x-ray radiation by the windows 5 to 7 is the same in this procedure.

Insbesondere wird die Röntgenstrahlung im Bereich zwischen 100 eV und einigen keV durch die Fenster 5 bis 7 stark geschwächt. Das ist aber gerade der Energiebereich, der insbesondere auch in der Röntgenmikroanalyse leichter Elemente notwendig ist. In particular, the X-rays in the range between 100 eV and a few keV are strongly weakened by windows 5 to 7 . However, this is precisely the energy range that is particularly necessary in X-ray microanalysis of light elements.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die notwendige Anzahl der Fenster verringert oder ganz vermieden und damit die Vergrößerung der durchgelassenen Röntgenstrahlungsintensität und gleichzeitig eine stärkere Abschwächung der Infrarotstrahlung erreicht werden. This problem is solved by the device according to the invention solved that the necessary number of windows reduced or avoided entirely and thus the enlargement the transmitted x-ray intensity and at the same time a stronger weakening of the Infrared radiation can be achieved.

Es wird erfindungsgemäß die Röntgenkapillarlinse 9 anstelle der Fenster 6 bis 7 zwischen den unterschiedlichen Temperaturniveaus angebracht, wie es die Fig. 2 zeigt. According to the invention, the x-ray capillary lens 9 is fitted between the different temperature levels instead of the windows 6 to 7 , as shown in FIG. 2.

Der mit der Vorrichtung nach der Erfindung erreichte Effekt ergibt sich aus der folgenden Betrachtung und der Darstellung in der Fig. 3:
Eine Abschwächung der Infrarotstrahlung durch die Kapillarlinse 9 ergibt sich schon allein aus geometrischen Überlegungen. The effect achieved with the device according to the invention results from the following consideration and the illustration in FIG. 3:
A weakening of the infrared radiation by the capillary lens 9 arises solely from geometric considerations.

Für gerade Kapillare ist der Anteil der durchgelassenen Infrarotstrahlung abhängig von deren Größe gemäß der Beziehung (d/l)², wobei 1 die Länge der Linse, d der Durchmesser der Kapillaren ist. For straight capillaries, the proportion of the transmitted infrared radiation depends on its size according to the relationship (d / l) ² , where 1 is the length of the lens, d is the diameter of the capillaries.

Für d = 10 µm und 1 = 10 cm ergibt sich für die Durchlässigkeit ein Wert von 10^-8. Eine solche Abschwächung ist für die Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit des Detektors völlig ausreichend. For d = 10 µm and 1 = 10 cm, the permeability is 10 ^-8 . Such a weakening is completely sufficient to maintain the functionality of the detector.

Die Krümmung der Kapillaren sowie Beugung und Brechung der Infrarotstrahlung am Ausgang der Linse führen zu einer zusätzlichen Schwächung der Strahlung. Auf diese Weise ist eine Röntgenkapillarlinse für Infrarotstrahlung ein absolut schwarzer Körper. The curvature of the capillaries and the diffraction and refraction of the Infrared radiation at the exit of the lens lead to a additional attenuation of the radiation. That way an x-ray capillary lens for infrared radiation an absolutely black body.

Die zum Detektor gerichtete Stirnseite der Linse strahlt nur einen Wärmestrom von Q = σST⁴ in den Raumwinkel 2π. Dabei sind a = 5,7 × 10^-12 W/cm² K die Stefan-Boltzmann- Konstante, S die Stirnfläche der Linse und T ihre Temperatur. Die Linse ist also bei Temperaturen ≤ 4,2 K für die Infrarotstrahlung völlig undurchlässig. Bezugszeichenliste 1 Heliumdewargefäß
2 Stickstoffdewargefäß
3 Vakuumgefäß
4 Strahlungsempfänger/Detektor/Probe
5 1. Fenster
6 2. Fenster
7 3. Fenster
8 Röntgenquelle
9 Röntgenkapillarlinse
d Kapillarendurchmesser
l Kapillarlinsenlänge
S Stirnfläche der Kapillarlinse
The face of the lens facing the detector only radiates a heat flow of Q = σST ⁴ in the solid angle 2π. Here a = 5.7 × 10 ^-12 W / cm ² K is the Stefan-Boltzmann constant, S the end face of the lens and T its temperature. The lens is therefore completely opaque to infrared radiation at temperatures ≤ 4.2 K. LIST OF REFERENCES 1 Heliumdewargefäß
2 nitrogen dewar
3 vacuum vessel
4 radiation receiver / detector / sample
5 1st window
6 2nd window
7 3rd window
8 X-ray source
9 X-ray capillary lens
d capillary diameter
l Capillary lens length
S end face of the capillary lens

Claims

1. Device for protecting a radiation receiver cooled to low temperatures and exposed to radiation, such as a detector or a sample, from infrared radiation, characterized in that a capillary lens ( 9 ) cooled to low temperatures is introduced into the beam path of the radiation in such a way that its capillary let the short-wave radiation pass, but whose walls absorb the infrared radiation, so that the short-wave radiation is focussed on the detector ( 4 ) without weakening and at least two windows ( 6 , 7 ) for keeping the infrared radiation away from the detector ( 4 ) are saved.

2. Device according to claim 1, characterized in that a glass X-ray capillary lens is used, the long, curved, about 10 µm narrow capillary let through X-rays, but the walls absorb the infrared radiation, the capillary lens ( 9 ) the temperature difference between room temperature or an intermediate temperature and bridged 4.2 K.