DE2511926C3 - Vorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Röntgen- oder rbereich und zu deren weiterer Führung auf einer ringförmigen Bahn - Google Patents

Description

worin θ der Auftreffwinkel der Strahlung auf den Rinnengrund ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Radius (r) des Rinnenquerschnitts zum Radius (R) des Hohlzylindermantels im Rinnengrund verhält wie

η λ I

worin λ die Wellenlänge der erzeugten Strahlung, d die Weite des Kristallgitters des Mantelwerkstoffes, 4 > π eine ganze Zahl ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der GB-PS 13 48 207 wird erläutert, wie ein solcher hohlzylindrischer Ringresonator im Gammabereich mit einem Plasma großer Dichte und hoher Temperatur arbeiten kann. Die durch den seitlichen Öffnungsspalt eintretende pulsförmige Laserstrahlung wird auf einen Schirm fokussiert, der hinter dem Spalt angeordnet ist. Der Aufprall des Laserstrahles auf den Schirm erzeugt eine Plasmawolke, deren Wechselwirkung mit dem Laserstrahl eine Strahlung im Gamma- oder UV-Bereich erzeugt, die längs der Innenwand des Hohlzylindermantels umläuft und durch ein Fenster in diesem

tangential austritt

Bei diesem bekannten Ringresonator kann die Gamma- oder UV-Strahlung nur durch Wechselwirkung mit der Plasmawolke und nicht durch direkte Einwirkung auf den Schirm erzeugt werden; der größte Teil einer solchen Strahlung würde durch den Öffnungsspalt wieder aus dem Resonator austreten. Der Wechselwirkungsbereich ist aber auf die unmittelbare Umgebung der vom Laserstrahl getroffenen Schirmfläehe beschränkt Ein großer Teil der Laserstrahlenergie wird zur Anregung des Plasmas verbraucht Der von der Restenergie erzeugte Gamma- oder UV-Strahl ist schlecht gebündelt so daß weitere Verluste durch erratische Reflexion und eine Ausblendung von Randbereichen des Strahles durch den Fensterrand hervorgerufen werden.

Die bekannte Vorrichtung setzt die Anregungseuergie daher mit schlechtem Wirkungsgrad um, und die erzeugte Gamma- cder UV-Strahlung ist unregelmäßig, instabil und für viele Anwendungen zu schwach.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der Röntgen- bzw. Gammastrahlen erhöht wird und daß die erzeugten Strahlen gut gebündelt und unter Vermeidung von Verlusten weitergeführt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Dabei wird auf dem Grund der Rinne durch Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Rinnenwerkstoff die Röntgen- bzw. Gammastrahlung erzeugt und dann in dieser Rinne wie in einem halben, offenen Hohlleiter unabhängig von ihrer Wellenlänge auf einer Ringbahn geführt und in Zonen konzentriert die sich längs des ganzen Umfanges des Ringresonators erstrecken. Während in dem bekannten Ringresonator nur UV- und weiche Röntgenstrahlen erzeugt werden können, können in dem erfindungsgemäßen Ringresonator auch harte Gammastrahlen erzeugt werden, d. h. eine Strahlung, deren Wellenlänge wesentlich kleiner als die Weite des Kristallgitters des Rinnenwerkstoffs ist.

Ferner ist es nicht von vorneherein auszuschließen, daß sich ausgehend von der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem geeigneten stimulierbaren Medium und einem geeigneten Anregungslaser eine stimulierte Emission im Röntgen- bzw. Gammabereich erzielen läßt. Unter solchen Umständen könnte man dann in den regelmäßig auf der Ringbahn auftretenden Zonen größter Konzentration die Proben anordnen, deren Struktur mit Hilfe der stimulierten Strahlung untersucht werden soll.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl zu seiner Achse drehsymmetrisch ist und seine elektrischen Feldlinien zu dieser Achse konzentrische Kreise sind und daß der Spiegel in der Achse der auf ihn durch den Öffnungsspalt auftreffenden Strahlung ein Loch aufweist, das die sich in der Ringbahn fortpflanzende Strahlung durch den Spiegel hindurchtreten läßt. Dadurch kann man einen Teil dieser umlaufenden Strahlung wiederverwenden und auf den Rinnenwerkstoff einwirken lassen, um dessen Anregung noch zu verstärken. Einen drehsymmetrischen Pumpstrahl kann man mit einer Vorrichtung erzeugen, die in der FR-PS 22 05 678 »Wellentyp-Umformer für elektromagnetische Licht- oder Millimeterwellen« beschrieben ist.

Vorteilhafte Bemessungsregeln für den Ringresonator ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.

Die Parameter der toroidalen Rinne seien wie folgt definiert Es bedeutet

r = Radius des Meridiankreises des Torus,

R = Radius des größten Breitenkreises,

λ = Wellenlänge der Strahlung,

d = Kantenlänge des Elementarwürfels des Krhtallgitli.1 s, wenn man im Falle harter Röntgenstrahlung das Metall, aus dem die Rinne besteht, warm umkristallisiert (Aluminium eignet sich besonders gut dafür),

π = eine ganze Zahl und

θ = Winkel zwischen dem Röntgenstrahl und der Wand am Auftreffpunkt

Da weiche Röntgenstrahlung (deren Wellenlänge im Vergleich zum Abstand zwischen den Atomen groß ist) bei streifendem Auftreffen in geeigneter Weise reflektiert wird, ist die Bedingung maximaler Stabilität dann gegeben, wenn das Verhältnis zwischen den Radien rund R der folgenden Beziehung entspricht:

r R

cos If^ cos (-)

Die Brennfläche, die den Ort größter Strahlungsdichte darstellt, ist vom Umfangskreis, der den Boden der Rinne darstellt, durch einen Abstand getrennt, der gbich r/3 ist

Im Falle harter Röntgenstrahlung, deren Wellenlänge kleiner als d ist, kommt zu den oben definierten optischen Bedingungen die Braggsche Bedingung hinzu. Man kann dann schreiben:

r R

cn

Aluminium mit c/=0,25nm(2,5 A) genügt dieser Gleichung dann, wenn r=l mm, R=24 mm, π=4 und λ = 0,02 nm (0,2 A) ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. I eine Gesamtansicht der Vorrichtung in Draufsicht und einen Schnitt durch den Ringresonator in der Äquatorialebene seiner Rinne,

F i g. 2 einen Meridianschnitt der Rinne und F i g. 3 eine das Leitsystem erläuternde Zeichnung.

F i g. I und 2 zeigen Schnitte durch den Ringresonator längs zweier aufeinander senkrecht stehender Ebenen durch die toroidförmige Rinne 13, wobei F i g. 2 einen Meridianschnitt zeigt, während F i g. 1 den Schnitt längs der mit 1 bezeichneten Äquatorialebene ckrstellt. In F i g. 1 ist mit 2 die Bahn des Bündels durchdringender Strahlung bezeichnet. Diese Bahn ist der Einfachheit halber sechseckig dargestellt, praktisch ist jedoch die Anzahl der Reflexionen des Bündels an der Rinne nahezu stets größer als 6 und häufig nicht ganzzahlig. Der Metallspiegel 3 befindet sich an einem Teil 4, das am Boden eines Metalltroges befestigt ist, in dessen Randleiste die Rinne 13 eingeschnitten ist. Eine Aussparung in der Rinne ermöglicht es, daß der von den Linsen 9 kommende Anregungsstrahl auf diesen Spiegel 3 gelangt und von ihm in Richtung der Achse eines Loches 5 reflektiert wird, durch das das Bündel durchdringender Strahlen durch den Spiegel 3 hindurchgehen kann. Das Loch 5 ist durch den Spiegel und dessen Träger 4 so hindurchgebohrt, daß dieses letztere Bündel durchgelassen wird. Zum Erzaugen der Anregungsleistung werden Laser derjenigen Arten benutzt die am mühelosesten die größte Leistung bei der kürzesten Wellenlänge liefern, wozu zur Zeit Laser aus neodymotiertem Glas am besten geeignet sind.

In der F i g. 1 bezeichnet 6 einen Steueroszillator mit Modulator, die der Laseremission die Wellenform einer

ίο Impulsfolge geben und 7 bezeichnet den Wellentyp-Umformer gemäß der bereits erwähnten FR-PS 22 05 678. Der letztere wandelt die linearpolarisierten Wellen, die aus dem Steueroszillator und dem Modulator austreten, in drehsymmetrische Wellen um,

is deren elektrische Feldlinien Kreise sind, deren Mittelpunkt die Achse des Lichtbündels ist 8 bezeichnet einen Verstärker. Die Linsen 9 lenken dieses Bündel auf den Spiegel 3, der das Bündel reflektiert und im Punkt 10 fokussiert Das anzuregende Material wird dann bei 10 in den Brennpunkt des Anregungsstrahls gebracht

Die von dem so angeregten Material emittierten Röntgenstrahlen werden am Boden der Rinne 13 reflektiert es dürfte aber klar sein, daß nur diejenigen dieser Strahlen, die in solche Richtungen reflektiert werden, daß sie nach mehreren Reflexionen eine Bahn wie etwa 2 durchlaufen haben, zum dem bei 10 angeordneten Material zurückgelangen können.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung von F i g. 1 längs einer Ebene, die durch die Drehachse der toroidförmigen Oberfläche der Rinne hindurchgeht In F i g. 2 ist die toroidförmige Oberfläche der Rinne mit ihrem inneren Radius r dargestellt deren Brennlinie 11 im Abstand r/3 vom Boden der Rinne verläuft Bei 12 kann eine Beobachtungseinrichtung, z. B. eine photogra-

Y; phische Platte, angeordnet sein, mit der man die Beugungsbilder aufzeichnen kann, die durch Streuung

der umlaufenden Röntgen- bzw. Gammastrahlen an einer Probe mit Makromolekülen entstehen.

Die Verwendung des Wellentyp-Umformers 7 bietet

zahlreiche Vorteile. Der dabei erhaltene Wellentyp wird durch das im Spiegel 3 angebrachte Loch 5 nicht gestört. Weiterhin ermöglicht er ein tiefes Eindringen der Strahlung in das Material des Rinnengrundes. Da ferner dieser drehsymmetrische Wellentyp, wie dies in der erwähnten FR-PS 22 05 678 beschrieben ist ein besseres Selbstfokussierungsvermögen als die anderen Wellentypen hat, findet man in der Bahn des umlaufenden Röntgen- bzw. Gammastrahles stark ionisierte Atome, die stärkeren elektrischen Feldern ausgesetzt sind als es

^r>o bei sämtlichen anderen Methoden möglich ist.

Nun sollen die optischen Verhältnisse in der Leitrinne eingehender untersucht werden.

Hägg und K ar Is so η haben gezeigt (Acta Crystallographic^ Band 5 [19521 Seite 723 bis 730), daß man Röntgenstrahlen an »Doppelkrümmungskristallen« zur Reflexion bringen kann, wenn man sie streifend einfallen läßt und dafür sorgt, daß die Braggsche Bedingung erfüllt ist. Die den Reflektor darstellende Oberfläche ist dann ein in der Nähe des Äquatorialkrei-

bo ses liegender Teil des Torus. Das Reflektormaterial ist Aluminium, das nach der spangebenden Bearbeitung durch Erhitzen umkristallisiert und poliert worden ist.

Der Vorteil leichter Kerne, wie etwa der des Aluminiums, liegt darin, daß sie sich am besten für die

b5 elastische Streuung harter Röntgenstrahlung eignen, während schwere Kerne leicht zu nichtelastischer Streuung oder Nebenreaktionen führen können, die in diesem Falle unerwünscht sind.

Ein Wellenleiter für Röntgenstrahlen kann aus einer kreisförmigen Rinne bestehen, deren Oberfläche eine Toruszone in der Nähe des Äquators ist und die in ein Material eingefräst ist, das so kristallisieren kann, daß eine Mehrzahl von Spiegeln entsteht, die denen von H ä g g und K a r 1 s s ο ·ι angegebenen analog sind.

Der mittlere Radius des Strahlenbündels beschreibt dann (Fig.3) in der Äquatorialebene der Rinne ein regelmäßiges Vieleck, von dem zwei aufeinanderfolgende Ecken, von der Mitte dieser Rinne aus gesehen, einen Winkel 2 θ bilden.

Je nach dem Radius des Meridiankreises sind mehrere Lösungen möglich:

Es seien M\, Mi, Mi... die Flächenelemente, die die Ecken des durch den mittleren Radius gebildeten Vielecks unmittelbar umgeben und die nachstehend als Spiegel bezeichnet werden sollen. Die Lösung, bei der die Welle in der Mitte Fi von (M], AZ₂) fokussiert wird, dann durch Ai₂ in der Mitte H von (Mt, M3) und dann durch Mz in der Mitte F₂ von (Mi, M*), ist instabil, da eine geringe Abweichung der Strahlen von der Äquatorialebene bei den aufeinanderfolgenden Reflexionen verstärkt wird, so daB diese Lösung abzulehnen ist. Dieses Resultat ist aus der Theorie der Linsenleiter bekannt. Nach dieser wird Stabilität dann erhalten, wenn man Ketten von konfokalen Linsen benutzt. In einer derartigen Kette sind zwei beliebige, durch eine dritte getrennte Linsen, bezogen auf die dritte, Kehrbilder voneinander. Analog müssen im Falle der F i g. 3 M\ und M₃, bezogen auf Mi, Kehrbilder sein. Im Falle der Linsen läuft es auf das gleiche hinaus, wenn man sagt, daß die Mitte Fi (von M\, M₂) und die Mitte F₂ (von M₃, Ai₄) Kehrbilder sind und daß die Strahlen zwischen M? und Mi ein paralleles Strahlenbündel bilden.

Da die Röngenstrahlen so weit wie möglich von der Rinne entfernt fokussiert werden müssen, ist dies die in F i g. 3 dargestellte Bedingung: Brennpunkte in Fi und Fi und parallele Strahlen zwischen Mi und My. Damit diese Bedingungen erfüllt werden können, müssen die durch die Flächen um Af₂ und M₃ gebildeten »Spiegel« auch dann die Punkte Af₂ und Mi enthalten, wenn man das unveränderliche Trapez F_t, Af₂, M₃, F₂ um seine Grundlinie Fi, F₂ schwenkt, oder anders ausgedrückt, der Krümmungsradius der »Spiegel« Af₂, AZ₃ in auf Fi, F₂ senkrechtstehenden Ebenen muß gegeben sein durch:

indem man den Meusnierschen Satz anwendet und erhält dann

HH' = R (cos <-) - cos K-)).

Man gelangt von diesem in einer schrägen Ebene liegenden Radius zu dem in der senkrechten Ebene liegenden Hauptradius r(das ist der der Meridianebene), /■
R

cos 2 (-)
cos κ-)

wobei Θ der Winkel ist, den die Strahlen mit den Tangentialebenen an den Spiegeln bilden. Um die richtige Reflexion zu erhalten, muß der Winkel θ mit ι« Hilfe der Braggschen Beziehung mit der Kantenlänge 0 der Elementarwürfel, aus denen das Kristallsystem besteht, und mit der Wellenlänge λ der Strahlung verknüpft werden:

η / — 2(1 ■ sin <-).

Eliminiert man θ, das als klein angenommen wird, aus dieser Gleichung und aus Gleichung (5), so erhält man die Bedingung (3).

Der Ort stärkster Konzentration der Röntgen- oder Gammastrahlung ist die Brennlinie des optischen Systems, die durch den inneren Tagentialkreis des Strahlenpolygons in der Äquatorialebene dargestellt wird und vom äußeren Tangentialkreis dieses Polygons durch einen Abstand r/3 getrennt ist.

Man kann nun diesen Abstand auch ausdrücken durch

R (I - cos (-)) - R

f-J²

Wenn man θ zwischen (5) und dieser Gleichung eliminiert, so erhält man genau r/3.

In der Nähe der Brennlinie und bis zu einer Entfernung, die in der Größenordnung der Wellenlänge

J5 λ liegt, wird der Raum durch Röntgenstrahlen sehr stark bestrichen. Bringt man nun ein kleines Objekt wie etwa eine Makromolekül in die Brennlinie, so streuen die Atomkerne dieses Makromoleküls die Strahlung, und man kann auf einer empfindlichen Platte die Interferenzbilder der gestreuten Strahlen aufzeichnen. In F i g. 2 ist die Brennlinie im Schnitt mit 11 bezeichnet, und \2 bezeichnet eine Platte, die für die durch die Kerne eines in die Brennlinie gelegten Makromoleküls gestreute Strahlung empfindlich ist

Es ist zweckmäßig, das System in ein Hochvakuum zu bringen, um die Streuung durch die Luft zu verhüten, und die Platte oder Platten weit weg anzuordnen, damit die Interferenzflecken groß genug sind, um bei der Beleuchtung der zuvor entwickelten Platte mit einer kohärenten Lichtwelle ein deutliches Beugungsbild des Moleküls zu erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen im Röntgen- oder Gammabereich > und zu deren weiterer Führung auf einer ringförmigen Bahn, die aus einem hohlzylindrischen Ringresonator mit einem Öffnungsspalt zur seitlichen Zuführung von Laserstrahlung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Hohlzylindermantels als Rinne (13) von halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist und daß im Inneren des Hohlzylindermantels hintc dem Öffnungsspalt ein Spiegel (3) angeordnet ist, der die anregende Strahlung des Lasers auf den Grund der r> Rinne (13) reflektiert

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Laserstrahl zu seiner Achse drehsymmetrisch ist und seine elektrischen Feldlinien zu dieser Achse konzentrische Kreise sind und daß der Spiegel (3) in der Achse der auf ihn durch den Öffnungsspalt auftreffenden Strahlung ein Loch (S) aufweist das die sich in der Ringbahn (13) fortpflanzende Strahlung durch den Spiegel hindurchtreten läßt '

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß sich der Radius (r) des Rinnenquerschnitts zum Radius (R) Aes Hohlzylindermantels im Rinnengrund verhält wie

jo