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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Röntgenstrahloptik.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes
optisches Kirkpatrick-Baez-Gerät
zum Konditionieren, Ausrichten, Fokussieren oder Kollimieren eines
Röntgenstrahls.
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Es existieren verschiedene Anwendungen, die
konditionierte, ausgerichtete, kollimierte oder fokussierte Röntgenstrahlen
nutzen. Beispielsweise nutzen medizinische Radiotherapie-Systeme Röntgenstrahlen
zum Zerstören
von krankhaftem Gewebe, Röntgenstrahlungsbeugungs-
oder Mikrobeugungsanalyse-Systeme kanalisieren Röntgstrahlung auf einen Probekristall
zur Erzeugung eines Beugungsmusters entsprechend seiner Gitterstruktur, und
Röntgenstrahlfluoreszenz-
und Spektroskopie-Systeme
verwenden gerichtete Röntgenstrahlen.
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In zahlreichen Anwendungen ist es
erwünscht,
einen Strahl in zwei Dimensionen auszurichten. Um einen Strahl in
zwei Dimensionen zu kollimieren, kann das herkömmliche optische Kirkpatrick-Baez-Schema
verwendet werden. Zwei gekreuzte Spiegel, die hintereinander angeordnet
sind, kollimieren einen divergenten Röntgenstrahl unabhängig entlang
zweier Richtungen. Mit einer Punktquelle stellt dieses Aufeinanderfolgesystem,
das mit zwei parabolischen Spiegeln versehen ist, einen parallelen
Strahl bereit. Mit einer endlichen Quelle stellt dieses System einen
Strahl mit unterschiedlichen Divergenzen in zwei Richtungen bereit.
Dieses Aufeinanderfolgesystem, das mit zwei elliptischen Spiegeln versehen
ist, vermag ein perfektes Punktbild mit einer Punktquelle in seinem
Brennpunkt bereitzustellen. Für
das Feldobjekt wird das Bild durch das System vergrößert oder
verkleinert. Da die beiden Spiegel von dem Objekt unterschiedliche
Abstände
besitzen, unterscheidet sich die Vergrößerung für beide Richtungen.
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Die vorliegende Erfindung verwendet
eine innovative Abwandlung des Kirkpatrick-Baez-Sytems unter Verwendung
eines Nebeneinanderlage-Schemas und von Mehrlage-Bragg-Röntgenstrahlreflexionsflächen. Das
Nebeneinanderlage-System stellt eine Lösung für die Probleme bereit, die
mit einem Aufeinanderfolge-System verbunden sind, und bietet außerdem weitere
Vorteile. Die Spiegel in einem Nebeneinanderlage-System können an
der am besten geeigneten Stelle angeordnet werden, um das optische
Leistungsvermögen
zur Erhöhung
des Flusses und der Auflösung
zu optimieren, wodurch die Zeit verkürzt wird, die benötigt wird
für eine
Datensammlung durch eine Röntgenstrahl-Ermittlungsvorrichtung.
Das Nebeneinanderlage-System leidet weniger an Oberflächenunvollkommenheiten
und es wird vorab ausgerichtet und verbunden, um Ausrichtungsfehler
zu verhindern. Die Nebeneinanderlage-Optik ist außerdem viel
kompakter als ein Aufeinanderfolge-Schema, wodurch sie in Anwendungen
eingesetzt werden kann, in denen Baugröße bzw. Platzbedarf an erster
Stelle steht. Das Leistungsvermögen
der Nebeneinanderlage-Optik kann sogar noch zusätzlich verbessert werden durch
Einbauen von Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflektoren mit d-gestuftem
Abstand. Die Mehrschicht-Reflektoren
besitzen einen großen
Reflexionswinkel, was zu einem höheren
Sammlungswirkungsgrad führt
und die Möglichkeit
bereitstellt, die Frequenzen reflektierter Röntgenstrahlen zu wählen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine neue Art einer Röntgenstrahl-Optik
auf Grundlage eines Kirkpatrick-Baez-Nebeneinanderlage-Schemas und von Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen. Die
vorliegende Erfindung beinhaltet Mehrschicht-Bragg-Reflektoren mit
d-gestuftem Abstand, die vorab ausgerichtet und miteinander verbunden sind
in dem Kirkpatrick-Baez-Schema. Die Reflektoren stellen eine große Flussdichte
bereit, wenn sie auf eine kleine Probe fokussiert werden, und die Mehrschichtstruktur
erlaubt es, dass die Röntgenstrahl-Optik
das reflektierte Frequenzband steuert. Die Röntgenstrahl-Optik besitzt die
Fähigkeit,
Röntgenstrahlen
in einem breiten Band, einem schmalen Band oder monochromatisch
oder in frequenzwählbarer
polychromatischer Weise zu reflektieren.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, den auf einer Probe auftreffenden Fluss zu verstärken bzw.
zu erhöhen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, die Abberation einer Röntgenstrahl-Optik zu verringern.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine kompakte Röntgenstrahl-Optik
zu erzeugen, die problemlos manövrierbar
ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Röntgenstrahl-Optik
zu schaffen, die problemlos justierbar bzw. ausrichtbar ist.
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Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen schmalbandigen, monochromatischen bzw. frequenzselektierbaren
polychromatischen Röntgenstrahl
zu schaffen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems,
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Nebeneinan derlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems,
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3a bis 3b zeigen schematische Ansichten
eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems unter Darstellung
der Arbeitsbereiche des Systems,
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4 zeigt
eine detailliertere schematische Ansicht eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Systems
unter Darstellung von Röntgenstrahlpfaden,
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5 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems
mit Apertur-Aufbauten, und
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6 zeigt
eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Justieren bzw. Ausrichten
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems.
Dieses aufeinanderfolgend geordnete Spiegelsystem vermag einen Röntgenstrahl
in zwei Dimensionen zu fokussieren bzw. zu kollimieren durch Reflektieren
eines divergenten Röntgenstrahls
entlang von zwei Richtungen in unabhängiger Weise. Die Spiegel 12a und 12b sind
aufeinanderfolgend angeordnet und können mit parabolischer oder
elliptischer Oberfläche
konfiguriert sein. Mit einer Punktquelle 10 stellt dieses
Aufeinanderfolge-System,
das mit zwei parabolischen Spiegeln versehen ist, einen parallelen
Strahl bereit. Mit einer endlichen Quelle stellt dieses parabolische
Spiegelsystem einen Strahl mit unterschiedlichen Divergenzen in
zwei Richtungen bereit. Wenn die parabolischen Spiegel durch elliptische
Spiegel ersetzt werden, stellt das Aufeinanderfolge-System einen
fokussierten Strahl bereit und ergibt ein perfektes Real- bzw. Echtpunkt bild
mit einer Punktquelle im Brennpunkt bereit. Für ein Feldobjekt wird das Bild
durch das System vergrößert oder
verkleinert. Die Vergrößerung variiert
mit den Abständen,
mit denen die Spiegel und das Objekt getrennt sind.
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Es existieren mehrere Beschränkungen,
welche das Leistungsvermögen
des Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-Systems stark beeinträchtigen. Es
existiert keine Möglichkeit,
beide Spiegel in den am besten optimierten Positionen vorzusehen,
was zu einem kleineren Fluss und einer größeren Abberation führt.
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Bei einer Fig.-Abweichung von der
idealen Krümmung ∆α der Reflexionsfläche beträgt die Abweichung
des Strahls von der theoretischen Position in der Bildebene 2∆α1,
wobei 1 die Distanz zwischen dem Einfallspunkt bzw. Auftreffpunkt
und der Bildebene ist. Für
ein Aufeinanderfolge-System führt
der FIG.-Fehler auf dem Spiegel, der näher zum Objekt liegt, zu einer
größeren Abweichung.
Wenn die Spiegel mit unterschiedlichen Distanz von dem Detektor angeordnet
sind, wird die Abberation von dem Spiegel, der am nächsten zur
Quelle liegt, größer, wenn beide
Spiegel dieselbe Winkelabweichung zeigen. Ein Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-System
besitzt variierende Verstärkung,
weil die Spiegel in unterschiedlichen Positionen relativ zur Feldobjektdistanz
zu liegen kommen. Schließlich
ist die Justage-Ausrichtungs-Hardware für einen Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-Spiegel
sperrig und kompliziert und die Justierprozeduren sind schwierig
und zeitaufwendig, weil die Einstellungen Ausrichtungen relativ zu
dem Strahl einschließen
sowie Ausrichtungen relativ zu beiden Spiegeln.
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Ein Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-System
stellt eine Lösung
für diejenigen Probleme
bereit, die mit einem Aufeinanderfolge-System verbunden sind, und
es bringt weitere Vorteile. In 2 ist
ein Nebeneinanderlage-System allgemein mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet.
Die Reflexionsflächen 18a und 18b sind
benachbart unter einem 90°-Winkel
angebracht.
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Das Nebeneinanderlage-System weist
keine Distanzversetzung zwischen Reflexionsflächen auf, wie dies beim Aufeinanderfolge-System
der Fall ist, wodurch potentielle Abberationsprobleme verringert sind.
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3a bis 3b zeigen schematische Ansichten
eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems unter Darstellung
einer ersten Arbeitszone 20a und einer zweiten Arbeitszone 20b auf
den Spiegelflächen.
Die Arbeitszonen 20a und 20b kommen auf sowie
benachbart zu der Ecke zu liegen, welche durch die Verbindung der
Reflexionsflächen 18a und 18b gebildet
ist.
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4 zeigt
eine detailliertere schematische Ansicht eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Systems
unter Darstellung von einfallenden bzw. auftreffenden und reflektierten
Röntgenstrahlpfaden.
Einzelne Röntgenstrahlen 26a und 26b werden
von der Röntgenstrahlquelle 10 ausgestrahlt
und können
zunächst
im Querschnitt 22 des Röntgenstrahls
untersucht werden. Der Querschnitt 22 des Strahls bezeichnet
die zahlreichen Divergenzrichtungen der Röntgenstrahlen, die aus der
Röntgenstrahlquelle 10 austreten.
Der einzelne Röntgenstrahl 26a fällt auf
der Arbeitszone 20a ein, die allgemein an der Verbindung
der Reflexionsflächen 18a und 18b liegt. Der
einzelne Röntgenstrahl 26b fällt außerdem auf der
Arbeitzone 20a ein. Die Strahlen 26a und 26b werden
durch die Arbeitszone 20a reflektiert und zur Arbeitszone 20b neu
ausgerichtet, die ebenfalls allgemein eine Verbindung der Reflexionsflächen 18a und 18b gegenüber der
und teilweise die Arbeitszone 20a überlappend liegt, wie in 3a und 3b gezeigt. Die Strahlen 26a und 26b treten
daraufhin aus dem System 16 aus und können in divergenter, kollimierter
oder fokussierter Form abhängig
von den Formen der Reflexionsflächen 18a und 18b und
der Form der Röntgenstrahlquelle
vorliegen. Diese Konfiguration ist allgemein als Einzelecken-Konfiguration
bekannt.
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Eine beliebige Kombination aus parabolischen
und elliptischen Spiegelflächen
kann für
die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann
eine Reflexionsfläche
eine elliptische Fläche
aufweisen und eine zweite Reflexionsfläche kann eine parabolische
Reflexionsfläche
aufweisen.
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Die Reflexionsflächen gemäß der vorliegenden Erfindung
sind als Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen oder
als solche mit d-gestuftem Abstand gebildet. Die Bragg-Strukturen reflektieren
ausschließlich
Röntgenstrahlung,
wenn die Bragg'sche Gleichung erfüllt ist:
wobei
- n
- = Reflexionsordnung
- λ
- = Wellenlänge der
einfallenden Srahlung
- d
- = Schichtanordnungsabstand
einer Bragg-Struktur bzw. Gitterabstand eines Kristalls
- θ
- = Einfallswinkel
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Mehrschicht-Bragg-Spiegel bzw. Mehrschicht-Bragg-Spiegel
mit d-gestuftem Abstand sind Optiken mit stationärem Brennpunkt, die die ihnen
innewohnende Bragg-Struktur nutzen, um schmalbandige oder monochromatische
Röntgenstrahlen
zu reflektieren. Die Bandbreite der reflektierten Röntgenstrahlen
kann durch Manipulieren der optischen und der Mehrschichtparameter
an spezielle Bedürfnisse angepasst
werden. Der d-Abstand des Mehrschichtspiegels kann derart zugeschnitten
werden, dass die Bragg-Bedingung in jedem Punkt auf dem Mehrschichtspiegel
erfüllt
ist. Der d-Abstand kann lateral oder bezüglich der Tiefe geändert werden,
um den Bandpass des Mehrschichtspiegels zu steuern.
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Der Mehrschichtspiegel weist einen
großen Reflexionswinkel auf,
der zu höheren
Sammelwirkungsgraden für
einfallende Röntgenstrahlen
führt. Diese
Mehrschichtspiegel können
den Fluss um mehr als eine Größenordnung
bei einer Feinfokus-Röntgenstrahlröhre erhöhen bzw.
vergrößern im Vergleich
zu Totalreflexionsspiegeln. Mehrschichtspiegel können aufgrund ihrer monochromatischen Leistungsabgabe
außerdem
die unerwünschte
charakteristische Strahlung reduzieren, die von einer Probe während einer
Streuungsanalyse emittiert werden, und zwar 1000-fach.
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Wenn, wie aus 5 hervorgeht, die Einzelecken-Optik verwendet
wird, kann ein Röntgenstrahl-Apertur-Aufbau 56 mit
einer Apertur 58 im Eintrittsbereich angeordnet werden,
im Austrittsbereich oder in beiden Bereichen, um koaxiale direkte
Röntgenstrahlen,
einmal aufgeprallte Röntgenstrahlen oder
gestreute Röntgenstrahlen
zu beseitigen.
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Die Kombination des Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Schemas mit Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen bzw. derartigen
Flächen
mit d-gestuftem Abstand führen zur
Bereitstellung einer überlegenen
Optik für
zahlreiche Anwendungen, die gerichtete, fokussierte bzw. kollimierte
Röntgenstrahlen
erfordern.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung des Ausrichtungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Damit ein Kirkpatrick-Baez-Spiegel korrekt arbeitet, muss er eine
sehr spezielle Orientierung aufweisen. Die vorliegende Erfindung
nutzt Mikroeinstellungs-Hardware zum korrekten Orientieren eines Kirkpatrick-Baez-Spiegels.
Die Ausrichtung der Optik kann mit fünf Einstellungsfreiheitsgraden
erzielt werden: Zwei Drehungen und drei Translationen. Die Drehachsen
für zwei
Spiegel sollten durch die Zentren der Schnittstellen der beiden
Spiegel und parallel zu den Spiegeln verlaufen, wie in der schematischen Abbildung
gezeigt. Die beiden Translationen, die senkrecht zu der Optik verlaufen, 6, sollten jeweils parallel
zu den Spiegelflächen
verlaufen (siehe unteren Teil von 6).
Diese Freiheitsgrade erlauben die Einstellung der Einfallswinkel
und der Strahlpositionen.
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Es wird bemerkt, dass die Erfindung
nicht auf die dargestellte und vorstehend erläuterte exakte Konstruktion
beschränkt
ist, sondern zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den nachfolgenden
Ansprüchen
festgelegt ist.
