DE4339666C1 - Strahlenablenkungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlablenkungssystem für die emittierte Strahlung einer Röntgenstrahlungsquelle, das auf der Basis der Totalreflektion beruht.

Die von einer Röntgenstrahlungsquelle emittierte Strahlung wird hierzu über einen gewissen Raumwinkel hinweg von dem ko­ nischen Bereich des Systems eingefangen und seinem Strahlab­ lenkungsbereich zugeführt, um dann schließlich in den Strahl­ führungsbereich weitergeleitet zu werden. Die Kapillaren des Strahlablenkungssystems sind symmetrisch und gegenseitig nicht verschränkt, also gekämmt, zur Systemachse angebracht. Dabei sind die Übergänge vom Strahleinfangsbereich zum Strahlablen­ kungsbereich und vom Strahlablenkungsbereich zum Strahl­ führungsbereich glatt. D.h. die Kapillaren zur Lenkung der Röntgenstrahlen verlaufen vom Strahleintritt bis zum Strahl­ austritt ohne Knick.

In "Sov. Phys. Usp.", 32(3), March 1989, S, 271-276, wird von V.A. Arkakad′ev et al. unter dem Titel "Wide-band x-ray optics with a large angular aperture" ein solches System zur Ablenkung von Rönt­ genstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben. Hauptgegenstand sind ein fokus­ sierendes System und ein System zur Erzeugung eines quasi­ parallelen Röntgenstrahls. Eine Mindestforderung zur Weiter­ leitung von Röntgenstrahlung wird angegeben.

In "NATURE", Vol 357, 4 June 1992, S. 391-393, beschreiben Chen et al. ein Verfahren, Röntgenstrahlen durch interne Reflexion in Glaska­ pillaren zu fokussieren. Die Eigenschaften von multikapillaren Fiberglasbündeln werden hinsichtlich der Transmissionseffi­ zienz als einer Funktion des Krümmungsradius untersucht.

Eine systematische Untersuchung zur Strahlqualität erfolgte bisher noch nicht. Bei den bisher bestehenden wenigen Linsen tritt die unbefriedigende Divergenz der Strahlung und die Un­ regelmäßigkeit in der Intensitätsverteilung nach wie vor für die technische Anwendung störend zutage. Das liegt daran, daß solche Kapillarlinsen bis jetzt nur nach weniger strengen Kri­ terien geplant und unter nicht allzu hohen Quali­ tätsforderungen gebaut wurden, so daß ein Einsatz für tech­ nische Zwecke wie z. B. Röntgenlithographie noch nicht in Be­ tracht kommt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strahlab­ lenkungssystem für Röntgenstrahlung eines vorgegebenen Ener­ gieintervalls aus dem Spektrum von 100 eV-100 keV bereitzu­ stellen. Das System soll strahlformend wirken und geometrisch so klein als möglich gehalten werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des An­ spruchs 1 gelöst.

Wesentlich für die Herstellung eines solchen Strahlablenkung­ systems, auch Kapillarlinse genannt, ist, daß der Krümmungs­ radius der Kapillaren und der Durchmesser der lichten Weite der Kapillaren sowie der kritische, energieabhängige Winkel der Totalreflektion R_c an der Kapillarinnenwand die Minimal­ forderung des kennzeichnenden Merkmals von

erfüllt, um die Divergenz am Strahlaustritt jeder Kapillaren in vorgegebenen Grenzen zu halten.

Die Unteransprüche 2 und 3 kennzeichnen eine Kapillarlinse mit der ein quasiparalleler Röntgenstrahl erzeugt werden kann. Da­ bei findet gemäß dem Unteranspruch 2 eine Strahlaufweitung statt und gemäß dem Kennzeichen des Unteranspruchs 3 eine Strahlquerschnittsreduzierung durch den Vorzeichenwechsel der Krümmung der Kapillaren.

Der Unteranspruch 4 kennzeichnet eine fokussierende Kapillar­ linse, wobei der Fokusort nach der Strahlaustrittsfläche vom Verlauf der Krümmung der Kapillaren nach dem größten Durchmes­ ser des Strahlablenkungsbereichs festgelegt wird.

Die Unteransprüche 5 und 6 kennzeichnen, daß bei allen Strahl­ ablenksystemen der Aufbau aus gleichartig geformten Kapillaren besteht, seien sie kreisrund oder regelmäßig vieleckig. Hier­ bei ist kreisrund bzw. die Regelmäßigkeit wesentlich, da dabei die Reflektionsverhältnisse an den Kapillarinnenwänden am ein­ fachsten bleiben.

Ein solchermaßen hergestelltes Strahlablenksystem weist durch­ weg eine gekämmt gebündelte Kapillaranordnung auf, wie das gleichartig und auch notwendig bei Bildleitsystemen, die aus Lichtleitfasern aufgebaut sind, der Fall ist. Hierbei muß ge­ mäß Anspruch 7 die Kapillarinnenwand hochglatt (mit einer Rau­ higkeit der Oberfläche von etwa 15 Angström) sein und das Ma­ terial der Kapillaren sollte keine oder darf allenfalls nur wenige Absorptionskanten für das zu führende Licht aufweisen.

Mit der Kapillarlinse, in der die Geometrie und der wellen­ längenabhängige Winkel der Totalreflektion solchermaßen be­ achtet ist, läßt sich ein Strahlablenksystem erzeugen, das für röntgenlithographische Zwecke nur noch eine restliche Strahl­ divergenz übrig läßt, die den mit der Kapillarlinse durch­ zuführenden technischen Prozeß nicht mehr nachteilig beein­ trächtigt.

An Ausführungsbeispielen von Kapillarlinsen zur Fokussierung oder Parallelisierung von Röntgenstrahlen soll die Erfindung unter vorhergehender näherer Beschreibung der vielparametrigen Einflüsse auf den von der Quelle austretenden, zu formenden Röntgenstrahl erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 die Divergenz und ungleichmäßige Strahlaufteilung nach dem Strahlaustritt aus einer Kapillaren durch unreflektierten Strahlanteil und mehrfachreflektierte Strahlanteile;

Fig. 2 die Divergenz und ungleichmäßige Strahlverteilung an bezüglich der Systemachse radial unterschiedlich positionierten Kapillaren;

Fig. 3 die Divergenz und die Transmission des an der Strahlaustrittsseite des Systems austretenden Röntgenstrahls über einen Durchmesser hinweg;

Fig. 4 die Divergenzkarte für verschiedene Verhältnisse (Gamma-Werte) von Krümmungsradius zu lichtem Kapillarenradius;

Fig. 5 den Verlauf des kritischen Winkels der Total­ reflektion für verschiedene Strahlungsenergien;

Fig. 6 den Einfluß der Größe der Strahlungsquelle und der Einstrahlungsrichtung für die Strahltransmission durch die Kapillare;

Fig. 7 den Divergenzwinkel der an einer Kapillaren austretenden Röntgenstrahlung über dem Verhältnis von Krümmungsradius der Kapillaren zu Radius der lichten Weite der Kapillaren;

Fig. 8 die Struktur des Strahlablenksystems zur Erzeugung eines aufgeweiteten parallen Röntgenstrahls;

Fig. 9 die Struktur des Strahlablenksystems zur Erzeugung eines parallelen Röntgenstrahls;

Fig. 10 die Struktur des Strahlablenksystems zur Erzeugung eines fokussierten Röntgenstrahls;

Fig. 11 den glatten Übergang von Bereichen unterschiedlichen Krümmungsradius an der Kapillarinnenwand.

Das Strahlablenkungssystem basiert grundsätzlich auf der To­ talreflektion. Mit ihm wird von einer Röntgenstrahlungsquelle divergent emittiertes Röntgenlicht über einen bestimmten Raum­ winkel vom konischen Strahleinfang des Systems aufgenommen.

Für den Wellenlängenbereich oder äquivalent den Energiebereich von Röntgenstrahlung gilt, daß der Brechungsindex für Fest­ körper geringfügig kleiner ist als für Vakuum. Hierdurch wird diese bei streifendem Einfall reflektiert. Dieser Effekt wird auf mannigfaltige Weise in der Röntgenoptik genutzt. Es gibt heute plane und gekrümmte Spiegelsysteme, die diesen Effekt ausnutzen. Auch Röntgenteleskope basieren auf diesem Effekt.

Der maximale Winkel, in Fachkreisen als Winkel R_c bezeichnet, unter dem einfallende Strahlung noch reflektiert wird, ist ei­ nerseits stark von der Wellenlänge und damit von der Energie der Strahlung und andererseits von dem Material der Reflek­ tionsflächen abhängig.

Fällt Röntgenstrahlung vorgegebener Energie in eine dünne Ka­ pillare geeigneten Materials mit hochglatter Innenwand ein, dann wird sie im weiteren Verlauf an der Kapillarinnenwand durch Totalreflektion verlustarm weitergeführt. So gelangt man von einem geeignet geformten Bündel gleichartiger Kapillaren zu einem einer optischen Linse entsprechenden Strahlablenkungssystem, der Kapillarlinse für Röntgenstrahlung (siehe Fig. 6).

Die geometrische Mindestforderung für einen Strahltransport in gekrümmten Kapillaren mit kreisförmiger lichter Weite ist bei bekannter Wellenlänge und bekanntem Material der Kapillaren­ wand folgende: das Verhältnis aus Krümmungsradius R zu lichtem halben Kapillardurchmesser r, dem lichten Kapillarradius r, muß mindestens der Bedingung

genügen. Die Einhaltung diesem Bedingung gewährleistet einen Strahltransport in der Kapillaren, bedingt aber noch nicht eine akzeptable Divergenz des aus der Kapillaren austretenden Strahls.

Fig. 7 zeigt die hyperbolische Abhängigkeit der Größe des am Ausgang einer Kapillaren auftretenden Divergenzwinkels von Verhältnis des Krümmungsradius R zum Radius r der lichten Weite der Kapillaren. Diese Abhängigkeit wurde in dem in Frage kommenden Röntgenstrahlungsspektrum von der Energie als nahezu unabhängig beobachtet. Für die technische Realisierung der Kapillarlinse zeigt sich, daß Gamma-Werte über 20 zu große Austrittsdivergenz an den Kapillaren bewirken und Gamma-Werte zwischen etwa 20 und etwa 70 vernachlässigbare Divergenz mit sich bringen und vom technischen und wirtschaftlichen Aufwand her die Herstellung im Rahmen bleibt. Darüber hinaus sind zwar die erreichten Divergenzen ausgezeichnet, jedoch ist die Her­ stellung von ihrem technischen und wirtschaftlichen Aufwand her nicht mehr vertretbar.

Um Strahlungsablenksysteme für Röntgenstrahlung, häufig auch Röntgenlinsen genannt, mit hoher Strahlqualität zu erhalten, muß sichergestellt sein, daß die Strahlung durch Viel­ fachreflektion weitergeführt wird. Systeme, die die Strahlung nur mit wenigen Reflektionen weiterleiten, stellen sehr hohe Anforderungen an die Kapillaren und an deren geometrische An­ ordnung. Zudem wirkt sich bei einer optimalen Linse für wenig Reflektionen an der Kapillarinnenwand folgender Effekt stark aus, daß nämlich ein Teil der Strahlung häufiger reflektiert wird als der Rest der Strahlung in dieser Kapillare.

Je enger die Kapillare und je länger die Linse wird, um so kleiner wird dieser Effekt. Ein Extremfall im ungewollten Sinne ist, daß das Verhältnis R/r so beschaffen ist, daß ein Teil der Strahlung ohne Reflektion durch die Linse tritt und der Rest der Strahlung einmal oder gar zweimal reflektiert wird (siehe Fig. 1 und 2). Dieser Effekt ist vor allem im niederenergetischen Röntgenbereich (<10 keV) wichtig, weil da der kritische Winkel R_c groß ist.

Fig. 1 stellt in der o.e. Rechnersimulation diese Problematik dar, in der ein Teil des Strahles unreflektiert durch die Ka­ pillare geht und der übrige Teil wenigstens einmal an der In­ nenwand der Kapillare reflektiert wird. Fig. 2 zeigt zu­ sammenfassend die Aufteilung der Strahlen beim Verlassen der Kapillaren für den gewollten parallen Strahl einmal in Ab­ hängigkeit des Radius R des Strahlablenkungssystems und zum andern in Abhängigkeit von der Entfernung von der Strahlaus­ trittsfläche. Ergänzend zeigt Fig. 3 die Abhängigkeit des Di­ vergenzwinkels und der Transmission vom Radius R an der Strahlaustrittsfläche über eine Durchmesserlinie hinweg. Der leichte symmetrische Anstieg des Divergenzwinkels zum Rand hin rührt von dem nach außen hin häufigeren Berühren der Strahlen an der Kapillareninnenwand her, das einhergeht mit der symme­ trischen Transmission, die aufgrund des weniger häufigen Be­ rührens des Strahls an den Kapillaren im Innern des ge­ streckten Bündels höher ist.

Der minimale Durchmesser der Kapillaren ist nicht nur durch die Herstellungsmöglichkeiten sondern auch von der verwendeten Röntgenstrahlungsquelle begrenzt. Je kleiner der Kapillar­ durchmesser, desto geringer ist der Querschnitt des Bereichs einer ausgedehnten Quelle, aus dem die Strahlung durch die Linse hindurch gelangt, was in Fig. 6 verdeutlicht wird.

Um eine gute Ausbeute der Quellintensität zu erhalten, muß der Kapillardurchmesser entsprechend angepaßt sein. Fig. 4 zeigt diese Abhängigkeit der Kapillarenkrümmung in Abhängigkeit des Kapillardurchmessers für verschiedene Gamma-Werte. Aufgrund der geringen Rechnerstützpunkte wurde zusätzlich zu jedem Gam­ mawert die ausgleichende Gerade eingezeichnet.

Weiterhin ist die Quellgröße und die Divergenz am Strahlaus­ tritt energieabhängig, wie es insbesondere der kritische Win­ kel R_c ist. Bei niederenergetischer Strahlung, also großer kritischer Winkel R_c, werden auch Strahlen, die unter großem Winkel in die Kapillarlinse einfallen, verlustarm weiter­ geleitet. Verstärkt wird der Effekt durch die Tatsache, daß der kritische Winkel R_c im niederenergetischen Bereich keine scharfe Grenze bildet, sondern daß die Reflektionsverluste im Bereich des kritischen Winkels R_c anwachsen. Dieser Zusammen­ hang wird in Fig. 5 zusammengefaßt, die die normierte Trans­ mission in Abhängigkeit des Einfallswinkels für verschiedene Strahlenergien zeigt.

Im folgenden soll das Strahlablenkungssystem von seinem Aufbau her näher beschrieben werden. Es besteht aus einem Bündel un­ verschränkter, dünner Kapillaren aus geeigneten Glassorten oder andersartigem, geeignetem Material. Die Kapillaren im Durchführungsbeispiel haben zumindest einen kreisrunden, lich­ ten Querschnitt und sind nirgendwo miteinander verflochten, liegen also gekämmt zueinander.

Dieses Bündel wird nun in einem sorgfältigen Wärmebehandlungs­ prozeß (Ziehen) und in einer anschließenden mechanischen Bear­ beitungsprozeß der Strahleintritts- und Strahlaustrittsseite (Schneiden und Sägen auf Maß) auf die Form nach den Fig. 8, 9 oder 10 gebracht.

In dem Strahlablenkungssystem, dem Bereich, wo die eigentliche Strahlformung stattfindet, wird die über den Strahleinfang eingefangene Röntgenstrahlung im Strahlablenkungsbereich mono­ ton aufgeweitet. Deshalb behält dort die Krümmung ihr Vorzei­ chen bei (siehe in Fig. 11).

Hingegen wird der eingefangene Röntgenstrahl in dem System nach Fig. 9 zunächst aufgeweitet bis zum größten Durchmesser des Kapillarbündels im Strahlablenkungsbereich und wird an­ schließend auf den vorgegebenen Strahldurchmesser verjüngt. Dabei ändert die Krümmung einer jeden Kapillaren, außer der auf der Achse liegenden, die ungekrümmt bleibt, zweimal ihr Vorzeichen in diesem Strahlablenkungsbereich. Danach bleibt der Krümmungsradius aller Kapillaren unendlich, d. h. die Ka­ pillaren liegen jetzt alle auf eine vorgegebene Länge parallel zueinander und dienen lediglich noch der Leitung des geformten Strahls bis zum Austritt. Abhängig von der geometrisch und energetisch bedingten Austrittsdivergenz überlappen sich die Strahlbündel der einzelnen Kapillaren erst nach einiger Ent­ fernung von der Strahlaustrittsfläche.

Der Strahlführungsbereich muß nicht notwendigerweise gerad­ linig sein. Er könnte unter Beibehaltung des Bündeldurch­ messers auch gekrümmt sein. Das allerdings wäre ein baulicher Aufwand, der nicht wünschenswert sein kann, da eine Strahlab­ lenkung auf diese Art mit anderen Mitteln wirtschaftlicher zu erreichen ist. Von konstruktiver Wichtigkeit ist einfach, daß sich Bereiche mit unterschiedlichem Vorzeichen in der Krümmung (siehe Fig. 11) glatt, im mathematischen Sinne differen­ zierbar, aneinander anschließen, was aufgrund des bisher Er­ wähnten zwingend ist.

Fig. 10 zeigt schließlich noch die Struktur des Strahlablen­ kungssystems zur Erzeugung eines Röntgenstrahls mit einem de­ finierten Fokusbereich im vorgesehenen Abstand von der Strahl­ austrittsfläche. Die Strahlführung verläuft dort zwangsläufig entgegengesetzt konisch wie beim Strahleinfang, und hat, ab­ hängig von seiner axialen Länge, Einfluß auf die Schärfe und Begrenztheit des Fokusgebietes eben aufgrund der Austritts­ divergenz.

Neben der konstruktiven Parameter wie Krümmungsradius R und lichter Kapillarenradius r, dem Matrialparameter und damit dem kritischen Winkel R_c, ist für eine ausreichende Strahlquali­ tät, d. h. geringe Strahldivergenz und weitestgehend gleiche Intensitätsverteilung über den Kapillarquerschnitt hinweg, ab dem Strahlaustritt an dem Strahlführungssystem die Einhaltung der Minimalforderung bezüglich des Verhältnisses von Krüm­ mungsradius zu lichtem Kapillardurchmesser

von entscheidender Bedeutung, die mit der Mindestforderung des Gamma-Wertes (größer/gleich 1) alleine nicht erreichbar ist. Strahlführungssysteme oder auch Kapillarlinsen, die diese Parameterschranken berücksichtigen, erzeugen mit einem Mi­ nimalaufwand einen aus dem System austretenden Röntgenstrahl mit vernachlässigbarer Divergenz. Der Anwendungsfall und der technische sowie vertretbare wirtschaftliche Aufwand legen letztlich die Bauparameter der Kapillarlinse fest.

Claims (8)

1. Strahlungsablenkungssystem auf der Basis der Totalre­ flektion für die emittierte Strahlung einer Röntgen­ strahlungsquelle, das die eingefangene Strahlung derartig umlenkt, daß sie unter gewünschtem Winkel zur Systemachse austritt, bestehend aus:
einem festen Bündel gegenseitig nicht verschränkter dünner Kapillaren, wobei das Bündel bezüglich seiner Achse unter­ teilt ist in den

• - konischen Bereich des Strahleinfangs, in dem die Kapil­ laren ohne Krümmung jedoch divergent angeordnet sind,
• - Bereich der Strahlablenkung, in dem die Kapillaren symme­ trisch zur Systemachse gekrümmt zueinander liegen,
• - Bereich der Strahlführung, in dem die Kapillaren ohne Krümmung einheitlich divergent oder parallel oder konvergent angeordnet sind, und die Übergänge der Kapillaren zwischen den Bereichen glatt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Krümmungsradius R der Kapillaren und lichtem Kapillardurchmesser d am Strahleintritt in den Strahlablenkbereich hinein für jede Kapillare des Bündels die Bedingung erfüllt, wobei R_c von der Wellenlänge bzw. von der Energie abhängige, kritische Winkel der Totalreflektion an der Kapillareninnenwand und r der halbe lichte Kapillar­ durchmesser d ist.

2. Strahlenablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Kapillaren im Strahlablenksystem ihr Vor­ zeichen nicht ändert und die Kapillaren im Strahl­ führungsbereich parallel liegen.

3. Strahlenablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Kapillaren im Strahlablenksystem ihr Vor­ zeichen ändert und die Kapillaren im Strahlführungsbereich parallel liegen.

4. Strahlenablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Kapillaren im Strahlablenksystem ihr Vor­ zeichen nicht ändert und die Kapillaren im Strahl­ führungsbereich konvergent zur Strahlaustrittsfläche hin und symmetrisch zur Achse verlaufen.

5. Strahlenablenksystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichten Querschnittsflächen der Kapillaren einheitlich sind.

6. Strahlenablenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Querschnittsfläche der Kapillaren kreisförmig oder regelmäßig mindestens viereckig ist.

7. Strahlenablenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarinnenwand hochglatt ist und das Kapillar­ material keine oder allenfalls wenige Absorptionskanten im Energiespektrum des Röntgenstrahls aufweist.