DE60025341T2

DE60025341T2 - Linsensystem für röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE60025341T2
Application number: DE60025341T
Authority: DE
Inventors: Boris Bloomfield Hills VERMAN; Licai Rochester Hills JIANG; Kim Troy BONGLEA; Dan Karsten JOENSEN
Original assignee: Osmic Inc
Current assignee: Osmic Inc
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: CZ20013642A3; EP1169713B1; ATE315271T1; US20020044626A1; EP1169713A2; JP2002541496A; US20030128811A1; WO2000062306A2; AU4076600A; US6389100B1; CA2366801A1; DE60025341D1; WO2000062306A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgenstrahlenfokussiersystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein modulares System aus Linsen, das dazu ausgelegt ist, hochenergetische Röntgenstrahlen zu fokussieren.
Es existieren unterschiedliche Anwendungen, die aus der Verwendung fokussierter Röntgenstrahlen Nutzen ziehen können. Der nachfolgend angeführte Stand der Technik und seine Beschreibung illustrieren Anwendungen der vorliegenden Erfindung, die lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu bestimmt sind, die Erfindung auf diese Anwendungen zu beschränken. Darüber hinaus dient die nachfolgende Beschreibung, während sie ein Röntgenstrahllinsensystem beschreibt, das dazu ausgelegt ist, in medizinischer Anwendung und bei Kristallbeugungsanwendungen verwendet zu werden, dazu, einen Fachmann angemessen darüber zu unterrichten, wie die vorliegende Erfindung umgesetzt und angewendet wird in verschiedenen Röntgenstrahlanwendungen, einschließlich, jedoch nicht hierauf beschränkt, in der Röntgenstrahlenstrukturanalyse und Röntgenstrahlenspektroskopie.
Medizinische Anwendungen, wie etwa die Radiotherapie, nutzen kombinierte Röntgenstrahlen zur Zerstörung von krankhaftem Gewebe. Bei der Radiotherapie handelt es sich um eines der wichtigsten Verfahren und mitunter um das einzige Verfahren zur Behandlung bestimmter Arten von Krebs, wie etwa Gehirntumore. Linearbeschleunigersysteme zur Erzeugung von Röntgenstrahlen sind in der Radiotherapie weit verbreitet eingesetzt worden zur Zerstörung derartigen bösartigen Gewebes. In der Radiotherapie eingesetzte Linearbeschleunigersysteme verwen den üblicherweise einen mehrblättrigen Kollimator zur Erzeugung eines geformten Röntgenstrahls. Die Intensität des geformten Röntgenstrahls besitzt eine Flussdichte, die über seine gesamte Erstreckung konsistent ist. Der Energiebereich der Röntgenstrahlen, die durch ein derartiges System erzeugt werden, reicht üblicherweise in den MeV-Bereich, wenn sie effektiv sein sollen. Um einen Tumor zu zerstören, muss das Linearbeschleunigersystem kontinuierlich auf das angezielte krankhafte Gewebe gerichtet und um dieses gedreht werden. Die hohe Energie (MeV) von Linearbeschleunigersystemen und ihrer kollimierten Strahlen setzt eine große Menge an gesundem Gewebe, das einen Tumor umgibt, potentiell beschädigenden Konzentrationen von Röntgenstrahlen im MeV-Bereich aus. Der fokussierte Röntgenstrahle gemäß der vorliegenden Erfindung stellt einen Brennweitenfleck von Röntgenstrahlen niedrigerer Energie hoher Helligkeit bereit, der genutzt wird, um ein Ziel in exakt gesteuerter Weise zu behandeln, und um das Ziel in einer frühen Stufe zu behandeln. Röntgenstrahlen niedrigerer Energie weisen hinter dem Ziel ein rascheres Abfallen auf und reduzieren Gewebebeschädigung deshalb auf einige empfindliche Organe, die Röntgenstrahlen ausgesetzt sein können.
Ein System unter Nutzung der Röntgenstrahlenfokussiereigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung vermag dieselben Ergebnisse bei reduzierter Beschädigung von kolateralem Gewebe zu erzielen und bei einer Nutzung von Energie im 40 keV- bis 100 keV-Bereich. Die Vorteile der Verwendung dieses Fokussiersystems umfassen folgende: Eine reduzierte Belichtung und Beschädigung gesunden Körpergewebes durch Röntgenstrahlen, wobei die Röntgenstrahlen im keV-Bereich direkt auf einen krankhaften Teil fokussiert werden können mit abnehmender Strahlungsintensität im Umfeld des Röntgenstrahlenbrennpunkt-/-behandlungsbereichs, wodurch die Beschädigung empfindlicher Organe in der Nähe des Ziels unterbunden wird; die Energie der Röntgenstrahlen kann über der Absorptionskante bestimmter Materialien eingestellt werden, wie etwa Arzneimittel, die dem Tumor verabreicht werden; die Behandlung sehr kleiner Tumore kann in präziserer Weise erfolgen, und die vorliegende Erfindung ist mit geringeren Kosten verbunden als bisherige Linearbeschleunigersysteme.
Die Röntgenstrahleneigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung können auch zur Untersuchung von Kristallstrukturen genutzt werden. Ein üblicherweise zum Untersuchen von Kristallstrukturen verwendetes Verfahren ist die Röntgenstrahlenbeugung. Das Verfahren beruht auf der Beleuchtung eines Probekristalls mit einem Röntgenstrahl. Ein Teil des Röntgenstrahls kann sich nicht direkt durch den Probekristall ausbreiten; vielmehr werden einige Strahlen abgelenkt und gebeugt und treten aus der Probe unter verschiedenen Winkeln aus. Die einfallenden Röntgenstrahlen verfolgen ihren Weg entlang den Räumen zwischen den Atomen des Kristalls oder werden durch die Atome abgelenkt. Ein Sensor wird verwendet, der das Röntgenbeugungsmuster ermittelt, das durch die Röntgenstrahlen erzeugt wird, wenn diese aus dem Probekristall austreten. Dieses Beugungsmuster entspricht der Atomstrukturanordnung des Kristalls. Ein derartiges System ist im Stand der Technik als Röntgenstrahldiffraktometer bekannt. Die fokussierenden Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung vermögen die Flusskonzentration auf einen Probekristall zu verbessern, was zu verbesserten Beugungsmustern führt.
Zahlreiche Vorrichtungen können verwendet werden, um Röntgenstrahlen zu fokussieren und/oder zu reflektieren, wie etwa Totalreflektionsspiegel, gebogene Einkristalle, gradierte Mehrschichtvorrichtungen und Mosaikkristalle. Der Hauptzweck dieser Vorrichtungen besteht darin, den Röntgenstrahlenfluss zu sammeln, der durch einen Röntgenstrahlgenerator erzeugt wird, und ihn auf einen gewünschten Bereich auszurichten. Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Flussstärke einer Reflektions- und Fokussiervorrichtung bestimmen: Der Reflektionswinkel, das Reflektionsvermögen und eine pendelnde Kurvenbreite (Rocking Curve Width). Bei dem Reflektionswinkel handelt es sich um den Winkel, unter dem Röntgenstrahlen ausgehend von der Oberfläche der Reflektionsfläche reflektiert werden; beim Reflektionsvermögen handelt es sich um die Energiemenge, die von einer Oberfläche rückgeführt wird, nachdem Röntgenstrahlen auf diese Fläche eingefallen sind; und bei der Pendelkurvenbreite handelt es sich um die Fähigkeit, Energie über eine bestimmten Einfallsbereich zu sammeln und zu reflektieren.
Der Totalreflektionsspiegel weist den kleinsten Reflektionswinkel sämtlicher bisher genannter Vorrichtungen auf, und dieser Winkel führt zu dem kleinsten Einfangwinkel, und dieser wiederum führt zu einem geringen Durchsatz, obwohl das Reflektionsvermögen nahezu 100 beträgt. Der Totalreflektionsspiegel reflektiert außerdem die erwünschten und die unerwünschten Röntgenstrahlwellenlängen. In medizinischen Anwendungen können diese unerwünschten Röntgenstrahlwellenlängen potentiell eine Hautbeschädigung für eine Person hervorrufen, die der Behandlung unterzogen wird.
Gebogene Einkristalle besitzen einen großen Reflektionswinkel und ein hohes maximales Reflektionsvermögen, jedoch einen sehr schmalen Bandpass, der den gesammelten Fluss auf eine kleine Menge begrenzt.
Mehrschichtröntgenstrahlreflektoren besitzen eine ziemlich breite Pendelkurvenbreite und ein hohes maximales Reflekti onsvermögen. Der Reflektionswinkel ist außerdem größer als bei einem Totalreflektionsspiegel. Das Reflektionsvermögen der Pendelkurvenbreite nimmt ab, wenn ein kleinerer d-Schichtabstand verwendet wird, um größere Reflektionswinkel zu erzielen. Für Röntgenstrahlen hoher Energie, wie etwa im mehrfachen 10 keV-Bereich, ist der Röntgenstrahlwirkungsgrad des Mehrschichtreflektors nicht zufrieden stellend.
Mosaikkristalle bestehen aus zahlreichen winzigen unabhängigen Kristallbereichen, die nahezu parallel, jedoch nicht vollständig parallel zueinander verlaufen. Mosaikkristalle, wie etwa ein Graphitkristall, besitzen hohes Reflektionsvermögen, einen großen Reflektionswinkel und damit einen großen Einfangwinkel. Mosaikkristalle weisen außerdem eine große Pendelkurvenbreite auf Grund ihrer Mosaikstruktur auf. Sämtliche dieser Faktoren machen den Mosaikkristall zu einer attraktiven Wahl in Bezug auf das Reflektieren und Ausrichten von Röntgenstrahlen hoher Energie. Die Fokussierlinsen gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen aus Mosaikkristallen, wie etwa aus einem Graphitkristall.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares System aus Linsen, die zum Fokussieren von Röntgenstrahlen verwendet werden. Die Linsen werden unter Nutzung der Prinzipien der Bragg-Reflektion und der Laue-Beugung genutzt. Die idealen Kristallflächen und Kristallebenen dieser Linsen folgen dem Johansson-Schema. In der Praxis können zylindrische, konische und sogar mehreckige Flächen verwendet werden zur Annäherung an das Fokussierschema. Die Linsen unter Nutzung der Bragg-Beugung liefern Röntgenstrahlen mit relativ schmalem Frequenzband (im Wesentlichen monochromatische Röntgenstrahlen), während die Linsen unter Nutzung der Laue-Beugung Röntgenstrahlen mit einem kontrollierten breiten Frequenzband liefern. Zahlreiche Linsen können so ausgelegt werden, dass sie denselben Quellen-Brennpunktabstand aufweisen. Jede der Linsen besitzt unterschiedliche Quellen-Linsen- und Linsen-Brennpunktabstände abhängig von den Anforderungen an die Brennpunktgröße, den Arbeitsabstand (den Abstand des Linsenvorderendes zum Brennpunkt) und einen Fluss, und unterschiedliche Linsen oder Kombinationen aus mehreren Linsen können eingesetzt werden. Die Modularität erzeugt ein einfaches, jedoch flexibles Schema zum Variieren der Intensität, der Brennpunktgröße und des Arbeitsabstands.
Die Linsen unter Nutzung der Bragg-Reflektion nutzen einen Mosaikgraphitkristall auf ihren Oberflächen, der in zylindrischer Konfiguration angeordnet ist. Die Linsen werden durch Biegen von Graphitschichten oder alternativ durch direktes Aufwachsen von Graphit auf ein Linsengehäuse gebildet. Graphit wurde als bevorzugter Mosaikkristall in den Bragg-Linsen deshalb gewählt, weil er überlegene Reflektionseigenschaften besitzt.
Für zahlreiche Anwendungen sind unterschiedliche Brennpunktgrößen und unterschiedliche Intensitäten erforderlich zum Verändern bzw. Variieren von Flussdichteanforderungen. Diese Anforderungen können erfüllt werden unter Verwendung zusätzlicher Bragg-Reflektionsröntgenstrahlenlinsen mit intern sphärischer, zylindrischer, konischer, parabolförmiger, ellipsoider oder anderer konischer Konfiguration, jedoch nicht beschränkt auf diese Konfigurationen. Diese zusätzlichen Röntgenstrahlenlinsen können verwendet werden, um Röntgenstrahlen zu sammeln und sie mit variierenden Brennweiten zu fokussieren und variierende Brennpunktbereiche bzw. -flächen und Intensitäten zu erzeugen. Diese Modularität erzeugt ein einfaches, jedoch flexibles Schema zum Variieren der Intensität, der Brennweite und der Brennpunktfläche eines Röntgenstrahls.
Die vorliegende Erfindung ist ein Röntgenstrahlensystem zum Ausrichten von Röntgenstrahlen, aufweisend ein Linsensystem, das die Röntgenstrahlen ausrichtet, wobei das Linsensystem zumindest ein Linsenelement umfasst, das ein Gehäuse mit allgemein eingeschlossenem Inneren aufweist, wobei das Innere des Gehäuses mit einer Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht ausgekleidet ist. Ein derartiges Röntgenstrahlensystem kann zusätzlich eine Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht als Mosaikkristall enthalten. Die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht weist einen gekrümmten Querschnitt in Längsrichtung auf und der Mosaikkristall weist eine gekrümmte Kristallebene mit einem Radius auf, der sich von demjenigen der gekrümmten Querschnitts unterscheidet; das Innere des Linsenelements weist in Längsrichtung einen gekrümmten Querschnitt auf; die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht beugt und überträgt die Röntgenstrahlen; das Innere des Linsenelements weist in Breitenrichtung kreisförmigen Querschnitt auf; das Innere des Linsenelements weist in Längsrichtung einen konischen Querschnitt auf; das Innere des Linsenelements weist in Längsrichtung einen rechteckigen Querschnitt auf; das Linsensystem enthält mehrere Linsenelemente, die entlang ihrer Symmetrieachse verbunden sind; die mehreren Linsenelemente bilden allgemein eine Johansson-Kristallreflektionsfläche; das Linsenelement enthält mehrere Linsenelemente, die koaxial verbunden sind; eine ringartige Vorrichtung mit einem Filtermedium, das mit dem Zentrum der ringartigen Vorrichtung verbunden ist, wobei die ringartige Vorrichtung einen Teil der Röntgenstrahlen ausschließt, die nicht auf dem Linsensystem einfallen und die nicht in einen Fokussierbereich des Linsensystems fallen, wobei das Filtermedium einen Teil der Röntgenstrahlen ausfiltert, die zum Fokussierbereich gerichtet sind; wobei das Linsensystem die Röntgenstrahlen in einen Brennpunkt fokussiert; einen Strahlstopper, wobei der Strahlstopper die Röntgenstrahlen blockiert, die nicht in Richtung auf einen Fokussierbereich gerichtet sind; oder wobei der Strahlstopper nicht reflektierte Röntgenstrahlen blockiert, die durch das Linsensystem übertragen werden.
Bevorzugt handelt es sich bei der Erfindung um ein Röntgenstrahlensystem zum Fokussieren von Röntgenstrahlen, aufweisend eine modulares Linsensystem mit mehreren Linsen, die die Röntgenstrahlen sammeln und die Röntgenstrahlen auf einen Brennpunkt fokussieren; wobei die Röntgenstrahlenfokussiereigenschaften variabel sind durch Weglassen und Hinzufügen der Linsen oder Ändern der Eigenschaften der Linsen. Ein derartiges Röntgenstrahlensystem umfasst ferner Röntgenstrahlenfokussiereigenschaften, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus einem Röntgenstrahlenspektrumbandpass; der Arbeitsdistanz; der Flussstärke, der Brennpunktgröße und der Brennweite; jede der mehreren Linsen umfasst ein Gehäuse mit einer Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht; die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht besteht aus einem Mosaikkristall; die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht besteht aus Graphit; jede der mehreren Linsen weist eine Innenfläche bzw. -Seite mit einem in Längsrichtung kreisförmigen Querschnitt auf; jede der mehreren Linsen weist eine Innenfläche bzw. Seite mit einem in Breitenrichtung kreisförmigen Querschnitt auf; zumindest eine der mehreren Linsen weist eine Innenflä che bzw. -Seite mit einem in Längsrichtung konischen Querschnitt auf; zumindest eine der mehreren Linsen weist eine Innenfläche bzw. -Seite mit einem in Längsrichtung rechteckigen Querschnitt auf; die mehreren Linsenelemente sind koaxial verbunden; die mehreren Linsenelemente sind entlang einer Röntgenstrahlenquellenfokussierachse verbunden; oder die mehreren Linsenelemente weisen Innenflächen auf, die allgemein eine Johansson-Kristallreflektionsfläche bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein Röntgenstrahlensystem zum Ausrichten von Röntgenstrahlen, aufweisend eine Linse mit einer Bragg-Röntgenstrahlenbeugungsschicht, wobei die ausgerichteten Strahlen durch die Linse übertragen und durch diese gebeugt werden. Das System kann außerdem die Linse aufweisen, die eine Ringkonfiguration besitzt; die Linse, die aus mehreren konzentrischen Ringen des Mosaikkristalls gebildet ist, der mehrere Beugungsschichten bildet; oder ein Röntgenstrahlenfilter.
Gemäß einem letzten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer Röntgenstrahlenlinse, die eine Innenfläche aufweist, die in Längsrichtung konischen Querschnitt besitzt, aus einem Kristall, aufweisend die Schritte: Montieren einer Kristallplatte in einem konischen Ring; Erzeugen einer linearen Kraft, die einen konischen Stab vortreibt; und Betätigen des konischen Stabs auf die Fläche der Kristallplatte zur Bildung der Kristallplatte in konischer Form.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahlensystems unter Verwendung des erfindungsgemäßen Linsensystems;
2 zeigt ein Diagramm eines einfachen Bragg-Reflektors;
3 zeigt eine schematische Ansicht der Kristallbereiche in einem Kohlenstoffmosaik, reflektierend Röntgenstrahlen;
4 zeigt eine schematische Ansicht einer Laue-Röntgenstrahlenbeugung in einer Röntgenstrahlenlinse;
5 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip des gebogenen Johansson-Kristalls;
6 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung der Hauptlinse gemäß der vorliegenden Erfindung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen und aufweisend eine gekrümmte Reflektionsfläche in Bezug auf die einfallenden Röntgenstrahlen;
7 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung der Hauptlinse gemäß der vorliegenden Erfindung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen und aufweisend eine flache Reflektionsfläche in Bezug auf die einfallenden Röntgenstrahlen;
8 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Mehrfachröntgenstrahlenlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend gekrümmte Flächen in Bezug auf einfallende Röntgenstrahlen;
9 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Mehrfachröntgenstrahlenlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend flache und gewinkelte Flächen in Bezug auf einfallende Röntgenstrahlen;
10 zeigt eine schematische Ansicht einer Röntgenstrahlenlinse, die nicht zu der vorliegenden Erfindung gehört, unter Verwendung des Prinzips der Laue-Röntgenstrahlenbeugung;
11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Röntgenstrahlenlinse, die nicht. zur vorliegenden Erfindung gehört, bestehend aus mehrfachen konzentrischen Schichten eines mosaikförmigen Graphitkristalls;
12 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 12-12 in 11;
13 zeigt eine Querschnittsansicht einer Röntgenstrahlenlinse, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehört, unter Verwendung des Prinzips der Laue-Röntgenstrahlenbeugung und versehen mit Strahlstoppern und Filtern;
14 zeigt eine Querschnittsansicht einer Kombinationsröntgenstrahlenlinse gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Prinzipien der Laue-Röntgenstrahlenbeugung und der Bragg-Röntgenstrahlenreflektion;
15–17 zeigen die Verfahren zum Biegen von Graphit, das verwendet wird, um die Röntgenstrahlenlinsen gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen;
18 zeigt die Kalibrierung einer Röntgenstrahlenlinse und eines Linsenhalters; und
19 zeigt das Verfahren zum Ausbilden einer konischen Fläche für die Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahlensystems unter Verwendung der Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Röntgenstrahlenlinsensystem ist in dieser Ausführungsform allgemein mit 20 bezeichnet und umfasst einen Röntgenstrahlenfilter 22, eine Linse 24, eine Hauptlinse 26 und eine Verlängerungslinse 28. Die vorliegende Erfindung kann ausschließlich mit einer dieser Linsen oder einer beliebigen Kombination dieser Linsen oder anderen Linsen genutzt werden, die in dieser Erläuterung definiert sind. Ein Röntgenstrahlengenerator 30 erzeugt Röntgenstrahlen 32, die direkte oder koaxiale Röntgenstrahlen enthalten, die durch einen Röntgenstrahlenfilter 22 gefiltert werden. Der Röntgenstrahlenfilter 22, bei dem es sich um einen Bandpass, einen Hochpass oder einen Tiefpass handeln kann, besteht aus einem Ring 21, der außerachsige Röntgenstrahlen blockiert oder absorbiert, die durch das Innere der Linsen nicht reflektiert werden und/oder nicht in den Brennpunkt 24 des Linsensystems 20 konvergieren. Ein Filtermedium 23 ist innerhalb des Rings 21 des Röntgenstrahlenfilters 22 angeordnet, um Röntgenstrahlen auszufiltern, die in das Linsensystem 20 eintreten, unter Umgehung der Reflektionsflächen des Linsensystems 20 und direkter Ausbreitung zum Brennpunkt 34. Alternativ kann der Filter 22 an der Austrittsapertur eines Linsensystems 20 angeordnet werden, oder zwei Filter 22 können gleichzeitig sowohl an der Antritts- wie der Austrittsapertur eines Linsensystems 20 verwendet werden.
Die Röntgenstrahlen 32 werden durch das Linsensystem 20 gesammelt und durch das Linsensystem 20 als Röntgenstrahlen 36 zur Konvergenz, die im Brennpunkt 34 konvergieren. In der Radiotherapie kann ein System unter Verwendung der Röntgen strahlenfokussierungseigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung eine erkrankte Stelle unter reduzierter Beschädigung kolateralen Gewebes zerstören und Energie im keV-Bereich anstelle im MeV-Bereich kann genutzt werden. Diese Nutzung niederenergetischer Röntgenstrahlen erlaubt ein rascheres Abfallen hinter dem Zielgewebe und eine reduzierte Beschädigung von Gewebe, das hinter dem Zielgewebe liegt. Eine erkrankte Stelle oder ein Zielvolumen 38 wird der größten Intensität an fokussierten Röntgenstrahlen 36 unterworfen, wenn der Brennpunkt 34 des Linsensystems direkt auf der erkrankten Stelle zu liegen kommt. Diese Fokussierwirkung minimiert außerdem die Strahlungsbelastung des gesunden Gewebes, das die erkrankte Stelle umgibt, wodurch eine kolaterale Beschädigung des gesundes Gewebes verringert wird. Die modulare Natur des Linsensystems 20 kommt in der Einfachheit zum Ausdruck, mit der die Brennweite und der Brennpunktbereich bzw. die Brennpunktfläche eingestellt werden. Die Brennweite X und die Fläche des Brennpunkts 34 des Röntgenstrahlenlinsensystems lassen sich leicht ändern durch Anordnen unterschiedlicher einzelner Linsenkomponenten durch Linsen mit den gewünschten Seitenverhältniskombinationen. Die Fokussiereigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung führen außerdem zu dem Vorteil einen verbesserten Flusses und einer verbesserter Auflösung bei der Röntgenstrahlenbeugung bzw. anderen Röntgenstrahlenanwendungen.
Die Röntgenstrahlenlinsen gemäß der vorliegenden Erfindung nutzen die Prinzipien der Bragg-Reflektion und der Laue-Beugung. 2 zeigt eine grafische Darstellung eines einfachen Bragg-Reflektors. Eine Röntgenstrahlung 40 mit der Wellenlänge λ fällt auf einen Kristall oder eine Mehrfachschicht 42 mit Gitter- bzw. Mehrschichtabstand d ein. Schmalbandige oder allgemein monochromatische Strahlung 44 wird daraufhin in Übereinstimmung mit dem Bragg'schen Gesetz reflektiert. Mosaikförmiger Graphit ist die bevorzugte Kristallstruktur, die als Bragg-Reflektor genutzt werden kann, um einen schmalbandigen oder allgemein monochromatisierten Röntgenstrahl bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen können andere Kristalle oder Bragg-Strukturen, wie etwa Mehrfachschichten, in dem Linsensystem ersatzweise verwendet werden, um Strahlung unter Nutzung des Bragg'schen Gesetzes zu reflektieren. Mosaikförmiger Graphit oder andere Bragg-Strukturen reflektieren Strahlen ausschließlich dann, wenn die Bragg'sche Gleichung erfüllt ist: nλ = 2dsin(θ),wobei

n: = Reflektierungsordnung
λ: = Wellenlänge der einfallenden Strahlung
d: = Schichtsatzabstand einer Bragg-Struktur oder Gitterabstand eines Kristalls
θ: = Einfallswinkel.

Mosaikförmiger Graphit wurde als bevorzugtes, Röntgenstrahlen reflektierendes oder beugendes Material in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gewählt auf Grund seiner überlegenen Leistungsfähigkeit, wie etwa eines großen Reflektionswinkels, einer großen Pendelkurvenbreite auf Grund der Mosaikstruktur und auf Grund hohen Reflektionsvermögens. Sowohl bei der Bragg- wie Laue-Beugung diktiert das Bragg'sche Gesetz die Reflektion und/oder Beugung der einfallenden Röntgenstrahlen. Die einzige Differenz besteht darin, dass sich in der Bragg-Beugung der einfallende und gebeugte Strahl dieselbe Kristallfläche teilen, während im Laue-Fall der einfal lende und gebeugte Strahl zwei unterschiedliche Flächen nutzt. Der erstgenannte Fall wird üblicherweise als "Reflektionsschema" bezeichnet, und der letztgenannte Fall wird als "Transmissionsschema" bezeichnet.
Die Struktur des mosaikförmigen Kristalls besteht aus einer regelmäßigen dreidimensionalen Gruppierung von Atomen, die ein natürliches Beugungsgitter für Röntgenstrahlen bilden. Die Größe d in der Bragg'schen Gleichung ist ein senkrechter Abstand zwischen den Atomebenen in dem mosaikförmigen Graphit, die das Beugungsgitter bilden. Der mosaikförmige Kristall besteht aus zahlreichen winzigen, unabhängigen Kristallbereichen, die nahezu parallel, jedoch nicht ganz parallel zueinander verlaufen. Wenn Röntgenstrahlen von einer Röntgenstrahlenquelle eine Reflektionsfläche treffen, variiert der Einfallswinkel, weil der Reflektionspunkt verschiedener Röntgenstrahlen unterschiedliche Abstände von einer Röntgenstrahlenquelle besitzt. Da der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen, die auf den mosaikförmigen Kristall einfallen, variiert wird, werden die Kristallbereiche variiert, die Röntgenstrahlen reflektieren. Dies wird hervorgerufen durch die unterschiedlichen Ausrichtungen der einzelnen Kristallbereiche innerhalb des mosaikförmigen Graphits. Es existiert nicht nur ein einziger Einfallswinkel auf die allgemeine Fläche des mosaikförmigen Graphits; vielmehr existieren einzelne lokale Einfallswinkel auf die unabhängigen Kristallbereiche. Ein Röntgenstrahl, der auf dem mosaikförmigen Graphit auftrifft, wird unter einem größeren Einfallswinkel reflektiert als im Fall eines perfekten Kristalls, weil die in dem Graphit mit breiteren Einfallswinkeln eintretenden Röntgenstrahlen die mosaikförmigen Elemente erreichen, die zur Reflektion unter diesem Winkel korrekt ausgerichtet sind. Der mosaikförmige Graphit reflektiert über einen Winkelbereich, der von der Streu ung der Mosaikausrichtungen abhängt; der Bereich ist jedoch größer als derjenige eines perfekten Kristalls oder eines mehrschichtigen Dünnfilm-Bragg-Reflektors.
Die Anordnung der Gitterstruktur und der Kristallbereiche kann ausgehend von einer geringfügigen Ordnung bis zu einer hohen Ordnung abhängig von der Anwendung variiert werden. Für Röntgenstrahlen unterschiedlicher Energie ist der Bragg-Winkel unterschiedlich und die Ausprägung der Mosaikform bestimmt die Fähigkeit, mehr Energie über einen größeren Winkelbereich zu akzeptieren. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Hauptparameter des Graphits, der in den Bragg-Reflektionslinsen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, folgende:

d-Abstand d: 3,33 Å

KWHW w: 0,5°

Reflektionsvermögen R: 50%

Dichte ρ: 2,25 g/cm³

Abschwächung μ: 0,175 m^–1·cm²
3 zeigt eine schematische Ansicht der Kristallbereiche 46 beim Reflektieren von Röntgenstrahlen durch den mosaikförmigen Kohlenstoff. Die Reflektionsfläche 48 der Bragg-Linse ist kreisförmig gekrümmt. Diese Krümmung verbessert die Fokussiereigenschaften der Linse, indem der Einfallswinkel für diejenigen Röntgenstrahlen konstant gehalten wird, die durch die gesamte Reflektionsfläche 48 einfallen. Diese ideale Reflektionsfläche erlaubt es, dass Röntgenstrahlen 50, die im Punkt A erzeugt werden und auf einzelne Kristallbereiche 46 einfallen, im Punkt B fokussiert werden. Die einzelnen Kristallbereiche 46 sind relativ zueinander, im Brennpunkt B resultierend, geringfügig abweichend von parallel. Die Bragg- Bedingung ist gewährleistet durch die folgenden beiden Bedingungen: Der Winkel, der durch einen einfallenden und einen reflektierenden Röntgenstrahl aufgespannt ist, ist konstant entlang dem Kreis, und die winzigen Kristallbereiche erzeugen korrekte Bragg-Winkelaustritte. Für einen Kristall mit unterschiedlichen d-Abständen und unterschiedlichem Quellen-Brennpunkt wird ein anderweitig bemessener Kreis gewählt, um die Bragg-Winkelanforderungen zu erfüllen. In einer tatsächlichen Anwendung können die Röntgenstrahlen geeignete Kristallbereiche deshalb nicht exakt auf den Kreis treffen, weil flache Kristalle verwendet werden. Dies ergibt im Brennpunkt B einen auf geweiteten Strahlenfleck. Die Parallelität und das Leistungsvermögen eines mosaikförmigen Kristallreflektors werden vollständig charakterisiert und beschrieben durch seine Pendelkurvenbreite, sein ihm innewohnendes Reflektionsvermögen und den Abschwächungskoeffizienten.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Laue-Beugung/Transmission genutzt, um die Röntgenstrahlen auszurichten und zu fokussieren. Wie aus 4 hervorgeht, dringt ein einfallender Röntgenstrahl 52 in einen Kristall 54 ein, und ein Teil der einfallenden Strahlen 52 wird gebeugt und breitet sich durch den Kristall 54 entlang der Beugungsrichtung aus und treten aus dem Kristall 54 als fokussierte Röntgenstrahlen 56 aus. In der als Ring konfigurierten Laue-Linse werden Röntgenstrahlen auf unterschiedlichen Fokussierkreisen innerhalb des Kristalls gebeugt. Die Bragg-Winkel sind unterschiedlich an einem unterschiedlichen Punkt im Kristallvolumen, was in einem insgesamt breiteten Spektrum als bei Bragg-Reflektoren resultiert.
Die idealen inneren Kristallflächen des mosaikförmigen Graphits und die Kristallebenen der Linsen gemäß der vorliegen den Erfindung folgen dem Johansson-Schema. Wie aus 5 hervorgeht, wird ein gebogener Johansson-Kristall 58 verwendet, um Röntgenstrahlen zu reflektieren und zu fokussieren. Der gebogene Johansson-Kristall 58 reflektiert Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit dem Bragg'schen Gesetz. Der Johansson-Kristall 58 wird hergestellt unter Biegen eines Kristalls in eine Zylinderfläche mit einem normalen Radius 2R, woraufhin die Reflektionsoberfläche 60 auf eine Zylinderfläche mit Radius R poliert wird. Der durch jedes Paar von einfallenden Strahlen 62, die durch die Quelle 64 erzeugt werden, und die reflektierten Strahlen 66 aufgespannte Winkel ist derselbe. Die Linien 68, die Reflektionspunkte 70 mit dem Punkt 72 auf der anderen Seite des Kreises 74 verbinden, bei dem es sich um den symmetrischen Punkt zu der Quelle und dem Brennpunkt handelt, sind stets gleich und teilen den Winkel in zwei gleiche Teile. Die Kurve, die senkrecht zu diesen Linien verläuft, bildet deshalb eine Bragg-Ebene, und diese bilden die gebogenen zwei 2R-Kristallebenen in dieser Figur.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Hauptröntgenstrahlenlinse 26, die in der vorliegenden Erfindung genutzt wird. Die Hauptröntgenstrahlenlinse 26 besitzt zylindrische Form mit einem hohlen Inneren, das mit einer Graphitschicht 76 ausgekleidet ist. Vorgeformte oder "gebogene" Graphitblöcke können miteinander verbunden werden, um die Graphitschicht 76 auf dem Inneren eines Linsengehäuses 78 zu bilden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind vier Graphitblöcke, jeweils ein Viertel des Inneren der Röntgenstrahlenlinse 26 abdeckend, auf dem Innern der Röntgenstrahlenlinse 26 angebracht, um eine gekrümmte Innenseite bzw. -fläche zu bilden. In einer alternativen Konfiguration kann ein Graphit aufgewachsen werden durch ein Ab scheidungsprozess innerhalb des Linsengehäuses 78, um eine Reflektionsschicht zu bilden.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und wie in 6 gezeigt, bildet die mosaikförmige Graphitschicht 76 annähernd die Reflektionsfläche des Johansson-Kristalls, wie in 5 gezeigt. Die Oberfläche bzw. Fläche des Innern der Hauptröntgenstrahlenlinse 26 ist kreisförmig relativ zu dem Gehäuse und den einfallenden Röntgenstrahlen 75 gekrümmt. Der Begriff kreisförmig wird verwendet, um auf einen Querschnitt oder ein zweidimensionales Bild des Linsensystems Bezug zu nehmen; einem Fachmann auf dem Gebiet dieser Technik erschließt sich jedoch, dass in drei Dimensionen die Linsen relativ zu dem Gehäuse gekrümmt sind. Diese Krümmung resultiert in einer kleineren Brennpunktfläche bzw. einem kleineren Brennpunktbereich, wenn der mosaikförmige Graphitkristall in der idealen Formales Johansson-Kristalls ausgerichtet wird, um die Fokussiereigenschaften der Hauptröntgenstrahlenlinse 26 zu verbessern.
7 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung einer alternativen Ausführungsform der Haupt-Bragg-Reflektionslinse 26' gemäß der vorliegenden Erfindung zum Fokussieren von Röntgenstrahlen. Die Haupt-Bragg-Reflektionslinse 26' weist, wie in der Zeichnung gezeigt, eine Graphitschicht 76' auf, die nicht geneigt oder gewinkelt ist, sondern stattdessen konzentrisch flach relativ zu dem zylindrischen Gehäuse der Hauptlinse 78' relativ zu den einfallenden Röntgenstrahlen 75' ist. Die Zylinder- oder Innenfläche der Hauptlinse 26' besitzt deshalb über ihre gesamte Länge im Wesentlichen einen konstanten Innendurchmesser. Die flache Reflektionsfläche der Graphitschicht 76' ist leichter herstellbar als die gekrümmte Graphitfläche 76, die in 6 gezeigt ist, und sie ent spricht grob angenähert der Fläche des Johansson-Kristalls, wie in 5 gezeigt. Die Fokussiereigenschaften der flächen Reflektionsfläche der Graphitschicht 76' weisen eine stärkere Aberration auf als die gekrümmte Graphitfläche 76, wie in 6 vom vorauseilenden zu einem größeren Brennpunkt 79' gezeigt.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines modularen Röntgenstrahlenlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Linsensystem 20 kann aus mehreren Linsenkomponenten erstellt sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Linse 24 mit der Hauptlinse 26 verbunden, die außerdem eine Verlängerungslinse 28 zum Fokussieren von Röntgenstrahlen verbindet. Die Linsen können koaxial physikalisch durch Gewindeelemente, Flansche oder andere auf diesem Gebiet der Technik bekannte Verbindungseinrichtungen verbunden sein. Die Linsen besitzen bevorzugt zylindrische Konfiguration. Die inneren Kristallflächen 80, 76 und 82 des mosaikförmigen Graphits dieser Linsen folgen dem in 5 gezeigten Johansson-Schema, wenn sie benachbart zueinander zu liegen kommen. Die Mosaikgraphitflächen sind so konfiguriert, dass sie angenähert der idealen Johansson-Kristallreflektionsfläche entsprechen. Wie vorstehend angesprochen, wird der Begriff kreisförmig vorliegend verwendet, wenn auf einen Querschnitt oder ein zweidimensionales Bild des Linsensystems Bezug genommen wird; einem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt sich jedoch, dass die Linsen in drei Dimensionen gekrümmt sind. Die Modularität des Systems ist ebenfalls von Vorteil. Der Brennpunkt und die Röntgenstrahlenintensität gemäß der vorliegenden Erfindung können variiert werden durch einfaches Anordnen, Entfernen oder Hinzufügen von Linsen mit verschiedenen Reflektionseigenschaften. Mehrere Kombinationen einzel ner Linsen können so konfiguriert werden, dass sie nahezu für jede Anwendung nutzbar sind.
Wie in 9 gezeigt, ist die Schicht 80' des mosaikförmigen Graphits der Linse 24 linear schräg verlaufend (d.h. in drei Dimensionen konisch), die Schicht 76' des mosaikförmigen Graphits der Hauptlinse 26' ist flach (in drei Dimensionen zylindrisch), und die Schicht 82 des mosaikförmigen Graphits der Verlängerungslinse 28' ist ebenfalls linear schräg verlaufend (in drei Dimensionen konisch) in Gegenüberlage zu derjenigen der Schicht 80' des mosaikförmigen Graphits. Diese Linsen alleine besitzen gekrümmte Form; wenn sie jedoch gemeinsam angeordnet werden, besitzen sie angenähert die gekrümmte Kreisform der idealen Reflektionsfläche des Johansson-Kristalls mit ihren Winkelflächen und flachen Flächen. Dieses konische System ist ebenfalls modular und Linsen können hinzugefügt oder weggelassen werden, um das Leistungsvermögen zu verbessern.
Das wesentliche Leistungsvermögen einer Röntgenstrahlenlinse betrifft ihre Sammel- und Transmissionsfähigkeit für Röntgenstrahlen. Es kann beschrieben werden durch den Durchsatz, der definiert ist als fester Winkel ausgehend von der Quelle, der dieselbe Menge an Photonen enthält, die die Linsen zum Brennpunkt liefern. Wenn wir einen festen Winkel definieren, der in beiden Richtungen 1° übersteigt, ist als Einheit für den Durchsatz diese Gleichung gleich Folgendem: Durchsatzeinheit = ∫90,5°89,5° sinθdθ∫0,017450 dϕ = 3,05 × 10–4strad
Sämtliche Bragg-Reflektionslinsen in diesem Abschnitt der Beschreibung werden in dieser Einheit festgelegt.

Die Parameter der Hauptlinse 26' sind folgende:

Innendurchmesser:	25 mm
Länge:	115 mm
Quellen-Linsenmittenabstand:	400 mm
Linsenmitten-Fokusabstand:	400 mm
Einfangwinkel:	1,70 × 10^–3 strad
Brennpunktfleckgröße:	2–4 mm
Durchsatz:	2,78

Die Wellenlänge eines Röntgenstrahls von 60 keV wird aus der folgenden Formel berechnet:
Der Bragg-Winkel ist folgender:
Der Einfangwinkel wird ermittelt durch: ΔΩ = ∫2,029°1,529° sinθdθ∫2π0 dϕ = 1,70 × 10–3strad
Im Fall der Hauptlinse 26' ist der Durchsatz gleich dem Einfangwinkel, multipliziert mit dem mittleren Reflektionsvermögen. Der Durchsatz beträgt deshalb 8,5 × 10^–4 strad. In der vorstehend definierten Einheit beträgt der Durchsatz unserer Linse 26' 2,78.

Die Parameter der Linse 24' sind folgende:

Innendurchmesser am Austritt:	25 mm
Innendurchmesser am Eintritt:	23,5 mm
Länge:	86,5 mm
Quellen-Linsenmittenabstand:	299 mm
Linsenmitten-Fokusabstand:	501 mm
Einfangwinkel:	2,18 × 10^–3 strad
Brennpunktfleckgröße:	4 – 10 mm, abhängig von der Quellengröße
Durchsatz:	3,57

Der Einfangwinkel wird ermittelt durch: ΔΩ = ∫2,529°2,029° sinθdθ∫2π0 dϕ = 2,18 × 10–3strad
Wie vorstehend angesprochen, ist der Durchsatz gleich dem Einfangwinkel, multipliziert mit dem mittleren Reflektionsvermögen. Der Durchsatz beträgt deshalb 1,09 × 10^–3 strad und in der vorstehend definierten Einheit beträgt der Durchsatz der Linse 24' 3,57. Die Linse 24' erbringt einen großen Durchsatz, erzeugt jedoch auch einen größeren Brennfleck.

Die Parameter der Verlängerungslinse 28' sind folgende:

Innendurchmesser am Austritt:	23,5 mm
Innendurchmesser am Eintritt:	25 mm
Länge:	86,5 mm
Quellen-Linsenmittenabstand:	501 mm
Linsenmitten-Fokusabstand:	299 mm
Einfangwinkel:	1,22 × 10^–3 strad
Brennpunktfleckgröße:	abhängig von der Quellengröße
Durchsatz:	1,97

Der Einfangwinkel wird ermittelt durch:
Der Durchsatz beträgt 0,61 × 10^–9 strad und in der vorstehend definierten Einheit beträgt der Durchsatz der Linse 28' 1,97. Die Verlängerungslinse 28' besitzt einen feineren Fokus und einen größeren Konvergenzwinkel.
Die Intensitätsverteilung des Durchsatzes einer bestimmten Kombination von Linsen kann auf Grundlage der Quelleninformation, der Quellenprojektionsgröße, der Intensitätsverteilung und dergleichen berechnet werden.
In weiteren, nicht zur vorliegenden Erfindung gehörenden Ausführungsformen werden Laue-Beugungs-/Transmissionslinsen verwendet, um Röntgenstrahlen auszurichten und zu fokussieren. In 10 ist eine Laue-Linse 86 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Einfallende Röntgenstrahlen 84 durchsetzen die Laue-Linse bzw. den Kristall 86 (in einer Ringkonfiguration), und ein Teil der Röntgenstrahlen 84 wird gebeugt und breitet sich durch die Linse 86 entlang der Beugungsrichtung aus und tritt aus der Linse 86 als fokussierte Röntgenstrahlen 88 aus. Bei der Laue-Beugung werden Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Fokussierkreisen innerhalb des Kreises gebeugt. Die Bragg-Winkel sind unterschiedlich an unterschiedlichen Punkten in dem Kristallvolumen, was zu einem insgesamt breiteren Spektrum als im Fall von Bragg-Reflektoren führt.
Die Röntgenstrahlen 84 werden von jeder Gitterschicht reflektiert und in Richtung auf einen Brennpunkt 90 ausgerichtet.
Die Distanz zwischen der Quelle 92 und der Linse 86 beträgt f₁, und die Distanz zwischen der Linse 86 und dem Brennpunkt 90 beträgt f₂. Die Länge der Linse beträgt L. Der Innendurchmesser der Laue-Linse 86 beträgt R₁ und der Außendurchmesser beträgt R₂.
In dem Fall, dass f₁ nicht gleich f₂ ist, muss die Richtung der Atomebenen der Laue-Linse 86 in Durchmesserrichtung geändert werden. Die Röntgenstrahlen werden anderweitig nicht in den gewünschten Brennpunkt reflektiert. Wenn f₁ = f₂, handelt es sich bei der Linse um einen flachen Ring anstelle eines gekippten Rings mit variierenden Atomebenen. Nachfolgend sind zwei Konstruktionen angegeben; eine besitzt symmetrische Auslegung und die andere asymmetrische Auslegung. Sie haben denselben Arbeitsabstand und eine unterschiedliche Brennfleckgröße. Der Hauptgrund für die asymmetrische Auslegung besteht darin, Material beizubehalten und die Gesamtabmessung des Systems zu verringern.
Bei der symmetrischen Auslegung sind die Leistungsparameter des Graphits für die Laue-Reflektion dieselben wie für die Bragg-Reflektion mit Ausnahme des Reflektionsvermögens. Wie kürzlich durch die Anmelder gemessen, beträgt sie etwa 18% bei etwa 60 keV.
d-Abstand d: 3,33 O
FWHM w: 0,4
(24 Bogenminuten)
Laue-Reflektionsvermögen R: < 18%
Dichte ρ: 2,25 g/cm³
Abschwächung μ: 0,175 g^–1·cm²
Im Folgenden ist eine spezielle Auslegung einer Laue-Linse 86 zum Ermitteln des Leistungsvermögens angeführt. Die Hauptparameter der Linse 86 sind nachfolgend aufgelistet:

Innendurchmesser: 16,3 mm

Außendurchmesser: 32,6 mm

Länge: variabel

Quellen-Linsenmittenabstand: 350 mm

Linsenmitten-Fokusabstand: 350 mm
Der Innenrand der Laue-Linse 86 ist auf einen Betrieb bei 80 keV abgestimmt, und der Außenrand ist auf einen Betrieb bei 40 keV abgestimmt. Der Bandpass in jedem Punkt ist gegeben durch:
In der Position, in der der Einfallswinkel θ beträgt, beträgt die Energie der Röntgenstrahlen, die das Bragg-Gesetz erfüllen
Der Bandpass als Funktion von q kann deshalb geschrieben werden als
wobei Δθ die Pendelkurvenbreite ist.
Der Einfangwinkel wird ermittelt durch:
wobei θ₂ der Einfallswinkel am Außenrand ist, und wobei θ₁ der Einfallswinkel am Innenrand ist.
Der Wirkungsgrad der Linse 86 kann dargestellt werden als
wobei R 0,18 ist und wobei Δθ = 0,4° = 0,00698 Rad.
In der Einheit "effektiver fester Winkel" sollte der Durchsatz betragen ΔΩ ≈ 8,2 × 10–5 unter der Annahme, dass die Spannungseinstellung 120 kV beträgt.
Zusammenfassend beträgt das Leistungsvermögen:

Einfallswinkel: 5,13 × 10^–3 strad

Brennfleckgröße: - 3 mm (abhängig von der Herstellungsgenauigkeit)

Durchsatz: 0,82

Effektiver fester Winkel: 8,2 × 10^–5
Die in 12 gezeigte asymmetrische Linsenauslegung gestattet es, Material einzusparen und die Montagezeit zu verkürzen. Wie vorstehend angesprochen, ist jedoch theoretisch der Kippwinkel jeder Schicht 94 unterschiedlich. In der Praxis kann er approximiert werden durch eine begrenzte Anzahl von Kristallschichten. Jede Schicht 94 ist aus einem massiven Kristallteil gebildet. Der Kippwinkel der Kristallebene ist derselbe innerhalb jeder Schicht 94.
Diese spezielle Auslegung der Linse 100 umfasst drei konzentrische Schichten 94 (Ringe) mit einer Dicke von 2 mm in der bevorzugten Ausführungsform. Der Innenradius der Linse beträgt 5,4 mm, während der Außenradius der Linse 11,4 mm be trägt. Jede Linsenschicht 94 besitzt konische Konfiguration. Die Hauptparameter dieser Auslegung bzw. Konstruktion sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
In 13 ist eine weitere, nicht zur vorliegenden Erfindung gehörende Ausführungsform unter Verwendung der Laue-Reflektion zum Fokussieren von Röntgenstrahlen gezeigt. Eine Röntgenstrahlenquelle 92' richtet Röntgenstrahlen 84' auf eine Linse oder einen Kristall 86' aus, wobei ein Teil der Röntgenstrahlen 88' gebeugt und fokussiert wird, und wobei durchgelassene Röntgenstrahlen 96 aus dem Kristall austreten, ohne gebeugt zu werden. Ein Strahlenstopper 98 blockiert diese durchgelassenen Röntgenstrahlen 96. Koaxiale Röntgenstrahlen 102 werden durch einen Röntgenstrahlenfilter 22' ähnlich dem vorstehend erläuterten Röntgenstrahlenfilter 22 gefiltert.
Ein Querschnitt eines Systems als Kombination aus einer Laue- und Bragg-Linse ist in 14 gezeigt. Die Röntgenstrahlenquelle 92'' richtet einen Teil der Röntgenstrahlen 84'' auf eine Bragg-Reflektionsfläche 104 aus, die bevorzugt aus einem mosaikförmigen Graphitkristall besteht, der allgemein mono chromatische Röntgenstrahlen in den Brennpunkt 90'' reflektiert. Ein Teil der Röntgenstrahlen 84'' wird außerdem erneut auf den Graphitkristall 86'' ausgerichtet, wo einige der Röntgenstrahlen 88'' gebeugt und in den Brennpunkt 90'' reflektiert werden. Durchgelassene Röntgenstrahlen 96', die sich durch den Kristall 86'' ausbreiten, fallen auf eine zweite Bragg-Reflektionsfläche oder -Linse 106 ein, die so konfiguriert ist, dass die durchgelassenen Röntgenstrahlen 96' in den Brennpunkt 90'' fokussiert werden. Die Konfiguration aus mehreren Bragg- und Laue-Linsen erhöht die Flusskonzentrationskraft des Kombinationslinsensystems. Röntgenstrahlen, die bislang ausgeschlossen oder blockiert worden sind, werden nunmehr konditioniert und in Richtung auf den Brennpunkt 90'' ausgerichtet.
Die Graphitreflektions- und -beugungsschichten der Röntgenstrahlenlinsen gemäß der vorliegenden Erfindung können durch verschiedene Verfahren gebildet werden, einschließlich solchen, ohne hierauf beschränkt zu sein, die basieren auf direktem Aufwachsen auf einem Linsengehäuse und Biegen eines allgemein flachen Graphitflachmaterials. Der Biegeprozess erlaubt die Erzeugung eines konischen Graphitlinse bei Raumtemperatur.
Wie in 15 bis 17 gezeigt, ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine allgemein konische Linse gebildet durch Biegen von vier identischen Platten 110 aus Graphit, wobei jede gebogene Platte 110 ein Viertel der Linse, d.h. 90 Grad, darstellt. Die gebogenen Platten 110 werden in einem Gehäuse montiert bzw. zusammengebaut, um die vollständige konische Linse zu erzeugen. Die Biegequalität beeinflusst direkt das Leistungsvermögen einer Graphitlinse, weil die positive Spannung (Zusammendrückkraft) entlang der Schichtrichtung während des Biegevorgangs die Ausprägung der Mosaikform des Graphits beschädigt. Wie in 15 gezeigt, existieren beispielsweise drei unterschiedliche Spannungsschichten 112, wenn eine Graphitlinse ohne Stützstruktur gebogen wird. Die zentrale Schicht 114 unterliegt während des Biegevorgangs keiner Spannung. Unter und über dieser zentralen Schicht erleiden die Graphitschichten 116 negative und positive Spannungen. Die Höhe der Spannung ist linear proportional zum Abstand von der zentralen Schicht 114 und der Länge der Graphitplatte 110. Eine Beschädigung der Ausprägung der Mosaikform des Graphits hängt direkt von der positiven Spannung ab.
Um die Beschädigung der Graphitplatte 110 während der Biegeprozedur zu minimieren, können drei Biegeverfahren eingesetzt werden. Da eine kürzere Graphitplatte während des Biegeprozesses eine geringere Spannung erleidet, können in dem ersten Verfahren gebogene Graphitplatten 110 zur Bildung eines vollständigen Kreises verwendet werden, wie aus den vorstehend abgehandelten Ausführungsformen der Erfindung hervorgeht. Die Anzahl an Graphitplatten 110, die segmentiert werden müssen, hängt vom, Radius der Graphitplatte 110, von der Dicke der Graphitplatte 110 und von den mechanischen Eigenschaften der Graphitplatte 110 ab. In dem in 16 gezeigten zweiten Biegeverfahren wird eine Verstärkungsplatte 118 eingeführt, um die Nullspannungsschicht zur Stirnseite der Graphitplatte 110 zu verschieben. In der bevorzugten Ausführungsform besteht die Verstärkungsplatte 118 aus einem transparenten Mylarfolienteil, das auf die Stirnseite der Graphitplatte 110 vor dem Biegevorgang geklebt oder fixiert wird. Die Verstärkungsplatte 118 wird nach dem Biegevorgang entfernt, um die Stirnseite der Graphitplatte 110 der Umgebung auszusetzen. Bei dem in 17 gezeigten dritten Verfahren werden zwei Führungsplatten 120 und 122 verwendet, um die Graphitplatte 110 zu Gunsten eines gleichmäßigen Biegevorgangs zu führen.
In dem in 17 gezeigten dritten Verfahren wird eine konische Stange oder Rolle bzw. Walze 109 auf der inneren Führungsplatte 120 angeordnet und die Graphitplatte 110 wird durch die innere Führungsplatte 120 und die äußere Führungsplatte 122 sandwichartige umschlossen. Die Biegekräfte werden auf die Graphitplatte 110 durch die Führungsplatten 120 und 122 derart angelegt, dass die Graphitplatte 110 entlang der konischen Stange 109 gebildet wird und die Form der konischen Stange 109 annimmt.
Es existieren zwei Verfahren für die Linsenmontage, die in der vorliegenden Erfindung angewandt werden können. 18 zeigt ein erstes Verfahren der Linsenmontage, demnach einzelne gebogene Graphitlinsensegmente in eine vollständige Linse zusammengebaut werden. Die Achse 128 eines Linsenhalters 126 definiert die Achse des Linsensystems. Die Röntgenstrahlenkamera 130 wird im Brennpunkt 132 positioniert. Die Position und der Winkel einer einzelnen gebogenen Graphitplatte 134 werden derart eingestellt, dass der reflektierte Strahl in den Brennpunkt 132 fokussiert wird. Die gebogene Graphitplatte 134 wird an dem Halter 126 nach der Ausrichtung fixiert. Sämtliche verbleibenden Graphitplattensegmente werden auf dem Halter 126 mit Hilfe dieser Prozedur angebracht.
In 19 ist ein weiteres Verfahren für die Linsenmontage unter Verwendung eines konischen Rings 152 und einer konischen Stange 150 mit den gewünschten konischen Winkeln dargestellt. Sämtliche gebogenen Graphitplatten 154 werden gleichzeitig in diesem Einzelringlinsenverfahren zusammengebaut. Ein Abstandhalter oder mehrere Abstandhalter sind erforder lich, um den durch unterschiedliche konische Winkel zwischen Schichten hervorgerufenen Spalt für das Mehrschichtlinsensystem auszufüllen. Die innere Stange 150 und die Abstandhalter bestehen aus einem Material mit geringerer Röntgenstrahlenabsorption als die gebogenen Graphitplatten 154, und sie weisen ausreichende mechanische Festigkeit und chemische Stabilität auf, um den Biegekräften zu widerstehen, die durch die konische Stange 150 erzeugt werden.
Es wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend erläuterte und dargestellte exakte Konstruktion beschränkt, sondern verschiedenen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Röntgenstrahlensystem zum Ausrichten von Röntgenstrahlen, aufweisend: Ein Linsensystem (20), das die Röntgenstrahlen ausrichtet, wobei das Linsensystem zumindest ein Linsenelement (24) enthält, das ein Gehäuse (78) mit allgemein eingeschlossenem Inneren aufweist, wobei das Innere des Gehäuses (78) mit einer Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht (48) ausgekleidet ist, die Mosaikkristalle (46) umfasst.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 1, wobei die Mosaikkristalle (46) Graphitkristalle (76) sind.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht (48) einen gekrümmten Querschnitt in Längsrichtung aufweist, und wobei die Mosaikkristalle (46) eine gekrümmte Kristallebene mit unterschiedlichem Radius in Bezug auf denjenigen des gekrümmten Querschnitts aufweisen.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Innere des Linsenelements (24) in Längsrichtung einen gekrümmten Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht (48) die Röntgenstrahlen beugt und durchlässt.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Innere des Linsenelements (24) in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Innere des Linsenelements (24) in Längsrichtung einen konischen Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Innere des Linsenelements (24) in Längsrichtung einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Linsensystem mehrere Linsenelemente (24, 26, 28) enthält, die entlang ihrer Symmetrieachse verbunden sind.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 9, wobei die mehreren Linsenelemente (24, 26, 28) Innenseiten bzw. Innenflächen aufweisen, die allgemein eine Johansson-Kristallreflektionsfläche (58) bilden.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Linsensystem (20) mehrere koaxial verbundene Linsenelemente (24, 26, 28) enthält.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, außerdem aufweisend eine ringartige Vorrichtung (21) mit einem Filtermedium (23), das mit dem Zentrum der ringartigen Vorrichtung (21) verbunden ist, wobei die ringartige Vorrichtung (21) Teile der Röntgenstrahlen ausschließt, die nicht auf das Linsensystem (20) einfallen, und die nicht in den Fokussierbereich des Linsensystems (20) fallen, wobei das Filtermedium (23) einen Teil der Röntgenstrahlen ausfiltert, die in Richtung auf den Fokussierbereich ausgerichtet sind.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Linsensystem (20) die Röntgenstrahlen in einem Brennpunkt (34) fokussiert.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, außerdem aufweisend einen Strahlenstopper (98), wobei der Strahlenstopper (98) die Röntgenstrahlen blockiert, die nicht in Richtung auf den Fokussierbereich ausgerichtet sind.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 14, wobei der Strahlenstopper (98) nicht reflektierte Röntgenstrahlen blockiert, die durch das Linsensystem hindurch gelassen werden.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Linsensystem (20) ein modulares Linsensystem (20) ist, das mehrere Linsenelemente (24, 26, 28) aufweist, die die Röntgenstrahlen sammeln und die Röntgenstrahlen in einem Brennpunkt (34) fokussieren, wobei jede der mehreren Linsen (24, 26, 28) ein Gehäuse (78) umfasst, das eine Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht (48) aufweist, und wobei die Röntgenstrahlenfokussiereigenschaften variabel sind durch Weglassen oder Hinzufügen der Linsenelemente (24, 26, 28) oder durch Ändern der Eigenschaften der Linsen (24, 26, 28).
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 16, wobei die Röntgenstrahlenfokussiereigenschaften aus der Gruppe auwählbar sind, die besteht aus: Einem Röntgenstrahlenspektralbandpass; einem Arbeitsabstand; der Flussstärke; der Brennfleckgröße; und der Brennweite.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 16 und/oder 17, wobei jede Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht (48) aus einem Mosaikkristall (46) besteht.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Bragg-Röntgenstrahlenbeugungs- und -reflektionsschicht (48) aus Graphit (76) besteht.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 19, wobei jedes der mehreren Linsenelemente (24, 26, 28) eine Innenseite bzw. innere Fläche mit in Längsrichtung gekrümmtem Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 20, wobei jedes der mehreren Linsenelemente (24, 26, 28) eine Innenseite bzw. innere Fläche mit in Breitenrichtung kreisförmigem Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 21, wobei zumindest eines der mehreren Linsenelemente (24, 26, 28) eine Innenseite bzw. Innenfläche mit in Längsrichtung konischem Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 22, wobei zumindest eines der mehreren Linsenelemente (24, 26, 28) eine Innenseite bzw. innere Fläche mit in Längsrichtung rechteckigem Querschnitt aufweist.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 23, wobei die mehreren Linsenelemente (24, 26, 28) entlang einer Röntgenstrahlen-Quellenfokusachse verbunden sind.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Linsenelement (24) Ringkonfiguration besitzt.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Linsenelement (24) aus mehreren konzentrischen Ringen eines Mosaikkristalls (46) gebildet ist, die mehrere Beugungsschichten bilden.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Linsensystem (20) mehrere Linsen (24, 26, 28) umfasst.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 27, wobei jede der mehreren Linsen (24, 26, 28) ein Gehäuse (78) mit einer Innenseite bzw. inneren Fläche aufweist, die mit Graphit (76) verkleidet ist.
Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 27 und/oder 28, außerdem aufweisend einen Röntgenstrahlenfilter (22) benachbart zu den mehreren Linsen (24, 26, 28).
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 29, wobei die Innenseiten bzw. inneren Flächen der mehreren Linsen (24, 26, 28) in Kombination gebildet sind, um dem Röntgenstrahlenlinsensystem (20) im Inneren eine allgemein sphärische Fläche zu verleihen.
Röntgenstrahlensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 30, außerdem aufweisend eine Maskiereinrichtung zum Aussperren von außerachsigen Röntgenstrahlen aus dem Linsensystem, und eine Filtereinrichtung zum Filtern der Röntgenstrahlen im Wesentlichen koaxial zu dem Linsensystem.
Verfahren zum Ausbilden einer Röntgenstrahlenlinse aus einem Kristall für das Röntgenstrahlensystem nach Anspruch 7 bis 31, aufweisend die Schritte, eine Kristallplatte in einem konischen Ring anzubringen; Erzeugen einer Linearkraft, die eine konische Walze vortreibt; und Betätigen der konischen Walze auf der Fläche der Kristallplatte zur Bildung der Kristallplatte in konische Form zum Bereitstellen der Linse.