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VERWANDTE ANMELDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der am 13. Juni 2003
eingereichten vorläufigen US-Anmeldung
Nr. 60/478,460, deren ganzer Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen
ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein optisches Röntgenstrahlsystem
zum Aufbereiten eines Röntgenstrahls.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein optisches System
zum Reflektieren eines Röntgenstrahls
in zwei Richtungen.
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Es
gibt eine Reihe von Röntgenstrahlanwendungen,
die die Verwendung eines zweidimensionalen aufbereiteten Röntgenstrahls
erfordern. Beispielsweise verwenden Radiotherapiesysteme in der
Medizin Röntgenstrahlen
zum Zerstören
von Krebsgewebe, Röntgenstrahldiffraktions- oder -mikrodiffraktionsanalysesysteme
kanalisieren Röntgenstrahlung
auf einen Probekristall, der ein Beugungsgitter erzeugt, das eine
Gitterstruktur anzeigt, und Röntgenstrahlfluoreszenz-
und -spektroskopiesysteme verwenden gerichtete und aufbereitete
Röntgenstrahlen.
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Eine
optische Kirkpatrick-Baez-Konfiguration wurde vorgeschlagen, um
einen Röntgenstrahl
unabhängig
in zwei Richtungen zu reflektieren. Bei der Kirkpatrick-Baez-Konfiguration
sind mindestens zwei optische Elemente sequentiell so orientiert,
daß ihre
Meridianachsen senkrecht stehen. Unter Einsatz von zwei parabolförmigen optischen
Elementen kann ein Kirkpatrick-Baez-System Strahlung von einer punktförmigen Quelle
einfangen und sie zu einem parallelen Strahl kollimieren. Mit einer
ellipsenförmigen
Optik ausgestattet, reflektiert ein Kirkpatrick-Baez-System ein
perfektes punktförmiges
Bild mit einer punktförmigen
Quelle in ihrem Brennpunkt.
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Jüngere Entwicklungen
bei der Herstellung von reflektierenden Mehrschichtoptiken haben
zu weiteren Entwicklungen bei optischen Systemen vom Kirkpatrick-Baez-Typ geführt (siehe
zum Beispiel
US-Patent Nr. 5,799,056 oder
Ziegler et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
A 467–468
(2001), Seiten 954–957).
Beispielsweise wurde ein modifiziertes Kirkpatrick-Baez-System,
das die Verwendung von sequentiell geordneten Mehrschichtoptiken
beinhaltet, für
eine Trägheitseinschlußfusion
vorgeschlagen.
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Wenngleich
die Verwendung von Mehrschichtspiegeln in einer Kirkpatrick-Baez-Konfiguration
zu erhöhter
Effizienz führt,
ist diese Art von System nicht optimal, weil in unterschiedlichen
Entfernungen von der Quelle positionierte Spiegel unterschiedliche
Einfangwinkel aufweisen (d. h., ein weiter von der Quelle positionierter
Spiegel besitzt eine geringere Effizienz) und außerdem die Strahlkonvergenz
und Bildgröße in zwei Ebenen
unterschiedlich sind, was zu einem als Anamorphotismus bekannten
Phänomen
führt.
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Zur
Verbesserung der Effizienz und zum Bekämpfen des Anamorphotismus verwendet
ein vorgeschlagenes konfokales optisches System ein Paar Mehrschichtspiegel,
die in einer Seite-an-Seite-Konfiguration montiert sind. Die Seite
an Seite angeordnete Kirkpatrick-Baez-Mehrschichtoptik ist für Anwendungen
optimal, die einen Strahl mit geringer Konvergenz verlangen. Es
gibt jedoch andere Anwendungen, die eine höhere Strahlkonvergenz tolerieren
oder bei denen eine Konvergenz überhaupt
nicht beschränkt
ist. Zu Beispielen für solche
Anwendungen zählen
Mikroröntgenfluoreszenzanalyse
(MXRF – Micro
X-Ray Fluorescence Analysis) und Radiotherapiesysteme in der Medizin,
die zum Zerstören
von Krebsgewebe einen konvergenten Röntgenstrahl verwenden. Diese
Anwendungen erfordern einen hohen Fluß, doch weist eine Mehrschichtoptik
wegen ihres relativ großen
d-Spacing beschränkte
Fähigkeiten
zum Bereitstellen eines hohen Einfangwinkels auf.
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Auch
Kristalle sind in der Lage, Röntgenstrahlen
zu reflektieren. Ihre natürliche
periodische Struktur sowie die von Mehrschichtstrukturen beugen
Röntgenstrahlen
gemäß der Braggschen
Gleichung nλ = 2dsinθ (1)wobei n die
ganze Zahl ist, die die Reflexionsordnung beschreibt, λ die Wellenlänge der
Röntgenstrahlung
ist und d die räumliche
Periodizität
der Gitterstruktur des diffraktiven Elements ist. Ein sogenannter
Johansson-Kristall
liefert präzise
Fokussierung in der Beugungsebene ähnlich zu einer elliptisch
abgestuften d-Spacing-Mehrfachschicht.
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Es
ist wert anzumerken, daß Kristalle
ein viel kleineres d-Spacing als Mehrfachschichten aufweisen. Dies
gestattet eine Designfreiheit bei ihren grundlegenden optischen
Röntgenstrahlenelementen
mit einem hohen Einfangwinkel. Beispielsweise kann ein Johansson-Kristall
einen theoretischen Einfangwinkel bis zu 40 aufweisen.
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Kristalle
besitzen jedoch mehrere Nachteile, die ihre Anwendung in bestimmten
röntgenbezogenen Feldern
eingeschränkt
haben. Die schmale Rocking-Kurve (das heißt, der Winkelbereich, über den
hinweg ein Element einen parallelen Strahl reflektieren kann) eines
perfekten Kristalls begrenzt den Fluß, den der Kristall von einem
Brennfleck endlicher Größe nutzen
kann. Mosaikkristalle besitzen einen bescheidenen Reflexions grad
und eine große
Eindringtiefe, was bei Anwendungen, die eine scharfe Fokussierung
erfordern, ungünstig ist.
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Beide
Arten von Kristallen besitzen eine begrenzte Akzeptanz in der axialen
Ebene (Ebene senkrecht zur Beugungsebene), und diese Akzeptanz fällt signifikant
ab, wenn ein Röntgenstrahl
nicht parallel zur Beugungsebene verläuft. Dieses letzte Merkmal
macht optische Systeme mit zwei diffraktiven Elementen mit kleinem
d-Spacing und schmaler
Rocking-Kurve ineffektiv. Diese begrenzenden Faktoren haben bisher
eine Optik mit Kristallkombinationen in bestimmten Röntgenstrahlenanwendungen
ineffektiv gemacht.
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Aus
dem Obengesagten ist ersichtlich, daß eine Notwendigkeit für ein verbessertes
optisches Röntgenstrahlsystem
zum Aufbereiten eines Röntgenstrahls
unter Verwendung von Kristallen besteht.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Röntgenstrahlaufbereitungssystem
mit einer diffraktiven Kirkpatrick-Baez-Optik (d. h. konfokalen)
einschließlich
zwei optischen Elementen bereit, wobei mindestens eines der optischen
Elemente ein Kristall ist. Die Elemente sind in einer Seite-an-Seite-Konfiguration
angeordnet. Der Kristall kann ein perfekter Kristall sein. Ein oder
beide diffraktiven Elemente können
Mosaikkristalle sein. Ein Element kann eine Mehrschichtoptik sein.
Beispielsweise kann die Mehrschichtoptik ein elliptischer Spiegel oder
ein Parabolspiegel mit abgestuftem d-Spacing sein. Das abgestufte
d-Spacing kann entweder eine seitliche Abstufung oder eine Tiefenabstufung
oder beides sein.
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Unter
anderen Vorteilen können
bestimmte Implementierungen des optischen Röntgenstrahlsystems eine Mehrschichtröntgenstrahloptik
mit einem Kristall in einer für
Operationen mit hohem Fluß optimierten
orthogonalen konfokalen Anordnung kombinieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
und den Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht der Reflexion von einem fokussierenden
diffraktiven Element; und
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2 ist
eine schematische Ansicht einer Reflexion von zwei fokussierenden
diffraktiven Elementen in einer Kirkpatrick-Baez-Seite-an-Seite-Anordnung
gemäß der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine
Analyse der Effizienz verschiedener diffraktiver optischer Röntgenstrahlelemente
liefert eine Basis für
das Verständnis
der vorliegenden Erfindung. Der Einfachheit halber sei ein einzelnes
diffraktives Element mit zylindrischer reflektierender Oberfläche und
mit einer Fähigkeit
zum Fokussieren von Röntgenstrahlen
von einer punktförmigen
Quelle zu dem punktförmigen
Bild in der Beugungsebene betrachtet. Beispiele für solche
diffraktiven Elemente sind Johansson-Kristalle und elliptische Mehrfachschichten
mit einer entsprechenden Abstufung des d-Spacing. Die Fähigkeit
dieser optischen Elemente zum Akzeptieren und Umlenken von Röntgenstrahlen
von einer monochromatischen Röntgenstrahlquelle
kann beschrieben werden als: ε = ⨍·α·β·R, (2)wobei f ein
Faktor ist, der beschreibt, von welchem Abschnitt der Quellengröße ein diffraktives
Element Strahlung verwenden kann, α und β die Akzeptanzwinkel in der
Beugungs- bzw. axialen Ebene sind und R das Reflexionsvermögen des
Elements ist.
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Die
Effizienz des Quellen-Brennfleck-Einsatzes ⨍ kann als eine Faltung
einer räumlichen
Intensitätsverteilung
der Quelle und einer Winkelakzeptanz des diffraktiven Elements berechnet
werden. In zwei Extremfällen
kann jedoch ⨍ als
einfache analytische Ausdrücke
dargestellt werden. Wenn die Winkelgröße der Quelle γ bei Betrachtung
von dem diffraktiven Element aus viel größer ist als eine Winkelakzeptanz δθ, dann kann ⨍ berechnet
werden als: f = δθγ (3)
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Wenn
jedoch die Winkelakzeptanz δθ des diffraktiven
Elements viel größer ist
als eine Winkelgröße der Quelle γ, dann ist
f gleich 1. Eine Winkelakzeptanz eines diffraktiven Elements ist
identisch zu ihrer Rocking-Kurve. Die Winkelgröße der Quelle lautet: γ = FL , (4)wobei F die
effektive Breite der Quelle in der Beugungsebene und L die Entfernung
von der Quelle zu einem diffraktiven Element ist.
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Die
Winkelakzeptanz in der Beugungsebene α wird durch die Länge l des
diffraktiven Elements und dem Bragg-Winkel θ definiert, nämlich:
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Gleichung
(5) ist ein geeigneter Ausdruck sowohl für Johansson-Kristalle als auch
elliptische Mehrfachschichten. Jedes diffraktive Element besitzt eine
begrenzte Akzeptanz auch in der axialen Ebene, die durch die Änderung
des Einfallswinkels verursacht wird, wenn sich ein Strahl aus der
Beugungsebene heraus ausbreitet.
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Ein
in 1 gezeigtes einelementiges optisches System 10 enthält eine
Quelle 12, die Röntgenstrahlen 13 zu
einem optischen Element 16 wie etwa beispielsweise einem
Johansson-Kristall, einem Johann-Kristall
oder einem logarithmischen Spiralkristall aussendet. Das optische
Element 16 beugt die Röntgenstrahlen 13 zu
einem Brennpunkt 14. Die Quelle 12 und der Brennpunkt 14 liegen
auf einem Brennkreis 20.
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Ein
Streifen
18 auf dem optischen Element
16 definiert
einen Bereich, innerhalb dessen sich der Einfallswinkel weniger
als die Hälfte
der Rocking-Kurve des optischen Elements ändert. Die Bereiche unter und über diesem
Streifen
18 reflektieren den Strahl nicht effektiv, weil
eine Änderung
des Einfallswinkels im Vergleich zur Rocking-Kurve zu groß ist. Diese
Winkelakzeptanz eines diffraktiven Elements in der axialen Ebene β kann beschrieben
werden als
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Einige
andere Bedingungen, als Beispiel, eine Apertur oder eine Winkelquellenverteilung
können
den Strahlungseinsatz in der axialen Ebene begrenzen. In solchen
Fällen
ist β die
kleinste der Beschränkungen.
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Die
berechneten Effizienzen von verschiedenen optischen Konfigurationen
und optischen Elementen sowohl für
einen großen
als auch kleinen Brennfleck der Quellen (siehe zum Beispiel Ausdrücke 3 und
4) sind unten in Tabelle 1 gezeigt. Die Konfigurationen enthalten
ein einzelnes optisches Element, ein Paar ähnliche optische Elemente in
einer Seite an Seite angeordneten konfokalen Konfiguration (das
heißt
einer Kirkpatrick-Baez-Konfiguration)
und ein Hybridpaar von optischen Elementen einschließlich einer
Mehrfachschicht und einem Kristallelement in einer Seite an Seite
angeordneten konfokalen Konfiguration.
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Die
repräsentativen
optischen Elemente sind ein Germanium-Gelll-Kristall, eine Mehrfachschicht
mit einem d-Spacing in der Mitte von 10 Angstrom, ein Lithiumfluorid-LiF200-Kristall
und ein pyrolitischer Graphit-C0002-Kristall als ein einzelnes diffraktives
Element. Wie angegeben liefert pyrolytischer Graphit eine hervorragende
Effizienz sowohl für
große
als auch kleine Quellen, und die Mehrschichteffizienz übersteigt
die Effizienz der Ge- und LiF-Kristalle, wenn die Quelle groß ist. TABELLE
1: EFFIZIENZ VON OPTISCHEN KONFIGURATIONEN
| Optische | Germanium | Mehrfach | Lithium | Pyroly |
| Konfiguration | | schicht | fluorid | tisches |
| | | | | Graphit |
| | | Große | | |
| | | Quelle | | |
| Einzelnes | 1,3E-05 | 1,2E-04 | 3,5E-05 | 6,2E-03 |
| Element | | | | |
| Konfokale | 1,8E-13 | 8,1E-09 | 5,4E-12 | 2,9E-05 |
| Standardoptik | | | | |
| Konfokale | 2,0E-08 | | 1,1E-07 | 6,8E-06 |
| Hybridoptik | | Kleine | | |
| | | Quelle | | |
| Einzelnes | 4,8E-03 | 4,2E-03 | 3,6E-03 | 2,1E-02 |
| Element | | | | |
| Konfokale | 1,4E-06 | 5,3E-04 | 3,2E-06 | 1,9E-02 |
| Standardoptik | | | | |
| Konfokale | 6,9E-04 | | 1,1E-03 | 2,2E-03 |
| Hybridoptik | | | | |
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Zum
Berechnen der Effizienz der konfokalen optischen Konfiguration wird
ein Einfangwinkel in der Beugungsebene für ein Element als der Winkel
der axialen Akzeptanz für
das zweite Element betrachtet. Die Gleichung (6) für den Winkel
der axialen Akzeptanz ist jedoch für die konfokale Anordnung nicht
korrekt, da sie annimmt, daß Abweichungen
nicht in der Beugungsebene symmetrisch in beiden Richtungen auftreten, was
bei der konfokalen Anordnung nicht der Fall ist.
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2 ist
eine schematische Ansicht einer konfokalen (oder Kirkpatrick-Baez)
optischen Konfiguration 40 mit einem ersten optischen Element 42 und
einem zweiten optischen Element 44, die Seite an Seite
auf orthogonale Weise ausgerichtet sind. Das erste optische Element 42 definiert
einen Brennkreis 46, und das zweite optische Element 44 definiert
eine Brennellipse 48. Das erste und zweite optische Element 42, 44 sind derart
ausgerichtet, daß der
Brennkreis 46 die Brennpunkte der Brennellipse 48 zweimal
schneidet, einmal bei der Quelle 50 und einmal bei der
Bildposition 52.
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Bei
einer Ausführungsform
ist das erste optische Element 42 ein Kristall und das
zweite optische Element 44 eine Mehrschichtoptik. Wieder
unter Bezugnahme auf 2 ist die Kristallarbeitsoberfläche 54 vertikal
und die Mehrschichtarbeitsoberfläche 56 horizontal
und unter dem Brennkreis 46 positioniert. Wie gezeigt definiert
der Bragg-Winkel θc des Kristalls die axiale Komponente des
Einfallswinkels eines Röntgenstrahls
von dem Brennpunkt zu der Spiegeloberfläche und umgekehrt. Die zylindrischen
Arbeitsoberflächen
von zwei optischen Elementen kreuzen sich, wodurch die Arbeitsecke
der Optik konstruiert wird, das heißt die auf der Kristallarbeitsoberfläche 54 beziehungsweise
der Mehrschichtarbeitsoberfläche 56 gezeigten
zwei Streifen 58 und 60.
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Man
beachte, daß die
axialen Komponenten für
beide optischen Elemente bezüglich
ihrer jeweiligen Beugungsebenen nicht symmetrisch sind. Um die axiale
Akzeptanz eines diffraktiven Elements unter diesen Bedingungen zu
finden, wird der Ausdruck (6) umgeschrieben zu:
oder zu:
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In
den Gleichungen (7) und (8) ist β ein
Winkel zwischen der Strahl- und Beugungsebene eines Elements und Δθ die entsprechende
Abweichung des Einfallswinkels von dem Braggschen Winkel. Zum Bestimmen
der Stärke
der Einfallswinkeländerung
d(Δθ), die durch
eine kleine Variation des axialen Winkels dβ hervorgerufen wird, wird Gleichung
(8) differenziert, was folgendes ergibt: d(Δθ) = β·tanθ·dβ (9)
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Wenn
d(Δθ) = δθ eine Elementwinkelakzeptanz
in seiner Beugungsebene ist, dann ist seine axiale Akzeptanz bei
einem mittleren axialen Winkel β:
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Bei
einer konfokalen optischen Anordnung wird der axiale Winkel β des Kristalls
durch den Braggschen Winkel θm des Spiegels definiert als: βc = arctan(tanθm·cosθc) (11)und βm = arctan(tanθc·cosθm) (12) wobei θm und θc Bragg-Winkel
des Spiegels beziehungsweise Kristalls sind. Da der Akzeptanzwinkel
der konfokalen Optik in einer vertikalen Ebene durch den Spiegeleinfangwinkel
und den axialen Akzeptanzwinkel des Kristalls definiert ist, wird
der kleinere dieser beiden Winkel für die Effizienzberechnungen
verwendet. Die Effizienz einer konfokalen Optik auf der Basis von ähnlichen
oder verschiedenen Elementen in zwei senkrechten Beugungsebenen
kann auf der Basis der obigen Gleichungen berechnet werden.
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Auch
die Ergebnisse solcher Berechnungen sind in Tabelle 1 vorgestellt.
Wiederum ist zu sehen, daß Graphit
die höchste
Effizienz liefert. Ein nichttriviales Ergebnis dieser Berechnungen
lautet jedoch, daß die
Hybridoptik, die eine Mehrfachschicht und entweder einen perfekten
Kristall (Ge) oder einen Mosaikkristall (LiF) enthält, eine
höhere
Effizienz liefert als eine reine konfokale Optik mit zwei ähnlichen
Komponenten in zwei Ebenen.
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Beispielsweise
hat mit einer großen
Quelle eine konfokale Ge-Optik eine Effizienz von 1,8E-13, im Verglich
von einer Effizienz von 8,1E-9 für
eine Mehrschichtoptik. Eine Hybridoptik mit einer Mehrfachschicht
in einer Ebene und Ge in einer anderen Ebene liefert jedoch eine
Effizienz von 2,0E-8. Diese letztere Konfiguration ist von speziellem
Interesse, weil eine Optik auf der Basis einer Mehrfachschicht und
eines Ge-Kristalls eine präzise
Fokussierung und eine hohe Effizienz liefern kann.
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Die
folgenden sind unter anderem Beispiele für Kombinationen von diffraktiven
Elementen, die eine hohe Effizienz in der konfokalen Anordnung liefern:
zwei Mosaikkristalle mit einem niedrigen d-Spacing und hoher Mosaizität; einen
Mehrschichtspiegel und einen Mosaik- oder einen perfekten Kristall mit einem
niedrigen d- Spacing
und einen Mosaikkristall mit einem hohen d-Spacing mit einem Mosaik- oder einem
perfekten Kristall mit niedrigem d-Spacing.
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Die
Definition für
niedriges/hohes d-Spacing und niedrige/hohe Mosaizität hängen von
den jeweiligen Anforderungen des kollimierten Strahls ab. Beispielsweise
kann ein d-Spacing über
etwa 10 Angstrom und eine Mosaizität von über etwa 5 bis 10 Bogenminuten
als hohes d-Spacing beziehungsweise hohe Mosaizität angesehen
werden.
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Eine
konfokale Optik, die einen Johansson-Kristall und einen elliptischen
Mehrschichtspiegel mit seitlich abgestuftem d-Spacing und Tiefenabstufung
enthält,
ist eine bevorzugte Konfiguration. Diese Art von Optik ist eine
effektive diffraktive Komponente zum Bilden eines konvergierenden
fokussierenden Strahls. Eine besonders effektive Implementierung
einer konfokalen Hybrid-Mehrfachschicht-/Kristalloptik
ist, wenn ein hochkonvergenter Strahl in einer Ebene beispielsweise
für Reflektometrie
mit hochkonvergentem Strahl gewünscht wird.
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Ein
Mehrschichtparabolspiegel mit seitlich abgestuftem d-Spacing und
Tiefenabstufung ist ein optimales diffraktives Element zum Bilden
eines parallelen Strahls. Ein hochasymmetrischer Johansson-Kristall
kann verwendet werden, um einen quasi-parallelen Strahl zu bilden,
wenn die Anforderungen der Strahldivergenz in einer Ebene strenger
sind als in der anderen Ebene. Wiederum können verschiedene Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung viele andere diffraktive optische Komponenten
nutzen, um einen quasi-parallelen Strahl zu bilden.
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Die
Längen-
und Mittenpositionen von zwei diffraktiven Elementen können übereinstimmen,
oder sie können
verschieden sein. Somit sind einige Bereiche von zwei diffraktiven
Elementen überlappt,
wodurch eine konfokale Seite-an-Seite-Optik gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
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Die
konfokale Hybridoptik der vorliegenden Erfindung kann zwei, vier
oder mehrere Arbeitsecken enthalten, wie in dem
US-Patent Nr. 6,014,423 beschrieben.
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Schließlich können gewisse
Implementierungen des optischen Röntgenstrahlsystems der vorliegenden
Erfindung Eintritts- und Austrittsaperturen enthalten, um den Röntgenstrahl
zu reinigen und die Röntgenstrahlabschirmung
zu vereinfachen.
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Für den Fachmann
sollte offensichtlich sein, daß die
oben beschriebene Ausführungsform
nur einige wenige der vielen möglichen
spezifischen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Fachmann kann sich
zahlreiche und verschiedene andere Anordnungen ohne weiteres ausdenken,
ohne von der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert,
abzuweichen.
