DE69909599T2

DE69909599T2 - Einzelecke kirkpatrick-baez optische strahlbehandlungsanordnung

Info

Publication number: DE69909599T2
Application number: DE69909599T
Authority: DE
Inventors: George Gutman; Licai Jiang; Boris Verman
Original assignee: Osmic Inc
Current assignee: Osmic Inc
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: CZ301342B6; DE69909599D1; CA2321289A1; WO1999043009A1; ATE245304T1; US6041099A; JP3721305B2; JP2003517568A; CZ20003042A3; AU2685199A; EP1060477A1; EP1060477B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenstrahloptik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes optisches Kirkpatrick-Baez-Gerät zum Konditionieren, Richten, Fokussieren oder Kollimieren eines Röntgenstrahls.
Es existieren verschiedene Anwendungen, die konditionierte, gerichtete, kollimierte oder fokussierte Röntgenstrahlen nutzen. Beispielsweise nutzen medizinische Radiotherapie-Systeme Röntgenstrahlen zum Zerstören von krankhaftem Gewebe, Röntgenstrahlungsbeugungs- oder Mikrobeugungsanalyse-Systeme kanalisieren Röntgstrahlung auf einen Probekristall zur Erzeugung eines Beugungsmusters entsprechend seiner Gitterstruktur, und Röntgenstrahlfluoreszenz- und Spektroskopie-Systeme verwenden gerichtete Röntgenstrahlen.
In zahlreichen Anwendungen ist es erwünscht, einen Strahl in zwei Dimensionen auszurichten. Um einen Strahl in zwei Dimensionen zu kollimieren, kann das herkömmliche optische Kirkpatrick-Baez-Schema verwendet werden. Zwei gekreuzte Spiegel, die hintereinander angeordnet sind, kollimieren einen divergenten Röntgenstrahl unabhängig entlang zweier Richtungen. Mit einer Punktquelle stellt dieses Aufeinanderfolgesystem, das mit zwei parabolischen Spiegeln versehen ist, einen parallelen Strahl bereit. Mit einer endlichen Quelle stellt dieses System einen Strahl mit unterschiedlichen Divergenzen in zwei Richtungen bereit. Dieses Aufeinanderfolgesystem, das mit zwei elliptischen Spiegeln versehen ist, vermag ein perfektes Punktbild mit einer Punktquelle in seinem Brennpunkt bereitzustellen. Für das Feldobjekt wird das Bild durch das System vergrößert oder verkleinert. Da die beiden Spiegel von dem Objekt unterschiedliche Abstände besitzen, unterscheidet sich die Vergrößerung für beide Richtungen. Bezug wird genom men auf den Artikel von Underwood J. H. et al.: "X-ray microscope with multilayer mirrors", veröffentlich in Applied Optics; USA; 1. Juni 1986, Bd. 25, Nr. 11, Seiten 1730–1732; XP002104740; ISSN 00036935, der ein aufeinander abfolgendes bzw. sequenziell geordnetes optisches Kirkpatrick-Baez-Schema offenbart.
Ferner wird Bezug genommen auf die Veröffentlichung von M. Montel: "The x-ray Microscope with Catamegonic Roof-Shaped Objective", x-ray Microscope and Microradiography, Elsevier, Amsterdam, S. 177, 1953. Der Artikel offenbart ein Paar von sphärischen Spiegeln, die derart miteinander gekoppelt sind, dass die Spiegel senkrecht verlaufen, insbesondere, um anamorphe Bilder zu bekämpfen. Ferner wird die Verwendung von Totalreflexionsspiegeln offenbart, so dass die optischen Elemente zur Verwendung in einem Röntgenstrahl-Mikroskop vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine innovative Variation des Kirkpatrick-Baez-Sytems unter Verwendung eines Nebeneinanderlage-Schemas und von Mehrlage-Bragg-Röntgenstrahlreflexionsflächen. Das Nebeneinanderlage-System stellt eine Lösung für die Probleme bereit, die mit einem Aufeinanderfolge-System verbunden sind, und bietet außerdem weitere Vorteile. Die Spiegel in einem Nebeneinanderlage-System können an der am besten geeigneten Stelle angeordnet werden, um das optische Leistungsvermögen zur Erhöhung des Flusses und der Auflösung zu optimieren, wodurch die Zeit verkürzt wird, die benötigt wird für eine Datensammlung durch eine Röntgenstrahl-Ermittlungsvorrichtung. Das Nebeneinanderlage-System leidet weniger an Oberflächenunvollkommenheiten und es wird vorab ausgerichtet und verbunden, um Fehlausrichtungsfehler zu verhindern. Die Nebeneinanderlage-Optik ist außerdem viel kompakter als ein Aufeinanderfolge-Schema, wodurch sie in Anwendungen eingesetzt werden kann, in denen Baugröße bzw. Platzbedarf an erster Stelle steht. Das Leistungsvermögen der Nebeneinanderlage-Optik kann sogar noch zusätzlich verbessert werden durch Einbauen von Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflektoren mit d-gestuftem Abstand. Die Mehrschicht-Reflektoren besitzen einen großen Reflexionswinkel, was zu einem höheren Sammlungswirkungsgrad führt und die Möglichkeit bereitstellt, die Frequenzen reflektierter Röntgenstrahlen zu wählen. Bezug genommen wird auf das europäische Patent Nr. WO-A-96-04665, das einen Mehrschicht-Röntgenstrahl-Reflektor offenbart. Insbesondere betrifft diese Druckschrift Verfahren zur Erzeugung flacher und gekrümmter optischer Elemente mit Mehrschicht-Dünnfilmen, die lateral und bezüglich ihrer Tiefe gestuft sind, insbesondere Mehrschichten extrem hoher Präzision zur Verwendung mit weichen und harten Röntgenstrahlen und Neutronen, und die durch diese Verfahren gewonnenen optischen Elemente. Um das Leistungsvermögen eines optischen Elements zu verbessern, werden Fehler bezüglich des d-Abstands und der Krümmung isoliert und daraufhin kompensiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Art einer Röntgenstrahl-Optik auf Grundlage eines Kirkpatrick-Baez-Nebeneinanderlage-Schemas und von Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet Mehrschicht-Bragg-Reflektoren mit d-gestuftem Abstand, die vorab ausgerichtet und miteinander verbunden sind in dem Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Schema. Die Reflektoren stellen eine große Flussdichte bereit, wenn sie auf eine kleine Probe fokussiert werden, und die Mehrschichtstruktur erlaubt es, dass die Röntgenstrahl-Optik das reflektierte Frequenzband steuert. Die Röntgenstrahl-Optik besitzt die Fähigkeit, Röntgenstrahlen in einem breiten Band, einem schmalen Band, monochromatisch oder in frequenzwählbarer polychromatischer Weise zu reflektieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den auf einer Probe auftreffenden Fluss zu verstärken bzw. zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Abberation einer Röntgenstrahl-Optik zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kompakte Röntgenstrahl-Optik zu erzeugen, die problemlos manövrierbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Röntgenstrahl-Optik zu schaffen, die problemlos justierbar bzw. ausrichtbar ist.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen schmalbandigen, monochromatischen bzw. frequenzselektierbaren monochromatischen Röntgenstrahl zu schaffen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen aufeinanderfolgend geordneten Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems,
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems,
3a bis 3b zeigen schematische Ansichten eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems unter Darstellung der Arbeitsbereiche des Systems,
4 zeigt eine detailliertere schematische Ansicht eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Systems unter Darstellung von Röntgenstrahlpfaden,
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Nebenein anderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems mit Apertur-Aufbauten, und
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Justieren bzw. Ausrichten gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen aufeinanderfolgend geordneten Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems. Dieses aufeinanderfolgend geordnete Spiegelsystem vermag einen Röntgenstrahl in zwei Dimensionen zu fokussieren bzw. zu kollimieren durch Reflektieren eines divergenten Röntgenstrahls entlang von zwei Richtungen in unabhängiger Weise. Die Spiegel 12a und 12b sind aufeinanderfolgend angeordnet und können mit parabolischer oder elliptischer Oberfläche konfiguriert sein. Mit einer Punktquelle 10 stellt dieses Aufeinanderfolge-System, das mit zwei parabolischen Spiegeln versehen ist, einen parallelen Strahl bereit. Mit einer endlichen Quelle stellt dieses parabolische Spiegelsystem einen Strahl mit unterschiedlichen Divergenzen in zwei Richtungen bereit. Wenn die parabolischen Spiegel durch elliptische Spiegel ersetzt werden, stellt das Aufeinanderfolge-System einen fokussierten Strahl bereit und ergibt ein perfektes Real- bzw. Echtpunktbild mit einer Punktquelle im Brennpunkt bereit. Für ein Feldobjekt wird das Bild durch das System vergrößert oder verkleinert. Die Vergrößerung variiert mit den Abständen, mit denen die Spiegel und das Objekt getrennt sind.
Es existieren mehrere Beschränkungen, welche das Leistungsvermögen des Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-Systems stark beeinträchtigen. Es existiert keine Möglichkeit, beide Spiegel in den am besten optimierten Positionen vorzusehen, was zu einem kleineren Fluss und einer größeren Abberation führt.
Bei einer Abweichung von einer idealen Krümmung ∆α der Reflexionsfläche ist die Abweichung des Strahls von der theoretischen Position in der Bildebene 2_∆αt, wobei t die Distanz zwischen dem Einfallspunkt bzw. Auftreffpunkt und der Bildebene ist. Für ein Aufeinanderfolge-System führt der FIG.-Fehler auf dem Spiegel, der näher zum Objekt liegt, zu einer größeren Abweichung. Wenn die Spiegel mit unterschiedlichen Distanzen von dem Detektor angeordnet sind, wird die Abberation von dem Spiegel, der am nächsten zur Quelle liegt, größer, wenn beide Spiegel dieselbe Winkelabweichung zeigen. Ein Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-System besitzt variierende Verstärkung, weil die Spiegel in unterschiedlichen Positionen relativ zur Feldobjektdistanz zu liegen kommen. Schließlich ist die Justage-Rusrichtungs-Hardware für einen Aufeinanderfolge-Kirkpatrick-Baez-Spiegel sperrig und kompliziert und die Justierprozeduren sind schwierig und zeitaufwendig, weil die Einstellungen Ausrichtungen relativ zu dem Strahl einschließen sowie Ausrichtungen relativ zu beiden Spiegeln.
Ein Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-System stellt eine Lösung für diejenigen Probleme bereit, die mit einem Aufeinanderfolge-System verbunden sind, und es bringt weitere Vorteile. In 2 ist ein Nebeneinanderlage-System allgemein mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet. Die Reflexionsflächen 18a und 18b sind benachbart unter einem 90°-Winkel angebracht. Das Nebeneinanderlage-System weist keine Distanzversetzung zwischen Reflexionsflächen auf, wie dies beim Aufeinanderfolge-System der Fall ist, wodurch potentielle Abberationsprobleme verringert sind.
3a bis 3b zeigen schematische Ansichten eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystems unter Darstellung einer ersten Arbeitszone 20a und einer zweiten Arbeitszone 20b auf den Spiegelflächen. Die Arbeitszonen 20a und 20b kommen auf sowie benachbart zu der Ecke zu liegen, welche durch die Verbindung der Reflexionsflächen 18a und 18b gebildet ist.
4 zeigt eine detailliertere schematische Ansicht eines Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Systems unter Darstellung von einfallenden bzw. auftreffenden und reflektierten Röntgenstrahlpfaden. Einzelne Röntgenstrahlen 26a und 26b werden von der Röntgenstrahlquelle 10 ausgestrahlt und können zunächst im Querschnitt 22 des Röntgenstrahls untersucht werden. Der Querschnitt 22 des Strahls bezeichnet die zahlreichen Divergenzrichtungen der Röntgenstrahlen, die aus der Röntgenstrahlquelle 10 austreten. Der einzelne Röntgenstrahl 26a fällt auf der Arbeitszone 20a ein, die allgemein an der Verbindung der Reflexionsflächen 18a und 18b liegt. Der einzelne Röntgenstrahl 26b fällt außerdem auf der Arbeitzone 20a ein. Die Strahlen 26a und 26b werden durch die Arbeitszone 20a reflektiert und zur Arbeitszone 20b neu gerichtet, die ebenfalls allgemein eine Verbindung der Reflexionsflächen 18a und 18b gegenüber der und teilweise die Arbeitszone 20a überlappend liegt, wie in 3a und 3b gezeigt. Die Strahlen 26a und 26b treten daraufhin aus dem System 16 aus und können in divergenter, kollimierter oder fokussierter Form abhängig von den Formen der Reflexionsflächen 18a und 18b und der Form der Röntgenstrahlquelle vorliegen. Diese Konfiguration ist allgemein als Einzelecken-Konfiguration bekannt.
Eine beliebige Kombination aus parabolischen und elliptischen Spiegelflächen kann für die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine Reflexionsfläche eine elliptische Fläche aufweisen und eine zweite Reflexionsfläche kann eine parabolische Reflexionsfläche aufweisen.
Die Reflexionsflächen gemäß der vorliegenden Erfindung sind als Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen oder als solche mit d-gestuftem Abstand gebildet. Die Bragg-Strukturen reflektieren ausschließlich Röntgenstrahlung, wenn die Bragg'sche Gleichung erfüllt ist: nλ = 2dSin(θ)wobei
n = Reflexionsordnung
λ = Wellenlänge der einfallenden Srahlung
d = Schichtanordnungsabstand einer Bragg-Struktur bzw. Gitterabstand eines Kristalls
θ = Einfallswinkel
Mehrschicht-Bragg-Spiegel bzw. Mehrschicht-Bragg-Spiegel mit d-gestuftem Abstand sind Optiken mit stationärem Brennpunkt, die die ihnen innewohnende Bragg-Struktur nutzen, um schmalbandige oder monochromatische Röntgenstrahlen zu reflektieren. Die Bandbreite der reflektierten Röntgenstrahlen kann durch Manipulieren der optischen und der Mehrschichtparameter an spezielle Bedürfnisse angepasst werden. Der d-Abstand des Mehrschichtspiegels kann derart zugeschnitten werden, dass die Bragg-Bedingung in jedem Punkt auf dem Mehrschichtspiegel erfüllt ist. Der d-Abstand kann lateral oder bezüglich der Tiefe geändert werden, um den Bandpass des Mehrschichtspiegels zu steuern.
Der Mehrschichtspiegel weist einen großen Reflexionswinkel auf, der zu höheren Sammelwirkungsgraden für einfallende Röntgenstrahlen führt. Diese Mehrschichtspiegel können den Fluss um mehr als eine Größenordnung bei einer Feinfokus-Röntgenstrahlröhre erhöhen bzw. vergrößern im Vergleich zu Totalreflexionsspiegeln. Mehrschichtspiegel können aufgrund ihrer monochromatischen Leistungsabgabe außerdem die unerwünschte charakteristische Strahlung reduzieren, die von einer Probe während einer Streuungsanalyse emittiert werden, und zwar 1000-fach.
Wenn, wie aus 5 hervorgeht, die Einzelecken-Optik ver wendet wird, kann ein Röntgenstrahl-Apertur-Aufbau 56 mit einer Apertur 58 im Eintrittsbereich angeordnet werden, im Austrittsbereich oder in beiden Bereichen, um koaxiale direkte Röntgenstrahlen, einmal aufgeprallte Röntgenstrahlen oder gestreute Röntgenstrahlen zu beseitigen.
Die Kombination des Nebeneinanderlage-Kirkpatrick-Baez-Schemas mit Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen bzw. derartigen Flächen mit d-gestuftem Abstand führen zur Bereitstellung einer überlegenen Optik für zahlreiche Anwendungen, die gerichtete, fokussierte bzw. kollimierte Röntgenstrahlen erfordern.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Ausrichtungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Damit ein Kirkpatrick-Baez-Spiegel korrekt arbeitet, muss er eine sehr spezielle Orientierung aufweisen. Die vorliegende Erfindung nutzt Mikroeinstellungs-Hardware zum korrekten Orientieren eines Kirkpatrick-Baez-Spiegels. Die Ausrichtung der Optik kann mit fünf Einstellungsfreiheitsgraden erzielt werden: Zwei Drehungen und drei Translationen. Die Drehachsen für zwei Spiegel sollten durch die Zentren der Schnittstellen der beiden Spiegel und parallel zu den Spiegeln verlaufen, wie in der schematischen Abbildung gezeigt. Die beiden Translationen, die senkrecht zu der Optik verlaufen, 6, sollten jeweils parallel zu den Spiegelflächen verlaufen (siehe unteren Teil von 6). Diese Freiheitsgrade erlauben die Einstellungen der Einfallswinkel und der Strahlpositionen.
Es wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die dargestellte und vorstehend erläuterte exakte Konstruktion beschränkt ist, sondern zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

System zum Konditionieren eines Röntgenstrahls, aufweisend: Eine Röntgenstrahlquelle zum Erzeugen eines Röntgenstrahls für den Einfall auf einer Kirkpatrik-Baez-Nebeneinanderlage-Optik (16), die Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen aufweist, gekennzeichnet durch Röntgenstrahi-Reflex_ionsflächen (18a, 18b), die benachbart mit einem 90-Grad-Winkel derart angebracht sind, dass der erste Röntgenstrahl von den Röntgenstrahl-Reflexionsflächen (18a, 18b) in zwei Richtungen unabhängig zur Bildung eines konditionierten Röntgenstrahls zum Einwirken auf eine interessierende Struktur reflektiert wird.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen mit d-gestuftem Abstand.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der d-gestufte Abstand eine Lateralstufung ist.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der d-gestufte Abstand eine Tiefenstufung ist.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen eine elliptische Fläche aufweist.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen eine Parabolfläche aufweisen.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahl-Reflexionsflächen eine Parabolfläche und eine elliptische Fläche sind.
Röntgenstrahl-Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend zumindest einen Röntgenstrahl-Aperturaufbau (5, 6), wobei der Aufbau (5, 6) einen Teil der Röntgenstrahlen ausschließt.
Röntgenstrahl-Konditionierungssystem, aufweisend: Eine Röntgenstrahlen zu einem unitären Röntgenstrahlreflektor (16) abstrahlende Röntgenstrahlquelle, bei dem es sich um einen Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahlreflektor handelt, der zumindest zwei Reflexionsflächen (18a, 18b) aufweist, die vorab ausgerichtet und miteinander verbunden sind; wobei die Röntgenstrahl-Reflexionsflächen (18a, 18b) benachbart mit einem 90-Grad-Winkel angebracht sind, um ein Röntgenstrahlfeld in zwei Richtungen unabhängig zu reflektieren und einen konditionierten Röntgenstrahl zum Einwirken auf einer interessierenden Struktur zu bilden.
Röntgenstrahl-Reflexionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrschicht-Bragg-Röntgenstrahlreflektor (6) einen d-gestuften Abstand aufweist.