EP0588863A1 - Einrichtung zum erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer strahlung. - Google Patents

Einrichtung zum erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer strahlung.

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EP0588863A1 EP92911737A EP92911737A EP0588863A1 EP 0588863 A1 EP0588863 A1 EP 0588863A1 EP 92911737 A EP92911737 A EP 92911737A EP 92911737 A EP92911737 A EP 92911737A EP 0588863 A1 EP0588863 A1 EP 0588863A1
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    • H05G2/00Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma

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  • a device for generating short-wave electromagnetic radiation in particular in the X-ray and gamma radiation range, by interaction between accelerated charge carriers, in particular electrons or positrons, and a crystal lattice, with a charge carrier source for generating a bundle of high-energy charge carriers and with a crystal arrangement such as this arranged in the way of the charge carrier beam bundle that the charge carriers pass through the crystal lattice of the crystal arrangement parallel to a predetermined lattice direction (lattice plane, lattice axis) ("channeling condition”), which is characterized in that the crystal arrangement of the charge carriers in at least a plane passing through the axis of the carrier beam beam is traversed with directions which essentially converge at a predetermined point, and that the crystal arrangement is in an arc around the predetermined point is arranged so that the channeling condition is essentially fulfilled for all charge carrier beam paths.
  • a predetermined lattice direction lattice direction
  • the charge carrier source supplies a charge carrier, in particular electron beam 212, convergent in the plane of the drawing and essentially parallel in the plane perpendicular thereto.
  • the electron beam source can contain, for example, a cylinder electron lens.
  • a platelet-shaped single crystal 214 Arranged in the path of the electron beam 212 is a platelet-shaped single crystal 214 which is cylindrically curved about an axis running perpendicular to the plane of the drawing (the curvature of the crystal is shown in an exaggerated manner in FIG. 1 and in FIGS. 3 and 4 for clarity).

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Description

Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, ins¬ besondere im Röntgen- und Gammastrahlungsbereich, durch Wechselwirkung zwischen beschleunigten Ladungsträgern, ins¬ besondere Elektronen oder Positronen, und einem Kristall¬ gitter, mit einer Ladungsträgerquelle zum Erzeugen eines Bündels energiereicher Ladungsträger und mit einer Kristall¬ anordnung, die derart im Wege des Ladungsträgerstrahlbündels angeordnet ist, daß die Ladungsträger das Kristallgitter der Kristallanordnung parallel zu einer vorgegebenen Gitter¬ richtung durchlaufen ("Kanalisierungs-Bedingung") .
Energetische geladene Teilchen, die unter hinreichend kleinem Winkel zu einer Kristallebene oder Kristallachse auf einen geeigneten Einkristall treffen, bewegen sich oszilla¬ torisch längs der betreffenden Gitterrichtung entlang der Kristallebene bzw. Kristallachse (sogenanntes Channeling oder Kanalisieren) und emittieren dabei in Vorwärtsrichtung elektromagnetische Strahlung, deren Energie bei ent¬ sprechender Masse und Energie der einfallenden geladenen Teilchen im Röntgen- oder Gammastrahlungsbereich liegt (sogenannte Channeling- oder Kanalisierungsstrahlung) . Beispielsweise erzeugen Elektronen mit einer Energie zwischen 20 und 100 MeV in monokristallinem Silizium Röntgenstrahlen mit Energien zwischen etwa 20 und 200 keV.
Bei den üblichen Einrichtungen zur Erzeugung von Kanali¬ sierungsstrahlung wird ein Ladungsträgerstrahl möglichst kleiner Divergenz verwendet, der parallel zu einer ausge¬ wählten Kristallebene bzw. Kristallachse auf einen ebenen Einkristall trifft (Appl. Phys. Lett. 57 (27) , 31. Dezember 1990, 2956-2958) . Bei den bekannten Einrichtungen der obengenannten Art wird also möglichst parallele Ladungsträgerstrahlung verwendet und es entsteht ein weitgehend paralleles Bündel elektro¬ magnetischer Strahlung. Für manche Anwendungen werden jedoch deutlich konvergente oder divergente Bündel kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung benötigt. Dies bereitet Probleme, da für kurzwellige elektromagnetische Strahlung keine fokussierenden optischen Elemente, wie Linsen, zur Verfügung stehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der oben angegebenen Art derart weiterzubilden, daß mit ihr ein nicht-paralleles, also konvergentes oder divergentes Bündel kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Gammastrahlungs- bereich, erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Ga mastrahlungsbereich, durch Wechselwirkung zwischen beschleunigten Ladungsträgern, insbesondere Elektronen oder Positronen, und einem Kristallgitter, mit einer Ladungsträgerquelle zum Erzeugen eines Bündels energiereicher Ladungsträger und mit einer Kristallanordnung die derart im Wege des Ladungsträgerstrahlbündels angeordnet ist, daß die Ladungsträger das Kristallgitter der Kristall¬ anordnung parallel zu einer vorgegebenen Gitterrichtung (Gitterebene, Gitterachse) durchlaufen ("Kanalisierungs- Bedingung") , gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kristallanordnung von den Ladungsträgern in mindestens einer durch die Achse des Ladungsträgerstrahlbündels gehenden Ebene mit Richtungen durchlaufen wird, die im wesentlichen in einem vorgegebenen Punkt konvergieren, und daß die Kristallanordnung auf einem Bogen um den vorgegebenen Punkt so angeordnet ist, daß die Kanalisierungsbedingung für alle Ladungsträgerstrahlwege im wesentlichen erfüllt ist. Die Einrichtung gemäß der Erfindung gestattet es, ein nicht¬ paralleles Bündel kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Gammastrahlungs¬ bereich, mit vorgegebenen Konvergenz- oder Divergenz¬ eigenschaften herzustellen, da die Konvergenz bzw. Divergenz der kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung durch die Konvergenz bzw. Divergenz des auf die Kristallanordnung fallenden Ladungsträgerstrahlbündels bestimmt wird, die sich mit teilchenoptischen Mitteln, insbesondere Elektronenlinsen u. dgl. leicht beeinflussen läßt, und sich auch gebogene Einkristallanordnungen ohne größere Schwierig¬ keiten herstellen lassen. Weiterbildungen der vorliegenden Einrichtung ermöglichen eine Modulation der Intensität bzw. der Konvergenz oder Divergenz des elektromagnetischen Strahlungsbündels.
Mit der Anordnung gemäß Fig. 4 lässt sich auch eine Kristallanordnung, die in zwei Ebenen gekrümmt ist, wie eine Kugelkalotte, die in Kombination mit einem rotations¬ symmetrisch konvergenten oder divergenten Ladungsträger¬ strahlbündel verwendet werden kann, relativ einfach realieren.
Durch gepulstes oder oszillatorisches Biegen des Kristalls bzw. der Kristalle oder der Kristallanordnung oder durch gepulstes oder oszilllatorisches Drehen der ebenen Segmente der Kristallanordnung gem. Fig. 4 kann die Intensität bzw. Konvergenz/Divergenz des erzeugten kurzwelligen Strahlungs¬ bündels zeitlich und/oder räumlich moduliert und gegebenen¬ falls mit äußeren Meßbedingungen und/oder entsprechenden Änderungen Konvergenz bzw. Divergenz des Ladungsträger¬ strahlbündels synchronisiert werden. Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, kann ein von einem Beschleuniger 520 erzeugtes, paralleles Elektronenstrahl- bündel 512 durch eine elektronenoptische Zylinderlinse 513 in der Zeichenebene konvergent gemacht werden. Die elektronenoptische Linse ist eine elektromagnetische Linse, die durch ein Stromversorgungsgerät 515 über einen Modulator 517 mit Strom versorgt wird. Der Modulator 517 gestattet es, die Stromstärke und damit den Konvergenzwinkel des Elektronenstrahlbündels 512 zu steuern.
Die einzelnen Kristallsegmente 514a, 514b, ... sind an entsprechenden Stellvorrichtungen 519 gehaltert, so daß der Krümmungsradius der Kristallanordnung 514 verändert werden kann. Wie Fig. 4a zeigt, können die Stellvorrichtungen jeweils eine Steuerkurve 519a enthalten, längs derer das betreffende Kristallsegment 514c verschoben und geschwenkt wird.
Anstelle eines zylindrisch gebogenen Kristalles kann man bei hinreichend kleiner Kristallgröße und -dicke auch einen sphärisch gebogenen Kristall verwenden. In Kombination mit einem rotationssymmetrischen, konvergenten oder divergenten LadungsträgerStrahlbündel läßt sich dann die Kanalisierungs- bedingung rotationssymmetrisch für eine spezielle Kristall¬ achse erfüllen. Entsprechendes gilt selbstverständlich ganz allgemein für Kristalle, die in zwei Richtungen gebogen sind, z. B. ellipsoidförmig.
Der Konvergenz- bzw. Divergenzwinke1 des Ladungsträger¬ strahlbündels wird im allgemeinen größer als 0,1 rad, z.B. größer als 0,3 mrad sein. Als monokristallines Kristallmaterial kann z. B. Silicium oder Diamant verwendet werden. Als Ladungsträger werden Elektronen bevorzugt, deren Energien im allgemeinen über 1 MeV, vorzugsweise über 10 MeV betragen werden. Geeignete Kristallrichtungen sind z.B. bei Si die [111] Achse und die [100] Ebene, bei Diamant die [110] Achse. Die Dicke der Kristallanordnung kann zwischen etwa 1 μm und 1 mm liegen. Die angegebenen Materialien und Werte sind nicht einschränkende Beispiele. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Kristall bzw. die Kristalle zu kühlen, z.B. durch flüssigen Stickstoff. Hier¬ durch lassen sich die Linienhöhe der erzeugten elektro¬ magnetischen Strahlung vergrößern und ihre Linienbreite verringern. Die Kristallanordnung kann hierzu in einem geeigneten Kryostaten 224 angeordnet sein, wie es in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Horizontalschnitt einer Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erzeugen eines konvergenten Bündels kurzwelliger elektro¬ magnetischer Strahlung;
Figur 2 einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung zum Erzeugen eines konvergenten Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung;
Figur 3 einen Horizontalschnitt einer Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erzeugen eines divergenten Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung,
Figur 4 einen Horizontalschnitt einer weiteren Ausführungs¬ form der Erfindung zum Erzeugen eines konvergenten Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer bekannten Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektro¬ magnetischer Strahlung durch Kanalisierung;
Figur 5 zeigt eine Channeling- oder Kanalisierungs-Ein- richtung üblicher Bauart in Draufsicht. Ein von einer nur schematisch dargestellten Ladungsträgerquelle 10, z.B. einem Beschleuniger, erzeugtes weitestgehend paralleles Ladungs- trägerstrahlbündel 12 fällt auf einen ebenen Kristall 14. Die Ladungsträger, z.B. Elektronen, bewegen sich längs einer vorgegebenen Gitterrichtung, also parallel zu einer vorgege¬ benen Gitterebene oder Gitterachse durch den Kristall und erzeugen dort durch Wechselwirkung mit dem Kristallgitter ein im wesentlichen paralleles Bündel 26 kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, z.B. im Gammastrahlungs¬ bereich. Die Strahlung ist beim planaren Channeling im allgemeinen linear polarisiert. Die Ladungsträger, die den Kristall 14 durchlaufen haben, werden durch einen Ablenk¬ magnet 18 aus dem Strahlengang des Gammastrahlungsbündels 16 abgelenkt und fallen dann auf einen in Figur 5 nicht dar¬ gestellten Auffänger. Bei dieser bekannten Einrichtung sind sowohl das Ladungsträgerbündel 12 als auch das Ga ma- strahlungsbündel 16 in einer horizontalen und einer vertikalen Ebene im wesentlichen parallel.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung liefert die nicht dargestellte Ladungsträgerquelle ein in der Zeichenebene konvergentes, in der dazu senkrechten Ebene im wesentlichen paralleles Ladungsträger-, insbesondere Elektronenstrahlbündel 212. Die Elektronen- strahlquelle kann z.B. eine Zylinder-Elektronenlinse enthalten. Im Wege des Elektronenstrahlbündels 212 ist ein plättchenförmiger Einkristall 214 angeordnet, der um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse zylindrisch gebogen ist (Die Krümmung des Kristalls ist in Fig. 1 sowie in den Figuren 3 und 4 der Deutlichkeit halber stark über¬ trieben dargestellt) . In der Zeichenebene konvergieren also die Richtungen der Elektronenstrahlwege im Kristall in einem vorgegebenen Punkt 220 und der Kristall ist so zylindrisch gebogen, daß die Channeling- oder Kanalisierungsbedingung für alle Ladungsträgerstrahlwege im gebogenen Kristall 214 im wesentlichen erfüllt ist. Die vom Kristall aus in Vor¬ wärtsrichtung der Elektronenstrahlen emittierte Röntgen- oder Gammastrahlung konvergiert also ebenfalls in der Zeichnungsebene und in zu dieser parallelen Ebenen, wobei auf der Krümmungsachse ein Strichfocus entsteht. Das zylindersymmetrisch konvergierende Elektronenstrahlbündel wird, nachdem es den Kristall 214 durchlaufen hat, durch einen Ablenkmagnet 218 abgelenkt und fällt in einen Auffänger 222. Die Krümmungsachse des Kristalles 214 geht also in der Zeichenebene durch den Punkt 220.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform, die in einer zu Fig. 1 senkrechten Schnittebene dargestellt ist, ist das von der Ladungsträgerquelle erzeugte Ladungsträger¬ strahlbündel 312 in zwei zueinander senkrechten Ebenen (also in der Zeichenebene und der zu dieser senkrechten Ebene) konvergent und erzeugt in Kombination mit dem Kristall 314, der bezüglich einer in der Zeichenebene liegenden Achse 319 zylindrisch gekrümmt ist, einen Punkfocus im Punkt 320, da die Kanalisierungsbedingung in allen Ebenen des zylindrisch gekrümmten Kristalles, die durch die Achse 319 gehen (ein¬ schließlich der Zeichenebene) im wesentlichen erfüllt ist. Der Ablenkmagnet und der Auffänger, die normalerweise bei einer Einrichtung der vorliegenden Art vorgesehen sind, sind in Fig. 2 und den folgenden Figuren nicht dargestellt.
Bei der Ausfuhrungsform gemäß Figur 3 liefert die nicht dargestellte Ladungsträgerquelle ein divergentes Ladungs¬ trägerstrahlbündel 412. Der Kristall 414 ist dementsprechend zur Ladungsträgerstrahlquelle hin zylindrisch oder rotation¬ ssymmetrisch konkav so gekrümmt, daß die Kristallrichtungen (Kristallebenen, Kristallachsen) , längs derer die Kanalisie¬ rung stattfindet, jeweils parallel zu den einzelnen Ladungs¬ trägerstrahlwegen verlaufen. Der Konvergenzpunkt 420 der Ladungsträgerstrahlrichtungen im Kristall und der gewählten Kristallrichtungen liegt also bei Figur 3 auf der der Ladungsträgerquelle zugewandten Seite des Kristalles und nicht auf der der Ladungsträgerquelle abgewandten Seite des Kristalles wie bei Figur 1 und 2. Bei der in Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsform ist das einfallende Ladungsträgerstrahlbündel 512 wieder in einer oder zwei Ebenen oder rotationssymmetrisch konvergent. Als Kristallanordnung wird hier nicht ein einzelner, ent¬ sprechend gebogener Einkristall verwendet sondern eine Mehrzahl von gebogenen oder gegebenenfalls sogar ebenen Einkristallplättchen oder -Segmenten 514a, 514b, ... die auf einem Bogen oder einer Kugelfläche um den Konvergenzpunkt 520 angeordnet sind. Wenn die Segmente 514a, ... genügend klein sind, können sie aus ebenen Einkristallstücken bestehen. Es ist außerdem selbstverständlich einfacher, kleinere Kristallplättchen zu biegen als eine große Ein¬ kristallplatte.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Gammastrahlungs- bereich, durch Wechselwirkung zwischen beschleunigten Ladungs¬ trägern, insbesondere Elektronen oder Positronen, und einem Kristallgitter, mit einer Ladungsträgerquelle zum Erzeugen eines Bündels (212, 312, 412, 512) energiereicher Ladungs¬ träger und mit einer Kristallanordnung (214, 314, 414, 514), die derart im Wege des Ladungsträgerstrahlbündels angeordnet ist, daß die Ladungsträger das Kristallgitter der Kristall¬ anordnung parallel zu einer vorgegebenen Gitterrichtung (Gitterebene, Gitterachse) durchlaufen ("Kanalisierungs-
Bedingung") , dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallanordnung (214, 314, 414, 514) von den Ladungsträgern in mindestens einer durch die Achse des Ladungsträgerstrahlbündels (212, 312, 412, 512) gehenden Ebene mit Richtungen durchlaufen wird, die im wesentlichen in einem vorgegebenen Punkt (220, 320, 520) konvergieren, und daß die Kristallanordnung auf einem Bogen um den vorgegebenen Punkt so angeordnet ist, daß die Kanalisierungsbedingung für alle Ladungsträgerstrahlwege im wesentlichen erfüllt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß das auf die Kristallanordnung (214, 314, 514) fallende Ladungs¬ trägerstrahlbündel konvergent ist und daß der vorgegebene Punkt (220, 320, 520) auf der der Ladungsträgerquelle abgewandten Seite der Kristallanordnung liegt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Kristallanordnung (214, 314, 514) fallende Ladungsträgerstrahlbündel in zwei zueinander senkrechten Ebenen konvergent ist. lo
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß das auf die Kristallanordnung (414) fallende Ladungsträgerstrahl¬ bündel divergent ist und daß der vorgegebene Punkt (220, 320, 520) auf der der Ladungsträgerquelle zugewandten Seite der Kristallanordnung liegt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallanordnung aus einem gebogenen Einkristall besteht.
6. Einrichtung nach einem der Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Einkristall zylindrisch gebogen ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallanordnung aus mehreren Segmenten (514a, 514b, ..) besteht.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus gebogenen Einkristallplättchen bestehen.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus ebenen Einkristallplättchen bestehen.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern der Krümmung der Kristallanordnung.
11. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Schwenken der Segmente der Kristallanordnung.
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern der Divergenz bzw. Konvergenz des Ladungsträgerstrahlbündels. //
13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Synchronisierung der Divergenz- bzw. Konvergenzänderungs¬ vorrichtung mit der Krummungsanderungsvorrichtung bzw. der Schwenkvorrichtung.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Kühlen der Kristallanordnung.
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