EP0873565B1 - Condenser-monochromator arrangement for x-radiation - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
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- G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
- G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
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- G21K7/00—Gamma- or X-ray microscopes
Definitions
- the invention relates to a condenser monochromator arrangement for X-rays according to the characteristics in the preamble of Claim 1.
- Microzone plates are rotationally symmetrical transmission circle grids with outwards decreasing lattice constants, typically have up to 0.1 mm Diameter and a few hundred zones.
- the numerical aperture of a Zone plate is generally determined by the diffraction angle, below the vertical and thus the finest zones Bend X-rays.
- the achievable spatial resolution of a Zone plate is determined by its numerical aperture.
- the numeric Aperture of the used X-ray lenses could in the last few years be significantly increased so that their resolution improved. This trend towards higher resolution will continue.
- the zone plates are called Use X-ray lenses, a hollow cone-shaped object lighting needed. Otherwise, the image would also be at its center Radiation from the 0th and 1st diffraction order of the Overlay the condenser zone plate. This is because the overwhelming majority Proportion of radiation that is parallel or almost parallel to the optical axis the object falls, this and the following micro zone plate (the diffractive x-ray lens) penetrates undiffracted and turns out to be general diffuse underground in a straight line, i.e. in the center of the image field.
- the numerical aperture of the illuminating condenser of a transmitted light microscope always approximately should be adapted to the numerical aperture of the microscope objective, order from incoherently radiating light sources also an incoherent Object lighting and thus an almost linear relationship between Obtain object intensity and image intensity.
- the aperture of the condenser is lower than that of the microscope objective a partially coherent mapping and the linear transformation between Object intensity and image intensity go for the important, the resolution of the Microscope determining high spatial frequencies lost.
- Zone plate Because the focal length is one Zone plate is reciprocal to the wavelength used, such acts Condenser zone plate together with a small so-called Monochromator pinhole located in the object plane around the object at the same time as a linear monochromator (Optics Communication 12, Pp. 160-163, 1974, "Soft X-Ray Imaging Zone Plates with Large Zone Numbers for Microscopic and Spectroscopic Applications ", Niemann, Rudolph, Schmahl). Only a narrow spectral range of the incident polychromatic radiation from an electron storage ring is transferred into the Pinhole focused and used to illuminate the object.
- the relationship only applies if the image of the source - the so-called "critical lighting" - is not larger than the diameter d of the pinhole.
- R is at least as large as the zone number n of the microzone plate of the X-ray microscope, the chromatic aberration of the microzone plate is negligible and it only insignificantly deteriorates the quality of the X-ray image.
- a condenser zone plate is used which is not too small in diameter D , so that the permitted diameter d of the monochromator pinhole is larger than the image of the source.
- Condenser zone plates are usually used in the first Diffraction order used, in which all realized so far Condenser zone plates have their highest diffraction efficiency. It is also for another reason explained below difficult to adapt the numerical aperture of the Condenser zone plate to that of the micro zone plate without new ones To achieve difficulties.
- the lighting condenser zone plate on the outside the same fine Zones have themselves like the micro zone plate serving as an objective
- the brightest built microzone plates now have zone widths of only 19 nm (corresponding to 38 nm period of the zone structures). So far, zone plates with such fine zone structures can only be used Methods of electron beam lithography, in which the zones are in succession generated, manufactured.
- a condenser monochromator arrangement is used for phase contrast X-ray microscopy an advantage that everything possible from the jet pipe provided X-ray light in an annular hollow cone aperture large aperture angle to the object.
- Zone plates are in the range of only 10% to 20% - and also are then there are a total of three zone plates in the microscope, because of the wavelength dependency of their focal lengths much more difficult exactly can be adjusted to each other as two zone plates. It can also the adjustment of the apertures also in the last two cases disadvantageously only by adjusting the smallest zone widths of the condenser zone plate to that of the micro zone plate.
- the invention is based on the knowledge that an incoherent image recording is obtained if an object to be imaged is illuminated successively from different directions during the exposure time of an image.
- a condenser-monochromator arrangement is used, which consists of an off-axis zone plate, a plane mirror, a monochromator pinhole on the optical axis and a mechanical holder for the off-axis zone plate and the plane mirror.
- the holder can be rotated around the optical axis of the microscope. This rotation creates lighting from different directions.
- the condenser-monochromator arrangement requires only a small amount Beam cross section of the incident X-rays only one diffractive optical element and this contains coarser and therefore one overall fewer number of diffractive structures than in previously used optical elements. Which especially compared to the fine structures the microzone plate of the lens very coarse structures of the diffractive Elements of the condenser-monochromator arrangement can be used with the help of electron beam lithography in significantly shorter times.
- the lighting aperture of the condenser monochromator arrangement can be set variably without another diffractive optical element is needed. The usable area of the image field is enlarged, because the lighting only from a very "thin-walled Hollow cone jacket "exists.
- 1 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and a subordinate plane mirror.
- FIG. 2 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate, one upstream and one subordinate plan table.
- FIG. 3 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and two upstream plane mirrors.
- FIG. 4 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and an upstream plane mirror.
- FIG. 5 shows a condenser monochromator consisting of a Condenser zone plate and two upstream plane mirrors.
- FIG. 6 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate and a subordinate plane mirror.
- FIG. 7a shows a condenser monochromator consisting of a Reflection plan grating and a subordinate focusing mirror.
- FIG. 7b shows a condenser monochromator consisting of a Transmission plan grid and a subordinate focusing Mirror.
- FIG. 8 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate and an upstream plane mirror.
- FIG. 9 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate, an upstream and a downstream Plane mirror.
- FIG. 10 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate and two upstream plane mirrors.
- FIG. 11 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and two downstream plane mirrors.
- Fig. 12. shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and three downstream plane mirrors.
- Fig. 13 shows a condenser monochromator that has an off-axis Transmission zone plate made of two segments different Focus and two pairs of plane mirrors.
- Fig. 14 shows a condenser monochromator that has an off-axis Transmission zone plate made of two segments different Focus and two pairs of plane mirrors.
- FIG. 15 shows a condenser monochromator consisting of a Focuser with ring focus and a downstream concave mirror.
- Fig. 16 shows a condenser monochromator consisting of a Focuser with ring focus and two downstream concave mirrors.
- the incident X-ray radiation 1 hits on a diffractive and at the same time imaging optical element 7 and is focused by this and bent in the direction of a plane mirror 2.
- the plane mirror 2 stands a few cm before the focal point of the X-ray radiation and reflects this into the monochromator pinhole 11 on the object 4, which is on the optical axis 6 of the X-ray microscope 5 is located.
- the plane mirror 2 is grazing Incidence with a few degrees of incidence so that total reflection occurs (Matter has a refractive index for soft X-rays, which is is less than one) and a high reflectivity is achieved.
- To the Surface quality of the plane mirror 2 must with respect to the Angle tangent error is not a particularly high requirement (an angular tangent error of better than 10 arc seconds sufficient), since the plane mirror 2 is only a few cm in front of the illuminating object 4 is located.
- the plane mirror 2 advantageously only needs to be a few cm long.
- the two described optical form Elements 2,7 with the monochromator aperture 11 a condenser-monochromator arrangement.
- the optical elements 2,7 are rotatable around the optical axis 6 of the X-ray microscope 5 is mounted. You can do this they are attached in a mechanical holder, not shown here.
- the holder has a coincident with the optical axis 6 Axis of rotation about which they are together with the optical elements 2.7 can turn.
- the optical axis 6 of the X-ray microscope 5 is in Direction of propagation of the incident X-rays 1 aligned. The entire structure is due to the high absorption of the used soft x-rays in a vacuum chamber.
- the diffractive and imaging optical element 7 can be an off-axis zone plate.
- An off-axis zone plate is understood here to mean a zone plate which consists only of a small, asymmetrical zone region which is asymmetrical and far from the center of the zone plate. For this reason, the structures within this zone area are generally not rotationally symmetrical.
- the zone area is so large that it can capture an X-ray beam with a cross-sectional area of a few mm 2. It can be used in transmission as an off-axis transmission zone plate 7 according to FIG. 1, or in reflection as an off-axis reflection zone plate 3 according to FIG. 6 . Since an off-axis zone plate laterally deflects the X-rays, the plane mirror 2 is absolutely necessary in order to reflect the X-rays back onto the optical axis 6.
- the mechanical bracket with the optical elements 7.2 (Fig.1) exactly one turn around optical axis 6 rotated, this describes obliquely on the object 4th incident light cone 8 a hollow cone, which is the effective Aperture of the lighting determined.
- the opening angle 10 this Hollow cone can be the reflection angle 9 of the plane mirror 2nd can be set.
- the distance of the plane mirror 2 from the optical axis 6 and the position of the off-axis transmission zone plate 7 (or the off-axis reflection zone plate 3 in FIG. 6) along the Optical axis 6 can be readjusted so that the focus is exactly back on the optical axis 6 lies in the object 4.
- the location of the axis of rotation of the Bracket must remain stable except for a few, what with Spindle ball bearings or play-free ball guides can be achieved.
- the off-axis zone plate 7, 3 only has to generate an image of the X-ray source of a suitable size in the object plane and spectrally split the X-ray radiation. Since undulators have very small source sizes - they are significantly smaller than the source sizes in the deflection magnets used to date - a small scale of reduction and thus an off-axis zone plate 7.3 with typically at least twice the focal length than that of the condenser zone plates mentioned in the introduction can be used be used be used to illuminate the object in so-called "critical lighting".
- An off-axis Transmission zone plate 7 for an X-ray radiation with 2.4 nm Wavelength has e.g. Germanium zones 50 nm wide and 300 nm high - what is currently technologically producible.
- an off-axis transmission zone plate 7 In contrast to an off-axis transmission zone plate 7, the self-supporting with fine support structures or on a very thin one Support film is produced, an off-axis reflection zone plate 3 on a stable, solid substrate. Because of the extremely weird In the case of X-rays, this substrate is thermally resilient and coolable.
- both the off-axis Transmission zone plate 7 as well as the off-axis reflection zone plate 3 can be arranged in different ways, which is exemplified in the 2, 3 and 9-14 is shown.
- the incident one X-ray radiation 1 first with a plane mirror 2 from it Original direction deflected towards an off-axis zone plate 7.3.
- a second plane mirror 2 the diffracted and converging radiation towards the optical Axis 6 mirrored, the aperture through this second plane mirror 2 the lighting can be adjusted.
- an off-axis Transmission zone plate 7 and, according to FIG. 9, an off-axis Reflection zone plate 3 used.
- the arrangement of both plane mirrors 2 and the off-axis zone plate 7.3 is used during the exposure time X-ray image rotated one revolution around the optical axis 6.
- Illuminating cone 8 incident obliquely on the object describes one Hollow cone that determines the effective aperture of the lighting.
- the desired aperture adjustment is done with the second in Beam path arranged behind the off-axis zone plate 7.3 Plane mirror 2 by appropriately setting the reflection angle 9.
- the incident X-ray radiation 1 first with a plane mirror 2 from it directed in the original direction and meets a second plane mirror 2. From there it reaches an off-axis according to FIG Transmission zone plate 7 or, according to FIG. 10, on an off-axis Reflection zone plate 3.
- the off-axis zone plate 7.3 focuses that X-ray light in the object 4.
- the described arrangement of the two Flat mirror 2 and the off-axis zone plate 7.3 is not using a shown mechanical holder during the exposure time of the X-ray microscope 5 rotated one revolution around the optical axis 6.
- the illumination cone 8, which falls obliquely onto the object 4 describes a hollow cone that determines the effective aperture of the lighting.
- the desired aperture adjustment is done with the second one in the beam path shortly before the off-axis zone plate 7,3 arranged plane mirror 2 by the reflection angle 9 is set appropriately.
- FIG 5 an embodiment is shown in which as a diffractive Element an annular described in the introduction Condenser zone plate 14 is used.
- two plane mirrors 2 which during the Exposure time of an X-ray microscopic image using a rotatable mechanical holder once around the optical axis 6 be rotated so that the deflected beam covers the entire annular condenser zone plate 14 sweeps once.
- the Condenser zone plate 14 therefore does not need to be rotated.
- the Illuminating cone 8 incident obliquely on the object 4 describes one Hollow cone that determines the effective aperture of the lighting.
- FIG. 6 shows a condenser monochromator arrangement in which the incident X-rays 1 on an off-axis reflection zone plate 3 hits, which bends the X-rays 1 in reflection and at the same time focused.
- the plane mirror 2 directs the diffracted X-rays onto the Object 4.
- FIG Element used a reflection plan grating 15a with variable line density becomes.
- the line density of the reflection plan grating 15a varies such that the X-ray radiation after diffraction at the reflection plan grating 15a is the same Beam divergence has as before the reflection plan grating 15a.
- This Technology is well known and is already being used.
- the focusing mirror 16 focuses the X-ray radiation on the object 4, the rotation being a Aperture of the illuminating hollow cone is formed.
- reflection plan grating 15a Use suitable short-wave X-rays - a crystal under Use Bragg reflection.
- the Fig.7b differs from Fig.7a only in that as a diffractive optical element a transmission plan grating 15b instead of Reflection plan grating 15a is used.
- the transmission plan grid 15b diffracts the incident X-rays 1 in transmission and retains them their parallelism even after diffraction. Only the focusing one Mirror 16, which together with the transmission plan grid around the optical axis 6 rotates, the X-ray radiation focuses on the object 4.
- the off-axis Reflection zone plate 3 focuses the X-ray back at an angle to object 4 on the optical axis 6.
- the off-axis reflection zone plate 3 and the upstream plane mirror 2 are during the Exposure time of the X-ray microscope 5 one revolution optical axis 6 rotated.
- the one that falls obliquely onto the object Illumination cone 8 describes a hollow cone, which is the effective one Aperture of the lighting determined. However, with this arrangement no more flexible aperture adjustment possible.
- Fig. 11 the e.g. Plane mirror 2 shown in FIG. 1 by two successive individual plane mirror 2 replaced. Both steer Flat mirror 2 the X-rays in the same direction. But it is also possible that the two plane mirrors 2 the X-rays distract in the opposite direction.
- An arrangement with two successive plane mirrors 2 rotating about the optical axis 6 (as they are also shown in Fig. 3 and Fig. 10) in any case, that the image of the x-ray source despite rotating off-axis Transmission zone plate 7 and the rotating plane mirror 2 are not is rotated. This has the advantages discussed below Applications with elliptical radiation sources and it can Accuracy requirements for the game of the axis of rotation of the mirror and Reduce the zone plate bracket.
- Fig.12. is a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate 7 and three downstream plane mirrors 17, 18, 19 shown. In this arrangement only the two need each other downstream plane mirror 17.18 around the optical axis 6 of X-ray microscope 5 to rotate. The off-axis transmission zone plate 7 and the plane mirror 19 can remain fixed in space. This arrangement has the advantage that the off-axis transmission zone plate 7 generated image of the x-ray source because of the double Reflection on the rotating mirrors 17, 18 is not rotated. If an electron beam undulator is used as the X-ray source, it generally has a strongly elliptical source area from which the off-axis transmission zone plate 7 generates an image.
- the Dispersion direction of the off-axis transmission zone plate 7 can now do so be placed so that it falls in the direction of the small axis of the ellipse.
- the only slightly curved zones of the off-axis run here Transmission zone plate 7 essentially "parallel" to the large one Ellipse axis of the picture. Because the image of the x-ray source due to double reflection on the two rotating, Downstream mirrors 17, 18 does not rotate, therefore, in this way a relatively homogeneously illuminated "band" the width of the large one Diameter of the image ellipse are generated, its intensity in Dispersion direction varies only slowly.
- this arrangement is relatively insensitive to Tilting and translations of the axis of rotation of the mirror arrangement, since two rotating plane mirrors 2 are used.
- Fig.13 is a condenser monochromator arrangement with a off-axis transmission zone plate 7, which in two off-axis Transmission zone plate segments 20a, 20b is divided, and with two Pairs downstream and each distracting Flat mirror 2 shown.
- the off-axis transmission zone plate segments 20a, 20b are identical in structure, but rotated 180 ° against each other, see above that the two associated foci face each other, symmetrical to optical axis 6. With one pair of plane mirrors each, the rays reflected back on the optical axis 6, so that the two Overlay focal points in object 4.
- This type of lighting is strict mirror-symmetrical and leads to different imaging properties than that "Single sideband imaging" with one-sided and extreme bright field oblique lighting.
- This type of lighting further enlargement of the illumination angle in the object plane Dark field microscopy are operated. Then they are always complementary diffracted rays present in the image plane, which are with each other can interfere. This is a necessary requirement if the Limit resolution should be achieved in the dark field.
- Fig. 14 is a condenser monochromator arrangement with an off-axis Transmission zone plate 7 and with two pairs each rectified distracting plane mirrors 2 shown.
- the off-axis Transmission zone plate 7 is like that according to FIG. 13 of two segments 20a, 20b composed, which have the same focal length but with - based on the optical axis 6 - opposite focal points. However, due to the radiation-deflecting plane mirror 2, they overlap the otherwise separate focal points in a focal point in object 4.
- the the principle of operation is the same as that shown in Fig. 13 described.
- FIG. 15 it is also possible to specify equivalent systems for quasi-monochromatic object illumination with incoherent image recording that do not require the entire system to rotate about the optical axis 6 during the exposure time of an image.
- a condenser monochromator which generates an illumination wave with a high numerical aperture.
- a special diffractive element with a mirror can be used.
- the diffractive element is a so-called focuser 13 with a ring focus, which instead of a focal point generates a sharply focused ring concentric to the optical axis 6.
- Such focusers 13 can be produced in the same way as off-axis zone plates 7, 3 with the aid of electron beam lithography.
- Another advantage of the focuser 13 is that it is well suited for highly collimated radiation. All the radiation from the central beam diffracts and focuses the focuser 13 into a ring of larger diameter, which is concentric about the optical axis 6 (Fig. 15).
- the following mirror system consists of one or two concave mirror 12 connected in series. It is arranged at a suitable distance behind the focuser 13 and in front of the ring focus. As a result, a point-like focus on the optical axis 6 is obtained instead of a ring focus. If a small pinhole 11 is placed around this "focal point", the arrangement of the focuser 13, the hollow cone mirror 12 and the pinhole 11 acts as a monochromator.
- Fig. 16 shows a condenser monochromator arrangement with a focuser 13 with ring focus and two downstream hollow cone mirrors 12.
- the advantage of a system with two hollow cone mirrors 12 is that in such a system the so-called "kink surface" of the radiation deflection is almost perpendicular to the optical axis 6 lies (the kinked surface is the surface on which the reflected rays extended in the beam direction and the reflected rays elongated to the rear intersect).
- the aberrations that occur when the system is tilted - that is, for example, in the case of incorrect adjustment - are lower than in systems whose kink surface is almost parallel to the optical axis 6.
- the latter is the case when using a system with only one concave cone mirror 12, for which the reflecting surface and the kinked surface have to match and which has to be adjusted much more precisely.
- the apertures of all can be closed Available microzone plates for brightfield, phase contrast and Dark field microscopy can be adjusted.
- the aperture of one Ring pupil is created by rotating an oblique illumination through 360 ° obtained, the angle of the oblique lighting for example over a Plane mirror 2 can be set over a wide range.
- the Flat mirror 2 is very small, typically a few cm long and therefore inexpensive.
- the wavelength can be very wide Areas are changed.
- the condenser-monochromator arrangement contains an off-axis zone plate 7.3 with zone widths that are significantly larger and are therefore easier and faster to manufacture than those available standing microzone plates, which are used as X-ray lenses.
- the wavelength can be changed over a wide range.
- a ring pupil can also be generated by a focuser 13 be, then a concave mirror 12 for focusing the Radiation on the optical axis 6 is used.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kondensor-Monochromator-Anordnung für
Röntgenstrahlung entsprechend den Merkmalen im Oberbegriff des
Anspruchs 1.The invention relates to a condenser monochromator arrangement for
X-rays according to the characteristics in the preamble of
In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Röntgenmikroskopie im Wellenlängenbereich von etwa 0.2 - 5 nm gemacht. Es wurden Röntgenmikroskope entwickelt, die an brillanten Röntgenquellen betrieben werden. Zu diesen Röntgenquellen zählen Elektronenspeicherringe, deren Ablenkmagneten und Undulatoren Quellorte intensiver Röntgenstrahlung sind; andere Röntgenquellen vergleichbarer Brillanz gibt es bislang nicht. Für Transmissions-Röntgenmikroskope wurde bislang nur die von Ablenkmagneten erzeugte Röntgenstrahlung genutzt.Significant progress has been made in the past few years X-ray microscopy in the wavelength range of about 0.2 - 5 nm made. X-ray microscopes were developed that were brilliant X-ray sources are operated. These X-ray sources include Electron storage rings, their deflection magnets and undulators Source locations of intense X-rays are; other x-ray sources So far there is no comparable brilliance. For transmission x-ray microscopes So far only the one generated by deflection magnets X-rays used.
Zur Beleuchtung eines Objekts mit Röntgenstrahlung werden Kondensoren verwendet. Herkömmliche Kondensoren sind als Spiegelkondensoren oder als Kondensorzonenplatten, die weiter unten beschrieben werden, ausgebildet. Die aus OPTIK, Bd. 93, Nr. 3, 1. Mai 1993, Seiten 95-102, G. Schmahl et al., "X-ray microscopy studies" (Fig.6) und aus der EP-A-0 475 098 bekannten Spiegelkondensoren besitzen die Form eines Rotationsellipsoids und fokussieren die Strahlung der Röntgenquelle auf das zu untersuchende Objekt. Da als Röntgenquellen gepulste Plasmaquellen als Linienstrahler verwendet werden, besitzen die Kondensoren keine beugenden Elemente für eine spektrale Zerlegung. To illuminate an object with X-rays Condensers used. Conventional condensers are as Mirror condensers or as condenser zone plates, further below are described, trained. The from OPTIK, Vol. 93, No. 3, May 1st 1993, pp. 95-102, G. Schmahl et al., "X-ray microscopy studies" (Fig. 6) and mirror condensers known from EP-A-0 475 098 have the shape of an ellipsoid of revolution and focus the Radiation from the X-ray source on the object to be examined. There as X-ray sources use pulsed plasma sources as line sources the condensers have no diffractive elements for one spectral decomposition.
Als hochauflösende Objektive in Röntgenmikroskopen kommen heutzutage nur Mikrozonenplatten zum Einsatz. Mikrozonenplatten sind rotationssymmetrische Transmissionskreisgitter mit nach außen hin abnehmender Gitterkonstanten, haben typischerweise bis zu 0.1 mm Durchmesser und einige hundert Zonen. Die numerische Apertur einer Zonenplatte ist ganz allgemein durch den Beugungswinkel bestimmt, unter dem die äußeren und damit feinsten Zonen senkrecht einfallende Röntgenstrahlen beugen. Die erzielbare räumliche Auflösung einer Zonenplatte ist durch ihre numerische Apertur bestimmt. Die numerische Apertur der benutzten Röntgenobjektive konnte in den letzten Jahren wesentlich erhöht werden, so daß deren Auflösung sich verbesserte. Dieser Trend zu höherer Auflösung wird sich fortsetzen. Coming as high-resolution lenses in X-ray microscopes nowadays only micro zone plates are used. Microzone plates are rotationally symmetrical transmission circle grids with outwards decreasing lattice constants, typically have up to 0.1 mm Diameter and a few hundred zones. The numerical aperture of a Zone plate is generally determined by the diffraction angle, below the vertical and thus the finest zones Bend X-rays. The achievable spatial resolution of a Zone plate is determined by its numerical aperture. The numeric Aperture of the used X-ray lenses could in the last few years be significantly increased so that their resolution improved. This trend towards higher resolution will continue.
Generell wird für Röntgenmikroskope, die Zonenplatten als Röntgenobjektive benutzen, eine hohlkegelförmige Objektbeleuchtung benötigt. Andernfalls würde sich dem Bild auch in seinem Zentrum die Strahlung aus der 0. und der 1. Beugungsordnung der Kondensorzonenplatte überlagern. Das liegt daran, daß der überwiegende Anteil der Strahlung, die parallel oder fast parallel zur optischen Achse auf das Objekt fällt, dieses und die folgende Mikrozonenplatte (das beugende Röntgenobjektiv) ungebeugt durchdringt und sich als allgemeiner diffuser Untergrund in Geradeausrichtung, also im Zentrum des Bildfeldes bemerkbar macht. Aus diesem Grunde benutzen alle Transmissions-Röntgenmikroskope ringförmige Kondensoren und der nutzbare, nicht diffus überstrahlte Bereich des Bildfeldes wird um so größer, je größer der innere, strahlungsfreie Raumwinkelbereich des Kondensors ist.Generally, for X-ray microscopes, the zone plates are called Use X-ray lenses, a hollow cone-shaped object lighting needed. Otherwise, the image would also be at its center Radiation from the 0th and 1st diffraction order of the Overlay the condenser zone plate. This is because the overwhelming majority Proportion of radiation that is parallel or almost parallel to the optical axis the object falls, this and the following micro zone plate (the diffractive x-ray lens) penetrates undiffracted and turns out to be general diffuse underground in a straight line, i.e. in the center of the image field. For this reason, everyone uses Transmission X-ray microscopes, ring-shaped condensers and the The usable, non-diffusely overexposed area of the image field becomes even more so larger, the larger the inner, radiation-free solid angle range of the Is condenser.
Aus der Theorie der Mikroskopie ist bekannt, daß die numerische Apertur des beleuchtenden Kondensors eines Durchlichtmikroskopes stets in etwa angepaßt sein sollte an die numerische Apertur des Mikroskopobjektives, um von inkohärent strahlenden Lichtquellen auch eine inkohärente Objektbeleuchtung und damit eine nahezu lineare Beziehung zwischen Objektintensität und Bildintensität zu erhalten. Ist die Apertur des Kondensors dagegen geringer als die des Mikroskopobjektivs, so liegt eine teilkohärente Abbildung vor und die lineare Transformation zwischen Objektintensität und Bildintensität geht für die wichtigen, die Auflösung des Mikroskopes bestimmenden hohen Raumfrequenzen verloren.From the theory of microscopy it is known that the numerical aperture of the illuminating condenser of a transmitted light microscope always approximately should be adapted to the numerical aperture of the microscope objective, order from incoherently radiating light sources also an incoherent Object lighting and thus an almost linear relationship between Obtain object intensity and image intensity. Is the aperture of the By contrast, the condenser is lower than that of the microscope objective a partially coherent mapping and the linear transformation between Object intensity and image intensity go for the important, the resolution of the Microscope determining high spatial frequencies lost.
Als Kondensoren für Röntgenstrahlung werden bislang "großflächige"
ringförmige Zonenplatten benutzt. (A. Schlachetzki, K. Dorenwendt:
Quantitative Mikroskopie und Mikrostrukturierung, Blockseminar vom 13.
bis 14. September 1995, Physikalisch Technische Bundesanstalt,
Technische Universität Braunschweig, veröffentlicht: PTB-Opt-50,
Braunschweig, März 1996, Seiten 98-116, B. Niemann et al., "X-Ray
Microscopy" (siehe Fig.3); P. C. Cheng, G. J. Jan: X-ray Microscopy,
Springerverlag Berlin Heidelberg 1987, Seiten 32-38, W. Meyer-llse et al.,
"Status of X-ray Microscopy Experiments at the BESSY Laboratory"
(siehe Fig.3.1)). Sie fokussieren die Röntgenstrahlung auf das mit dem
Röntgenmikroskop zu untersuchende Objekt. Eine solche
"Kondensorzonenplatte" ist in ihrer Größe angepaßt an den
Strahldurchmesser, der am Ende des Strahlrohres eines Ablenkmagneten
eines Elektronenspeicherrings typisch bis zu 1 cm beträgt. Da die
Kondensorzonenplatte ringförmig ist, fängt sie etwa ¾ der in diesem
Strahldurchmesser liegenden Strahlung auf. Da die Brennweite einer
Zonenplatte reziprok zur benutzten Wellenlänge ist, wirkt eine solche
Kondensorzonenplatte zusammen mit einer kleinen sogenannten
Monochromatorlochblende, die in der Objektebene um das Objekt gelegen
ist, gleichzeitig als Linearmonochromator (Optics Communication 12,
S.160-163, 1974, "Soft X-Ray Imaging Zone Plates with Large Zone
Numbers for Microscopic and Spectroscopic Applications", Niemann,
Rudolph, Schmahl). Nur ein enger Spektralbereich der einfallenden
polychromatischen Strahlung eines Elektronenspeicherrings wird in die
Lochblende fokussiert und zur Beleuchtung des Objektes genutzt.So far, "large-area" condensers for X-rays have been used.
annular zone plates used. (A. Schlachetzki, K. Dorenwendt:
Quantitative microscopy and microstructuring, block seminar from 13.
until September 14, 1995, Physikalisch Technische Bundesanstalt,
Technical University of Braunschweig, published: PTB-Opt-50,
Braunschweig, March 1996, pages 98-116, B. Niemann et al., "X-Ray
Microscopy "(see Fig. 3); P.C. Cheng, G.J. Jan: X-ray Microscopy,
Springerverlag Berlin Heidelberg 1987, pages 32-38, W. Meyer-llse et al.,
"Status of X-ray Microscopy Experiments at the BESSY Laboratory"
(see Fig.3.1)). They focus the X-rays on the one with the
X-ray microscope object to be examined. Such
The size of the "condenser zone plate" is adapted to the
Beam diameter at the end of the beam tube of a deflection magnet
of an electron storage ring is typically up to 1 cm. Since the
Condenser zone plate is annular, it catches about ¾ of this
Beam diameter lying on radiation. Because the focal length is one
Zone plate is reciprocal to the wavelength used, such acts
Condenser zone plate together with a small so-called
Monochromator pinhole located in the object plane around the object
at the same time as a linear monochromator (Optics
Die spektrale Auflösung eines solchen Linearmonochromators beträgt R = D/2d, wenn D und d die Durchmesser von Kondensorzonenplatte und Monochromatorlochblende sind und wenn die Kondensorzonenplatte das Quellgebiet der Röntgenstrahlung stark verkleinert abbildet. Allerdings gilt die Beziehung nur, wenn das Bild der Quelle - es handelt sich um die sogenannte "kritische Beleuchtung" - nicht größer ist als der Durchmesser d der Lochblende. Ist R mindestens so groß wie die Zonenzahl n der Mikrozonenplatte des Röntgenmikroskopes, so ist die chromatische Aberration der Mikrozonenplatte vernachlässigbar und sie verschlechtert die Qualität der Röntgenabbildung nur unwesentlich. Um dieser Anforderung an die spektrale Auflösung R zu genügen, wird stets eine Kondensorzonenplatte nicht zu kleinen Durchmessers D benutzt, so daß der erlaubte Durchmesser d der Monochromatorlochblende größer als das Bild der Quelle ist.The spectral resolution of such a linear monochromator is R = D / 2d if D and d are the diameters of the condenser zone plate and the monochromator pinhole and if the condenser zone plate shows the source area of the X-ray radiation in a greatly reduced manner. However, the relationship only applies if the image of the source - the so-called "critical lighting" - is not larger than the diameter d of the pinhole. If R is at least as large as the zone number n of the microzone plate of the X-ray microscope, the chromatic aberration of the microzone plate is negligible and it only insignificantly deteriorates the quality of the X-ray image. In order to meet this requirement for the spectral resolution R , a condenser zone plate is used which is not too small in diameter D , so that the permitted diameter d of the monochromator pinhole is larger than the image of the source.
Da der Standort eines Röntgenmikroskopes aus praktischen Gründen nie nahe an den Quellort der Röntgenstrahlung eines Elektronenspeicherringes gebracht werden kann und die Entfernung typischerweise bei mindestens 15 m liegt, kann auch die vom Strahl ausgeleuchtete Fläche bestimmte Werte nicht unterschreiten. Damit sollte auch der Durchmesser D einer möglichst viel Röntgenstrahlung auffangenden Kondensorzonenplatte diese Werte nicht unterschreiten. Wird nun für diese Einsatzbedingungen die numerische Apertur der Kondensorzonenplatte erhöht, so verringert sich zwangsläufig die Brennweite der Kondensorzonenplatte. Damit verringert sich der Abbildungsmaßstab, mit dem die Quelle in die Objektebene abgebildet wird und es sinkt der Durchmesser des beleuchteten Objektgebietes ( in der Praxis auf wenige um Durchmesser), was nachteilig ist. Nur durch andere Maßnahmen - etwa durch rasternde parallele Bewegungen von Kondensor und Monochromatorlochblende - kann dann sichergestellt werden, daß ein größeres Objektgebiet homogen ausgeleuchtet wird. Dazu kommt, daß während der Bewegung Monochromatorblende und Kondensorzonenplatte genau zueinander justiert bleiben müssen.Since the location of an X-ray microscope can never be brought close to the source of the X-rays of an electron storage ring for practical reasons and the distance is typically at least 15 m, the area illuminated by the beam cannot fall below certain values. Thus, the diameter D of a condenser zone plate that collects as much X-radiation as possible should not fall below these values. If the numerical aperture of the condenser zone plate is increased for these operating conditions, the focal length of the condenser zone plate inevitably decreases. This reduces the imaging scale with which the source is imaged in the object plane and the diameter of the illuminated object area decreases (in practice to a few µm diameter), which is disadvantageous. Only by other measures - for example, by rastering parallel movements of the condenser and monochromator pinhole - can it be ensured that a larger object area is illuminated homogeneously. In addition, the monochromator diaphragm and the condenser zone plate must remain precisely adjusted to one another during the movement.
Kondensorzonenplatten werden üblicherweise in der ersten Beugungsordnung benutzt, in der alle bislang realisierten Kondensorzonenplatten ihren höchsten Beugungswirkungsgrad besitzen. Dabei ist es auch aus einem weiteren, im folgenden erläuterten Grunde schwierig, die zuvor geforderte Anpassung der numerischen Apertur der Kondensorzonenplatte an die der Mikrozonenplatte ohne neue Schwierigkeiten zu erreichen. Um die Anpassung zu verwirklichen, muß die der Beleuchtung dienende Kondensorzonenplatte außen dieselben feinen Zonen besitzen wie die als Objektiv dienende Mikrozonenplatte selbst. Die lichtstärksten gebauten Mikrozonenplatten besitzen inzwischen Zonenbreiten von nur noch 19 nm (entsprechend 38 nm Periode der Zonenstrukturen). Zonenplatten mit solch feinen Zonenstrukturen können bislang nur mit Methoden der Elektronenstrahllithographie, in der die Zonen nacheinander erzeugt werden, hergestellt werden. Holographische Methoden, die das Muster einer Zonenplatte in einem Schritt "parallel" und damit in kurzer Zeit erzeugen, scheiden aus, da eine geeignet kurzwellige UV-Holographie nicht existiert. Dementsprechend könnten auch Kondensorzonenplatten mit angepaßter numerischer Apertur nur mit Methoden der Elektronenstrahllithographie, welches als serielles und damit langsames Verfahren zu bezeichnen ist, hergestellt werden. Solche Kondensorzonenplatten haben aber wegen ihres notwendigerweise großen Durchmessers typischerweise viele 10 000 Zonen. Die Schreibzeiten mit einem Elektronenstrahllithographiesystem liegen dann in der für die Praxis unrealistischen Größenordnung von Wochen, weshalb Kondensorzonenplatten mit Methoden der Elektronenstrahllithographie bislang nicht hergestellt wurden.Condenser zone plates are usually used in the first Diffraction order used, in which all realized so far Condenser zone plates have their highest diffraction efficiency. It is also for another reason explained below difficult to adapt the numerical aperture of the Condenser zone plate to that of the micro zone plate without new ones To achieve difficulties. In order to implement the adjustment, the lighting condenser zone plate on the outside the same fine Zones have themselves like the micro zone plate serving as an objective The brightest built microzone plates now have zone widths of only 19 nm (corresponding to 38 nm period of the zone structures). So far, zone plates with such fine zone structures can only be used Methods of electron beam lithography, in which the zones are in succession generated, manufactured. Holographic methods that Pattern of a zone plate in one step "parallel" and thus in a short time generate, are excluded because a suitably short-wave UV holography is not exists. Accordingly, condenser zone plates could also be used adapted numerical aperture only with methods of Electron beam lithography, which is serial and therefore slow Process to be referred to are manufactured. Such However, condenser zone plates necessarily have because of their large diameter typically many tens of zones. The Writing times with an electron beam lithography system are then in the order of magnitude of weeks, which is unrealistic for practical reasons, why Condenser zone plates using methods of electron beam lithography have not yet been manufactured.
Für die Dunkelfeld-Röntgenmikroskopie sind sogar noch lichtstärkere Kondensor-Monochromator-Anordnungen nötig (sofern nicht ein sehr präzise zu justierender absorbierender Ring in der hinteren Fokalebene des Mikroobjektivs plaziert wird). Die Perioden der Zonenstrukturen geeigneter Kondensorzonenplatten müßten dafür weniger als 38 nm betragen.For darkfield X-ray microscopy, they are even more powerful Condenser-monochromator arrangements necessary (unless a very absorbing ring to be precisely adjusted in the rear focal plane of the micro lens is placed). The periods of the zone structures suitable condenser zone plates would have to be less than 38 nm be.
Für die Phasenkontrast-Röntgenmikroskopie ist eine Kondensor-Monochromator-Anordnung von Vorteil, die möglichst alles vom Strahlrohr zur Verfügung gestellte Röntgenlicht in eine ringförmige Hohlkegel-Apertur großen Aperturwinkels zum Objekt liefert.A condenser monochromator arrangement is used for phase contrast X-ray microscopy an advantage that everything possible from the jet pipe provided X-ray light in an annular hollow cone aperture large aperture angle to the object.
Um die Auflösung der Röntgenmikroskope zu erhöhen, wird gegenwärtig daran gearbeitet Mikrozonenplatten zu entwickeln, die eine kleinste Zonenbreite von nur noch 10 nm besitzen. Damit steigen die Aperturen der Mikrozonenplatten und dementsprechend die nötigen numerischen Aperturen der Kondensoren, um eine inkohärente Objektbeleuchtung sicherzustellen, und die bereits erwähnten Schwierigkeiten vergrößern sich weiter.In order to increase the resolution of the X-ray microscope, is currently worked on developing micro zone plates, the smallest Zone width of only 10 nm. This increases the apertures of the micro zone plates and accordingly the necessary numerical ones Apertures of the condensers to provide incoherent object lighting ensure and increase the difficulties already mentioned yourself further.
Es sind weltweit Elektronenspeicherringe im Bau und z.T. fertiggestellt, die Röntgenstrahlung aus Undulatoren zur Verfügung stellen. Diese Undulatoren liefern einen etwa 10 bis 100 mal höheren Röntgenstrahlungsfluß, der für die Röntgenmikroskopie voll genutzt werden kann. Außerdem ist die Röntgenstrahlung viel besser kollimiert, typischerweise hat der Strahl am Ende eines Strahlrohres am Standort eines Mikroskopes nur 1 - 2 mm Durchmesser und die bislang genutzten und in ihrer Apertur nicht angepaßten "großen" Kondensorzonenplatten können nicht mehr voll ausgeleuchtet werden. Damit Kondensorzonenplatten die Strahlung ausreichend monochromatisieren, müßten dann entweder Anordnungen mit den bereits oben diskutierten Nachteilen - kleinere Kondensorzonenplatten mit kürzeren Brennweiten und entsprechend kleinere Monochromatorlochblenden - benutzt werden, oder große Kondensorzonenplatten müssen außeraxial, d.h in einem Randgebiet, beleuchtet werden. Solche außeraxialen Anordnungen beleuchten aber das Objekt schräg, was zu einer unsymmetrischen optischen Übertragungsfunktion des Mikroskops führt und die damit erzeugten Abbildungen sind nur schwer auswertbar. Ein anderer Weg, der bereits vorgeschlagen wurde, besteht darin, den Strahl mit einer zusätzlichen Zonenplatte vor dem Kondensor geeignet aufzuweiten. Dies hat aber den Nachteil, daß an diesem zusätzlichen beugenden Element ein weiterer Lichtverlust auftritt - der Beugungswirkungsgrad von Zonenplatten liegt im Bereich von nur 10 % bis 20% - und zudem sind dann insgesamt drei Zonenplatten im Mikroskop vorhanden, die wegen der Wellenlängenabhängigkeit ihrer Brennweiten viel schwieriger exakt aufeinander einjustiert werden können als zwei Zonenplatten. Zudem kann die Anpassung der Aperturen auch in den beiden zuletzt genannten Fällen nachteiligerweise nur durch eine Anpassung der kleinsten Zonenbreiten der Kondensorzonenplatte an die der Mikrozonenplatte erreicht werden.There are electron storage rings under construction worldwide and some. completed that Provide X-rays from undulators. This Undulators provide about 10 to 100 times higher X-ray radiation flow, which are fully used for X-ray microscopy can. In addition, the X-rays are much better collimated, typically the beam is at the end of a beam pipe at the location of a microscope only 1 - 2 mm in diameter and the ones used up to now and "large" condenser zone plates not adapted in their aperture can no longer be fully illuminated. In order to Condenser zone plates monochromatize the radiation sufficiently, would then either have arrangements with those already discussed above Disadvantages - smaller condenser zone plates with shorter focal lengths and correspondingly smaller monochromator pinholes - are used, or large condenser zone plates must be off-axis, i.e. in one Outskirts to be illuminated. Such off-axis arrangements but illuminate the object obliquely, resulting in an asymmetrical optical transmission function of the microscope and thus generated images are difficult to evaluate. Another way that has already been proposed is to beam with a additional zone plate in front of the condenser. This but has the disadvantage that this additional diffractive element Another loss of light occurs - the diffraction efficiency of Zone plates are in the range of only 10% to 20% - and also are then there are a total of three zone plates in the microscope, because of the wavelength dependency of their focal lengths much more difficult exactly can be adjusted to each other as two zone plates. It can also the adjustment of the apertures also in the last two cases disadvantageously only by adjusting the smallest zone widths of the condenser zone plate to that of the micro zone plate.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, für eine quasimonochromatische Objektbeleuchtung in einem Röntgenmikroskop und eine inkohärente Bildaufzeichnung eine Kondensor-Monochromator-Anordnung anzugeben,
- die eine ringförmige Beleuchtungspupille besitzt,
- mit der eine hohe numerische Apertur erzeugt werden kann, die den hohen Aperturen eines modernen Röntgenobjektivs mit Mikrozonenplatten zur Erzeugung einer hohen Auflösung entsprechend angepaßt ist und
- mit der auch ein einfallendes enges Strahlenbündel mit nur wenigen Millimetern Durchmesser vollständig genutzt werden kann.
- which has an annular lighting pupil,
- with which a high numerical aperture can be generated, which is adapted to the high apertures of a modern X-ray objective with micro zone plates in order to produce a high resolution and
- with which even an incident narrow beam of rays with a diameter of only a few millimeters can be fully used.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the in the license plate of the specified features solved. Beneficial Refinements and developments of the invention result from the subclaims.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine inkohärente Bildaufzeichnung erhalten wird, wenn ein abzubildendes Objekt während der Belichtungszeit eines Bildes sukzessive aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet wird. Es wird eine Kondensor-Monochromator-Anordnung genutzt, die aus einer off-axis Zonenplatte, einem Planspiegel, einer Monochromatorlochblende auf der optischen Achse und einem mechanischen Halter für die off-axis Zonenplatte und den Planspiegel besteht. Der Halter ist um die optische Achse des Mikroskopes drehbar. Durch diese Drehung wird eine Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen erzeugt.The invention is based on the knowledge that an incoherent image recording is obtained if an object to be imaged is illuminated successively from different directions during the exposure time of an image. A condenser-monochromator arrangement is used, which consists of an off-axis zone plate, a plane mirror, a monochromator pinhole on the optical axis and a mechanical holder for the off-axis zone plate and the plane mirror. The holder can be rotated around the optical axis of the microscope. This rotation creates lighting from different directions.
Die Kondensor-Monochromator-Anordnung benötigt auch bei nur geringem Strahlenquerschnitt der einfallenden Röntgenstrahlen nur ein einziges beugendes optisches Element und dieses enthält gröbere und damit eine insgesamt geringere Anzahl beugender Strukturen als in bisher genutzten optischen Elementen. Die insbesondere gegenüber den feinen Strukturen der Mikrozonenplatte des Objektivs sehr groben Strukturen des beugenden Elements der Kondensor-Monochromator-Anordnung lassen sich mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie in deutlich kürzeren Zeiten herstellen. Außerdem kann die Beleuchtungsapertur der Kondensor- Monochromator-Anordnung variabel eingestellt werden, ohne daß ein weiteres beugendes optisches Element benötigt wird. Der nutzbare Bereich des Bildfeldes ist vergrößert, da die Beleuchtung nur aus einen sehr "dünnwandigen Hohlkegelmantel" besteht. The condenser-monochromator arrangement requires only a small amount Beam cross section of the incident X-rays only one diffractive optical element and this contains coarser and therefore one overall fewer number of diffractive structures than in previously used optical elements. Which especially compared to the fine structures the microzone plate of the lens very coarse structures of the diffractive Elements of the condenser-monochromator arrangement can be used with the help of electron beam lithography in significantly shorter times. In addition, the lighting aperture of the condenser monochromator arrangement can can be set variably without another diffractive optical element is needed. The usable area of the image field is enlarged, because the lighting only from a very "thin-walled Hollow cone jacket "exists.
Im folgenden werden schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following, schematically illustrated embodiments of the Invention explained with reference to the drawing.
Fig.1 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Transmissionszonenplatte und einem nachgeordneten Planspiegel.1 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and a subordinate plane mirror.
Fig.2 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Transmissionszonenplatte, einem vorgeschaltetem und einem nachgeordnetem Planspiegel.2 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate, one upstream and one subordinate plan table.
Fig.3 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Transmissionszonenplatte und zwei vorgeschalteten Planspiegeln.3 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and two upstream plane mirrors.
Fig.4 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Transmissionszonenplatte und einem vorgeschalteten Planspiegel.4 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and an upstream plane mirror.
Fig.5 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer Kondensorzonenplatte und zwei vorgeschalteten Planspiegeln.5 shows a condenser monochromator consisting of a Condenser zone plate and two upstream plane mirrors.
Fig.6 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Reflexionszonenplatte und einem nachgeordneten Planspiegel.6 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate and a subordinate plane mirror.
Fig.7a zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einem Reflexionsplangitter und einem nachgeordneten fokussierenden Spiegel.7a shows a condenser monochromator consisting of a Reflection plan grating and a subordinate focusing mirror.
Fig.7b zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einem Transmissionsplangitter und einem nachgeordneten fokussierenden Spiegel.7b shows a condenser monochromator consisting of a Transmission plan grid and a subordinate focusing Mirror.
Fig.8 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Reflexionszonenplatte und einem vorgeschalteten Planspiegel. 8 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate and an upstream plane mirror.
Fig.9 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Reflexionszonenplatte, einem vorgeschalteten und einem nachgeordneten Planspiegel.9 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate, an upstream and a downstream Plane mirror.
Fig.10 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Reflexionszonenplatte und zwei vorgeschalteten Planspiegeln.10 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Reflection zone plate and two upstream plane mirrors.
Fig. 11. zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Transmissionszonenplatte und zwei nachgeschalteten Planspiegeln.11 shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and two downstream plane mirrors.
Fig.12. zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis Transmissionszonenplatte und drei nachgeschalteten Planspiegeln.Fig. 12. shows a condenser monochromator consisting of an off-axis Transmission zone plate and three downstream plane mirrors.
Fig.13 zeigt einen Kondensor-Monochromator, der eine off-axis Transmissionszonenplatte aus zwei Segmenten unterschiedlicher Brennpunkte und zwei Paare Planspiegel enthält.Fig. 13 shows a condenser monochromator that has an off-axis Transmission zone plate made of two segments different Focus and two pairs of plane mirrors.
Fig.14. zeigt einen Kondensor-Monochromator, der eine off-axis Transmissionszonenplatte aus zwei Segmenten unterschiedlicher Brennpunkte und zwei Paare Planspiegel enthält.Fig. 14. shows a condenser monochromator that has an off-axis Transmission zone plate made of two segments different Focus and two pairs of plane mirrors.
Fig.15 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einem Fokussator mit Ringfokus und einem nachgeschalteten Hohlkegelspiegel.15 shows a condenser monochromator consisting of a Focuser with ring focus and a downstream concave mirror.
Fig.16 zeigt einen Kondensor-Monochromator bestehend aus einem Fokussator mit Ringfokus und zwei nachgeschalteten Hohlkegelspiegeln.Fig. 16 shows a condenser monochromator consisting of a Focuser with ring focus and two downstream concave mirrors.
In Fig.1 ist eine Kondensor-Monochromator-Anordnungen dargestellt, die
zwei optische Elemente enthält. Die einfallende Röntgenstrahlung 1 trifft
auf ein beugendes und zugleich abbildendes optisches Element 7 und
wird von diesem fokussiert und in Richtung eines Planspiegels 2 gebeugt. 1 shows a condenser-monochromator arrangement which
contains two optical elements. The
Der Planspiegel 2 steht einige cm vor dem Fokalpunkt der
Röntgenstrahlung und spiegelt diese in die Monochromatorlochblende 11
auf das Objekt 4, das sich auf der optischen Achse 6 des
Röntgenmikroskops 5 befindet. Der Planspiegel 2 steht unter streifendem
Einfall mit wenigen Grad Einfallswinkel, so daß Totalreflexion auftritt
(Materie hat für weiche Röntgenstrahlung einen Brechungsindex, der
kleiner als eins ist) und eine hohe Reflektivität erzielt wird. An die
Oberflächenqualität des Planspiegels 2 muß hinsichtlich des
Winkeltangentenfehlers keine besonders hohe Anforderung gestellt
werden (ein Winkeltangentenfehler von besser als 10 Bogensekunden ist
ausreichend), da der Planspiegel 2 sich nur wenige cm vor dem zu
beleuchtenden Objekt 4 befindet. Dadurch kann der
Winkeltangentenfehler das ausgeleuchtete Bildfeld durch Zerstreuung nur
unbedeutend aufweiten. Da der Planspiegel 2 relativ nahe am Fokalpunkt
der Röntgenstrahlung liegt und der Strahlquerschnitt hier bereits klein ist,
braucht der Planspiegel 2 günstigerweise nur wenige cm lang zu sein.The
Zusammen als Einheit bilden die beiden beschriebenen optischen
Elemente 2,7 mit der Monochromatorlochblende 11 eine Kondensor-Monochromator-Anordnung.
Die optischen Elemente 2,7 sind drehbar um
die optische Achse 6 des Röntgenmikroskops 5 gelagert. Hierzu können
sie in einer hier nicht dargestellten mechanischen Halterung befestigt sein.
Die Halterung besitzt eine mit der optischen Achse 6 zusammenfallende
Drehachse, um die sie sich zusammen mit den optischen Elementen 2,7
drehen kann. Die optische Achse 6 des Röntgenmikroskops 5 ist in
Ausbreitungsrichtung der einfallenden Röntgenstrahlung 1 ausgerichtet.
Der gesamte Aufbau befindet sich wegen der hohen Absorption der
benutzten weichen Röntgenstrahlung in einer Vakuumkammer.Together as a unit, the two described
Das beugende und abbildende optische Element 7 kann eine off-axis
Zonenplatte sein. Unter einer off-axis Zonenplatte wird hier eine
Zonenplatte verstanden, die nur aus einem kleinen, unsymmetrisch und
fern zur Zonenplattenmitte liegenden, zusammenhängenden
Zonenbereich besteht. Deswegen sind die Strukturen innerhalb dieses
Zonenbereichs im allgemeinen nicht rotationssymmetrisch. Der
Zonenbereich ist dabei so groß, daß er einen Röntgenstrahl von einigen
mm2 Querschnittsfläche auffangen kann.. Sie kann in Transmission als off-axis
Transmissionszonenplatte 7 gemäß Fig.1, oder in Reflexion als off-axis
Reflexionszonenplatte 3 gemäß Fig.6 eingesetzt werden. Da eine off-axis
Zonenplatte die Röntgenstrahlung seitlich auslenkt, ist der
Planspiegel 2 zwingend notwendig, um die Röntgenstrahlung auf die
optischen Achse 6 zurückzuspiegeln.The diffractive and imaging
Wird nun während der Belichtung eines mikroskopischen Bildes, die
typischerweise wenige Sekunden beträgt, die mechanische Halterung mit
den optischen Elementen 7,2 (Fig.1) genau eine Umdrehung um die
optische Achse 6 gedreht, so beschreibt der schräg auf das Objekt 4
einfallende Beleuchtungskegel 8 einen Hohlkegel, der die wirksame
Apertur der Beleuchtung bestimmt. Der Öffnungswinkel 10 dieses
Hohlkegels kann über den Reflexionswinkel 9 des Planspiegels 2
eingestellt werden. Dazu muß auch der Abstand des Planspiegels 2 von
der optischen Achse 6 und die Lage der off-axis Transmissionszonenplatte
7 (bzw. der off-axis Reflexionszonenplatte 3 in Fig.6) entlang der
optischen Achse 6 neu justiert werden, damit der Fokus genau wieder auf
der optischen Achse 6 im Objekt 4 liegt. Die Lage der Drehachse der
Halterung muß bis auf wenige um stabil bleiben, was mit
Spindelkugellagern oder spielfreien Kugelführungen erreicht werden kann.Now, during the exposure of a microscopic image, the
is typically a few seconds, the mechanical bracket with
the optical elements 7.2 (Fig.1) exactly one turn around
Da die Aperturanpassung mit dem Planspiegel 2 vorgenommen wird, sind
hinsichtlich der Stärke der Strahlablenkung durch Beugung an der off-axis
Zonenplatte 7,3 keine besonderen Anforderungen zu stellen. Die off-axis
Zonenplatte 7,3 muß nur ein Bild der Röntgenstrahlungsquelle in
geeigneter Größe in der Objektebene erzeugen und die Röntgenstrahlung
spektral zerlegen. Da Undulatoren sehr kleine Quellgrößen besitzen - sie
sind deutlich kleiner als die Quellgrößen in den bislang benutzten
Ablenkmagneten- , kann ein geringer Verkleinerungsmaßstab und damit
eine off-axis Zonenplatte 7,3 mit typisch mindestens zwei mal größerer
Brennweite als die der in der Einleitung genannten Kondensorzonenplatten
benutzt werden, um das Objekt in sogenannter "kritischer Beleuchtung" zu
beleuchten. Dies hat zur Folge, daß nicht nur eine unter streifendem Einfall
benutzte off-axis Reflexionszonenplatte 3 (Fig.6, ebenso auch Fig.8 -10),
die von vorn herein gröbere Zonen besitzt, verwendet werden kann,
sondern daß bereits eine off-axis Transmissionszonenplatte 7 (Fig.1,
ebenso auch Fig.2-4,11-14) genügt, die gröbere und damit weniger Zonen
besitzt als die oben diskutierte Kondensorzonenplatte, die dem Stand der
Technik entsprechend in einer Kondensor-Monochromator-Anordnung das
einzige optische Element überhaupt ist und stets in Transmission zur
quasimonochromatischen Beleuchtung genutzt wird. Zudem ist die zu
strukturierende Fläche für Anwendungen an Undulatoren wegen des
besser gebündelten Strahls typischerweise 10 mal geringer als bei der in
der Einleitung beschriebenen Kondensorzonenplatte für die Strahlung aus
Ablenkmagneten. Dazu kommt, daß die Zonenbreiten einer off-axis
Zonenplatte 7,3 nahezu konstant sind, so daß sie vorteilhafterweise über
ihre gesamte Fläche eine nahezu einheitlich hohe Dispersion besitzen.Since the aperture adjustment is carried out with the
Wie bereits erwähnt, sind prinzipiell Anordnungen mit off-axis
Transmissions- und Reflexionszonenplatten nutzbar. Eine off-axis
Transmissionszonenplatte 7 für eine Röntgenstrahlung mit 2.4 nm
Wellenlänge besitzt z.B. 50 nm breite und 300 nm hohe Germaniumzonen
- was zur Zeit technologisch herstellbar ist. Eine in ihren optischen
Eigenschaften äquivalente off-axis Reflexionszonenplatte 3, die bei
Einfallswinkeln von wenigen Grad benutzt wird, besitzt dagegen etwa 10
bis 50 mal größere Zonenbreiten bei gleichzeitig deutlich geringerer
Zonenhöhe. Daher ist die off-axis Reflexionszonenplatte 3 technologisch
viel einfacher zu realisieren als die äquivalente off-axis
Transmissionszonenplatte 7.As already mentioned, arrangements with off-axis are in principle
Transmission and reflection zone plates can be used. An off-axis
Im Unterschied zu einer off-axis Transmissionszonenplatte 7, die
freitragend mit feinen Stützstrukturen oder auf einer sehr dünnen
Stützfolie hergestellt ist, kann sich eine off-axis Reflexionszonenplatte 3
auf einem stabilen festen Substrat befinden. Wegen des extrem schrägen
Einfalls der Röntgenstrahlung ist dieses Substrat thermisch belastbar und
kühlbar.In contrast to an off-axis
Auch mit mehreren Planspiegeln 2 kann sowohl die off-axis
Transmissionszonenplatte 7 als auch die off-axis Reflexionszonenplatte 3
in unterschiedlicher Weise angeordnet werden, was beispielhaft in den
Fig. 2, 3 und 9-14 dargestellt ist.Even with several plane mirrors 2, both the off-axis
So wird gemäß Fig.2 und auch gemäß Fig.9 die einfallende
Röntgenstrahlung 1 zuerst mit einem Planspiegel 2 aus ihrer
ursprünglichen Richtung zu einer off-axis Zonenplatte 7,3 hin abgelenkt.
Hinter der off-axis Zonenplatte 7,3 wird mit einem zweiten Planspiegel 2
die gebeugte und konvergierende Strahlung in Richtung zur optischen
Achse 6 gespiegelt, wobei durch diesen zweiten Planspiegel 2 die Apertur
der Beleuchtung eingestellt werden kann. Gemäß Fig.2 wird eine off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und gemäß Fig.9 eine off-axis
Reflexionszonenplatte 3 eingesetzt. Die Anordnung beider Planspiegel 2
und der off-axis Zonenplatte 7,3 wird während der Belichtungszeit für ein
Röntgenbild eine Umdrehung um die optische Achse 6 gedreht. Der
schräg auf das Objekt einfallende Beleuchtungskegel 8 beschreibt einen
Hohlkegel, der die wirksame Apertur der Beleuchtung bestimmt. Die
gewünschte Aperturanpassung geschieht mit dem zweiten im
Strahlengang hinter der off-axis Zonenplatte 7,3 angeordneten
Planspiegel 2, indem der Reflexionswinkel 9 geeignet eingestellt wird. Thus, according to FIG. 2 and also according to FIG. 9, the incident one
Gemäß Fig.3 und auch gemäß Fig.10 wird die einfallende
Röntgenstrahlung 1 zuerst mit einem Planspiegel 2 aus ihrer
ursprünglichen Richtung gelenkt und trifft auf einen zweiten Planspiegel 2.
Von dort gelangt sie gemäß Fig.3 auf eine off-axis
Transmissionszonenplatte 7 bzw. gemäß Fig.10 auf eine off-axis
Reflexionszonenplatte 3. Die off-axis Zonenplatte 7,3 fokussiert das
Röntgenlicht in das Objekt 4. Die beschriebene Anordnung der beiden
Planspiegel 2 und der off-axis Zonenplatte 7,3 wird mit Hilfe einer nicht
dargestellten mechanischen Halterung während der Belichtungszeit des
Röntgenmikroskopes 5 eine Umdrehung um die optische Achse 6 gedreht.
Der schräg auf das Objekt 4 einfallende Beleuchtungskegel 8 beschreibt
einen Hohlkegel, der die wirksame Apertur der Beleuchtung bestimmt. Die
gewünschte Aperturanpassung geschieht mit dem zweiten im Strahlengang
kurz vor der off-axis Zonenplatte 7,3 angeordneten Planspiegel 2, indem
der Reflexionswinkel 9 geeignet eingestellt wird.According to Figure 3 and also according to Figure 10, the
Fig.4 zeigt eine Kondensor-Monochromator-Anordnung mit einer off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und einem vorgeschalteten Planspiegel 2. Die
off-axis Transmissionszonenplatte 7 fokussiert das Röntgenlicht schräg
zurück zum Objekt 4 auf die optische Achse 6. Die off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und der vorgeschaltete Planspiegel 2 werden
während der Belichtungszeit des Röntgenmikroskopes 5 eine Umdrehung
um die optische Achse 6 gedreht. Der schräg auf das Objekt einfallende
Beleuchtungskegel 8 beschreibt einen Hohlkegel, der die wirksame
Apertur der Beleuchtung bestimmt. Allerdings ist mit dieser Anordnung
keine flexible Aperturanpassung mehr möglich.4 shows a condenser-monochromator arrangement with an off-axis
In Fig.5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem als beugendes
Element eine in der Einleitung beschriebene ringförmige
Kondensorzonenplatte 14 genutzt wird. Im Strahlengang davor befinden
sich zur Strahlablenkung zwei Planspiegel 2, die während der
Belichtungszeit eines röntgenmikroskopischen Bildes mittels einer
drehbaren mechanischen Halterung einmal um die optische Achse 6
gedreht werden, so daß das abgelenkte Strahlenbündel die gesamte
ringförmige Kondensorzonenplatte 14 einmal überstreicht. Die
Kondensorzonenplatte 14 braucht daher nicht gedreht zu werden. Der
schräg auf das Objekt 4 einfallende Beleuchtungskegel 8 beschreibt einen
Hohlkegel, der die wirksame Apertur der Beleuchtung bestimmt.In Figure 5 an embodiment is shown in which as a diffractive
Element an annular described in the introduction
In Fig.6 ist eine Kondensor-Monochromator-Anordnung dargestellt, bei der
die einfallende Röntgenstrahlung 1 auf eine off-axis Reflexionszonenplatte
3 trifft, die die Röntgenstrahlung 1 in Reflexion beugt und zugleich
fokussiert. Der Planspiegel 2 lenkt die gebeugte Röntgenstrahlung auf das
Objekt 4. Dabei drehen sich die off-axis Reflexionszonenplatte 3 und der
Planspiegel um die optische Achse 6. Unter der Beschreibung der Fig.1 ist
die Funktionsweise bereits detailliert dargelegt.6 shows a condenser monochromator arrangement in which
the
In Fig.7a ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in der als beugendes
Element ein Reflexionsplangitter 15a mit variabler Liniendichte genutzt
wird. Die Liniendichte des Reflexionsplangitters 15a variiert derart, daß die
Röntgenstrahlung nach Beugung am Reflexionsplangitter 15a dieselbe
Strahldivergenz besitzt wie vor dem Reflexionsplangitter 15a. Diese
Technik ist allgemein bekannt und wird bereits genutzt. Erfindungsgemäß
befindet sich zusätzlich aber im weiteren Strahlengang ein fokussierender
Spiegel 16 und wird zusammen mit dem Reflexionsplangitter 15 um die
optische Achse 6 gedreht. Der fokussierende Spiegel 16 fokussiert die
Röntgenstrahlung auf das Objekt 4, wobei durch die Rotation ein die
Apertur der Beleuchtung bestimmender Hohlkegel gebildet wird.An exemplary embodiment is shown in FIG
Element used a reflection plan grating 15a with variable line density
becomes. The line density of the reflection plan grating 15a varies such that the
X-ray radiation after diffraction at the reflection plan grating 15a is the same
Beam divergence has as before the reflection plan grating 15a. This
Technology is well known and is already being used. According to the invention
but there is also a focusing one in the further
Es ist natürlich auch möglich, anstelle des Reflexionsplangitters 15a - bei Verwendung geeignet kurzwelliger Röntgenstrahlung - einen Kristall unter Braggreflexion einzusetzen. It is of course also possible, instead of the reflection plan grating 15a Use suitable short-wave X-rays - a crystal under Use Bragg reflection.
Die Fig.7b unterscheidet sich von Fig.7a nur dadurch, daß als beugendes
optisches Element ein Transmissionsplangitter 15b anstelle des
Reflexionsplangitters 15a eingesetzt ist. Das Transmissionsplangitter 15b
beugt die einfallende Röntgenstrahlung 1 in Transmission und behält
deren Parallelität auch nach der Beugung bei. Erst der fokussierende
Spiegel 16, der zusammen mit dem Transmissionsplangitter um die
optische Achse 6 rotiert, fokussiert die Röntgenstrahlung auf das Objekt 4.The Fig.7b differs from Fig.7a only in that as a diffractive
optical element a transmission plan grating 15b instead of
Reflection plan grating 15a is used. The transmission plan grid 15b
diffracts the
Fig.8 zeigt eine Kondensor-Monochromator-Anordnung mit einer off-axis
Reflexionszonenplatte 3 und einem vorgeschalteten Planspiegel 2. Die off-axis
Reflexionszonenplatte 3 fokussiert das Röntgenlicht schräg zurück
zum Objekt 4 auf die optische Achse 6. Die off-axis Reflexionszonenplatte
3 und der vorgeschaltete Planspiegel 2 werden während der
Belichtungszeit des Röntgenmikroskopes 5 eine Umdrehung um die
optische Achse 6 gedreht. Der schräg auf das Objekt einfallende
Beleuchtungskegel 8 beschreibt einen Hohlkegel, der die wirksame
Apertur der Beleuchtung bestimmt. Allerdings ist mit dieser Anordnung
keine flexible Aperturanpassung mehr möglich.8 shows a condenser-monochromator arrangement with an off-axis
Bei Verwendung geeignet kurzwelliger Röntgenstrahlung ist es natürlich
auch möglich, anstelle des Planspiegels 2 in Fig.8 einen Kristall unter
Braggreflexion einzusetzen.When using suitable short-wave X-rays, it is natural
also possible to place a crystal under the
Ebenso kann bei Verwendung geeignet kurzwelliger Röntgenstrahlung
anstelle der off-axis Reflexionszonenplatte 3 in Fig.8 ein gekrümmter
Kristall in der sogenannten "Rowlandanordnung" und unter Ausnutzung
der Braggreflexion eingesetzt werden.Likewise, when using suitable short-wave X-rays
instead of the off-axis
Die Kondensor-Monochromator-Anordnungen gemäß Fig.9 und Fig.10 mit
jeweils zwei Planspiegeln 2 und einer off-axis Reflexionszonenplatte 3, die
um die optische Achse 6 rotieren, sind der Analogie wegen bereits im Text
zu Fig.2 und. Fig.3 beschrieben. The condenser-monochromator arrangements according to FIG. 9 and FIG. 10 with
in each case two
Es soll noch erwähnt werden, daß sich diese bislang gefundenen
Lösungen mit Transmissions- und Reflexionszonenplatten 7,3 auch für
Strahlung längerer Wellenlängen, etwa für UV- Strahlung und sichtbare
Strahlung eignen. Insbesondere kann mit diesen rotierenden Optiken eine
Objektbeleuchtung für inkohärente Bildaufzeichnung auch mit kohärenten
Lichtquellen, z.B. bei Beleuchtung mit Lasern, erzeugt werden.
Entsprechende Systeme werden als Systeme mit "dynamischer kohärenter
Apertur" bezeichnet. Sie verkörpern dazu den Spezialfall stark schräger
und rotierender Beleuchtung. Für diese ist im sichtbaren Spektralbereich
bekannt, daß die Übertragungsfunktion bei hohen Raumfrequenzen
deutlich angehoben wird gegenüber nahezu inkohärenter Beleuchtung mit
einem Kondensor kreisförmiger Pupille, so daß eine verbesserte
Kontrastübertagung erreicht wird. Bei Verwendung monochromatischer
Laserstrahlung reicht es natürlich, die Stahlablenkung nur durch Spiegel
vorzunehmen, d.h. in Fig.6 und in Fig.8-10 kann auf die
monochromatisierenden Eigenschaften der off-axis Reflexionszonenplatte
3 verzichtet werden und diese durch einen fokussierenden Spiegel ersetzt
werden. Aus demselben Grund kann dann in Fig.1-4 die off-axis
Transmissionszonenplatte 7 durch eine Linse ersetzt werden, die in einem
Teilstück weit ab von der Linsenmitte benutzt wird.It should be mentioned that these have been found so far
Solutions with transmission and reflection zone plates 7.3 also for
Radiation of longer wavelengths, for example for UV radiation and visible ones
Radiation. In particular, with these rotating optics
Object lighting for incoherent image recording also with coherent
Light sources, e.g. when illuminated with lasers.
Corresponding systems are considered as systems with "dynamic coherence
Aperture ". They embody the special case very obliquely
and rotating lighting. For this is in the visible spectral range
known that the transfer function at high spatial frequencies
compared to almost incoherent lighting
a condenser circular pupil, so that an improved
Contrast transmission is achieved. When using monochromatic
Laser radiation is of course enough, the steel deflection only by mirrors
to make, i.e. in Fig.6 and in Fig.8-10 can on the
monochromatizing properties of the off-axis
In Fig.11 ist der z.B. in Fig.1 gezeigte Planspiegel 2 durch zwei
aufeinanderfolgende einzelne Planspiegel 2 ersetzt. Dabei lenken beide
Planspiegel 2 die Röntgenstrahlung in dieselbe Richtung ab. Es ist aber
auch möglich, daß die beiden Planspiegel 2 die Röntgenstrahlung
entgegengesetzt gerichtet ablenken. Eine Anordnung mit zwei
aufeinanderfolgenden um die optische Achse 6 rotierenden Planspiegeln 2
(wie sie auch in Fig.3 und Fig.10 dargestellt sind) bewirkt in jedem Fall,
daß das Bild der Röntgenstrahlungsquelle trotz rotierender off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und der rotierenden Planspiegel 2 nicht
gedreht wird. Dies hat die weiter unten noch diskutierten Vorteile bei
Anwendungen mit elliptischen Strahlungsquellen und es kann die
Genauigkeitsanforderungen an das Spiel der Drehachse der Spiegel- und
Zonenplattenhalterung reduzieren.In Fig. 11 the
In Fig.12. ist ein Kondensor-Monochromator bestehend aus einer off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und drei nachgeschalteten Planspiegeln
17,18,19 gezeigt. In dieser Anordnung brauchen sich nur die beiden
nachgeschalteten Planspiegel 17,18 um die optische Achse 6 des
Röntgenmikroskops 5 zu drehen. Die off-axis Transmissionszonenplatte 7
und der Planspiegel 19 können dabei raumfest bleiben. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß das von der off-axis Transmissionszonenplatte 7
erzeugte Bild der Röntgenstrahlungsquelle wegen der zweifachen
Spiegelung an den sich drehenden Spiegeln 17,18 nicht gedreht ist. Wenn
als Röntgenstrahlungsquelle ein Elektronenstrahl-Undulator benutzt wird,
so hat dieser im allgemeinen ein stark elliptisches Quellgebiet, von dem
die off-axis Transmissionszonenplatte 7 ein Bild erzeugt. Die
Dispersionsrichtung der off-axis Transmissionszonenplatte 7 kann nun so
gelegt werden, daß diese in Richtung der kleinen Ellipsenachse fällt.
Dabei verlaufen die nur leicht gekrümmten Zonen der off-axis
Transmissionszonenplatte 7 im wesentlichen "parallel" zur großen
Ellipsenachse des Bildes. Da sich das Bild der Röntgenstrahlungsquelle
infolge zweifacher Spiegelung an der beiden rotierenden,
nachgeschalteten Spiegeln 17,18 nicht dreht, kann daher auf diese Weise
ein relativ homogen ausgeleuchtetes "Band" von der Breite des großen
Durchmessers der Bildellipse erzeugt werden, dessen Intensität in
Dispersionsrichtung nur langsam variiert.In Fig.12. is a condenser monochromator consisting of an off-axis
Gleichzeitig ist diese Anordnung relativ unempfindlich gegen Verkippungen und Translationen der Drehachse der Spiegelanordnung, da zwei sich drehende Planspiegel 2 verwendet werden.At the same time, this arrangement is relatively insensitive to Tilting and translations of the axis of rotation of the mirror arrangement, since two rotating plane mirrors 2 are used.
In Fig.13 ist eine Kondensor-Monochromator-Anordnung mit einer
off-axis Transmissionszonenplatte 7, die in zwei off-axis
Transmissionszonenplattensegmenten 20a, 20b unterteilt ist, und mit zwei
Paaren nachgeschalteter und jeweils entgegengesetzt ablenkender
Planspiegel 2 gezeigt. Hier wird die Röntgenstrahlung von zwei off-axis
Transmissionszonenplattensegmenten 20a, 20b derselben Brennweite
eingefangen. Die off-axis Transmissionszonenplattensegmente 20a, 20b
sind in ihrer Struktur identisch, aber um 180° gegeneinander gedreht, so
daß die beiden zugehörigen Foci sich gegenüber liegen, symmetrisch zur
optischen Achse 6. Mit je einem Planspiegelpaar werden die Strahlen
zurückgespiegelt auf die optische Achse 6, so daß sich die beiden
Brennpunkte im Objekt 4 überlagern. Diese Art der Beleuchtung ist streng
spiegelsymmetrisch und führt zu anderen Abbildungseigenschaften als die
"Einseitenbandabbildung" bei einseitiger und extremer Hellfeld-Schrägbeleuchtung.
Insbesondere kann mit dieser Art der Beleuchtung bei
weiterer Vergrößerung der Beleuchtungswinkels in der Objektebene
Dunkelfeldmikroskopie betrieben werden. Es sind dann stets komplementär
gebeugte Strahlen in der Bildebene vorhanden, die miteinander
interferieren können. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, wenn die
Grenzauflösung im Dunkelfeld erreicht werden soll.In Fig.13 is a condenser monochromator arrangement with a
off-axis
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.13 drehen sich mit der off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und den 2 Paaren Planspiegel 2 mehrere
strahlablenkende optische Elemente um die optische Achse 6. Dies ist
auch der Fall für das in Fig.14 gezeigte Ausführungsbeispiel.In the embodiment according to FIG. 13 rotate with the off-axis
In Fig.14. ist eine Kondensor-Monochromator-Anordnung mit einer off-axis
Transmissionszonenplatte 7 und mit zwei Paaren jeweils gleichgerichtet
ablenkender Planspiegeln 2 dargestellt. Die off-axis
Transmissionszonenplatte 7 ist wie die gemäß Fig.13 aus zwei Segmenten
20a, 20b zusammengesetzt, die die gleiche Brennweite besitzen aber mit -
bezogen auf die optische Achse 6 - gegenüberliegenden Brennpunkten.
Aufgrund der strahlungsumlenkenden Planspiegel 2 überlagern sich aber
die sonst getrennten Brennpunkte in einem Brennpunkt im Objekt 4. Die
prinzipielle Funktionsweise ist dieselbe wie unter Fig.13 bereits
beschrieben. In Fig. 14. is a condenser monochromator arrangement with an off-axis
Schließlich ist es gemäß Fig.15 auch möglich, die Aufgabenstellung
erfüllende äquivalente Systeme zur quasimonochromatischen
Objektbeleuchtung mit inkohärenter Bildaufzeichnung anzugeben, die
während der Belichtungszeit eines Bildes keine Rotation des ganzen
Systems um die optische Achse 6 erfordern. In diesem Fall wird - wie
allgemein in der optischen Mikroskopie üblich - ein Kondensor-Monochromator
benutzt, der eine Beleuchtungswelle hoher numerischer
Apertur erzeugt. Dazu kann ein besonderes beugendes Element mit einem
nachgeschalteten Spiegel benutzt werden. Das beugende Element ist ein
sogenannter Fokussator 13 mit Ringfokus, der statt eines Brennpunktes
einen scharf fokussierten Ring konzentrisch zur optischen Achse 6 erzeugt.
Solche Fokussatoren 13 lassen sich genauso wie off-axis Zonenplatten 7,3
mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie erzeugen. Sie besitzen ganz
ähnliche Parameter und Gesetzmäßigkeiten wie die zuvor beschriebenen
off-axis Zonenplatten 7 in Transmission, insbesondere brauchen sie nur
vergleichbar "grobe" beugende Strukturen zu besitzen wie in den oben
beschriebenen Fällen. Ein weiterer Vorteil des Fokussators 13 besteht
darin, daß er gut geeignet ist für stark kollimierte Strahlung. Alle Strahlung
aus dem zentralen Strahl beugt und fokussiert der Fokussator 13 in einen
Ring größeren Durchmessers, der konzentrisch um die optische Achse 6
liegt (Fig.15). Das folgende Spiegelsystem besteht aus einem oder zwei
hintereinandergeschalteten Hohlkegelspiegeln 12. Es wird in geeignetem
Abstand hinter dem Fokussator 13 und vor dem Ringfokus angeordnet.
Dadurch wird anstelle eines Ringfokus ein punktförmiger Fokus auf der
optischen Achse 6 erhalten. Wird um diesen ,,Brennpunkt" eine kleine
Lochblende 11 gelegt, so wirkt die Anordnung aus Fokussator 13,
Hohlkegelspiegel 12 und Lochblende 11 als Monochromator. Die
Aperturanpassung geschieht über eine geeignete Wahl des Ablenkwinkels
des Hohlkegelspiegelsystems.Finally, according to FIG. 15, it is also possible to specify equivalent systems for quasi-monochromatic object illumination with incoherent image recording that do not require the entire system to rotate about the
Fig.16 zeigt eine Kondensor-Monochromator-Anordnung mit einem
Fokussator 13 mit Ringfokus und zwei nachgeschalteten
Hohlkegelspiegeln 12. Der Vorteil eines Systems mit zwei
Hohlkegelspiegeln 12 liegt darin, daß in einem solchen System die
sogenannte "Knickfläche" der Strahlungsablenkung nahezu senkrecht zur
optischen Achse 6 liegt (Die Knickfläche ist diejenige Fläche, auf der sich
die in Strahlrichtung verlängerten und die rückwärtig verlängerten
reflektierten Strahlen schneiden.). Es ist bekannt, daß in diesen optischen
Systemen die Aberrationen, die bei Verkippung des Systems - also z.B. bei
fehlerhafter Justierung - auftreten, geringer sind als in Systemen, deren
Knickfläche fast parallel zur optischen Achse 6 verläuft. Letzteres ist bei
Benutzung eines Systems mit nur einem Hohlkegelspiegel 12 der Fall, für
den die reflektierende Oberfläche und die Knickfläche übereinstimmen muß
und der sehr viel genauer justiert werden muß.Fig. 16 shows a condenser monochromator arrangement with a
Im folgenden sind die Vorteile der Erfindung nochmals zusammengefaßt.
Es können mit einem einzigen Aufbau die Aperturen aller bislang zur
Verfügung stehender Mikrozonenplatten für Hellfeld-, Phasenkontrastund
Dunkelfeldmikroskopie angepaßt werden. Die Apertur einer
Ringpupille wird durch Rotation einer Schrägbeleuchtung um 360°
erhalten, wobei der Winkel der Schrägbeleuchtung zum Beispiel über einen
Planspiegel 2 über einen weiten Bereich eingestellt werden kann. Der
Planspiegel 2 ist sehr klein, typischerweise wenige cm lang und daher
preiswert. Für den Betrieb an gut kollimierten Strahlen aus Undulatoren ist
eine Strahlaufweitung nicht nötig. Die Wellenlänge kann in sehr weiten
Bereichen verändert werden. Die Kondensor-Monochromator-Anordnung
enthält eine off-axis Zonen platte 7,3 mit Zonenbreiten, die deutlich größer
und somit leichter und schneller herstellbar sind als die der zur Verfügung
stehenden Mikrozonenplatten, die als Röntgenobjektiv eingesetzt werden.
Die Wellenlänge kann in sehr weiten Bereichen verändert werden.
Alternativ kann eine Ringpupille auch durch einen Fokussator 13 erzeugt
werden, wobei dann ein Hohlkegelspiegel 12 zur Fokussierung der
Strahlung auf die optische Achse 6 verwendet wird. The advantages of the invention are summarized again below.
With a single structure, the apertures of all can be closed
Available microzone plates for brightfield, phase contrast and
Dark field microscopy can be adjusted. The aperture of one
Ring pupil is created by rotating an oblique illumination through 360 °
obtained, the angle of the oblique lighting for example over a
- 11
- einfallende Röntgenstrahlungincident x-rays
- 22nd
- PlanspiegelPlane mirror
- 33rd
- off-axis Reflexionszonenplatteoff-axis reflection zone plate
- 44th
- Objektobject
- 55
- Röntgen mikroskopX-ray microscope
- 66
- optische Achse des Röntgenmikroskopsoptical axis of the x-ray microscope
- 77
- off-axis Transmissionszonenplatteoff-axis transmission zone plate
- 88th
- schräg einfallender Beleuchtungskegelobliquely incident lighting cone
- 99
- ReflexionswinkelAngle of reflection
- 1010th
- halber Öffnungswinkel der Hohlkegelbeleuchtunghalf opening angle of the hollow cone lighting
- 1111
- Monochromatorlochblende in der ObjektebeneMonochromator pinhole in the object plane
- 1212th
- HohlkegelspiegelConcave mirror
- 1313
- Fokussator mit RingfokusFocuser with ring focus
- 1414
- ringförmige Kondensorzonenplatteannular condenser zone plate
- 15a15a
- ReflexionsplangitterReflection grid
- 15b15b
- TransmissionsplangitterTransmission plan grid
- 1616
- fokussierender Spiegelfocusing mirror
- 1717th
- PlanspiegelPlane mirror
- 1818th
- PlanspiegelPlane mirror
- 1919th
- PlanspiegelPlane mirror
- 20a20a
- off-axis Zonenplattensegmentoff-axis zone plate segment
- 20b20b
- off-axis Zonenplattensegmentoff-axis zone plate segment
Claims (10)
- Condenser monochromator arrangement for x-rays for the quasi-monochromatic, hollow-conically shaped illumination and incoherent image recording of an object (4) in an imaging x-ray microscope (5) with refracting and reflecting optical elements (2, 3, 7, 12, 13, 15a, 15b, 16, 17, 18, 19, 20a, 20b) and with a monochromator aperture (11), which is arranged in the optical axis (6) of the x-ray microscope (5) and in the plane of which the object (4) is arranged on the optical axis (6), characterised in that a refracting optical element (3, 7, 13, 14, 15a, 15b, 20a, 20b), which causes the spectral dissection of the x-rays, and at least one reflecting optical element (2, 12, 16, 17, 28, 19) are provided, wherein the aperture angle (10) of the produced illumination cone (8) and the position of the focal point of the illumination cone (8) on the optical axis (6) at the location of the object (4) are determined by the reflecting element (2, 12, 14, 17, 18, 19) in combination with the refracting element (3, 7, 13, 14, 15a, 15b, 20a, 20b).
- Condenser monochromator arrangement according to claim 1, characterised in that the refracting element (3, 7, 15a, 15b, 20a, 20b) and one or more reflecting elements (2, 18, 19) are borne to be rotatable about the optical axis (6) of the x-ray microscope (5).
- Condenser monochromator arrangement according to claim 2, characterised in that the refracting element (3, 7, 15a, 15b, 20a, 20b) is constructed as off-axis zone plates (3, 7) in reflection or transmission or as plane grating (15a, 15b) crystal in Bragg reflection.
- Condenser monochromator arrangement according to claim 1, characterised in that two reflecting elements (2, 17, 18) are borne to be rotatable about the optical axis (6) of the x-ray microscope (5).
- Condenser monochromator arrangement according to claim 4, characterised in that an off-axis zone plate (3, 7) is spatially arranged in the ray path.
- Condenser monochromator arrangement according to claim 4, characterised in that an annular condenser zone plate (14) is spatially arranged in the ray path.
- Condenser monochromator arrangement according to one of the preceding claims, characterised in that the reflecting elements are planar mirrors (2, 17, 18, 19) or focussing mirrors (16).
- Condenser monochromator arrangement according to claim 7, characterised in that the focussing mirror (16) is a curved crystal used in Rowland arrangement.
- Condenser monochromator arrangement according to one of the preceding claims, characterised in that the refracting and reflecting optical elements (2, 3, 7, 12, 13, 15a, 15b, 16, 17, 18, 19, 20a, 20b) are displaceable and tiltable for the variable setting of the aperture angle (10).
- Condenser monochromator arrangement according to claim 1, characterised in that the refracting optical element is a focussing device (13) with an annular focus, behind which at least one hollow cone mirror (12) is arranged in the ray path as reflecting optical element.
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DE19600701 | 1996-01-10 | ||
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EP0873565A2 EP0873565A2 (en) | 1998-10-28 |
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