EP1324351A2 - Röntgen-optisches System mit Blende im Fokus eines Röntgen-Spiegels - Google Patents

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EP1324351A2
EP1324351A2 EP02027472A EP02027472A EP1324351A2 EP 1324351 A2 EP1324351 A2 EP 1324351A2 EP 02027472 A EP02027472 A EP 02027472A EP 02027472 A EP02027472 A EP 02027472A EP 1324351 A2 EP1324351 A2 EP 1324351A2
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EP
European Patent Office
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mirror
ray
focus
multilayer mirror
gradient multilayer
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EP02027472A
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English (en)
French (fr)
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EP1324351A3 (de
EP1324351B1 (de
Inventor
Joachim Lange
Detlef Bahr
Kurt Erlacher
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Bruker AXS GmbH
Original Assignee
Bruker AXS GmbH
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Publication date
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Publication of EP1324351A3 publication Critical patent/EP1324351A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an X-ray optical system with an X-ray source and a first gradient multilayer mirror (graded multilayer mirror), the extent Q x of the X-ray source in an x direction perpendicular to the connecting line between the X-ray source and the first Gradient multilayer mirror in the z direction is greater than the acceptance range of the mirror in a focus of the mirror in the x direction.
  • the concave, focusing X-ray mirror can be cylindrical, elliptical or have parabolic curvature.
  • Parabolic mirrors are in particular a parallelization of the incident X-rays possible.
  • the acceptance angle of typical multilayer mirrors is in the range of 1 mrad and the usual focal lengths are in the range of a few centimeters.
  • the electron focus of the X-ray source varies in a linear range from 10 ⁇ m to a few millimeters.
  • the acceptance range of a mirror has a smallest linear dimension in a range around a few 10 ⁇ m and is typically strip-shaped.
  • the usual X-ray samples on the other hand, have linear dimensions in the range from 100 ⁇ m to a few millimeters, typically several tenths of a millimeter.
  • the entire area of the X-ray source also emits interference radiation (with a "wrong" wavelength, in particular K ⁇ ), which can reach the entire apparatus via the X-ray mirror and ultimately the X-ray detector.
  • the object of the invention is an X-ray optical system with the features mentioned at the outset, with as much as possible small and technically simple modifications a reduction without problems the interfering radiation on the sample while maintaining the power used X-ray radiation from the source allows.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that the Expansion of the x-ray source in the z direction is effectively eliminated because with the X-ray mirror only shows the aperture, which is practical has no depth in the z direction.
  • the depth of field of the figure is shown in essentially limited only by the thickness of the panel.
  • Graded mirrors are used in which the Layer spacing varies laterally and / or in depth. With that one can achieve particularly high intensity of the reflected radiation.
  • the mirrors can be cylindrical, spherical, elliptical, be designed parabolic or hyperbolic.
  • the invention unfolds its advantages not only in the field of X-ray optics, but can also be used in the field of neutron optics and with synchrotron radiation as the source.
  • neutron optical elements can be used as mirrors.
  • the x direction and the y direction orthogonal With such an orthogonal x and y system the radiation directions are linearly independent of each other, so that the effects of the two gradient multilayer mirrors are decoupled are.
  • This allows a particularly simple manufacture of the invention Systems and its easy adjustability.
  • Another training course In the above embodiment, the focus of the first gradient multilayer mirror is correct with the focus of the second gradient multilayer mirror match. With this arrangement one comes with a single aperture because the two screens coincide spatially.
  • the focus of the first one can also be used for other training courses
  • Gradient multilayer mirror with the focus of the second gradient multilayer mirror do not match.
  • the two gradient multilayer mirrors can then be optimized completely independently of one another, especially if the two mirrors are at a different distance from each other the x-ray source.
  • the screens are adjustable, so that a fine optimization of the arrangement is made possible.
  • the screens can be used as cross screens, slotted screens, Pinhole or iris diaphragms are executed.
  • Another particularly preferred embodiment of the arrangement according to the invention is characterized in that the extent Q x of the X-ray source in the x direction is between 2 and 50 times, preferably between 5 and 20 times, in particular 10 times larger than the acceptance range of the first gradient multilayer.
  • Mirror in the x-direction, and that the extent Q y of the x-ray source in the y-direction is between 2 and 50 times, preferably between 5 and 20 times, in particular 10 times larger than the acceptance range of the second gradient multilayer mirror in the y-direction , This allows the unwanted interference to be suppressed particularly well when using conventional X-ray sources in conjunction with common X-ray mirrors.
  • the device has an acceptance range of the first gradient multilayer mirror in the x direction and possibly the acceptance range of the second Gradient multilayer mirror in the y direction between 10 and 100 microns. Particularly effective Göbel mirrors can be found in this area produce.
  • the first and optionally the second gradient multilayer mirror parabolically or elliptically curved his are optionally the first and optionally the second gradient multilayer mirror parabolically or elliptically curved his.
  • the first and optionally the second Just be a gradient multilayer mirror.
  • An X-ray spectrometer also falls within the scope of the present invention or an X-ray diffractometer or an X-ray microscope, each with an X-ray optical system as described above Art.
  • the invention is shown in the drawing and is based on exemplary embodiments explained in more detail.
  • Fig. 1 shows the schematic spatial arrangement of an X-ray optics.
  • an X-ray mirror A is arranged in the yz plane.
  • edge rays overlap in the focus O a of the mirror A.
  • a further X-ray mirror B is arranged in the xz plane.
  • apertures are positioned at the locations O a and O b .
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the characteristic quantities of an X-ray mirror A. Radiation is only reflected from the range of the acceptance angle ⁇ of the X-ray mirror A. The acceptance range F is thus imaged in the focus O a of the X-ray mirror A.
  • the radiation geometry of the X-ray optics of FIG. 1 is shown schematically in the xz plane in FIG. 3a.
  • the source Q x is imaged via an aperture with an opening width F x in the focus O a of the X-ray mirror A.
  • the effective divergence angle range ⁇ x of the X-ray mirror A results from the projection of the source dimension S x and the distance between the focus O a and the X-ray mirror A.
  • 3b shows the radiation geometry of the x-ray optics of FIG. 1 in the yz plane.
  • the source Q y is imaged via an aperture with an opening width F y in the focus O b of the X-ray mirror B.
  • the effective divergence angle range ⁇ y of the X-ray mirror B results from the projection of the source dimension S y and the distance between the focus O b and the X-ray mirror B.
  • 5a shows the schematic representation of the beam geometry of a projected line focus source b 1 in focus O a of the approximately planar X-ray mirror A of length L.
  • the angular range ⁇ under which the projected line focus source b 1 appears is dependent on location l on X-ray mirror A.
  • l 0 lies on the left edge of mirror A
  • l L / 2 in the center of the mirror
  • l L on the right edge of mirror A.
  • the distance between the center of source Q and the center of mirror A along the z-axis is f.
  • FIG. 5b shows the schematic representation of the beam geometry according to the invention of the line focus source Q shown by means of an aperture bl of the opening width F x .
  • the opening width F x here corresponds to the projected line focus source, which is also referred to below as b 2 .
  • the center of the aperture bl is in focus O a of the approximately flat X-ray mirror A of length L.
  • the angular range ⁇ , under which the aperture opening b 2 appears, is in turn dependent on location 1 on the X-ray mirror A.
  • the location coordinate l along the mirror A is defined as in Fig. 5a.
  • the distance between the aperture bl and the center of the mirror A along the z axis is f.
  • the beam geometries that are shown in FIGS. 5a and 5b are intended to as the basis for the subsequent calculation of the bandwidths ⁇ (that is the widths of the wavelength ranges that are reflected or imaged) serve the radiation imaged by the X-ray mirror A.
  • ⁇ 2d sin ⁇ with ⁇ : wavelength of the reflected radiation; d: plane spacing in the reflecting crystal; and ⁇ : glancing angle between the surface of the reflecting crystal and the direction of the incident or emerging radiation.
  • the size of the projected x-ray source b corresponds to the effective focus size F of the mirror A, which is to be referred to here as b 1 .
  • b corresponds to the aperture width F x or b 2 .
  • ⁇ (l) (i.e. m - gL / 2 + gl) (4 - ( ⁇ Ka / (D m - gL / 2 + gl)) 2 ) 1.2 arctan (b / (f - L / 2 + l)) ⁇ ⁇ (i.e. m - gL / 2 + gl) (4 - ( ⁇ Ka / (D m - gL / 2 + gl)) 2 ) 1.2 (b / (f - L / 2 + l)) ⁇ ⁇ b
  • the bandwidth ⁇ is therefore linear from the projected size of the x-ray source b depending on the bl significantly by introducing an aperture according to the invention can be reduced.
  • FIG. 6 shows a diagram of the calculated bandwidth ⁇ (in ⁇ ) of an X-ray mirror A as a function of the position coordinate l (in m) along the X-ray mirror A with a projected size of the X-ray source b 1 corresponding to the effective focus size F of the X-ray mirror A (cf. Fig. 5a).
  • FIG. 7 shows a diagram of the calculated bandwidth (in ⁇ ) of an X-ray mirror A as a function of the spatial coordinate l (in m) along the X-ray mirror A with a projected size of the X-ray source b 2 corresponding to the aperture width F x (see FIG. 5b) ,
  • the K ⁇ lines can be selected by the X-ray optics according to the invention.
  • the diagram shows the relative intensity of the X-rays emitted by the source Q as a function of the wavelength ⁇ .
  • the largest part of the radiation is bremsstrahlung with continuous wavelength distribution and a maximum around 0.7 ⁇ .
  • the characteristic emission lines of copper are superimposed on this; of these, the mean values of the K ⁇ and K ⁇ lines are plotted in the diagram.
  • the K ⁇ lines generally represent the useful radiation of the X-ray arrangement.

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Abstract

Ein Röntgen-optisches System mit einer Röntgen-Quelle (Q) und einem ersten Gradienten-Multischicht-Spiegel (graded multilayer mirror) (A), wobei die Ausdehnung Qx der Röntgen-Quelle (Q) in einer x-Richtung senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Röntgen-Quelle (Q) und erstem Gradienten-Multischicht-Spiegel (A) in z-Richtung größer ist als der Akzeptanzbereich des Spiegels (A) in einem Fokus des Spiegels (A) in der x-Richtung, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fokus des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) zwischen Röntgen-Quelle (Q) und Spiegel (A) eine erste Blende (bI) angeordnet ist, deren Öffnung in x-Richtung dem Akzeptanzbereich des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) entspricht, und dass für den Abstand qzA zwischen erster Blende (bI) und Röntgen-Quelle (Q) gilt qzA = Qx / tan αx, wobei αx den Winkel bezeichnet, unter dem der erste Gradienten-Multischicht-Spiegel (A) von der ersten Blende (bI) aus gesehen in x-Richtung erscheint. Dadurch wird eine Reduzierung der Stör-Strahlung auf der Probe bei gleichbleibender Leistung der genutzten Röntgen-Strahlung aus der Quelle Q ermöglicht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgen-optisches System mit einer Röntgen-Quelle und einem ersten Gradienten-Multischicht-Spiegel (graded multilayer mirror), wobei die Ausdehnung Qx der Röntgen-Quelle in einer x-Richtung senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Röntgen-Quelle und erstem Gradienten-Multischicht-Spiegel in z-Richtung größer ist als der Akzeptanzbereich des Spiegels in einem Fokus des Spiegels in der x-Richtung.
Ein solches System ist beispielsweise bekannt aus "X-Ray Microscopy", V.E.Cosslett et al., Cambridge at the University Press, 1960. Die prinzipielle Funktionsweise einer gattungsgemäßen Anordnung ist darin beschrieben.
Der konkave, fokussierende Röntgenspiegel kann eine zylindrische, elliptische oder parabolische Krümmungsfläche aufweisen. Bei Verwendung von Parabolspiegeln ist insbesondere auch eine Parallelisierung der einfallenden Röntgenstrahlung möglich.
Die Verwendung von Multilayer-Spiegeln im Zusammenhang mit einer Kirkpatrick-Baez-Anordnung ist in einem Aufsatz von J. Underwood in der Zeitschrift Applied Optics, Vol. 25, No. 11 (1986) beschrieben.
Um einen Eindruck der Größenordnungen bei den problembehafteten Größen zu vermitteln, sei erwähnt, dass der Akzeptanzwinkel von typischen Multilayer-Spiegeln im Bereich von 1 mrad und die üblichen Brennweiten im Bereich einiger Zentimeter liegen. Der Elektronenfokus der Röntgen-Quelle variiert in einem linearen Bereich von 10 µm bis einige Millimeter. Der Akzeptanzbereich eines Spiegels hat eine kleinste Lineardimension in einem Bereich um einige 10 µm und ist typischerweise streifenförmig. Die üblichen Röntgen-Proben andererseits haben lineare Ausdehnungen im Bereich von 100 µm bis einige Millimeter, typischerweise mehrere zehntel Millimeter.
Ein Hauptproblem bei den gattungsgemäßen Röntgen-optischen Systemen liegt darin, dass bei ausgedehnten Röntgen-Quellen lediglich von Röntgen-Strahlung aus einem relativ kleinen Flächenbereich des Elektronen-Fokus die Bragg-Bedingung für Beugung am Gradienten-Multischicht-Spiegel (= Göbel-Spiegel) erfüllt wird. Daher wird nur ein kleiner Teil der emittierten Nutz-Strahlung aus der Röntgen-Quelle vom Röntgen-Spiegel in eine vorgegebene Zielrichtung gelenkt. Die gesamte Fläche der Röntgen-Quelle sendet aber auch Störstrahlung (mit einer "falschen" Wellenlänge, insbesondere Kβ) aus, welche über den Röntgen-Spiegel in die gesamte Apparatur und letztendlich in den Röntgen-Detektor gelangen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Röntgen-optisches System mit den eingangs genannten Merkmalen vorzustellen, das mit möglichst geringen und technisch einfachen Modifikationen problemlos eine Reduzierung der Stör-Strahlung auf der Probe bei gleichbleibender Leistung der genutzten Röntgen-Strahlung aus der Quelle ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass in einem Fokus des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels zwischen Röntgen-Quelle und Spiegel eine erste Blende angeordnet ist, deren Öffnung in x-Richtung dem Akzeptanzbereich des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels entspricht, und dass für den Abstand qzA zwischen erster Blende und Röntgen-Quelle gilt qzA = Qx / tan αx, wobei αx den Winkel bezeichnet, unter dem der erste Gradienten-Multischicht-Spiegel von der ersten Blende aus gesehen in x-Richtung erscheint.
Dadurch wird derjenige Teil der aus der Röntgen-Quelle in Richtung auf den Röntgen-Spiegel emittierten Röntgen-Strahlung, welcher ohnehin nicht die Bragg-Bedingung erfüllen würde und daher an sich uninteressant ist, aber dennoch einen hohen Anteil an Störstrahlung enthält, vom übrigen Strahlengang ausgeblendet.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Ausdehnung der Röntgen-Quelle in z-Richtung effektiv eliminiert wird, weil mit dem Röntgen-Spiegel lediglich die Blende abgebildet wird, welche praktisch keine Tiefe in z-Richtung aufweist. Die Schärfentiefe der Abbildung wird im wesentlichen nur durch die Dicke der Blende begrenzt.
Es werden Gradientenspiegel (graded mirrors) verwendet, bei denen der Schichtabstand lateral und/oder in der Tiefe variiert. Damit lässt sich eine besonders hohe Intensität der reflektierten Strahlung erreichen. Die verwendeten Spiegel können zylindrisch, kugelschalenförmig, elliptisch, parabolisch oder hyperbolisch ausgestaltet sein.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Erfindung ihre Vorteile nicht nur auf dem Gebiet der Röntgen-Optik entfaltet, sondern auch im Bereich der Neutronenoptik und mit Synchrotronstrahlung als Quelle anwendbar ist.
Für diesen Fall können Neutronen-optische Elemente als Spiegel eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-optischen Systems, die sich dadurch auszeichnet, dass ein zweiter Gradienten-Multischicht-Spiegel vorgesehen ist, wobei die Ausdehnung Qy der Röntgen-Quelle in einer y-Richtung senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Röntgen-Quelle und zweitem Gradienten-Multischicht-Spiegel in z-Richtung größer ist als der Akzeptanzbereich des Spiegels in einem Fokus des Spiegels in der y-Richtung, dass in einem Fokus des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels zwischen Röntgen-Quelle und Spiegel eine zweite Blende angeordnet ist, deren Öffnung in y-Richtung dem Akzeptanzbereich des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels entspricht, und dass für den Abstand qzB zwischen zweiter Blende und Röntgen-Quelle gilt qzB = Qy / tan αy, wobei αy den Winkel bezeichnet, unter dem der zweite Gradienten-Multischicht-Spiegel von der zweiten Blende aus gesehen in y-Richtung erscheint. Damit wird eine Fokussierung in zwei Dimensionen ermöglicht.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die x-Richtung und die y-Richtung orthogonal. Bei einem solchen orthogonalen x- und y-System sind die Strahlungsrichtungen voneinander linear unabhängig, so dass die Wirkungen der beiden Gradienten-Multischicht-Spiegel entkoppelt sind. Dies erlaubt eine besonders einfache Fertigung des erfindungsgemäßen Systems sowie dessen leichte Justierbarkeit. Bei einer anderen Weiterbildung der obigen Ausführungsform stimmt der Fokus des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels mit dem Fokus des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels überein. Bei dieser Anordnung kommt man mit einer einzigen Blende aus, weil nämlich die beiden Blenden räumlich zusammenfallen.
Alternativ kann bei anderen Weiterbildungen aber auch der Fokus des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels mit dem Fokus des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels nicht übereinstimmen. Die beiden Gradienten-Multischicht-Spiegel sind dann völlig unabhängig voneinander optimierbar, insbesondere, wenn die beiden Spiegel einen unterschiedlichen Abstand von der Röntgen-Quelle haben.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Blenden einstellbar, so dass eine Feinoptimierung der Anordnung ermöglicht wird. Insbesondere können die Blenden als Kreuzblenden, Schlitzblenden, Lochblenden oder Irisblenden ausgeführt werden.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausdehnung Qx der Röntgen-Quelle in x-Richtung zwischen 2 und 50mal, vorzugsweise zwischen 5 und 20mal, insbesondere 10mal größer ist als der Akzeptanzbereich des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels in x-Richtung, und dass gegebenenfalls die Ausdehnung Qy der Röntgen-Quelle in y-Richtung zwischen 2 und 50mal, vorzugsweise zwischen 5 und 20mal, insbesondere 10mal größer ist als der Akzeptanzbereich des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels in y-Richtung. Damit lässt sich bei Verwendung von üblichen Röntgen-Quellen in Verbindung mit gängigen Röntgen-Spiegeln die unerwünschte Störstrahlung besonders gut unterdrücken.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt der Akzeptanzbereich des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels in x-Richtung und gegebenenfalls der Akzeptanzbereich des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels in y-Richtung jeweils zwischen 10 und 100µm. In diesem Bereich lassen sich besonders wirksame Göbel-Spiegel herstellen.
Bei Ausführungsformen der Erfindung kann der erste und gegebenenfalls der zweite Gradienten-Multischicht-Spiegel parabolisch oder elliptisch gekrümmt sein.
Alternativ oder ergänzend kann der erste und gegebenenfalls der zweite Gradienten-Multischicht-Spiegel eben sein.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Röntgen-Spektrometer oder ein Röntgen-Diffraktometer oder ein Röntgen-Mikroskop, jeweils mit einem Röntgen-optischen System der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Art.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen die Abbildungen:
Fig. 1
die schematische räumliche Anordnung einer Röntgenoptik mit zwei Röntgenspiegeln vor einer Röntgenquelle;
Fig. 2
die schematische Darstellung der charakteristischen Größen eines Röntgenspiegels;
Fig. 3a/b
die schematische Darstellung der Strahlengeometrien der Röntgenoptik von Fig. 1 in zwei Ebenen;
Fig. 4a
die schematische Darstellung der Strahlengeometrie einer Strichfokusquelle im Fokus eines Röntgenspiegels;
Fig. 4b
die schematische Darstellung der Strahlengeometrie einer mittels einer Blende abgebildeten Strichfokusquelle;
Fig. 5a
die schematische Darstellung der Strahlengeometrie einer projizierten Strichfokusquelle im Fokus eines Röntgenspiegels unter Berücksichtigung der Position entlang des Röntgenspiegels gemäß dem bekannten Stand der Technik;
Fig. 5b
die schematische Darstellung der Strahlengeometrie einer erfindungsgemäß mittels einer Blende abgebildeten Strichfokusquelle unter Berücksichtigung der Position entlang des Röntgenspiegels;
Fig. 6
ein Diagramm der berechneten Bandbreite eines Röntgenspiegels bei einer projizierten Größe der Röntgenquelle entsprechend der Fokusgröße des Röntgenspiegels;
Fig. 7
ein Diagramm der berechneten Bandbreite eines Röntgenspiegels bei einer projizierten Größe der Röntgenquelle entsprechend dem Blendendurchmesser;
Fig. 8
das Spektrum einer Cu-Röhre unter Berücksichtigung der Bandbreiten verschiedener Anordnungen der Röntgenoptik.
Fig. 1 zeigt die schematische räumliche Anordnung einer Röntgenoptik. Bezüglich des orthogonalen Koordinatensystems x-y-z ist ein Röntgenspiegel A in der y-z-Ebene angeordnet. Bei Abbildung einer in x-Richtung ausgedehnten Quelle Qx überschneiden sich Randstrahlen im Fokus Oa des Spiegels A. In der x-z-Ebene ist ein weiterer Röntgenspiegel B angeordnet. Bei Abbildung einer in y-Richtung ausgedehnten Quelle Qy überschneiden sich Randstrahlen im Fokus Ob des Spiegels B. An den Orten Oa und Ob werden erfindungsgemäß Blenden positioniert.
Fig. 2 zeigt in einer schematische Darstellung die charakteristischen Größen eines Röntgenspiegels A. Strahlung wird nur aus dem Bereich des Akzeptanzwinkels δ des Röntgenspiegels A reflektiert. Im Fokus Oa des Röntgenspiegels A wird somit der Akzeptanzbereich F abgebildet.
In Fig. 3a ist die Strahlengeometrie der Röntgenoptik von Fig. 1 in der x-z-Ebene schematisch dargestellt. Die Quelle Qx wird über eine Blende mit Öffnungsweite Fx im Fokus Oa des Röntgenspiegels A abgebildet. Der wirksame Divergenzwinkelbereich αx des Röntgenspiegels A ergibt sich dabei aus der Projektion der Quellabmessung Sx und'dem Abstand zwischen Fokus Oa und Röntgenspiegel A. Der Abstand qzA der Quelle Qx und der Position der Blende beträgt qzA = Qx / tan αx.
In Fig. 3b ist die Strahlengeometrie der Röntgenoptik von Fig. 1 in der y-z-Ebene schematisch dargestellt. Die Quelle Qy wird über eine Blende mit Öffnungsweite Fy im Fokus Ob des Röntgenspiegels B abgebildet. Der wirksame Divergenzwinkelbereich αy des Röntgenspiegels B ergibt sich dabei aus der Projektion der Quellabmessung Sy und dem Abstand zwischen Fokus Ob und Röntgenspiegel B. Der Abstand qzB der Quelle Qy und der Position der Blende ergibt sich dabei zu qzB = Qy / tan αy.
Fig. 4a zeigt die schematische Darstellung der Strahlengeometrie einer Strichfokusquelle Q im Fokus Oa eines Röntgenspiegels A, desses Krümmung durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Da die Abmessungen der Quelle Q größer sind als die wirksame Fokusgröße (= der Akzeptanzbereich) F des Röntgenspiegels A kommt es zu Abbildungsfehlern aufgrund nichtverschwindender Schärfentiefe.
Durch Einsetzen einer Blende bl an den Ort des Fokus Oa des Röntgenspiegels A, schematisch dargestellt in Fig. 4b, können diese Abbildungsfehler reduziert werden. Nicht die Abmessung der Strichfokusquelle Q in z-Richtung, sondern die (effektiv verschwindende) Tiefe der Blende bl in z-Richtung ist für den Abbildungsfehler nunmehr verantwortlich. Die Blendenweite Fx muss dabei der wirksamen Fokusgröße F angepasst werden.
Fig. 5a zeigt die schematische Darstellung der Strahlengeometrie einer projizierten Strichfokusquelle b1 im Fokus Oa des näherungsweise ebenen Röntgenspiegels A der Länge L. Der Winkelbereich Δϑ, unter dem die projizierte Strichfokusquelle b1 erscheint, ist abhängig vom Ort l auf dem Röntgenspiegel A. Dabei liegt l =0 am linken Rand des Spiegels A, l =L/2 in der Spiegelmitte und l =L am rechten Rand des Spiegels A. Der Abstand zwischen der Mitte der Quelle Q und der Mitte des Spiegels A entlang der z-Achse beträgt dabei f.
Fig. 5b zeigt die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Strahlengeometrie der mittels einer Blende bl der Öffnungsweite Fx abgebildeten Strichfokusquelle Q. Die Öffnungsweite Fx entspricht hierbei der projizierten Strichfokusquelle, die im Folgenden auch mit b2 bezeichnet wird. Der Mittelpunkt der Blende bl befindet sich dabei im Fokus Oa des näherungsweise ebenen Röntgenspiegels A der Länge L. Der Winkelbereich Δϑ, unter dem die Blendenöffnung b2 erscheint, ist wiederum abhängig vom Ort 1 auf dem Röntgenspiegel A. Die Ortskoordinate l entlang des Spiegels A ist definiert wie in Fig. 5a. Der Abstand zwischen der Blende bl und der Mitte des Spiegels A entlang der z-Achse beträgt f.
Die Strahlengeometrien, die in den Figuren 5a und 5b dargestellt sind, sollen als Grundlage für die nachfolgende Berechnung der Bandbreiten Δλ (das sind die Breiten der Wellenlängenbereiche, die reflektiert bzw. abgebildet werden) der vom Röntgenspiegel A abgebildeten Strahlung dienen.
Gemäß der Bragg'schen Gleichung gilt λ=2d sinϑ mit λ: Wellenlänge der reflektierten Strahlung; d: Ebenenabstand im reflektierenden Kristall; und ϑ: Glanzwinkel zwischen der Oberfläche des reflektierenden Kristalls und der Richtung der einfallenden bzw. ausfallenden Strahlung.
Durch Differenzieren der Bragg'schen Gleichung erhält man Δλ = (dλ/dϑ) Δϑ = 2 d cosϑ Δϑ mit Δλ: Bandbreite der reflektierten Strahlung; und Δϑ: Winkelbereich, unter dem Strahlung der Röntgenquelle Q auf dem reflektierenden Kristall auftrifft.
Im Falle des hier zu betrachtenden Gradienten-Multischicht-Spiegels A als reflektierendem Kristall ist d abhängig vom Ort auf dem Spiegel A gemäß d = d(l) = dm-g L/2 + gl mit dm: d-Wert des Multilayers in der Spiegelmitte; und g: d-Gradient entlang des Spiegels A. Die Größen ϑ und Δϑ sind jeweils abhängig von l und können aus geometrischen Überlegungen bestimmt werden zu ϑ = ϑ(l) = arcsin (λKα / (2 d(l))) und Δϑ = Δϑ(l) = arctan(b / (f - L/2 + l)) mit b: projizierte Größe der Röntgenquelle. In der Strahlengeometrie von Fig. 5a entspricht die Größe der projizierten Röntgenquelle b der wirksamen Fokusgröße F des Spiegels A, was hier mit b1 bezeichnet werden soll. Im Falle der erfindungsgemäßen Strahlengeometrie von Fig. 5b entspricht b der Blendenweite Fx bzw. b2.
Nach einigem Umformen ergibt sich Δλ(l) = (dm - gL/2 + gl) (4 - (λKα /(dm - gL/2 + gl))2)1/2 arctan(b / (f - L/2 + l)) ≈ ≈ (dm - gL/2 + gl) (4 - (λKα /(dm - gL/2 + gl))2)1/2 (b / (f - L/2 + l)) ∝ ∝ b
Die Bandbreite Δλ ist also linear von der projizierten Größe der Röntgenquelle b abhängig, die durch erfindungsgemäßes Einbringen einer Blende bl erheblich verringert werden kann.
Dies verdeutlicht die konkrete Berechnung von Δλ unter Verwendung folgender Zahlengrößen, die für eine typische Röntgenoptik gelten können: λKα = 1,5418 · 10-10m (Cu-Kα-Strahlung) dm = 37 · 10-10m g = 2 · 10-8 L = 60 · 10-3m f = 100 · 10-3m und b1 = 0,8 · 10-3m (vgl. Fig. 5a) bzw. b2 = 0,04 · 10-3m (vgl. Fig. 5b)
Die Ergebnisse der Berechnungen sind in den Figuren 6 und 7 aufgetragen.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm der berechneten Bandbreite Δλ (in Å) eines Röntgenspiegels A in Abhängigkeit von der Ortskoordinate l (in m) entlang des Röntgenspiegels A bei einer projizierten Größe der Röntgenquelle b1 entsprechend der wirksamen Fokusgröße F des Röntgenspiegels A (vgl. Fig. 5a). Die Bandbreite Δλ liegt für alle Werte von l oberhalb von 0,5Å; bei 1 =0 beträgt sie etwa 0,71Å.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm der berechneten Bandbreite (in Å) eines Röntgenspiegels A in Abhängigkeit von der Ortskoordinate l (in m) entlang des Röntgenspiegels A bei einer projizierten Größe der Röntgenquelle b2 entsprechend der Blendenweite Fx (vgl. Fig. 5b). Die Bandbreite Δλ liegt für alle Werte von l unterhalb von 0,036Å, bei l =0 beträgt sie etwa 0,035Å.
Aus dem Emissionsspektrum einer Cu-Röhre als Röntgenquelle Q, das in Fig. 8 dargestellt ist, können durch die erfindungsgemäße Röntgenoptik die Kα-Linien selektiert werden. Das Diagramm zeigt die relative Intensität der von der Quelle Q emittierten Röntgenstrahlung als Funktion der Wellenlänge λ. Der größte Teil der Strahlung ist Bremsstrahlung mit kontinuierlicher Wellenlängenverteilung und einem Maximum um 0,7Å. Dem überlagert sind charakteristische Emissionslinien des Kupfers; davon sind im Diagramm die Mittelwerte der Kα- und Kβ-Linien eingezeichnet. Die Kα-Linien stellen in der Regel die Nutzstrahlung der Röntgenanordnung dar. Die Bandbreite Δλ der Röntgenoptik des bekannten Stands der Technik gemäß Fig. 5a bei l =0 beträgt etwa Δλ=0,71Å und überstreicht sowohl die Kα-Linien als auch die Kβ-Linien sowie nicht unerheblich Bremsstrahlung. Die erfindungsgemäße Röntgenoptik gemäß Fig. 5b hingegen besitzt bei l =0 eine Bandbreite Δλ von etwa 0,035Å, was zur ausschließlichen Selektion der Kα-Linien bei nur geringem Bremsstrahlungsanteil ausreicht.

Claims (10)

  1. Röntgen-optisches System mit einer Röntgen-Quelle (Q) und einem ersten Gradienten-Multischicht-Spiegel (graded multilayer mirror) (A), wobei die Ausdehnung Qx der Röntgen-Quelle (Q) in einer x-Richtung senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Röntgen-Quelle (Q) und erstem Gradienten-Multischicht-Spiegel (A) in z-Richtung größer ist als der Akzeptanzbereich (F) des Spiegels (A) in einem Fokus (Oa) des Spiegels (A) in der x-Richtung,
    dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fokus (Oa) des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) zwischen Röntgen-Quelle (Q) und Spiegel (A) eine erste Blende (bl) angeordnet ist, deren Öffnung (Fx bzw. b2) in x-Richtung dem Akzeptanzbereich (F) des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) entspricht, und dass für den Abstand qzA zwischen erster Blende (bl) und Röntgen-Quelle (Q) gilt qzA = Qx / tan αx wobei αx den Winkel bezeichnet, unter dem der erste Gradienten-Multischicht-Spiegel (A) von der ersten Blende (bl) aus gesehen in x-Richtung erscheint.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Gradienten-Multischicht-Spiegel (B) vorgesehen ist, wobei die Ausdehnung Qy der Röntgen-Quelle (Q) in einer y-Richtung senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Röntgen-Quelle (Q) und zweitem Gradienten-Multischicht-Spiegel (B) in z-Richtung größer ist als der Akzeptanzbereich des Spiegels (B) in einem Fokus (Ob) des Spiegels (B) in der y-Richtung,
    dass in einem Fokus (Ob) des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels (B) zwischen Röntgen-Quelle (Q) und Spiegel (B) eine zweite Blende angeordnet ist, deren Öffnung in y-Richtung dem Akzeptanzbereich des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels (B) entspricht, und dass für den Abstand qzB zwischen zweiter Blende und Röntgen-Quelle(Q) gilt qzB = Qy / tan αy. wobei αy den Winkel bezeichnet, unter dem der zweite Gradienten-Multischicht-Spiegel (B) von der zweiten Blende aus gesehen in y-Richtung erscheint.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die x-Richtung und die y-Richtung orthogonal sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (Oa) des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) mit dem Fokus (Ob) des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels (B) übereinstimmt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (Oa) des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) mit dem Fokus (Ob) des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels (B) nicht übereinstimmt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende(n) (bl) einstellbar ist (sind).
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung Qx der Röntgen-Quelle (Q) in x-Richtung zwischen 2 und 50mal, vorzugsweise zwischen 5 und 20mal, insbesondere 10mal größer ist als der Akzeptanzbereich (F) des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) in x-Richtung, und dass gegebenenfalls die Ausdehnung Qy der Röntgen-Quelle (Q) in y-Richtung zwischen 2 und 50mal, vorzugsweise zwischen 5 und 20mal, insbesondere 10mal größer ist als der Akzeptanzbereich des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels (B) in y-Richtung.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akzeptanzbereich (F) des ersten Gradienten-Multischicht-Spiegels (A) in x-Richtung und gegebenenfalls der Akzeptanzbereich des zweiten Gradienten-Multischicht-Spiegels (B) in y-Richtung jeweils zwischen 10 und 100µm beträgt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und gegebenenfalls der zweite Gradienten-Multischicht-Spiegel (A, B) parabolisch oder elliptisch gekrümmt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und gegebenenfalls der zweite Gradienten-Multischicht-Spiegel (A, B) eben ist.
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