EP1763885B1

EP1763885B1 - Strahlungsoptisches bauelement

Info

Publication number: EP1763885B1
Application number: EP05757025A
Authority: EP
Inventors: Leo Cussen; Thomas Krist; Ferenc Mezei
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2004-06-27
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: WO2006000195A8; WO2006000195A1; DE102004031934A1; ATE554485T1; EP1763885A1; DE102004031934B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein strahlungsoptisches Bauelement zur Beeinflussung von Röntgen-, Synchrotron- und Neutronen-Strahlung in Bezug auf deren Wellenlängenspektrum und Divergenz-Grenzwinkel ± α mit zumindest einem Kanal der Breite d und der Länge L mit bis zu einem kritischen Einfallswinkel Θ_c zur Schichtoberfläche strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten und mit strahlungsabsorbierenden Schichten.
Strahlung mit ihrer Dualität Welle/Teilchen unterschiedlicher Art dient einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Untersuchungen von der reinen Grundlagenforschung bis hin zu anwendungsnahen Untersuchungen beispielsweise auf dem Gebiet der Materiestrukturforschung. Oft werden dabei Röntgen- bzw. Synchrotronstrahlung und Neutronenstrahlung eingesetzt. Um spezielle Untersuchungen an einer Probe durchführen zu können, muss die Strahlung spezielle Eigenschaften aufweisen. Hierbei kann es sich insbesondere um einen bestimmten Wellenlängenbereich oder um eine bestimmte Divergenz handeln. Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen der Wellenlänge λ und dem Grenzwinkel der Reflexion Θ_c (Glanzwinkel) (es gilt : Θ_c = c · λ, mit c = 1°/nm als Proportionalitätskonstante) ist die Divergenz der reflektierten Strahlung wellenlängenabhängig. An der Probe wird nur Strahlung bis zu einem Divergenz-Grenzwinkel ± α zur Strahlungsachse (in der Regel zwischen 0,1 und 1 °) benötigt. Zur Erzielung einer bestimmten Divergenz muss daher die Winkelverteilung eines auf eine Probe gerichteten divergenten Strahlenbündels begrenzt ("kollimiert") werden. Ein derartiges strahlenoptisches Bauelement wird daher als "Kollimator" bezeichnet.
Zur gezielten spektralen Gestaltung von Neutronenstrahlen oder -pulsen ist aus der DE 102 03 591 A1 eine neutronenoptische Bauelementanordnung mit einem geknickten Kanal mit zwei parallel einander gegenüberliegenden Superspiegeln bekannt, bei der zur Erzielung einer großen Anwendungsbreite die Strahlengänge unterschiedlicher Moderatoren, die jeweils der Erzeugung einer Neutronensorte dienen, zusammengeführt werden, sodass ein überlagerter Neutronenstrahl mit einem Multispektrum entsteht. Eine gezielte Einstellung einzelner Wellenlängenbereiche innerhalb des bestimmungsgemäßen Spektrums eines einzelnen Moderators erfolgt nicht.
Weiterhin ist aus der Veröffentlichung I von P. Hoghoj et al.: "Neutron wavelength cut-off filter" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 160 (2000) 431 - 434) ein Wellenlängenfilter für polarisierte Neutronenstrahlung mit einem Schichtenpaket aus Superspiegeln bekannt, bei dem jedoch eine andere Vorgehensweise gewählt ist. Diese erweist sich als nachteilig, da die Filterfunktion nur für einen bestimmten Einfallswinkel der Strahlung erfüllt werden kann. Ist die einfallende Strahlung divergent (was sie in der Regel ist), so werden auch höhere, unerwünschte Wellenlängen transmittiert.
Bei den Kollimatoren ist neben dem Einsatz von einfachen Kollimatoren in Form von Schlitzpaaren, deren Abstand voneinander zusammen mit ihrer Breite die gewünschte Kollimation bewirkt, der Einsatz von Kollimatoren bekannt, die eine Vielzahl von parallelen Kanälen der Breite d und der Länge L aufweisen, mit strahlungsabsorbierenden oder -reflektierenden Innenwänden. Aus diesen Abmessungen ergibt sich die Winkel-Halbwertsbreite δ des jeweiligen Kanals zu δ = arc tg (d/L) zur Kanalachse für absorbierende Innenwände. Bei reflektierenden Innenwänden kommt die bis zum kritischen Winkel der Beschichtung reflektierte Strahlung dazu. Die Kanäle werden entsprechend dem gewünschten Divergenz-Grenzwinkel α = δ dimensioniert. Bei dem Divergenz-Grenzwinkel α handelt es sich um den maximalen Strahlungswinkel, mit dem der Strahl noch ungehindert den Kanal passieren kann. Strahlung, die unter einem größeren Winkel einfällt, wird absorbiert oder im Falle der reflektierenden Innenwände reflektiert, wenn der Winkel kleiner ist als der kritische Winkel der Beschichtung. Bei den Kollimatoren mit strahlungsabsorbierenden Innenwänden handelt es sich um sogenannte "Soller-Kollimatoren". Sie weisen ein dreieckiges Transmissionsprofil auf (vergleiche Figur 1 zum Stand der Technik). Die Strahlung mit dem Einfallswinkel 0° wird am besten, die mit dem Divergenz-Grenzwinkel ± δ wird am schlechtesten transmittiert. Dazwischen besteht eine lineare Abhängigkeit. Aufgrund der dreieckigen Transmissionsfunktion werden aber im Intervall ± δ nur 50% der Strahlung transmittiert. Eine hohe Strahlungsintensität an der Probe ist aber oft erwünscht. Bei Soller-Kollimatoren können die Innenwände bzw. die gesamten Wände des Kanals aus Plastikfolien bestehen, die mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht belegt sind. Die Strahlung wird in Luft transmittiert. Alternativ können auch Siliziumsubstrate mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht belegt sein. Die Strahlung wird dann durch das Silizium transmittiert.
Weiterhin ist aus der DE 199 36 898 C1 ein Neutronenpolarisator als strahlungsoptisches Bauelement bekannt, der als aktive Elemente einen als diagonale Platte ausgebildeten Polarisator, der in Transmission arbeitet, indem er nur eine Spinkomponente durchlässt und die andere reflektiert, und Wände umfasst, die in Reflexion arbeiten und beide Spinkomponenten bis zu einem bestimmten Grenzwinkel reflektieren. Aufgabe eines Neutronenpolarisators ist es, nur eine Spinkomponente zu transmittieren und die andere zu absorbieren, um den Neutronenstrahl zu polarisieren. Es werden ausschließlich spinselektiv reflektierende Schichten (D) beschrieben, die nur unter einem Kippwinkel zur gedachten Kanalachse angeordnet sind. Bei der Schicht (A) handelt es sich um eine neutronenleitende Schicht, die aus einer keilförmig ausgebildeten Siliziumschicht besteht, an deren ersten Seitenfläche eine die Neutronen winkelselektiv reflektierende Schicht angrenzt, an die wiederum eine neutronenabsorbierende Schicht angrenzt, an die wiederum eine winkelselektiv reflektierende Schicht anschließt. Die andere Seitenfläche, die einen Anstellwinkel von einigen Zehntelgrad zu der ersten Seitenfläche aufweist, ist mit einer spinselektiv reflektierenden Schicht versehen. Weiterhin sind die (gedachten) Kanalwände mit einer winkelselektiv reflektierenden Schicht (B) belegt.
Werden die Innenwände so beschichtet, dass sie bis zu einem kritischen Einfallswinkel Θ_c reflektieren und es gilt Θ_c= δ, so ergibt sich ein rechteckiges Transmissionsprofil (vergleiche Figur 2 zum Stand der Technik), wodurch die Transmissionsintensität der kollimierten Strahlung maximal verdoppelt werden kann. Ein solcher Kollimator ist beispielsweise aus der Veröffentlichung II von Th. Krist and F. Mezei: "High performance, short solid state collimators with reflecting walls" (Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res. A 450 (2000) 389-390) bekannt, von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. Bei einem derartigen Kollimator wird mit einem Einfallswinkel oberhalb des kritischen Einfallswinkels Θ_c auf die Kanalwände auftreffende Strahlung absorbiert (Intensität gleich Null). Auch hier erfolgt entsprechend zum gewünschten Divergenz-Grenzwinkel ± α die Auslegung des kritischen Einfallswinkels Θ_c = α. Als Bauform existieren nur Siliziumsubstrate, die mit Multischichten aus einer strahlungsabsorbierenden und darüber einer strahlungsreflektierenden Schicht belegt sind. Da durch die auftretende Reflexion aber die Flugbahn der Hälfte der transmittierten Teilchen geändert wird, wird zwangsläufig eine eventuell vorhandene Korrelation von Einfallswinkel und Wellenlänge in der Strahlung gestört.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ein strahlungsoptisches Bauelement der eingangs beschrieben Art so auszubilden, dass ein maximaler Anteil von zur Versuchsdurchführung an einer Probe gewünschter Strahlung mit gezielt vorgegebenen Parametereigenschaften bezüglich Wellenlänge und Divergenz transmittiert wird und die Probe erreichen kann, ohne von dem strahlungsoptischen Bauelement beeinflusst und damit in der Korrelation ihrer charakteristischen Parameter gestört zu werden. Dabei soll das strahlungsoptische Bauelement möglichst einfach in der Konstruktion, Handhabung und Wartung sein. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe, ist für das gattungsgemäße strahlungsoptische Bauelement alternativ in drei unabhängigen Ansprüchen aufgezeigt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Diese werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Das erfindungsgemäße strahlungsoptische Bauelement basiert auf der Grundidee, nur denjenigen Anteil der Strahlung zu beeinflussen, der nicht an der Probe benötigt wird. Der benötigte Anteil bleibt hingegen unbeeinflusst und damit auch in seiner charakteristischen Parameterkorrelation Wellenlänge/Einfallswinkel unverändert. Dabei ist die erreichte Transmissionsintensität ähnlich hoch wie bei einem bekannten Kollimator mit rechteckigem Transmissionsprofil, allerdings eben ohne dabei eine hälftige Veränderung der Parameterkorrelation zu bewirken. Das erfindungsgemäße strahlungsoptische Bauelement arbeitet somit in der Funktion eines Filters. Soll ein spezieller Wellenlängenbereich transmittiert werden, handelt es sich um ein "Wellenlängenfilter". Bei einem festen Kanalaufbau wird Strahlung oberhalb einer vorgegebenen Grenzwellenlänge reflektiert und absorbiert. Die Wellenlängen unterhalb der Grenzwellenlänge werden mit unterschiedlicher Intensität transmittiert (Intensität Null bei der Grenzwellenlänge, dann ansteigend). Bei einer Verdopplung des kritischen Einfallswinkels Θ_c, bis zu dem Reflexion erfolgt, verändert sich die Grenzwellenlänge auf das Doppelte. Soll hingegen eine spezielle Divergenz eingestellt werden, d.h. eine Ausfilterung der an der Probe nicht benötigten Strahlung außerhalb des Divergenz-Grenzwinkels ± α vorgenommen werden, kann entsprechend von einem "Winkelfilter" gesprochen werden. Dabei handelt es sich aufgrund der Korrelation von Wellenlänge und Einfallswinkel in der Strahlung um denselben konstruktiven Aufbau des strahlungsoptischen Bauelements nach der Erfindung. Welcher Parameter - Wellenlänge oder Divergenz - in welchem Bereich eingestellt wird, ist dabei abhängig von der (statischen oder dynamischen) Dimensionierung des einen oder der mehreren parallelen Kanäle in Länge L und Breite d und der winkligen Ausrichtung der strahlungsreflektierenden Schichten.
Für den konstruktiven Aufbau sind bei der Erfindung zumindest zwei strahlungsreflektierende Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten orthogonal zu zumindest einer axialen Kanalebene über die gesamte Breite d des Kanals K unter zwei Kippwinkeln ± β = ± (α + Θ_c) zur Kanalachse angeordnet. Dadurch erstrecken sich über den gesamten Kanalquerschnitt mindestens zwei winklig ausgerichtete Spiegelsysteme, wobei die auf die Spiegelsysteme einfallende Strahlung unterhalb des Einfallswinkels Θ_c transmittiert und oberhalb davon reflektiert und in einer strahlungsabsorbierenden Schicht absorbiert wird. Von dieser strahlungsabsorbierenden Schicht sind die orthogonal zu der axialen Kanalebene angeordneten Innenwände des Kanals über die Erstreckung der strahlungsreflektierenden Schichten entlang der Kanalachse belegt. Es werden also zumindest zwei winklig zueinander ausgerichtete Spiegelsysteme eingesetzt, durch die die einfallende Strahlung bis zu einem Einfallswinkel bzw. einer Wellenlänge transmittiert und oberhalb davon zunächst reflektiert und an anderer Stelle absorbiert wird. Bei der Erfindung liegt daher eine räumliche Trennung der strahlungsreflektierenden und -absorbierenden Schichten vor. Diese liegen nicht mehr, wie aus dem Stand der Technik bekannt, übereinander, sondern stehen in einem vorgegebenen geometrischen Verhältnis zueinander. Zu jeder strahlungsreflektierenden Schicht gehört eine entsprechend den Reflexionswinkeln auftretende strahlungsabsorbierende Schicht, die die jeweils reflektierte Strahlung durch Absorption ausblendet. Werden die beiden Spiegelsysteme in der vertikalen axialen Kanalebene angeordnet, werden die unerwünschten Strahlungsanteile in der horizontalen Kanalebene herausgefiltert und an der jeweils gegenüberliegenden Kanalwand absorbiert, bei einer Anordnung in der horizontalen axialen Kanalebene entsprechend in der vertikalen Kanalebene. Eine Kombination von zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Spiegelsystemen ermöglicht daher eine Filterung der Strahlung über den gesamten Strahlquerschnitt bzw. in beiden senkrechten Richtungen zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung in Bezug auf die Divergenz. Für die Funktion des Wellenlängenfilters reicht ein Spiegelsystempaar.
Eine Einrichtung zum Ausblenden oder Stoppen eines Teilchenstrahls ist zwar aus der DE 33 03 572 C2 bekannt. Bei dieser Einrichtung werden über den Querschnitt des Kanals winklig zwei Blendenflächen eingestellt, wobei jedoch jede Blendenfläche nur den halben Kanalquerschnitt überdeckt. Beide Blendenflächen sind aus einem strahlungsabsorbierenden Material (Graphit) und dienen der reinen Strahlungsabsorption der auftreffenden Strahlung. Die Transmission wird durch die Spitzwinkel der beiden Blendenflächen zueinander eingestellt. Berühren sie sich, ist die Transmission gleich Null, verlaufen sie parallel, ist die Transmission maximal. Eine wellenlängen- bzw. winkelabhängige Reflexion wird bei dieser Einrichtung nicht genutzt. Weiterhin ist es aus der Veröffentlichung III von F. Mezei: "Very high reflectivity mirrors and their applications" (Charles Majkrzak, Editor, Proc. SPIE 983, pp 10-17 (1989)) zwar für ein filmbeschichtetes neutronenoptisches Bauelement bekannt, einen Spiegel schräg unter einem Winkel α durch den Kanalquerschnitt anzuordnen. Das dort beschriebene Bauelement dient aber ausschließlich der Polarisation der transmittierten Strahlung, sodass der bekannten Anordnung andere physikalische Ansätze zugrunde liegen.
Bei der Anordnung der zumindest zwei strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten (Spiegelsystem) nach der Erfindung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Zunächst können sie hintereinander im Kanal angeordnet sein (V-Form), wobei das erste Spiegelsystem nach der einen Seite und das zweite Spiegelsystem nach der anderen Seite geneigt quer durch den Kanal verläuft. Hierdurch ergibt sich aber eine relativ große Länge L des Kanals, dessen seitliche Innenwände über die ganze Länge L entsprechend strahlungsabsorbierend beschichtet sein müssen. Eine wesentlich kürzere Bauweise ergibt sich, wenn die beiden strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten einander kreuzförmig durchdringend im Kanal angeordnet sind (X-Form). Der Kanal weist dann nur noch die Länge L eines schräggestellten Spiegelsystems auf und muss auch nur auf dieser Länge L strahlungsabsorbierend beschichtet sein. Jeweils eine weitere Längenverkürzung sowohl für die V-Form als auch für die X-Form kann erreicht werden, wenn zwei oder mehr Paare von strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten parallel nebeneinander im Kanal angeordnet sind, wobei die Paare durch strahlungsabsorbierende Zwischenschichten voneinander getrennt sind. Die Strahlung wird entsprechend auf die parallelen Sektionen aufgespalten und gefiltert. Beschränkungen bei der Anzahl der parallelen Paare ergeben sich lediglich fertigungstechnisch. Hier gibt es im Stand der Technik jedoch hochgenaue Fertigungsverfahren, mit deren Hilfe entsprechend klein dimensionierte Konstruktionen aufgebaut werden können.
Bei einem alternativen erfindungsgemäßen strahlungsoptischen Bauelement ist eine Ausgestaltung nach der Art von "Bendern" (Krümmer) vorgesehen, wobei ein oder mehrere aufeinanderfolgende Stapel von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten orthogonal zu zumindest einer axialen Kanalebene über die gesamte Breite d des Kanals K angeordnet sind, wobei die beiden Stapel entgegengesetzte Krümmungswinkel zur Kanalachse aufweisen können, so dass sich über den gesamten Kanalquerschnitt mindestens zwei winklig ausgerichtete Spiegelsysteme erstrecken, wobei die auf die Spiegelsysteme einfallende Strahlung unterhalb des Einfallswinkels Θ_c transmittiert und oberhalb davon reflektiert und in ungekrümmten, strahlungsabsorbierenden Schichten absorbiert wird. Diese belegen die orthogonal zu der Kanalebene angeordneten Innenwände des Kanals parallel zu und im Anschluss an die beiden Stapel von gekrümmten reflektierenden Schichten. Das Wirkprinzip und die Anwendungspalette sind identisch mit dem der ersten Erfindungsalternative. Die strahlungsreflektierenden Schichten und die strahlungsabsorbierenden Schichten sind wiederum räumlich von einander getrennt angeordnet. Vorteilhaft ist bei der zweiten Alternative die relativ geringe Länge L des Kanals. Ein Bender ist beispielsweise aus der DE 198 44 300 C2 bekannt und besteht zur gekrümmten Strahlführung von Neutronen aus gekrümmten, abwechselnd strahlungsreflektierenden und -absorbierenden Schichten. Bei dem alternativen strahlungsoptischen Bauelement nach der Erfindung sind wiederum die strahlungsreflektierenden von den strahlungsabsorbierenden Schichten räumlich voneinander getrennt. Zwischen den gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten befinden sich keine strahlungsabsorbierenden Schichten. Außerdem sind nur die strahlungsreflektierenden Schichten entlang der Kanalachse gekrümmt. Die strahlungsabsorbierenden Schichten befinden sich in einer ersten Ausführungsform wiederum auf der inneren Oberfläche des Kanals und verlaufen somit ungekrümmt. Die Länge des strahlungsabsorbierenden Abschnittes hinter den beiden gegenläufig gekrümmten Stapeln aus strahlungsreflektierenden Schichten bestimmt sich wiederum aus der Kanalgeometrie mit L = d /tg δ, wobei δ die Winkel-Halbwertsbreite ist.
Eine wesentliche Bauelementverkürzung ergibt sich, wenn hinter jedem Stapel von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten Stapel von ungekrümmten strahlungsabsorbierenden Zwischenschichten orthogonal zu der Kanalebene über die gesamte Breite d des Kanals K angeordnet sind, wobei die orthogonal zu der Kanalebene angeordneten Innenwände des Kanals im Anschluss an die ein oder mehreren Stapel von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten dann nicht mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht belegt sind. Somit wird die strahlungsabsorptiv wirksame Zone in ein oder mehrere Abschnitte, die sich jeweils über den Kanalquerschnitt erstrecken, aufgeteilt, wobei z. B. bei zwei Stapeln hinter dem ersten gekrümmten Stapel die eine Hälfte der ausgefilterten Strahlung und nach dem zweiten, entgegengesetzt gekrümmten Stapel, die andere Hälfte der ausgefilterten Strahlung absorbiert wird. Die mit der strahlungsabsorbierenden Schicht belegten Innenwände des Kanals entfallen. Je nach einfallender Divergenz kann noch ein Kollimator vor dem ersten Stapel von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten vorgesehen sein oder der Kollimator zwischen den beiden Stapeln entfallen.
Die Funktion des strahlungsoptischen Bauelements nach der Erfindung in der Anwendungsform als Winkelfilter zur gezielten Strahlungskollimation ist bei den vorgeschlagenen Konfigurationen jeweils für genau eine Wellenlänge gegeben. Soll der Winkelfilter auch für eine andere Wellenlänge eingesetzt werden, so müssen der Abstand zwischen den strahlungsabsorbierenden Schichten und der Kippwinkel der strahlungsreflektierenden Flächen entsprechend eingestellt werden. Da beide Verstellungen in einem proportionalen Zusammenhang stehen, kann zur Anpassung an die jeweilige Wellenlänge einfach der Kanal breiter oder schmaler gemacht und gleichzeitig der Kippwinkel der strahlungsreflektierenden Flächen verändert werden. Dies wird erreicht, wenn die Endpunkte der strahlungsreflektierenden Schichten gelenkig mit den Innenwänden des Kanals verbunden sind. Entsprechend der Kanalbreite werden dann die Spiegelsysteme über dem gesamten Kanalquerschnitt winklig ausgerichtet. Wird das Winkelfilter an einer Spallationsquelle oder einem Time-of-Flight-Instrument eingesetzt, bei denen die verschiedenen Wellenlängen zu verschiedenen Zeiten eintreffen, so kann die Kanalbreite mit der entsprechenden Frequenz variiert werden. Durch die gelenkige feste Verbindung der Spiegelsysteme mit der Kanalwandung wird deren winklige Anordnung im Kanalquerschnitt mit der gleichen Frequenz variiert. Es kann also eine dynamische Geometrieanpassung zur Beeinflussung unterschiedlicher Wellenlängen in der Strahlung erfolgen. Eine Kollimation bei einem "weißen" Strahl (alle Wellenlängen gleichzeitig) kann mit dem beanspruchten strahlungsoptischen Bauelement mit den geraden Platten nicht durchgeführt werden, wohl aber bei der Bauform mit den Bendern. Weitere Erläuterungen zur Erfindung in ihren Alternativen und zu allen genannten Ausführungsformen sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
Die strahlungsdurchlässigen Substrate für die strahlungsreflektierenden Schichten bestehen in der Regel aus biegesteifem Silizium oder Quarz. Ein Aufbringen der strahlungsreflektierenden Schichten auf Metall- oder Kunststofffolien ist ebenfalls möglich, wenn entweder eine selbsttragende Schichtstärke erreicht oder eine tragende Rückschicht aufgalvanisiert wird oder die Folien gespannt werden. Die strahlungsreflektierenden Schichten haben in der Regel Schichtstärken zwischen 1 µm und 50 µm, die Substrate zwischen 5 µm und 1000 µm. Nach der Formel ± β = ± (α + Θ_c) für die Festlegung der Kippwinkel für die beiden Spiegelsysteme im Kanalquerschnitt bei der Erfindung werden bei einem üblichen Divergenz-Grenzwinkel α zwischen 0,1° und 1° und einem kritischen Winkel Θ_c bei einer für Neutronen üblichen Strahlungswellenlänge λ zwischen 0,1 nm und 2 nm von Θ_c = c · λ, mit c=1°/nm und einer Strahlbreite zwischen 1 cm und 5 cm in der Regel Kippwinkel β zwischen 0.2° und 3° eingestellt werden. Hierbei handelt es sich aber lediglich um ein Zahlenbeispiel zur Veranschaulichung der Dimensionsbereiche. Andere Dimensionierung und Ausführungsformen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne Weiteres möglich.
Ausbildungsformen des beanspruchten strahlungsoptischen Bauelements werden nachfolgend zum weiteren Verständnis der Erfindung anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt :

Figur 1: zum Stand der Technik die Geometrie- und Transmissionsverhältnisse in einem strahlungsabsorbierenden Kanal,
Figur 2: zum Stand der Technik die Geometrie- und Transmissionsverhältnisse in einem strahlungsreflektierenden Kanal,
Figur 3: zur Erfindung eine einfache Anordnung von zwei Spiegelsystemen in V-Form in einem strahlungsoptischen Bauelement,
Figur 4: das Transmissionsverhalten des strahlungsoptischen Bauelement,
Figur 5: eine erste parallele Anordnung von mehreren Paaren aus zwei Spiegelsystemen in V-Form,
Figur 6: eine zweite parallele Anordnung von mehreren Paaren aus zwei Spiegelsystemen in V-Form,
Figur 7: eine einfache Anordnung von zwei Spiegelsystemen in X-Form in einem strahlungsoptischen Bauelement nach der Erfindung,
Figur 8: eine parallele Anordnung von mehreren Paaren aus zwei Spiegelsystemen in X-Form,
Figur 9: eine einfache Anordnung von zwei Spiegelsystemen in gekrümmter Form in einem alternativen strahlungsoptischen Bauelement,
Figur 10: das Transmissionsverhalten des strahlungsoptischen Bauelements gemäß Figur 9 und
Figur 11: eine einfache Anordnung von zwei Spiegelsystemen in gekrümmter Form mit zwischengeschalteten Absorptionssystemen.

Die Figur 1 oben zeigt zum Stand der Technik schematisch die Geometrie an einem strahlungsoptischen Bauelement SB zur Beeinflussung von Röntgen- bzw. Synchrotronstrahlung und Neutronenstrahlung, mit einem einzelnen Kanal K mit strahlungsabsorbierenden Wänden (im Folgenden "strahlungsabsorbierender Kanal" K). Bei einer Anordnung von mehreren parallelen Kanälen ist die Darstellung entsprechend zu vervielfachen. Der strahlungsabsorbierende Kanal K ist in der Regel rechteckig oder quadratisch und weist eine Länge L und eine Breite d auf. Die für das Absorptionsverhalten relevante Winkelhalbwertsbreite ±δ ist bei einem Kollimator δ = arc tg d/L. Für eine vorgegebene Breite d und einem gewünschten Divergenz-Grenzwinkel ± α = ± δ (in der Figur 1 ist die einfallende Strahlung durch eine breiten Pfeil angedeutet) berechnet sich die erforderliche Länge L zu L = d/tg δ. Auf seinen Innenwänden IW weist der Kanal K strahlungsabsorbierende Schichten SA auf, die Strahlung unter allen Winkeln absorbieren.
In der Figur 1 unten ist das für den absorbierenden Kanal K entsprechende Transmissionsdiagramm (Transmissionsintensität TI über Einfallswinkel Θ der Strahlung) dargestellt. Das Transmissionsmaximum wird bei zur Kanalachse KA parallel einfallender Strahlung (Θ = 0°) erreicht. Eine vollständige Absorption erfolgt bei den Divergenz-Grenzwinkeln ± α. Dazwischen ergibt sich ein linearer Verlauf, sodass insgesamt eine dreieckige Transmissionskurve entsteht. Außerhalb dieser Dreieckskurve erfolgt vollständige Absorption (gestrichelt dargestellt).
Die Figur 2 oben zeigt zum Stand der Technik schematisch die Geometrie an einem strahlungsoptischen Bauelement SB mit einem Kanal K mit strahlungsreflektierenden Wänden (im Folgenden "strahlungsreflektierender Kanal" K) . Es liegen die gleichen Geometrieverhältnisse vor wie bei dem strahlungsabsorbierenden Kanal K gemäß Figur 1 . Auf der Oberfläche seiner Innenwände IW weist der Kanal K jedoch strahlungsreflektierende Schichten SR auf, die Strahlung bis zu einem kritischen Einfallswinkel ±Θ_c reflektiert. Unterhalb der strahlungsreflektierenden Schichten SR befinden sich direkt auf den Innenwänden IW des Kanals K strahlungsabsorbierende Schichten SA, die die an den strahlungsreflektierenden Schichten SR nicht reflektierte und damit transmittierte Strahlung absorbieren.
Das zugehörige Transmissionsdiagramm (Transmissionsintensität TI über Einfallswinkel Θ der Strahlung) ist in der Figur 2 unten dargestellt. Bei einer Gleichsetzung des gewünschten Divergenz-Grenzwinkels ± α mit dem kritischem Einfallswinkel Θ_c und dem geometriebedingten Winkel δ ergibt sich ein rechteckiges Transmissionsprofil. Bis zum Divergenz-Grenzwinkel ± α von der Kanalachse KA aus wird die Strahlung vollständig reflektiert und gegenüber dem Dreiecksprofil des absorbierenden Kanals gemäß Figur 1 unten maximal die doppelte Strahlungsintensität transmittiert. Allerdings wird nur die Hälfte unbeeinflusst transmittiert. Die andere Hälfte wird an den Innenwänden des Kanals K in Richtung auf die Kanalachse KA reflektiert und damit in ihrer Parameterkorrelation zwischen Wellenlänge und Divergenz gestört (oberhalb der gestrichelten Linie), was zur Nutzung an der Probe unerwünscht sein kann.
Die Figur 3 zeigt in der Draufsicht ein strahlungsoptisches Bauelement SB nach der Erfindung ohne Störung der Parameterkorrelation trotz hoher Intensitätsausbeute, bei dem in einer axialen Kanalebene KE zwei strahlungsreflektierende Schichten SR₁, SR₂ auf strahlungsdurchlässigen Substraten SS₁, SS₂ orthogonal zu der Kanalebene KE über die gesamte Breite d des Kanals K unter zwei Kippwinkeln ± β = ± (α + Θ_c) zur Kanalachse KA angeordnet sind. Weiterhin sind die orthogonal zu der axialen Kanalebene KE angeordneten Innenwände IW des Kanals K über die Erstreckung der strahlungsreflektierenden Schichten SR₁, SR₂ mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht SA belegt.
Jeweils eine strahlungsreflektierende Schicht SR₁, SR₂ auf einem strahlungsdurchlässigen Substrat SS₁, SS₂ bildet ein Spiegelsystem SP₁, SP₂, beide Spiegelsysteme SP₁, SP₂ bilden ein Paar P_i. Im gemäß Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden strahlungsreflektierenden Schichten SR₁, SR₂ hintereinander in V-Form zueinander angeordnet. Sie schließen jeweils an die Innenwand IW des Kanals K unter dem Kippwinkel ± β an. In der Figur 3 nicht dargestellt ist eine mögliche Anordnung von zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Paaren P_i, sodass in beiden entsprechend orthogonal zueinander stehenden axialen Kanalebenen KE eine vollständige Beeinflussung der einfallenden Strahlung stattfinden kann.
Das Transmissionsdiagramm (Transmissionsintensität TI über Einfallswinkel Θ der Strahlung) für das strahlungsoptische Bauelement SB nach der Erfindung ist in der Figur 4 dargestellt. Die Kippwinkel sind ± β = ± (α + Θ_c). Im Transmissionsdiagramm (dicker Kurvenverlauf) ist zu erkennen, dass die Absorption durch Reflexion an den Spiegelplatten zwischen +α und +β und -a und -β stattfindet und die durch die Kollimationswirkung der Wände entlang der gestrichelten Linie. Der Abstand von ± α zu ± β beträgt Θ_c. Eine Transmission ohne jegliche Beeinflussung der transmittierten Strahlung findet zwischen den Divergenz-Grenzwinkeln - α und +α statt. Das rechteckige Transmissionsverhalten des strahlungsoptischen Bauelements SB nach der Erfindung ist zu erkennen. Deutlich ist zu erkennen, dass das rechteckige Transmissionsgebiet für das strahlungsoptische Bauelement SB nach der Erfindung nur wenig von der dreieckigen Transmission eingeschränkt wird. Der ungestörte Anteil wächst mit dem Verhältnis β/α.
Wird das dreieckige Transmissionsdiagramm gemäß Figur 1 zu dem rechteckigen gemäß Figur 2 ergänzt, ergibt sich für die Bereiche außerhalb des Dreiecks eine Spiegelung an der vertikalen Intensitätsachse, was einer Beeinflussung der Parameterkorrelation Wellenlänge/ Divergenz in der reflektierten Strahlung entspricht. Beim rechteckigen Transmissionsdiagramm gemäß Figur 4 ergibt sich hingegen keine Spiegelung, die Ergänzungen bleiben seitenrichtig, was einer Nichtbeeinflussung der transmittierten Strahlung bei erhöhter Transmissionsintensität entspricht.
In der Figur 5 ist schematisch eine erste Möglichkeit der parallelen Anordnung mehrerer Paare P_i aus jeweils zwei Spiegelsystemen SP₁, SP₂ gezeigt, mit der die für die Absorption erforderliche Länge L des Kanals K entsprechend verkürzt werden kann. Es gilt umgekehrte Proportionalität : halbe Länge L bei zwei Paaren P_i, drittel Länge L bei drei Paaren P_i, viertel Länge L bei vier Paaren P_i usw.. Zwischen den einzelnen Paaren P_i ist jeweils eine strahlungsabsorbierende Zwischenschicht SAZ₁, SAZ₂ angeordnet. Die Figur 6 zeigt eine andere Möglichkeit, bei der jedes zweite Paar P_i um 180° gedreht wird, sodass immer zwei Paare P_i mit den Kippspitzen zueinander zeigen. Die Wirkung ist identisch, es ergeben sich gegebenenfalls herstellungstechnische Vorteile.
Die Figur 7 zeigt einen zu Figur 3 analogen Aufbau mit dem Unterschied, dass die beiden strahlungsreflektierenden Schichten SR₁, SR₂ auf strahlungsdurchlässigen Substraten SS₁, SS₂ einander kreuzförmig durchdringend im Kanal K angeordnet sind. Es ergibt sich eine Anordnung in X-Form. Das Transmissionsdiagramm ist identisch mit dem Transmissionsdiagram gemäß Figur 4 , da das Wirkprinzip identisch ist. Es zeigt sich lediglich bereits bei der einfachen Ausführung eine Halbierung der Länge L gegenüber der Anordnung in V-Form gemäß Figur 3 . Demgegenüber steht ein höherer Fertigungsaufwand bei der Herstellung der X-förmig angeordneten strahlungsreflektierenden Schichten SR₁, SR₂. In der Regel wird das "X" aus vier entsprechend im Zentrum aneinander stoßenden Spiegelflächen hergestellt werden. Eine weitere Verkürzung der Länge L des Kanals K kann wiederum durch eine Parallelanordnung mehrerer Paare P_i aus X-förmig angeordneten strahlungsreflektierenden Schichten SR₁, SR₂ unter Zwischenschaltung von strahlungsabsorbierenden Zwischenschichten SAZ (im gezeigten Ausführungsbeispiel bei zwei Paaren P_i eine Zwischenschicht SAZ) erreicht werden, was in der Figur 8 in Analogie zu Figur 6 dargestellt ist.
Eine alternative Ausführungsform des strahlungsoptischen Bauelements SB nach der Erfindung ist in der Draufsicht in der Figur 9 dargestellt. Hierbei sind zwei aufeinanderfolgende Stapel ST₁, ST₂ von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten GSR₁, GSR₂ auf gekrümmten strahlungsdurchlässigen Substraten GSS₁, GSS₂ nach Art eines Benders orthogonal zu einer axialen Kanalebene KE über die gesamte Breite d des Kanals K angeordnet, wobei die beiden Stapel ST₁, ST₂ entgegengesetzte Krümmungswinkel zur Kanalachse KA aufweisen. Weiterhin sind die orthogonal zu der axialen Kanalebene KE angeordneten Innenwände IW des Kanals K im Anschluss an die beiden Stapel ST₁, ST₂ von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten GSR₁, GSR₂ mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht SA belegt. Vorteilhaft ist hierbei die relativ geringe Baulänge der beiden Stapel ST₁, ST₂ und die kontinuierliche Ausblendung unerwünschter Einfallswinkel Θ.
Das zugehörige Transmissionsdiagramm (Transmissionsintensität TI über Einfallswinkel Θ der Strahlung) ist in der Figur 10 dargestellt. Es zeigt prinzipiell den gleichen Verlauf wie das Transmissionsdiagramm gemäß Figur 4
(dicker Kurvenverlauf). Zu erkennen ist die kontinuierliche Ausblendung der unerwünschten Einfallswinkel Θ > α.
Die Figur 11 zeigt eine zu Figur 9 alternative Ausführungsform, bei der hinter jedem Stapel ST₁, ST₂ von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten GSR₁, GSR₂ auf gekrümmten strahlungsdurchlässigen Substraten GSS₁, GSS₂ Stapel UST₁, UST₂ von ungekrümmten strahlungsabsorbierenden Zwischenschichten SAZ₁, SAZ₂ orthogonal zu der Kanalebene KE über die gesamte Breite d des Kanals K angeordnet sind. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsvariante eine weitere Verkürzung des Kanals K, da die orthogonal zu der Kanalebene KE angeordneten Innenwände IW des Kanals K im Anschluss an die beiden Stapel ST₁, ST₂ von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten GSR₁, GSR₂ dann nicht mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht belegt sind. Das zugehörige Transmissionsdiagramm entspricht wiederum dem in der Figur 10 dargestellten.
Die aufgezeigten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Funktion des strahlungsoptischen Bauelements nach der Erfindung als Winkelfilter zur Divergenzbegrenzung von Strahlung. Bereits eingangs wurde erwähnt, dass aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen Wellenlänge und Einfallswinkel der Strahlung auch eine Anwendung als Wellenlängenfilter ohne Weiteres möglich ist. Entsprechend ist dann in den Transmissionsdiagrammen die Transmissionsintensität TI über der Wellenlänge λ aufzutragen. Es ergeben sich Transmissionsprofile, die nur in ersten Quadranten verlaufen und einer komplizierteren als einer linearen Verteilung folgen.

Bezugszeichenliste

d: Breite
GSR: gekrümmte strahlungsreflektierende Schicht
GSS: gekrümmtes strahlungsdurchlässiges Substrat
IW: Innenwand
K: Kanal
KA: Kanalachse
KE: axiale Kanalebene
L: Länge
m: Spiegelfaktor
P_i: ites Paar
SA: strahlungsabsorbierende Schicht
SAZ: strahlungsabsorbierende Zwischenschicht
SB: strahlungsoptisches Bauelement
SP: Spiegelsystem
SR: strahlungsreflektierende Schicht
SS: strahlungsdurchlässiges Substrat
ST: Stapel (gekrümmt)
TI: Transmissionsintensität
UST: Stapel (ungekrümmt)

± α: Divergenz-Grenzwinkel
± β: Kippwinkel
± δ: Winkelhalbwertsbreite
λ: Wellenlänge
Θ: Einfallswinkel
Θ_c: kritischer Einfallswinkel

Claims

Strahlungsoptisches Bauelement zur Beeinflussung von Röntgen-, Synchrotron- und Neutronen-Strahlung in Bezug auf deren Wellenlängenspektrum und Divergenz-Grenzwinkel ± α mit zumindest einem Kanal der Breite d und der Länge L mit bis zu einem kritischen Einfallswinkel Θ_c zur Schichtoberfläche strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten und mit strahlungsabsorbierenden Schichten,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei strahlungsreflektierende Schichten (SR₁, SR₂) auf strahlungsdurchlässigen Substraten (SS₁, SS₂) orthogonal zu zumindest einer axialen Kanalebene (KE) über die gesamte Breite (d) des Kanals (K) unter zwei Kippwinkeln ± β = ± (α + Θ_c) zur Kanalachse (KA) angeordnet sind, so dass sich über den gesamten Kanalquerschnitt mindestens zwei winklig ausgerichtete Spiegelsysteme (SP₁, SP₂) erstrecken, wobei die auf die Spiegelsysteme (SP₁, SP₂) einfallende Strahlung unterhalb des Einfallswinkels Θ_c transmittiert und oberhalb davon reflektiert und in einer strahlungsabsorbierenden Schicht (SA) absorbiert wird, die die orthogonal zu der axialen Kanalebene (KE) angeordneten Innenwände (IW) des Kanals (K) über die Erstreckung der winkelabhängig strahlungsreflektierenden Schichten (SR₁, SR₂) entlang der Kanalachse (KA) belegt, so dass die strahlungsreflektierenden Schichten (SR1, SR2) und die strahlungsabsorbierenden Schichten (SA) räumlich von einander getrennt angeordnet sind.
Strahlungsoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden strahlungsreflektierenden Schichten (SR₁, SR₂) auf strahlungsdurchlässigen Substraten (SS₁, SS₂) hintereinander im Kanal (K) angeordnet sind.
Strahlungsoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden strahlungsreflektierenden Schichten (SR₁, SR₂) auf strahlungsdurchlässigen Substraten (SS₁, SS₂) einander kreuzförmig durchdringend im Kanal (K) angeordnet sind.
Strahlungsoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei oder mehr Paare (P₁) von strahlungsreflektierenden Schichten (SR₁, SR₂) auf strahlungsdurchlässigen Substraten (SS₁, SS₂) parallel nebeneinander im Kanal (K) angeordnet sind, wobei die Paare (P_i) durch strahlungsabsorbierende Zwischenschichten (SAZ₁, SAZ₂) voneinander getrennt sind.
Strahlungsoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Breite (d) des Kanals (K) dynamisch veränderbar und die Endpunkte der strahlungsreflektierenden Schichten (SR₁, SR₂) gelenkig mit den Innenwänden (IW) des Kanals (K) verbunden sind.
Strahlungsoptisches Bauelement zur Beeinflussung von Röntgen-, Synchrotron- und Neutronen-Strahlung in Bezug auf deren Wellenlängenspektrum und Divergenz-Grenzwinkel ± α mit zumindest einem Kanal der Breite d und der Länge L mit bis zu einem kritischen Einfallswinkel Θ_c zur Schichtoberfläche strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten und mit strahlungsabsorbierenden Schichten,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein oder mehrere aufeinanderfolgende Stapel (ST₁, ST₂) von gekrümmten, strahlungsreflektierenden Schichten (GSR₁, GSR₂) auf gekrümmten strahlungsdurchlässigen Substraten (GSS₁, GSS₂) orthogonal zu zumindest einer axialen Kanalebene (KE) über die gesamte Breite (d) des Kanals (K) angeordnet sind, wobei die Stapel (ST₁, ST₂) unterschiedliche Krümmungs- und Kippwinkel zur Kanalachse (KA) aufweisen können, so dass sich über den gesamten Kanalquerschnitt mindestens zwei winklig ausgerichtete Spiegelsysteme erstrecken, wobei die auf die Spiegelsysteme einfallende Strahlung unterhalb des Einfallswinkels Θ_c transmittiert und oberhalb davon reflektiert und in ungekrümmten, strahlungsabsorbierenden Schichten (SA) absorbiert wird, die die orthogonal zu der axialen Kanalebene (KE) angeordneten Innenwände (IW) des Kanals (K) parallel zu und im Anschluss an die beiden Stapel (ST₁, ST₂) von gekrümmten, winkelabhängig strahlungsreflektierenden Schichten (GSR₁, GSR₂) belegen, so dass die strahlungsreflektierenden Schichten (GSR1, GSR2) und die strahlungsabsorbierenden Schichten (SA) räumlich von einander getrennt angeordnet sind.
Strahlungsoptisches Bauelement zur Beeinflussung von Röntgen-, Synchrotron- und Neutronen-Strahlung in Bezug auf deren Wellenlängenspektrum und Divergenz-Grenzwinkel ± α mit zumindest einem Kanal der Breite d und der Länge L mit bis zu einem kritischen Einfallswinkel Θ_c zur Schichtoberfläche strahlungsreflektierenden Schichten auf strahlungsdurchlässigen Substraten und mit strahlungsabsorbierenden Schichten,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein oder mehrere Stapel (ST₁, ST₂) von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten (GSR₁, GSR₂) auf gekrümmten strahlungsdurchlässigen Substraten (GSS₁, GSS₂) orthogonal zu zumindest einer axialen Kanalebene (KE) über die gesamte Breite (d) des Kanals (K) angeordnet sind, wobei die Stapel (ST₁, ST₂) unterschiedliche Krümmungs- und Kippwinkel zur Kanalachse (KA) aufweisen können, so dass sich über den gesamten Kanalquerschnitt mindestens zwei winklig ausgerichtete Spiegelsysteme erstrecken, wobei die auf die Spiegelsysteme einfallende Strahlung unterhalb des Einfallswinkels Θ_c transmittiert und oberhalb davon reflektiert und in ungekrümmten, strahlungsabsorbierenden Zwischenschichten (SAZ₁, SAZ₂) als strahlungsabsorbierende Schichten, die in Stapeln (UST₁, UST₂) hinter jedem Stapel (ST₁, ST₂) von gekrümmten strahlungsreflektierenden Schichten (GSR₁, GSR₂) auf gekrümmten strahlungsdurchlässigen Substraten (GSS₁, GSS₂) orthogonal zu der Kanalebene (KE) über die gesamte Breite (d) des Kanals (K) angeordnet sind, absorbiert wird, so dass die strahlungsreflektierenden Schichten (GSR₁, GSR₂) und die strahlungsabsorbierenden Zwischenschichten (SAZ₁, SAZ₂) räumlich von einander getrennt angeordnet sind.
Strahlungsoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausfilterung in der horizontalen und/oder vertikalen axialen Kanalebene (KE) erfolgt.