EP4133513A1 - X-ray source and system and method for generating x-ray radiation - Google Patents

X-ray source and system and method for generating x-ray radiation

Info

Publication number
EP4133513A1
EP4133513A1 EP21717064.6A EP21717064A EP4133513A1 EP 4133513 A1 EP4133513 A1 EP 4133513A1 EP 21717064 A EP21717064 A EP 21717064A EP 4133513 A1 EP4133513 A1 EP 4133513A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
core
waveguide
ray source
ray
core section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21717064.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Malte VASSHOLZ
Tim Salditt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Georg August Universitaet Goettingen
Original Assignee
Georg August Universitaet Goettingen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Georg August Universitaet Goettingen filed Critical Georg August Universitaet Goettingen
Publication of EP4133513A1 publication Critical patent/EP4133513A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06—Cathodes
    • H01J35/064—Details of the emitter, e.g. material or structure
    • 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
    • G21K1/062—Devices having a multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/112—Non-rotating anodes
    • H01J35/116—Transmissive anodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/08—Targets (anodes) and X-ray converters
    • H01J2235/086—Target geometry

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray source, a system for generating X-rays and a method for generating X-rays.
  • a cathode opposite it typically a hot cathode
  • electrons are released and accelerated in the electric field between the hot cathode and the X-ray anode.
  • the metal target When striking the metal target occur in Wesentli ⁇ chen two processes through which the kinetic energy of the electrons is converted into X-ray radiation ⁇ .
  • the impinging electrons are slowed down in the field of the atomic nuclei of the X-ray anode, so that part of their kinetic energy is converted into electromagnetic radiation, known as bremsstrahlung.
  • the impinging electrons have sufficient kinetic energy to remove electrons from one of the inner electron shells of the metal target atoms. When the resulting gap in the respective electron shell is filled by an electron from an outer shell, X-rays characteristic of this transition are emitted.
  • the intensity of the X-ray radiation in particular the brilliance, increases with the current of the electrons hitting the X-ray anode.
  • the number of electrons released at the cathode is therefore usually increased.
  • this has a higher heat input into the homogeneous anode X-ray result is limited so that the increase of brilliance especially with solid metal targets of Rönt ⁇ genanode.
  • conventional X-ray sources generally emit X-rays over a solid angle of 4p sr.
  • n l-6 + iß
  • an x-ray source with the features of claim 1, a system for generating x-ray radiation with the features of claim 14 and a method for generating x-ray radiation with the features of claim 15.
  • the X-ray source has at least one waveguide for X-rays, which has a core and a cladding surrounding the core.
  • the X-ray source can be an X-ray target, in particular an X-ray anode.
  • the x-ray source can further comprise a substrate, wherein the waveguide can be carried by the substrate.
  • the waveguide of the x-ray source can be self-supporting. At least a portion of the waveguide is adapted to emit x-ray radiation ⁇ animals, when the part of the waveguide is bombarded with electrons.
  • the X-ray source is particularly adapted to generate the X-rays directly in Wel ⁇ lenleiter (ie, in the core or in the jacket) in order au without spreading ßer Halb irradiate the waveguide directly into the nucleus.
  • the x-ray source is advantageously set up to emit the x-ray radiation generated by spontaneous emission directly in the waveguide / in the modes of the waveguide.
  • the waveguide modes can be excited without the X-ray radiation exciting the waveguide modes having to propagate outside the waveguide before the excitation.
  • the X-ray source is vorteilhaf ⁇ ingly adapted to X-ray radiation directed, in particular in the longitudinal direction or the main direction of extension of the waveguide to emit.
  • the electrons can each have an energy of at least 100 eV, at least 500 eV, at least IkeV or at least 5 keV.
  • the part of the waveguide can be designed in various ways.
  • the portion preferably includes the conductor waves ⁇ the first core portion.
  • the first Kernab ⁇ cut so configured to emit X-rays when bombarded with electrons.
  • the spontaneous emission occurs in the core of the wave conductor itself, that is, the X-ray radiation is advantageously generated in the core of the shafts ⁇ conductor itself.
  • the first core section preferably has a volume that is smaller, in particular by more than 50%, than the second core section. As described in detail below, the first core portion may be formed thinner than the second Kernab ⁇ cut.
  • the part of the waveguide contains the entire core, i.e. that the entire core of the waveguide belongs to the part of the waveguide intended for bombardment.
  • the second core section can in fact be absent and the entire core can be formed by the first core section, i.e. the core can have any of the features of the first core section explained here.
  • the spontaneous emission takes place in the core of the waveguide itself, i.e. the X-ray radiation is advantageously generated in the core of the waveguide itself.
  • the portion of the waveguide at least a portion of the shell, in particular ⁇ sondere the whole jacket containing.
  • the jacket in particular the choice of material
  • the part of the cladding can emit X-rays from the part of the cladding, in particular directly, into the core of the waveguide at the interface with the core.
  • the distance between the respective emitting atom in the cladding and the core is in particular smaller than the width of an evanescent wave.
  • X-ray source Unlike conventional X-ray sources is in the inventive X-ray source therefore not required generated outside the waveguide Rönt ⁇ -radiation than usually complicated and lossy X-ray optics into the waveguide to couple to the the forming in fashions to encourage. Rather, by means of the x-ray source according to the invention, essentially directed x-ray radiation can be generated in the waveguide itself.
  • the X-ray treatment is thus de facto emitted directly from the first core section or the interface between cladding and core into the X-ray waveguide modes. It preferably includes bremsstrahlung and characteristic X-ray radiation.
  • the waveguide extends in a main direction of extent (longitudinal direction) along which the modes of the X-ray radiation are formed, propagate in the waveguide and / or emerge from the waveguide.
  • the waveguide can be one or two dimensional. If the waveguide is a two-dimensional waveguide, the longitudinal axis of the waveguide, in particular the central longitudinal axis of the core, can run in this main direction of extent.
  • the two-dimensional waveguide can have a (substantially) circular, oval, polygonal, rectangular or square cross section. If, on the other hand, the waveguide is a one-dimensional waveguide with two main extension directions defining a main extension plane, the waveguide can extend along this main extension plane.
  • the longitudinal axis may be in the Haupterstre ⁇ ckungsebene in this case. Analogously to the entire waveguide, this also applies to the substrate, the core, the first core section, the second core section and / or the cladding.
  • one-dimensional waveguides can, in accordance with the general use of this term in the field of X-ray physics, be those waveguides that restrict / guide the electromagnetic wave of X-rays in one dimension.
  • the electromagnetic wave in the waveguide can propagate along two dimensions in one plane and the modes can only be formed in a direction perpendicular thereto.
  • One-dimensional waveguides can therefore also be referred to as planar waveguides or layered waveguides.
  • Two-dimensional waveguides (also referred to as channel waveguides), on the other hand, can restrict the electromagnetic wave in two dimensions, so that the electromagnetic wave can only propagate along one dimension and the modes are formed in two directions perpendicular to this dimension.
  • the longitudinal axis of the waveguide can be straight or at least partially ge ⁇ curves, provided the curvature of the waveguide is such that at least a part (at least 30%) of the propagie- in the core of the waveguide.
  • the resulting X-ray radiation always remains in the core with total reflection on the cladding until it emerges from the core at an end of the waveguide that exits in the longitudinal direction.
  • the waveguide has a beam-splitting section at which the core is divided into at least two separate core legs.
  • the angle of the core is preferably selected ⁇ leg of the core so that the core entering into the core leg propagating X-rays under total reflection on the shell in the core leg. It is noted that all numerical values and value ranges explained here for the decrement and the attenuation coefficient apply to X-ray photons with an energy of 10EV.
  • Containing the material of the core or at least the first core portion or be ⁇ is composed of first atoms / n of chemical elements having a first atomic number
  • the material of the second core portion includes or consists of second atoms / n che ⁇ mixer elements having a second atomic number
  • the material of the shell contains or consists of third atoms of chemical elements with a third atomic number, the second atomic number preferably deviating from the first and / or third atomic number.
  • the first atomic number is selected to be as large as possible. In particular, the first atomic number can be greater than the second atomic number.
  • the first atomic number at least 14, at least 16, at least 18, at least 20 or at least 22
  • the second atomic number is at most 16, at most 14, at most 12, at most 10 or at most 9, or at most 8.
  • the material of the core of the waveguide, the first / second core section or the cladding contains the first, second or third atoms, these can each be in molecules, in particular metal-semiconductor compounds, nanoparticles, clusters and / or colloids can be distributed in the respective material.
  • the material of the entire core or at least the first Kernab ⁇ section may include a first electron density
  • the material of the second core portion, a second electron density and the material of the jacket have a third electron density.
  • the second electron density preferably deviates from the first and / or third electron density.
  • the material of the first core portion is more advantageous ⁇ selected so that it (analogous to the higher atomic number of the first Kernab ⁇ section) has the highest possible electron density, which may in particular be higher than the second electron density.
  • the first electron density is preferably at least 1100 hereby christvor ⁇ e / nm 3, at least 1500 e / nm 3, at least 2000 e / nm 3 or at least 2200 e / Nm 3.
  • the second electron density is characterizedvorzugswei ⁇ se most 1000 e / nm 3, more than 850 e / nm 3 or more than 750 s / Nm 3.
  • the material of the first core section, the second core section and the jacket can each be homogeneous, i. that is, each of these components can consist solely of the same chemical element.
  • the material of the first core section, the second core section or the jacket can be configured as a mixture (in particular as an alloy or as a ceramic).
  • the material of the first core section is a metal, in particular a transition metal.
  • the material of the first core section contains or is preferably cobalt, copper, molybdenum, nickel,
  • the first core portion is a metal (in particular Sprintsme ⁇ tall) containing metal alloy.
  • the second core section is preferably made partially or entirely from a different material than the first core section.
  • the second core portion serves in particular the unhindered Ausbrei ⁇ processing the X-ray radiation generated in the waveguide, so that the Dämpfungskoeffi coefficient bk2 of the second core portion to X-radiation, preferably a lower value having as the damping coefficient bki the first core portion and / or than the damping coefficient ß M of the shell.
  • a non-metal, in particular a semiconductor, is therefore preferred as the material for the second core section.
  • the material of the second core section preferably contains or is preferably a gas, air, carbon (in particular diamond, amorphous or polycrystalline DLC (diamond-like carbon)), boron, boron carbide, beryllium, aluminum, magnesium or silicon around.
  • the second core section can, however, be part of the vacuum and therefore essentially empty.
  • vacuum is also valid as a material and what is explained here for material is also valid for vacuum as the second core section.
  • the first core portion on the lateral boundary surface preferably by vapor deposition or ALD (atomic layer deposition), or deposited the X-ray emission is performed from the shell itself.
  • the substrate can be made of the same or a different material than the jacket.
  • the substrate of diamond, DLC, germanium, gallium arsenide and / or silicon for example in the form of a silicon wafer Herge ⁇ represents be.
  • These substrate materials have, in particular when the substrate is monocrystalline , a relatively high surface quality and a high thermal conductivity.
  • the jacket can be formed in one piece (integrally), in particular monolithically (ie, “from a single cast”) with the substrate.
  • the monolithically one-piece configuration of substrate and jacket is particularly possible if the substrate / jacket material is porous. each pore forms a core of the Wellenlei ⁇ ters.
  • the value of the decrement d of the material of the first core section is preferably approximately equal to or greater than the value of the decrement d of the material of the second core section.
  • the value of the decrement of the material of the first Kernab ⁇ section can exceed the value of the decrement of the material of the second core portion by at least 20%, at least 50% or at least 100%.
  • the decrement d of the material of the first core section is preferably at least 1 ⁇ 10 7 , at least 5 ⁇ 10 7 , at least 1 ⁇ 10 6 or at least 5 ⁇ 10 6 .
  • the decrement of the material of the second core portion more than 5xl0 5, Hoechsmann ⁇ is preferably least 3xl0 5, at most 5 or at most lxlO 5xl0.
  • the Dekre ⁇ element d of the material of the jacket is at least lxlO 7, at least 5xl0 7, at least 6 or at least 5xl0 lxlO. 6
  • the decrement values and / or electron density values mentioned in this text can apply to X-ray photons with an energy of 10 keV.
  • the waveguide can extend over part or the entire substrate, in particular it can be as long as the substrate in the longitudinal direction.
  • the core of the waveguide can be essentially as long as the cladding in the longitudinal direction.
  • the first core section is preferably in the longitudinal direction, in particular by up to 1 mm, shorter or as long as the second core section and / or the cladding, so that the formation and emission of the modes are not disturbed.
  • the first core section has a plurality of separate subsections, for example spaced apart from one another in the longitudinal or transversal direction .
  • the first core portion is preferably thinner than the second core portion.
  • the extension of the first core section in the transverse direction is less than the extension of the second core section in the transverse direction.
  • the first core portion in the second core portion is embedded, so that in Transver ⁇ salides may lie at any point along the longitudinal axis of the waveguide on both sides of the first core portion, a portion of the second core portion.
  • the first core section can therefore be arranged at a distance from the jacket.
  • the first core section or the entire first core section when viewed in a cross-sectional plane and / or when viewed in a longitudinal section plane containing the longitudinal axis through the waveguide is preferably arranged in the center of the second core section.
  • the X-ray photons generated in the first core section can be on for uniform excitation of the modes of the waveguide advantageously transversely in the middle generates ⁇ the.
  • the first core section can be partially or completely in contact with the jacket, as a result of which the heat dissipation from the first core section can be improved.
  • the cladding is thinner on a side of the core facing away from the substrate than on a side of the core facing the substrate.
  • this configuration can ensure a low roughness of the interface between the cladding and the core, which improves the total reflection on the cladding and thus increases the intensity of the X-rays emerging from the waveguide can be.
  • the electrons can more easily penetrate the relatively thin area of the cladding on the side of the core facing away from the substrate in order to generate X-rays in the first core section. It goes without saying, however, that in this case too, electrons along the longitudinal axis of the Waveguide in these can be initiated to generate teristic on the first core portion cha ⁇ radiation and bremsstrahlung.
  • the first core section is preferably at most 20 nm, at most 15 nm, at most 10 nm or at most 5 nm thick.
  • the second core section is overall preferably at least 10 nm thick, at least 20 nm thick, at least 30 nm thick or at least 40 nm thick and / or at most 150 nm thick, 200 nm thick, 300 nm thick or 400 nm thick.
  • a first section of the jacket that is between the core and the substrate angeord ⁇ net preferably has a thickness of at least 5 nm, or at least 15 nm or at least 30 nm.
  • a second section of the cladding which is arranged on the side of the core opposite the substrate, can be at most 100 nm thick, at most 40 nm thick, at most 30 nm thick, at most 20 nm thick, at most 15 nm, at most 10 nm or at most 5 nm be fat. The thinner this second section of the cladding, the fewer electrons are advantageously absorbed in the cladding and thus outside the core in the case of transverse radiation.
  • the thickness of the first core portion than 50% can Hoechsmann ⁇ least 30%, at most 15% or at most 10% of the thickness of the second Kernab ⁇ -section, respectively.
  • the thickness of the second section of the jacket, which is arranged on the side of the core opposite the substrate, can also be at most 100%, at most 50%, at most 30%, at most 15% or at most 10% of the thickness of the second core section.
  • Above Illustrated to the thickness applies to both single and two-dimensional waveguide, wherein the thickness at two ⁇ dimensional waveguides of the respective extension in the radial direction corresponds (with respect to the longitudinal axis of the waveguide) and corresponds to the thickness in the one-dimensional waveguides of the respective extension in the transverse direction.
  • An X-ray source with a one-dimensional waveguide can be produced, for example, by means of physical vapor deposition, in particular by means of laser beam evaporation, or thin-film technology (for example magnetron sputtering).
  • the first section of the jacket (for example copper) is most preferably applied to the substrate (for example silicon wafer) with a thickness of approximately 40 nm.
  • the substrate for example silicon wafer
  • a first portion of the second core portion such as a carbon layer, in particular in the form of slide ⁇ mant or DLC
  • the first core section (for example as a cobalt layer) can again be formed on this with a thickness of approximately 2 nm.
  • a second part of the second core portion (for example, from the same mate rial ⁇ as the first part of the second core portion) may be disposed nm with a thickness of about 40 again.
  • a second portion of the shell may be on the two ⁇ th part of the core portion on the opposite side of the substrate angeord ⁇ net and preferably a thickness of about 5 nm have.
  • the term “approximately” can mean a range of +/- 100% of the respective value.
  • the X-ray source can have a single (one-dimensional or two-dimensional) waveguide or several waveguides. If the x-ray source has a plurality of waveguides, it can essentially be designed as a substrate with a waveguide stack carried by the substrate. Each of the waveguide, the waveguide ses stacks may include one or more of the above-described shopping ⁇ times of having at least one waveguide. Preferably, the plurality of waveguides are periodically arranged in the transverse direction. All waveguides can be designed in the same way. Alternatively, it is conceivable that the total thickness of the respective waveguide decreases with increasing distance from the substrate. It goes without saying that all of the waveguides described here are for X-rays, ie are set up to guide X-rays along the longitudinal axis.
  • a two-dimensional (channel) waveguide stack can be designed as an arrangement of (parallel and / or cylindrical) pores etched into the substrate or into the cladding.
  • the substrate / the jacket can be a metal or a semiconductor.
  • the pores can be produced, for example, by self-assembly. They can also be coated, in particular by means of atomic layer deposition (ALD).
  • a proposed here system for generating X-rays comprises a vacuum container, disposed in the vacuum container, in detail above be ⁇ required x-ray source and, disposed in the vacuum container Elektronenquel ⁇ le, which is adapted to emit electrons into the vacuum and (axial and / or transversal with respect to the longitudinal direction of the waveguide) on the X-ray source, in particular to radiate on the part of the waveguide intended for electron bombardment.
  • the vacuum container can be an X-ray tube.
  • an electron source is, for example, an X-ray cathode (for example in the form of a hot cathode) in question, which is adapted to dispense into the vacuum on application of an electrical voltage ⁇ rule electrons.
  • a negative potential is preferably applied to the X-ray cathode.
  • the Rönt ⁇ gene source preferably forms part of the X-ray anode or the anode and is earthed or applied to an at least relative to the X-ray cathode positive potential.
  • the potentials of the X-ray cathode and X-ray anode are chosen so that electrons in the electric field between the X-ray cathode and the X-ray anode are accelerated to an energy of at least 100 eV, at least 500 eV, at least IkeV or at least 5 keV.
  • the X-ray source is arranged vorzugswei ⁇ se so that the electrons propagate transverse to or along the longitudinal axis of the waveguide before they hit the waveguide, in particular the part of the waveguide, are incident.
  • the X-ray source bombar ⁇ -founded electrons can first pass through the second portion of the shell and the second part of the second core portion, before they can impinge on the first core portion.
  • the electrons can already generate X-rays there and emit them into the waveguide.
  • the electrons can generate X-rays at the latest in the first core section and release them into the core. In this respect, the X-ray radiation is emitted directly and immediately in the waveguide modes.
  • the method proposed here for generating x-rays comprises the steps of providing an x-ray source described in detail above or a described system containing the x-ray source for generating x-rays and irradiating the x-ray source, in particular the part of the waveguide (intended for bombardment with electrons) to generate-radiation with radiation and / or of bombarding the X-ray source, in particular of (for bombardment provided) part of the waveguide, with electrons to the Rönt ⁇ .
  • the irradiation of the x-ray source with radiation can include one or more of the following: irradiation with x-ray radiation, irradiation with synchrotron radiation, irradiation with ions, irradiation with high-energy ions, irradiation with laser pulses, irradiation with ultrashort and / or focused laser pulses.
  • irradiation with x-ray radiation irradiation with synchrotron radiation
  • irradiation with ions irradiation with high-energy ions
  • laser pulses irradiation with laser pulses
  • ultrashort and / or focused laser pulses irradiation with ultrashort and / or focused laser pulses.
  • Waveguide X-ray radiation can be generated by means of X-ray fluorescence.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an X-ray source in a schematic partial cross-sectional view
  • FIG. 2 shows the X-ray source from FIG. 1 in perspective in a measurement setup for characterizing its emission properties
  • FIG. 3a shows a course of the value of the decrement d over the cross section of the X-ray source from FIG. 1;
  • FIG. 3b shows a diagram of the intensity of the X-ray radiation over the Flöhenwin angle 0 f for the X-ray source from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows several diagrams of the measured and simulated intensity of the X-ray radiation over the flea angle 0 f for the X-ray source from FIG. 1 at different positions of the bombardment with electrons;
  • FIG. 5 shows the X-ray source from FIG. 1 with radiation of X-rays in the form of plane waves for X-ray fluorescence at different flea angles 0PW;
  • FIGS. 7a and 7b show a second embodiment of an X-ray source in a detailed perspective view and an overall perspective view, this X-ray source having several one-dimensional waveguides;
  • Figure 8 Measurement and simulation results for the X-ray fluorescence
  • FIGS. 7a / 7b shows the intensity distribution in the X-ray source from FIGS. 7a / 7b with several waveguides when focused synchrotron radiation is irradiated at different flea angles 0 f ;
  • FIG. 9 shows a measurement result for the energy distribution of the X-ray radiation from the X-ray source according to FIGS. 7a / 7b as a function of the flea angle 0 f when the X-ray source is bombarded with electrons;
  • FIG. 10 shows measurement results for the intensity distribution of the X-rays in a third embodiment of an X-ray source when the X-ray source is bombarded with electrons at different distances from the exit of the waveguide;
  • FIGS. 11a and 11b show a fourth embodiment of an X-ray source with several two-dimensional waveguides in partial perspective views.
  • Figure 12 shows a fifth embodiment of an X-ray source with a eindimen dimensional waveguide, wherein the X-ray source is formed as a rotating anode ⁇ .
  • the FIGS. 1 and 2 show an X-ray source 10 which, in this variant, has a substrate 20 and a waveguide 30 for X-rays carried by the substrate 20.
  • the waveguide 30 includes a core 32 having a first core portion 34 and a second core portion 36 and a core 32 at least from ⁇ sectionally surrounding jacket 40. As shown in Fig. 2 can be seen, it is at the waveguide 30 by a one-dimensional waveguide.
  • the jacket 40 is a layer formed directly on the substrate 20.
  • a first section 41 of the jacket 40 is formed as a layer on the substrate 20.
  • a first part 37 of the second core section 36 is also formed as a layer.
  • the first core portion 34 is formed as a layer on the first part 37 of the second section Kernab ⁇ 36th In the transverse direction y perpendicular to the longitudinal axis A of the waveguide 30 running in the longitudinal direction z, a second part 38 of the second core section 36 covers the first core section 34 and a second section 42 of the cladding 40 in turn covers the second part 38 of the second core section 36 Layers are each in contact with one another (preferably essentially over the entire area). 1 shows the waveguide 30 in a longitudinal section containing the longitudinal axis A along the plane E shown in FIG.
  • the substrate is in this case a silicon wafer, but it may alternatively be made of a different material, which is adapted to an X-ray ⁇ wear waveguide.
  • the first section 41 of the jacket 40 is an approximately 40 nm thick copper layer
  • the first part 37 and the second part 38 of the second Kernab ⁇ section 36 is each an approximately 20 nm thick carbon layer (here for example DLC, diamond-like carbon)
  • the first core portion 34 is approximately 2 nm thick co ⁇ balt harsh
  • the second portion 42 of the shell layer is an about 5 nm thick copper ⁇ .
  • other metals, in particular transition metals, or metal alloys containing the respective metal can also be used as the material of the first core section 34 and / or of the jacket 40.
  • the second core portion 36 come as a mate rial ⁇ also other non-metals, in particular semiconductors, in question.
  • the first core section 34 is thus thinner in the transverse direction y than any of the other layers.
  • the first core section 34 is thinner than the second core section 36.
  • the first section 41 of the jacket 40 is thicker than the second section of the jacket 42 in order to ensure that the interface roughness between the first section 41 of the jacket 40 and the first Part 37 of the second core section 36 for improved total reflection on the cladding 40 is low.
  • electrons 52 can relatively easily penetrate into the core 32 of the waveguide 30 with this structure if they are radiated transversely to the waveguide 30 in the negative y-direction, as shown in FIG. 1.
  • a comparatively intensive X-ray emission from the X-ray source 10 is reali ⁇ Siert.
  • the value of the decrement d of the material of the first core section 34 lies between the value of the decrement d of the material of the cladding 40 (or at least one of the sections 41 and 42) and the value of the decrement d of the material of the second core section 36 (or at least one of the parts 37 and 38). It is preferred here that the value of the decrement d of the material of the jacket 40 (or at least one of the sections 41 and 42) is greater than the value of the decrement d of the material of the second core section 36 (or at least one of the parts 37 and 38), so that the formation of the modes in the waveguide 30 is disturbed as little as possible.
  • the first core section and the second core section The following decrement values apply to the above mentioned X-ray photon energy: copper 1.62 x 10 5 ; Carbon (amorphous) 4.57 x 10 6 ; Cobalt 1.67 x 10 5 (see Fig. 3a).
  • source 10 of FIG. 1 has a two-dimensional waveguide whose core and cladding in cross section perpendicular to the longitudinal axis A is substantially (circular) ringför ⁇ mig are configured.
  • this modified X-ray source looks as shown in FIG. 1.
  • what has been explained here applies analogously to the X-ray source 10 with a one-dimensional waveguide 30 for the modified X-ray source with a two-dimensional waveguide.
  • FIG. 1 it is shown schematically that the electrons 52 propagate essentially in the negative y-direction before they strike the X-ray source 10.
  • the electron beam is focused on a part of the first core section 34.
  • the elevation angle, 0r, dependent intensity distribution of the X-rays shown in FIG. 3b can be determined.
  • Such measurement can for example be carried out by electrons with an energy of 35 keV from an electron source for X-ray microtomography (here: an electron ⁇ source from the X-ray source MetalJet® D2 Company Excillum AB, Kista, Sweden) by means of electron optics (here, the Electron optics from the same X-ray source Metal Jet® D2 from Excillum AB, Kista, Sweden) focused on an approximately 10 ⁇ m large spot at a distance Dz of approximately 1 mm from the exit end 54 of the waveguide 30 along the longitudinal axis A onto the grounded X-ray source 10 will.
  • the X-ray anode of the MetalJet® D2 has been replaced by the X-ray source 10.
  • X-ray radiation can be in the first core portion 34 of the waveguide 30 and / or in the casing 40, in particular in the second section 42 of the jacket 40, it ⁇ be generated and coupled directly into the core 32 of the waveguide 30th The fig.
  • the X-ray radiation leaves the waveguide 30 not only at its end 54 exiting in the longitudinal direction z, but also, as indicated in FIG.
  • Fig. 4 shows four charts with measurement and simulation results, from which it is clear that the elevation angle dependence of the intensity distribution of the Rönt ⁇ -radiation varies with the distance Dz and also depends on whether the X-ray radiation from the mantle of copper or the first core portion from Cobalt originates.
  • the diagrams also show that the simulation results agree with the corresponding measurement results.
  • the upper left diagram from FIG. 4 shows the measured emission of the Ka and Kß transitions of the material of the first core section 34 in the event of electron bombardment (curve 82) and in the event of excitation by means of X-ray or synchrotron radiation (curve 84) together with the corresponding simulation ( Curve 86).
  • the diagram at the top right shows the measured emission of the Ka line of the material of the shell 40 with electron bomb ⁇ bardement (curve 88) and with excitation by means of X-ray or synchrotron radiation (curve 90) and the corresponding simulation (curve 92).
  • the lower two diagrams from FIG. 4 show the measured and the calculated intensity distribution of the X-ray emission from the thin cobalt layer (first core section 34) for a distance Dz of 35 ⁇ m and 350 ⁇ m.
  • the simulation results confirm the measurements.
  • the excitation of the modes and their propagation in the X-ray source, in particular in the waveguide, can be calculated by means of finite difference simulation based on the reciprocity theorem.
  • the finite difference simulation can, as described in the scientific publication by L. Melchior and T. Salditt, "Finite difference methods for stationary and time-dependent x-ray propagation", Opt. Express, 25: 32090, 2017, 5, this simulation assumes a plane wave 94 irradiated at an elevation angle 0PW 6a for irradiation at different elevation angles 0PW the probability distribution for the exit of an X-ray photon emitted at a certain point at a corresponding elevation angle 0 f can be seen from the X-ray source.
  • FIGS. 7a and 7b An X-ray source 10 with a plurality of one-dimensional waveguides 30 is shown in FIGS. 7a and 7b shown.
  • Each waveguide 30 can have any, in particular all, features of the waveguide 30 from the x-ray source 10.
  • the waveguides 30 are positioned on the substrate 20 as a waveguide stack. Together angren ⁇ collapsing waveguide 30 of the boundary between them can share a portion of the shell is in the range. That is, a core 32 of a second waveguide 30 can directly adjoin the second section 42 of the cladding 40 of a first waveguide 30 adjacent to the substrate.
  • the materials of the X-ray source 10 from FIG. 7 can be the materials of the X-ray source 10 from FIG. 1.
  • n 50.
  • FIG. 8 shows a distribution of the iron-K fluorescence on a detector M ⁇ NCH3 (from the Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland; see M. Ramilli et al, “Measurements with M ⁇ NCH, a 25pm pixel pitch hybrid pixel detector ", J. Instrum., 12: C01071- C01071, 2017, the disclosure of which relating to the M ⁇ NCH detector is hereby incorporated by reference).
  • this distribution intensity shows peaks and modeling as a function of the exit angle (elevation angle) 0 f .
  • the figure b) shows the corresponding cumulative intensity distribution as a function of the exit angle (elevation angle).
  • the dependence of the intensity distribution over the exit angle of the distance Dz is shown in the figure c).
  • the figure d) shows, finally, a substantial coincidence of the measurement results with entspre ⁇ sponding simulation results based
  • FIG. 9 by means of the X-ray sources 10 disclosed here , for which the X-ray source 10 from FIG. 7 with the preferred layer sequence is representative, not only characteristic ones when the X-ray source 10 is bombarded with electrons X-rays (in Fig. 9: Fe-Ka-radiation 96, Ni-Ka-radiation 97, Ni-Kß-radiation 98), but also bremsstrahlung 99 emitted.
  • FIGS. 11A and 11B An X-ray source 10 with a plurality of two-dimensional waveguides 30 is shown in FIGS. 11A and 11B, the first core portion of each of the Clearly ⁇ ness has been omitted for clarity.
  • Each of the two-dimensional waveguide 30 may be any here, in particular all, features of the waveguide 30 from the X-ray source 10 having ⁇ .
  • the two-dimensional waveguides 30 can be formed periodically within a section with an optionally essentially hexagonal base area in the transverse plane (the xy plane).
  • the waveguides 30 can be embodied in the substrate 20 in an essentially cylindrically symmetrical manner and / or can be arranged at essentially the same distances from one another.
  • 11 a and 11 b also show that the electrons 52 can be irradiated onto the X-ray source 10 in the longitudinal direction (along the axis z).
  • the x-ray radiation 50 also leaves the x-ray source on the exit side in the longitudinal direction.
  • FIG. 12 A further variant of an X-ray source 10 having a one-dimensional Wellenlei ⁇ ter 30, here in the form of a rotating anode, is depicted in Fig. 12.
  • the electrons here preferably strike the waveguide parallel to the axis of rotation of the rotating anode.
  • the first core section has been omitted for the sake of clarity.
  • the waveguide 30 of the x-ray source from FIG. 12 can have any, in particular all, features of the waveguide 30 from the x-ray source 10.
  • Rota ⁇ X-ray source tion 10 moves the place in the coordinate system of the rotating X-ray source 10 at which the electrons 52 of the first core portion ren 34 bombardie ⁇ , used along a circular path, so that advantageously larger electron currents and correspondingly higher X-ray intensities can be achieved.
  • the X-ray sources described here are set up to emit radiation in one or more angular ranges with dimensions below approximately 10 mrad.
  • the efficiency of the generation of the X-ray radiation is significantly higher with erfindungsge MAESSEN X-ray sources than in conventional systems for the generation of X-ray radiation, in which the X-ray radiation is generated outside the waveguide and then coupled into a waveguide.
  • the X ⁇ sources according to the present invention therefore are distinguished not only by a small and compact design but also by high brilliance.
  • the X-ray source according to the invention accordingly has a comparatively high phase space density and coherence. Therefore, the present invention enables various X-ray analyzes (for example by means of X-ray microtomography) to be carried out in the laboratory, for which synchrotron sources were previously necessary.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

The invention relates to an X-ray source (10) comprising at least one waveguide (30) for X-ray radiation, wherein the at least one waveguide (30) has a core (32) and a casing (40) surrounding the core (32), and wherein at least one part of the waveguide (30) is designed to emit X-ray radiation (50), if the part of the waveguide (30) is bombarded with electrons (52). The invention also relates to a system for generating X-ray radiation comprising an X-ray source of this type, and a method for generating X-ray radiation by means of an X-ray source of this type or a system of this type.

Description

Röntgenquelle sowie System und Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung X-ray source and system and method for generating X-rays
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenquelle, ein System zur Erzeugung von Röntgenstrahlung und ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. The present invention relates to an X-ray source, a system for generating X-rays and a method for generating X-rays.
Konventionelle Röntgenquellen sind als Metalltargets zur Erzeugung von Röntgen strahlung einschließlich Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung durch Elektronenbombardement ausgebildet (siehe hierzu beispielsweise das Lehr¬ buch von R. Behling, „Modern Diagnostic X-Ray Sources - Technology, Manufac¬ turing, Reliability", CRC Press, ISBN-13: 978-1-4822-4132-7, 2016 sowie das Lehrbuch von M. Bass, „Handbook of Optics", Vol. III - Classical Optics, Vision Op- tics, X-Ray Optics, insbesondere Kapitel 31, ISBN 0-07-135408-5, 2001). Im Allge¬ meinen sind diese Metalltargets als Röntgenanode in einer Röntgenröhre angeordnet. An einer ihr gegenüberliegenden Kathode, typischerweise einer Glühkathode, werden Elektronen freigesetzt und im elektrischen Feld zwischen der Glühkathode und der Röntgenanode beschleunigt. Beim Auftreffen auf das Metalltarget treten im Wesentli¬ chen zwei Vorgänge auf, durch die die kinetische Energie der Elektronen in Röntgen¬ strahlung umgewandelt wird. Erstens werden die auftreffenden Elektronen im Feld der Atomkerne der Röntgenanode abgebremst, sodass ein Teil derer kinetischer Energie in elektromagnetische Strahlung, der sogenannten Bremsstrahlung, umge wandelt wird. Zweitens haben die auftreffenden Elektronen hinreichend kinetische Energie, um Elektronen aus einer der inneren Elektronenschalen der Metalltarget atome zu entfernen. Beim Auffüllen der dabei entstandenen Lücke in der jeweiligen Elektronenschale durch ein Elektron aus einer äußereren Schale wird für diesen Übergang charakteristische Röntgenstrahlung emittiert. Conventional X-ray sources as metal target for generating X-radiation formed by electron bombardment, including Bremsstrahlung and characteristic X-rays (see for example the teaching ¬ book by R. Behling, "Modern Diagnostic X-Ray Sources - turing Technology, Manufac ¬, Reliability", CRC Press , ISBN-13: 978-1-4822-4132-7, 2016 and the textbook by M. Bass, "Handbook of Optics", Vol. III - Classical Optics, Vision Optics, X-Ray Optics, especially Chapter 31 , ISBN 0-07-135408-5, 2001). In general my ¬ these metal targets are arranged as X-ray anode in an X-ray tube. At a cathode opposite it, typically a hot cathode, electrons are released and accelerated in the electric field between the hot cathode and the X-ray anode. When striking the metal target occur in Wesentli ¬ chen two processes through which the kinetic energy of the electrons is converted into X-ray radiation ¬. First, the impinging electrons are slowed down in the field of the atomic nuclei of the X-ray anode, so that part of their kinetic energy is converted into electromagnetic radiation, known as bremsstrahlung. Second, the impinging electrons have sufficient kinetic energy to remove electrons from one of the inner electron shells of the metal target atoms. When the resulting gap in the respective electron shell is filled by an electron from an outer shell, X-rays characteristic of this transition are emitted.
Grundsätzlich steigt die Intensität der Röntgenstrahlung, insbesondere die Brillanz, mit dem Strom der auf die Röntgenanode auftreffenden Elektronen. Um die Brillanz herkömmlicher Systeme zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zu steigern, wird daher in der Regel die Anzahl an der Kathode freigesetzter Elektronen erhöht. Dies hat jedoch einen höheren Wärmeeintrag in die homogene Röntgenanode zur Folge, sodass die Steigerung der Brillanz insbesondere bei festen Metalltargets der Rönt¬ genanode begrenzt ist. Außerdem emittieren herkömmliche Röntgenquellen die Röntgenstrahlung im Allgemeinen über einen Raumwinkel von 4p sr. Die phasen- räumliche Verteilung der Röntgenphotonen lässt sich aufgrund des Röntgen- Brechungsindex n=l-6+iß (wobei der Realteil l-d den sogenannten refraktiven Anteil und der Imaginärteil ß den absorbieren den Anteil darstellt, und wobei d und ß sehr viel kleiner als 1 sind) schlecht ändern. Bei Anwendungen, für die hohe Kohärenz und hohe Phasenraumdichte der Photonen erforderlich sind, wird daher bislang norma lerweise auf Synchrotronstrahlung zurückgegriffen. In principle, the intensity of the X-ray radiation, in particular the brilliance, increases with the current of the electrons hitting the X-ray anode. In order to increase the brilliance of conventional systems for generating X-rays, the number of electrons released at the cathode is therefore usually increased. However, this has a higher heat input into the homogeneous anode X-ray result is limited so that the increase of brilliance especially with solid metal targets of Rönt ¬ genanode. In addition, conventional X-ray sources generally emit X-rays over a solid angle of 4p sr. The phase Spatial distribution of the X-ray photons can be poor due to the X-ray refractive index n = l-6 + iß (where the real part ld represents the so-called refractive part and the imaginary part ß represents the absorbing part, and d and ß are very much smaller than 1) change. In applications for which high coherence and high phase space density of the photons are required, synchrotron radiation has therefore hitherto been used normally.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rönt¬ genquelle und ein System zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bereitzustellen, wel che beziehungsweise welches sich durch eine relativ kompakte Bauweise auszeichnet und dennoch Röntgenstrahlung hoher Brillanz emittieren kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein vergleichsweise einfaches Verfahren zur Erzeugung derartiger Röntgenstrahlung bereitzustellen. Against this background, it is an object of the present invention to provide a Rönt ¬ gene source and provide a system for generating X-rays, wel surface or which is characterized by a relatively compact and yet capable of emitting X-ray radiation of high brilliance. In addition, it is an object of the invention to provide a comparatively simple method for generating such X-rays.
Diese Aufgabe wird durch eine Röntgenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. This object is achieved by an x-ray source with the features of claim 1, a system for generating x-ray radiation with the features of claim 14 and a method for generating x-ray radiation with the features of claim 15.
Die Röntgenquelle weist mindestens einen Wellenleiter für Röntgenstrahlen auf, der einen Kern sowie einen den Kern umgebenden Mantel hat. Die Röntgenquelle kann ein Röntgentarget, insbesondere eine Röntgenanode, sein. Die Röntgenquelle kann ferner ein Substrat aufweisen, wobei der Wellenleiter von dem Substrat getragen sein kann. Alternativ kann der Wellenleiter der Röntgenquelle selbsttragend sein. Zumindest ein Teil des Wellenleiters ist dazu eingerichtet, Röntgenstrahlung zu emit¬ tieren, wenn der Teil des Wellenleiters mit Elektronen bombardiert wird. Somit ist die Röntgenquelle insbesondere dazu eingerichtet, die Röntgenstrahlung direkt im Wel¬ lenleiter (d.h., im Kern oder im Mantel) zu erzeugen, um sie ohne Ausbreitung au ßerhalb des Wellenleiters direkt in den Kern einzustrahlen. Mit anderen Worten ist die Röntgenquelle vorteilhafterweise dazu eingerichtet, die durch spontane Emission erzeugte Röntgenstrahlung unmittelbar in den Wellenleiter / in die Moden des Wel lenleiters zu emittieren. D.h., die Wellenleitermoden können angeregt werden, ohne dass die die Wellenleitermoden anregende Röntgenstrahlung vor der Anregung au ßerhalb des Wellenleiters propagieren muss. Ferner ist die Röntgenquelle vorteilhaf¬ terweise dazu eingerichtet, Röntgenstrahlung gerichtet, insbesondere in der Längsrichtung beziehungsweise der Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters, zu emittieren. Die Elektronen können jeweils eine Energie von mindestens 100 eV, min destens 500 eV, mindestens IkeV oder mindestens 5 keV aufweisen. The X-ray source has at least one waveguide for X-rays, which has a core and a cladding surrounding the core. The X-ray source can be an X-ray target, in particular an X-ray anode. The x-ray source can further comprise a substrate, wherein the waveguide can be carried by the substrate. Alternatively, the waveguide of the x-ray source can be self-supporting. At least a portion of the waveguide is adapted to emit x-ray radiation ¬ animals, when the part of the waveguide is bombarded with electrons. Thus, the X-ray source is particularly adapted to generate the X-rays directly in Wel ¬ lenleiter (ie, in the core or in the jacket) in order au without spreading ßerhalb irradiate the waveguide directly into the nucleus. In other words, the x-ray source is advantageously set up to emit the x-ray radiation generated by spontaneous emission directly in the waveguide / in the modes of the waveguide. In other words, the waveguide modes can be excited without the X-ray radiation exciting the waveguide modes having to propagate outside the waveguide before the excitation. Further, the X-ray source is vorteilhaf ¬ ingly adapted to X-ray radiation directed, in particular in the longitudinal direction or the main direction of extension of the waveguide to emit. The electrons can each have an energy of at least 100 eV, at least 500 eV, at least IkeV or at least 5 keV.
Der (zum Bombardieren mit Elektronen vorgesehene) Teil des Wellenleiters kann verschiedentlich ausgestaltet sein. Wenn der Kern in einer Variante einen ersten Kernabschnitt und einen zweiten Kernabschnitt aufweist, enthält der Teil des Wellen¬ leiters vorzugsweise den ersten Kernabschnitt. In diesem Fall ist der erste Kernab¬ schnitt also dazu eingerichtet, Röntgenstrahlung zu emittieren, wenn er mit Elektronen beschossen wird. Hier erfolgt die spontane Emission im Kern des Wellen leiters selbst, d.h., die Röntgenstrahlung wird vorteilhafterweise im Kern des Wellen¬ leiters selbst erzeugt. Der erste Kernabschnitt weist vorzugsweise ein, insbesondere um mehr als 50%, geringeres Volumen auf als der zweite Kernabschnitt. Wie unten im Detail beschrieben, kann der erste Kernabschnitt dünner als der zweite Kernab¬ schnitt ausgebildet sein. The part of the waveguide (intended for bombardment with electrons) can be designed in various ways. When the core comprises a first core portion and second core portion, in a variant, the portion preferably includes the conductor waves ¬ the first core portion. In this case, the first Kernab ¬ cut so configured to emit X-rays when bombarded with electrons. Here, the spontaneous emission occurs in the core of the wave conductor itself, that is, the X-ray radiation is advantageously generated in the core of the shafts ¬ conductor itself. The first core section preferably has a volume that is smaller, in particular by more than 50%, than the second core section. As described in detail below, the first core portion may be formed thinner than the second Kernab ¬ cut.
Ferner ist es denkbar, dass der Teil des Wellenleiters den gesamten Kern enthält, d.h., dass der ganze Kern des Wellenleiters zu dem zum Bombardieren vorgesehenen Teil des Wellenleiters gehört. In diesem Fall kann der zweite Kernabschnitt de facto fehlen und der gesamte Kern kann durch den ersten Kernabschnitt gebildet sein, d.h., der Kern kann beliebige der hier erläuterten Merkmale des ersten Kernab schnitts aufweisen. Auch bei dieser Variante erfolgt die spontane Emission im Kern des Wellenleiters selbst, d.h., die Röntgenstrahlung wird vorteilhafterweise im Kern des Wellenleiters selbst erzeugt. It is also conceivable that the part of the waveguide contains the entire core, i.e. that the entire core of the waveguide belongs to the part of the waveguide intended for bombardment. In this case the second core section can in fact be absent and the entire core can be formed by the first core section, i.e. the core can have any of the features of the first core section explained here. In this variant, too, the spontaneous emission takes place in the core of the waveguide itself, i.e. the X-ray radiation is advantageously generated in the core of the waveguide itself.
Außerdem kann der Teil des Wellenleiters zumindest einen Teil des Mantels, insbe¬ sondere den ganzen Mantel, enthalten. In diesem Fall kann weiter unten zum Mantel gesagtes (insbesondere die Materialauswahl) nur für den Teil des Mantels oder aber für den gesamten Mantel gelten. Der Teil des Mantels kann bei dieser Variante an der Grenzfläche zum Kern Röntgenstrahlung aus dem Teil des Mantels, insbesondere direkt, in den Kern des Wellenleiters emittieren. Die Entfernung zwischen dem jeweils emittierenden Atom im Mantel und dem Kern ist dabei insbesondere niedriger als die Breite einer evaneszenten Welle. In addition, the portion of the waveguide at least a portion of the shell, in particular ¬ sondere the whole jacket containing. In this case, what is said below about the jacket (in particular the choice of material) can only apply to part of the jacket or to the entire jacket. In this variant, the part of the cladding can emit X-rays from the part of the cladding, in particular directly, into the core of the waveguide at the interface with the core. The distance between the respective emitting atom in the cladding and the core is in particular smaller than the width of an evanescent wave.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Röntgenquellen ist es bei der erfindungsgemäßen Röntgenquelle somit nicht erforderlich, außerhalb des Wellenleiters erzeugte Rönt¬ genstrahlung über in der Regel komplizierte und verlustbehaftete Röntgenoptik in den Wellenleiter einzukoppeln, um die sich darin ausbildenden Moden anzuregen. Vielmehr kann mittels der erfindungsgemäßen Röntgenquelle im Wesentlichen ge richtete Röntgenstrahlung im Wellenleiter selbst erzeugt werden. Die Röntgenstrah lung wird somit de facto unmittelbar aus dem ersten Kernabschnitt oder der Grenzfläche zwischen Mantel und Kern in die Röntgenwellenleitermoden emittiert. Sie umfasst vorzugsweise Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung. Unlike conventional X-ray sources is in the inventive X-ray source therefore not required generated outside the waveguide Rönt ¬-radiation than usually complicated and lossy X-ray optics into the waveguide to couple to the the forming in fashions to encourage. Rather, by means of the x-ray source according to the invention, essentially directed x-ray radiation can be generated in the waveguide itself. The X-ray treatment is thus de facto emitted directly from the first core section or the interface between cladding and core into the X-ray waveguide modes. It preferably includes bremsstrahlung and characteristic X-ray radiation.
Der Wellenleiter erstreckt sich vorliegend in einer Haupterstreckungsrichtung (Längs richtung), entlang derer sich die Moden der Röntgenstrahlung ausbilden, im Wellen leiter ausbreiten und/oder aus dem Wellenleiter austreten. Der Wellenleiter kann ein- oder zweidimensional sein. Wenn der Wellenleiter ein zweidimensionaler Wellenleiter ist, kann die Längsachse des Wellenleiters, insbesondere die Mittellängsachse des Kerns, in dieser Haupterstreckungsrichtung verlaufen. Der zweidimensionale Wellen leiter kann einen (im Wesentlichen) kreisförmigen, ovalen, mehreckigen, rechtecki gen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Wenn der Wellenleiter hingegen ein eindimensionaler Wellenleiter mit zwei eine Haupterstreckungsebene definierenden Haupterstreckungsrichtungen ist, kann sich der Wellenleiter entlang dieser Haupter streckungsebene erstrecken. Die Längsachse kann in diesem Fall in der Haupterstre¬ ckungsebene liegen. Dies gilt analog zum gesamten Wellenleiter auch für das Substrat, den Kern, den ersten Kernabschnitt, den zweiten Kernabschnitt und/oder den Mantel. In the present case, the waveguide extends in a main direction of extent (longitudinal direction) along which the modes of the X-ray radiation are formed, propagate in the waveguide and / or emerge from the waveguide. The waveguide can be one or two dimensional. If the waveguide is a two-dimensional waveguide, the longitudinal axis of the waveguide, in particular the central longitudinal axis of the core, can run in this main direction of extent. The two-dimensional waveguide can have a (substantially) circular, oval, polygonal, rectangular or square cross section. If, on the other hand, the waveguide is a one-dimensional waveguide with two main extension directions defining a main extension plane, the waveguide can extend along this main extension plane. The longitudinal axis may be in the Haupterstre ¬ ckungsebene in this case. Analogously to the entire waveguide, this also applies to the substrate, the core, the first core section, the second core section and / or the cladding.
In diesem Text können eindimensionale Wellenleiter in Einklang mit der allgemeinen Verwendung dieses Begriffs auf dem Gebiet der Röntgenphysik solche Wellenleiter sein, die die elektromagnetische Welle der Röntgenstrahlung in einer Dimension beschränken/führen. Bei eindimensionalen Wellenleitern kann sich die elektromagne tische Welle im Wellenleiter also entlang zweier Dimensionen in einer Ebene ausbrei ten und die Moden können nur in einer dazu senkrechten Richtung ausgebildet sein. Eindimensionale Wellenleiter deswegen können auch als planare Wellenleiter oder Schicht-Wellenleiter bezeichnet werden. Zweidimensionale Wellenleiter (auch als Kanalwellenleiter bezeichnet) können die elektromagnetische Welle hingegen in zwei Dimensionen beschränken, sodass sich die elektromagnetische Welle nur entlang einer Dimension ausbreiten kann und die Moden in zwei zu dieser Dimension senk rechten Richtungen ausgebildet sind. In this text, one-dimensional waveguides can, in accordance with the general use of this term in the field of X-ray physics, be those waveguides that restrict / guide the electromagnetic wave of X-rays in one dimension. In the case of one-dimensional waveguides, the electromagnetic wave in the waveguide can propagate along two dimensions in one plane and the modes can only be formed in a direction perpendicular thereto. One-dimensional waveguides can therefore also be referred to as planar waveguides or layered waveguides. Two-dimensional waveguides (also referred to as channel waveguides), on the other hand, can restrict the electromagnetic wave in two dimensions, so that the electromagnetic wave can only propagate along one dimension and the modes are formed in two directions perpendicular to this dimension.
Die Längsachse des Wellenleiters kann gerade oder zumindest abschnittsweise ge¬ krümmt verlaufen, vorausgesetzt die Krümmung des Wellenleiters ist so bemessen, dass zumindest ein Teil (mindestens 30%) der im Kern des Wellenleiters propagie- renden Röntgenstrahlung stets unter Totalreflexion am Mantel im Kern verbleibt, bis sie an einem in Längsrichtung austrittseitigen Ende des Wellenleiters aus dem Kern austritt. Der kritische Winkel 0C für diese Totalreflexion lässt sich mittels folgender Formel berechnen: ec = arccos (nM/nK), wobei PM der refraktive Anteil (Realteil) des komplexen Brechungsindex iiM=nM+ißM =l-ÖM+ißM des Mantels für Röntgenstrahlung und hk der refraktive Anteil des kom¬ plexen Brechungsindex hk=hk+ίbk =1-dk+ίbk des an den Mantel angrenzenden (ers¬ ten oder zweiten) Kernabschnitts für Röntgenstrahlung ist. Hinsichtlich der Berechnung des Dekrements 6M/K und des Dämpfungskoeffizients bM/k wird an dieser Stelle auf die einschlägige Literatur verwiesen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Wellenleiter einen strahlteilenden Abschnitt aufweist, an dem sich der Kern in mindestens zwei separate Kernschenkel aufteilt. Auch hier ist der Winkel der Kern¬ schenkel zum Kern vorzugsweise so gewählt, dass vom Kern in die Kernschenkel propagierende Röntgenstrahlung unter Totalreflexion am Mantel in die Kernschenkel eintritt. Es wird angemerkt, dass alle hier erläuterten Zahlenwerte und Wertebereiche für das Dekrement und den Dämpfungskoeffizienten für Röntgen photonen mit einer Energie von lOkeV gelten. The longitudinal axis of the waveguide can be straight or at least partially ge ¬ curves, provided the curvature of the waveguide is such that at least a part (at least 30%) of the propagie- in the core of the waveguide The resulting X-ray radiation always remains in the core with total reflection on the cladding until it emerges from the core at an end of the waveguide that exits in the longitudinal direction. The critical angle 0 C for this total reflection can be calculated using the following formula: e c = arccos (n M / n K ), where PM is the refractive part (real part) of the complex refractive index ii M = n M + iß M = l-Ö M + ISS M of the shell for X-rays and hk is the refractive portion of the com ¬ complexes refractive index hk = hk + ίbk = 1-dk + ίbk of the adjacent to the jacket (repl ¬ th or second) core portion for X-ray radiation. With regard to the calculation of the decrement 6M / K and the damping coefficient bM / k, reference is made at this point to the relevant literature. In addition, it is conceivable that the waveguide has a beam-splitting section at which the core is divided into at least two separate core legs. Again, the angle of the core is preferably selected ¬ leg of the core so that the core entering into the core leg propagating X-rays under total reflection on the shell in the core leg. It is noted that all numerical values and value ranges explained here for the decrement and the attenuation coefficient apply to X-ray photons with an energy of 10EV.
Das Material des Kerns oder zumindest des ersten Kernabschnitts enthält oder be¬ steht aus ersten Atome/n chemischer Elemente mit einer ersten Kernladungszahl, das Material des zweiten Kernabschnitts enthält oder besteht aus zweiten Atome/n che¬ mischer Elemente mit einer zweiten Kernladungszahl und das Material des Mantels enthält oder besteht aus dritten Atomen chemischer Elemente mit einer dritten Kern ladungszahl, wobei die zweite Kernladungszahl vorzugsweise von der ersten und/oder dritten Kernladungszahl abweicht. Zur effizienten Erzeugung von Röntgen photonen mit hohen Röntgenenergien ist die erste Kernladungszahl möglichst groß gewählt. Insbesondere kann die erste Kernladungszahl größer sein als die zweite Kernladungszahl. Höchstvorzugsweise beträgt die erste Kernladungszahl mindestens 14, mindestens 16, mindestens 18, mindestens 20 oder mindestens 22. Höchstvor¬ zugsweise beträgt die zweite Kernladungszahl höchstens 16, höchstens 14, höchstens 12, höchstens 10 oder höchstens 9 oder höchstens 8. Wenn das Material des Kerns des Wellenleiters, des ersten/zweiten Kernabschnitts oder des Mantels die ersten, zweiten beziehungsweise dritten Atome enthält, können diese jeweils in Molekülen, insbesondere Metall-Halbleiter-Verbindungen, Nanopartikeln, Clustern und/oder Kollo iden im jeweiligen Material verteilt sein. Containing the material of the core or at least the first core portion or be ¬ is composed of first atoms / n of chemical elements having a first atomic number, the material of the second core portion includes or consists of second atoms / n che ¬ mixer elements having a second atomic number and the material of the shell contains or consists of third atoms of chemical elements with a third atomic number, the second atomic number preferably deviating from the first and / or third atomic number. For the efficient generation of X-ray photons with high X-ray energies, the first atomic number is selected to be as large as possible. In particular, the first atomic number can be greater than the second atomic number. Most preferably, is the first atomic number at least 14, at least 16, at least 18, at least 20 or at least 22 Höchstvor ¬ preferably the second atomic number is at most 16, at most 14, at most 12, at most 10 or at most 9, or at most 8. If the material of the core of the waveguide, the first / second core section or the cladding contains the first, second or third atoms, these can each be in molecules, in particular metal-semiconductor compounds, nanoparticles, clusters and / or colloids can be distributed in the respective material.
Analog dazu kann das Material des ganzen Kerns oder zumindest des ersten Kernab¬ schnitts eine erste Elektronendichte, das Material des zweiten Kernabschnitts eine zweite Elektronendichte und das Material des Mantels eine dritte Elektronendichte aufweisen. Die zweite Elektronendichte weicht vorzugsweise von der ersten und/oder dritten Elektronendichte ab. Das Material des ersten Kernabschnitts ist vorteilhafter¬ weise so gewählt, dass es (analog zur höheren Kernladungszahl des ersten Kernab¬ schnitts) eine möglichst hohe Elektronendichte aufweist, die insbesondere höher sein kann als die zweite Elektronendichte. Die erste Elektronendichte beträgt höchstvor¬ zugsweise mindestens 1100 e/nm3, mindestens 1500 e/nm3, mindestens 2000 e/nm3 oder mindestens 2200 e/nm3. Die zweite Elektronendichte beträgt höchstvorzugswei¬ se höchstens 1000 e/nm3, höchstens 850 e/nm3 oder höchstens 750 e/nm3. Similarly, the material of the entire core or at least the first Kernab ¬ section may include a first electron density, the material of the second core portion, a second electron density and the material of the jacket have a third electron density. The second electron density preferably deviates from the first and / or third electron density. The material of the first core portion is more advantageous ¬ selected so that it (analogous to the higher atomic number of the first Kernab ¬ section) has the highest possible electron density, which may in particular be higher than the second electron density. The first electron density is preferably at least 1100 höchstvor ¬ e / nm 3, at least 1500 e / nm 3, at least 2000 e / nm 3 or at least 2200 e / Nm 3. The second electron density is höchstvorzugswei ¬ se most 1000 e / nm 3, more than 850 e / nm 3 or more than 750 s / Nm 3.
Das Material des ersten Kernabschnitts, des zweiten Kernabschnitts und des Mantels kann jeweils homogen sein, d. h., jede dieser Komponenten kann ausschließlich aus demselben chemischen Element bestehen. Alternativ kann das Material des ersten Kernabschnitts, des zweiten Kernabschnitts beziehungsweise des Mantels als Gemisch (insbesondere als Legierung oder als Keramik) ausgebildet sein. Bevorzugt ist hierbei zur effizienten Erzeugung von Röntgenstrahlung, dass das Material des ersten Kern abschnitts ein Metall ist, insbesondere ein Übergangsmetall. Das Material des ersten Kernabschnitts enthält oder ist vorzugsweise Kobalt, Kupfer, Molybdän, Nickel,The material of the first core section, the second core section and the jacket can each be homogeneous, i. that is, each of these components can consist solely of the same chemical element. Alternatively, the material of the first core section, the second core section or the jacket can be configured as a mixture (in particular as an alloy or as a ceramic). For efficient generation of X-rays, it is preferred that the material of the first core section is a metal, in particular a transition metal. The material of the first core section contains or is preferably cobalt, copper, molybdenum, nickel,
Chrom, Eisen, Silber, Tantal, Platin, Gold oder Wolfram. Es ist auch denkbar, dass das Material des ersten Kernabschnitts eine das Metall (insbesondere Übergangsme¬ tall) enthaltende Metalllegierung ist. Der zweite Kernabschnitt ist bevorzugt teilweise oder ganz aus einem anderen Material hergestellt als der erste Kernabschnitt. Chromium, iron, silver, tantalum, platinum, gold or tungsten. It is also conceivable that the material of the first core portion is a metal (in particular Übergangsme ¬ tall) containing metal alloy. The second core section is preferably made partially or entirely from a different material than the first core section.
Der zweite Kernabschnitt dient insbesondere der möglichst ungehinderten Ausbrei¬ tung der im Wellenleiter erzeugten Röntgenstrahlung, sodass der Dämpfungskoeffi zient bk2 des zweiten Kernabschnitts für Röntgenstrahlung vorzugsweise einen geringeren Wert aufweist als der Dämpfungskoeffizient bki des ersten Kernabschnitts und/oder als der Dämpfungskoeffizient ßM des Mantels. Als Material für den zweiten Kernabschnitt wird daher ein Nichtmetall, insbesondere ein Halbleiter, bevorzugt. Das Material des zweiten Kernabschnitts enthält vorzugsweise oder ist vorzugsweise ein Gas, Luft, Kohlenstoff (insbesondere Diamant, amorphes oder polykristallines DLC (diamond-like carbon)), Bor, Borcarbid, Beryllium, Aluminium, Magnesium oder Silizi- um. Insbesondere im Inneren einer Röntgenröhre, in der ein Vakuum herrscht, kann der zweite Kernabschnitt aber Teil des Vakuums und daher im Wesentlichen leer sein. Insofern gilt in diesem Kontext Vakuum auch als Material und das hier für Mate rial Erläuterte analog für Vakuum als zweiter Kernabschnitt. Beim zweiten Kernab¬ schnitt in Form von Vakuum ist der erste Kernabschnitt an der Mantelgrenzfläche, vorzugsweise durch Bedampfung oder ALD (atomic layer deposition), aufgebracht oder die Röntgenemission erfolgt aus dem Mantel selbst. The second core portion serves in particular the unhindered Ausbrei ¬ processing the X-ray radiation generated in the waveguide, so that the Dämpfungskoeffi coefficient bk2 of the second core portion to X-radiation, preferably a lower value having as the damping coefficient bki the first core portion and / or than the damping coefficient ß M of the shell. A non-metal, in particular a semiconductor, is therefore preferred as the material for the second core section. The material of the second core section preferably contains or is preferably a gas, air, carbon (in particular diamond, amorphous or polycrystalline DLC (diamond-like carbon)), boron, boron carbide, beryllium, aluminum, magnesium or silicon around. In particular in the interior of an X-ray tube in which there is a vacuum, the second core section can, however, be part of the vacuum and therefore essentially empty. In this context, vacuum is also valid as a material and what is explained here for material is also valid for vacuum as the second core section. In the second Kernab ¬ cut in the form of vacuum, the first core portion on the lateral boundary surface, preferably by vapor deposition or ALD (atomic layer deposition), or deposited the X-ray emission is performed from the shell itself.
Das Substrat kann aus demselben oder aus einem anderen Material als der Mantel hergestellt sein. Insbesondere kann das Substrat aus Diamant, DLC, Germanium, Gallium-Arsenid und/oder Silizium, beispielsweise in Form eines Siliziumwafers herge¬ stellt sein. Diese Substratmaterialien weisen, insbesondere wenn das Substrat mono¬ kristallin ist, eine relativ hohe Oberflächengüte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Außerdem kann der Mantel einstückig (integral), insbesondere monolithisch (d.h., „aus einem Guss"), mit dem Substrat ausgebildet sein. Die monolithisch einstückige Ausgestaltung von Substrat und Mantel kommt insbesondere in Frage, wenn das Substrat/Mantel-Material porös ist. Jede Pore bildet dabei einen Kern des Wellenlei¬ ters. The substrate can be made of the same or a different material than the jacket. In particular, the substrate of diamond, DLC, germanium, gallium arsenide and / or silicon, for example in the form of a silicon wafer Herge ¬ represents be. These substrate materials have, in particular when the substrate is monocrystalline , a relatively high surface quality and a high thermal conductivity. In addition, the jacket can be formed in one piece (integrally), in particular monolithically (ie, “from a single cast”) with the substrate. The monolithically one-piece configuration of substrate and jacket is particularly possible if the substrate / jacket material is porous. each pore forms a core of the Wellenlei ¬ ters.
Vorzugsweise ist der Wert des Dekrements d des Materials des ersten Kernabschnitts etwa gleich groß wie oder größer als der Wert des Dekrements d des Materials des zweiten Kernabschnitts. Der Wert des Dekrements des Materials des ersten Kernab¬ schnitts kann den Wert des Dekrements des Materials des zweiten Kernabschnitts um mindestens 20%, mindestens 50% oder mindestens 100% übertreffen. Bevorzugt beträgt das Dekrement d des Materials des ersten Kernabschnitts mindestens lxlO 7, mindestens 5xl07, mindestens lxlO 6 oder mindestens 5xl06. Vorzugsweise beträgt das Dekrement des Materials des zweiten Kernabschnitts höchstens 5xl05, höchs¬ tens 3xl05, höchstens lxlO 5 oder höchstens 5xl06. Bevorzugt beträgt das Dekre¬ ment d des Materials des Mantels mindestens lxlO 7, mindestens 5xl07, mindestens lxlO 6 oder mindestens 5xl06. Die in diesem Text genannten Dekrement-Werte und/oder Elektronendichte-Werte können für Röntgen photonen mit einer Energie von 10 keV gelten. The value of the decrement d of the material of the first core section is preferably approximately equal to or greater than the value of the decrement d of the material of the second core section. The value of the decrement of the material of the first Kernab ¬ section can exceed the value of the decrement of the material of the second core portion by at least 20%, at least 50% or at least 100%. The decrement d of the material of the first core section is preferably at least 1 × 10 7 , at least 5 × 10 7 , at least 1 × 10 6 or at least 5 × 10 6 . The decrement of the material of the second core portion more than 5xl0 5, Hoechsmann ¬ is preferably least 3xl0 5, at most 5 or at most lxlO 5xl0. 6 Preferably, the Dekre ¬ element d of the material of the jacket is at least lxlO 7, at least 5xl0 7, at least 6 or at least 5xl0 lxlO. 6 The decrement values and / or electron density values mentioned in this text can apply to X-ray photons with an energy of 10 keV.
In der Längsrichtung kann sich der Wellenleiter über einen Teil oder das gesamte Substrat erstrecken, insbesondere so lang sein wie das Substrat in Längsrichtung.In the longitudinal direction, the waveguide can extend over part or the entire substrate, in particular it can be as long as the substrate in the longitudinal direction.
Der Kern des Wellenleiters kann in Längsrichtung im Wesentlichen so lang sein wie der Mantel. Vorzugsweise ist der erste Kernabschnitt in Längsrichtung, insbesondere um bis zu 1 mm, kürzer oder so lang wie der zweite Kernabschnitt und/oder der Mantel, sodass die Ausbildung und Emission der Moden nicht gestört wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass der erste Kernabschnitt mehrere separate, beispielsweise in Längs- oder Transversalrichtung voneinander beanstandete Unterabschnitte auf¬ weist. The core of the waveguide can be essentially as long as the cladding in the longitudinal direction. The first core section is preferably in the longitudinal direction, in particular by up to 1 mm, shorter or as long as the second core section and / or the cladding, so that the formation and emission of the modes are not disturbed. However, it is also conceivable that the first core section has a plurality of separate subsections, for example spaced apart from one another in the longitudinal or transversal direction .
Es wurde gesagt, dass der erste Kernabschnitt vorzugsweise dünner als der zweite Kernabschnitt ist. Hiermit ist gemeint, dass die Erstreckung des ersten Kernabschnitts in Transversalrichtung (d.h., senkrecht zur Längsachse des Wellenleiters) geringer ist als die Erstreckung des zweiten Kernabschnitts in der Transversalrichtung. Bevorzugt ist der erste Kernabschnitt im zweiten Kernabschnitt eingebettet, sodass in Transver¬ salrichtung an jeder Stelle entlang der Längsachse des Wellenleiters beiderseits des ersten Kernabschnitts ein Teil des zweiten Kernabschnitts liegen kann. Der erste Kernabschnitt kann also gegenüber dem Mantel beabstandet angeordnet sein. In diesem Fall ist zumindest ein Teil des ersten Kernabschnitts oder der ganze erste Kernabschnitt bei Betrachtung in einer Querschnittsebene und/oder bei Betrachtung in einer die Längsachse enthaltenden Längsschnittsebene durch den Wellenleiter vorzugsweise in der Mitte des zweiten Kernabschnitts angeordnet. So können die im ersten Kernabschnitt erzeugten Röntgenphotonen auf zur gleichmäßigen Anregung der Moden vorteilhafte weise transversal in der Mitte des Wellenleiters erzeugt wer¬ den. Der erste Kernabschnitt kann abschnittsweise oder vollständig mit dem Mantel in Kontakt stehen, wodurch der Wärmeabtransport aus dem ersten Kernabschnitt verbessert werden kann. It has been said that the first core portion is preferably thinner than the second core portion. This means that the extension of the first core section in the transverse direction (ie, perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide) is less than the extension of the second core section in the transverse direction. Preferably, the first core portion in the second core portion is embedded, so that in Transver ¬ salrichtung may lie at any point along the longitudinal axis of the waveguide on both sides of the first core portion, a portion of the second core portion. The first core section can therefore be arranged at a distance from the jacket. In this case, at least part of the first core section or the entire first core section when viewed in a cross-sectional plane and / or when viewed in a longitudinal section plane containing the longitudinal axis through the waveguide is preferably arranged in the center of the second core section. Thus, the X-ray photons generated in the first core section can be on for uniform excitation of the modes of the waveguide advantageously transversely in the middle generates ¬ the. The first core section can be partially or completely in contact with the jacket, as a result of which the heat dissipation from the first core section can be improved.
Zur weiteren Steigerung der Brillanz bei Einstrahlung der Elektronen in bezüglich der Längsachse des Wellenleiters transversaler Richtung kann es vorgesehen sein, dass der Mantel auf einer dem Substrat abgewandten Seite des Kerns dünner als auf einer dem Substrat zugewandten Seite des Kerns ist. Insbesondere wenn der Wellenleiter durch einen Abscheidungsprozess auf das Substrat hergestellt wird, kann bei dieser Ausgestaltung einerseits eine geringe Rauigkeit der Grenzfläche zwischen dem Mantel und dem Kern gewährleistet werden, wodurch die Totalreflexion am Mantel verbes sert und somit die Intensität der aus den Wellenleiter austretenden Röntgenstrahlung gesteigert werden kann. Andererseits können die Elektronen den relativ dünnen Bereich des Mantels auf der dem Substrat abgewandten Seite des Kerns leichter durchdringen, um im ersten Kernabschnitt Röntgenstrahlung zu erzeugen. Es ver steht sich, dass jedoch auch in diesem Fall Elektronen entlang der Längsachse des Wellenleiters in diesen eingeleitet werden können, um am ersten Kernabschnitt cha¬ rakteristische Strahlung und Bremsstrahlung zu erzeugen. To further increase the brilliance when the electrons are irradiated in the transverse direction with respect to the longitudinal axis of the waveguide, it can be provided that the cladding is thinner on a side of the core facing away from the substrate than on a side of the core facing the substrate. In particular, if the waveguide is produced by a deposition process on the substrate, this configuration can ensure a low roughness of the interface between the cladding and the core, which improves the total reflection on the cladding and thus increases the intensity of the X-rays emerging from the waveguide can be. On the other hand, the electrons can more easily penetrate the relatively thin area of the cladding on the side of the core facing away from the substrate in order to generate X-rays in the first core section. It goes without saying, however, that in this case too, electrons along the longitudinal axis of the Waveguide in these can be initiated to generate teristic on the first core portion cha ¬ radiation and bremsstrahlung.
In der Transversalrichtung oder Radialrichtung des Wellenleiters ist der erste Kernab schnitt vorzugsweise höchstens 20 nm, höchstens 15 nm, höchstens 10 nm oder höchstens 5nm dick. In derselben Richtung ist der zweite Kernabschnitt insgesamt vorzugsweise mindestens 10 nm dick, mindestens 20 nm dick, mindestens 30 nm dick oder mindestens 40 nm dick und/oder höchstens 150 nm dick, 200 nm dick, 300 nm dick oder 400 nm dick. Wenn der erste Kernabschnitt im zweiten Kernabschnitt eingebettet ist, nimmt der erste Kernabschnitt einen Teil des zweiten Kernabschnitts ein, sodass die (effektive) Dicke des Materials des zweiten Kernabschnitts um die Dicke des Materials des ersten Kernabschnitts reduziert ist. In the transverse direction or radial direction of the waveguide, the first core section is preferably at most 20 nm, at most 15 nm, at most 10 nm or at most 5 nm thick. In the same direction, the second core section is overall preferably at least 10 nm thick, at least 20 nm thick, at least 30 nm thick or at least 40 nm thick and / or at most 150 nm thick, 200 nm thick, 300 nm thick or 400 nm thick. When the first core section is embedded in the second core section, the first core section takes up part of the second core section, so that the (effective) thickness of the material of the second core section is reduced by the thickness of the material of the first core section.
Ein erster Abschnitt des Mantels, der zwischen dem Kern und dem Substrat angeord¬ net ist, weist vorzugsweise eine Dicke von mindestens 5 nm oder mindestens 15 nm oder mindestens 30 nm auf. Ein zweiter Abschnitt des Mantels, der auf der dem Substrat entgegengesetzten Seite des Kerns angeordnet ist, kann höchstens 100 nm dick, höchstens 40 nm dick, höchstens 30 nm dick, höchstens 20 nm dick, höchstens 15 nm, höchstens 10 nm oder höchstens 5 nm dick sein. Je dünner dieser zweite Abschnitt des Mantels ist, desto weniger Elektronen werden bei transversaler Ein strahlung vorteilhafterweise im Mantel und somit außerhalb des Kerns absorbiert. Relativ ausgedrückt kann die Dicke des ersten Kernabschnitts höchstens 50%, höchs¬ tens 30%, höchstens 15% oder höchstens 10 % der Dicke des zweiten Kernab¬ schnitts betragen. Auch die Dicke des zweiten Abschnitts des Mantels, der auf der dem Substrat entgegengesetzten Seite des Kerns angeordnet ist, kann höchstens 100%, höchstens 50%, höchstens 30%, höchstens 15% oder höchstens 10 % der Dicke des zweiten Kernabschnitts betragen. Vorstehend zur Dicke erläutertes gilt sowohl für ein- als auch für zweidimensionale Wellenleiter, wobei die Dicke bei zwei¬ dimensionalen Wellenleitern der jeweiligen Erstreckung in Radialrichtung (bezüglich der Längsachse des Wellenleiters) entspricht und die Dicke bei eindimensionalen Wellenleitern der jeweiligen Erstreckung in Transversalrichtung entspricht. A first section of the jacket that is between the core and the substrate angeord ¬ net preferably has a thickness of at least 5 nm, or at least 15 nm or at least 30 nm. A second section of the cladding, which is arranged on the side of the core opposite the substrate, can be at most 100 nm thick, at most 40 nm thick, at most 30 nm thick, at most 20 nm thick, at most 15 nm, at most 10 nm or at most 5 nm be fat. The thinner this second section of the cladding, the fewer electrons are advantageously absorbed in the cladding and thus outside the core in the case of transverse radiation. In relative terms, the thickness of the first core portion than 50%, can Hoechsmann ¬ least 30%, at most 15% or at most 10% of the thickness of the second Kernab ¬-section, respectively. The thickness of the second section of the jacket, which is arranged on the side of the core opposite the substrate, can also be at most 100%, at most 50%, at most 30%, at most 15% or at most 10% of the thickness of the second core section. Above Illustrated to the thickness applies to both single and two-dimensional waveguide, wherein the thickness at two ¬ dimensional waveguides of the respective extension in the radial direction corresponds (with respect to the longitudinal axis of the waveguide) and corresponds to the thickness in the one-dimensional waveguides of the respective extension in the transverse direction.
Eine Röntgenquelle mit eindimensionalem Wellenleiter kann beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels Laserstrahlverdampfen, oder Dünnschichttechnik (z.B. Magnetron-Zerstäubung) hergestellt werden. Höchst vorzugsweise ist hierzu der erste Abschnitt des Mantels (z.B. Kupfer) mit einer Dicke von etwa 40 nm auf dem Substrat (z.B. Siliziumwafer) aufgetragen. Auf diesem ers- ten Abschnitt des Mantels kann (auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite des ersten Abschnitts des Mantels) mit einer Dicke von etwa 40 nm ein erster Teil des zweiten Kernabschnitts (z.B. als Kohlenstoffschicht, insbesondere in Form von Dia¬ mant oder DLC) angeordnet sein. Hierauf kann wiederum mit einer Dicke von etwa 2 nm der erste Kernabschnitt (zum Beispiel als Kobaltschicht) ausgebildet sein. Darauf kann ein zweiter Teil des zweiten Kernabschnitts (zum Beispiel aus demselben Mate¬ rial wie der erste Teil des zweiten Kernabschnitts) wiederum mit einer Dicke von etwa 40 nm angeordnet sein. Ein zweiter Abschnitt des Mantels kann auf dem zwei¬ ten Teil des Kernabschnitts auf der dem Substrat entgegengesetzten Seite angeord¬ net sein und bevorzugt eine Dicke von etwa 5 nm aufweisen. In diesem Text kann mit dem Begriff „etwa" ein Bereich von +/- 100% des jeweiligen Werts gemeint sein. An X-ray source with a one-dimensional waveguide can be produced, for example, by means of physical vapor deposition, in particular by means of laser beam evaporation, or thin-film technology (for example magnetron sputtering). For this purpose, the first section of the jacket (for example copper) is most preferably applied to the substrate (for example silicon wafer) with a thickness of approximately 40 nm. On this first be th portion of the shell can (on the side opposite the substrate side of the first portion of the shell) with a thickness of about 40 nm, a first portion of the second core portion (such as a carbon layer, in particular in the form of slide ¬ mant or DLC) arranged. The first core section (for example as a cobalt layer) can again be formed on this with a thickness of approximately 2 nm. Thereupon, a second part of the second core portion (for example, from the same mate rial ¬ as the first part of the second core portion) may be disposed nm with a thickness of about 40 again. A second portion of the shell may be on the two ¬ th part of the core portion on the opposite side of the substrate angeord ¬ net and preferably a thickness of about 5 nm have. In this text, the term “approximately” can mean a range of +/- 100% of the respective value.
Die Röntgenquelle kann einen einzigen (eindimensionalen oder zweidimensionalen) Wellenleiter oder mehrere Wellenleiter aufweisen. Wenn die Röntgenquelle mehrere Wellenleiter aufweist, kann sie im Wesentlichen als Substrat mit einem von dem Substrat getragenen Wellenleiter-Stack ausgebildet sein. Jeder der Wellenleiter die ses Wellenleiter-Stacks kann ein oder mehrere der vorstehend beschriebenen Merk¬ male des mindestens einen Wellenleiters aufweisen. Vorzugsweise sind die mehreren Wellenleiter in der Transversalrichtung periodisch angeordnet. Alle Wellenleiter kön nen gleich ausgebildet sein. Alternativ ist es denkbar, dass die Gesamtdicke des jeweiligen Wellenleiters mit zunehmendem Abstand vom Substrat abnimmt. Es ver¬ steht sich von selbst, dass alle hier beschriebenen Wellenleiter für Röntgenstrahlen sind, d. h. dazu eingerichtet sind, Röntgenstrahlen entlang der Längsachse zu leiten. The X-ray source can have a single (one-dimensional or two-dimensional) waveguide or several waveguides. If the x-ray source has a plurality of waveguides, it can essentially be designed as a substrate with a waveguide stack carried by the substrate. Each of the waveguide, the waveguide ses stacks may include one or more of the above-described shopping ¬ times of having at least one waveguide. Preferably, the plurality of waveguides are periodically arranged in the transverse direction. All waveguides can be designed in the same way. Alternatively, it is conceivable that the total thickness of the respective waveguide decreases with increasing distance from the substrate. It goes without saying that all of the waveguides described here are for X-rays, ie are set up to guide X-rays along the longitudinal axis.
Insbesondere wenn das Substrat monolithisch mit dem Mantel ausgestaltet ist, kann ein zweidimensionaler (Kanal-) Wellenleiterstack als in das Substrat beziehungsweise in den Mantel geätzte Anordnung von (parallelen und/oder zylinderförmigen) Poren ausgebildet sein. Das Substrat / der Mantel kann dabei ein Metall oder ein Halbleiter sein. Die Poren können beispielsweise durch Selbstanordnung hergestellt werden. Sie können außerdem, insbesondere mittels Atomlagenabscheidung (Atomic Layer De position, ALD), beschichtet sein. In particular if the substrate is designed monolithically with the cladding, a two-dimensional (channel) waveguide stack can be designed as an arrangement of (parallel and / or cylindrical) pores etched into the substrate or into the cladding. The substrate / the jacket can be a metal or a semiconductor. The pores can be produced, for example, by self-assembly. They can also be coated, in particular by means of atomic layer deposition (ALD).
Ein hier vorgeschlagenes System zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst einen Vakuumbehälter, eine im Vakuumbehälter angeordnete, vorstehend im Detail be¬ schriebene Röntgenquelle und eine im Vakuumbehälter angeordnete Elektronenquel¬ le, die dazu eingerichtet ist, Elektronen ins Vakuum zu emittieren und (axial und/oder transversal bezüglich der Längsrichtung des Wellenleiters) auf die Röntgenquelle, insbesondere auf den Teil für die Bombardierung mit Elektronen vorgesehenen Teil des Wellenleiters, zu strahlen. Der Vakuumbehälter kann eine Röntgenröhre sein. Als Elektronenquelle kommt beispielsweise eine Röntgenkathode (z.B. in Form einer Glühkathode) in Frage, die dazu eingerichtet ist, bei Beaufschlagung mit einer elektri¬ schen Spannung Elektronen ins Vakuum abzugeben. A proposed here system for generating X-rays comprises a vacuum container, disposed in the vacuum container, in detail above be ¬ required x-ray source and, disposed in the vacuum container Elektronenquel ¬ le, which is adapted to emit electrons into the vacuum and (axial and / or transversal with respect to the longitudinal direction of the waveguide) on the X-ray source, in particular to radiate on the part of the waveguide intended for electron bombardment. The vacuum container can be an X-ray tube. As an electron source is, for example, an X-ray cathode (for example in the form of a hot cathode) in question, which is adapted to dispense into the vacuum on application of an electrical voltage ¬ rule electrons.
An die Röntgen kathode ist vorzugsweise ein negatives Potenzial angelegt. Die Rönt¬ genquelle bildet vorzugsweise einen Teil der Röntgenanode oder die Röntgenanode und ist geerdet oder an ein zumindest relativ zu Röntgen kathode positives Potenzial angelegt. Die Potentiale von Röntgen kathode und Röntgenanode sind so gewählt, dass Elektronen im elektrischen Feld zwischen der Röntgen kathode und der Rönt genanode auf eine Energie von mindestens 100 eV, mindestens 500 eV, mindestens IkeV oder mindestens 5 keV beschleunigt werden. Die Röntgenquelle ist vorzugswei¬ se so angeordnet, dass die Elektronen quer zur oder entlang der Längsachse des Wellenleiters propagieren, bevor sie auf den Wellenleiter, insbesondere den Teil des Wellenleiters, auftreffen. Auf diese Weise können die auf die Röntgenquelle bombar¬ dierten Elektronen zunächst den zweiten Abschnitt des Mantels und den zweiten Teil des zweiten Kernabschnitts durchqueren, bevor sie auf den ersten Kernabschnitt auftreffen können. Die Elektronen können bei entsprechender Wahl des Materials des zweiten Abschnitts des Mantels bereits dort Röntgenstrahlung erzeugen und in den Wellenleiter abgeben. Alternativ können die Elektronen spätestens im ersten Kernab schnitt Röntgenstrahlung erzeugen und in den Kern abgeben. Insofern findet eine Emission der Röntgenstrahlung direkt und unmittelbar in die Wellenleitermoden stat. A negative potential is preferably applied to the X-ray cathode. The Rönt ¬ gene source preferably forms part of the X-ray anode or the anode and is earthed or applied to an at least relative to the X-ray cathode positive potential. The potentials of the X-ray cathode and X-ray anode are chosen so that electrons in the electric field between the X-ray cathode and the X-ray anode are accelerated to an energy of at least 100 eV, at least 500 eV, at least IkeV or at least 5 keV. The X-ray source is arranged vorzugswei ¬ se so that the electrons propagate transverse to or along the longitudinal axis of the waveguide before they hit the waveguide, in particular the part of the waveguide, are incident. In this way, the X-ray source bombar ¬-founded electrons can first pass through the second portion of the shell and the second part of the second core portion, before they can impinge on the first core portion. With a suitable choice of the material of the second section of the cladding, the electrons can already generate X-rays there and emit them into the waveguide. Alternatively, the electrons can generate X-rays at the latest in the first core section and release them into the core. In this respect, the X-ray radiation is emitted directly and immediately in the waveguide modes.
Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst die Schritte des Bereitstellens einer vorstehend im Detail beschriebenen Röntgenquelle oder eines beschriebenen, die Röntgenquelle enthaltenden Systems zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sowie des Bestrahlens der Röntgenquelle, insbesondere des (für das Bombardement mit Elektronen vorgesehenen) Teils des Wellenleiters, mit Strahlung und/oder des Bombardierens der Röntgenquelle, insbesondere des (für das Bombardement vorgesehenen) Teils des Wellenleiters, mit Elektronen, um die Rönt¬ genstrahlung zu erzeugen. Das Bestrahlen der Röntgenquelle mit Strahlung kann eines oder mehrere der Folgenden umfassen: Bestrahlen mit Röntgenstrahlung, Bestrahlen mit Synchrotronstrahlung, Bestrahlen mit Ionen, Bestrahlen mit hoch energetischen Ionen, Bestrahlen mit Laserpulsen, Bestrahlen mit ultrakurzen und/oder fokussierten Laserpulsen. Wenn die Röntgenquelle, insbesondere der Teil der Röntgenquelle, mit Synchrotronstrahlung bestrahlt wird, kann in situ im Kern desThe method proposed here for generating x-rays comprises the steps of providing an x-ray source described in detail above or a described system containing the x-ray source for generating x-rays and irradiating the x-ray source, in particular the part of the waveguide (intended for bombardment with electrons) to generate-radiation with radiation and / or of bombarding the X-ray source, in particular of (for bombardment provided) part of the waveguide, with electrons to the Rönt ¬. The irradiation of the x-ray source with radiation can include one or more of the following: irradiation with x-ray radiation, irradiation with synchrotron radiation, irradiation with ions, irradiation with high-energy ions, irradiation with laser pulses, irradiation with ultrashort and / or focused laser pulses. When the x-ray source, especially the part the X-ray source, irradiated with synchrotron radiation, can be in situ in the core of the
Wellenleiters Röntgenstrahlung mittels Röntgenfluoreszenz erzeugt werden. Waveguide X-ray radiation can be generated by means of X-ray fluorescence.
Bevorzugte Ausführungsformen einer Röntgenquelle und eines Systems zur Erzeu¬ gung von Röntgenstrahlung werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beige fügten schematischen Zeichnungen erläutert, wobei Preferred embodiments of an X-ray source and a system for the generation ¬ supply of X-rays will now be explained in more detail with reference to the accompanying accompanying diagrammatic drawings, in which
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Röntgenquelle in einer schematischen teilweisen Querschnittsansicht zeigt; FIG. 1 shows a first embodiment of an X-ray source in a schematic partial cross-sectional view;
Figur 2 die Röntgenquelle aus Figur 1 perspektivisch in einem Messaufbau zur Charakterisierung deren Emissionseigenschaften zeigt; FIG. 2 shows the X-ray source from FIG. 1 in perspective in a measurement setup for characterizing its emission properties;
Figur 3a einen Verlauf des Werts des Dekrements d über den Querschnitt der Röntgenquelle aus Figur 1 zeigt; FIG. 3a shows a course of the value of the decrement d over the cross section of the X-ray source from FIG. 1;
Figur 3b ein Diagramm der Intensität der Röntgenstrahlung über den Flöhenwin kel 0f für die Röntgenquelle aus Figur 1 zeigt; FIG. 3b shows a diagram of the intensity of the X-ray radiation over the Flöhenwin angle 0 f for the X-ray source from FIG. 1;
Figur 4 mehrere Diagramme der gemessenen und simulierten Intensität der Röntgenstrahlung über den Flöhenwinkel 0f für die Röntgenquelle aus Figur 1 bei unterschiedlichen Positionen der Bombardierung mit Elekt ronen zeigt; FIG. 4 shows several diagrams of the measured and simulated intensity of the X-ray radiation over the flea angle 0 f for the X-ray source from FIG. 1 at different positions of the bombardment with electrons;
Figur 5 die Röntgenquelle aus Figur 1 bei Einstrahlung von Röntgenstrahlung in Form ebener Wellen zur Röntgenfluoreszenz unter unterschiedlichen Flöhenwinkeln 0PW zeigt; FIG. 5 shows the X-ray source from FIG. 1 with radiation of X-rays in the form of plane waves for X-ray fluorescence at different flea angles 0PW;
Figuren 6a und 6b Simulationsergebnisse für die Röntgenfluoreszenz-Figures 6a and 6b simulation results for the X-ray fluorescence
Intensitätsverteilung in der Röntgenquelle aus Figur 1 bei der Einstrahlung unter unterschiedlichen Flöhenwinkeln 0PW zeigt; Shows the intensity distribution in the X-ray source from FIG. 1 when irradiated at different flea angles 0PW;
Figuren 7a und 7b eine zweite Ausführungsform einer Röntgenquelle in einer per spektivischen Detailansicht und einer perspektivischen Gesamt ansicht zeigt, wobei diese Röntgenquelle mehrere eindimensionale Wellenleiter aufweist; Figur 8 Mess- und Simulationsergebnisse für die Röntgenfluoreszenz-FIGS. 7a and 7b show a second embodiment of an X-ray source in a detailed perspective view and an overall perspective view, this X-ray source having several one-dimensional waveguides; Figure 8 Measurement and simulation results for the X-ray fluorescence
Intensitätsverteilung in der Röntgenquelle aus Fig. 7a/7b mit mehreren Wellenleitern bei Einstrahlung von fokussierter Synchrotronstrahlung unter unterschiedlichen Flöhenwinkeln 0f zeigt; 7a / 7b shows the intensity distribution in the X-ray source from FIGS. 7a / 7b with several waveguides when focused synchrotron radiation is irradiated at different flea angles 0 f ;
Figur 9 ein Messergebnis für die Energieverteilung der Röntgenstrahlung der Röntgenquelle gemäß Figur 7a/7b in Abhängigkeit vom Flöhenwinkel 0f bei Bombardierung der Röntgenquelle mit Elektronen zeigt; FIG. 9 shows a measurement result for the energy distribution of the X-ray radiation from the X-ray source according to FIGS. 7a / 7b as a function of the flea angle 0 f when the X-ray source is bombarded with electrons;
Figur 10 Messergebnisse für die Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung in einer dritten Ausführungsform einer Röntgenquelle bei Bombardierung der Röntgenquelle mit Elektronen in verschiedenen Abständen vom Austritt des Wellenleiters zeigt; FIG. 10 shows measurement results for the intensity distribution of the X-rays in a third embodiment of an X-ray source when the X-ray source is bombarded with electrons at different distances from the exit of the waveguide;
Figuren 11a und 11b eine vierte Ausführungsform einer Röntgenquelle mit mehreren zweidimensionalen Wellenleitern in perspektivi schen Teilansichten zeigt; und FIGS. 11a and 11b show a fourth embodiment of an X-ray source with several two-dimensional waveguides in partial perspective views; and
Figur 12 eine fünfte Ausführungsform einer Röntgenquelle mit einem eindimen sionalen Wellenleiter zeigt, wobei die Röntgenquelle als Drehanode aus¬ gebildet ist. Figure 12 shows a fifth embodiment of an X-ray source with a eindimen dimensional waveguide, wherein the X-ray source is formed as a rotating anode ¬.
Die Fign. 1 und 2 zeigen eine Röntgenquelle 10, die in dieser Variante ein Substrat 20 und einen von dem Substrat 20 getragenen Wellenleiter 30 für Röntgenstrahlen aufweist. Der Wellenleiter 30 enthält einen Kern 32 mit einem ersten Kernabschnitt 34 und einem zweiten Kernabschnitt 36 sowie einen den Kern 32 zumindest ab¬ schnittsweise umgebenden Mantel 40. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, handelt es sich bei dem Wellenleiter 30 um einen eindimensionalen Wellenleiter. Dementsprechend ist der Mantel 40 eine unmittelbar auf dem Substrat 20 ausgebildete Schicht. Ein erster Abschnitt 41 des Mantels 40 ist als Schicht auf dem Substrat 20 ausgebildet. Auf einer dem Substrat 20 entgegengesetzten Seite des ersten Abschnitts 41 ist ein erster Teil 37 des zweiten Kernabschnitts 36 ebenfalls als Schicht ausgebildet. Der erste Kernabschnitt 34 ist als Schicht auf dem ersten Teil 37 des zweiten Kernab¬ schnitts 36 ausgebildet. In zur in Längsrichtung z verlaufender Längsachse A des Wellenleiters 30 senkrechter Transversalrichtung y bedeckt ein zweiter Teil 38 des zweiten Kernabschnitts 36 den ersten Kernabschnitt 34 und ein zweiter Abschnitt 42 des Mantels 40 wiederum den zweiten Teil 38 des zweiten Kernabschnitts 36. Die Schichten stehen jeweils (vorzugsweise im Wesentlichen vollflächig) in Kontakt mitei nander. Die Fig. 1 zeigt den Wellenleiter 30 in einem die Längsachse A enthaltenen Längsschnitt entlang der in Fig. 2 gezeigten Ebene E. The FIGS. 1 and 2 show an X-ray source 10 which, in this variant, has a substrate 20 and a waveguide 30 for X-rays carried by the substrate 20. The waveguide 30 includes a core 32 having a first core portion 34 and a second core portion 36 and a core 32 at least from ¬ sectionally surrounding jacket 40. As shown in Fig. 2 can be seen, it is at the waveguide 30 by a one-dimensional waveguide. Accordingly, the jacket 40 is a layer formed directly on the substrate 20. A first section 41 of the jacket 40 is formed as a layer on the substrate 20. On a side of the first section 41 opposite the substrate 20, a first part 37 of the second core section 36 is also formed as a layer. The first core portion 34 is formed as a layer on the first part 37 of the second section Kernab ¬ 36th In the transverse direction y perpendicular to the longitudinal axis A of the waveguide 30 running in the longitudinal direction z, a second part 38 of the second core section 36 covers the first core section 34 and a second section 42 of the cladding 40 in turn covers the second part 38 of the second core section 36 Layers are each in contact with one another (preferably essentially over the entire area). 1 shows the waveguide 30 in a longitudinal section containing the longitudinal axis A along the plane E shown in FIG.
Das Substrat ist im vorliegenden Fall ein Siliziumwafer, es kann jedoch alternativ aus einem anderen Material hergestellt sein, das dazu geeignet ist, um einen Röntgen¬ wellenleiter zu tragen. Der erste Abschnitt 41 des Mantels 40 ist eine etwa 40 nm dicke Kupferschicht, der erste Teil 37 und der zweite Teil 38 des zweiten Kernab¬ schnitts 36 ist jeweils eine etwa 20 nm dicke Kohlenstoffschicht (hier beispielsweise DLC, diamond-like carbon), der erste Kernabschnitt 34 ist eine etwa 2 nm dicke Ko¬ baltschicht, der zweite Abschnitt 42 des Mantels ist eine etwa 5 nm dicke Kupfer¬ schicht. Als Material des ersten Kernabschnitts 34 und/oder des Mantels 40 kommen jedoch auch andere Metalle, insbesondere Übergangsmetalle, oder das jeweilige Metall enthaltende Metalllegierungen in Frage. In ähnlicher Weise kommen als Mate¬ rial des zweiten Kernabschnitts 36 auch andere Nichtmetalle, insbesondere Halbleiter, in Frage. Der erste Kernabschnitt 34 ist somit in der Transversalrichtung y dünner als jede der anderen Schichten. Insbesondere ist der erste Kernabschnitt 34 dünner als der zweite Kernabschnitt 36. Der erste Abschnitt 41 des Mantels 40 ist hingegen dicker als der zweite Abschnitt des Mantels 42, um einerseits zu gewährleisten, dass die Grenzflächenrauigkeit zwischen dem ersten Abschnitt 41 des Mantels 40 und dem ersten Teil 37 des zweiten Kernabschnitts 36 zur verbesserten Totalreflexion am Mantel 40 gering ist. Andererseits können Elektronen 52 bei diesem Aufbau relativ leicht in den Kern 32 des Wellenleiters 30 eindringen, wenn sie wie in Fig. 1 gezeigt transversal zum Wellenleiter 30 in negativer y-Richtung eingestrahlt werden. Dadurch wird eine vergleichsweise intensive Röntgenemission aus der Röntgenquelle 10 reali¬ siert. The substrate is in this case a silicon wafer, but it may alternatively be made of a different material, which is adapted to an X-ray ¬ wear waveguide. The first section 41 of the jacket 40 is an approximately 40 nm thick copper layer, the first part 37 and the second part 38 of the second Kernab ¬ section 36 is each an approximately 20 nm thick carbon layer (here for example DLC, diamond-like carbon), the first core portion 34 is approximately 2 nm thick co ¬ baltschicht, the second portion 42 of the shell layer is an about 5 nm thick copper ¬. However, other metals, in particular transition metals, or metal alloys containing the respective metal can also be used as the material of the first core section 34 and / or of the jacket 40. Similarly, the second core portion 36 come as a mate rial ¬ also other non-metals, in particular semiconductors, in question. The first core section 34 is thus thinner in the transverse direction y than any of the other layers. In particular, the first core section 34 is thinner than the second core section 36. The first section 41 of the jacket 40, on the other hand, is thicker than the second section of the jacket 42 in order to ensure that the interface roughness between the first section 41 of the jacket 40 and the first Part 37 of the second core section 36 for improved total reflection on the cladding 40 is low. On the other hand, electrons 52 can relatively easily penetrate into the core 32 of the waveguide 30 with this structure if they are radiated transversely to the waveguide 30 in the negative y-direction, as shown in FIG. 1. Thus, a comparatively intensive X-ray emission from the X-ray source 10 is reali ¬ Siert.
Bei einer hier beispielhaft betrachteten Röntgenphotonenenergie von 10 keV liegt der Wert des Dekrements d des Materials des ersten Kernabschnitts 34 zwischen dem Wert des Dekrements d des Materials des Mantels 40 (oder zumindest eines der Abschnitte 41 und 42) und dem Wert des Dekrements d des Materials des zweiten Kernabschnitts 36 (oder zumindest eines der Teile 37 und 38). Bevorzugt ist hierbei, dass der Wert des Dekrements d des Materials des Mantels 40 (oder zumindest eines der Abschnitte 41 und 42) größer ist als der Wert des Dekrements d des Materials des zweiten Kernabschnitts 36 (oder zumindest eines der Teile 37 und 38), damit die Ausbildung der Moden im Wellenleiter 30 möglichst wenig gestört wird. Für die hier für den Mantel, den ersten Kernabschnitt und den zweiten Kernabschnitt verwende- ten Materialien gelten bei der oben genannten Röntgenphotonenenergie folgende Dekrement- Werte: Kupfer 1,62 x 105; Kohlenstoff (amorph) 4,57 x 106; Kobalt 1,67 x 105 (siehe Fig. 3a). With an X-ray photon energy of 10 keV considered here as an example, the value of the decrement d of the material of the first core section 34 lies between the value of the decrement d of the material of the cladding 40 (or at least one of the sections 41 and 42) and the value of the decrement d of the material of the second core section 36 (or at least one of the parts 37 and 38). It is preferred here that the value of the decrement d of the material of the jacket 40 (or at least one of the sections 41 and 42) is greater than the value of the decrement d of the material of the second core section 36 (or at least one of the parts 37 and 38), so that the formation of the modes in the waveguide 30 is disturbed as little as possible. For the here used for the jacket, the first core section and the second core section The following decrement values apply to the above mentioned X-ray photon energy: copper 1.62 x 10 5 ; Carbon (amorphous) 4.57 x 10 6 ; Cobalt 1.67 x 10 5 (see Fig. 3a).
Der Wellenleiter 30 aus den Figuren 1 und 2 ist, wie oben erläutert, ein eindimensio¬ naler Wellenleiter. Eine in den Figuren nicht gezeigte Modifikation dieser Röntgen quelle 10 aus Fig. 1 weist einen zweidimensionalen Wellenleiter auf, dessen Kern und Mantel im Querschnitt senkrecht zur Längsachse A im Wesentlichen (kreis-) ringför¬ mig ausgestaltet sind. Im die Längsachse A enthaltenen Längsschnitt sieht diese modifizierte Röntgenquelle aus wie in Fig. 1 gezeigt. Insofern gilt hier zur Röntgen¬ quelle 10 mit eindimensionalem Wellenleiter 30 Erläutertes analog für die modifizierte Röntgenquelle mit zweidimensionalem Wellenleiter. The waveguide 30 of Figures 1 and 2, as explained above, a eindimensio ¬ tional waveguide. A modification of this X-ray is not shown in the figures, source 10 of FIG. 1 has a two-dimensional waveguide whose core and cladding in cross section perpendicular to the longitudinal axis A is substantially (circular) ringför ¬ mig are configured. In the longitudinal section contained in the longitudinal axis A, this modified X-ray source looks as shown in FIG. 1. In this respect, what has been explained here applies analogously to the X-ray source 10 with a one-dimensional waveguide 30 for the modified X-ray source with a two-dimensional waveguide.
In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, dass die Elektronen 52 im Wesentlichen in nega tiver y-Richtung propagieren, bevor sie auf die Röntgenquelle 10 auftreffen. Der Elektronenstrahl ist dabei auf einen Teil des ersten Kernabschnitts 34 fokussiert. Wie in Fig. 1 gezeigt werden dadurch neben der Wellenleiter-Grundmode 60 (m=0) ins¬ besondere Wellenleiter-Moden 61, 62 mit Modenzahlen m=l bzw. m=2 angeregt. Durch Messung der Röntgenintensität mittels eines Halbleiter-Spektrometers 64 mit einem Eingangsspalt 66 kann die in Fig. 3b gezeigte Höhenwinkel-, 0r, abhängige Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung ermittelt werden. Eine derartige Messung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem Elektronen mit einer Energie von 35 keV aus einer Elektronenquelle für Röntgen-Mikrotomografie (hier: eine Elektronen¬ quelle aus der Röntgenquelle MetalJet® D2 der Firma Excillum AB, Kista, Schweden) mittels Elektronenoptik (hier die Elektronenoptik aus derselben Röntgenquelle Metal Jet® D2 der Firma Excillum AB, Kista, Schweden) auf einen ca. 10 pm großen Fleck in einem Abstand Dz von etwa 1 mm vom austrittseitigen Ende 54 des Wellenleiters 30 entlang der Längsachse A auf die geerdete Röntgenquelle 10 fokussiert werden. De facto ist hierbei die Röntgenanode der MetalJet® D2 durch die Röntgenquelle 10 ersetzt. In FIG. 1 it is shown schematically that the electrons 52 propagate essentially in the negative y-direction before they strike the X-ray source 10. The electron beam is focused on a part of the first core section 34. As shown in FIG. 1 in addition to the waveguide fundamental mode 60 (m = 0) into the other ¬ waveguide modes 61, 62 stimulated with mode numbers m = l and m = 2. By measuring the X-ray intensity by means of a semiconductor spectrometer 64 with an entrance slit 66, the elevation angle, 0r, dependent intensity distribution of the X-rays shown in FIG. 3b can be determined. Such measurement can for example be carried out by electrons with an energy of 35 keV from an electron source for X-ray microtomography (here: an electron ¬ source from the X-ray source MetalJet® D2 Company Excillum AB, Kista, Sweden) by means of electron optics (here, the Electron optics from the same X-ray source Metal Jet® D2 from Excillum AB, Kista, Sweden) focused on an approximately 10 μm large spot at a distance Dz of approximately 1 mm from the exit end 54 of the waveguide 30 along the longitudinal axis A onto the grounded X-ray source 10 will. In fact, the X-ray anode of the MetalJet® D2 has been replaced by the X-ray source 10.
Röntgenstrahlung kann dabei im ersten Kernabschnitt 34 des Wellenleiters 30 und/oder im Mantel 40, insbesondere im zweiten Abschnitt 42 des Mantels 40, er¬ zeugt und direkt in den Kern 32 des Wellenleiters 30 eingekoppelt werden. Die Fig. X-ray radiation can be in the first core portion 34 of the waveguide 30 and / or in the casing 40, in particular in the second section 42 of the jacket 40, it ¬ be generated and coupled directly into the core 32 of the waveguide 30th The fig.
3b zeigt dabei deutlich, dass mehrere Wellenleitermoden angeregt werden. Insbe¬ sondere ist eine Grundmode (m=0) bei der Röntgenquelle 10 aus Fig. 1 mit einem Intensitätsmaximum 70 bei 0f~5mrad und die Mode m=2 mit einem Intensitätsma- ximum 71 bei 0f~7mrad angeregt. Es sei angemerkt, dass die Röntgenstrahlung den Wellenleiter 30 nicht nur an seinem in der Längsrichtung z austrittseitigen Ende 54 verlässt, sondern auch wie in Fig. 1 angedeutet als (der Absorption durch das Mate rial des zweiten Abschnitts 42 des Mantels 40 unterliegende) evaneszente Welle durch den zweiten Abschnitt 42 des Mantels 40 hindurchtritt und auf der dem Kern 32 entgegengesetzten Seite des zweiten Abschnitts 42 des Mantels 40 aus dem Wel¬ lenleiter 30 austritt. 3b clearly shows that several waveguide modes are excited. In particular ¬ sondere is a fundamental mode (m = 0) in the X-ray source 10 of FIG. 1 with an intensity maximum 70 at 0 ~ f 5mrad and the mode m = 2 with a Intensitätsma- Maximum 71 excited at 0 f ~ 7mrad. It should be noted that the X-ray radiation leaves the waveguide 30 not only at its end 54 exiting in the longitudinal direction z, but also, as indicated in FIG. 1, as an evanescent wave (which is absorbed by the material of the second section 42 of the cladding 40) passing through the second section 42 of the jacket 40 and the core 32 on the opposite side of the second portion 42 of the sheath 40 from the lenleiter Wel ¬ exits 30th
Fig. 4 zeigt vier Diagramme mit Mess- und Simulationsergebnissen, aus denen er sichtlich ist, dass die Höhenwinkelabhängigkeit der Intensitätsverteilung der Rönt¬ genstrahlung mit dem Abstand Dz variiert und außerdem davon abhängt, ob die Röntgenstrahlung aus dem Mantel aus Kupfer oder dem ersten Kernabschnitt aus Kobalt stammt. Aus den Diagrammen ist auch ersichtlich, dass Simulationsergebnisse mit entsprechenden Messergebnissen übereinstimmen. Insbesondere zeigt das obere linke Diagramm aus Fig. 4 die gemessene Emission der Ka- und Kß-Übergänge des Materials des ersten Kernabschnitts 34 bei Elektronenbombardement (Kurve 82) und bei Anregung mittels Röntgen- oder Synchrotronstrahlung (Kurve 84) zusammen mit der entsprechenden Simulation (Kurve 86). Das Diagramm oben rechts zeigt die gemessene Emission der Ka-Linie des Materials des Mantels 40 bei Elektronenbom¬ bardement (Kurve 88) und bei Anregung mittels Röntgen- oder Synchrotronstrahlung (Kurve 90) sowie die entsprechende Simulation (Kurve 92). Die lokalen Intensitäts- maxima entsprechen den Moden (Kobalt: nur gerade Moden (m=0; m=2); Kupfer: gerade und ungerade Moden). Die unteren beiden Diagramme aus Fig. 4 zeigen die gemessene und die errechnete Intensitätsverteilung der Röntgenemission aus der dünnen Kobaltschicht (erster Kernabschnitt 34) für einen Abstand Dz von 35 pm und 350 pm. Auch hier bestätigen die Simulationsergebnisse die Messungen. Fig. 4 shows four charts with measurement and simulation results, from which it is clear that the elevation angle dependence of the intensity distribution of the Rönt ¬-radiation varies with the distance Dz and also depends on whether the X-ray radiation from the mantle of copper or the first core portion from Cobalt originates. The diagrams also show that the simulation results agree with the corresponding measurement results. In particular, the upper left diagram from FIG. 4 shows the measured emission of the Ka and Kß transitions of the material of the first core section 34 in the event of electron bombardment (curve 82) and in the event of excitation by means of X-ray or synchrotron radiation (curve 84) together with the corresponding simulation ( Curve 86). The diagram at the top right shows the measured emission of the Ka line of the material of the shell 40 with electron bomb ¬ bardement (curve 88) and with excitation by means of X-ray or synchrotron radiation (curve 90) and the corresponding simulation (curve 92). The local intensity maxima correspond to the modes (cobalt: only even modes (m = 0; m = 2); copper: even and odd modes). The lower two diagrams from FIG. 4 show the measured and the calculated intensity distribution of the X-ray emission from the thin cobalt layer (first core section 34) for a distance Dz of 35 μm and 350 μm. Here, too, the simulation results confirm the measurements.
Die Anregung der Moden und deren Ausbreitung in der Röntgenquelle, insbesondere im Wellenleiter, kann mittels Finite-Differenz-Simulation basierend auf dem Reziprozi tätstheorem berechnet werden. Die Finite-Differenz-Simulation kann, wie in der wis senschaftlichen Veröffentlichung von L. Melchior und T. Salditt, „Finite difference methods for stationary and time-dependent x-ray propagation", Opt. Express, 25: 32090, 2017 beschrieben, durchgeführt werden, deren Offenbarung betreffend die Finite-Differenz-Simulation hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Wie in Fig. 5 gezeigt, geht diese Simulation von einer unter einem Höhenwinkel 0PW eingestrahlten ebenen Welle 94 aus. Die interne Feldverteilung der Röntgenstrahlung in der Ebene E ist in Fig. 6a für Einstrahlung unter unterschiedlichen Höhenwinkeln 0PW gezeigt. Es lässt sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Austritt eines an bestimmter Stelle emittierten Röntgenphotons unter einem entsprechenden Höhenwinkel 0f aus der Röntgenquelle erkennen. The excitation of the modes and their propagation in the X-ray source, in particular in the waveguide, can be calculated by means of finite difference simulation based on the reciprocity theorem. The finite difference simulation can, as described in the scientific publication by L. Melchior and T. Salditt, "Finite difference methods for stationary and time-dependent x-ray propagation", Opt. Express, 25: 32090, 2017, 5, this simulation assumes a plane wave 94 irradiated at an elevation angle 0PW 6a for irradiation at different elevation angles 0PW the probability distribution for the exit of an X-ray photon emitted at a certain point at a corresponding elevation angle 0 f can be seen from the X-ray source.
Eine Röntgenquelle 10 mit mehreren eindimensionalen Wellenleitern 30 ist in den Fign. 7a und 7b gezeigt. Jeder Wellenleiter 30 kann beliebige, insbesondere alle, Merkmale des Wellenleiters 30 aus der Röntgenquelle 10 aufweisen. Die Wellenleiter 30 sind als Wellenleiter-Stack auf dem Substrat 20 positioniert. Aneinander angren¬ zende Wellenleiter 30 können sich dabei im Bereich der Grenze zwischen ihnen einen Abschnitt des Mantels teilen. D.h., ein Kern 32 eines zweiten Wellenleiters 30 kann unmittelbar an den zweiten Abschnitt 42 des Mantels 40 eines ersten, zum Substrat benachbarten Wellenleiters 30 angrenzen. Die Materialien der Röntgenquelle 10 aus Fig. 7 können die Materialien der Röntgenquelle 10 aus Fig. 1 sein. Alternativ kann statt Kupfer beispielsweise Nickel und statt Kobalt beispielsweise Eisen verwendet werden. In diesem Fall ergibt sich folgende bevorzugte Schichtfolge auf dem Silizi¬ umsubstrat: [Ni (etwa 10 nm) | C (etwa 24,5 nm) | Fe (etwa 1 nm) | C (etwa 24,5 nm)]n, wobei n die Anzahl der Wellenleiter ist. Der Wert n kann mindestens 2 betra¬ gen. Bei der Röntgenquelle 10 aus Fig. 7 ist n=50. An X-ray source 10 with a plurality of one-dimensional waveguides 30 is shown in FIGS. 7a and 7b shown. Each waveguide 30 can have any, in particular all, features of the waveguide 30 from the x-ray source 10. The waveguides 30 are positioned on the substrate 20 as a waveguide stack. Together angren ¬ collapsing waveguide 30 of the boundary between them can share a portion of the shell is in the range. That is, a core 32 of a second waveguide 30 can directly adjoin the second section 42 of the cladding 40 of a first waveguide 30 adjacent to the substrate. The materials of the X-ray source 10 from FIG. 7 can be the materials of the X-ray source 10 from FIG. 1. Alternatively, instead of copper, for example, nickel and instead of cobalt, for example, iron. In this case, the following preferred layer sequence results on the silicon ¬ umsubstrat: [Ni (about 10 nm) | C (about 24.5 nm) | Fe (about 1 nm) | C (about 24.5 nm)] n , where n is the number of waveguides. N may be the value of at least 2 Betra ¬ gene. In the X-ray source 10 of FIG. 7 is n = 50.
Für die Röntgenquelle 10 mit oben genannter bevorzugter Schichtfolge ist die Rönt¬ genfluoreszenz-Intensitätsverteilung bei Einstrahlung von fokussierter Synchrotron strahlung unter verschiedenen Höhenwinkeln 0f in Fig. 8 dargestellt. Die Abbildung a) der Fig. 8 zeigt eine Verteilung der Eisen-K-Fluoreszenz auf einem Detektor MÖNCH3 (des Paul Scherrer Instituts, Villigen, Schweiz; siehe M. Ramilli et al, „Measurements with MÖNCH, a 25pm pixel pitch hybrid pixel detector", J. Instrum., 12: C01071- C01071, 2017, dessen Offenbarung betreffend den Detektor MÖNCH hier durch Be zugnahme aufgenommen ist). Insbesondere sind in dieser Verteilungsintensität Peaks und Modellierung als Funktion des Austrittswinkels (Höhenwinkels) 0f gezeigt. Die Abbildung b) zeigt die entsprechend aufsummierte Intensitätsverteilung als Funktion des Austrittswinkels (Höhenwinkels). Die Abhängigkeit der Intensitätsverteilung über den Austrittswinkel vom Abstand Dz ist in der Abbildung c) gezeigt. Die Abbildung d) zeigt schließlich eine deutliche Übereinstimmung der Messergebnisse mit entspre¬ chenden Simulationsergebnissen basierend auf dem Reziprozitätstheorem. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, wird mittels der hier offenbarten Röntgenquellen 10, für die die Röntgenquelle 10 aus Fig. 7 mit der bevorzugten Schichtfolge repräsentativ ist, bei Bombardierung der Röntgenquelle 10 mit Elektronen nicht nur charakteristische Röntgenstrahlung (in Fig. 9: Fe-Ka-Strahlung 96, Ni-Ka-Strahlung 97, Ni-Kß- Strahlung 98), sondern auch Bremsstrahlung 99 emittiert. For the X-ray source 10 with above preferred layer sequence is the Rönt ¬ genfluoreszenz-intensity distribution when irradiation of focused Synchrotron radiation under different elevation angles 0 f in FIG. 8. Figure a) of FIG. 8 shows a distribution of the iron-K fluorescence on a detector MÖNCH3 (from the Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland; see M. Ramilli et al, “Measurements with MÖNCH, a 25pm pixel pitch hybrid pixel detector ", J. Instrum., 12: C01071- C01071, 2017, the disclosure of which relating to the MÖNCH detector is hereby incorporated by reference). In particular, this distribution intensity shows peaks and modeling as a function of the exit angle (elevation angle) 0 f . The figure b) shows the corresponding cumulative intensity distribution as a function of the exit angle (elevation angle). the dependence of the intensity distribution over the exit angle of the distance Dz is shown in the figure c). the figure d) shows, finally, a substantial coincidence of the measurement results with entspre ¬ sponding simulation results based As can be seen from FIG. 9, by means of the X-ray sources 10 disclosed here , for which the X-ray source 10 from FIG. 7 with the preferred layer sequence is representative, not only characteristic ones when the X-ray source 10 is bombarded with electrons X-rays (in Fig. 9: Fe-Ka-radiation 96, Ni-Ka-radiation 97, Ni-Kß-radiation 98), but also bremsstrahlung 99 emitted.
In einer Röntgenquelle 10 mit einer anderen, ebenfalls bevorzugten Schichtfolge auf dem Siliziumsubstrat von [Mo (etwa 25 nm) | C (etwa 16 nm) | Mo (etwa 1 nm) | C (etwa 16 nm)]n, mit oben genannten Werten für n (hier zum Beispiel 30), ist die Abhängigkeit der durch Elektronenbombardement erzeugten Molybdän- Fluoreszenzintensität vom Abstand Dz zwischen dem Ort der Einstrahlung und dem austrittseitigen Ende 54 in Fig. 10 abgebildet. Die abgebildete Intensitätsverteilung ist hinsichtlich Selbstabsorption der emittierten Fluoreszenz durch das Substrat korri giert. Es ist ersichtlich, dass die Intensität mit wachsendem Abstand Dz deutlich abnimmt. In an X-ray source 10 with a different, likewise preferred layer sequence on the silicon substrate of [Mo (about 25 nm) | C (about 16 nm) | Mo (about 1 nm) | C (about 16 nm)] n , with the above-mentioned values for n (here for example 30), the dependence of the molybdenum fluorescence intensity generated by electron bombardment on the distance Dz between the point of irradiation and the exit end 54 is shown in FIG . The intensity distribution shown is corrected for self-absorption of the emitted fluorescence by the substrate. It can be seen that the intensity clearly decreases with increasing distance Dz.
Eine Röntgenquelle 10 mit mehreren zweidimensionalen Wellenleitern 30 ist in den Fign. 11a und 11b gezeigt, wobei der erste Kernabschnitt jeweils der Übersichtlich¬ keit halber weggelassen wurde. Jeder der zweidimensionalen Wellenleiter 30 kann hier beliebige, insbesondere alle, Merkmale des Wellenleiters 30 aus der Röntgen¬ quelle 10 aufweisen. Die zweidimensionalen Wellenleiter 30 können, wie in den Figu ren dargestellt, periodisch innerhalb eines Abschnitts mit optional im Wesentlichen sechseckiger Grundfläche in der Transversalebene (der x-y-Ebene) ausgebildet sein. Die Wellenleiter 30 können im Substrat 20 im Wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildet und/oder in im Wesentlichen gleichen Abständen zueinander angeordnet sein. In den Figuren 11a und 11b ist außerdem gezeigt, dass die Elektronen 52 in Längsrichtung (entlang der Achse z) auf die Röntgenquelle 10 eingestrahlt werden können. Die Röntgenstrahlung 50 verlässt die Röntgenquelle austrittsseitig ebenfalls in Längsrichtung. An X-ray source 10 with a plurality of two-dimensional waveguides 30 is shown in FIGS. 11A and 11B, the first core portion of each of the Clearly ¬ ness has been omitted for clarity. Each of the two-dimensional waveguide 30 may be any here, in particular all, features of the waveguide 30 from the X-ray source 10 having ¬. As shown in the figures, the two-dimensional waveguides 30 can be formed periodically within a section with an optionally essentially hexagonal base area in the transverse plane (the xy plane). The waveguides 30 can be embodied in the substrate 20 in an essentially cylindrically symmetrical manner and / or can be arranged at essentially the same distances from one another. FIGS. 11 a and 11 b also show that the electrons 52 can be irradiated onto the X-ray source 10 in the longitudinal direction (along the axis z). The x-ray radiation 50 also leaves the x-ray source on the exit side in the longitudinal direction.
Eine weitere Variante einer Röntgenquelle 10 mit einem eindimensionalen Wellenlei¬ ter 30, hier in Form einer Drehanode, ist in Fig. 12 abgebildet. Vorzugsweise treffen die Elektronen hier parallel zur Drehachse der Drehanode auf den Wellenleiter auf. Auch hier wurde der erste Kernabschnitt der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Der Wellenleiter 30 der Röntgenquelle aus Fig. 12 kann beliebige, insbesondere alle, Merkmale des Wellenleiters 30 aus der Röntgenquelle 10 aufweisen. Durch die Rota¬ tion der Röntgenquelle 10 wandert der Ort im Koordinatensystem der sich drehenden Röntgenquelle 10, an dem die Elektronen 52 den ersten Kernabschnitt 34 bombardie¬ ren, entlang einer Kreisbahn, sodass vorteilhafterweise größere Elektronenströme verwendet und entsprechend höhere Röntgenintensitäten erreicht werden können. Die hier beschriebenen Röntgenquellen sind dazu eingerichtet, Strahlung in einem oder mehreren Winkelbereichen mit Abmessungen unterhalb von etwa 10 mrad zu emittieren. Die Effizienz der Erzeugung der Röntgenstrahlung ist bei erfindungsge mäßen Röntgenquellen wesentlich höher als bei herkömmlichen Systemen zur Erzeu gung von Röntgenstrahlung, bei denen die Röntgenstrahlung außerhalb des Wellenleiters erzeugt und dann in einen Wellenleiter eingekoppelt wird. Die Röntgen¬ quellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnen sich daher nicht nur durch eine kleine und kompakte Bauweise sondern auch durch hohe Brillianz aus. Mit den hier vorgeschlagenen Röntgenquellen kann die Photonenausbeute in einem Phasenraum volumen, das durch die Austrittsfläche (Quellfläche) und den Raumwinkel der Ab¬ strahlung der Wellenleitermoden definiert ist, um einen Faktor von 10 bis 100 für eindimensionale Wellenleiter und 100 bis 10.000 für zweidimensionale Wellenleiter gesteigert werden. Die erfindungsgemäße Röntgenquelle weist entsprechend eine vergleichsweise hohe Phasenraumdichte und Kohärenz auf. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung, vielfältige Röntgenanalysen (beispielsweise mittels Röntgen- Mikrotomografie) im Labor durchzuführen, für die bislang Synchrotronquellen erfor derlich waren. A further variant of an X-ray source 10 having a one-dimensional Wellenlei ¬ ter 30, here in the form of a rotating anode, is depicted in Fig. 12. The electrons here preferably strike the waveguide parallel to the axis of rotation of the rotating anode. Here, too, the first core section has been omitted for the sake of clarity. The waveguide 30 of the x-ray source from FIG. 12 can have any, in particular all, features of the waveguide 30 from the x-ray source 10. By Rota ¬ X-ray source tion 10 moves the place in the coordinate system of the rotating X-ray source 10 at which the electrons 52 of the first core portion ren 34 bombardie ¬, used along a circular path, so that advantageously larger electron currents and correspondingly higher X-ray intensities can be achieved. The X-ray sources described here are set up to emit radiation in one or more angular ranges with dimensions below approximately 10 mrad. The efficiency of the generation of the X-ray radiation is significantly higher with erfindungsge MAESSEN X-ray sources than in conventional systems for the generation of X-ray radiation, in which the X-ray radiation is generated outside the waveguide and then coupled into a waveguide. The X ¬ sources according to the present invention therefore are distinguished not only by a small and compact design but also by high brilliance. The proposed here X-ray sources, the photon yield, in a phase space volume defined by the exit face (source area) and the solid angle of from ¬ radiation of the waveguide modes is defined, increased by a factor of 10 to 100 for one-dimensional waveguide and 100 to 10,000 for two-dimensional waveguide will. The X-ray source according to the invention accordingly has a comparatively high phase space density and coherence. Therefore, the present invention enables various X-ray analyzes (for example by means of X-ray microtomography) to be carried out in the laboratory, for which synchrotron sources were previously necessary.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Röntgenquelle (10) mit mindestens einem Wellenleiter (30) für Röntgenstrahlen, wobei der mindestens eine Wellenleiter (30) einen Kern (32) sowie einen den Kern (32) umgebenden Mantel (40) aufweist, und wobei zumindest ein Teil des Wellenleiters (30) dazu eingerichtet ist, Röntgen¬ strahlung (50) zu emittieren, wenn der Teil des Wellenleiters (30) mit Elektronen (52) bombardiert wird. 1. X-ray source (10) with at least one waveguide (30) for X-rays, the at least one waveguide (30) having a core (32) and a cladding (40) surrounding the core (32), and at least part of the waveguide is set up (30) to X-ray radiation-¬ (50) to emit when the part of the waveguide (30) is being bombarded with electrons (52).
2. Röntgenquelle (10) nach Anspruch 1, wobei der Kern (32) einen ersten Kernabschnitt (34) und einen zweiten Kern abschnitt (36) aufweist, wobei der Teil des Wellenleiters (30) den ersten Kernab¬ schnitt (34) enthält. 2. X-ray source (10) according to claim 1, wherein the core (32) has a first core section (34) and a second core section (36), wherein the part of the waveguide (30) contains the first Kernab ¬ section (34).
3. Röntgenquelle (10) nach Anspruch 2, wobei der erste Kernabschnitt (34) dünner ist als der zweite Kernabschnitt3. X-ray source (10) according to claim 2, wherein the first core section (34) is thinner than the second core section
(36), und/oder wobei der erste Kernabschnitt (34) ein geringeres Volumen aufweist als der zweite Kernabschnitt (36). (36), and / or wherein the first core section (34) has a smaller volume than the second core section (36).
4. Röntgenquelle (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Kernabschnitt (34) ein anderes Material aufweist als der zwei¬ te Kernabschnitt (36), und/oder wobei das Material des ersten Kernabschnitts (34) ein Metall, vor¬ zugsweise ein Übergangsmetall, oder eine das Metall enthaltende Metalllegierung ist, und/oder wobei das Material des zweiten Kernabschnitts (36) ein Nichtmetall ist. 4. X-ray source (10) according to claim 2 or 3, wherein the first core section (34) has a different material than the two ¬ te core section (36), and / or wherein the material of the first core section (34) is a metal, before ¬ is preferably a transition metal, or a metal alloy containing the metal, and / or wherein the material of the second core section (36) is a non-metal.
5. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Material des ersten Kernabschnitts (34) Elemente mit einer ersten Kernladungszahl aufweist und das Material des zweiten Kernabschnitts (36) Elemente mit einer zweiten Kernladungszahl aufweist, wobei die erste Kernladungszahl von der zweiten Kernladungszahl abweicht, wobei die erste Kernladungszahl insbesondere größer ist als die zweite Kernladungszahl, wobei die erste Kernladungszahl bevorzugt mindestens 16 oder mindestens 22 beträgt, und/oder wobei die zweite Kernladungszahl bevorzugt höchstens 15 oder höchstens 6 beträgt. 5. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 4, wherein the material of the first core section (34) has elements with a first atomic number and the material of the second core section (36) has elements with a second atomic number, the first atomic number of differs from the second atomic number, wherein the first atomic number is in particular greater than the second atomic number, wherein the first atomic number is preferably at least 16 or at least 22, and / or wherein the second atomic number is preferably at most 15 or at most 6.
6. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Material des ersten Kernabschnitts (34) ein oder mehrere Elemente aus der folgenden Gruppe aufweist: Kobalt, Kupfer, Molybdän, Nickel, Chrom, Eisen, Silber, Tantal, Platin, Gold, Wolfram, und/oder wobei das Material des Mantels (40) ein oder mehrere Elemente aus der folgenden Gruppe aufweist: Kobalt, Kupfer, Molybdän, Nickel, Chrom, Eisen, Silber, Tantal, Platin, Gold, Wolfram, und/oder wobei das Material des zweiten Kernabschnitts (36) ein oder mehre¬ re Elemente aus der folgenden Gruppe aufweist: Kohlenstoff, Bor, Beryllium, Alumi¬ nium, Magnesium, Silizium. 6. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 5, wherein the material of the first core section (34) has one or more elements from the following group: cobalt, copper, molybdenum, nickel, chromium, iron, silver, tantalum, platinum , Gold, tungsten, and / or wherein the material of the jacket (40) has one or more elements from the following group: cobalt, copper, molybdenum, nickel, chromium, iron, silver, tantalum, platinum, gold, tungsten, and / or wherein the material of the second core portion (36) having one or several re ¬ elements from the following group: carbon, boron, beryllium, aluminum s ¬ nium, magnesium, silicon.
7. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Material des ersten Kernabschnitts (34), das Material des zweiten Kernabschnitts (36) und/oder das Material des Mantels (40) jeweils einen Brechungs¬ index für Röntgenstrahlung (50) aufweist, für dessen Realteil folgende Formel gilt: n=l-6, wobei d das Dekrement für den ersten beziehungsweise den zweiten Kernab¬ schnitt (36) ist, um das der Realteil des jeweiligen Brechungsindex für Röntgenstrah¬ lung (50) mit einer Photonenenergie von lOkeV von 1 abweicht. 7. X-ray source (10) according to any one of claims 2 to 6, wherein the material of the first core portion (34), the material of the second core portion (36) and / or the material of the sheath (40) each have a refractive ¬ index for X-ray radiation ( comprising 50) applies to the real part of following formula: n = l-6, wherein d the decrement for the first and the second Kernab ¬ cut (36) by which the real part of the respective refractive index for X-Ray ¬ lung (50) a photon energy of 10EV deviates from 1.
8. Röntgenquelle (10) nach Anspruch 7, wobei der Wert des Dekrements d des Materials des ersten Kernabschnitts (34) um mindestens 20%, mindestens 50% oder mindestens 100% des Werts des Dekrements d des Materials des zweiten Kernabschnitts (36) größer als letzterer ist, und/oder wobei das Dekrement d des Materials des ersten Kernabschnitts (34) und/oder des Materials des Mantels (40) mindestens lxlO 7, mindestens 5xl07, min¬ destens lxlO 6 oder mindestens 5xl06 beträgt, und/oder wobei das Dekrement d des Materials des zweiten Kernabschnitts (36) höchstens 5xl05, höchstens 3xl05, höchstens lxlO 5 oder höchstens 5xl06 beträgt. 8. X-ray source (10) according to claim 7, wherein the value of the decrement d of the material of the first core section (34) is greater by at least 20%, at least 50% or at least 100% of the value of the decrement d of the material of the second core section (36) than the latter, and / or wherein the decrement d of the material of the first core portion (34) and / or the material of the jacket (40) at least lxlO is 7, at least 5xl0 7 min ¬ least lxlO 6 or at least 5xl0 6, and / or wherein the decrement d of the material of the second core section (36) is at most 5 × 10 5, at most 3 × 10 5 , at most 1 × 10 5 or at most 5 × 10 6 .
9. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Dicke des ersten Kernabschnitts (34) höchstens 50%, höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 15%, der Dicke des zweiten Kernabschnitts (36) be¬ trägt, wobei der erste Kernabschnitt (34) vorzugsweise höchstens 15 nm oder höchstens 10 nm dick ist, und/oder wobei die Dicke des zweiten Kernabschnitts (36) vorzugsweise 10 nm bis 400 nm, höchstvorzugsweise 20 nm bis 200 nm beträgt. 9. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 8, wherein the thickness of the first core portion (34) is at most 50%, at most 30%, most preferably 15%, of the thickness of the second core portion (36) be ¬, wherein the first core portion (34) preferably at most 15 nm or at most 10 nm thick and / or wherein the thickness of the second core section (36) is preferably 10 nm to 400 nm, most preferably 20 nm to 200 nm.
10. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der erste Kernabschnitt (34) gegenüber dem Mantel (40) beabstandet angeordnet ist, und/oder wobei der erste Kernabschnitt (34) bei Betrachtung in einer Quer schnittsebene des Wellenleiters (30) in der Mitte des zweiten Kernabschnitts (36) angeordnet ist, und/oder wobei der Mantel (40) auf einer Seite des Kerns (32) dicker als auf der anderen Seite des Kerns (32) ist. 10. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 9, wherein the first core section (34) is arranged at a distance from the cladding (40), and / or wherein the first core section (34) when viewed in a cross-sectional plane of the waveguide ( 30) is arranged in the middle of the second core section (36), and / or wherein the jacket (40) is thicker on one side of the core (32) than on the other side of the core (32).
11. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der mindestens eine Wellenleiter (30) ein zweidimensionaler Wellenleiter mit im Wesentlichen kreisförmigem, ovalem, mehreckigem, insbesondere rechtecki gem oder quadratischem, Querschnitt ist, oder wobei der mindestens eine Wellenleiter (30) ein eindimensionaler Wellenleiter ist, dessen Kern (32) und Mantel (40) schichtförmig ausgestaltet sind. 11. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 10, wherein the at least one waveguide (30) is a two-dimensional waveguide with a substantially circular, oval, polygonal, in particular rectangular or square, cross section, or wherein the at least one waveguide ( 30) is a one-dimensional waveguide, the core (32) and cladding (40) of which are configured in layers.
12. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Anzahl der Wellenleiter (30) mindestens zwei beträgt, wobei die Wellenleiter (30) vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind. 12. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 11, wherein the number of waveguides (30) is at least two, wherein the waveguides (30) are preferably arranged parallel to one another.
13. Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der Teil des Wellenleiters (30) zumindest einen Teil des Mantels (40), insbesondere den ganzen Mantel (40), enthält, und/oder wobei der Teil des Wellenleiters (30) den Kern (32) enthält. 13. X-ray source (10) according to one of claims 2 to 12, wherein the part of the waveguide (30) contains at least part of the sheath (40), in particular the entire sheath (40), and / or wherein the part of the waveguide ( 30) contains the core (32).
14. System zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (50), umfassend einen Vakuumbehälter, eine im Vakuumbehälter angeordnete Röntgenquelle (10) nach einem der vor hergehenden Ansprüche und eine im Vakuumbehälter angeordnete Elektronenquelle, die dazu eingerichtet ist, Elektronen (52) ins Vakuum zu emittieren und auf die Röntgenquelle (10) zu strahlen. 14. System for generating X-ray radiation (50), comprising a vacuum container, an X-ray source (10) according to one of the preceding claims and arranged in the vacuum container an electron source arranged in the vacuum container, which is set up to emit electrons (52) into the vacuum and to radiate them onto the X-ray source (10).
15. Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (50) mit folgenden Schritten: 15. A method for generating X-rays (50) with the following steps:
- Bereitstellen einer Röntgenquelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder eines Systems nach Anspruch 14, und - providing an X-ray source (10) according to one of claims 1 to 13 or a system according to claim 14, and
- Bestrahlen zumindest des zum Emittieren der Röntgenstrahlung eingerichte ten Teils des Wellenleiters (30) der Röntgenquelle (10) mit Synchrotronstrah¬ lung, mit Ionen, insbesondere mit hochenergetischen Ionen, mit Laserpulsen, insbesondere mit ultrakurzen und/oder fokussierten Laserpulsen, um die Röntgenstrahlung (50) zu erzeugen, und/oder Bombardieren zumindest des zum Emittieren der Röntgenstrahlung eingerichteten Teils des Wellenleiters (30) der Röntgenquelle (10) mit Elektronen (52), um die Röntgenstrahlung (50) zu erzeugen. - irradiating at least the X-ray source (10) development of the inserted judge for emitting the X-rays th part of the waveguide (30) having Synchrotronstrah ¬, with ions, in particular with high-energy ions with laser pulses, in particular with ultra-short and / or focused laser pulses to the X-ray radiation ( 50) and / or bombarding at least that part of the waveguide (30) of the X-ray source (10) set up to emit the X-ray radiation with electrons (52) in order to generate the X-ray radiation (50).
EP21717064.6A 2020-04-08 2021-04-07 X-ray source and system and method for generating x-ray radiation Pending EP4133513A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020109906.1A DE102020109906B4 (en) 2020-04-08 2020-04-08 X-ray source and system and method for generating X-rays
PCT/EP2021/059013 WO2021204846A1 (en) 2020-04-08 2021-04-07 X-ray source and system and method for generating x-ray radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4133513A1 true EP4133513A1 (en) 2023-02-15

Family

ID=75426610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21717064.6A Pending EP4133513A1 (en) 2020-04-08 2021-04-07 X-ray source and system and method for generating x-ray radiation

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230145938A1 (en)
EP (1) EP4133513A1 (en)
JP (1) JP2023521401A (en)
DE (1) DE102020109906B4 (en)
WO (1) WO2021204846A1 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010002778B4 (en) 2010-03-11 2012-03-22 Georg-August-Universität Göttingen Stiftung Öffentlichen Rechts Confocal multi-filament X-ray waveguide, as well as methods for its production and method for imaging
JP5783785B2 (en) 2010-06-02 2015-09-24 キヤノン株式会社 X-ray waveguide
JP2013064628A (en) 2011-09-16 2013-04-11 Canon Inc X-ray waveguide system

Also Published As

Publication number Publication date
US20230145938A1 (en) 2023-05-11
DE102020109906B4 (en) 2021-11-18
JP2023521401A (en) 2023-05-24
WO2021204846A1 (en) 2021-10-14
DE102020109906A1 (en) 2021-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2727907C2 (en)
DE102009003673B4 (en) Electron source based on field emitters with minimized beam emittance growth
DE112019004433T5 (en) SYSTEM AND PROCEDURE FOR X-RAY FLUORESCENCE WITH FILTERING
DE112011102783B4 (en) Thick-walled targets for transmission X-ray tubes
DE112019004478T5 (en) SYSTEM AND PROCEDURE FOR X-RAY ANALYSIS WITH SELECTABLE DEPTH
WO2003081631A1 (en) X-ray source having a small focal spot
EP1783809A2 (en) Nanofocus x-ray tube
DE102008007413A1 (en) X-ray target
DE202005017496U1 (en) Target for a microfocus or nanofocus X-ray tube
DE102010061584A1 (en) X-ray cathode and method of making the same
DE112009001604T5 (en) Thermionic emitter for controlling the electron beam profile in two dimensions
DE19544203A1 (en) X-ray tube, in particular microfocus X-ray tube
DE112019003777T5 (en) X-RAY REFLECTION SOURCE WITH HIGH BRIGHTNESS
TW201638985A (en) Composite target and X-ray tube with the composite target
DE19510047A1 (en) X-ray tube anode, e.g. for electron beam tomography
DE102010028994A1 (en) Generation of short-wave ultrashort light pulses and their use
Bagchi et al. Hot ion generation from nanostructured surfaces under intense femtosecond laser irradiation
WO2021204846A1 (en) X-ray source and system and method for generating x-ray radiation
WO2013007484A1 (en) Monochromatic x-ray source
DE4424135C2 (en) Measuring device for electromagnetic waves
DE102013220189A1 (en) X-ray source and method for generating X-ray radiation
EP2301042B1 (en) X-ray target and a method for producing x-rays
WO2020052773A1 (en) Component or electron capture sleeve for an x-ray tube and x-ray tube having such a device
DE102010002778B4 (en) Confocal multi-filament X-ray waveguide, as well as methods for its production and method for imaging
Fialin et al. Extending the Possibilities of Soft X‐Ray Spectrometry Through the Etching of Layered Synthetic Microstructure Monochromators

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20221006

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)