WO2010020490A2 - Röntgenquelle - Google Patents

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WO2010020490A2
WO2010020490A2 PCT/EP2009/059159 EP2009059159W WO2010020490A2 WO 2010020490 A2 WO2010020490 A2 WO 2010020490A2 EP 2009059159 W EP2009059159 W EP 2009059159W WO 2010020490 A2 WO2010020490 A2 WO 2010020490A2
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ray source
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laser radiation
linearly polarized
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Dietrich Habs
Peter Schardt
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Siemens Aktiengesellschaft
Ludwig-Maximilians-Universität
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • 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
    • G21K2207/00—Particular details of imaging devices or methods using ionizing electromagnetic radiation such as X-rays or gamma rays
    • G21K2207/005—Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast

Definitions

  • the invention relates to an X-ray source.
  • phase contrast recordings with the highest spatial resolution and simultaneously short exposure times are to be made possible.
  • Such an X-ray source would have to have the following properties:
  • the known x-ray tubes always have a predominantly polychromatic spectrum and a relatively large focal spot with a high x-ray flux.
  • fluorescence emitters have monochromatic lines in their spectrum, they have only a very small X-ray flux.
  • synchrotrons meet the aforementioned conditions 1 to 3 and 5, but are extremely large and expensive
  • X-ray sources that exploit the Compton backscattering process use high-frequency linear accelerators and do not achieve sufficient X-ray flux due to insufficient charge density in the interaction point or in the interaction zone.
  • Such an X-ray source is known, for example, from US Pat. No. 7,295,653 B2.
  • Other x-ray sources utilizing the Compton backscattering process use high intensity lasers to accelerate the electrons before interacting with a second laser pulse.
  • the electron density is low, also have accelerated by the laser electrons a wide energy distribution, so a correspondingly wide energy sharpness. The monochromaticity thus obtained is not sufficient.
  • the object of the present invention is to provide a compact X-ray source which, with a significantly lower radiation exposure for patients, provides X-ray images with improved resolution.
  • the X-ray source according to claim 1 comprises at least one laser source with at least one laser having an oscillator and at least one amplifier stage, wherein the laser source linearly polarized laser radiation with very short, high-intensity laser pulses and a circularly polarized laser radiation with very short, high intensity Generates laser pulses, and wherein the linearly polarized laser pulses and the circularly polarized laser pulses are matched in time and space, - at least one electron source with a target, in which when bombarded with the circularly polarized laser radiation electrons released and out of the target accelerated out to a defined primary energy, at least a three-dimensional interaction zone in which the electrons released from the target and the linearly polarized laser radiation interact with each other via a Compton backscattering process and thereby produce monochromatic X-rays.
  • both the laser pulses of the linearly polarized laser radiation and the laser pulses of the circularly polarized laser radiation have very short pulse durations.
  • the pulse duration is in each case between approximately 1 fs (10 -15 s) and approximately 1 ps (10 -12 s), with a pulse duration between 5 fs and 30 fs being particularly advantageous.
  • the repetition rate of the laser pulses is preferably between about 1 Hz and about 1 MHz, typically between 10 kHz and 100 kHz.
  • both the laser pulses of the linearly polarized laser radiation and the laser pulses of the circularly polarized laser radiation are high-intensity laser pulses.
  • the x-ray flux is about 10 5 to 10 12 , typically 10 9 photons per second and mrad 2 .
  • the high-intensity laser pulses preferably each have a power density between approximately
  • the wavelength of the linearly polarized laser radiation and the circularly polarized laser radiation is in each case preferably approximately between approximately 0.1 ⁇ m and approximately 2.0 ⁇ m, in particular at a wavelength of approximately 1.0 ⁇ m.
  • the energy of the linearly polarized laser radiation and the circularly polarized laser radiation is advantageously between about 10 mJ and about 10 J, preferred energy values being between about 0.1 J and about 1.0 J.
  • the primary energy to which the electrons released from the target are released by exposure to the circularly polarized laser radiation is determined by the layer thickness and the material of the target as well as the properties of the laser beam and the focusing of the laser beam on the target.
  • the electrons released from the target In order to facilitate the interaction via the Compton backscatter process, the electrons released from the target must have an energy of about 10 MeV to about 100 MeV.
  • the energy of the linearly polarized laser radiation can be adjusted so that the energy of the X-ray radiation generated in this case is in a preferred range for medical applications between 10 keV and 90 keV.
  • different energies of the x-ray radiation can be realized for other applications, for example for non-medical applications.
  • the surface in which the interaction process between the electrons released from the target and photons of the linearly polarized laser radiation takes place is vertical arranged to the direction of the linearly polarized laser radiation and has approximately a side length of 10 .mu.m to 100 .mu.m.
  • the X-ray generated by the X-ray source according to claim 1 has a high energy sharpness, i. a narrow power distribution, and due to its high monochromaticity and its small source size enables phase-contrast imaging (imaging containing the phase information) with a high resolution, resulting in a 50 times lower radiation exposure to the patient.
  • phase-contrast imaging imaging containing the phase information
  • a conventional X-ray source only absorption contrast imaging (imaging by shadow imaging) with a significantly higher radiation exposure is possible because the photons are absorbed in the body of the patient.
  • significantly improved imaging is ensured while at the same time substantially reducing radiation exposure.
  • the X-ray source is ideally suited for clinical applications.
  • the space requirement in the inventive only about 3 m - 5 m.
  • the linearly polarized laser radiation and the circularly polarized laser radiation can be produced according to the embodiment of claim 2 or according to an alternative of claim 3.
  • the laser source comprises at least one adjustable beam splitter with which a part of the linearly polarized laser radiation is decoupled, and at least one circular polarizer which converts the decoupled linearly polarized laser radiation into a circulating beam.
  • lar polarized laser radiation converts.
  • the circular polarizer can in this case be designed, for example, as a ⁇ / 4 plate (claim 4) or as a phase-rotating mirror (claim 5).
  • the laser source comprises at least a first laser, which generates the circularly polarized laser radiation, and at least one second laser, which generates the linearly polarized laser radiation.
  • a delay path is arranged according to a preferred embodiment according to claim 6 in the beam path of the linearly polarized laser radiation.
  • a frequency-doubling crystal is arranged in the beam path of the linearly polarized laser radiation, several distinctly separated wavelengths of the second laser pulse can also be used to generate a plurality of sharply separated x-ray energies shortly after each other.
  • time-resolved subtraction images as they are carried out for the representation of vessels with contrast agent.
  • contrast agent examinations on the heart due to the sufficient time resolution.
  • the laser is designed as a solid-state laser.
  • Such lasers are capable of generating very short high intensity laser pulses. Examples include the neodymium YAG laser and the titanium sapphire laser, the titanium sapphire laser allows much higher repetition rates.
  • the embodiment of an X-ray source according to the invention shown in the single figure comprises a laser source 1 with a laser 2, which has an oscillator and at least one amplifier stage.
  • the oscillator and the at least one amplifier stage are not shown for reasons of clarity.
  • the laser source 1 generates a linearly polarized laser radiation 3 with very short, high-intensity laser pulses.
  • the laser source 1 further comprises an adjustable beam splitter 4, with which a part 5 of the linearly polarized laser radiation 3 is coupled out.
  • the decoupled linearly polarized laser radiation 5 is converted into a circular polarizer 6 (e.g., ⁇ / 4 plate) into a circularly polarized laser radiation 7 which also has very short, high intensity laser pulses.
  • a circular polarizer 6 e.g., ⁇ / 4 plate
  • the illustrated X-ray source further comprises an electron source 8 with a target 9, in which electrons 10 are released during a bombardment with the circularly polarized laser radiation 7 and accelerated out of the target 9 to a defined primary energy.
  • the illustrated X-ray source comprises a three-dimensional interaction zone 11, in which the electrons 10 released from the target 8 and the linearly polarized laser serstrahlung 3 interact with each other via a Compton backscattering process 12 and thereby produce monochromatic X-ray radiation 13.
  • a delay line 14 is arranged in the beam path of the linearly polarized laser radiation 3.
  • the exact local vote of the linearly polarized laser radiation 3 and the circularly polarized laser radiation 7 is realized in the illustrated embodiment by a total of three mirrors 15, 16 and 17.
  • a deflection magnet 18 is associated with the three-dimensional interaction zone 11, which deflects the electrons 10 after their interaction with the linearly polarized laser radiation 3, wherein the deflection magnet 18 a
  • Electron collector 19 is downstream, which collects the deflected electrons 10.
  • the illustrated X-ray source takes place in the Compton backscatter process 12, which takes place according to the invention in the three-dimensional interaction zone 11, an energy transfer from the released from the target 9 electrons 10 on the linearly polarized laser radiation 3 (eg infrared laser radiation) instead.
  • the linearly polarized laser radiation 3 eg infrared laser radiation
  • the surface in which the interaction process between the electrons 10 released from the target 9 and photons of the linearly polarized laser radiation 3 takes place is arranged perpendicular to the direction of the linearly polarized laser radiation 3 and has a side length of approximately 10 .mu.m to 100 .mu.m.
  • the laser 2 can be embodied, for example, as a titanium sapphire laser, which enables a femtosecond pulse generation (ultrashort laser pulses below 10 fs).
  • another laser e.g. a neodymium YAG laser.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenquelle, die folgende Merkmale umfasst: wenigstens eine Laserquelle (1) mit zumindest einem Laser (2), der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Laserquelle (1) eine linear polarisierte Laserstrahlung (3) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen sowie eine zirkulär polarisierte Laserstrahlung (7) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen erzeugt, und wobei die linear polarisierten Laserpulse und die zirkulär polarisierten Laserpulse örtlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind, wenigstens eine Elektronenquelle (8) mit einem Target (9), in dem bei einem Beschuss mit der zirkulär polarisierten Laserstrahlung (7) Elektronen (10) freigesetzt und aus dem Target (9) heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden, wenigstens eine dreidimensionale Wechselwirkungszone (11), in der die aus dem Target (9) freigesetzten Elektronen (10) und die linear polarisierte Laserstrahlung (3) über einen Compton-Rückstreuprozess (12) miteinander wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung (13) erzeugen. Eine derartige Röntgenquelle ist kompakt aufgebaut und liefert Röntgenbilder mit einer verbesserten Auflösung bei einer gleichzeitig deutlich geringeren Strahlenbelastung für die Patienten.

Description

Beschreibung
Röntgenquelle
Die Erfindung betrifft eine Röntgenquelle.
Mit einer derartigen Röntgenquelle sollen diagnostisch relevante Phasenkontrastaufnahmen mit höchster räumlicher Auflösung bei gleichzeitig kurzen Belichtungszeiten ermöglicht werden.
Eine derartige Röntgenquelle müsste hierfür folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Möglichst hohe Monochromatizität, für gute Interferenz- eigenschaften .
2. Eine kleine Quellgröße besitzen, für eine gute räumliche Auflösung.
3. Einen hohen Röntgenfluss aufweisen, für kurze Belichtungszeiten . 4. Einen kompakten Aufbau besitzen, um die klinische Verfügbarkeit zu gewährleisten.
5. Eine Röntgenenergie im Bereich von 10 keV bis 90 keV aufweisen, um für medizinische Anwendungen geeignet zu sein .
Die bekannten Röntgenquellen verletzen die vorgenannten Anforderungen jeweils zumindest in einem Punkt:
Die bekannten Röntgenröhren haben bei einem hohen Röntgenfluss immer ein überwiegend polychromatisches Spekt- rum und einen relativ großen Brennfleck.
Fluoreszenzstrahler weisen in ihrem Spektrum zwar monochromatische Linien auf, besitzen aber nur einen sehr geringen Röntgenfluss. Synchrotrons erfüllen zwar die vorgenannten Bedingungen 1 bis 3 und 5, sind aber als äußerst große und teure
Forschungsanlagen nicht ohne weiteres für einen medizinischen Einsatz geeignet. Bekannte Röntgenquellen, die den Compton-Rückstreupro- zess ausnutzen, verwenden Hochfrequenz-Linearbeschleuniger und erreichen durch eine zu geringe Ladungsdichte im Wechselwirkungspunkt bzw. in der Wechselwirkungszone keinen ausreichenden Röntgenfluss . Eine derartige Röntgenquelle ist z.B. durch die US 7,295,653 B2 bekannt. Weitere Röntgenquellen, die den Compton-Rückstreuprozess ausnutzen, verwenden Hochintensitätslaser, um die Elektronen zu beschleunigen, bevor sie mit einem zweiten La- serpuls wechselwirken. Hier ist ebenfalls die Elektronendichte gering, außerdem haben die vom Laser beschleunigten Elektronen eine breite Energieverteilung, also eine entsprechend breite Energieschärfe. Die damit erhaltene Monochromatizität ist nicht ausreichend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte Röntgenquelle zu schaffen, die bei einer deutlich geringeren Strahlenbelastung für Patienten Röntgenbilder mit einer verbesserten Auflösung liefert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenquelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Röntgenquelle gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens eine Laserquelle mit zumindest einem Laser, der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Laserquelle eine linear polarisierte Laserstrahlung mit sehr kurzen, hoch intensiven Laser- pulsen sowie eine zirkulär polarisierte Laserstrahlung mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen erzeugt, und wobei die linear polarisierten Laserpulse und die zirkulär polarisierten Laserpulse örtlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind, - wenigstens eine Elektronenquelle mit einem Target, in dem bei einem Beschuss mit der zirkulär polarisierten Laserstrahlung Elektronen freigesetzt und aus dem Target heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden, wenigstens eine dreidimensionale Wechselwirkungszone, in der die aus dem Target freigesetzten Elektronen und die linear polarisierte Laserstrahlung über einen Compton- Rückstreuprozess miteinander wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung erzeugen.
Bei der erfindungsgemäßen Röntgenquelle weisen sowohl die La- serpulse der linear polarisierten Laserstrahlung als auch die Laserpulse der zirkulär polarisierten Laserstrahlung sehr kurze Pulsdauern auf. Vorzugsweise beträgt die Pulsdauer jeweils zwischen ca. 1 fs (10~15 s) und ca. 1 ps (10~12 s) , wobei eine Pulsdauer zwischen 5 fs und 30 fs besonders vorteilhaft ist. Die Wiederholrate der Laserpulse liegt vorzugsweise zwischen ca. 1 Hz und ca. 1 MHz, typischerweise zwischen 10 kHz und 100 kHz.
Bei der Röntgenquelle nach Anspruch 1 handelt es sich sowohl bei den Laserpulsen der linear polarisierten Laserstrahlung als auch bei den Laserpulsen der zirkulär polarisierten Laserstrahlung um hoch intensive Laserpulse. Der Röntgenfluss beträgt etwa 105 bis 1012, typischerweise 109 Photonen pro Sekunde und mrad2. Die hoch intensiven Laserpulse weisen vor- zugsweise jeweils eine Leistungsdichte zwischen etwa
1015 W/cm2 und 1025 W/cm2, wobei eine Leistungsdichte von ca. 1021 W/cm2 besonders vorteilhaft ist.
Die Wellenlänge der linear polarisierten Laserstrahlung und der zirkulär polarisierten Laserstrahlung liegt jeweils vorzugsweise etwa zwischen ca. 0,1 μm und ca. 2,0 μm, insbesondere bei einer Wellenlänge von ca. 1,0 μm.
Bei der Röntgenquelle gemäß Anspruch 1 beträgt die Energie der linear polarisierten Laserstrahlung und der zirkulär polarisierten Laserstrahlung vorteilhafterweise jeweils zwischen ca. 10 mJ und ca. 10 J, wobei bevorzugte Energiewerte zwischen ca. 0,1 J und ca. 1,0 J liegen. Die primäre Energie, auf welche die aus dem Target durch Be- schuss mit der zirkulär polarisierten Laserstrahlung freigesetzten Elektronen beschleunigt werden, wird durch die Schichtdicke und das Material des Targets sowie durch die Eigenschaften des Laserstrahls und die Fokussierung des Laserstrahls auf das Target bestimmt. Um die Wechselwirkung über den Compton-Rückstreuprozess zu ermöglichen, müssen die aus dem Target freigesetzten Elektronen eine Energie von ca. 10 MeV bis ca. 100 MeV besitzen. Bei diesem Streuprozess kann die Energie der linear polarisierten Laserstrahlung so eingestellt werden, dass die Energie der hierbei erzeugten Röntgenstrahlung in einem für medizinische Anwendungen bevorzugten Bereich zwischen 10 keV und 90 keV liegt. Im Rahmen der Erfindung sind für andere Anwendungen, beispielsweise für nicht-medizinische Anwendungen, hiervon abweichende Energien der Röntgenstrahlung realisierbar.
Bei der Röntgenquelle nach Anspruch 1 findet beim Compton- Rückstreuprozess, der erfindungsgemäß in der dreidimensionalen Wechselwirkungszone stattfindet, ein Energieübertrag von den aus dem Target freigesetzten Elektronen auf die linear polarisierte Laserstrahlung (z.B. Infrarot-Laserstrahlung) statt.
Unter Compton-Rückstreuprozess ist der inverse Compton-Effekt zu verstehen, bei dem aufgrund des Streuwinkels von 180° eine Rückstreuung der Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung eintritt. Die Photonen werden sozusagen an den Elektronen reflektiert. Hierbei findet ein maximaler Energieübertrag statt, wobei sich die Frequenz der entstehenden Strahlung erhöht und dadurch monochromatische Röntgenstrahlung entsteht.
Die Fläche, in der der Wechselwirkungsprozess zwischen den aus dem Target freigesetzten Elektronen und Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung stattfindet, ist senkrecht zur Richtung der linear polarisierten Laserstrahlung angeordnet und weist etwa eine Seitenlänge von 10 μm bis 100 μm auf.
Die von der Röntgenquelle nach Anspruch 1 erzeugte Röntgen- Strahlung weist eine hohe Energieschärfe, d.h. eine schmale Energieverteilung, auf und ermöglicht aufgrund ihrer hohen Monochromatizität und aufgrund ihrer kleinen Quellgröße eine Phasenkontrast-Bildgebung (Bildgebung, die die Phaseninformation enthält) mit einer hohen Auflösung, die zu einer um den Faktor 50 geringeren Strahlenbelastung für den Patienten führt. Im Gegensatz dazu ist mit einer konventionellen Röntgenquelle nur eine Absorptionskontrast-Bildgebung (Bildgebung durch Schattenbild) mit einer deutlich höheren Strahlenbelastung möglich, da die Photonen im Körper des Patienten absor- biert werden. Mit der erfindungsgemäßen Röntgenquelle ist somit eine deutlich verbesserte Bildgebung bei einer gleichzeitig wesentlich reduzierten Strahlenbelastung gewährleistet.
Aufgrund ihres kompakten Aufbaus ist die Röntgenquelle in idealer Weise für klinische Anwendungen geeignet. Gegenüber laserinduzierten Röntgenquellen nach dem Stand der Technik, die eine Grundfläche von beispielsweise ca. 20 m • 40 m benötigen, beträgt der Flächenbedarf bei der erfindungsgemäßen nur etwa 3 m - 5 m.
Im Rahmen der Erfindung sind vielfältige vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenquelle möglich.
So kann beispielsweise die linear polarisierten Laserstrah- lung und die zirkulär polarisierte Laserstrahlung gemäß Ausgestaltung nach Anspruch 2 oder gemäß einer Alternative nach Anspruch 3 erzeugt werden.
Bei der Röntgenquelle nach Anspruch 2 umfasst die Laserquelle wenigstens einen einstellbaren Strahlenteiler, mit dem ein Teil der linear polarisierten Laserstrahlung ausgekoppelt wird, und wenigstens einen Zirkularpolarisator, der die ausgekoppelte linear polarisierte Laserstrahlung in eine zirku- lar polarisierte Laserstrahlung umwandelt. Der Zirkularpolarisator kann hierbei z.B. als λ/4-Plättchen (Anspruch 4) oder als phasendrehender Spiegel (Anspruch 5) ausgebildet sein.
Bei der Röntgenquelle gemäß Anspruch 3 umfasst die Laserquelle wenigstens einen ersten Laser, der die zirkulär polarisierte Laserstrahlung erzeugt, und wenigstens einen zweiten Laser, der die linear polarisierte Laserstrahlung erzeugt.
Um eine genaue zeitliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung und der zirkulär polarisierten Laserstrahlung zu erreichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung eine Verzögerungsstrecke angeordnet.
Ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 7 in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung ein frequenzverdoppelnder Kristall angeordnet, dann können durch unterschiedliche Wellenlängen des zweiten Laserpulses während der Aufnahmen auch mehrere scharf getrennte Röntgen- energien kurz nacheinander erzeugt werden. Dadurch werden z.B. zeitaufgelöste Subtraktionsaufnahmen ermöglicht, wie sie zur Darstellung von Gefäßen mit Kontrastmittel durchgeführt werden. Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rönt- genquelle können aufgrund der ausreichenden Zeitauflösung auch Kontrastmitteluntersuchungen am Herzen durchgeführt werden .
Um die Elektronen nach dem Compton-Rückstreuprozess möglichst schnell aus der dreidimensionalen Wechselwirkungszone zu entfernen, ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 der dreidimensionalen Wechselwirkungszone ein Ablenkmagnet zugeordnet, der die Elektronen nach ihrer Wechselwirkung mit der linear polarisierten Laserstrahlung ab- lenkt, wobei dem Ablenkmagneten vorzugsweise ein Elektronenkollektor nachgeordnet ist, der die abgelenkten Elektronen sammelt . Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach Anspruch 10 ist der Laser als Festkörperlaser ausgebildet. Derartige Laser sind in der Lage, sehr kurze hoch intensive Laserpulse zu erzeugen. Beispiele hierfür sind der Neodym-YAG-Laser und der Titan-Saphir-Laser, wobei der Titan-Saphir-Laser wesentlich höhere Wiederholraten ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in einer einzigen Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels nä- her erläutert, ohne jedoch auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Die in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgenquelle umfasst eine Laserquelle 1 mit einem Laser 2, der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist. Der Oszillator und die wenigstens eine Verstärkerstufe sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Laserquelle 1 erzeugt eine linear polarisierte Laserstrahlung 3 mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen.
Die Laserquelle 1 umfasst weiterhin einen einstellbaren Strahlenteiler 4, mit dem ein Teil 5 der linear polarisierten Laserstrahlung 3 ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelte linear polarisierte Laserstrahlung 5 wird in einen Zirkularpolarisator 6 (z.B. λ/4-Plättchen) in eine zirkulär polarisierte Laserstrahlung 7 umgewandelt, die ebenfalls sehr kurze, hoch intensive Laserpulse aufweist.
Die dargestellte Röntgenquelle umfasst ferner eine Elektronenquelle 8 mit einem Target 9, in dem bei einem Beschuss mit der zirkulär polarisierten Laserstrahlung 7 Elektronen 10 freigesetzt und aus dem Target 9 heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden.
Weiterhin umfasst die gezeigte Röntgenquelle eine dreidimensionale Wechselwirkungszone 11, in der die aus dem Target 8 freigesetzten Elektronen 10 und die linear polarisierte La- serstrahlung 3 über einen Compton-Rückstreuprozess 12 miteinander wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung 13 erzeugen.
Das Prinzip, ein Elektronenpaket hoher Energie durch eine
Elektronenbeschleunigung mittels eines Hochintensitätslasers zu erzeugen, ist z.B. in dem Aufsatz "THE PLASMA REVOLUTION" in "NATURE|Vol 449|13. September 2007, Seiten 133 bis 135, beschrieben. Die beschriebene Methode zur Elektronenbeschleuni- gung ist jedoch wenig effektiv, da die entstehende Elektronenwolke eine geringe Dichte und eine vergleichsweise breite Energieverteilung, d.h. eine geringe Energieschärfe, besitzt.
Für die Realisierung des Compton-Rückstreuprozess 12 ist eine genaue zeitliche und örtliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 und der zirkulär polarisierten Laserstrahlung 7 notwendig.
Um eine genaue zeitliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 und der zirkulär polarisierten Laserstrahlung 7 zu erreichen, ist in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung 3 eine Verzögerungsstrecke 14 angeordnet .
Die genaue örtliche Abstimmung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 und der zirkulär polarisierten Laserstrahlung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch insgesamt drei Spiegel 15, 16 und 17 realisiert.
Um die Elektronen 10 nach dem Compton-Rückstreuprozess 12 möglichst schnell aus der dreidimensionalen Wechselwirkungszone 11 zu entfernen, ist der dreidimensionalen Wechselwirkungszone 11 ein Ablenkmagnet 18 zugeordnet, der die Elektronen 10 nach ihrer Wechselwirkung mit der linear polarisierten Laserstrahlung 3 ablenkt, wobei dem Ablenkmagneten 18 ein
Elektronenkollektor 19 nachgeordnet ist, der die abgelenkten Elektronen 10 sammelt. Bei der dargestellten Röntgenquelle findet beim Compton- Rückstreuprozess 12, der erfindungsgemäß in der dreidimensionalen Wechselwirkungszone 11 stattfindet, ein Energieübertrag von den aus dem Target 9 freigesetzten Elektronen 10 auf die linear polarisierte Laserstrahlung 3 (z.B. Infrarot-Laserstrahlung) statt.
Unter Compton-Rückstreuprozess ist der inverse Compton-Effekt zu verstehen, bei dem aufgrund des Streuwinkels von 180° eine Rückstreuung der Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung 3 eintritt. Die Photonen werden sozusagen an den Elektronen 10 reflektiert. Hierbei findet ein maximaler Energieübertrag statt, wobei sich die Frequenz der entstehenden Strahlung erhöht und dadurch monochromatische Röntgenstrah- lung 13 entsteht.
Die Fläche, in der der Wechselwirkungsprozess zwischen den aus dem Target 9 freigesetzten Elektronen 10 und Photonen der linear polarisierten Laserstrahlung 3 stattfindet, ist senk- recht zur Richtung der linear polarisierten Laserstrahlung 3 angeordnet und weist etwa eine Seitenlänge von 10 μm bis 100 μm auf.
Der Laser 2 kann beispielsweise als Titan-Saphir-Laser ausge- führt sein, der eine Femtosekunden-Puls-Erzeugung (ultrakurze Laserpulse bis unter 10 fs) ermöglicht. Abhängig vom Anwendungsfall kann jedoch auch ein anderer Laser, z.B. ein Neodym-YAG-Laser, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Röntgenquelle, die folgende Merkmale umfasst: wenigstens eine Laserquelle (1) mit zumindest einem La- ser (2), der einen Oszillator und wenigstens eine Verstärkerstufe aufweist, wobei die Laserquelle (1) eine linear polarisierte Laserstrahlung (3) mit sehr kurzen, hoch intensiven Laserpulsen sowie eine zirkulär polarisierte Laserstrahlung (7) mit sehr kurzen, hoch intensi- ven Laserpulsen erzeugt, und wobei die linear polarisierten Laserpulse und die zirkulär polarisierten Laserpulse örtlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind, wenigstens eine Elektronenquelle (8) mit einem Target (9), in dem bei einem Beschuss mit der zirkulär polari- sierten Laserstrahlung (7) Elektronen (10) freigesetzt und aus dem Target (9) heraus auf eine definierte primäre Energie beschleunigt werden, wenigstens eine dreidimensionale Wechselwirkungszone (11), in der die aus dem Target (9) freigesetzten Elekt- ronen (10) und die linear polarisierte Laserstrahlung
(3) über einen Compton-Rückstreuprozess (12) miteinander wechselwirken und hierbei monochromatische Röntgenstrahlung (13) erzeugen.
2. Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgenden weiteren Merkmalen : die Laserquelle (1) umfasst wenigstens einen einstellbaren Strahlenteiler (4), mit dem ein Teil (5) der linear polarisierten Laserstrahlung (3) ausgekoppelt wird, und - wenigstens einen Zirkularpolarisator (6), der die ausgekoppelte linear polarisierte Laserstrahlung (5) in eine zirkulär polarisierte Laserstrahlung (7) umwandelt.
3. Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgenden weiteren Merkmalen: die Laserquelle umfasst wenigstens einen ersten Laser, der die zirkulär polarisierte Laserstrahlung erzeugt, und wenigstens einen zweiten Laser, der die linear polarisierte Laserstrahlung erzeugt.
4. Röntgenquelle nach Anspruch 2, mit folgendem weiteren Merkmal : der Zirkularpolarisator (6) ist als λ/4-Plättchen ausgebildet.
5. Röntgenquelle nach Anspruch 2, mit folgendem weiteren Merkmal: der Zirkularpolarisator ist als phasendrehender Spiegel ausgebildet .
6. Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Merkmal: in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung (3) ist eine Verzögerungsstrecke (14) angeordnet.
7. Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Merkmal: in dem Strahlengang der linear polarisierten Laserstrahlung ist ein frequenzverdoppelnder Kristall angeordnet.
8. Röntgenquelle nach Anspruch 1, mit folgendem weiteren Merkmal: der dreidimensionalen Wechselwirkungszone (11) ist ein Ablenkmagnet (18) zugeordnet, der die Elektronen (10) nach ihrer Wechselwirkung (12) mit der linear polarisierten Laserstrahlung (3) ablenkt.
9. Röntgenquelle nach Anspruch 1 oder 8, mit folgendem weiteren Merkmal : dem Ablenkmagneten (18) ist ein Elektronenkollektor (19) nachgeordnet, der die abgelenkten Elektronen (10) sam- me1t .
10. Röntgenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgendem weiteren Merkmal: der Laser (2) ist als Festkörperlaser ausgebildet.
11. Röntgenquelle nach Anspruch 10, mit folgendem weiteren Merkmal : - der Laser (2) ist als Titan-Saphir-Laser ausgeführt.
12. Röntgenquelle nach Anspruch 10, mit folgendem weiteren Merkmal : der Laser ist als ist als Neodym-YAG-Laser ausgeführt,
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