Röntgenoptik – Wikipedia

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Röntgenoptik ist der Zweig der Optik, der Röntgenstrahlen anstelle von sichtbarem Licht manipuliert. Es befasst sich mit der Fokussierung und anderen Möglichkeiten zur Manipulation der Röntgenstrahlen für Forschungstechniken wie Röntgenkristallographie, Röntgenfluoreszenz, Kleinwinkel-Röntgenstreuung, Röntgenmikroskopie, Röntgenphasenkontrastbildgebung, Röntgenastronomie etc.

Da Röntgenstrahlen und sichtbares Licht beide elektromagnetische Wellen sind, breiten sie sich auf die gleiche Weise im Raum aus, aber aufgrund der viel höheren Frequenz und Photonenenergie von Röntgenstrahlen interagieren sie sehr unterschiedlich mit Materie. Sichtbares Licht kann leicht mit Linsen und Spiegeln umgeleitet werden, aber da der Realteil des komplexen Brechungsindex aller Materialien für Röntgenstrahlen sehr nahe bei 1 liegt,[1] Stattdessen neigen sie dazu, zunächst einzudringen und schließlich von den meisten Materialien absorbiert zu werden, ohne die Richtung stark zu ändern.

Röntgentechniken[edit]

Es gibt viele verschiedene Techniken, um Röntgenstrahlen umzulenken, von denen die meisten die Richtung nur um winzige Winkel ändern. Das am häufigsten verwendete Prinzip ist die Reflexion bei streifenden Einfallswinkeln, entweder unter Verwendung der Totalreflexion bei sehr kleinen Winkeln oder bei mehrschichtigen Beschichtungen. Andere verwendete Prinzipien umfassen Beugung und Interferenz in Form von Zonenplatten, Brechung in zusammengesetzten Brechungslinsen, die viele kleine Röntgenlinsen in Reihe verwenden, um durch ihre Anzahl den winzigen Brechungsindex zu kompensieren, Bragg-Reflexion von einer Kristallebene in flach oder gebogene Kristalle.

Röntgenstrahlen werden häufig unter Verwendung von Nadellöchern oder beweglichen Schlitzen, die typischerweise aus Wolfram oder einem anderen Material mit hohem Z-Wert bestehen, kollimiert oder verkleinert. Enge Teile eines Röntgenspektrums können mit Monochromatoren ausgewählt werden, die auf einer oder mehreren Bragg-Reflexionen von Kristallen basieren. Röntgenspektren können auch manipuliert werden, indem die Röntgenstrahlen durch ein Filter (Optik) geleitet werden. Dies reduziert typischerweise den energiearmen Teil des Spektrums und möglicherweise Teile oberhalb der Absorptionskanten der für den Filter verwendeten Elemente.

Optik fokussieren[edit]

Analytische Röntgentechniken wie Röntgenkristallographie, Kleinwinkel-Röntgenstreuung, Weitwinkel-Röntgenstreuung, Röntgenfluoreszenz, Röntgenspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie profitieren alle von hoher Röntgenstrahlung Flussdichten auf den untersuchten Proben. Dies wird erreicht, indem der divergierende Strahl von der Röntgenquelle unter Verwendung einer aus einem Bereich von optischen Fokussierungskomponenten auf die Probe fokussiert wird. Dies ist auch nützlich für Rastersonden-Techniken wie Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie und Raster-Röntgenfluoreszenzbildgebung.

Polykapillaroptik[edit]

Eine Polykapillarlinse zum Fokussieren von Röntgenstrahlen

Polykapillarlinsen sind Anordnungen kleiner hohler Glasröhren, die die Röntgenstrahlen mit vielen äußeren Totalreflexionen an der Innenseite der Röhren leiten.[2]

Das Array ist so verjüngt, dass ein Ende der Kapillaren auf die Röntgenquelle und das andere auf die Probe zeigt. Polykapillaroptiken sind achromatisch und daher für die Rasterfluoreszenzbildgebung und andere Anwendungen geeignet, bei denen ein breites Röntgenspektrum nützlich ist. Sie sammeln Röntgenstrahlen effizient für Photonenenergien von 0,1 bis 30 keV und können mit einer Lochblende in 100 mm Entfernung von der Röntgenquelle einen Flusszuwachs von 100 bis 10000 erzielen.[3]

Da nur Röntgenstrahlen, die in einem sehr engen Winkel in die Kapillaren eintreten, vollständig intern reflektiert werden, werden nur Röntgenstrahlen, die von einem kleinen Punkt kommen, durch die Optik übertragen. Polykapillaroptiken können nicht mehr als einen Punkt zum anderen abbilden, daher werden sie zur Beleuchtung und Sammlung von Röntgenstrahlen verwendet.

Zonenplatten[edit]

Zonenplatten bestehen aus einem Substrat mit konzentrischen Zonen aus einem phasenverschiebenden oder absorbierenden Material, wobei die Zonen mit zunehmendem Radius enger werden. Die Zonenbreiten sind so ausgelegt, dass eine übertragene Welle an einem einzelnen Punkt konstruktive Interferenzen erhält, die einen Fokus ergeben.[4] Zonenplatten können als Kondensatoren zum Sammeln von Licht verwendet werden, aber auch für die direkte Vollfeldabbildung in beispielsweise einem Röntgenmikroskop. Zonenplatten sind hoch chromatisch und normalerweise nur für eine enge Energiespanne ausgelegt. Daher sind monochromatische Röntgenstrahlen für eine effiziente Erfassung und hochauflösende Bildgebung erforderlich.

Zusammengesetzte Brechungslinsen[edit]

Da die Brechungsindizes bei Röntgenwellenlängen so nahe bei 1 liegen, werden die Brennweiten normaler Linsen unpraktisch lang. Um dies zu überwinden, werden Linsen mit sehr kleinen Krümmungsradien verwendet, die in langen Reihen gestapelt sind, so dass die kombinierte Fokussierungsleistung spürbar wird.[5] Da der Brechungsindex für Röntgenstrahlen kleiner als 1 ist, müssen diese Linsen konkav sein, um eine Fokussierung zu erreichen, im Gegensatz zu Linsen mit sichtbarem Licht, die für einen Fokussierungseffekt konvex sind. Krümmungsradien betragen typischerweise weniger als einen Millimeter, so dass die nutzbare Röntgenstrahlbreite höchstens etwa 1 mm beträgt.[6] Um die Absorption von Röntgenstrahlen in diesen Stapeln zu verringern, werden typischerweise Materialien mit sehr niedriger Ordnungszahl wie Beryllium oder Lithium verwendet. Da der Brechungsindex stark von der Röntgenwellenlänge abhängt, sind diese Linsen stark chromatisch und die Variation der Brennweite mit der Wellenlänge muss für jede Anwendung berücksichtigt werden.

Reflexion[edit]

Zu den Entwürfen, die auf der Reflexion der streifenden Inzidenz in Röntgenteleskopen basieren, gehören die von Kirkpatrick-Baez und mehrere von Wolter (Wolter I-IV).

Die Grundidee besteht darin, einen Röntgenstrahl von einer Oberfläche zu reflektieren und die Intensität der in Spiegelrichtung reflektierten Röntgenstrahlen zu messen (reflektierter Winkel gleich Einfallswinkel). Es wurde gezeigt, dass eine Reflexion von einem Parabolspiegel, gefolgt von einer Reflexion von einem hyperbolischen Spiegel, zur Fokussierung von Röntgenstrahlen führt.[7] Da die einfallenden Röntgenstrahlen auf die geneigte Oberfläche des Spiegels treffen müssen, ist die Sammelfläche klein. Sie kann jedoch durch Verschachtelung von Spiegeln ineinander erhöht werden.[8]

Das Verhältnis der reflektierten Intensität zur einfallenden Intensität ist das Röntgenreflexionsvermögen für die Oberfläche. Wenn die Grenzfläche nicht perfekt scharf und glatt ist, weicht die reflektierte Intensität von der durch das Fresnel-Reflexionsgesetz vorhergesagten ab. Die Abweichungen können dann analysiert werden, um das Dichteprofil der Grenzfläche senkrecht zur Oberfläche zu erhalten. Bei Filmen mit mehreren Schichten kann das Röntgenreflexionsvermögen Schwingungen mit Wellenlänge aufweisen, analog zum Fabry-Pérot-Effekt. Diese Schwingungen können verwendet werden, um auf Schichtdicken und andere Eigenschaften zu schließen.

Beugung[edit]

Symmetrisch beabstandete Atome bewirken, dass sich erneut abgestrahlte Röntgenstrahlen gegenseitig in den spezifischen Richtungen verstärken, in denen sich ihre Weglängen unterscheiden, 2dSündeθentspricht einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ

Bei der Röntgenbeugung trifft ein Strahl auf einen Kristall und wird in viele spezifische Richtungen gebeugt. Die Winkel und Intensitäten der gebeugten Strahlen zeigen eine dreidimensionale Elektronendichte innerhalb des Kristalls an. Röntgenstrahlen erzeugen ein Beugungsmuster, da ihre Wellenlänge typischerweise in der gleichen Größenordnung (0,1-10,0 nm) liegt wie der Abstand zwischen den Atomebenen im Kristall.

Jedes Atom strahlt einen kleinen Teil der Intensität eines einfallenden Strahls als sphärische Welle zurück. Wenn die Atome symmetrisch angeordnet sind (wie in einem Kristall) mit einer Trennung dDiese sphärischen Wellen sind nur in Richtungen synchron (konstruktiv addieren), in denen ihre Weglängendifferenz 2dSündeθ ist gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ. Der einfallende Strahl scheint daher um einen Winkel 2 & thgr; abgelenkt worden zu sein, wodurch a erzeugt wird Reflexion Punkt im Beugungsmuster.

Röntgenbeugung ist eine Form der elastischen Streuung in Vorwärtsrichtung; Die ausgehenden Röntgenstrahlen haben die gleiche Energie und damit die gleiche Wellenlänge wie die einfallenden Röntgenstrahlen, nur mit veränderter Richtung. Im Gegensatz dazu tritt unelastische Streuung auf, wenn Energie vom einfallenden Röntgenstrahl auf ein Elektron in der Innenschale übertragen wird, das es auf ein höheres Energieniveau anregt. Eine solche unelastische Streuung verringert die Energie (oder erhöht die Wellenlänge) des ausgehenden Strahls. Inelastische Streuung ist nützlich, um eine solche Elektronenanregung zu untersuchen, jedoch nicht, um die Verteilung der Atome innerhalb des Kristalls zu bestimmen.

Photonen mit längerer Wellenlänge (wie ultraviolette Strahlung) hätten keine ausreichende Auflösung, um die Atompositionen zu bestimmen. Im anderen Extremfall sind kurzwellige Photonen wie Gammastrahlen in großer Zahl schwer zu erzeugen, schwer zu fokussieren und zu stark mit Materie zu interagieren, wodurch Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen.

Ähnliche Beugungsmuster können durch Streuung von Elektronen oder Neutronen erzeugt werden. Röntgenstrahlen werden normalerweise nicht von Atomkernen gebeugt, sondern nur von den sie umgebenden Elektronen.

Interferenz[edit]

Röntgeninterferenz ist die Addition (Überlagerung) von zwei oder mehr Röntgenwellen, die zu einem neuen Wellenmuster führt. Röntgeninterferenz bezieht sich normalerweise auf die Wechselwirkung von Wellen, die miteinander korreliert oder kohärent sind, entweder weil sie von derselben Quelle stammen oder weil sie dieselbe oder nahezu dieselbe Frequenz haben.

Zwei nicht monochromatische Röntgenwellen sind nur dann vollständig kohärent miteinander, wenn beide bei jeder Wellenlänge genau den gleichen Wellenlängenbereich und die gleichen Phasendifferenzen aufweisen.

Die Gesamtphasendifferenz wird aus der Summe sowohl der Wegdifferenz als auch der anfänglichen Phasendifferenz abgeleitet (wenn die Röntgenwellen aus zwei oder mehr verschiedenen Quellen erzeugt werden). Es kann dann geschlossen werden, ob die Röntgenwellen, die einen Punkt erreichen, sind in Phase (konstruktive Einmischung) oder außer Phase (Destruktive Interferenz).

Technologien[edit]

Es gibt eine Vielzahl von Techniken, mit denen Röntgenphotonen an die entsprechende Stelle auf einem Röntgendetektor geleitet werden:

  • Spiegel mit streifendem Einfall in einem Wolter-Teleskop,[7][9][10] oder ein Kirkpatrick-Baez-Röntgenreflexionsmikroskop,
  • Zonenplatten,
  • Gebogene Kristalle,[11]
  • Spiegel mit normaler Inzidenz, die Mehrschichtbeschichtungen verwenden,
  • Eine Linse mit normalem Einfall, ähnlich einer optischen Linse, wie eine zusammengesetzte Brechungslinse,
  • Mikrostrukturierte optische Arrays, nämlich kapillare / polykapillare optische Systeme,[12][13][14][15]
  • Bildgebung mit codierter Apertur,
  • Modulationskollimatoren oder
  • Röntgenwellenleiter.

Die meisten optischen Röntgenelemente (mit Ausnahme von streifenden Einfallspiegeln) sind sehr klein und müssen für einen bestimmten Einfallswinkel und eine bestimmte Energie ausgelegt sein, wodurch ihre Anwendung bei divergierender Strahlung eingeschränkt wird. Obwohl die Technologie schnell Fortschritte gemacht hat, sind ihre praktischen Anwendungen außerhalb der Forschung immer noch begrenzt. Es werden jedoch Anstrengungen unternommen, um die Röntgenoptik in die medizinische Röntgenbildgebung einzuführen. Eine der vielversprechenderen Anwendungen besteht beispielsweise darin, sowohl den Kontrast als auch die Auflösung von Mammographiebildern im Vergleich zu herkömmlichen Streustrahlengittern zu verbessern.[16] Eine weitere Anwendung besteht darin, die Energieverteilung des Röntgenstrahls zu optimieren, um das Kontrast-Rausch-Verhältnis im Vergleich zur herkömmlichen Energiefilterung zu verbessern.[17]

Spiegel für Röntgenoptik[edit]

Die Spiegel können aus Glas, Keramik oder Metallfolie bestehen, die mit einer reflektierenden Schicht beschichtet sind.[1] Die am häufigsten verwendeten reflektierenden Materialien für Röntgenspiegel sind Gold und Iridium. Auch bei diesen ist der kritische Reflexionswinkel energieabhängig. Für Gold bei 1 keV beträgt der kritische Reflexionswinkel 2,4 Grad.[18]

Die gleichzeitige Verwendung von Röntgenspiegeln erfordert:

  • die Fähigkeit, den Ort des Eintreffens eines Röntgenphotons in zwei Dimensionen zu bestimmen
  • eine angemessene Erkennungseffizienz.

Multilayer für Röntgenstrahlen[edit]

Kein Material hat eine wesentliche Reflexion für Röntgenstrahlen, außer bei sehr kleinen Streifwinkeln. Mehrfachschichten verbessern das kleine Reflexionsvermögen von einer einzelnen Grenze aus, indem sie die kleinen reflektierten Amplituden von vielen Grenzen kohärent in der Phase addieren. Wenn beispielsweise eine einzelne Grenze ein Reflexionsvermögen von R = 10-4 (Amplitude r = 10-2) aufweist, kann die Addition von 100 Amplituden von 100 Grenzen ein Reflexionsvermögen R nahe eins ergeben. Die Periode Λ der Mehrfachschicht, die die gleichphasige Addition liefert, ist die der stehenden Welle, die vom Eingangs- und Ausgangsstrahl erzeugt wird, Λ = λ / 2 sinθ, wobei λ die Wellenlänge und 2θ der halbe Winkel zwischen den beiden Strahlen ist. Für θ = 90 ° oder Reflexion bei normalem Einfall beträgt die Periode der Mehrfachschicht Λ = λ / 2. Die kürzeste Periode, die in einer Mehrfachschicht verwendet werden kann, ist durch die Größe der Atome auf etwa 2 nm begrenzt, was Wellenlängen über 4 nm entspricht. Für eine kürzere Wellenlänge muss eine Verringerung des Einfallswinkels & thgr; in Richtung einer stärkeren Beweidung verwendet werden.

Die Materialien für Mehrfachschichten werden so ausgewählt, dass sie an jeder Grenze die höchstmögliche Reflexion und die geringste Absorption oder Ausbreitung durch die Struktur ergeben. Dies wird normalerweise durch leichte Materialien mit geringer Dichte für die Abstandsschicht und ein schwereres Material erreicht, das einen hohen Kontrast erzeugt. Die Absorption im schwereren Material kann verringert werden, indem es nahe an den Knoten des stehenden Wellenfeldes innerhalb der Struktur positioniert wird. Gute Distanzmaterialien mit geringer Absorption sind Be, C, B, B4 C und Si. W, Rh, Ru und Mo sind einige Beispiele für die schwereren Materialien mit gutem Kontrast.

Anwendungen umfassen:

  • Optik mit normaler und streifender Inzidenz für Teleskope von EUV bis Hartröntgen.
  • Mikroskope, Strahllinien in Synchrotron- und FEL-Einrichtungen.
  • EUV-Lithographie.

Mo / Si ist die Materialauswahl für die Reflektoren mit nahezu normalem Einfall für die EUV-Lithographie.

Harte Röntgenspiegel[edit]

Eine Röntgenspiegeloptik für ein NuStar-Weltraumteleskop mit einer Leistung von 79 keV wurde unter Verwendung von mehrschichtigen Beschichtungen, computergestützter Herstellung und anderen Techniken hergestellt.[19] Die Spiegel verwenden eine Mehrfachbeschichtung aus Wolfram (W) / Silizium (Si) oder Platin (Pt) / Siliziumkarbid (SiC) auf zusammengesunkenem Glas, was ein Wolter-Teleskopdesign ermöglicht.[19]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ ein b Spiller, E. (2003). “Röntgenoptik”. Enzyklopädie der optischen Technik. Taylor & Francis. Bibcode:2003eoe..book ….. D.. doi:10.1081 / E-EOE-120009497 (inaktiv 2020-12-07).CS1-Wartung: DOI ab Dezember 2020 inaktiv (Link)
  2. ^ MacDonald, Carolyn A. (2010). “Fokussierung der Polykapillaroptik und ihrer Anwendungen”. Röntgenoptik und Instrumentierung. 2010: 1–17. Bibcode:2010XROI.2010E..11M. doi:10.1155 / 2010/867049.
  3. ^ “Polykapillare Fokussieroptik – Röntgen”. XOS. Abgerufen 2016-12-13.
  4. ^ “Zonenplatten”. Röntgendatenheft. Zentrum für Röntgenoptik und erweiterte Lichtquelle. Lawrence Berkeley National Laboratory. Abgerufen 13. Januar 2015.
  5. ^ Snigirev, A. (1998). “Fokussierung energiereicher Röntgenstrahlen mit zusammengesetzten Brechungslinsen”. Angewandte Optik. 37 (4): 653–62. Bibcode:1998ApOpt..37..653S. doi:10.1364 / AO.37.000653. PMID 18268637.
  6. ^ “Compound Refractive X-Ray Optics (CRLs)”. X-ray-Optics.de. Abgerufen 2016-12-14.
  7. ^ ein b Rob Petre. “Röntgenbildgebungssysteme”. NASA.
  8. ^ Bradt, Hale (2007). Astronomiemethoden. Cambridge, Großbritannien: Cambridge University Press. p. 106. ISBN 978-0-521-53551-9.
  9. ^ Wolter, H. (1952). “Glancing Incidence Mirror Systems als Bildgebungsoptik für Röntgenstrahlen”. Annalen der Physik. 10 (1): 94. Bibcode:1952AnP … 445 … 94W. doi:10.1002 / andp.19524450108.
  10. ^ Wolter, H. (1952). “Verallgemeinerte Schwarzschildsche Spiegelsysteme Streifender Reflexion als Optiken für Röntgenstrahlen”. Annalen der Physik. 10 (4–5): 286–295. Bibcode:1952AnP … 445..286W. doi:10.1002 / andp.19524450410.
  11. ^ Pikuz, TA; Faenov, A. Ya.; Fraenkel, M.; Zigler, A.; Flora, F.; Bollanti, S.; Di Lazzaro, P.; Letardi, T.; Grilli, A.; Palladino, L.; Tomassetti, G.; Reale, A.; Reale, L.; Scafati, A.; Limongi, T.; Bonfigli, F.; Alainelli, L.; Sanchez del Rio, M. (2000). Verwendung von sphärisch gebogenen Kristallen zur Erzielung einer hochauflösenden monochromatischen Röntgenbeleuchtung mit großem Feld für einen weiten Bereich von Bragg-Winkeln. 27. IEEE International Conference on Plasma Science. p. 183. doi:10.1109 / PLASMA.2000.854969.
  12. ^ Kumakhov, MA (1990). “Kanalisierung von Photonen und neuer Röntgenoptik”. Nukleare Instrumente und Methoden in der Physikforschung Sektion B.. 48 (1–4): 283–286. Bibcode:1990NIMPB..48..283K. doi:10.1016 / 0168-583X (90) 90123-C.
  13. ^ Dabagov, SB (2003). “Kanalisierung neutraler Partikel in Mikro- und Nanokapillaren”. Physik-Uspekhi. 46 (10): 1053–1075. Bibcode:2003PhyU … 46.1053D. doi:10.1070 / PU2003v046n10ABEH001639. S2CID 115277219.
  14. ^ Eine Einführung in die Röntgenoptik
  15. ^ Polykapillaroptik
  16. ^ Fredenberg, Erik; Cederström, Björn; Åslund, Magnus; Nillius, Peter; Danielsson, Mats (27. Januar 2009). “Ein effizienter Kollimator vor dem Objekt, der auf einer Röntgenlinse basiert”. Medizinische Physik. 36 (2): 626–633. Bibcode:2009MedPh..36..626F. doi:10.1118 / 1.3062926. PMID 19292003.
  17. ^ Fredenberg, Erik; Cederström, Björn; Nillius, Peter; Ribbing, Carolina; Karlsson, Staffan; Danielsson, Mats (2009). “Ein Röntgenabsorptionsfilter mit geringer Absorption für kleine Anwendungen”. Optics Express. 17 (14): 11388–11398. Bibcode:2009OExpr..1711388F. doi:10.1364 / OE.17.011388. PMID 19582053.
  18. ^ “CXRO-Röntgenwechselwirkungen mit Materie”. henke.lbl.gov. Abgerufen 2016-02-19.
  19. ^ ein b NuStar: Instrumentierung: Optik Archiviert 1. November 2010 an der Wayback-Maschine

Externe Links[edit]

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