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Die
Erfindung betrifft ein Röntgenmikroskop mit
einer Kondensor-Monochromator-Anordnung
mit besonders hoher spektraler Auflösung, das im Amplitudenkontrast
und Phasenkontrast bei Wellenlängen
unter 20 nm betrieben wird, das reelle Bilder liefert und für die Untersuchung
von Mikro- und Nanometerstrukturen
und deren Computertomographie genutzt werden kann.
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In
solchen Röntgenmikroskopen
werden zwei optische Systeme benötigt:
eine Kondensoroptik, die die einfallende Röntgenstrahlung auf das zu untersuchende
Objekt fokussiert und ein Röntgenobjektiv,
das die Röntgenstrahlung
auffängt,
die das Objekt durchdrungen hat und die das reelle Bild des Objektes
auf einem ortsauflösenden
Detektor erzeugt.
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Es
sind verschiedenartige Röntgenmikroskope
bekannt, die sich in ihrem optischen Aufbau hinsichtlich der benutzten
Strahlquelle, der Verwendung eines Monochromators, der Kondensoroptik
und des Röntgenobjektivs
mehr oder weniger stark unterscheiden.
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So
sind beispielsweise Röntgenmikroskope beschrieben
worden, in denen als Spiegeloptik für die Abbildung des Objekts
auf den Detektor eine Optik benutzt wird, die das Objekt unter streifendem
Einfall der Röntgenstrahlung
abbildet. Die Qualität
des mit solchen Mikroskopen erzeugten mikroskopischen Bildes ist
jedoch nicht sonderlich gut, da die Spiegeloptiken zum Teil mit
erheblichen Bildfehlern behaftet sind. Diese Bildfehler – bei Spiegeloptiken,
die unter streifendem Einfall arbeiten, ist das beispielsweise der
so genannte Winkeltangentenfehler – begrenzen die von der Apertur
der Optik vorgegebene, prinzipiell mögliche Auflösung, die sich mit dem Mikroskop
erzielen lässt.
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Es
sind auch Röntgenmikroskope
beschrieben, in denen sowohl für
den Kondensor, der die Röntgenstrahlung
auf das Objekt fokussiert, als auch zur Abbildung des Objekts auf
den Detektor so genannte Zonenplatten Verwendung finden. Diese Zonenplatten
ermöglichen ähnlich sehr
dünnen
Linsen eine weitgehend bildfehlerfreie und damit hochaufgelöste Abbildung
des Objekts. Sie haben jedoch einen bedeutend schlechteren Wirkungsgrad
als Spiegeloptiken. Er liegt im Röntgenwellenbereich des Wasserfensters
in der Praxis zwischen 5% und 15%, d. h. es werden dann nur maximal
15% der auf die Zonenplatte auftreffenden Röntgenstrahlung für die Abbildung
benutzt.
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Solche
Röntgenmikroskope
sind wegen der Verwendung von Zonenplatten mit dem genannten niedrigen
Wirkungsgrad relativ lichtschwach, so dass sich verlängerte Belichtungszeiten
ergeben, was z. B. bei Belichtungen im Sekundenbereich zu Unschärfen in
den Bildern wegen immer vorhandener Driftbewegungen der Objektbühne führen kann.
Man ist deshalb auf möglichst
intensive Röntgenstrahlquellen
angewiesen.
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Für die Röntgenmikroskopie
wird deshalb fast ausschließlich
Synchrotronstrahlung von Elektronenspeicherringen verwendet. In
den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Röntgenmikroskopie
im Wellenlängenbereich
von etwa 0,1-5 nm gemacht. Es wurden Röntgenmikroskope entwickelt,
die an brillanten Röntgenpulsquellen
betrieben werden. Zu diesen Röntgenpulsquellen
zählen
Elektronenspeicherringe, deren Ablenkmagneten und Undulatoren Quellorte
intensiver, mehr oder weniger breitbandiger Röntgenstrahlung sind; andere
Röntgenquellen
vergleichbarer Brillanz gibt es bislang nicht.
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Als
hochauflösende
Röntgenobjektive
in Röntgenmikroskopen
kommen heutzutage nur Mikrozonenplatten zum Einsatz. Mikrozonenplatten sind rotationssymmetrische
Transmissionskreisgitter mit nach außen hin abnehmender Gitterkonstanten, haben üblicherweise
bis zu 0,1 mm Durchmesser und einige hundert Zonen. Allerdings müssen diese mit
monochromatischer Strahlung betrieben werden, da Zonenplatten als
Beugungsoptiken starke chromatische Aberration zeigen, d.h. es ist
bei Betrieb an polychromatischen Röntgenquellen nötig, die
Strahlung mit einem Monochromator zu monochromatisieren.
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Die
numerische Apertur einer Zonenplatte ist ganz allgemein durch den
Beugungswinkel bestimmt, unter dem die äußeren und damit feinsten Zonen
senkrecht einfallende Röntgenstrahlen
beugen. Die erzielbare räumliche
Auflösung
einer Zonenplatte ist durch ihre numerische Apertur bestimmt. Die
numerische Apertur der benutzten Röntgenobjektive konnte in den
letzten Jahren wesentlich erhöht
werden, so dass sich deren Auflösung
verbesserte. Dieser Trend zu höherer
Auflösung
wird sich fortsetzen.
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Aus
der Theorie der Mikroskopie ist bekannt, dass die numerische Apertur
des beleuchtenden Kondensors eines Durchlichtmikroskopes stets in etwa
angepaßt
sein sollte an die numerische Apertur des Mikroskopobjektives, um
von inkohärent
strahlenden Lichtquellen auch eine inkohärente Objektbeleuchtung und
damit eine nahezu lineare Beziehung zwischen Objektintensität und Bildintensität zu erhalten.
Ist die Apertur des Kondensors dagegen geringer als die des Mikroskopobjektivs,
so liegt eine teilkohärente
Abbildung vor und die lineare Transformation zwischen Objektintensität und Bildintensität geht für die wichtigen,
die Auflösung
des Mikroskops bestimmenden hohen Raumfrequenzen verloren.
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Als
Kondensoren für
Röntgenmikroskope
an Elektronenspeicherringen werden bislang ausschließlich Zonenplatten
benutzt.
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Eine
solche „Kondensorzonenplatte" ist in ihrer Größe angepasst
an den Strahldurchmesser, der am Ende des Strahlrohres eines Ablenkmagneten
eines Elektronenspeicherrings typisch bis zu 1 cm beträgt. Da die
Brennweite einer Zonenplatte reziprok zur benutzten Wellenlänge ist,
wirkt eine solche Kondensorzonenplatte zusammen mit einer kleinen
so genannten Monochromatorlochblende, die in der Objektebene um
das Objekt angeordnet ist, gleichzeitig als Linearmonochromator.
Nur ein enger Spektralbereich der einfallenden polychromatischen
Strahlung eines Elektronenspeicherrings wird in die Lochblende fokussiert
und zur Beleuchtung des Objektes genutzt, so dass dieses dann ohne
chromatische Aberration mit einer Mikrozonenplatte vergrößert abgebildet
werden kann.
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Die
Strahlung aus Undulatoren an Elektronenstrahlspeicheringen ist quasimonochromatisch (Lambdaldelta
Lambda typisch = 100) und damit direkt geeignet für Röntgenmikroskope
mit Röntgenobjektiv-Zonenplatten
sehr niedriger Zonenzahlen (typisch 100 Zonen). Bei Verwendung von
Röntgenobjektiv-Zonenplatten
höherer
Zonenzahlen kommt ohne zusätzliche
Monochromatisierung nur ein freier Elektronenlaser (FEL) als Strahlungsquelle
in Frage. Sind Wiggler oder Ablenkmagneten – sie emittieren immer breitbandige
Strahlung – die
Strahlungsquelle, muss die Röntgenstrahlung
auf jeden Fall, wie zuvor erwähnt,
zusätzlich
monochromatisiert werden.
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Kondensorzonenplatten
mit angepasster numerischer Apertur weisen Zonenbreiten von nur
noch 19 nm auf, was wegen des notwendigerweise großen Durchmessers
zu typischerweise mehreren 10.000 Zonen führen würde. Derartige Zonenplatten
lassen sich wirtschaftlich nicht mehr herstellen.
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Generell
wird für
Röntgenmikroskope,
die Zonenplatten als Röntgenobjektive
benutzen, eine hohlkegelförmige
Objektbeleuchtung benötigt.
Andernfalls würde
sich dem Bild auch in seinem Zentrum die Strahlung aus der 0. und
der 1. Beugungsordnung der Mikrozonenplatte überlagern. Das liegt daran,
dass der überwiegende
Anteil der Strahlung, die parallel oder fast parallel zur optischen
Achse auf das Objekt fällt,
dieses und die folgende Mikrozonenplatte (das Röntgenobjektiv, eine Beugungsoptik)
ungebeugt durchdringt und sich als allgemeiner diffuser Untergrund
in Geradeausrichtung – also
im Zentrum des Bildfeldes – bemerkbar
macht. Aus diesem Grunde benutzen Transmissions-Röntgenmikroskope
mit Zonenplattenobjektiven ausschließlich Kondensoren, die das
Objekt hohlkegelförmig
beleuchten, so dass der nutzbare, nicht diffus überstrahlte Bereich des Bildfeldes
um so größer wird,
desto größer der innere
strahlungsfreie Raumwinkelbereich des Kondensors ist.
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Wird
ein solches abbildendes Mikroskop mit Zonenplattenobjektiv im Phasenkontrast
betrieben, so muss, wie in der Literatur beschrieben, eine Phasenplatte
in der hinteren Fokalebene des Röntgen-Objektivs
angeordnet werden. Für
ein abbildendes Röntgenmikroskop
mit Zonenplattenobjektiv ist diese Phasenplatte dann zwangsläufig ringförmig ausgebildet,
also als Phasenring, da bei hohlkegelförmiger Objektbeleuchtung die
Strahlung der Objektraumfrequenz Null in der hinteren Fokalebene,
der Fourierebene, auf einer Ringfläche liegt.
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In
der
DE 197 00 615
A1 ist eine Kondensor-Monochromator-Anordnung für ein Röntgenmikroskop
beschrieben, bei dem eine Off-Axis Zonenplatte und ein Planspiegel
um die optische Achse gedreht werden. Der Planspiegel steht unter
streifendem Einfall und fokussiert die Röntgenstrahlung in die Monochromatorlochblende,
die sich in der Ebene des zu untersuchenden Objekts befindet. Diese
Anordnung hat den Nachteil, dass sich bei Wellenlängenänderungen
der Abstand zwischen Off-Axis Zonenplatte und Monochromatorblende ändert, so
dass sehr präzise
mechanische Bewegungsführungen
nötig sind,
um die Justierung der Elemente zueinander nicht zu verlieren.
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Ein
anderer typischer Kondensor für
ein Röntgenmikroskop
ist in der
DE 44 32
811 A1 vorgestellt, bei dem der Kondensor als ein ringförmiger Spiegel
ausgebildet ist, der die Röntgenstrahlung
auf das zu untersuchende Objekt fokussiert. Die Abbildungsebene
befindet sich unmittelbar hinter der Objektebene. Dieser Kondensor
ist konzipiert für
eine Laborröntgenquelle
mit intensiver Linienstrahlung, deren Bandbreite typisch besser
als ein Prozent ist. Das Mikroskop ist daher in der Wellenlänge nicht durchstimmbar.
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Die
Herstellung des erwähnten
ringförmigen Spiegels
stellt extreme Anforderungen an die Formgenauigkeit und an die Rauhigkeit
der Oberfläche, die
durch Schleif- und Polierprozesse erreicht werden muss. Der Nachteil
solcher Optiken besteht darin, dass entweder die Oberflächenform
die erforderliche Genauigkeit aufweist, aber die Oberflächenrauhigkeit
zu groß ist,
um eine hohe Reflektivität
für Röntgenstrahlung
zu verwirklichen – oder
aber die Oberfläche
besitzt durch gutes Polieren eine entsprechend geringe Rauhigkeit,
aber die Formgenauigkeit geht dabei verloren, wodurch die Aberrationen
auftreten. Insbesondere besitzen die durch solche Schleif- und Polierprozesse
herstellbaren Optiken stets relativ lange Brennweiten im Bereich
von 1 bis zu mehreren 10 cm.
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Soll
ein Beleuchtungsfleck mit einem Durchmesser von 10-20 μm erreicht
werden, sind extreme, kaum zu realisierende Anforderungen an die
Qualität der
reflektierenden Oberfläche
und die Justierung der Optik im Strahl zu stellen.
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Wird
ein Röntgenmikroskop
an einem Undulator betrieben, so ist dessen Schwerpunktwellenlänge durchstimmbar.
Könnte
die Monochromasie der Strahlung mittels eines Monochromators in
den Sub-Promillebereich verbessert werden, wäre es möglich, nacheinander Bilder
bei sehr geringfügig unterschiedlichen
Wellenlängen
in der Nähe
der Absorptionskante eines in der Probe enthaltenen Elementes aufzunehmen.
Dabei kann dessen Absorptionskante durch die Art der chemischen
Bindung mit anderen Elementen geringfügig verschoben sein. Eine solche
Kantenverschiebung würde
sich in einem als Funktion der Wellenlänge geänderten Bildkontrast sichtbar
machen lassen.
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Solche
spektral hochaufgelösten
Bilder aus abbildenden Transmissions-Röntgenmikroskopen gibt
es bislang nicht. Es aber wäre
wünschenswert, Röntgenmikroskope
mit abstimmbarer Strahlung, deren Monochromasie jeweils besser als
ist als 1000 zu betreiben, damit spektroskopische Untersuchungen ermöglicht werden,
die ortsaufgelöste
Information über
den Bindungszustand bestimmter interessierender Elemente liefern.
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Für Monochromatoren
in Transmissions-Röntgenmikroskopen
kamen bislang in Betracht:
- a) Zonenplattenkondensoren
in Verbindung mit einer Monochromatorlochblende unmittelbar vor dem
Fokus einer gewünschten
Wellenlänge,
- b) eine Kombination von Beugungsgitter mit Kondensorzonenplatte,
- c) Kondensorzonenplatten oder Off-Axis Kondensorzonenplatten,
verbunden mit durch Schleifen und Polieren hergestellten Spiegeloptiken
mit einfacher oder zweifacher Reflexion der Strahlen.
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Der
Nachteil dieser Lösungen
mit durchstimmbaren Kondensoren besteht darin, dass mit Ihnen bislang
keine Bandbreite besser als 1 Promille (entspricht einer Monochromasie
von 1000) erreicht wurde und dass sie nur speziell für die Röntgenmikroskopie
entwickelte Monochromatoren benutzen, die bislang nicht ausentwickelt
erhältlich
sind. Besonders nachteilig sind außerdem an diesen Lösungen die
folgenden drei Merkmale:
- • eine Änderung der Wellenlänge wegen
der Wellenlängenabhängigkeit
der Brennweite der darin verwendeten Beugungsoptiken (wie z.B. einer Kondensorzonenplatte)
nur durch Fahren dieser Zonenplatte entlang der optischen Achse
des Mikroskops möglich,
was eine in der Praxis eine extreme Genauigkeit der Parallelität zwischen
Fahrbahn und optischer Achse im μrad
Bereich erfordert, da sich der Fokus beim Fahren nicht seitlich aus
dem zu beleuchtendem Objektbereich verschieben darf.
- • das
zu untersuchende Objekt befindet direkt in der Ebene der Monochromatorlochblende
oder in deren unmittelbarer Nähe.
Dadurch ist es nicht möglich
das Objekt auf einem beweglichen Halter anzuordnen, um das Objekt
in verschiedenen Ebenen und aus unterschiedlichen Richtungen darzustellen,
wie es für
CT-Aufnahmen erforderlich ist.
- • Bei
Verwendung von Kondensorzonenplatten oder Off-Axis Kondensorzonenplatten,
in Verbindung mit Spiegeloptiken wird zwar keine Monochromatorblende
benötigt,
da die Beleuchtung der Objektebene mit einem streifenförmigen Spektrum
erfolgt, das in eine Richtung Dispersion zeigt. Dies ist hat aber
den Nachteil, dass dadurch das Objekt großflächig, streifenförmig und
hierin mit nahezu konstanter Intensität auch mit Strahlung anderer
Wellenlängen
bestrahlt wird, die aber nicht zur Abbildung genutzt wird, die die Temperatur
des Objektes erhöht
und an diesem Strahlenschäden
entstehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Röntgenmikroskop mit einer Kondensor-Monochromator-Anordnung
anzugeben, das in der Wellenlänge
bei einer Bandbreite von 1 bis 0,1 Promille durchstimmbar ist, bei
dem die Röntgenstrahlung
auf ein Gebiet von wenigen μm
Durchmesser im Objektbereich des Röntgenmikroskops fokussiert
wird, ohne dass der Beleuchtungsfleck in seitlicher und/oder in Längsrichtung
bei Wellenlängenänderungen
nachjustiert werden muss und bei dem sich keine Monochromatorlochblende
in der Nähe
der Objektebene befindet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, indem
das von einem in der Synchrotronstrahlungsforschung üblichen
durchstimmbaren Monochromator ausgehende monochromatische Strahlenbündel mittels
einer Kapillaroptik auf einen nahezu raumfest positionierten Fokusfleck
im Röntgenmikroskop
gebündelt
wird. Dieser Fokusfleck liegt in einer Entfernung von einigen Millimetern hinter
der Kapillaroptik und weist einen Durchmesser von typisch kleiner
0,1 mm auf. Da die Strahlung durch Spiegelung in der Kapillaroptik gebündelt wird, wird
der Fokusfleck unabhängig
von der Wellenlänge stets
an derselben Position gebildet. Der verwendete Monochromator liefert
ein nahezu paralleles stabiles Strahlenbündel mit einem Durchmesser
von nur wenigen Millimetern, so dass eine Kapillaroptik mit einem
Eingangsdurchmesser von ca. 2 mm verwendet wird, die die Röntgenstrahlen
hohlkegelförmig
auf das zu untersuchende Objekt lenkt und eine Fläche mit
einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter beleuchtet. Der
Fokusfleck befindet sich ca. 2 mm hinter dem Strahlenausgang der
Kapillaroptik.
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Vorzugsweise
wird zur Erzeugung des monochromatischen Strahlenbündels ein
durchstimmbarer Plangitter-Monochromator verwendet.
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Das
parallele monochromatische Strahlenbündel kann aber auch mittels
eines freien Elektronenlasers (FEL) gewonnen werden oder aus einem gebräuchlichen
Kristallmonochromator.
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Wird
aus einem Plangittermonochromator oder Kristallmonochromator oder
FEL ein nahezu paralleles monochromatisches Strahlenbündel gewonnen,
das direkt von der Kapillaroptik aufgenommen wird, so wird zur Erzeugung
des Fokusflecks eine Kapillaroptik verwendet, deren Reflexionsfläche die Form
eines Rotationsparaboloiden aufweist.
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Es
ist auch möglich,
eine Kapillare zu nutzen, die intern zwei verschiedene Reflexionsflächen besitzt,
z.B. eine parabolische gekoppelt mit einer sich anschließenden hyperbolischen.
Werden die einfallenden parallelen Strahlen jeweils an beiden Flächen reflektiert,
so ergeben sich besonders vorteilhafte Abbildungseigenschaften des
aus der Röntgenastronomie
bekannten „Wolterteleskops". Der Durchmesser
und die Form des erzeugten Lichtfleck sind dann wesentlich unempfindlicher
gegenüber
einer Verkippung der Richtung der einfallenden Strahlung.
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Ist
dagegen zwischen dem Monochromator und der Kapillaroptik ein Refokussierspiegel
angeordnet, der die Strahlung zur Konvergenz bringt – in einen
Brennpunkt mit üblicherweise
größerem Durchmesser –, so wird
eine Kapillaroptik mit einer rotationsellipsoidalen Reflexionsfläche verwendet, deren
einer Brennpunkt im genannten Konvergenzpunkt des Monochromators
positioniert wird. Alternativ kann auch eine Kapillare genutzt werden,
die intern zwei rotationssymmetrische Reflexionsflächen besitzt,
die in diesem Fall bei leicht divergenter Strahlung ellipsoidal
und hyperbolisch sind. Dieses gilt auch bei Verwendung anderer Monochromatoren, deren
Strahlungsquellpunkte im endlichen liegen, so dass die Strahlung
beim Auftreffen auf die Kapillare eine merkliche Divergenz besitzt.
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Es
ist aber auch möglich,
dass das monochromatische Strahlenbündel von einem üblichen Zonenplattenmonochromator,
bestehend aus einer Kondensorzonenplatte, einer strahlungsundurchlässigen Blende
und einer Monochromatorlochblende, zu erzeugen. Da auch in diesem
Fall kein paralleles monochromatisches Strahlenbündel auf die Kapillaroptik
trifft, sondern Strahlung, die einen Konvergenzpunkt besitzt, weist
die Reflexionsfläche
der Kapillaroptik ebenfalls die Form eines Rotationsellipsoiden auf.
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Die
Kapillaroptik ist als solche in der Röntgenoptik bekannt und besteht
aus einem dünnen Glasrohr,
dessen Innendurchmesser die Form eines Rotationsellipsoiden besitzt.
Diese Fläche
wird mit einem Ziehverfahren eines bis zum Erweichen erhitzten Glasrohres
durch Variation der Ziehgeschwindigkeit erzeugt. Eine Kapillaroptik
weist üblicherweise einen
Innendurchmesser von ca. 2 mm auf, so dass aus dem Strahlenbündel ein
Durchmesserbereich von einigen Millimetern aufgefangen wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zentral vor der Kapillaroptik
eine abschattende Kreischeibenblende angeordnet, die etwas größer ist als
der der freie Durchmesser der Kapillare an ihrem Strahlaustrittsende.
Die Blende kann mit der Kapillaroptik verbunden sein, damit sie
sich bei Rasterbewegungen der Kapillare mitbewegt. Die Blende verhindert,
dass direktes Licht in Geradeausrichtung auf der optischen Achse – d.h. ohne
Reflexion – die
Kapillare durchdringen kann. Dies ist notwendig, wenn die Beleuchtung
der Kapillare nicht ringförmig
oder hohlkegelförmig
ist. Dieses direkte Licht würde
sich sonst störend
in der Bildmitte des Röntgenmikroskops
als kleiner sehr heller Lichtpunkt bemerkbar machen der wenige Prozent
der Bildfläche
ausmacht, der aber die Funktion des Mikroskops als solches nicht
beeinträchtigen
würde.
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Damit
auch Objekte untersucht werden können,
die größere Abmessungen
als der Fokusfleck haben, kann die Kapillaroptik mit Hilfe eines
mechanischen, z.B. piezoelektrischen Antriebs in Höhe und Seite
rasterförmig
parallel verschoben werden, um ein größeres Feld des Objektbereichs
auszuleuchten. Somit kann der Fokusfleck rasterförmig über die Probe geführt und
nacheinander verschiedene Positionen der Probe untersucht werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Das
erfindungsgemäße Röntgenmikroskop mit
Kondensor-Monochromator-Anordnung
weist gegenüber
dem bekannten Stand der Technik drei wesentliche Vorteile auf:
Die
Kapillaroptik erzeugt einen nahezu raumfest positionierten Fokusfleck
in einer Entfernung von einigen Millimetern hinter der Kapillaroptik,
ohne dass der Fokusfleck in seitlicher und/oder in Längsrichtung nachjustiert
werden muss. Da ein Plangittermonochromator (PGM) einen monochromatischen
Strahl liefert, dessen Divergenz sich, auch bei Änderung der Wellenlänge, (fast)
nicht ändert,
bildet die Kapillaroptik den Fokusfleck stets an derselben Stelle
ab.
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Wird
dagegen ein Zonenplattenmonochromator verwendet, ändert sich
bei Wellenlängenänderungen
die Divergenz der Strahlung und damit die Brennweite der Zonenplatte.
Das bedeutet auch eine Änderung
der Position der Monochromatorlochblende und damit auch zwangsläufig eine Änderung
der Position der Kapillaroptik. Um aber die Kapillaroptik und damit
den Fokusfleck hinter der Kapillaroptik raumfest zu lassen, kann
man den Zonenplattenmonochromator entlang der optischen Achse verschieben,
bis die raumfeste Kapillaroptik hinter der Monochromatorlochblende
wieder optimal beleuchtet ist.
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Der
andere wesentliche Vorteil besteht darin, dass sich bei dem erfindungsgemäßen Röntgenmikroskop
mit Kondensor-Monochromator-Anordnung
in unmittelbarer Nähe
der Objektebene keine Monochromatorlochblende und keine anderen
Bauelemente befinden, so dass das zu untersuchende Objekt, das auf
einem entsprechenden Halter befestigt ist, in seiner Position/Ausrichtung
zum Strahlengang relativ frei bewegbar ist. Somit lassen sich nacheinander
Aufnahmen aus verschiedenen Blickrichtungen, eine Computer-Tomographie
erstellen.
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Der
dritte Vorteil ist, dass mit einem Plangittermonochromator oder
einem Kristallmonochromator zuverlässige, kommerziell erhältlich Monochromatoren
benutzt werden können,
die eine spektrale Auflösung
im Subpromille Bereich besitzen und die damit eine bislang nicht
erreichte spektral hochaufgelöste
abbildende Röntgenmikroskopie
ermöglichen.
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Die
Verwendung einer Kapillaroptik ist außerdem kostengünstig, da
sie durch ein preisgünstiges
Schmelz- und Ziehverfahren hergestellt wird und nicht durch teure
Schleif- und Polierverfahren. Durch das zu ihrer Herstellung verwendete
Schmelz- und Ziehverfahren lassen sich vorteilhafterweise Kapillaroptiken
mit einem sonst nicht zu verwirklichenden geringen Durchmesser erzeugen,
wodurch Brennweiten von wenigen Millimetern verwirklicht werden
können.
Entsprechend schrumpft auch die Größe des Beleuchtungsflecks und
Aberrationen, hervorgerufen durch etwaige Ungenauigkeiten der Form
der reflektierenden Oberfläche,
sind in ihren absoluten Dimensionen entsprechend geringer.
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Das
erfindungsgemäße Röntgenmikroskop mit
einer Kondensor-Monochromator-Anordnung
hoher spektraler Auflösung
wird an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die
zugehörigen Zeichnungen
stellen dar:
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1:
Schematische Darstellung eines Röntgenmikroskops
mit einem Zonenplattenmonochromator und Monochromatorlochblende
(Stand der Technik)
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2:
Schematische Darstellung eines Röntgenmikroskops
unter Verwendung einer Kapillaroptik mit einem durchstimmbarer Plangitter-Monochromator
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3:
Schematische Darstellung eines Röntgenmikroskops
unter Verwendung einer Kapillaroptik mit einem durchstimmbarer Plangitter-Monochromator
und Refokussierspiegel
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4:
Schematische Darstellung eines Röntgenmikroskops
unter Verwendung einer Kapillaroptik mit einem Zonenplattenmonochromator
und Monochromatorlochblende
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In
der 1 ist ein bekanntes Röntgenmikroskop unter Verwendung
eines Zonenplattenmonochromators 1.2 und einer Monochromatorlochblende 12 dargestellt.
Die einfallende Röntgenstrahlung 4, die
von einem Elektronenstrahl-Speicherring erzeugt wird, trifft auf
den ringförmigen
Zonenplattenkondensor 5. Mittels dieses Zonenplattenkondensor 5 wird die
Strahlung 4 auf das zu untersuchende Objekt 7 fokussiert.
Direkt hinter dem Zonenplattenkondensor 5 ist eine Blende 6 angeordnet,
die die zentrale Strahlung ausgeblendet. Damit die gewünschte Monochromasie
erreicht wird und der bestrahlte Bereich auf die Größe des nutzbaren
Bildfeldes von typisch von 20μm
begrenzt wird, um eine übermäßige unnötige Energiezufuhr
in das Objekt zu vermeiden, ist direkt vor dem Objekt eine Monochromatorlochblende 12 angeordnet.
In entsprechender Entfernung hinter dem Objekt 7 ist das
Röntgenobjektiv 8 angeordnet, welches
das Strahlenbündel,
das das Objekt 7 durchdrungen hat auffängt. Das Röntgenobjektiv 8 erzeugt ein
reelles Bild des Objektes 7 auf einer ortsauflösenden Detektoreinrichtung 10,
die nach einer Bildintegrationszeit ein Bildsignal an einen Monitor
ausgibt. Die Detektoreinrichtung 10 ist üblicherweise
eine CCD-Kamera, die das Bild aufzeichnet. Das gesamte Röntgenmikroskop
ist einem Vakuumkessel 9 untergebracht.
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In
der 2 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenmikroskops
mit Kondensor-Monochromator-Anordnung dargestellt, wobei die einfallende
Röntgenstrahlung 4,
die von einem Elektronenstrahl-Speicherring
erzeugt wird, mittels eines durchstimmbaren Plangitter-Monochromators 1.1 in
einen monochromatisierten Strahl gewandelt wird. Dieser monochromatisierte
Strahl trifft auf einen Refokussierspiegel 2 und konvergiert
im Brennpunkt 11, der im Durchmesser typisch kleiner als
100 μm ist.
Der Strahl breitet sich anschließend wieder aus bis er durch
die nachgeordnete Kapillaroptik 3 aufgefangen wird.
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Symmetrisch
zur optischen Achse und vor der Kapillaroptik 3 ist eine
kleine strahlungsundurchlässige
Blende 3.1 angeordnet, die verhindert, dass zentrale Röntgenstrahlen
in Geradeausrichtung die Kapillaroptik 3 ohne Reflexion
durchdringen können.
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Die
Eintrittsöffnung
der Kapillaroptik 3 beträgt ca. 2 mm, was dem Ausschnitt
der genutzten Strahlung entspricht. Durch die Kapillaroptik 3,
deren Reflexionsfläche
die Form eines Rotationsellipsoiden aufweist, wird der monochromatisierte
Strahl mit steilerem Winkel reflektiert und hohlkegelförmig auf
das Objekt 7, das in der Ebene des Fokusflecks 7.1 angeordnet
ist, fokussiert. Im weiteren Verlauf trifft der Strahl, der das
Objekt 7 durchdrungen hat auf das Röntgenobjektiv 8, welches
ein reelles Bild des Objektes 7 erzeugt und auf einer ortsauflösenden Detektoreinrichtung 10 abbildet,
die wiederum nach einer Bildintegrationszeit ein Bildsignal an einen
Monitor ausgibt und das Bild aufzeichnet.
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Da
im gewählten
Beispiel ein monochromatisierter Röntgenstrahl durch den Refokussierspiegel 2 gebündelt wird,
trifft dieser mit einer bestimmten Divergenz auf die Reflexionsfläche der
Kapillaroptik, so dass der monochromatisierte Röntgenstrahl in einer Entfernung
von ca. 2 mm hinter der Kapillaroptik 3 einen Fokusfleck 7.1 mit
einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm erzeugt. Es ist also keine
Monochromatorlochblende mehr erforderlich, die sonst üblicherweise
in unmittelbarer Nähe
des zu untersuchenden Objekts 7 notwendig ist.
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In
der 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenmikroskops
mit Kondensor-Monochromator-Anordnung dargestellt, bei der die einfallende
Röntgenstrahlung 4,
ebenfalls mittels eines durchstimmbaren Plangitter-Monochromators 1.1 in
einen monochromatisierten Strahl gewandelt wird. Allerdings wird
bei dieser Ausführung kein
Refokussierspiegel 2 verwendet, so dass die nahezu parallele
Röntgenstrahlung 4 direkt
in die Kapillaroptik 3 eingestrahlt wird. Damit auch in
diesem Fall die Röntgenstrahlung 4 in
einem Fokusfleck 7.1 mit einem Durchmesser von weniger
als 0,1 mm, in einer Entfernung von ca. 2 mm hinter der Kapillaroptik 3 die Röntgenstrahlung
hohlkegelförmig
auf das Objekt 7 fokussiert wird, besitzt die Oberfläche der
Kapillaroptik 3 die Form eines Rotationsparaboloiden. Alle
weiteren Elemente entsprechen der Ausführung gem. 2.
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In
der 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenmikroskops mit
Kondensor-Monochromator-Anordnung dargestellt, bei der die einfallende
Röntgenstrahlung 4 mit Hilfe
eines Zonenplattenmonochromators 1.2, bestehend aus einem Zonenplattenkondensor 5,
einer strahlungsundurchlässigen
Blende 6 sowie einer Monochromatorlochblende 12,
wird der Röntgenstrahl
fokussiert, wobei im Brennpunkt 13 des Zonenplattenkondensors 5 die
Aperturanpassung gelingt. Die in der Ebene des Brennpunkts 13 angeordnete Monochromatorlochblende 12 dient
als virtuelle Quelle, die mit Hilfe der Kapillaroptik 3 verkleinert
und wieder in einem Fokusfleck 7.1 mit einem Durchmesser
von weniger als 0,1 mm, in einer Entfernung von ca. 2 mm hinter
der Kapillaroptik 3 die Röntgenstrahlung hohlkegelförmig auf
das Objekt 7 fokussiert wird. Da auch bei dieser Ausführung ein
Röntgenstrahl
in die Kapillaroptik 3 eintritt, der eine gewisse Divergenz hat,
weist die Reflexionsfläche
der Kapillaroptik 3 die Form eines Rotationsellipsoiden
auf. Eine Blende unmittelbar vor dem Objekt ist auch bei dieser
Ausführung
nicht erforderlich. Alle weiteren Elemente des Röntgenmikroskops entsprechen
auch bei diesem Beispiel der Ausführung gem. 2.
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- 1.1
- Plangittermonochromator
- 1.2
- Zonenplattenmonochromator
- 2
- Refokussierspiegel
- 3
- Kapillaroptik
- 3.1
- Blende
der Kapillaroptik
- 4
- einfallende
Röntgenstrahlung
- 5
- Zonenplattenkondensor
- 6
- strahlungsundurchlässige Blende
- 7
- zu
untersuchendes Objekt
- 7.1
- Fokusfleck
der Kapillaroptik
- 8
- Röntgenobjektiv
- 9
- Vakuumkessel
- 10
- Detektoreinrichtung
(CCD-Kamera)
- 11
- Brennpunkt
des Refokussierspiegels
- 12
- Monochromatorlochblende
- 13
- Brennpunkt
des Zonenplattenkondensors