DE4119729C2 - Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, ins­ besondere im Röntgen- und Gammastrahlungsbereich, durch Wechselwirkung zwischen beschleunigten Ladungsträgern, ins­ besondere Elektronen oder Positronen, und einem Kristall­ gitter, mit einer Ladungsträgerquelle zum Erzeugen eines Bündels energiereicher Ladungsträger und mit einer Kristall­ anordnung, die derart im Wege des Ladungsträgerstrahlbündels angeordnet ist, daß die Ladungsträger das Kristallgitter der Kristallanordnung parallel zu einer vorgegebenen Gitterebene oder Gitterachse durchlaufen ("Kanalisierungs-Bedingung"). Eine derartige Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus Appl. Phys. Lett. 57 (27), 31. Dezember 1990, 2956-2958 bekannt.

Energetische geladene Teilchen, die unter hinreichend kleinem Winkel zu einer Kristallebene oder Kristallachse auf einen geeigneten Einkristall treffen, bewegen sich oszilla­ torisch längs der betreffenden Gitterrichtung entlang der Kristallebene bzw. Kristallachse (sogenanntes Channeling oder Kanalisieren) und emittieren dabei in Vorwärtsrichtung elektromagnetische Strahlung, deren Energie bei ent­ sprechender Masse und Energie der einfallenden geladenen Teilchen im Röntgen- oder Gammastrahlungsbereich liegt (sogenannte Channeling- oder Kanalisierungsstrahlung). Beispielsweise erzeugen Elektronen mit einer Energie zwischen 20 und 100 MeV in monokristallinem Silizium Röntgenstrahlen mit Energien zwischen etwa 20 und 200 keV.

Bei den üblichen Einrichtungen zur Erzeugung von Kanali­ sierungsstrahlung wird ein Ladungsträgerstrahl möglichst kleiner Divergenz verwendet, der parallel zu einer ausge­ wählten Kristallebene bzw. Kristallachse auf einen ebenen Einkristall trifft (Appl. Phys. Lett. 57 (27), 31. Dezember 1990, 2956-2958).

Bei den bekannten Einrichtungen der obengenannten Art wird möglichst parallele Ladungsträgerstrahlung verwendet und es entsteht ein weitgehend paralleles Bündel elektromagnetischer Strahlung. Für manche Anwendungen werden jedoch deutlich konvergente oder divergente Bündel kurzwelliger elektro­ magnetischer Strahlung benötigt. Dies bereitet Probleme, da für kurzwellige elektromagnetische Strahlung keine fokussie­ renden optischen Elemente, wie Linsen, zur Verfügung stehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der oben angegebenen Art derart weiterzubilden, daß mit ihr ein konvergentes oder divergentes Bündel kurz­ welliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Gammastrahlungsbereich, erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand von Unter­ ansprüchen.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung gestattet es, ein Bündel kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Gammastrahlungsbereich, mit vorgegebenen Kon­ vergenz- oder Divergenzeigenschaften herzustellen, da die Konvergenz bzw. Divergenz der kurzwelligen elektromagne­ tischen Strahlung durch die Konvergenz bzw. Divergenz des auf die Kristallanordnung fallenden Ladungsträgerstrahlbün­ dels bestimmt wird, die sich mit teilchenoptischen Mitteln, insbesondere Elektronenlinsen u. dgl. leicht beeinflussen läßt, und sich auch gebogene Einkristallanordnungen ohne größere Schwierigkeiten herstellen lassen. Weiterbildungen der vorliegenden Einrichtung ermöglichen eine Modulation der Intensität bzw. der Konvergenz oder Divergenz des elektromagnetischen Strahlungsbündels.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Horizontalschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erzeugen eines konvergenten Bündels kurzwelliger elektro­ magnetischer Strahlung;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zum Erzeugen eines konvergenten Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung;

Fig. 3 einen Horizontalschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erzeugen eines divergenten Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung zum Erzeugen eines konvergenten Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bekannten Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektro­ magnetischer Strahlung durch Kanalisierung;

Fig. 5 zeigt eine Channeling- oder Kanalisierungs-Ein­ richtung üblicher Bauart in Draufsicht. Ein von einer nur schematisch dargestellten Ladungsträgerquelle 10, z. B. einem Beschleuniger, erzeugtes weitestgehend paralleles Ladungs­ trägerstrahlbündel 12 fällt auf einen ebenen Kristall 14. Die Ladungsträger, z. B. Elektronen, bewegen sich in einer vorgegebenen Gitterrichtung, also parallel zu einer vorgege­ benen Gitterebene oder Gitterachse durch den Kristall und erzeugen dort durch Wechselwirkung mit dem Kristallgitter ein im wesentlichen paralleles Bündel 16 kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, z. B. im Gammastrahlungsbereich. Die Ladungsträger, die den Kristall 14 durchlaufen haben, werden durch einen Ablenkmagnet 18 aus dem Strahlengang des Gammastrahlungsbündels 16 abgelenkt und fallen dann auf einen in Fig. 5 nicht dargestellten Auffänger. Bei dieser bekannten Einrichtung sind sowohl das Ladungsträgerbündel 12 als auch das Gammastrahlungsbündel 16 in der horizontalen und der vertikalen Ebene im wesentlichen parallel.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfin­ dung liefert die nicht dargestellte Ladungsträgerquelle ein in der Zeichenebene konvergentes, in der dazu senkrechten Ebene im wesentlichen paralleles Ladungsträger-, insbesondere Elektronenstrahlbündel 212. Im Wege des Elektronenstrahl­ bündels 212 ist ein plättchenförmiger Einkristall 214 an­ geordnet, der um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse zylindrisch gebogen ist (Die Krümmung des Kristalls ist in Fig. 1 sowie in den Fig. 3 und 4 der Deutlichkeit halber übertrieben stark dargestellt). In der Zeichenebene konvergieren also die Richtungen der Elektronenstrahlwege im Kristall in einem vorgegebenen Punkt 220 und der Kristall ist so gebogen, daß die Channeling- oder Kanalisierungs­ bedingung für alle Ladungsträgerstrahlwege im gebogenen Kristall 214 im wesentlichen erfüllt ist. Die vom Kristall aus in Vorwärtsrichtung der Elektronenstrahlen emittierte Röntgen- oder Gammastrahlung konvergiert also ebenfalls in der Zeichnungsebene und in zu dieser parallelen Ebenen, wobei auf der Krümmungsachse ein Strichfocus entsteht. Das in einer Ebene konvergierende Elektronenstrahlbündel wird, nachdem es den Kristall 214 durchlaufen hat, durch einen Ablenkmagnet 218 abgelenkt und fällt in einen Auffänger 222. Die Krümmungsachse des Kristalles 214 fällt also in der Zeichenebene mit dem Punkt 220 zusammen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, die in einer zu Fig. 1 senkrechten Schnittebene dargestellt ist, ist das von der Ladungsträgerquelle erzeugte Ladungsträger­ strahlbündel 312 in zwei zueinander senkrechten Ebenen (also in der Zeichenebene und der zu dieser senkrechten Ebene) konvergent und erzeugt in Kombination mit dem Kristall 314, der bezüglich einer in der Zeichenebene lie­ genden Achse 319 zylindrisch gekrümmt ist, einen Punktfocus im Punkt 320, da die Kanalisierungsbedingung in allen Ebenen des zylindrisch gekrümmten Kristalles, die durch die Achse 319 gehen (einschließlich der Zeichenebene) im wesentlichen erfüllt ist. Der Ablenkmagnet und der Auffänger, die norma­ lerweise bei einer Einrichtung der vorliegenden Art vor­ gesehen sind, sind in Fig. 2 und den folgenden Figuren nicht dargestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 liefert die nicht dargestellte Ladungsträgerquelle ein divergentes Ladungs­ trägerstrahlbündel 412. Der Kristall 414 ist dementsprechend zur Ladungsträgerstrahlquelle hin zylindrisch oder rotations­ symmetrisch konkav so gekrümmt, daß die Kristallrichtungen (Kristallebenen, Kristallachsen), längs derer die Kanalisie­ rung stattfindet, jeweils parallel zu den einzelnen Ladungs­ trägerstrahlwegen verlaufen. Der Konvergenzpunkt 420 der Ladungsträgerstrahlrichtungen im Kristall und der gewählten Kristallrichtungen liegt also bei Fig. 3 auf der der Ladungsträgerquelle zugewandten Seite des Kristalles und nicht auf der der Ladungsträgerquelle abgewandten Seite des Kristalles wie bei Fig. 1 und 2.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist das einfallende Ladungsträgerstrahlbündel 512 wieder in einer oder zwei Ebenen oder rotationssymmetrisch konvergent. Als Kristallanordnung wird hier nicht ein einzelner, entsprechend gebogener Einkristall verwendet sondern eine Mehrzahl von gebogenen oder gegebenenfalls sogar ebenen Einkristall­ plättchen oder -segmenten 514a, 514b, . . . die auf einem Bogen um den Konvergenzpunkt 520 angeordnet sind. Wenn die Segmente 514a, . . . genügend klein sind, können sie aus ebenen Einkristallstücken bestehen. Es ist außerdem selbst­ verständlich einfacher, kleinere Kristallplättchen zu biegen als eine große Einkristallplatte.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 4 läßt sich auch eine Kristall­ anordnung, die in zwei Ebenen gekrümmt ist, wie eine Kugel­ kalotte, die in Kombination mit einem rotationssymmetrisch konvergenten oder divergenten Ladungsträgerstrahlbündel verwendet werden kann, relativ einfach realisieren.

Durch gepulstes oder oszillatorisches Biegen des Kristalls bzw. der Kristalle oder der Kristallanordnung oder durch gepulstes oder oszillatorisches Drehen der ebenen Segmente der Kristallanordnung gem. Fig. 4 kann die Intensität bzw. Konvergenz/Divergenz des erzeugten kurzwelligen Strahlungs­ bündels zeitlich und/oder räumlich moduliert und gegebenen­ falls mit äußeren Meßbedingungen und/oder entsprechenden Änderungen Konvergenz bzw. Divergenz des Ladungsträger­ strahlbündels synchronisiert werden. Hierzu können beispiels­ weise die einzelnen Kristallsegmente 514a, 514b, . . . an entsprechenden Stellvorrichtungen gehaltert werden.

Anstelle eines zylindrisch gebogenen Kristalles kann man bei hinreichend kleiner Kristallgröße und -dicke auch einen sphärisch gebogenen Kristall verwenden. In Kombination mit einem rotationssymmetrischen, konvergenten oder divergenten Ladungsträgerstrahlbündel läßt sich dann die Kanalisierungs­ bedingung rotationssymmetrisch für eine spezielle Kristall­ achse erfüllen. Entsprechendes gilt selbstverständlich ganz allgemein für Kristalle, die in zwei Richtungen gebogen sind, z. B. ellipsoidförmig. Der Konvergenz- bzw. Divergenz­ winkel des Ladungsträgerstrahlbündels wird im allgemeinen größer als 0,1 mrad, z. B. größer als 0,3 mrad sein. Als monokristallines Kristallmaterial kann z. B. Silizium oder Diamant verwendet werden. Als Ladungsträger werden Elektronen bevorzugt, deren Energien im allgemeinen über 1 MeV, vorzugs­ weise über 10 MeV betragen. Geeignete Kristallrichtungen sind z. B. bei Si die (111) Achse und die (100) Ebene, bei Diamant die (110) Achse. Die Dicke der Kristallanordnung kann zwischen etwa 1 µm und 1 mm liegen.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Erzeugen kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Röntgen- und Gammastrahlungs­ bereich, durch Wechselwirkung zwischen beschleunigten Ladungsträgern, insbesondere Elektronen oder Positronen, und einem Kristallgitter, mit einer Ladungsträgerquelle zum Erzeugen eines Bündels (212, 312, 412, 512) energiereicher Ladungsträger und mit einer Kristallanordnung (214, 314, 414, 514), die derart im Wege des Ladungsträgerstrahlbündels angeordnet ist, daß die Ladungsträger das Kristallgitter der Kristallanordnung parallel zu einer vorgegebenen Gitterebene oder Gitterachse durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristall­ anordnung (214, 314, 414, 514) von den Ladungsträgern in mindestens einer parallel zur Achse des Ladungsträgerstrahl­ bündels (212, 312, 412, 512) ausgerichteten Ebene mit Richtungen durchlaufen wird, die im wesentlichen in einem vorgegebenen Punkt (220, 320, 520) konvergieren, und daß die Kristall­ anordnung auf einem Bogen um den vorgegebenen Punkt angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß das auf die Kristallanordnung (214, 314, 514) fallende Ladungsträgerstrahlbündel konvergent ist und daß der vor­ gegebene Punkt (220, 320, 520) auf der der Ladungsträger­ quelle abgewandten Seite der Kristallanordnung liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Kristallanordnung (214, 314, 514) fallende Ladungsträgerstrahlbündel in zwei zueinander senkrechten Ebenen konvergent ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß das auf die Kristallanordnung (414) fallende Ladungsträgerstrahlbündel divergent ist und daß der vorgegebene Punkt (220, 320, 520) auf der der Ladungsträgerquelle zugewandten Seite der Kristall­ anordnung liegt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kristallanordnung aus einem gebogenen Ein­ kristall besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall zylindrisch gebogen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kristallanordnung aus mehreren Segmenten (514a, 514b, . . .) besteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus gebogenen Einkristallplättchen bestehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus ebenen Einkristallplättchen bestehen.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern der Krümmung der Kristallanordnung.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Schwenken der Segmente der Kristallanordnung.