EP0788652A1 - Linse für hochenergetische strahlung, ihre verwendung und ihre herstellung - Google Patents

Linse für hochenergetische strahlung, ihre verwendung und ihre herstellung

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Publication number
EP0788652A1
EP0788652A1 EP95935371A EP95935371A EP0788652A1 EP 0788652 A1 EP0788652 A1 EP 0788652A1 EP 95935371 A EP95935371 A EP 95935371A EP 95935371 A EP95935371 A EP 95935371A EP 0788652 A1 EP0788652 A1 EP 0788652A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens
disc
channels
disk
radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95935371A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Waldemar Jakobi
Christoph Schultheiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP0788652A1 publication Critical patent/EP0788652A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
    • G21K1/067—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators using surface reflection, e.g. grazing incidence mirrors, gratings
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/025—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using multiple collimators, e.g. Bucky screens; other devices for eliminating undesired or dispersed radiation
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K2201/00—Arrangements for handling radiation or particles
    • G21K2201/06—Arrangements for handling radiation or particles using diffractive, refractive or reflecting elements
    • G21K2201/067—Construction details

Definitions

  • the invention relates to a lens for high-energy radiation according to claim 1, its use according to claim 6 and methods for its production according to claims 7, 9 and 10.
  • the described embodiment consists of a bundle of 2000 glass capillaries with a inner diameter of 0.36 mm (360 ⁇ m) and a length of 98 cm, which are bent in the direction of the axis of the bundle.
  • the lenses mentioned have in common that long reflecting systems are required for focusing X-rays and particle radiation.
  • the overall length of the lenses in the beam direction for the Kumakhov lens is approximately 1 m;
  • the lens systems used for astronomy have similar lengths.
  • the known lenses are expensive because of their size and the complex surface processing.
  • the capillaries used for the Kumakhov lens must have a highly precise inner surface due to the multiple beam reflection in order to keep intensity losses in a still acceptable range.
  • a Kumakhov lens with a quality that approximately corresponds to the theoretically given possibilities has not yet been produced.
  • the object of the invention is to propose a lens for high-energy radiation which has a very small length in the beam direction. Furthermore, the lens should be simple and inexpensive to manufacture.
  • the object is achieved according to the invention by the lens described in claim 1.
  • the use of the lens is the subject of claim 6.
  • Methods for producing the lens are specified in claims 7, 9 and 10.
  • the dependent claims describe preferred configurations of the lens and a method for its production.
  • the disc is curved in such a way that it has a concave and a convex side.
  • the disk can be curved in such a way that it forms part of the circumferential surface of a cylinder, so that its cross-section forms part of a circle, e.g. B. represents a third or fourth of a circle.
  • the channels point to a common line, namely the axis of the cylinder.
  • the disk is curved in such a way that all the channels point to a common point, the focal point.
  • the concave side forms a radially symmetrical depression, while the convex side represents a corresponding elevation.
  • the disk is preferably curved in such a way that the tangent at its edge encloses an angle between 3 ° and 20 ° with the tangent surface at its apex. This angle was derived from a polycarbonate lens.
  • the lens according to the invention is only permeable to radiation of a single energy range. Other energy areas are focused when the degree of curvature is changed.
  • a lens which is composed of a planar pane which has a center appears to be equally suitable as a lens, the channels running perpendicular to the plane of the pane and the channels form an angle outside the center with the channels in the center, the amount of which increases as the channels are distant from the center. Also such Before an embodiment forms a lens with channels which point to a common line or a common point on one side of the lens.
  • the thickness of the pane can be chosen to be very small. In any case, a thickness of 1 cm is sufficient.
  • the exemplary embodiment shows that focusing is also achieved with a curved disc, the thickness of which is less than 1 mm.
  • the number of channels and their diameter determine the permeability of the lens for the radiation to be focused.
  • the absorption of radiation falling on the lens depends on the total ratio of the areas of the open and the closed areas. The higher the total area of the channel inlet openings and thus the open areas, the more permeable the lens is.
  • the channels should have a diameter of less than 50 ⁇ m. Smaller diameters, approximately 10 ⁇ m and less, appear to be more suitable. Optimal properties are expected with a channel diameter of less than 1 ⁇ m, approximately 0.1 ⁇ m. In order to reduce the absorption of the radiation by the radiopaque material of the pane, the number of channels must be increased accordingly.
  • One embodiment of the lens according to the invention can be based on a planar, for the respective type of radiation Create permeable pane.
  • the planar disk is provided with a multiplicity of continuous, mutually parallel channels which run perpendicular to the plane of the planar disk and measure a maximum of 50 ⁇ m in diameter.
  • a large number of very fine channels can be produced by exposing the planar disk to a parallel ion beam incident perpendicularly on the planar disk, which penetrates the planar disk.
  • the arrangement of the individual channels is arbitrary; a specific pattern need not be specified.
  • planar disks with a plurality of channels which are parallel to one another and run perpendicular to the disk plane are already commercially available for the purpose of filtering liquids.
  • Suitable for producing a lens for soft X-rays have been found, for example: B. filter plates made of polycarbonate with a variety of pores between 12 and 0.015 microns, as they are offered under the name "Nucleopore R polycarbonate membrane” in specialist shops. These filter plates have a thickness of significantly less than one millimeter.
  • the planar disk is curved in the manner specified above.
  • the curvature can e.g. B. with the help of a stamp in a form, the surfaces of the stamp and shape correspond to the desired curvature.
  • the filter plates mentioned can be inserted into an opening in an evacuable container, after which the container is permanently evacuated by a pump.
  • the filter plate bulges symmetrically in the direction of the interior of the container, the degree of curvature depending on the pump power.
  • a self-supporting planar glass or plastic pane perforated by channels can be permanently arched at an increased deformation temperature.
  • the lens should not have a focal point, but a focal "line", it is sufficient with flexible planar disks, the planar disk in the Way in a fixing and tensioning device that they z. B. forms part of the outer surface of a cylinder.
  • part of a ball surface z. B. made of thin glass and an approximately point-shaped particle source is fixed in the center of the sphere, the energy of the particles being sufficient to penetrate the material.
  • An analog method can be used to manufacture planar lenses. A flat disk with a center point is irradiated with the aid of an approximately point-shaped particle source. The particle source is arranged on a line that runs perpendicular to the flat disk through its center. ⁇ radiation is particularly suitable as particle radiation.
  • the lens according to the invention can also be used analogously to the known lens systems to generate a parallel bundle of rays.
  • a point-shaped radiation source can be arranged in the focal point of the lens.
  • Fig. 1 shows the experimental arrangement with the help of which the experiments described below were carried out.
  • the experimental arrangement consists of a device 1 for emitting soft X-rays, the lens 2 and a PIN detector (PIN diode) 3 for determining the intensity of the X-rays. lung.
  • the device 1 consists in a known manner of an anode 4 and a cathode 6, which are separated from one another by a dielectric 5.
  • An adjustable high voltage 8 with U> 10 to 20 kV is applied to the anode 4 and the cathode 6.
  • the cathode 6 forms an aperture with a diameter of 10 mm. Point 7 is approx. 50 mm from the aperture.
  • the test arrangement is kept under a pressure of P ⁇ 10 -3 mbar.
  • the intensity of the X-rays emitted by the device 1 depends on the material of the anode 4 and cathode 6, their geometry and the voltage applied.
  • a filter plate is used as lens 2, which is commercially available under the name "Nucleopore R polycarbonate membrane".
  • the filter plate consists of a planar disc with a diameter of 4.5 cm and a thickness of 0.01 mm. The manufacturer states that the pore diameter is 10 ⁇ m and the pore density is 1 ⁇ 10 5 pores / cm 2 . The pores represent continuous channels.
  • the filter plate is curved using a holding device (not shown), the degree of curvature being adjustable. In all cases, the curvature is such that the filter plate has a continuously curved line in cross section. Instead of a focal point, a focal "line” is obtained with a curvature that is circular in cross-section and is designated by "F".
  • a small edge section of the lens was clamped.
  • the lens 2 was fixed laterally by a wire bracket.
  • the edge section opposite the clamped edge section was held by a further wire bracket which could be displaced with the aid of a micrometer screw in the direction of the clamped edge section, so that the lens 2 could be arched to an increasing extent by screwing in the micrometer screw.
  • the positions can be set from 0 mm to 8 mm become.
  • the 8 mm position corresponds to a very slightly curved lens.
  • Fig. 2 shows schematically the filter plate in planar form in plan view (part a) and cross-sectional representation (part b) and in a curved form (part c).
  • the curvature corresponds to the case mentioned above and shown in the figure (part c) that the curved filter plate lies on the lateral surface of a cylinder. In the other positions, a more or less strong curvature is achieved.
  • the extensions of the channels do not point exactly to the line labeled "F" because a reflection takes place on their inner surface.
  • the beam deviation due to the reflection can be neglected for practical purposes.
  • the rays ⁇ n are therefore focused at very small channel diameters on the common line (the cylinder axis) on which the extensions of the channels intersect on the concave side of the filter plate.
  • the focal point of the radiation is closer to the lens than the intersection of the extensions of the channels, as can be derived from part c of the figure.
  • FIG. 3b shows a diagram analogous to FIG. 3a with the test arrangement largely unchanged.
  • the device 1 contained both an iron cathode and an anode. Again, a horizontal line was obtained without lens 2 in the diagram. In the experiment with lens 2, the intensities obtained were designated with the error bars.
  • the focusing effect with lens 2 can be seen in the maxima of the intensity at a low position Q of the micrometer screw (stronger lens curvature).
  • the low intensity values in the case of a slightly curved lens 2 again appear to be due to the absorption of the radiation by the lens 2.
  • a stronger curvature (Q in the range between 1 and 3 mm) gives intensity values which are clearly above the intensity values which are obtained without lens 2 (horizontal line).
  • the maxima are interpreted as the X-ray spectrum of the X-rays emitted by the iron cathode.
  • FIG. 4a shows a further intensity diagram.
  • the distance between lens 2 and PIN diode 3 in the beam direction (cf. FIG. 1) was 220 mm.
  • Both electrodes were made of iron, but had a different geometry, so that an X-ray radiation with a higher intensity was obtained overall.
  • the above-mentioned PIN diode 3 was used.
  • the lens 2 was curved in such a way that Q (position of the micrometer screw) was 2.8 mm and kept constant at this value. In contrast, the position of the PIN diode was varied.
  • FIG. 4b shows the results obtained without lens 2 with the same arrangement. This attempt shows the unaffected beam contour perpendicular to the beam path. The maximum of the intensity is lower than the maximum of the intensity which is obtained with the lens 2 inserted.
  • FIG. 5 shows a further intensity diagram.
  • Both the cathode and anode of device 1 were made of iron.
  • Three maxima were obtained with lens 2, while a horizontal line resulted without lens.
  • the maxima are interpreted analogously to the results shown in FIG. 3b as an X-ray spectrum of the iron cathode of the device 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linse für hochenergetische Strahlung, bestehend aus einer für die Strahlung undurchlässigen Scheibe mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die mit einer Vielzahl von im Durchmesser maximal 50 νm messenden Kanälen versehen ist, wobei die Kanäle in der Weise angeordnet sind, daß sie von der ersten zur zweiten Oberfläche der Scheibe verlaufen und ihre Verlängerungen auf eine gemeinsame Linse oder einen gemeinsamen Punkt weisen, wobei die gemeinsame Linse oder der gemeinsame Punkt der zweiten Oberfläche der Scheibe gegenüberliegt. Die Linse dient zur Fokussierung eines Röntgen-, Gamma- oder Teilchenstrahls. Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung der Linse angegeben.

Description

Linse für hochenergetische Strahlung, ihre Verwendung und ihre Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Linse für hochenergetische Strah¬ lung gemäß Anspruch 1, ihre Verwendung gemäß Anspruch 6 und Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß den Ansprüchen 7, 9 und 10.
In PHYSICS REPORTS (Review Section of Physics Letters) 191. No. 5 (1990) 289-350 wird ein Überblick über die Röntgenoptik und über Linsen für hochenergetische Strahlung gegeben. In der Einleitung ist angegeben, daß Röntgenstrahlen an glatten Flä¬ chen unter einem flachen Winkel reflektiert werden können. Linsensysteme, die solche Reflektorflächen aufweisen, werden heute in der Astronomie eingesetzt. Mehrfache Reflektion unter flachem Einfallswinkel findet in Kapillaren statt. Mehrere Ka¬ pillaren lassen sich zu einem Bündel vereinigen, wobei die Röntgenstrahlung an einer Seite des Bündels in die Kapillaren eintritt. Die Kapillaren können gekrümmt sein, so daß sie auf der gegenüberliegenden Seite des Bündels auf einen gemeinsamen Punkt, den Brennpunkt, gerichtet sind. In diesem Brennpunkt wird die durch die Kapillaren geleitete Röntgenstrahlung fo- kussiert. Dies ist das Prinzip der sogenannten Ku akhov-Linse. Diese Linse wird im Abschnitt 7. eingehend beschrieben. Die Beschreibung ist weitgehend identisch mit dem nachfolgend zu diskutierenden Stand der Technik. Eine weitere Möglichkeit, Röntgenstrahlung zu fokussieren, besteht gemäß Abschnitt 9. in der Verwendung hohler, ineinandergestellter Zylinder oder Ke¬ gel, deren Mantelflächen gegeneinander in einem bestimmten Ab¬ stand gehalten werden. In den weiteren Abschnitten wird ange¬ geben, daß Systeme zur Fokussierung von Röntgenstrahlung auch zur Fokussierung von Teilchenstrahlung (Neutronen, Ionen) ge¬ eignet sind.
Gegenstand der US-Z.: "Sov. Phys. Usp." 32 (3), March 1989, S. 271-276 ist die Kumakhov-Linse. Die beschriebene Ausführungs¬ form besteht aus einem Bündel von 2000 Glaskapillaren mit ei- nem Innendurchmesser von 0,36 mm (360 μm) und einer Länge von 98 cm, die in Richtung auf die Achse des Bündels gebogen sind.
Aus GB-Z,: "Nature", Vol 357, 4. June 1992, S. 391-393 ist be¬ kannt, daß sich die Kumakhov-Linse auch zur Fokussierung von Teilchenstrahlen, insbesondere von Neutronenstrahlen, eignet.
Den genannten Linsen ist gemeinsam, daß zur Fokussierung von Röntgenstrahlung und Teilchenstrahlung lange reflektierende Systeme erforderlich sind. Die Baulänge der Linsen in Strahl¬ richtung beträgt bei der Kumakhov-Linse ca. 1 m; ähnliche Län¬ gen weisen die für die Astronomie eingesetzten Linsensysteme auf. Die bekannten Linsen sind wegen ihrer Größe und der auf¬ wendigen Oberflächenbearbeitung teuer. Insbesondere die für die Kumakhov-Linse eingesetzten Kapillaren müssen wegen der mehrfachen Strahlreflexion eine hochpräzise innere Oberfläche aufweisen, um Intensitätsverluste in einem noch akzeptablen Bereich zu halten. Eine Kumakhov-Linse mit einer Qualität, die annähernd den theoretisch gegebenen Möglichkeiten entspricht, konnte bisher noch nicht hergestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Linse für hochenergetische Strahlung vorzuschlagen, die in Strahlrichtung eine sehr ge¬ ringe Länge aufweist. Ferner soll die Linse einfach und ko¬ stengünstig herstellbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 be¬ schriebene Linse gelöst. Die Verwendung der Linse ist Gegen¬ stand von Anspruch 6. Verfahren zur Herstellung der Linse sind in den Ansprüchen 7, 9 und 10 angegeben. Die abhängigen An¬ sprüche beschreiben bevorzugte Ausgestaltungen der Linse und eines Verfahrens zu ihrer Herstellung.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß eine Fokussierung von Röntgenstrahlung mit Hilfe einer gewölbten Scheibe er¬ reicht werden kann, die eine Vielzahl von Kanälen aufweist, die jeweils senkrecht zur Scheibe angeordnet sind. Das Mate- rial der Scheibe muß für Röntgenstrahlung undurchlässig sein. Generell wird diese Bedingung durch Glas erfüllt. Für weiche Röntgenstrahlung sind Kunststoffe wie z. B. Polycarbonat ge¬ eignet.
Die Scheibe ist in der Weise gewölbt, daß sie eine konkave und eine konvexe Seite aufweist. Die Scheibe kann in einer ersten Ausführungsform in der Weise gewölbt sein, daß sie einen Teil der Mantelfläche eines Zylinders bildet, so daß ihr Quer¬ schnitt einen Teil eines Kreises, z. B. ein Drittel oder Vier¬ tel eines Kreises, darstellt. Die Kanäle weisen in diesem Fall auf eine gemeinsame Linie, nämlich die Achse des Zylinders. In einer zweiten, verbesserten Ausführungsform ist die Scheibe in der Weise gewölbt, daß alle Kanäle auf einen gemeinsamen Punkt, den Brennpunkt, weisen. In diesem Fall bildet die kon¬ kave Seite eine radialsymmetrische Vertiefung, während die konvexe Seite eine entsprechende Erhöhung darstellt.
In beiden genannten Ausführungsformen ist die Scheibe vorzugs¬ weise in der Weise gewölbt, daß die Tangente an ihrem Rand mit der Tangentenfläche an ihrem Scheitelpunkt einen Winkel zwi¬ schen 3° und 20° einschließt. Diese Winkelangabe wurde mit ei¬ ner Linse aus Polycarbonat abgeleitet.
Die erfindungsgemäße Linse ist bei vorgegebener Wölbung nur für Strahlung eines einzelnen Energiebereichs durchlässig. An¬ dere Energiebereiche werden fokussiert, wenn das Maß der Wöl¬ bung verändert wird.
Ausgehend von der Eignung einer in der angegebenen Weise ge¬ wölbten Scheibe erscheint als Linse eine solche Linse glei¬ chermaßen geeignet, die aus einer planaren Scheibe besteht, die einen Mittelpunkt aufweist, wobei die Kanäle im Mittel¬ punkt senkrecht zur Scheibenebene verlaufen und die Kanäle außerhalb des Mittelpunkts mit den Kanälen im Mittelpunkt einen Winkel einschließen, dessen Betrag in dem Maß der Ent¬ fernung der Kanäle vom Mittelpunkt größer wird. Auch eine sol- ehe Ausführungsform bildet eine Linse mit Kanälen, die auf ei¬ ner Seite der Linse auf eine gemeinsame Linie oder einen ge¬ meinsamen Punkt weisen.
Die Dicke der Scheibe kann sehr klein gewählt werden. Ausrei¬ chend ist in jedem Fall eine Dicke von 1 cm. Im Ausführungs¬ beispiel wird gezeigt, daß eine Fokussierung auch mit einer gewölbten Scheibe erreicht wird, deren Dicke weniger als 1 mm beträgt.
Die Zahl der Kanäle und ihr Durchmesser bestimmt die Durchläs¬ sigkeit der Linse für die zu fokussierende Strahlung. Die Ab¬ sorption von auf die Linse fallender Strahlung ist abhängig vom Gesamtverhältnis der Flächen der offenen und der geschlos¬ senen Bereiche. Je höher die Gesamtfläche der Kanaleintritts¬ öffnungen und damit der offenen Bereiche ist, desto durchläs¬ siger ist die Linse. Die Kanäle sollen einen Durchmesser von weniger als 50 μm aufweisen. Besser geeignet erscheinen klei¬ nere Durchmesser, etwa von 10 μm und weniger. Optimale Eigen¬ schaften werden bei einem Kanaldurchmesser von weniger als 1 μm, etwa von 0,1 μm, erwartet. Um die Absorption der Strahlung durch das strahlenundurchlässige Material der Scheibe zu ver¬ mindern, muß in diesem Fall die Zahl der Kanäle entsprechend vergrößert werden.
Aufgrund der physikalischen Gesetze und insbesondere aufgrund der eingangs genannten Veröffentlichungen ist zu erwarten, daß mit der erfindungsgemäßen Linse nicht nur Röntgenstrahlung, sondern auch Gamma- und Teilchenstrahlung wie z. B. Neutronen¬ strahlung fokussiert werden kann, wenn die Scheibe für diese Strahlen undurchlässig ist. Materialien, die diese Strahlen absorbieren, sind Stand der Technik. Die genannten Strahlungs¬ arten werden erfindungsgemäß unter dem Begriff "hochenergeti¬ sche Strahlung" zusammengefaßt.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäße Linse läßt sich aus¬ gehend von einer planaren, für die jeweilige Strahlungsart un- durchlässigen Scheibe herstellen. Die planare Scheibe wird mit einer Vielzahl von durchgehenden, zueinander parallelen Kanä¬ len versehen, die senkrecht zur Ebene der planaren Scheibe verlaufen und maximal 50 μm im Durchmesser messen. Eine Viel¬ zahl sehr feiner Kanäle läßt sich herstellen, indem die pla¬ nare Scheibe einem parallelen, senkrecht auf die planare Scheibe auftreffenden Ionenstrahl ausgesetzt wird, der die planare Scheibe durchdringt. Die Anordnung der einzelnen Kanäle ist beliebig; ein bestimmtes Muster braucht nicht vor¬ gegeben werden.
Andererseits hat es sich gezeigt, daß planare Scheiben mit ei¬ ner Vielzahl von zueinander parallelen, senkrecht zur Schei¬ benebene verlaufenden Kanälen zum Zweck der Filtration von Flüssigkeiten bereits kommerziell angeboten werden. Geeignet zur Herstellung einer Linse für weiche Röntgenstrahlung erwei¬ sen sich z. B. Filterplättchen aus Polycarbonat mit einer Vielzahl von Poren zwischen 12 und 0,015 μm, wie sie unter der Bezeichnung "NucleoporeR Polycarbonate Membrane" im Fachhandel angeboten werden. Diese Filterplättchen weisen eine Dicke von deutlich unter einem Millimeter auf.
In einem zweiten Schritt wird die planare Scheibe in der oben angegebenen Weise gewölbt. Die Wölbung kann z. B. mit Hilfe eines Stempels in einer Form vorgenommen werden, wobei die Oberflächen von Stempel und Form der gewünschten Wölbung ent¬ sprechen. Sollen als Linse die genannten Filterplättchen ein¬ gesetzt werden, können diese in eine Öffnung eines evakuierba¬ ren Behälters eingesetzt werden, wonach der Behälter permanent durch eine Pumpe evakuiert wird. Hierbei wölbt sich das Fil¬ terplättchen symmetrisch in Richtung des Behälterinnenraums, wobei das Maß der Wölbung von der Pumpleistung abhängig ist. Eine selbsttragende planare, von Kanälen perforierte Glas¬ oder Kunststoffscheibe läßt sich bei erhöhter Verformungstem¬ peratur dauerhaft wölben. Wenn die Linse keinen Brennpunkt, sondern eine Brenn"linie" aufweisen soll, ist es bei biegsamen planaren Scheiben ausreichend, die planare Scheibe in der Weise in eine Fixier- und Spannvorrichtung einzuspannen, daß sie z. B. einen Teil der Mantelfläche eines Zylinders bildet.
Alternativ besteht die Möglichkeit, daß ein Teil einer Ku¬ geloberfläche z. B. aus dünnem Glas hergestellt und im Kugel¬ mittelpunkt eine annähernd punktformige Teilchenquelle fixiert wird, wobei die Energie der Teilchen ausreicht, das Material zu durchdringen. Mithilfe einer analogen Methode lassen sich planare Linsen herstellen. Eine ebene Scheibe mit einem Mit¬ telpunkt wird mit Hilfe einer annähernd punktför igen Teil¬ chenquelle bestrahlt. Die Teilchenquelle ist auf einer Linie angeordnet, die senkrecht zur der ebenen Scheibe durch deren Mittelpunkt verläuft. Als Teilchenstrahlung eignen sich insbe¬ sondere α-Strahlung.
Wegen der Umkehrbarkeit der Strahlungsrichtung kann die erfin¬ dungsgemäße Linse analog zu den bekannten Linsensystemen auch dazu verwendet werden, ein paralleles Bündel von Strahlen zu erzeugen. Für diesen Fall kann eine punktformige Strahlungs¬ quelle im Brennpunkt der Linse angeordnet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbei¬ spielen und Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Versuchsanordnung;
Fig. 2 schematisch die verwendete Linse und das Fokussierungs- prinzip;
Fig. 3 bis 5 Intensitätsdiagramme.
Fig. 1 stellt die Versuchsanordnung dar, mit deren Hilfe die nachfolgend beschriebenen Versuche durchgeführt wurden. Die Versuchsanordnung besteht aus einer Vorrichtung 1 zur Emission weicher Röntgenstrahlung, der Linse 2 und einem PIN-Detektor (PIN-Diode) 3 zur Bestimmung der Intensität der Röntgenstrah- lung. Die Vorrichung 1 besteht in bekannter Weise aus einer Anode 4 und einer Kathode 6, die durch ein Dielektrikum 5 von¬ einander getrennt sind. An die Anode 4 und die Kathode 6 ist eine einstellbare Hochspannung 8 mit U > 10 bis 20 kV ange¬ legt. Durch die Vorrichtung 1 wird eine gepulste weiche Rönt¬ genstrahlung mit Eτ = 100 eV bis 500 eV und einer Pulsdauer von ca. 500 ns erzeugt, die vom Punkt 7 ausgeht. Die Kathode 6 bildet eine Blende mit einem Durchmesser von 10 mm. Der Punkt 7 ist ca. 50 mm von der Blendenöffnung entfernt. Die Ver¬ suchsanordnung wird unter einem Druck von P « 10~3 mbar gehal¬ ten. Die Intensität der von der Vorrichtung 1 emittierten Röntgenstrahlung hängt vom Material der Anode 4 und Kathode 6, deren Geometrie sowie von der angelegten Spannung ab.
Als Linse 2 wird ein Filterplättchen eingesetzt, das unter der Bezeichnung "NucleoporeR Polycarbonate Membrane" im Fachhandel erhältlich ist. Das Filterplättchen besteht aus einer planaren Scheibe mit 4,5 cm Durchmesser und 0,01 mm Dicke. Vom Herstel¬ ler wird angegeben, daß der Porendurchmesser 10 μm und die Po¬ rendichte 1«105 Poren/cm2 betragen. Die Poren stellen durchge¬ hende Kanäle dar. Mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Halte¬ vorrichtung wird das Filterplättchen gewölbt, wobei das Maß der Wölbung einstellbar ist. Die Wölbung erfolgt in allen Fäl¬ len in der Weise, daß das Filterplättchen im Querschnitt eine stetig gebogene Linie darstellt. Anstatt einem Brennpunkt wird bei im Querschnitt kreisförmiger Wölbung eine Brenn"linie" er¬ halten, die mit "F" bezeichnet ist.
Zur Halterung der Linse 2 wurde ein kleiner Randabschnitt der Linse eingeklemmt. Außerdem wurde die Linse 2 seitlich durch einen Drahtbügel fixiert. Der dem eingeklemmten Randabschnitt gegenüberliegende Randabschnitt wurde von einem weiteren Drahtbügel gehalten, der mit Hilfe einer Mikrometerschraube in Richtung auf den eingeklemmten Randabschnitt verschiebbar war, so daß die Linse 2 durch Eindrehen der Mikrometerschraube in zunehmendem Maß gewölbt werden konnte. Mit Hilfe der Mikrome¬ terschraube können die Stellungen 0 mm bis 8 mm eingestellt werden. Die Stellung 8 mm entspricht einer sehr schwach ge¬ wölbten Linse. Durch das Eindrehen der Mikrometerschraube auf die Stellungen 7 mm bis 0 mm wird eine zunehmende Wölbung der Linse 2 erzeugt. In Stellung 0 mm nimmt die Linse 2 die am stärksten gewölbte Form. Die Stellungen 0 bis 8 mm der Mikro¬ meterschraube wurden in den folgenden Intensitätsdiagrammen mit "Q" bezeichnet.
Fig. 2 zeigt schematisch das Filterplättchen in planarer Form in Aufsicht (Teil a) und und Querschnittsdarstellung (Teil b) sowie in gewölbter Form (Teil c) . Die Wölbung entspricht bei optimaler Stellung der Mikrometerschraube dem oben genannten und in der Figur (Teil c) dargestellten Fall, daß das gewölbte Filterplättchen auf der Mantelfläche eines Zylinders liegt. In den anderen Stellungen wird eine mehr oder weniger starke Wöl¬ bung erzielt. Das Filterplättchen ist mit einer Vielzahl von durchgehenden Poren (Kanäle 7) versehen. Der angenommene Strahlverlauf ist in Teil c dargestellt. An der inneren Ober¬ fläche der durchgehenden Kanäle 7 findet eine Reflexion der von links einfallenden, mit τn (n = 1 ... n) bezeichneten Strahlen statt.
Strenggenommen weisen die Verlängerungen der Kanäle nicht exakt auf die mit "F" bezeichnete Linie, weil an ihrer inneren Oberfläche eine Reflexion stattfindet. Insbesondere bei sehr kleinen Kanaldurchmessern kann die Strahlabweichung infolge der Reflexion für praktische Zwecke vernachlässigt werden. In der Praxis werden die Strahlen τn daher bei sehr kleinen Ka¬ naldurchmessern auf der gemeinsamen Linie (der Zylinderachse) fokussiert, auf der sich die die Verlängerungen der Kanäle auf der konkaven Seite des Filterplättchens schneiden. Bei größe¬ ren Kanaldurchmessern liegt infolge der Reflexion der Strah¬ lung an den Innenwänden der Kanäle der Brennpunkt der Strah¬ lung näher an der Linse als der Schnittpunkt der Verlängerun¬ gen der Kanäle, wie aus Teil c der Figur abgeleitet werden kann. Die Versuchsergebnisse mit der beschriebenen Anordnung sind in den folgenden Figuren dargestellt.
Fig. 3a zeigt die mit der PIN-Diode 3 gemessenen Intensitäten in [mV] in Abhängigkeit von der Stellung der Mikrometer¬ schraube Q in [mm] . Die stärkste Wölbung der Linse 2 ergibt sich wie erwähnt bei Q = 0 nun und die schwächste Wölbung bei Q = 5 mm. Bei diesem Versuch wurde eine Kathode aus Cu-64 und eine Anode aus Fe-56 eingesetzt. Der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Linse 2 und der PIN-Diode 3 betrug in Strahlrichtung 320 mm. Die PIN-Diode trug eine 5 μm dicke Alu¬ miniumfolie, um die sichtbare Strahlung abzuschirmen. Die Hochspannung 8 wurde auf U = 18 kV gehalten.
Im Diagramm gemäß Fig. 3a ergibt sich ohne Linse 2 eine waag¬ rechte Linie. Deutliche Intensitätsänderungen wurden dagegen mit Linse 2 erhalten. Die Intensitätsänderungen sind von der Stellung Q der Mikrometerschraube und damit von der Wölbung der Linse 2 abhängig. In Fig. 3a sind die bei der jeweiligen Stellung der Mikrometerschraube gemessenen Intensitätswerte mit Fehlerbalken bezeichnet. Es sind mehrere Maxima zu erken¬ nen. Es ist offensichtlich, daß die Röntgenstrahlung bei ein¬ zelnen Stellungen der Mikrometerschraube gebündelt und damit durch die Linse 2 beeinflußt wird. Ein erstes Maximum wird z. B. bei relativ schwacher Wölbung der Linse 2, nämlich bei Q « 4 mm erhalten. Schwächere Maxima ergeben sich bei stärkerer Linsenwölbung und entsprechend kleineren Stellungen der Mikrometerschraube. Bei geringer Wölbung (Q im Bereich zwi¬ schen 5 und 4,5) liegen die beobachteten Intensitätswerte un¬ ter denen, die ohne Linse gemessen wurden. Dies kann auf die Absorption der Strahlung durch die Linse zurückgeführt werden. Da ein kontinuierliches Röntgenspektrum vorliegt, können sich die Brennpunkte für verschiedene Wellenlängen voneinander unterscheiden. Die Maxima werden als Röntgenspektrum der von der Kupferkathode emittieren Röntgenstrahlung interpretiert. Fig. 3b zeigt ein zu Fig. 3a analoges Diagramm bei weitgehend unveränderter Versuchsanordnung. Die Vorrichtung 1 enthielt jedoch im Gegensatz zum oben beschriebenen Versuch sowohl eine Kathode als auch eine Anode aus Eisen. Wiederum wurde ohne Linse 2 im Diagramm eine waagrechte Linie erhalten. Beim Ver¬ such mit Linse 2 wurden die erhaltenen Intensitäten mit den Fehlerbalken bezeichnet. Der Fokussiereffekt mit Linse 2 zeigt sich in den Maxima der Intensität bei niedriger Stellung Q der Mikrometerschraube (stärkere Linsenwölbung) . Die niedrigen In¬ tensitätswerte bei schwach gewölbter Linse 2 scheinen wiederum auf die Absorption der Strahlung durch die Linse 2 zurückzu¬ führen sein. Eine stärkere Wölbung (Q im Bereich zwischen 1 und 3 mm) ergibt Intensitätswerte, die deutlich über den In¬ tensitätswerten liegen, die ohne Linse 2 (waagrechte Linie) erhalten werden. Die Maxima werden als Röntgenspektrum der von der Eisenkathode emittieren Röntgenstrahlung interpretiert.
Fig. 4a zeigt ein weiteres Intensitätsdiagramm. Der Abstand zwischen Linse 2 und PIN-Diode 3 in Strahlrichtung (vgl. Fig. 1) betrug 220 mm. Die Spannung 8 zwischen Kathode 6 und Anode 4 wurde bei U = 18 kV gehalten. Beide Elektroden bestanden aus Eisen, wiesen jedoch eine andere Geometrie auf, so daß insge¬ samt eine Röntgenstrahlung mit höherer Intensität erhalten wurde. Es wurde die oben erwähnte PIN-Diode 3 eingesetzt. Die Linse 2 wurde in der Weise gewölbt, daß Q (Stellung der Mikro¬ meterschraube) 2,8 mm betrug und bei diesem Wert konstant ge¬ halten. Dagegen wurde die Stellung der PIN-Diode variiert. Die Variation erfolgte in der Weise, daß die PIN-Diode ausgehend vom Anschlag an einem Flansch in der Versuchsanordnung senk¬ recht zur Strahlrichtung verschoben wurde. Die senkrechte Ver¬ schiebung wird mit R [mm] bezeichnet. Die unter diesen Bedin¬ gungen ermittelten Intensitäten sind in Fig. 4a mit Fehlerbal¬ ken dargestellt. Die Intensität erreicht im Bereich R « 15 mm ein Maximum.
Fig. 4b zeigt zum Vergleich die Ergebnisse, die ohne Linse 2 mit derselben Anordnung erhalten wurden. Dieser Versuch zeigt die unbeeinflußte Strahlkontur senkrecht zum Strahlverlauf. Das Maximum der Intensität ist niedriger als das Maximum der Intensität, das mit eingesetzter Linse 2 erhalten wird.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Intensitätsdiagramm. Sowohl Kathode als auch Anode der Vorrichtung 1 bestanden aus Eisen. Die An¬ ordnung entsprach der Anordnung gemäß Fig. 4a mit der Aus¬ nahme, daß die PIN-Diode in der Stellung R = 14 mm fixiert und die Wölbung der Linse mit Hilfe der Mikrometerschaube (Q = 0 bis 8 mm) variiert wurde. Mit Linse 2 wurden drei Maxima er¬ halten, während sich ohne Linse eine waagrechte Linie ergab. Die Maxima werden analog zu den in Fig. 3b dargestellten Ergebnissen als Röntgenspektrum der Eisenkathode der Vorrich¬ tung 1 interpretiert.

Claims

Patentansprüche:
1. Linse für hochenergetische Strahlung, bestehend aus einer für die Strahlung undurchlässigen Scheibe mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die mit einer Vielzahl von im Durchmesser maximal 50 μm messenden Kanälen versehen ist, wobei die Kanäle in der Weise angeordnet sind, daß sie von der ersten zur zweiten Oberfläche der Scheibe verlaufen und ihre Verlängerungen auf eine gemeinsame Linie oder einen ge¬ meinsamen Punkt weisen, wobei die gemeinsame Linie oder der gemeinsame Punkt der zweiten Oberfläche der Scheibe ge¬ genüberliegen.
2. Linse nach Anspruch 1 mit einer Scheibe, deren Dicke weni¬ ger als 1 cm beträgt.
3. Linse nach Anspruch 1 oder 2 mit einem maximalen Durchmes¬ ser der Kanäle von 10 μm.
4. Linse nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer ebenen Scheibe, die einen Mittelpunkt aufweist, wobei die Kanäle im Mittel¬ punkt der Scheibe senkrecht zur Scheibenebene angeordnet sind und die Kanäle außerhalb des Mittelpunkts der Scheibe mit den Kanälen im Mittelpunkt einen Winkel einschließen, dessen Betrag mit der Entfernung vom Mittelpunkt größer wird.
5. Linse nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer gewölbten Scheibe, so daß die erste Oberfläche konvex und die zweite Oberfläche konkav ist, wobei jeder Kanal senkrecht zur Scheibe verläuft.
6. Verwendung der Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Fokussierung eines Röntgen-, Gamma- oder Teilchenstrahls.
7. Verfahren zur Herstellung einer Linse für hochenergetische Strahlung, bei dem a) eine planare Scheibe aus einem die Strahlung absorbie¬ renden Material mit einer Vielzahl von durchgehenden, zueinander parallelen Kanälen versehen wird, die senk¬ recht zur Ebene der Scheibe verlaufen und maximal 50 μm Durchmesser aufweisen, b) die planare Scheibe in der Weise verformt wird, daß sie eine konvexe und eine konkave Seite aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kanäle erzeugt werden, indem die planare Scheibe einen parallelen, senkrecht auf die planare Scheibe auftreffenden Teilchenstrahl ausgesetzt wird, dessen Energie ausreicht, die planare Scheibe zu durchdringen.
9. Verfahren zur Herstellung einer Linse für hochenergetische Strahlung, bei dem a) eine gewölbte Scheibe aus für die Strahlung undurchläs¬ sigem Material eingesetzt wird, deren Oberflächen einen Teil der Oberfläche einer Kugel darstellen und b) die gewölbte Scheibe einem die Scheibe durchdringenden Teilchenstrahl ausgesetzt wird, der von einer annähernd punktförmigen Quelle ausgeht, die im Mittelpunkt der Ku¬ gel angeordnet ist.
10.Verfahren zur Herstellung einer Linse für hochenergetische Strahlung, bei dem a) eine planare Scheibe aus einem für die Strahlung un¬ durchlässigen Material mit einem Mittelpunkt eingesetzt wird und b) die planare Scheibe einem die Scheibe durchdringenden Teilchenstrahl ausgesetzt wird, der von einer annähernd punktförmigen Quelle ausgeht, die auf einer Linie, die durch die Senkrechte zur Scheibenebene am Mittelpunkt gegeben ist, angeordnet ist.
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