SE526044C2 - Ett brytande refraktivt röntgenelement - Google Patents

Description

30 F" Û f' __' ___ J kr; .f ... .fw 2 l Fokuseringseffekten av en lins är funktionen av en fasförskjutning av den utgående vågen. Om en cylindrisk våg (=fasförskjutning) skapas, kommer vågen att konvergera till en linjefokus. I en MPL, för en stor del av linsaperturen, är vågen fasförskjuten mycket mer än 21: (eller 360°). Med andra ord kommer strålarna att passera en tjocklek av material större än Zn-förskjutningslängd, som ges av LM =,1/ß (2) .

Denna längd är av storleken 10-100 pm för hårda röntgenstrålar. Å är våglängden.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinningens huvudsakliga ändamål enligt en föredragen utföringsform är att åtgärda ovannämnda begränsning.

Således, reduceras MPL reduceringen. Linsens apertur och intensitetsökning ökar avsevärt, och även diffraktionsbegränsad upplösning förbättras. Detta kommer att lämna vågens fas oförändrad och ändrar inte fokuseringsegenskaperna.

Av dessa skäll, är ett brytande element tillhandahållet enligt ett föredraget utförande av föreliggande uppfinning. Det brytande elementet lämpligt för brytning av röntgenstrålar, innefattar en kropp av låg-Z-material med en första ände anpassad för att mottaga strålar emitterade från en röntgenkälla och en andra ände från vilken strålarna mottagna av den första änden utstrålas. Det brytande element består av kolumner av staplade huvudsakligen identiska prismor. Prismorna är producerade genom avlägsning av material motsvarande en multipel av fasförskjutna längder (Lzn) av en multipel av 2n. Företrädesvis, är en intensitetstransmission av elementet fo) = «==xp(~Xo>/1)= expl- klyll) där X(y) är den totala våglängden för en stråle genom elementet, I är en dämpningslängd, k är en konstant och y är avståndet mellan optiska axlar. En effektiv apertur definieras av: 2 D_sa1F -Åtanól 10 15 20 25 där F är brännvidden, ö är minskning av en real del av en brytningsindex, l är en dämpningslängd och 6 är en sidovinkel av prisman. En aperturminskningsfaktor (AIF) definieras medelst: A1F=3_2._f@ß__ Lhtanø där Om är ett effektivvärde för bredden av MPL apertur, Lg, är 2n- förskjutningslängd, and 6 är en sidovinkel av prisman.

Mest fördelaktig, består elementet av en eller flera av kisel eller diamant.

Enligt ett föredraget utförande kontrolleras en brännvidd med en avböjningslängd (yg) av en ände av elementet med hänsyn till den infallande strålen.

Uppfinningen avser även en lins lämpligt för brytning av röntgenstrålar, innefattande en kropp av låg-Z-material med en första ände anpassad för att mottaga strålar emitterade från en röntgenkälla och en andra ände från vilken strålarna mottagna av den första änden utstrålas. Linsen består av två kolumner av staplade huvudsakligen identiska prismor anordnade i en vinkel relativ varandra.

Prismorna är producerade genom avlägsning av material motsvarande en multipel av fasföiskjutna längder (Lzn) av en multipel av 2n. Kolumner är förskjutna relativ varandra. I ett utförande är kolumnerna roterade relativ varandra. Kolumnerna kan anordnas i serie.

Uppfinningen avser även en röntgenapparat innefattande åtminstone en röntgenkälla och en detektoruppsättning och dessutom innefattande ett brytande element innefattande ovan egenskaper. 10 15 20 25 30 Uppfinningen avser även en röntgenapparat innefattande åtminstone en röntgenkälla och en detektoruppsättning och dessutom innefattande en lins med ovannämnda egenskaper.

Uppfinningen avser även en metod för tillverkning av ett element med ovannämnda egenskaper, vilken metod innefattar: tillhandahållande av ett element bestående av prismamönster genom litografi och efterföljande djupetsning i kisel. Metoden innefattar dessutom användning av nämnda element som moduler för kemlskförångningsdeponering av diamant.

Uppfinningen avser även en metod för minskning av absorption i multiprismalinser, vilken metod innefattar avlägsning av material endast resulterande i fasförskjutning av en multipel av 21:.

Kortfattad beskrivning av ritningar I det följande kommer uppfinningen att beskrivas på ett icke begränsande sätt med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka: Fig. 1 visar en schematisk tvärsnittsvy av en lös geometri av ett element, enligt ett utföringsexempel av uppfinningen, Fig. 2 visar en schematisk sidovy av den kompakta geometrin av ett brytande element, enligt ett fördraget utföringsexempel av uppfinningen, Fig. 3 visar en schematisk sidovy av ett linselement, enligt ett fördraget utföringsexempel av uppfinningen, Fig. 4 visar ett diagram illustrerande en linstransmission, enligt ett utföringsexempel av uppfinningen, Fig. 5 visar ett diagram illustrerande en andra linstransmission, enligt ett utföringsexempel av uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 Fig. 6a och 6b illustrerar ett specialfall av MPL med minimerad absorption, Fig. 7 visar ett diagram illustrerande en linstransmission och medeltransmission som funktion av en fysisk linsapertur, enligt ett specíalfall av uppfinningen, Fig. 8 visar en mycket schematisk frontvy av en röntgenapparat som använder en lins enligt föreliggande uppfinning, och Fig. 9 visar en mycket schematisk perspektivisk vy av två seriellt ordnade brytande element enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av utföringsexemplen Den grundläggande iden är att avlägsna material som motsvarar en multipel av L2,,, företrädesvis bestående av ett låg-Z-material. Således reduceras absorptionen av MPL genom avlägsnande av material som endast resulterar i fasförskjutning av en multipel av L2,,. Således kan absorptionen reduceras avsevärt och således aperturen ökas. Detta är analogt med konceptet enligt Fresnel-linser. Noteras bör att den föreslagna linsen kommer fortfarande att bestå av strukturer med endast plana ytor. Även brännvidden kan fortfarande ändras mekaniskt genom att variera vinkeln mellan linsen och strålriktningen (a).

Beakta först följande struktur i vilken en kanal 11 är framställd genom en prisma 10 med brädden av 21: förskjutningslängd (b), som visas schematisk i Fig. la.

Ytterliggare kanaler 11b med bredden av multiplar av 21: förskjutningslängd (m.b) kan framställas tills linsen har en trappstegsprofil på insidan.

Ett bättre sätt vore att packa en ihålig prisma 20 till en kolumn av identiskt små prismor 21, illustrerade i Fig. 2, som visar en föredragen utförtingsform av ett brytande element enligt uppfinningens första aspekt.

En lins 30 enligt en andra aspekt av uppfinningen illustreras i Fig. 3. Linsen består av två brytande element 20, som visas i Fig. 2. Linsen är utformad genom att ordna de brytande elementen kant i kant vid ena änden och kanterna skilda vid den andra änden, således formande en huvudsakligen triangelformad lins. Strålar 35a GOIQGO I n nosen: 10 15 20 25 30 infallande på en gavel, d.v.s. kant i kant änden av elementen, brytes och strålar 35b fokuseras vid den skilda kanten. Företrädesvis kontrolleras brännvidden medelst yg.

Följande definitioner och geometriska relationer gäller vid beaktande av element 20 i Fig. 2: =y_@ 1; i vilken 6 är vinkeln mellan en triangelformad prismas sidor, h är höjden av en tanl9=2ïh, ya=M-h, L=N-b, a (3) triangelformad prisma, b är basens bredd av en triangelformad prisma, yg är lutningshöjden av kolumnen, ya är kolumnens höjd, M är antalet prismor i höjdriktningen, L är längden av kolumnen, N är antalet prismor i längdriktningen och u är kolumnens lutningsvinkel.

Beräkning av den projicerade /insprofi/en Fasvillkoren är b = »LU = mus, (4) där n är ett heltal; i följande antages att n=1, ö är reduceringen av real delen av brytningsindexen and Å är våglängden.

Materialets tjocklek i den första kolumnen i en lateralposition y är: x( y) = mod(2 y/ tan 0, b), (5) där mod() är resten av divisionen.

Nästa kolumn kommer att placeras en distans 8y=ba (u kan vara liten) och i den i:te kolumnen (med början vid 0) är förflyttningen i-öy. En inkommande stråle, parallell med optiska axlar, kommer att gå genom en materialtjocklek i den izte kolumnen som ges av xl=x=m<>dlïi+âyÄbj <6) tanl9 och den totala vävlängden är 10 15 \.J....~J 7 X (y) = (Mfâšc), (y) = divï6y)mod( , b) (7) .

Låt oss skriva y=(j+t)öy, därj är ett tal och O st < 1.

X(y)=:mod(t:n% (j+t-i),b) (8) . _ f Zåy . _ _ . _2_§_y_ .

X(;,f)_š[tm9(1+z) b alvítanâ(l+f,b)n (9) X(j,t) = šÉä-[flj +1)+ 2(j HM-bgdiví-t-š-nâlßfi + t,b)) (10) Småskalig variation Den första termen är en välkänd term för en multiprisma lins. Avvikelsen från en parabel med spets i y=-öy/2 är ä! ¿X(j,:)=f,j[(j+r+1/2)2 -j(j+1)-2(j+1)f]= ía-nâL9[1/4+f(f-1)] (11).

Den konstanta fasförskjutningen kan försummas och beräkna det effektiva awikelsevärdet över segmentet, ây l ll2 åy mi) =-- 120-924: =----=L,_°-'_< < >f :anøU Jñmnø 2 Meine 2 för alla rimliga värden. Parabolisk approximation ger 2 2 Xouwåjz ïïyfanfšï, (13) och brännvidden är: R F=_=c*ïytanl9:batanl9=/1atan«9, (14). å 26 26 252 10 15 20 25 t Ö I, (I J' oc: 000 0 F' ",' ': ._ __ .J e, l' ' ' ' ' ' z o o 0 u nano g 0 :too .rucc- a 8 Eftersom den andra termen i ekvation (10) inte kan ändra vågens fas (annat än i m-Zn), kommer den inte att påverka fokuserlngen.

Storskalig profil Genom att studera termen vid introduktion av y genom b=y-2öy/tan l9. åy X'(j,t)=bÉdiV(i+t,7)=bÉdiV(i,}/)ß (j: +j-)j). (15) ,~=0 ,»=0 tanß Resultatet är: ây . btanâ X =X -X' =-- =--_- , 16 (y) 0(y) (y) men MF y () och eftersom b=L2,,= Å/ö. Ätanß X = - šk- 17 (y) 4621,, y y () y borde ersättas med y-l för heltal. I de flesta situationer är y relativt stort i vilket fall ett mer fel kan erhållas.

Transmission och förstärkning Intensitetstransmissionen är ny) = exp(- X(y)/1)= exp(- k|y|1) (1 s) och den effektiva aparturen '° zl åzlF D = lexpß k|y|1)a5» = í = :im 9. (19).

För multiprisma linsen har vi ~ ~ J i' =i"=§ * .- .° .=s"§ 9 DMPL = VZno-abS = 421: -JålF. (20) Aperturminskningsfaktorn (AIF) är D 3/2 l AIF=--=3.2-å--lí, (21) WL Åtanß 5 eller, kanske bättre uttryckt AIF = 3.2 (22) LM tanâ Genom att använda material såsom, t.ex. diamant, ger vid 20 KeV med F= 0,3 m, 10 AIF= 4,5/tan 6.

Det finns ett beroende mellan materialet och energin: - Genom att antaga låg energi, så att Compton-spridningen kan försummas: 2 2 -4 -l -3.2 3 15 pocšloc _êfïï_ (23) - Genom att antaga hög energi, så att fotonabsorptionen kan försummas: 621 2E-4 -l D m _ = PTJL = å, (24) där p är densiteten och Z = atomnummer. 20 Således är detta tydligt med intressanta resultat: - Materialdensíteten spelar roll, vilket inte gäller för MPL.

- Beroendet av atomnumret är större än det för MPL. 10 15 20 25 r-n/ ni-i ... ï , I \J h- »J sl 10 - Det existerar ingen optimal energi. Aperturen (ökning) uppnår en platå för låga energier.

Dessa faktorer i kombination gör diamanten 15 gånger bättre än t.ex. kisei (Si) vid 20 KeV. För MPL kommer förhållandet att vara mindre än 3.

Fig. 4 visar linstransmissioner för en lins med reducerad absorption och en normal MPL för jämförelse. Si används som Iinsmaterial, med F=83 cm vid 40 KeV. Från vänster till höger i diagrammen varierar tan 6 med 0,2, 0,5 och 1 givet AIF 5,1, 2,5 respektive 1,4.

Fig. 5 illustrerar linstransmission för lins med reducerad absorption och en normal MPL som jämförelse. Linsen är tillverkad av diamant med F=27 cm vid 20KeV. Från vänster till höger i diagrammen varierar tan 6 med 0,2, 0,5 och 1 givet AIF 11,3, 7,9 respektive 5,0.

I det följande undersökes ett specialfall med y=1. Detta betyder att närliggande kolumner skiftas exakt en prisma, som ger X(y),=o = 0. Se illustrerade lins i Fig. 6a och 6b. Fig. 6a visar en riktig lins och Fig. 6b strålabsorptionsprofilen.

Från ovan härlett uttryck, framgår det: a Lz, (25) Jñ-:anezzw/a-o' (mo), = Lz, Fasfelet för rms är a, = fr/ «/3_0 och lntensitetsreduktionsfaktorn (IRF) är IRF = exppaf) = expwfi 30) = 0.72. (26) Således reduceras intensiteten med 28% jämförd med en perfekt parabolisk lins.

Användning av 2a=tan 6 ger tocca- 10 15 20 Ffi”. ll _ batan6_ Lhtanzâ _ Åtanzß F 25 46 46 2 (27).

I denna energiordning är det en faktisk bra approximation att taga s = 2 - m* pE-Z (28) om p och E uttryckes i g/cm3 respektive keV. Genom att använda )\=12.4 Å/E, blir resultatet: _ -io 2 a 2 F_12.41o mn emfljmmqz :an e _____.._ 29 4-4-10-20215* p2 ( ) För en diamant, vid t.ex. 15 keV, F=2.1 m-tanz 6, och om tan 6= 1/4 så F=13 cm.

Således kan ändamålsenliga brännvidden uppnås med resonabla värden på 6.

För detta speciella fall kan profilen ges som X(j,t)=t(j+1)L2”, (30) och transmissionen Tggf) = exp(- :(1 +1)L,,, u) (31) Medelvärde över t ger m) z Ill -exix-(f +1>L2, /1>l_ LM m) Summering över linsapertur ger den effektiva aperturen 10 15 20 Ö f-“l 1 ' :... :q.': o. oo:š . zoo: on.: .oo: :no-å 12 D = ayznj) = oo. (33). j=i Följaktligen tillhandahålles en lins med en oändlig apertur. Detta är av liten praktisk betydelse dock, eftersom summan ökar mycket långsamt för stora j.

Låt oss byta variabler genom j=q-l/L2n. Detta är en bra approximation att ta "Wfl-i-ex _' 1 -z 1 D(q)=¿» Z ifllwsïifrqn)=-ianø1n(q+1). (34) f=l J Lz” Lz» 2 l 2y D a =--ln--”-+1tan6. 35 (y ) 2 (I m 9 J ( ) Naturligtvis D(ya)-> ya, ya -+ 0.

Transmission och medeltransmission som en funktion av fysisk linsapertur beskriven medelst dimensionslös parameter q illustreras i Fig. 7. Detta gäller endast det speciella fallet y=1.

Antag följande q=10. Kanske är det mer användbart att se hur D beror av F. Efter lite beräkning erhålles D = ZäJF/l. (36) Sedan är förstärkningen (F << 50): D G = 0.94- s" . (37) d F 0 Det brytande elementet och linsen enligt uppfinningen kan tillverkas på olika sätt.

Enligt ett föredraget utföringsexempel är det möjligt att utforma dessa strukturer medelst standard litografisk mönstring och efterföljande djupetsning i kisel. Dessa 10 15 20 I I f' Ö v' FW z... :...: z 00.: ' :nog Inna .ooz gon: :,'nš - ^ - - - g I c o I I w .__ J LJ š..'š.::. .zz :øq:øa:.: g ' ..o"o| : g o n n 0 9 linser kan sedan användas som form för kemisk stoftdeposition av diamant. För bästa resultat borde vinkeln 9 så lite som processen tillåter.

Linsen enligt den föredragna utföringsformen av Uppfinningen kan användas i en röntgenapparat 86 som visas schematiskt i Fig. 8, innefattande en röntgenkälla, linsen 80 (kombinerad brytande element) och en detektorenhet 87. Självklart kan apparaten bestå av en uppsättning av brytande element eller linser och linserna kan anordnas i olika positioner i strålvägen. Detektoruppsättningen kan vara vilken av en film, en halvledardetektor, gas detektor o.s.v.

Alla ovan beräkningar avser användning av endast en linshalva, d.v.s. ett brytande element. Självklart, såsom för MPL kan två halvor användas för att fördubbla aperturen och intensiteten. Dessa linser fokuserar endast i en riktning. Två linser kan användas för att forma en punktfokus om den ena roteras, t.ex. 90 grader kring dess optiska axel. Fig. 9 visar två brytande element 90a och 90b anordnade förskjutna från varandra i serie. Element 90a fokuserar strålar 95 horisontellt och element 90b är anordnad att fokusera vertikalt.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen, utan kan varieras på olika sätt utan att avlägsnas från de bifogade kravens skyddsomfång, och anordningen och metoden kan implementeras på olika sätt beroende av applikation, funktionella enheter, behov, krav och så vidare.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 lLl PATENTKRAV Ett brytande element (10, 20) lämpligt för brytning av röntgenstrålar, vilket element innefattar en kropp av låg-Z-material med en första ände anpassad för att mottaga strålar emitterade från en röntgenkälla och en andra ände från vilken nämnda strålar mottagna av den första änden utstrålas, kännetecknat därav, att nämnda brytande element består av kolumner av staplade, huvudsakligen identiska prismor (21). . Element enligt krav 1, vari nämnda prismor är framställda genom avlägsning av material motsvarande en multipel av fasförskjutna längder (Lzn) av en multipel av 2n. . Element enligt något av föregående krav, vari en intensitetstransmission av elementet är m) = exp(- X(y) fl) = exp(- klyll) där X(y) är den totala våglängden för en stråle genom elementet, I är en dämpningslängd, k är en konstant och y är avståndet mellan optiska axlar. . Element enligt något av föregående krav, vari en effektiv apertur definieras av: z D = 86 IF ..._í_: Åtanâ där F är brännvidden, ö är minskning av en real del av en brytningsindex, l är en dämpningslängd och 6 är en sidovinkel av prisman. Element enligt något av föregående krav, vari en aperturminskningsfaktor (AIF) definieras medelst: A11==3.2-_%- Lhranø där Om är ett effektivvärde för bredden av MPL apertur, Lz, är 21:- förskjutningslängd, and 6 är en sidovinkel av prisman. 6. Element enligt något av föregående krav, vari elementet materialet består av en eller flera av kisel eller diamant. 10 15 20 25 30 7. 10. 11. 12. 13. 14. rn; nr» v._.~.«! v l§ Element enligt något av föregående krav, vari en brännvidd kontrolleras med en avböjnlngslängd (yg) av en ände av elementet med hänsyn till den infallande strålen. En lins (30) lämpligt för brytning av röntgenstrålar, vilken lins innefattar en kropp av låg-Z-material med en första ände anpassad för att mottaga strålar emitterade från en röntgenkälla och en andra ände från vilken strålarna mottagna av den första änden utstrålas, kännetecknad därav, att nämnda lins består av två kolumner av staplade huvudsakligen identiska prismor (21) anordnade i en vinkel relativ varandra. Lins enligt krav 8, vari nämnda prismor är producerade genom avlägsning av material motsvarande en multipel av fasförskjutna längder (Lzn) av en multipel av 2n. Lins enligt krav 8, vari nämnda kolumner är förskjutna relativ varandra. Lins enligt krav 10, vari nämnda kolumner är roterade relativ varandra. Lins enligt krav 10, vari nämnda kolumner är anordnade i serie. En röntgenapparat (86) innefattande åtminstone en röntgenkälla (87) och en detektoruppsättning (88) och dessutom innefattande ett brytande element enligt något av kraven 1-7. En röntgenapparat (86) innefattande åtminstone en röntgenkälla (87) och en detektoruppsättning (88) och dessutom innefattande en llns enligt något av kraven 8-12. r-nf nfzu \ _.. \. ... '~..' i lb . 15. En metod för tillverkning av ett element enligt något av kraven 1-7, vilken metod innefattar: tillhandahållande av ett element bestående av prismamönster genom litografl och efterföljande djupetsning i kisel. 16. Metod enligt krav 15, dessutom innefattande användning av nämnda element 5 som moduler för kemiskförångningsdeponering av diamant. 17. En metod för minskning av absorption i multiprismalinser, vilken metod innefattar avlägsning av material endast resulterande i fasförskjutning av en multipel av 21:. 10