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Jürgen Mohr
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Refractive X-ray Lenses
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Röntgenoptik

In der Röntgenoptik werden refraktive Röntgenlinsen und Gitterstrukturen zum Aufbau von Röntgeninterferometern hergestellt und charakterisiert.

 

Röntgenlinsen

Eine Reihe senkrecht stehender Parabollinsen
Eine Reihe senkrecht stehender Parabollinsen
Reihe gekreuzter Parabollinsen
Reihe gekreuzter Parabollinsen
Mosaiklinsen, unter 45° gekippt
Mosaiklinsen, unter 45° gekippt
Prismenlinse
Prismenlinse
Prinzip einer Röntgenrolllinse
Prinzip einer Röntgenrolllinse

Röntgenlinsen werden z. B. zum Bau von Röntgenmikroskopen benötigt, deren Auflösung weit über der lichtoptischer Mikroskope liegen kann. Im Bereich der Röntgenspektroskopie werden Röntgenlinsen eingesetzt, um einen Röntgenstrahl auf einen möglichst kleinen Fleck auf der Oberfläche der zu analysierenden Probe zu fokussieren.

Die Brechkraft eines Materials gegenüber Luft oder Vakuum ist umso größer je stärker die Brechzahl von 1 abweicht. Da im Falle von Röntgenlicht die Differenz mit etwa Δn=10-5 bis 10-7 sehr gering ist benötigt man eine Vielzahl hinter einander angeordneter Linsen mit sehr stark gekrümmten Oberflächen um trotzdem eine fokussierende Wirkung zu erzielen. Derartige Strukturen werden mit Hilfe der Röntgentiefenlithographie in einem röntgenstabilen Polymer (für Energien von 5-50 keV) oder in Nickel (50-500 keV) auf einem Substrat in einem Schritt gefertigt, so dass eine aufwändige Justage der Einzelllinsen entfällt. Mit einem Belichtungsschritt werden 1D-Linsen, mit denen ein Linienfokus erzeugt wird, hergestellt. Zur Herstellung von Linsensystemen, die Röntgenlicht auf einen Punkt bündeln, werden durch zwei Belichtungsschritte Zylinderlinsen unter 90° gekreuzt zu einander angeordnet.

Bisher wurden mit Röntgenlinsen des IMT Fokusfleckdurchmesser von unter 100 nm erzielt. Die Aperturen von parabolischen Linsen liegen im Bereich bis 300 µm.  Die Brennweiten betragen nur wenige Zentimeter.

Die Forschungsarbeiten zielen auf

  • Verkleinerung der Fokusfleckdurchmesser unter 50 nm durch adiabatische Linsen
  • Vergrößerung der Apertur auf über 1 mm durch Prismen- oder Mosaiklinsen und Rolllinsen
  • Einsatz der Röntgenlinsen in Röntgenröhren
  • Entwicklung von Röntgenmikroskopen mit optimierter Kondensor- und Abbildungslinse für Synchrotronquellen und Röntgenröhren

 

Aufbau eines „Nanoskops“, eines Mikroskops, das mit Röntgenlicht arbeitet


Röntgengitter

REM-Bild eines Röntgengitters
REM-Bild eines Röntgengitters

Heutzutage beruhen Röntgenaufnahmen auf der Methode des Absorptionskontrasts. Diese Methode erfordert je nach Objekt eine relativ hohe Bestrahlungsdosis und ist wenig sensitiv auf geringe Dichteschwankungen der zu untersuchenden Objekte. Ein alternativer Ansatz ist die Phasenkontrastmethode auf der Basis der Talbot-Interferometrie. In diesem Fall wird die Phasenverschiebung beim Probendurchgang für die Bildgebung verwendet. Ein solcher Aufbau benötigt Phasengitter für einen definierten Phasenhub und Amplitudengitter mit extremen Aspektverhältnissen (>100), um Teile der hochenergetischen Strahlung zu absorbieren. Im Falle einer nicht-kohärenten Quelle kommt zusätzlich noch ein sogenanntes  Quell- oder Kohärenzgitter hinzu.

Mit den Forschungsarbeiten werden

  • Prozesse entwickelt, um solche Gitter mit Perioden im Bereich weniger Mikrometer mit Aspektverhältnissen größer 100 herzustellen
  • Einflüsse der Gitterqualität auf die Bildqualität analysiert
  • Gittergeometrien an die Strahlverläufe angepasst (Krümmung der Gitter)
  • Gitter weiterentwickelt um Anwendungen wie Tomographie, Mammographie, Materialuntersuchungen usw. für das Verfahren zugänglich zu machen.

 

Phasenkontrastbildgebung mit Röntgengittern durch
Talbot-Interferometrie