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Lexikon der Optik: Röntgenstrahloptik

Röntgenstrahloptik, die Entwicklung optischer Elemente für Röntgenstrahlung und ihre Verwendung in optischen Instrumenten wie Mikroskopen und Teleskopen. Aufgrund der Tatsache, daß der Brechungsindex fester Körper für Röntgenstrahlen erst in der 5. Dezimale von Eins – nach kleineren Werten hin – abweicht und darüber hinaus alle Materialien Röntgenstrahlung absorbieren, existieren im Röntgenbereich keine Linsen oder Spiegel üblicher Art. Zur Herstellung abbildender Elemente für Röntgenstrahlung müssen daher andere Wege beschritten werden.

1) Ausnutzung der Totalreflexion an Oberflächen. Dazu ist fast streifender Einfall erforderlich. Bei konkaven sphärischen Spiegeln tritt jedoch unter diesen Umständen ein starker Astigmatismus auf. Dem begegnet man dadurch, daß man zwei solche Spiegel in gekreuzter Stellung, d.h. mit senkrecht zueinander stehenden Symmetrieachsen, hintereinander aufstellt. Wie H. Wolter theoretisch zeigte, eignen sich parabolisch und hyperbolisch gekrümmte Drehflächen zur Fokussierung von Röntgenstrahlen, wobei sich durch Kombination eines parabolischen Spiegels mit einem hyperbolischen die Koma vermindern läßt. Man gelangt so zu den Wolterschen abbildenden Systemen, die sich als Teleskope, aber auch als Mikroskope eignen, wobei im letzteren Falle das Paraboloid durch ein Ellipsoid zu ersetzen ist. Die Herstellung der genannten Oberflächen verlangt einen hohen technischen Aufwand, da zu fordern ist, daß die Oberflächen bis auf Abweichungen von der Dimension der Wellenlänge glatt sind.

Verwendet werden Röntgenmikroskope unter anderem zur Diagnostik der laserinduzierten Kernfusion. Dabei sendet das Pellet, das durch Lasereinstrahlung in ein heißes Plasma verwandelt wird, die Röntgenstrahlung selbst aus. Eine weitere bemerkenswerte Anwendung finden die Wolterschen abbildenden Systeme als (von Raketen, Satelliten oder Raumstationen getragene) Röntgenteleskope für astronomische Beobachtungen. Untersucht wurden auf diese Weise die Sonnenkorona wie auch andere Röntgenstrahlung aussendende astronomische Objekte. Seit 1990 steht der Röntgensatellit ROSAT, der sich durch eine große Winkelauflösung (25″ bei Unterscheidung von 4 Wellenlängen, <5″ ohne spektrale Auflösung) und hohe Empfindlichkeit auszeichnet, für eine Durchmusterung des Himmels zur Verfügung. Mit seiner Hilfe wurde eine Vielzahl von Röntgenquellen, darunter sehr weit entfernte Galaxienhaufen, entdeckt.

2) Röntgenspiegel. In neuerer Zeit ist es gelungen, Vielfachschichten herzustellen, die weiche Röntgenstrahlung in großen Winkelbereichen – auch bei senkrechtem Einfall – mit einem beachtlichen Reflexionsvermögen (die erreichten Maximalwerte liegen zwischen 10 und 20% und darüber) reflektieren. Es handelt sich dabei um sehr viele (oft mehr als 100), nur wenige Atomlagen dicke, alternierende Schichten aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, nämlich einem leichten Element und einem schweren (Cobalt, Eisen, Gold, Nickel u.a.). Die Herstellung erfolgt durch Abscheidung des mittels Elektronenstrahlen verdampften Materials im Vakuum. Sie ist offenbar sehr aufwendig und erfordert höchste Präzision.

3) Zonenplatten. Die modernen Methoden der Elektronenstrahl- und der Photolithographie erlauben die Herstellung von Zonenplatten für Röntgenstrahlung, deren feinste Details etwa 100 nm ausmachen. Diese Zonenplatten sind besonders zur Röntgenmikroskopie geeignet. Letztere erscheint sehr attraktiv nicht nur, weil sie wegen der kleinen Wellenlänge ein sehr hohes Auflösungsvermögen zu erreichen gestattet, sondern auch, weil sie die Untersuchung lebender biologischer Objekte ermöglichen könnte. Eine besondere Bedeutung käme in diesem Zusammenhang einem Röntgenlaser zu.

4) Gitter. Die erwähnten lithographischen Methoden werden auch zur Herstellung von Gittern für die Röntgenstrahlung eingesetzt.

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