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Linsensystem für Röntgenstrahlen

In fester Materie werden Röntgenstrahlen stark absorbiert, aber kaum abgelenkt. Darum galten bisher refraktive Linsen, wie sie in der Optik mit sichtbarem Licht gebräuchlich sind, für röntgenoptische Zwecke als ungeeignet. Doch nun ist es erstmals gelungen, refraktive Röntgen-Linsen zu realisieren.

Röntgenstrahlen mit Wellenlängen zwischen 0,25 und 0,02 Nanometern (millionstel Millimetern), was Energien zwischen 5 und 60 keV (Kiloelektronvolt) entspricht, finden in Grundlagenforschung, Medizin und Technik weite Anwendung – beispielsweise für Materialprüfung, chemische Analytik, die Strukturbestimmung anorganischer und organischer Verbindungen sowie die medizinische Diagnostik. Ihre Eignung für Abbildungszwecke wird jedoch dadurch stark eingeschränkt, daß sie sich nicht einfach bündeln lassen. In dieser Hinsicht sind sie Elektronen weit unterlegen, bei denen elektromagnetische Linsensysteme Strahlquerschnitte von fünf Nanometern ermöglichen.

Als Alternative hat man sich bisher mit gebogenen Einkristallen und Spiegeln oder mit sogenannten Fresnel-Linsen und Bragg-Fresnel-Linsen beholfen – komplizierten Beugungsgittern, die sich nur schwer herstellen lassen (siehe Spektrum der Wissenschaft, April 1991, Seite 70).

Nun jedoch ist es Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Victor Kohn und mir bei gemeinsamen Forschungsarbeiten an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble (Frankreich) gelungen, auch für Röntgenstrahlen im Energiebereich zwischen 5 und 40 keV einfach herstellbare refraktive Linsen zu entwickeln. Mit einer ersten Ausführung ließ sich ein Röntgenstrahl von 14 keV Energie auf eine Linie von acht Mikrometern Breite fokussieren.


Das Prinzip der Röntgen-Linse

Glas hat für sichtbares Licht einen Brechungsindex von etwa 1,5 und lenkt einen Strahl, der aus Luft kommt, deshalb deutlich zum Lot hin ab. Aus diesem Grunde sind normale Sammellinsen aus Glas – zum Beispiel in Brillen für Weitsichtige – konvex geformt. Hingegen ist der Brechungsindex für Röntgenstrahlen kleiner als eins (wenn auch nur geringfügig), so daß sie beim Eintritt von Luft in Materie kaum merklich vom Lot weg gebrochen werden. Dies liegt an der hohen Frequenz von Röntgenstrahlung (3×1018 Hertz bei 0,1 Nanometer Wellenlänge), die wesentlich größer ist als die Eigenfrequenzen fast aller Elektronen in den Atomhüllen eines Festkörpers. Infolgedessen kommt es nicht zu den Polarisationserscheinungen, die von sichtbarem Licht in Materie verursacht werden und für die übliche Lichtbrechung verantwortlich sind.

Da also Festkörper für Röntgenstrahlen optisch dünner als das Vakuum (und die Luft) sind, muß eine Röntgen-Sammellinse – genau wie eine Luftlinse für sichtbares Licht in Wasser – konkav geformt sein (Bild 1). Doch weil die Brechzahl von Materie für Röntgenstrahlen typischerweise nur um einige Millionstel von eins abweicht, würde eine einzelne Konkavlinse einen Primärstrahl zwar fokussieren, aber mit der völlig unpraktischen Brennweite von etlichen 100 Metern. Nur wenn man hundert solche Linsen hintereinander aufreiht, erhält man mit einer Brennweite im Meterbereich einen brauchbaren Wert.

Dafür muß man freilich eine erhöhte Absorption im Linsenmaterial in Kauf nehmen. Sie steigt generell mit der dritten Potenz der Ordnungszahl des verwendeten chemischen Elements, während der Brechungsindex davon praktisch unabhängig ist. Das ideale Material für refraktive Röntgenlinsen sollte deshalb eine möglichst niedrige Ordnungszahl mit einer hohen Dichte kombinieren. Außerdem sollte es feinkristallin oder sogar amorph (glasartig) sein, um die störende Braggsche Streuung an Kristallgitterebenen, die auf Röntgenstrahlen ähnlich wirken wie normale Beugungsgitter auf Licht, zu minimieren. Beryllium, Bor, Graphit oder kohlenstoffhaltige Kunststoffe bieten in dieser Hinsicht gute Voraussetzungen. Stark wasserstoffhaltige Materialien scheiden allerdings aus, weil ein großer Anteil schwach gebundener Elektronen die Absorption durch Compton-Streuung stark erhöht (dabei offenbart die Röntgenstrahlung ihren Quantencharakter und stößt einzelne Elektronen wie Billardkugeln weg). Bei hohen Röntgen-Energien kommt auch Aluminium in Frage.


Linsen nach Art von Schweizer-Käse

Begnügt man sich mit eindimensionaler Fokussierung (das heißt mit der Bündelung des Strahls auf eine scharfe Linie), so läßt sich eine Aufeinanderfolge konkaver Linsen einfach durch eine Reihe feiner benachbarter Löcher realisieren (Bild 1). Auf diesem Prinzip beruhte die erste von uns hergestellte Röntgen-Linse aus einem 19 Millimeter langen Aluminiumblock, in den wir mit einer rechnergesteuerten Bohrmaschine 30 Löcher mit je 0,6 Millimeter Durchmesser bohrten. Bei 14 keV Strahlungsenergie hatte sie eine Brennweite von 1,8 Metern und fokussierte den Strahl auf eine nur acht Mikrometer breite Linie.

Aber auch eine Fokussierung in zwei Dimensionen ist ohne weiteres möglich; dazu muß man nur längs einer Kante des Aluminium-Werkstücks zwei Reihen von Löchern derart anordnen, daß sie wechselweise senkrecht aufeinander stehen (Bild 1). Eine bessere, wenn auch aufwendigere Lösung ist, Kugel- statt Zylinderlinsen zu verwenden: In eine Folge von Plättchen werden von beiden Seiten Halbkugeln derart eingefräst, daß sie einander auf der optischen Achse gegenüberstehen und sich nahezu berühren (Bild 2).

Bei duktilen Materialien kann man in die so vorgefertigten Löcher zwei Stempel drücken, um besonders glatte Grenzflächen zu erhalten. Ideal ist, wenn die Stempel parabolisch geformt sind, weil dann keine sphärische Aberration auftritt (die Strahlen also ungeachtet ihrer Entfernung von der optischen Achse gleich stark gebrochen werden).

Die bisher gebauten refraktiven Linsen für Röntgenstrahlen wurden an der ESRF – der zur Zeit leistungsfähigsten Synchrotronstrahlungsquelle – praktisch erprobt. Diese Quelle liefert von Hause aus einen sehr intensiven und hervorragend kollimierten (parallel ausgerichteten) Strahl, der im typischen Arbeitsabstand von 50 Metern nur 0,5 mal 1,5 Millimeter groß ist. Unsere Linsen vermögen ihn auf einige Mikrometer zu bündeln.

Die am weitesten verbreiteten Quellen für Röntgenstrahlen sind jedoch nach wie vor die Röntgenröhren. Hier liefern in der Regel nur moderne Anlagen, die für hochauflösende Beugungsmessungen verwendet werden, einen parallelen Strahl. Berylliumlinsen in Zylinder- oder Parabolform mit 0,7 Millimeter Radius ergeben für Röntgen-Energien von 8 keV eine Brennweite von zwei Metern; ihre Transmission (Durchlässigkeit) beträgt dabei immerhin 10 Prozent, und die Fokalgröße dürfte im Mikrometerbereich liegen. Solche Linsen sollten bei all den Anwendungen von Röntgenstrahlung, bei denen mikrometergroße Brennpunkte erwünscht sind (zum Beispiel bei der Mikrobeugung an Strukturen in Halbleiterbauelementen und bei der Mikrofluoreszenzanalyse in Chemie und Materialkunde), wichtige Weiterentwicklungen ermöglichen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1997, Seite 25
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
4 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 4 / 1997

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