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 "Nucleopore ^R 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 E _τ = 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 "Nucleopore ^R 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«10 ⁵ Poren/cm ² 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 τ _n (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 τ _n 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.