DE69427152T2

DE69427152T2 - Verfahren zur führung von neutral- und ladungsträgerstrahlen und eine vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: DE69427152T2
Application number: DE69427152T
Authority: DE
Inventors: Muradin Abubekirovic Kumachov
Original assignee: Individual
Current assignee: Unisantis Fze Dubai Ae
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2014-07-09
Also published as: CA2170531A1; EP0724150B9; EP0724150B1; EP0723272B1; WO1996001991A1; EP0723272A1; US5744813A; EP0724150A1; DE69427152D1; WO1996002058A1; EP0724150B8; EP0724150A4; EP0723272A4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegenden Erfindungen betreffen allgemein die Kernphysik, insbesondere Mittel zur Führung von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen und heben ab auf die Beugung solcher Strahlen, ihre Fokussierung, Transformierung einer divergierenden Strahlung in eine quasi-parallele und umgekehrt, ihre Filterung und Monochromatisierung.[0001]

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Führung von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen bekannt, die auf der Verwendung von Interferenz und Diffraktionsphänomenen beruhen, wie z. B. Fresnel- Zonenplatten, Bragg Kristalle und Mehrschichtspiegel (vgl. "Introduction to solidstate physics" von C. Kittel, Moskau, Gosudarstvennoe izdatelstvo fizikomatematicheskoi literatury, 1963, p. 73 (Russische Übersetzung).[0002]
Jedoch gelingt es unter Verwendung solcher Methoden und Vorrichtungen nicht, eine hohe Strahlenbündelung und einen großen Beugungswinkel zu erzielen.[0003]
Diese Einschränkungen werden durch Verfahren und Vorrichtungen aufgehoben, die eine Mehrfachreflexion verwenden.[0004]
Insbesondere ist ein Verfahren zur Führung von Strahlenbündeln unter Verwendung von Mehrfachreflexion in einem System gekrümmter Hohlkapillaren bekannt (vgl. die Schrift "Wide-band X-ray optics with large angular aperture" von V. A. Arkadyev, A. L. Kolomiitsev, M. A. Kumakhov et al., "Advances in physical sciences", 1989, Band 157, 3. Ausgabe, S. 529-537 (in Russisch).[0005]
Ein inhärenter Nachteil in diesem Verfahren und dieser Vorrichtung beruht auf einer beträchtlichen Strahlungsdämpfung aufgrund von Ungenauigkeiten beim Zusammenfügen der Kanalkapillaren bei der Herstellung der Vorrichtung ebenso wie einem engen Spektralband durch Verwendung von Kapillaren, deren Durchmesser eine optimale Kanalgröße übersteigt. Der Versuch, die Durchmesser in der angepaßten Konstruktion zu reduzieren, begegnet beträchtlichen ingenieurmäßigen Schwierigkeiten.[0006]
In einer anderen vorbekannten Vorrichtung sowie einem Verfahren gemäß US-Patent 5,192,869, veröffentlicht am 09.03.1993 bringt die Vorrichtung einen Effekt mit sich, der den vorliegenden Erfindungen am nächsten kommt und wo auch vom Mehrfachreflexionskonzept Gebrauch gemacht wird und wo die vorgenannten Nachteile teilweise durch feste Stützelemente überwunden sind, welche in definierten Abständen voneinander in der Vorrichtung längs angeordnet sind und welche eine feste Fixierung der kanalbildenden Elemente an den Orten gewährleisten, wo sie durch die Öffnungen der Stützelemente hindurchreichen. Die sorgfältig ausgewählte Anordnung der genannten Öffnungen gewährleistet korrespondierende axiale Linien der einzelnen Kanäle hinsichtlich der wirksamen Oberfläche einer gewünschten Form. Als kanalbildende Elemente werden Glaskapillaren oder Polykapillaren verwendet.[0007]
Ein solches optisches System zur Führung von Strahlen ähnelt der Form eines Fasses oder Halbfasses und wird daher entsprechend als Linse oder Halblinse bezeichnet. Produkte, die unter Verwendung von Kapillaren hergestellt werden, sind bekannt als Linsen erster Generation (Halblinsen), wohingegen solche aus Polykapillaren als Linsen der zweiten Generation (Halblinsen) bekannt sind.[0008]
Bei Durchmessern der Kapillaren und Polykapillaren in der Größenordnung von 300 Micron verlieren sie die für die saubere Zusammenfügung notwendigen Eigenschaften, d. h. sie beginnen in der Luft zu "schweben", da sie hohl sind und es kann ihnen beim Zusammenfügen nicht der erforderliche Krümmungsradius gegeben werden und die Kapillaren neigen zum Absinken zwischen den Unterstützungspunkten. Diese Restruktion hinsichtlich des Durchmessers der Kapillaren und Polykapillaren macht es unmöglich, die Strahlung auf einen Punkt mit einem geringeren Durchmesser als dem der Kapillaren oder den Außendurchmesser von Polykapillaren zu fokussieren. Der kleinste erreichbare Fokusfleckdurchmesser, der mit den Linsen der ersten und zweiten Generation zu erreichen ist, beträgt 0,5 mm, so daß eine hohe Strahlenbündelung wegen des großen Durchmessers des Brennpunktflecks nicht erreichbar ist.[0009]
Finite Kanalabmessungen bewirken eine Begrenzung des verwendeten Energiebereichs. Mit einer eingestellten Brennweite f selbst bei punktartiger Strahlung, ist der kleinste Strahlungseinfallwinkel auf der peripheren Kapillarzone θ = d/2f, worin d den Kanaldurchmesser bezeichnet.[0010]
Für eine effiziente Strahlungsübertragung ist es wünschenswert, daß der Parameter 6 nahe oder sogar unter dem kritischen Reflexionswinkel θc liegt, da mit zunehmender Energie der kritische Winkel kleiner wird. Diese Bedingung beschränkt die Verwendung hoher Energien in Linsen der ersten und der zweiten Generation.[0011]
Beispielsweise liegt das Einfangen von Gammastrahlenenergie E = 10 keV nicht über 15% und mit ansteigender Brennweite nimmt der Einfangwinkel ab und demzufolge sinkt der Wirkungsgrad des Systems ebenfalls.[0012]
Aus Vorstehendem folgt die Notwendigkeit eines Wechsels zu Strahlungsübertragungskanälen mit Querschnittsdurchmessern hinab zu Mikrons und Submikrons, was aus den oben genannten Gründen in den vorerwähnten Vorrichtungen und der Notwendigkeit des mechanischen Zusammenbaus bei der Herstellung unmöglich ist. Der mechanische Zusammenbau ist ursächlich für einen weiteren Nachteil. Die Winkelabweichung ist im Falle des vorgenannten Zusammenbaus durch den Ausdruck Δθ = ΔL/L, bestimmt, wo ΔL die Summe der Durchmesservariationen der Kapillaren und der Öffnung in der Trägerscheibe (die beim mechanischen Zusammensetzen verwendet wird) und L den Abstand zwischen den Tragstrukturen, z. B. Scheiben bestimmt, und 1-3 cm nicht übersteigen soll. Die Streuung des Kapillarendurchmessers liegt in der Regel in der Größe von 10%, d. h. 40 Micron mit d = 400 Micron; die Streuung des Öffnungsdurchmessers ist in der Größe von 10-20 Micron mit einem mittleren Öffnungsdurchmesser von 400 Micron. In diesem Falle ist der Wert Δθ in der Größe von 5 · 10&supmin;³ rad.[0013]
Die besten Varianten der Halblinsen der zweiten Generation streuen in der Ordnung (5-6) 10&supmin;³ rad.[0014]
Die beim mechanischen Zusammenbau erreichbare Abweichung ist zur Lösung einer Reihe von charakteristischen Aufgaben der in Betracht kommenden Anwendungen inakzeptabel.[0015]
Die Tatsache, daß die im US-Patent Nr. 5,192,869 offenbarten Verfahren und die Vorrichtung nur ein physikalisches Phänomen verwenden, nämlich die Reflexion von Strahlung an den Grenzschichten sich ändernder, unterschiedlich dichter Medien, mit welchen die Strahlungspartikel mehrfach interagieren (in Kombination mit konkurrierender Absorption der Partikel), behindert die Überwindung inhärenter Beschränkungen innerhalb des Rahmens der vorliegend diskutierten Konstruktion.[0016]

Darstellung der Erfindung

Das oberste Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer höheren Wirksamkeit bei der Führung (der Kontrolle) von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen. Ein durch die Erfindung erzieltes technisches Ergebnis besteht in einem geringeren Energieverlust der Strahlung während ihrer Übertragung, einem erweiterten Bereich hin zu höheren Werten der verwendeten Teilchenenergien, einer höheren Strahlungsdichte, ebenso wie in der Schaffung einer Möglichkeit zur Regelung des Spektrums der übertragenen Strahlung und der Verwendung von Strahlenquellen mit größeren Abmessungen, ohne das Verhältnis der eingefangenen Strahlung zu reduzieren.[0017]
Gemäß der vorliegend vorgeschlagenen Methode tritt, wie auch nach jener im US-Patent Nr. 5,192,869 offenbarten, eine mehrfach wiederholte Interaktion zwischen den Strahlungsteilchen und den unterschiedlich dichten, sich ändernden Medien und ihre Reflexion an den Grenzschichten zwischen den Medien im Verlauf des Zusammenwirkens auf.[0018]
Um die vorstehenden technischen Ergebnisse zu erreichen, wird eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch geschaffen. Die Vorrichtung führt zusätzlich zur Reflexion eine Streuung durch, während die aneinander anliegenden unterschiedlich dichten Medien nach der Interaktion, bei welcher die Streuung und die Reflexion auftreten, hinsichtlich der elektromagnetischen Eigenschaften differieren. Zusätzlich können die Oberflächen der unterschiedlichen Medien im selben oder unterschiedlichen Phasenzustand hinsichtlich ihres Substrats sein. Diese Medien können sowohl homogen und strukturiert sein im Querschnitt hinsichtlich der Richtung der Strahlungsübertragung und die Strukturelemente der Medien, welche in ihren physikalischen Eigenschaften differieren, sind im genannten Schnitt entweder ungeordnet oder geordnet mit Vorhandensein von Axialsymmetrie arrangiert.[0019]
Aufgrund diffuser Streuung kann ein Teilchen innerhalb des kritischen Reflexionswinkels gefangen werden, obwohl es anfänglich außerhalb dieses Winkels war.[0020]
Potentialstreuung kann z. B. durch Beschichtung des Substrats mit einer Magnetschicht erreicht werden. In diesem Falle werden Neutronen von einem solchen Spiegel effektiver zurückgestoßen.[0021]
Das Substrat kann mit einer Mehrfachbeschichtung versehen sein, so daß dort eine Kombination aus reflektiver- und Interferenzoptik auftreten kann, so daß es nicht nur gelingt, die Partikelstrahlen zu beugen und zu fokussieren, sondern auch ihr Spektrum zu kontrollieren.[0022]
Das Substrat kann mit einer supraleitfähigen Schicht belegt sein, so daß die Möglichkeit eines effektiven Rückstoßes der geladenen Partikel aufgrund des Meissner Effekts besteht.[0023]
Die alternierenden Medien können in derselben Phase vorhanden, z. B. amorph sein, sie können aber auch in unterschiedlichen Phasen vorliegen, beispielsweise kann eine kristalline Schicht mit einer amorphen abwechseln und eine dielektrische mit einer metallischen oder supraleitenden. In jedem Falle werden neue Möglichkeiten bei der Führung des Partikelpfadles und Spektrums eröffnet.[0024]
Das Vorliegen einer Feinstruktur in jedem Medium in Form von z. B. einer Vielzahl kleiner Strahlungstransferkanäle in jedem Medium erlaubt ein weiteres Fortschreiten in den Bereich höherer Energien.[0025]
In der Regel sind die Strahlungstransferkanäle nicht geordnet in einem Querschnittsquadrat vorgesehen, deren Mittelachse in Strahlenrichtung liegt. Dadurch wird die Strahlungsfokussierung in einer Ebene innerhalb eines weiten Energiebereichs virtuell unabhängig von der Teilchenenergie möglich.[0026]
Im Falle einer geordneten Anordnung der Transferkanäle, wobei die Kanäle eine strikte Symmetrie einhalten, tritt ein ziemlich neuer Effekt auf, nämlich Interferenz an den Kanalausgängen, was weitere Möglichkeiten schafft, wie eine starke Strahlenmonochromierung, Auftreten eines Mittenmaximums und von Seitenmaxima und -minima und eine Reduktion des zentralen Maximalflecks hinunter bis zur Größe eines Strahlungsübertragungskanals.[0027]
Die vorliegende Erfindung schafft wie die bekannte Vorrichtung die Führung von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen wie im US-Patent 5,192,869 für ein optisches System in Form alternierender unterschiedlich dichter Media, welche Strahlungstransferkanäle aufweisen.[0028]
Anders als die bekannte Vorrichtung ist die vorliegend vorgeschlagene Anordnung mit einer rauhen Schicht an der Medium-Medium-Grenze zur Streuung der Teilchen vorgesehen.[0029]
Die Oberflächen der alternierenden Medien können in gleichen oder verschiedenen Phasenzuständen vorliegen hinsichtlich ihres Substrats an der dazwischenliegenden Grenzschicht.[0030]
Zwischen mindestens zwei aneinandergrenzenden Medien kann eine Zwischenschicht eingelagert sein, wobei dieses Zwischenmedium sich von den angrenzenden Medien in den elektromagnetischen Eigenschaften unterscheidet oder in einem anderen Phasenzustand als die anstoßenden vorliegt.[0031]
Das Vorliegen einer diffusen Streuung ermöglicht, die Öffnung der Vorrichtung zu vergrößern und demzufolge das optische System schneller zu machen.[0032]
Potentialstreuung der Teilchen, z. B. die Potentialstreuung von Neutronen an einer Magnetschicht an der Substratoberfläche kann zum kritischen Reflexionswinkel beitragen, d. h. die Öffnung ebenfalls vergrößern.[0033]
Die Anwendung von Multischichtstrukturen bei der reflektierenden Oberfläche kann eine Möglichkeit zur Selektion und Monochromierung der Strahlung schaffen aufgrund von Interferenz von Teilchen an den genannten Strukturen.[0034]
Eine Beschichtung des dielektrischen Substrats mit einem Metallbelag kann ein "Tunneln" der geladenen Teilchen durch ein solches Medium ermöglichen, da sich ansonsten das Dielektrikum auflädt und mit seiner Ladung das "Tunneln" der Teilchen verhindert.[0035]
In diesem Falle zeigt sich ein Eigenschaftsunterschied zwischen dem Substrat und der reflektierenden Oberfläche, da letztere tatsächlich eine Metallschicht ist.[0036]
Die alternierenden Medien mit unterschiedlicher Dichte können sowohl homogen und im Querschnitt strukturiert sein hinsichtlich der Richtung der Strahlungsübertragung, und ihre Strukturelemente können unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen und in dem genannten Querschnitt entweder ungeordnet oder geordnet angeordnet sein mit Vorhandensein einer axialen Symmetrie. In letzterem Falle tritt Strahlungsinterferenz auf, was ermöglicht, den Brennpunkt drastisch zu minimieren und die Strahlung zu monochromieren.[0037]
Insbesondere können die genannten Medien als Hohlglas-Mono- oder Polykapillaren auftreten. Eine solche Ausführung bringt eine Vielzahl technologischer Vorteile mit sich.[0038]
Das optische System kann einzeln oder als eine Anzahl getrennter Abschnitte in Tandemanordnung in Richtung der Strahlungsübertragung ausgeführt sein.[0039]
Die Sektionen des optischen Systems können im Besonderen als Linsen oder Halblinsen mit unterschiedlicher Form auftreten.[0040]
Zur Führung der Strahlung auf einer Winkelkoordinaten können die Linsen oder Halblinsen des optischen Systems als ebene Strukturen auftreten.[0041]
Zur separaten Strahlungsführung auf zwei Winkelkoordinaten kann das optische System zwei Abschnitte in Tandemform, ausgerichtet in Richtung des Strahlungstransfers aufweisen, wobei die planaren Strukturen die Linsen oder Halblinsen des ersten oder zweiten Abschnitts und gegenseitig orthogonal orientiert sind.[0042]
Zum Zwecke der Selektion der übertragenen Strahlung hinsichtlich der Energie ihrer Teilchen kann das optische System als eine Reihe von Abschnitten aufgebaut sein, die tandemartig in Richtung der Strahlungsübertragung angeordnet und aus Linsen oder Halblinsen zusammengesetzt sind, ebenso als Abschnitt, der einen Satz von reflektierenden Strukturen parallel zueinander darstellt und einen Winkel zur Richtung der aus dem vorhergehenden Abschnitt austretenden Strahlung bildet. Um eine Möglichkeit der Regelung des Energieniveaus durch Auswahl der Strahlungsteilchen zu schaffen, können Vorkehrungen getroffen werden, den genannten Winkel zu variieren.[0043]
Ein Unterschied in den elektromagnetischen Eigenschaften der unterschiedlich dichten alternierenden Medien kann insbesondere durch Anwendung einer leitenden oder supraleitenden Beschichtung geschaffen werden.[0044]
Die Endseite des optischen Systems an der Seite des Strahlungseingangs kann konkav sein mit der Möglichkeit der Beabstandung der Strahlenquelle äquivalent zu allen Punkten des optischen Systems, um derart zum Einfangen der Strahlung beizutragen.[0045]
Die Endseite des optischen Systems an der Seite des Strahlungseingangs kann konvex und das optische System als symmetrische oder asymmetrische Linse gestaltet sein.[0046]
Das optische System kann auch mit der Möglichkeit gestaltet sein, die Strahlungsquelle innerhalb dessen anzuordnen, was in einigen Fällen eine Erhöhung ihrer Lichtstärke erlaubt.[0047]
Die Strahlungsübertragungskanäle können in der Richtung des Strahlungstransfers divergieren, um so die Strahlungsdivergenz zu reduzieren.[0048]
Die Strahlungsübertragungskanäle können längs der Übertragungsrichtung orientiert und gekrümmt sein, wobei der Krümmungsradius der äußeren Kanäle in der Ebene, welche durch die Längsachse des optischen Systems verläuft, mit den Dimensionen des optischen Systems durch die Beziehung verknüpft ist:[0049]
R = (H - h)/φ²,
in welcher
R - der Krümmungsradius der äußeren Kanäle;
H, h - der Querschnitt des optischen Systems am Eingang bzw. Ausgang;
φ - der erforderliche Strahlungseinfangswinkel ist.
[0050] Die Strahlungsübertragungskanäle können auch einen konstanten Querschnitt entlang ihrer Länge aufweisen. In diesem Fall berechnen sich die Durchmesser und Längen der Strahlungsübertragungskanäle nach der folgenden Beziehung:
d dφ²/θc
worin
d - der Durchmesser des Strahlungsübertragungskanals;
I - die Länge des Strahlungsübertragungskanals;
θc - der kritische Reflexionswinkel;
φ - der erforderliche Strahlungseinfangswinkel ist.
[0051] Die Wände der Strahlungsübertragungskanäle in den Eingangs- und Austrittsabschnitten des optischen Systems können einen stumpfen Winkel bilden, was die Möglichkeit für die Entwicklung eines neuen Mikroskoptyps eröffnet.
[0052] Die Strahlungsübertragungskanäle im Eingangsbereich des optischen Systems können einen konstanten Querschnitt entlang ihrer Länge aufweisen und jene im Austrittsbereich des optischen Systems können divergent oder konvergent ausgeführt sein, wobei die Strahlungsübertragungskanäle am Ende des Austrittsbereiches des optischen Systems in Bezug auf den Eingangsbereich zu einer Seite gebogen sein können.
[0053] Durch divergierende Kanäle im Austrittsbereich des optischen Systems wird die Divergenz der austretenden Strahlung reduziert, während durch konvergierende Kanäle die harte Komponente des Strahlungsspektrums unterdrückt wird.
[0054] Die Wände der Strahlungsübertragungskanäle des optischen System können koaxial angeordnete nichtverschlossene oder verschlossene Oberflächen aufweisen.
[0055] Das optische System kann als Bündel von Kapillaren oder Polykapillaren ausgeführt sein, wobei jeder Kanal einen variablen Querschnitt entlang seiner Längen aufweisen kann.
[0056] Das optische System kann insbesondere als Bündel von Kapillaren mit konischen Oberflächen geformt sein, wobei die Parameter dieses Systems über die folgende Beziehung verknüpft sind:
(δθ&sub1; + φc) D&sub1; = (δθ&sub2; + φc) D&sub2;,
worin
δθ1 - die Anfangsdivergenz das quasi-parallelen Strahls;
δθ&sub2; - der erforderliche Winkel der Strahldivergenz am Ausgang;
φc - der Kegelwinkel;
D&sub1;, D&sub2; - Eingangs- und Ausgangsdurchmesser sind.
[0057] Die Wände der Strahlungsübertragungskanäle können mit einer weiche Röntgenstrahlung absorbierenden Schicht beschichtet sein, was ein Abschneiden des weichen Anteils des Strahlungsspektrums erlaubt.
[0058] Die Strahlungsübertragungskanäle können Querschnittsabmessungen im Mikron- und Submikron-Bereich aufweisen und frei von externen Unterstützungen oder Unterstützungsstrukturen sein. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit zur Führung von hochenergetischer Strahlung, zur Fokussierung von Strahlung in einen Spot mit einer Ausdehnung, welche nahe bei dem Durchmesser des Strahlungsübertragungskanals liegt.
[0059] Außerdem können die verschiedenen speziellen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung allein oder in unterschiedlichen Kombinationen die spezifischen Merkmale aufweisen, welche im weiteren detailliert beschrieben werden.
[0060] Alle Ausführungsformen, welche nicht von Anspruch 1 umfaßt sind, müssen als technische Hintergrundinformationen angesehen werden.
[0061] Jede der Linsen oder Halblinsen, die die Abschnitte des optischen Systems bilden, kann als ein Set von Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen derart ausgeführt sein, daß der Querschnitt durch die Summe der Querschnitte der Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen und der Zwischenräume gebildet wird.
[0062] Die Miniaturlinsen können asymmetrisch sein, wobei die Krümmungsradien an den Strahlungseingangs- und Strahlungsaustrittsenden differieren können, wodurch die Funktionalität des optischen Systems erweitert wird.
[0063] Die Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen, die einen Teil eines Sets bilden, können unterschiedliche Brennweiten und Strahlungseinfangswinkel aufweisen.
[0064] Insbesondere können diejenigen Miniaturlinsen oder -halblinsen, welche entlang der Peripherie der durch sie gebildeten Linse oder Halblinse angeordnet sind, in ihrer Brennweite und ihrem Strahlungseinfangswinkel von den Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen abweichen, welche in der Nähe der Längsachse der betreffenden Linse oder Halblinse angeordnet sind.
[0065] Um eine gewünschte Verteilung der Strahlungsintensität am Austritt der Vorrichtung zu erhalten, können die Querschnittsausdehnungen der Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen über den Querschnitt der durch sie gebildeten Linse variieren, insbesondere können die genannten Ausdehnungen von der Längsachse in Richtung der Peripherie variierbar sein.
[0066] Die Krümmungsradien der Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen in der Ebene, welche durch die Längsachse einer Linse oder Halblinse verläuft, können gleichmäßig mit dem sich vergrößernden Abstand der Miniaturlinsen oder Miniaturhalblinsen von der genannten Längsachse variieren, wodurch eine Kontrolle des Strahlungsspektrums ermöglicht wird.
[0067] Die Miniaturlinsen oder -halblinsen können auch gleiche Krümmungsradien in der Ebene, die durch die Linsenlängsachse verläuft, aufweisen, aber in ihrer Länge oder ihrem Querschnitt abweichen, um die erforderlichen Strahlungsparameter am Austritt der Vorrichtung zu erhalten.
[0068] Zur Transformierung einer anfangs divergierenden Strahlung in einen quasi-parallelen Strahl mit gleichzeitiger Beugung und Filterung desselben kann das optische System als ein Set von Miniaturhalblinsen ausgeführt sein, welche zu ein und derselben Seite gekrümmt sind.
[0069] Zur Transformierung einer divergierenden Strahlung in einen quasiparallelen Strahl mit gleichzeitiger Filterung, jedoch ohne Beugung desselben weisen alle Miniaturlinsen eines Sets, welches das optische System in Form einer Halblinse bildet, eine variable Krümmungsrichtung in der Ebene auf, die durch die Längsachse der Halblinse verläuft.
[0070] Die Beugungsstrukturen, welche auf die Grenzflächen der unterschiedlich dichten Medien angewendet werden, können mehrschichtig ausgeführt sein.
[0071] Insbesondere zur Transformierung eines divergierenden Strahls in mehrere quasi-parallele monochromatische Strahlen weisen die Mehrschichtstrukturen, welche auf alle Grenzflächen aufgetragen werden die gleiche Periode und das optische System einen Bereich auf, in welchem die Übertragungskanäle aus Ebenen bestehen, wobei die Länge der Kanäle von der Peripherie zur Längsachse des optischen Systems zunimmt (bei gleichem Abstand zwischen den Ebenen) oder unverändert bleibt, wenn der Abstand zwischen den Ebenen von der Peripherie zur Längsachse des optischen Systems abnimmt.
[0072] Zur Transformierung eines divergierenden Strahls in einen einzelnen quasiparallelen monochromatischen Strahl weisen die Mehrschichtstrukturen, welche auf die Grenzflächen aufgetragen werden, eine sich von der Peripherie zur Längsachse des optischen Systems ändernde Periode auf.
[0073] Zur Transformierung eines divergierenden Strahls in eine Anzahl von quasi-parallelen monochromatischen Strahlen in zwei Winkelmaßen umfaßt das optische System zusätzlich einen zweiten Bereich, welcher in Richtung der Strahlungsübertragung hinter dem ersten Bereich angeordnet ist, worin die Strahlungstransportkanäle durch Ebenen geformt werden, welche orthogonal zu den Ebenen des ersten Bereichs sind, wobei sich der zweite Bereich vom ersten Bereich durch eine andere Brennweite unterscheidet.
[0074] Zur Fokussierung eines divergierenden Strahls weist das optische System neben den obengenannten zwei Bereichen einen dritten und einen vierten Bereich auf, die kaskadenartig hinter den zwei vorhergehenden Bereichen in Richtung des Strahlungstransportes angeordnet sind, jedoch mit Bezug auf die Richtung des Strahlungstransports entgegengesetzt zu diesen orientiert sind.
[0075] Ein fokussierendes optisches System kann auch in der Form ausgeführt sein, daß Paraboloide ineinander befestigt sind, wobei deren innere Oberfläche mit einer Mehrschichtstruktur beschichtet ist, welche eine variable Periode aufweist.
[0076] Zur Transformierung eines quasi-parallelen Strahls mit einer breiten spektralen Zusammensetzung in einen quasi-monochromatischen Strahl kann das optische System als Set von quadratischen oder rechteckigen Kanälen ausgeführt sein, welche mit einer Mehrschichtstruktur beschichtet sind.
[0077] Zur Transformierung eines quasi-parallelen Strahls mit einer breiten spektralen Zusammensetzung in einen quasi-parallelen Strahl mit zwei monochromatischen Linien kann das optische System als ein Set von Kapillaren geformt sein, wobei die Kapillaren in einem Quadrat oder Rechteck zusammengefaßt sind und die innere Oberfläche der Kapillaren mit einer Multischichtstruktur mit wechselnder Periode beschichtet ist.
[0078] In einer Vorrichtung zur Transformierung eines quasi-parallelen Strahls mit einer breiten spektralen Zusammensetzung in einen quasi-parallelen Strahl mit 3, 4, etc. monochromatischen Linien ist die innere Oberfläche der quadratischen oder rechteckigen Kapillaren mit einer Beschichtung in Form wechselnder Mehrschichtstrukturen mit verschiedenen Perioden (3, 4, etc.) ausgestattet. Die angrenzenden Medien unterscheiden sich in ihren elektromagnetischen Eigenschaften und die Dimensionen der Strahlungsquelle und des optischen Systems sind durch die folgenden Ungleichungen verknüpft:
dn < 2fθc + Ic
oder
dn > 2fθc + Ic
worin
dn - der Durchmesser der Strahlungsquelle;
f - der Abstand der Strahlungsquelle zum optischen System;
θc - der kritische Reflexionswinkel;
Ic - die Periode des Strahlungstransportkanals ist.
[0079] Die Strahlungsquelle ist hinter dem Fokus des optischen Systems positioniert und für Einfallswinkel A wird die folgende Ungleichung erfüllt:
0 < θ < (2 ÷ 3)θc.
[0080] Zur Führung von Ladungsträgern kann die auf die reflektierenden Oberflächen aufgetragene mehrschichtige Beschichtung eine amorphe oder kristalline Struktur oder eine Kombination daraus aufweisen.
[0081] Zur Monochromatisierung eines parallelen Strahls umfaßt das optische System ein Set von Kapillaren oder Polykapillaren, wobei der Durchmesser der Strahlungstransportkanäle in diesem Set kleiner ist als dc = C/ωp für Röntgenstrahlung und für Neutronen kleiner ist als dc = I/(Nb)1/2, worin
C - die Lichtgeschwindigkeit;
ωp- die Plasmafrequenz des die innere Oberfläche des Kanals beschichtenden Materials;
N - die Konzentration der Kerne;
b - die Kernamplitude ist.
[0082] In einer Vorrichtung mit einem optischen System, bestehend aus einem Set von Kapillaren oder Polykapillaren, wird durch die geeignete Auswahl des Verhältnisses von Länge-zu-Durchmesser eine Kontrolle der Winkelverteilung der Strahlungsintensität ermöglicht.
[0083] Die reflektierenden inneren Oberflächen der Kapillaren und Polykapillaren sind mit einer hochabsorbierenden, einer rauhen oder einer anderen Schicht überzogen, welche die Reflexion der Strahlung von diesen Oberflächen reduziert.
[0084] In diesem Fall können die Kapillaren und Polykapillaren als Kapillaren mit einem sehr hohen Aspekt-Verhältnis (d. h. Verhältnis von Länge-zu-Durchmesser der Kapillaren) verwendet werden.
[0085] In einer Vorrichtung mit einem optischen System in Form eines Sets von Kapillaren, die mit einem dünnen Film an ihrem Austrittsende ausgestattet sind, ist die Filterung eines parallelen Strahls möglich.
[0086] Die Vorrichtung mit einem optischen System in Form eines Sets von Kapillaren kann zum Scannen eines parallelen Strahls verwendet werden, wenn der Strahl auf die Endfläche des Sets von Kapillaren innerhalb der Grenzen des kritischen Reflexionswinkels bezüglich der reflektierenden Oberflächen der Strahlungstransportkanäle geführt wird.
[0087] Ein Set von Kapillaren oder Polykapillaren kann aus mehreren Blöcken zusammengesetzt sein, welche unterschiedliche Durchmesser der Transportkanäle aufweisen, um so mehrere verschiedene räumlich getrennte monochromatische Linien zu erhalten.
[0088] Das optische System der Vorrichtung kann auch aus einer Linse oder Halblinse und einer Fresnel-Zonenplatte oder aus einer Linse oder Halblinse und einer Fresnel-Bragg-Zonenplatte bestehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0089] Zum besseren Verständnis wird die vorliegende Erfindung nachstehend anhand der zugehörigen Zeichnungen im Detail erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der Streuung eines Partikelstrahls;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Streuung und Reflexion eines Partikelstrahls;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Einfalls von Strahlung auf die Tangente einer zylindrischen Kapillare bei einem großen Azimuthwinkel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Position der Strahlungsquelle hinter dem Fokus des optischen Systems;
Fig. 5 eine Ausführungsform der reflektierenden Oberfläche mit einer Mehrschichtstruktur-Beschichtung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Einfalls eines quasi-parallelen Strahls auf ein paralleles rechteckiges Set von Kapillaren, die mit einer Mehrschichtstruktur beschichtet sind;
Fig. 7 eine Ausführungsform des reflektierenden Mediums;
Fig. 8 eine Ausführungsform eines reflektierenden Mediums mit einem dazwischenliegenden Medium;
Fig. 9 eine Ausführungsform des optischen Systems in Form mehrerer Abschnitte;
Fig. 10 eine Ausführungsform der Vorrichtung, in der die Strahlungsquelle innerhalb des optischen Systems angeordnet ist;
Fig. 11 eine schematische Darstellung des optischen Systems mit einer quasipunktförmigen Strahlungsquelle;
Fig. 12 eine Ausführungsform des optischen Systems in Form einer Halblinse, wobei die Endfläche auf der Seite des Strahlungseintritts konkav gestaltet ist;
Fig. 13 eine Ausführungsform des optischen Systems, bei der die Strahlungstransportkanäle in Richtung des Strahlungstransports divergieren;
Fig. 14 eine Ausführungsform des optischen Systems ähnlich der in Fig. 13, jedoch mit konvexen Wänden der Strahlungstransportkanäle;
Fig. 15 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransportkanälen, die im Eingangsbereich des Systems in Richtung des Strahlungstransports auseinanderlaufen und einen konstanten Querschnitt im Austrittsbereich aufweisen;
Fig. 16 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransportkanälen, die in Richtung des Strahltransports auseinanderlaufen zum Transport der Strahlung über deren gesamte Länge, wobei die Kanalwände einen stumpfen Winkel im Eingangs- und Austrittsbereich der Kanäle bilden;
Fig. 17 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransportkanälen, die im Eingangsbereich einen konstanten Querschnitt aufweisen und in Richtung des Strahlungstransports im Austrittsbereich des Systems auseinanderlaufen;
Fig. 18 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransferkanälen, die im Eingangsbereich einen konstanten Querschnitt aufweisen und in Richtung des Strahlungstransports im Austrittbereich konvergieren;
Fig. 19 eine Ausführungsform des optischen Systems, worin die Strahlungstransportkanäle am Ende des Austrittsbereichs zur gleichen Seite gebogen sind;
Fig. 20 eine Ausführungsform des optischen Systems mit einer konvexen Endfläche auf der Seite das Strahlungseintritts;
Fig. 21 eine Ausführungsform des optischen Systems in Form einer symmetrischen Linse;
Fig. 22 eine Ausführungsform des optischen Systems in Form einer asymmetrischen Linse mit unterschiedlichen Brennweiten am Eintritt und Austritt;
Fig. 23 eine Ausführungsform des optischen Systems ähnlich der aus Fig. 22, jedoch mit einer Linse mit unterschiedlichen Krümmungsradien;
Fig. 24 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransportkanälen, die durch nichtgeschlossene Oberflächen ihrer Wände geformt sind;
Fig. 25 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransportkanälen, die durch geschlossene, koaxial angeordnete Wandoberflächen geformt sind;
Fig. 26 eine Ausführungsform des optischen Systems mit Strahlungstransportkanälen, die als Kapillarenbündel ausgestaltet sind;
Fig. 27 eine Ausführungsform der Polykapillaren mit einem konstanten Querschnitt in Richtung der Strahlung;
Fig. 28 eine Ausführungsform des optischen Systems in Form eines Sets von Miniaturhalblinsen;
Fig. 29 eine Ausführungsform des optischen Systems in Form eines Sets von konischen Miniaturhalblinsen;
Fig. 30 eine schematische Darstellung der Strahlungstransportkanäle des optischen Systems mit wechselnden Vorzeichen der Krümmungsradien;
Fig. 31 und 32 eine schematische Darstellung einer Symmetrie erster und zweiter Ordnung; und
Fig. 33 eine schematische Darstellung der Transformierung eines divergenten Strahls in einen quasi-parallelen Strahl als Ergebnis einer einfachen Reflexion.
[0090] In den Zeichnungen, welche die vorliegende Erfindung erläutern, steht eine durchgezogene Linie für das Material einer reflektierenden Oberfläche und eine unterbrochene Linie stellt die Grenzschicht einer reflektierenden Oberfläche dar, welche in Abhängigkeit von der Art der Vorrichtung rauh, leitend oder supraleitend, magnetisiert, einen bestimmten Strahlungsbereich hochabsorbierend sein kann oder auch als eine Schicht, aus mehreren Schichten, Beugungs- und anderen Strukturen gestaltet sein kann.

Beste Wege zur Ausführung der Erfindung

[0091] Das vorgeschlagene Verfahren zur Führung von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen sieht die gleichzeitige Reflexion und Streuung von Strahlung an alternierenden Medien mit unterschiedlichen elektromagnetischen Eigenschaften oder unterschiedlichen Phasenzuständen vor, wobei ein Primärstrahl Partikel enthält, deren Bewegungsrichtung mit der Einfallsebene dieser Partikel Winkel im Bereich von 0 bis dem zweifachen kritischen Reflexionswinkel eines Neutral- oder Ladungsträgerstrahls bildet und wobei die Neutral- und Ladungsträgerstrahlen mit Hilfe der Strahlung in den alternierenden Medien selbst generiert werden können.
[0092] Die Prozesse der Streuung von Strahlung in einem Material sind sehr gut untersucht. So führt z. B. der Durchgang von Röntgenstrahlung durch ein Material zur Compton-Streuung und der Durchgang von geladenen Teilchen durch ein Material führt zu Streuung, die durch die bekannte Rutherford-Formel beschrieben wird.
[0093] Ladungsträger (Elektronen, Positronen, Protonen, Ionen) wechselwirken mit Atomkernen gemäß der Rutherford-Formel. Wenn die Strahlung in einem kleinen Winkel auf die Oberfläche einfällt, kann der Koeffizient der einfach gestreuten Reflexion in Abhängigkeit von spezifischen Bedingungen 0,9-0,98 erreichen. Unter Berücksichtigung des oben gesagten kann man das Konzept der multiplen Streuung anwenden, wonach Partikel beim Durchgang durch den Transportkanal sukzessive gestreut werden. In diesem Fall ist die Geometrie annähernd dieselbe wie beim Konzept der multiplen Reflexion.
[0094] Ausgehend von dem Konzept der sukzessiven multiplen Streuung kann man Ladungsträgerstrahlen fokussieren und diese Strahlen um erhebliche Winkel beugen, etc. In der Regel werden magnetische oder elektrische Felder zu diesem Zwecke verwendet.
[0095] Diese bekannten Streuungsprozesse können effizient zur Führung von Strahlen verwendet werden, wenn eine komplexe Grenze in dem Material vorhanden ist, z. B. Vakuum - Medium; Vakuum - erstes Medium - zweites Medium; Mehrschichtstrukturen; Strukturen mit Schichten unterschiedlicher Dichte, etc.
[0096] Dabei kann die Grenze zwischen zwei Medien glatt sein, so daß Reflexion an kleinen Winkeln auftritt, oder aber nicht glatt sein, so daß der Führungsprozeß ohne Spiegelreflexion auftreten kann. Ein Partikelstrahl von einer Strahlungsquelle 1 (Fig. 1) fällt unter einem Winkel θ auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien 2 und 3 ein, wobei z. B. das Medium 2 Vakuum und das Medium 3 eine feste Substanz ist. Die Grenzfläche zwischen den Medien 2 und 3 ist eine glatte Oberfläche, die mit einer dünnen rauhen Schicht 4 belegt ist. Der Einfallswinkel θ des Strahls kann den kritischen Winkel der externen Totalreflexion übersteigen. Als Ergebnis der Streuung des Strahls an der rauhen Schicht 4 erreicht ein Teil des Strahls Winkel mit Bezug zum Medium 3, die unter dem kritischen Winkel liegen, so daß ein Teil des Strahls als Ergebnis der Beugung an der rauhen Schicht 4 der externen Totalreflexion unterliegt.
[0097] Im weiteren wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß die rauhe Schicht 4, an welcher Reflexion und Beugung stattfinden, zum Medium 3 gehört. [0098] Im weiteren werden die gleichzeitigen Prozesse der Reflexion und Beugung betrachtet. Nachdem der Strahl (Fig. 2) eine erste Beugung im Medium 3 erfahren hat, wird ein Fächer von Strahlen 5, 6 und 7 gebildet, wobei der Strahl 5 spiegelreflektiert und die Strahlen 6 und 7 gestreut sind. Wäre kein weiteres Medium 3 vorhanden gewesen, hätte der Strahl 6 den Anfangsstrahl verlassen, da sein Einfallswinkel den kritischen Reflexionswinkel überstiegen hat. Durch eine zweite Streuung im Medium 3 kann aber ein Teil des Strahls 6 in den Prozeß der Reflexion zurückgeführt werden. Andererseits geht ein Teil des Strahls 7 über das Limit des kritischen Reflexionswinkels hinaus.
[0099] Als Ergebnis der multiplen Reflexion und Streuung verläßt schließlich ein bestimmter Teil des durch die Quelle 1 erzeugten Anfangsstrahls den Strahlungstransportkanal (das Medium 2) in Form eines Strahls, der nahezu parallel zu den Grenzen zwischen den Medien 2 und 3 verläuft.
[0100] Im Fall von Mehrschichtstrukturen ist die Reflexion von Energieselektionen gemäß dem Bragg-Gesetz begleitet. Es ist bekannt, daß ein Photon, welches auf eine Medium-Medium-Grenze in einem Winkel, der das zwei- bis dreifache des kritischen Winkels beträgt, einfällt, als Ergebnis der Streuung an der genannten rauhen Oberfläche einen kleineren Winkel in der Größenordnung des kritischen Winkels einnehmen kann (Joned-Effekt). Als Ergebnis der nachfolgenden Streuung fällt ein Teil dieser Photonen in den multiplen Reflexionsmodus.
[0101] Bei zylindrischen, konischen oder anders gestalteten Reflexionskanälen kann das Photon in den multiplen Reflexionsmodus mit einem anfänglichen Einfallswinkel auf einen solchen Kanal fallen, der viel größer als der kritische Reflexionswinkel ist. In diesem Fall muß der Gesamtvektor des Anfangsimpulses eines Teilchens in eine radiale und eine azimuthale Komponente aufgeteilt werden (Fig. 3). Der Azimuthwinkel φ kann bezüglich der Tangente am Einfallspunkt von 0 bis 2 variieren, während der Radialwinkel den zwei- oder dreifachen kritischen Winkel betragen kann.
[0102] Das vorgenannte Merkmal ist von ausschlaggebender Bedeutung für große Strahlungsquellen. Im Falle, daß nur der Prozeß der multiplen Reflexion angewendet wird, ist die Größe der Strahlungsquelle durch die folgende Beziehung limitiert:
b < 2fθc + d
limitiert:
worin
θc - der kritische Reflexionswinkel;
d - die Größe des Kanals;
f - der Abstand der Strahlungsquelle zum optischen System ist.
[103] Tatsächlich erfüllen die meisten Strahlungsquellen die obengenannte Beziehung nicht. So mißt z. B. der Großteil der starken Röntgenröhren einige Millimeter bis zu einem oder zwei Zentimetern, Neutronenquellen in einem Reaktor messen bis zu einigen 10 Zentimetern und stationäre Plasmaquellen weisen ebenfalls sehr große Abmessungen auf. Sehr große Quellen müssen nicht am Brennpunkt der Linse positioniert werden (Fig. 4). Eine große isotropische Quelle ist im Bereich 8 hinter dem Brennpunkt angeordnet. Jeder der Punkte der Quelle "sieht" seinen speziellen Transportkanal, d. h. Partikel von der Quelle im Bereich 9 gelangen zu einem Kanal 9', jene aus dem Bereich 10 zum Kanal 10' usw.. In diesem Fall durchlaufen alle Partikel den Fokus des Systems, welcher im Punkt 0 liegt. Somit kann das vorgeschlagene Verfahren nicht nur bei punktförmigen und quasipunktförmigen Quellen angewendet werden, sondern auch bei großen und sehr großen Strahlungsquellen.
[0104] Im Fall von punktförmiger oder quasi-punktförmiger Strahlung kann die Effektivität des optischen Systems durch Veränderung der Geometrie erhöht werden. Die Änderung erfolgt derart, daß nicht nur Photonen mit kleinen Einfallswinkeln im Bereich von 0 < θ ≤ θc zum Transportkanal gelangen, sondern auch Photonen mit den größeren anfänglichen Winkeln.
[0105] Die wechselnden Medien können als Mehrschicht-Struktur gestaltet sein, worin eine dichtere Schicht zu einer weniger dichten Schicht benachbart angeordnet ist.
[0106] In solchem Fall dient die weniger dichte Schicht als Strahlungstransportkanal für Photonen, Neutronen und positiv geladene Teilchen.
[0107] Die genannten wechselnden Schichten können in derselben Phase, z. B. amorph oder kristallin oder auch in unterschiedlichen Phasen vorliegen, z. B. kann eine amorphe Schicht mit einer kristallinen Schicht wechseln. In diesem Fall entsteht am dichteren Medium ein Abstoßungspotential für positiv geladene Teilchen. Dieses Potential kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung dieser Schicht bis zu 20-30 eV erreichen. Der Winkel der Potentialstreuung gleicht dann (U/E)1/2, worin E die Teilchenenergie und U das Abstoßungspotential sind. Mit dieser Potentialstreuung nähert sich ein Partikel der Schicht in der Größenordnung von Bruchteilen eines Ängströms bis zu einigen Ängström (in Abhängigkeit vom Anfangswinkel des streifenden Einfalls). Für negativ geladene Teilchen, z. B. Elektronen, ist die Situation umgekehrt, d. h. sie werden zu einer dichteren Schicht transportiert.
[0108] Die wechselnden Schichten können auch Kombinationen von dichten Medien mit Vakuum sein. In diesen Fällen ist die dichte Schicht selbst oder deren Grenzfläche elektrisch geladen oder weist magnetische Eigenschaften auf.
[0109] So macht z. B. das Vorhandensein einer magnetischen Schicht die Führung von Neutralstrahlen effizienter.
[0110] Von größerer Bedeutung für die Praxis ist der Fall, in dem die dichte Schicht entweder selbst supraleitend oder mit einer supraleitenden Schicht überzogen ist. Dann nähert sich ein geladenes Teilchen der Oberfläche nicht zu dicht, da es durch ein magnetisches Feld abgestoßen wird, welches sich durch die Ladung des geladenen Teilchen in der Schicht aufbaut (Meissner-Effekt). Eine sehr interessante Möglichkeit zur Kontrolle des Weges der geladenen Teilchen ergibt sich aus der Möglichkeit der mehrfach wiederholten Beugung eines Teilchens, analog einem Synchrotronring, ohne merklichen Verlust von Teilchenintensität.
[0111] Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Optik ist die Kombination einer reflektierenden Optik mit einer Mehrschicht-Optik, wodurch die Aberration drastisch reduziert werden kann, bei gleichzeitiger Erhöhung der Lichtstärke der Linse. Zwar wird durch diese Kombination ein mit der Intensität verbundener Nachteil eingeführt, in einigen Fällen kann sich dies aber auch als Vorteil erweisen.
[0112] Die heutigen Techniken zur Mehrschicht-Beschichtung, auch jene zur Applikation auf geometrisch komplex geformten Objekten, werden erfolgreich angewandt. So ist es zum Beispiel möglich, Mehrschicht-Beschichtungen auf hohle Glaskapillaren mit unterschiedlicher Form aufzubringen.
[0113] So können beispielsweise ein Paraboloid, dessen innere Oberfläche mit einer Mehrschicht-Struktur versehen ist, oder ein System von zweidimensionalen Strukturen, die speziell auf die Strahlungsquelle ausgerichtet sind und mit mehreren Schichten beschichtet sind, oder auch ein System von quadratischen oder parallelen rechteckigen Kapillaren mit Mehrschicht-Strukturen etc., jeweils Elemente der Optik sein.
[0114] Die erfindungsgemäße Optik kann, wie oben erwähnt, aus einer Mehrschicht-Struktur aufgebaut sein, worin eine dichte Schicht benachbart zu einer weniger dichten Schicht angeordnet ist. In diesem Fall baut sich an der Grenzfläche zwischen den Medien ein Wechselwirkungspotential bedingt durch die Coulomb-Kräfte auf. Dieses Potential hat große Ähnlichkeit mit dem mittleren Potential der Kanalisierung von Teilchen entlang der Atomebenen in Kristallen (dieses Potential wurde erstmalig durch den Autor im Jahre 1979 eingeführt). Positiv geladene Teilchen werden so entlang einer weniger dichten Schicht transportiert, während negativ geladene Teilchen entlang einer dichteren Schicht transportiert werden.
[0115] Der Transport von Neutronen entlang solcher aufgedampften Kanäle ist gut untersucht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch geladene Teilchen entlang dieser Strukturen transportiert werden können.
[0116] Durch eine entsprechende Formgebung können diese Strukturen zur Fokussierung, Beugung, etc. von geladenen Teilchen verwendet werden.
[0117] Diese Strukturen sind darüber hinaus nutzbar für die Führung von X-ray- Teilchen und Gamma-Quanten.
[0118] Die Kombination von reflektierender Optik mit Mehrschicht-Strukturen bietet mehrere grundlegende Vorteile.
[0119] So z. B. bei der Transformierung von divergierender Strahlung in eine quasi-parallele. Dabei ist es möglich, eine einfache Reflexion auf einer speziellen Geometrie von reflektierenden mehrschichtigen zweidimensionalen Ebenen (Fig. 5) zu verwenden. Diese Ebenen sind so zu der Strahlungsquelle orientiert, daß die Strahlung nach Durchlaufen der Ebenen quasi-parallel ausgerichtet ist. Zur Bildung eines quasi-parallelen Strahls sind zwei konstruktive Varianten der reflektierenden Oberflächen denkbar: Erstens können die Ebenen im gleichen Abstand angeordnet sein, wobei die Länge von der Peripherie zum Zentrum zunimmt zweitens können alle Ebenen die gleiche Länge aufweisen und der Zwischenebenenabstand verringert sich von der Peripherie zum Zentrum. Der Gesamteinfangswinkel des optischen Systems entspricht ca. 4 θc, wobei θc der kritische Reflexionswinkel der Ebene ist. Beim Abscheiden von Multilagen-Beschichtungen auf Oberflächen kann dieser Winkel sehr groß sein (insbesondere für weiche Röntgenstrahlung und ultrakalte Neutronen).
[0120] Wenn die Periode aller Mehrschicht-Strukturen auf allen reflektierenden Oberflächen die gleiche ist, kann die Optik nicht nur effizient eine divergierende Strahlung in eine quasi-parallele transformieren, sondern auch eine Vielzahl von quasi-monochromatischen Strahlen erzeugen. Die Zahl dieser Strahlen gleicht N/2, worin N die Zahl der reflektierenden Ebenen ist. Die Energie dieser Strahlen wird durch den Anfangseinfallswinkel der Strahlung auf die jeweilige Ebene gemäß dem Braggschen Beugungsgesetz bestimmt.
[0121] Wenn die Periode der Mehrschicht-Strukturen sich von der Peripherie zum Zentrum monoton ändert, kann man erreichen, daß der quasi-parallele Strahl im Effekt ein einzelner quasi-monochromatischer Strahl ist.
[0122] Die obengenannte Geometrie des optischen Systems transformiert eine divergierende Strahlung in eine quasi-parallele nur in einer Winkeldimension. Um einen quasi-parallelen Strahl in beiden Winkeldimensionen zu erhalten, ist ein zweites optisches System mit einer anderen Brennweite notwendig, wobei das zweite System ebenfalls zur Strahlungsquelle orientiert ist, jedoch mit den reflektierenden zweidimensionalen Ebenen orthogonal zu denen des ersten optischen Systems angeordnet.
[0123] Es ist offensichtlich, daß ein quasi-paralleler Strahl auf das genannte System von der gegenüberliegenden Seite gerichtet werden kann und der Strahl punktfokussiert werden kann.
[0124] Bei der Verwendung von vier reflektierenden Systemen kann die divergierende Strahlung aus der Strahlungsquelle ebenfalls punktfokussiert werden.
[0125] Zur Transformierung einer divergierenden Strahlung in eine quasi-parallele unter gleichzeitiger Monochromatisierung des Strahls kann ein Paraboloid verwendet werden, in dessen Brennpunkt die Strahlungsquelle angeordnet ist. Zur Erzeugung einer monochromatischen Strahlung soll sich die Steigung der Mehrschicht-Struktur auf der inneren Oberfläche des Paraboloids über dessen Länge ändern.
[0126] Für harte Strahlung kann auch ein System von Paraboloiden verwendet werden, welche ineinander verschachtelt angeordnet sind, wobei die Strahlungsquelle im Brennpunkt dieser Paraboloide positioniert ist.
[0127] Bei Verwendung einer Mehrschicht-Struktur bestimmt sich der maximale Reflexionswinkel für harte Strahlung nach der Formel:
θ = λ/2L,
worin
L - die Periode der Mehrschicht-Struktur;
λ - die Wellenlänge der Strahlung ist.
[0128] Heutzutage ist eine Periode von L 10 Ängström technologisch realisierbar, d. h. mit einer Photonenenergie von 24 keV (0,5 Å) wird ein Reflexionswinkel θ 5 · 10&supmin;² rad erreicht. Dieser Winkel ist ca. 40 mal größer als der kritische Winkel der externen Totalreflexion von Glas für diese Energie (θc für Glas bei dieser Energie liegt bei ca. 1,2 · 10&supmin;³ rad).
[0129] Zur Führung von harter Strahlung, die eine größere Ausdehnung besitzt und parallel ist, verwendet man statt der herkömmlichen Mehrschicht-Strukturen besser eine Mehrschicht-Struktur, die beispielsweise auf einem Set von Kapillaren oder Polykapillaren aufgebracht ist, welches aus quadratischen oder rechteckigen Kanälen besteht (Fig. 6).
[0130] Dabei liegt die Größe des Sets in der Größe des Strahls, während bei Verwendung einer herkömmlichen Mehrschicht-Struktur, welche auf einer Ebene aufgebracht ist, die Größe dieser Ebene in der Ordnung von L/θ liegen muß, wobei L die Größe des Strahls und θ der Reflexionswinkel sind.
[0131] Danach müßte beispielsweise bei L = 10 cm und θ 5 · 10&supmin;² rad die Abmessung der Ebene ca. 2 Meter betragen. Es gestaltet sich sehr schwierig, eine Mehrschicht-Struktur auf eine derart große Fläche aufzutragen, darüber hinaus ist es ebenfalls sehr schwierig, eine glatte Fläche dieser Größe herzustellen, welche für die Aufbringung einer Multischicht-Struktur geeignet ist.
[0132] Dagegen ist die Herstellung z. B. einer Kapillarstruktur, die ca. 10 cm misst, nicht sehr schwierig.
[0133] In einigen Fällen werden mehrere gleichartig raumorientierte quasiparallele Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge benötigt. Z. B. in Angiographie-Untersuchungen der Herzblutgefäße werden zwei Strahlen der Abmessung (15 · 15) cm² der Energie von ca. 33 keV vor und nach der Absorptionslinie von Iod benötigt, welches als Kontrastmittel dient.
[0134] Zu diesem Zweck kann ein Set von rechteckigen oder quadratischen Kapillaren verwendet werden, die derart mit einer Mehrschicht-Struktur beschichtet sind, daß die Periode der Struktur alterniert, wodurch zwei gleichartig raumorientierte quasi-monochromatische Strahlen nach der Reflexion erhalten werden.
[0135] Auf diese Weise können auch 3, 4, etc. verschiedene quasi-monochromatische Strahlen erhalten werden. Die Größe eines Strahls kann im Bereich von 10 cm und die Größe der Kapillaren im Bereich von 0,1 mm oder weniger liegen, wodurch eine solche Geometrie größere Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
[0136] Die alternierenden Medien können in verschiedenen Phasenzuständen vorliegen. Als Reflexionsmedium für geladene Teilchen werden kristalline Strukturen verwendet, z. B. eine Lage mit einer Dicke im Zehntel Å-Bereich. Die Reflexion von dieser Schicht erfolgt in ähnlicher Art und Weise wie die Reflexion während des Durchgangs durch die Atomebenen eines Kristalls.
[0137] Der kritische Reflexionswinkel von Neutronen in einer Schicht, in der ein magnetisches Feld vorhanden ist, wird durch die folgende Formel beschrieben:
θc = λ[Nb/π ± (m/m/2π²h²)uB]1/2,
worin
N - die Kerndichte;
λ - die Wellenlänge der Neutronen;
b -kohärente Kernstreuungsamplitude;
u - das magnetische Moment der Neutronen;
m - die Neutronenmasse;
B - die magnetische Induktion;
h - die Plancksche Konstante ist.
[0138] Das Vorhandensein von zwei Vorzeichen, plus und minus, und somit zwei Winkeln ist durch zwei mögliche Polarisationen des Neutronenspins bedingt.
[0139] Bei starken Magnetfeldern, wenn Nb < (m/2·πh²)uB, wird nur ein kritischer Reflexionswinkel beobachtet und totalreflektierte Neutronen werden polarisiert.
[0140] Dadurch gelingt z. B. bei zwei- oder dreidimensionalen Strukturen mit magnetischen Reflexionsflächen nicht nur die Kontrolle der Bahnen, sondern auch die der Polarisation der Neutronen.
[0141] Es ist möglich, alternierende Medien zu formen, in denen das reflektierende Medium ein magnetischer Spiegel ist, z. B. ein dünner Kobaltspiegel. Durch die Verwendung von alternierenden Medien mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften ist es möglich, die kritischen Reflexionswinkel ohne Verringerung des Reflexionsvermögens zu erhöhen.
[0142] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Führung von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen wird klarer und verständlicher durch die folgende Darstellung einer Vorrichtung zu dessen Durchführung mit Bezug auf die verschiedenen spezifischen Ausführungs- und Anwendungsformen.
[0143] Mindestens eins der Reflexionsmedien des optischen Systems der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann als ein alternierendes Medium mit unterschiedlichen elektromagnetischen Eigenschaften oder unterschiedlichen Phasenzuständen (Nr. 11 in Fig. 7) ausgeführt sein, oder ein Zwischenmedium (Nr. 12 in Fig. 8) kann zwischen zwei benachbarten Medien angeordnet sein, wobei das Zwischenmedium ebenfalls von den angrenzenden Medien in den elektromagnetischen Eigenschaften oder dem Phasenzustand abweichen kann.
[0144] Ein sektionsartiger Aufbau des optischen Systems ist ebenfalls möglich (Fig. 9), wobei alle alternierenden Medien in den Abschnitten 13, 14 und 15 unterschiedliche elektromagnetischen Eigenschaften aufweisen oder in unterschiedlichen Phasenzuständen vorliegen. Am Eingang des in Sektionen aufgebauten optischen Systems (Fig. 9) ist eine verlängerte Strahlungsquelle 16 positioniert.
[0145] Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, die Strahlungsquelle 17 innerhalb des optischen Systems anzuordnen (Fig. 10). Die Bezugszeichen 2 und 3 in Fig. 10 haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 2.
[0146] Die Funktionsweise der Vorrichtung zur Führung von Neutral- und Ladungsträgerstrahlen aus Fig. 11 wird im folgenden beschrieben.
[0147] Der durch die Quelle 1 emittierte Neutral- oder Ladungsträgerstrahl fällt auf das optische System 21 in einem Winkel θ auf die Oberfläche des Kanals ein. Der Winkel θ kann sowohl über dem kritischen Winkel der externen Totalreflexion, als auch darunter liegen. Als Ergebnis der mehrfachen Reflexion und Streuung der Strahlung an der inneren Oberfläche 22 der reflektierenden Wände 23 des Kanals 24 wird ein Teil der Strahlung entlang des Kanals 24 transportiert, wobei der Weg des Strahlungstransports durch die Geometrie des Kanals festgelegt ist.
[0148] Die Größe 1 der Strahlungsquelle, der Durchmesser des Kanals d und der Abstand f der Quelle zum optischen System der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind über die Ungleichung d > 2fθ + 1 verbunden, was die Verwendung einer deutlich größeren Strahlungsquelle erlaubt und dadurch die Möglichkeit einer deutlich höheren Strahlungsdichte am Austritt des optischen Systems eröffnet.
[0149] Durch die Ausführungsform des optischen Systems mit einer konkaven Endfläche 25 (Fig. 12) kann die wahre Brennweite des optischen Systems erhalten werden.
[0150] Durch die Orientierung aller Transportkanäle zur Strahlungsquelle (Fig. 13) kann mit Ausnahme des geringen Teils der Strahlung, der auf die Wände 23 des Kanals 24 einfällt, die gesamte Strahlung der Quelle 1, welche auf die Endfläche des optischen Systems 21 fällt, eingefangen werden.
[0151] Divergierende Kanäle des optischen Systems können konvexe Wände aufweisen (Fig. 14), wobei die folgende Beziehung erfüllt sein muß:
R = (H - h)I/φ²,
worin
R - der Krümmungsradius der äußeren Kanäle;
H, h - der Querschnitt des optischen Systems am Eingang bzw. Austritt;
φ - der erforderliche Strahlungseinfangswinkel ist.
[0152] Die Kanäle des optischen Systems können im Eingangsbereich auseinanderlaufen und im Austrittsbereich des optischen Systems einen konstanten Querschnitt aufweisen (Fig. 15) oder vom Eingangsbereich über die gesamte Länge bis zum Austrittsbereich divergieren (Fig. 16), wobei die Wände der Kanäle im Eingangs- und Austrittsbereich des optischen Systems einen stumpfen Winkel bilden.
[0153] Die Strahlungstransferkanäle im Eingangsbereich des optischen Systems können in Längsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweisen und jene im Austrittsbereich des optischen Systems divergieren (Fig. 17), eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Kanäle im Austrittsbereich des optischen Systems einen konstanten Querschnitt aufweisen und im Austrittsbereich des Systems in Längsrichtung konvergieren (Fig. 18). Zusätzlich können die Strahlungstransferkanäle am Ende des Austrittsbereich des optischen Systems in jeder Ausführungsform des Systems in Bezug auf den Eingangsbereich zu einer Seite gebogen sein (Fig. 19).
[0154] Die Endfläche 25 des optischen Systems kann auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite konvex geformt sein (Fig. 20).
[0155] Die Varianten des optischen Systems in Fig. 14 und 15 ermöglichen die Transformierung einer divergenten Strahlung in eine quasi-parallele.
[0156] Die optischen Systeme in Fig. 16 und 17 können zweckmäßig zur Darstellung einer vergrößerten Abbildung eines vor dem optischen System befindlichen Objektes verwendet werden, wobei die Ausführungsform in Fig. 16 für eine punktförmige Quelle geeignet ist und die Ausführungsform in Fig. 17 für eine quasi-parallele Quelle. Die Genauigkeit der erhaltenen Abbildung entspricht im wesentlichen der Abmessung der Kanäle am Austritt, was von wesentlicher Bedeutung für die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Mikroskopie und Tomographie ist.
[0157] Die in Fig. 18 dargestellte Vorrichtung ist für die Fokussierung einer in der Quelle 1 generierten quasi-parallelen Strahlung geeignet. Das optische System aus Fig. 19, in dem die Transport-Kanäle zu derselben Seite gebogen sind, ermöglicht das Ausschneiden des harten Anteils der Röntgenstrahlung, was für die medizinischen Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung von besonders großer Bedeutung ist.
[0158] Zum Ausschluß des weichen Anteils der Röntgenstrahlung wird vorgeschlagen, die Oberfläche der Kanalwände mit einer Schicht zu versehen, welche die genannten Strahlungskomponenten absorbieren kann.
[0159] Ein optisches System in Fig. 20 mit dem konvexen Eingangsende 25 eignet sich für die Transformierung einer divergenten Strahlung in eine quasi-parallele und gleichzeitiger Homogenisierung der Strahlung über den gesamten Querschnitt im Austrittsbereich. Die peripheren Transportkanäle in diesem System sind kürzer, wodurch die Strahlung in einem größeren Winkel gebeugt wird als in den Kanälen im Zentrum. Dadurch nähern sich die in den längeren zentralen Kanälen auftretenden Strahlungsverluste denen in den kürzeren und stärker gekrümmten Kanälen an.
[0160] Die obengenannten Ausführungsformen des optischen Systems (Fig. 11- 20) sind Halblinsen. Durch Zusammensetzung von zwei Halblinsen kann eine Linse erhalten werden, die entweder symmetrisch (Fig. 21) oder asymmetrisch ist (Fig. 22, 23).
[0161] Optische Systeme in Form einer symmetrischen Linse (Fig. 21) oder einer asymmetrischen Linse (Fig. 22, 23) können zur Fokussierung einer in einer Quelle generierten divergenten Strahlung verwendet werden.
[0162] Die optischen Systeme gemäß den Fig. 20-23 können zur Kontakt- und Projektionsröntgenlithographie angewendet werden.
[0163] Darüber hinaus können die Strahlungstransportkanäle sowohl nichtgeschlossene (Fig. 24) als auch geschlossene (Fig. 25) Oberflächen aufweisen. Die geschlossenen Kanaloberflächen können entweder koaxial oder parallel zueinander angeordnet werden. Im letzteren Fall kann das optische System zum Beispiel als Satz von reflektierenden Strukturen (Fig. 26) ausgeführt sein, wobei jede Struktur ihrerseits aus kleineren reflektierenden Schichten, Kapillaren, etc. aufgebaut sein kann (Fig. 27).
[0164] Ein aus planaren Strukturen 26 aufgebautes optisches System (Fig. 24) kann zur Fokussierung einer divergierenden Strahlung oder zur Transformierung in eine quasi-parallele coplanare Strahlung verwendet werden.
[0165] Besonders vielversprechend ist die Verwendung eines optischen Systems in Form eines Bündels von gekrümmten Kapillaren 2'7 (Fig. 26). In diesem Falle werden zweckmäßig Polykapillaren als Strahlungstransportkanäle verwendet, d. h. ein miniaturisiertes optisches System (Fig. 27). Dieses optische System ist ein Satz von parallel angeordneten miniaturisierten optischen Systemen, welches eine vielfache Erhöhung des Effektes des optischen Systems im ganzen ermöglicht.
[0166] Ein wichtiger Aspekt der erfindungsgemäßen Optik ist ein optisches System, welches als ein Satz von Miniaturlinsen, Halblinsen, etc. ausgeführt ist. Diese Sets von Miniaturhalblinsen 28 sind in Fig. 28, 29 und 30 dargestellt.
[0167] Eine Miniaturlinse ist in der Regel eine Kapillare mit fassartiger Form, deren maximaler Durchmesser üblicherweise 0,1-1 mm nicht übersteigt. Diese Polykapillare ist mit einigen 1000 oder einigen 10.00() hohlen Kanälen gefüllt, deren Querschnitt sich über die Länge so ändert, daß alle Kanäle auf einen einzigen Punkt orientiert sein können.
[0168] Die Miniaturlinsen lassen sich einfach in ein Set von Hunderten oder Tausenden von Miniaturlinsen oder Halblinsen einbinden, ohne die Verwendung von Unterstützungselementen zur Formung und Sicherung des longitudinalen Profils eines optischen Systems. Dieses optische System hat einen vielfach höheren Effekt im Vergleich zu einem optischen System, welches nur aus Kapillaren oder Polykapillaren aufgebaut ist.
[0169] Ein Satz von Miniaturlinsen eröffnet viele neue Möglichkeiten, z. B. kann eine Linse 2, 3, etc. Brennweiten haben, wofür der Satz in 2, 3 oder mehr Schichten aufgeteilt wird, wobei jede Schicht aus Miniaturlinsen mit unterschiedlicher Brennweite aufgebaut ist.
[0170] Das optische System aus Fig. 28 stellt einen neuen Typ eines optischen Systems dar, nämlich einen Satz von Miniaturhalblinsen. Jede dieser Miniaturhalblinsen hat eine Vielzahl von Kanälen, deren Durchmesser und Krümmungsradius variabel sind. Der Durchmesser der Halblinsen selbst und ihr Krümmungsradius mit Bezug zur Symmetrieachse des optischen Systems sind ebenfalls variabel.
[0171] Dieses optische System, dessen Kanalgrößen im Mikron- und Submikronbereich liegen, kann mit Hilfe der Technologie des Ziehens komplex geformter geometrischer Figuren in einem entsprechend konfigurierten Ofen und einem definierten Temperaturfeld hergestellt werden. Diese Linsen werden als Linsen vierter Generation bezeichnet.
[0172] Das optische System aus Fig. 29, welches als Bündel von konischen Linsen gestaltet ist, dient zur effektiven Fokussierung von quasi-paralleler Strahlung. Zusätzlich erlaubt es die Unterdrückung des harten Bereichs des Strahlungsspektrums dadurch, daß sich der Reflexionswinkel bei Durchgang der Strahlung durch die Kanäle mit Bezug zu den Kanalwänden sowohl für die Photonen als auch für die Neutronen erhöht. Somit scheiden hochenergetische Photonen und Neutronen als erste aus dem multiplen Reflexionsmodus aus, da die harte Strahlung einen kleineren Reflexionswinkel hat.
[0173] In einer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Systems weisen die Kapillaren eine konischen Oberfläche auf, deren Dimensionen durch daß folgende Verhältnis verbunden sind:
(δθ&sub1; + φ) · D&sub1; = (δθ&sub2; + φ) · D&sub2;,
worin
φ - der Kegelwinkel;
δθ&sub1;, δθ&sub2; - die Divergenz des Strahls am Anfang und am Ende;
D&sub1;, D&sub2; - die entsprechenden Durchmesser des optischen Systems am Eingang und Austritt sind.
[0174] Der Kegelwinkel cp bestimmt sich dabei nach der folgenden Formel:
φ = (D&sub2; - D&sub1;)/2L,
worin
L - die Länge des optischen Systems ist.
[0175] Sowohl zum Ausschneiden des weichen Anteils des Spektrums als auch zum Erhalt eines quasi-monochromatischen Spektrums aus einem komplexen Spektrum kann entweder ein geeigneter Filter vor oder hinter dem optischen System angeordnet werden oder die Wände der Strahlungstransportkanäle können mit einem Material beschichtet werden, welches den weichen Anteil des Spektrums effizient absorbiert.
[0176] Die Gestaltung der reflektierenden Schichten in Form von laminierten Strukturen (Nr. 11 in Fig. 7) ermöglicht nicht nur den Strahlungstransport, sondern auch die selektive Auswahl eines Teils der Strahlung. Durch die daraus resultierende Interferenz werden der kritische Reflexionswinkel und das Reflexionsvermögen deutlich erhöht.
[0177] Das Vorhandensein der kleinen Zwischenschicht 12 (Fig. 8) kann in vielen Fällen die Effektivität des ganzen optischen Systems deutlich erhöhen. So kann z. B. beim Transport von Neutronen diese Schicht ferromagnetisch sein, wodurch der Reflexionswinkel vergrößert wird. Beim Transport von Ladungsträgern kann diese Schicht kristallin sein, wodurch eine Reflexion auftritt, die ähnlich der Kanalisierung von Teilchen in Kristallen ist.
[0178] Bei einem in Sektionen aufgebauten optischen System (Fig. 9) unterscheiden sich die Abschnitte 13, 14 und 15 in ihren Reflexionscharakteristiken. Die Sektion 13 mit einer höheren Plasmafrequenz fängt die Strahlung der Quelle 16 in den Grenzen verschiedener θc = hωp/E ein und transportiert die Strahlung. Die folgende Sektion 14 fängt einen Teil dieser Strahlung in den Grenzen verschiedener θc = hωp/E ein, welche in den Abschnitt 15 eintritt, usw.. Durch multiple Rückstreuung und Reflexion wird nach der letzten Sektion eine Strahlung mit hoher Winkeldichte und geringer Divergenz erhalten.
[0179] In der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne externe Strahlungsquelle (Fig. 10) kann das optische System mit den Transportkanälen 2 mit einem Elektronenstrahl (dargestellt durch die gestrichelten Pfeile) beaufschlagt werden, wodurch Röntgenstrahlung innerhalb des optischen Systems generiert und isotropisch in alle Richtungen emittiert wird. Ein Teil dieser Strahlung, der in den Strahlungstransportkanälen generiert wird und auf die reflektierenden Wände in einem kleineren als dem kritischen Winkel einfällt, wird in einen Prozeß der multiplen Reflexion und Streuung ähnlich dem oben beschriebenen eingefangen.
[0180] Die Ausführungsform der Vorrichtung in Fig. 5 stellt ein planares optisches System dar, welches eine divergierende Strahlung in eine quasi-parallele aufgrund einer Einfachreflexion transformiert. Die reflektierenden Oberflächen sind mit einer Mehrschicht-Struktur überzogen, die eine gleichzeitige Monochromatisierung der Strahlung ermöglicht.
[0181] Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines rechteckigen optischen Systems, beschichtet mit einer Multischicht-Struktur, die eine effiziente Führung hinreichend harter Strahlung ermöglicht.
[0182] In dem optischen System aus Fig. 30 kann der Krümmungsradius der reflektierenden Strukturen im Vorzeichen wechseln, um so die harten Strahlungskomponenten herauszufiltern.
[0183] Durch die gleichzeitige Verwendung von multipler Reflexion von Strahlung an wechselnden Medien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und Streuung dieser Strahlung ergibt sich eine Möglichkeit zur effektiven Führung dieser Strahlung. Die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ermöglichen ihrerseits den Einsatz dieses Verfahren in verschiedensten Gebieten der Technik.
[0184] Der Durchmesser eines Transportkanals eines optischen Systems kann kleiner als der kritische Durchmesser dc sein, wobei Interferenzphänomene auftreten. Für Röntgenstrahlung bestimmt sich der kritische Durchmesser nach der folgenden Formel:
dc = C/ωp,
worin
C - die Lichtgeschwindigkeit;
ωp- die Plasmafrequenz des Beschichtungsmaterials der inneren Kanaloberflächen ist.
[0185] Für Neutronen gilt:
dc = 1/Nb1/2,
worin
N - die Kernkonzentration;
b - die Kernamplitude ist (b 10&supmin;¹³ cm).
[0186] Der Durchmesser eines Transportkanals des optischen Systems kann kleiner als der kritische Durchmesser dc sein, woraus ein Multimodus-Strahlungstransport resultiert, wobei ein breites Strahlungsspektrum in den Transportkanal gelangt und nach Passieren desselben die Strahlung monochromatisiert ist.
[0187] Somit kann durch die Änderung der Durchmesser der Transportkanäle des optischen Systems oder durch den Aufbau des optischen Systems aus einer Anzahl von Sektionen mit Kanälen, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, das Strahlungsspektrum kontrolliert werden.
[0188] Ein Satz von Kapillaren oder Polykapillaren, bei dem der Durchmesser der Strahlungstransportkanäle deutlich kleiner als die Länge der Kanäle ist, stellt ein zweidimensionales Beugungsgitter dar. Dadurch ist bei Verwendung einer parallelen monochromatischen Strahlung das Ende jedes einzelnen Kanals eine Strahlungsquelle. Unter der Voraussetzung, daß λ/d < 1, mit λ - Wellenlänge und d - Kanaldurchmesser liegt in diesem Fall die Winkelbreite des Diffraktionsmaximums in der Ebene senkrecht zur Achse dieses Satzes von Kapillaren oder Polykapillaren.
[0189] Die Anzahl der Kanäle, d. h. die Anzahl der Strahlungsquellen pro Quadratzentimeter liegt heutzutage bei Linsen der vierten Generation im Bereich von 10&sup9;- 10¹&sup0;. Da die Intensität des Diffraktionsmaximums proportional zum Quadrat der Anzahl der Kanäle ist, kann eine sehr hohe Strahlungsdichte in einem kleinen Volumen erreicht werden.
[0190] Es existieren viele Möglichkeiten, um einen parallelen monochromatischen Strahl zu erhalten.
[0191] Im Falle von Synchrotronstrahlung kann beispielsweise ein Kristallreflektor in Verbindung mit einem Filter zur Monochromatisierung des Strahls verwendet werden. Immer, wenn eine Röntgen-Röhre verwendet wird, kann eine Halblinse hinter der Strahlungsquelle positioniert werden und dahinter ein Kristall-Monochromator zur zusätzlichen Monochromatisierung und Erhöhung der Parallelität angeordnet werden. Nachdem eine parallele monochromatische Strahlung erhalten wurde, kann nachfolgend ein System aus parallelen Sets von Kapillaren oder Polykapillaren mit einem entsprechenden Verhältnis von Durchmesser und Länge der Kapillaren und der Wellenlänge der Strahlung verwendet werden.
[0192] Zur zusätzlichen Erhöhung der Strahlungsdichte kann anstelle des genannten Sets von Kapillaren eine Halblinse angeordnet werden, um so Beugung mit Reflexion zu kombinieren. In diesem Fall liegt die Brennebene, in der das Diffraktionsmaximum die maximale Helligkeit aufweist, im Brennpunkt der Halblinse.
[0193] Im Vergleich zu den traditionellen Beugungsgittern sind die obengenannten Diffraktionssysteme grundsätzlich neu, da sie nicht mit reflektierten Strahlen, sondern mit durchlaufenden Strahlen arbeiten.
[0194] Beim Filtern von breiten Strahlen weicher Röntgenstrahlung entsteht ein technisches Problem durch die Notwendigkeit des Haltens eines dünnen Films in einem großen Druckgradienten, wie z. B. beim Filtern von Synchrotronstrahlung. Zur Lösung dieses Problems kann einen Set von Kapillaren, die mit einem dünnen Film an ihrer Endfläche versehen sind, effektiv verwendet werden.
[0195] Ein Satz von Kapillaren kann ebenfalls zum Scannen eines parallelen Strahls, z. B. für Synchrotronstrahlung, verwendet werden. Dabei sollte der Einfallswinkel θ des Strahls auf die reflektierenden Oberflächen der Kanalwand innerhalb der folgenden Grenzen liegen:
0 ≤ θ ≤ θc.
[0196] Monochromatische Strahlung kann mit Hilfe einer Fresnel-Zonenplatte fokussiert werden. Wenn als Strahlungsquelle eine quasi-punktförmige Quelle, z. B. eine Röntgen-Röhre verwendet wird, so kann nur ein sehr kleiner Teil der Strahlung ausgenutzt werden, da eine effiziente Größe der verwendeten Strahlungsquelle in diesem Fall im Mikron-Bereich liegen muß. Aus diesem Grund hat die Verwendung dieser Zonenplatten mit konventionellen quasi-punktförmigen Strahlungsquellen keine weitere praktische Entwicklung erfahren. Die Zonenplatten werden hauptsächlich zur Fokussierung von Synchrotronstrahlung angewendet, wobei sie eine gute Parallelität der Strahlung liefern. Aufgrund der Tatsache, daß eine Halblinse die Transformierung einer divergierenden Strahlung aus einer nichtpunktförmigen Quelle in eine quasi-parallele Strahlung ermöglicht, kann eine solche Halblinse hinter einer quasi-punktförmigen Quelle, die divergierende Strahlung erzeugt, und eine Fresnel-Zonenplatte kann wiederum hinter dieser Halblinse angeordnet werden. In einer ähnlichen Geometrie kann anstelle einer Fresnel-Platte eine Bragg-Fresnel-Linse verwendet werden, da diese Linse bessere fokussierende Eigenschaften als eine Fresnel-Zonenplatte aufweist.
[0197] Ein Set von Kapillaren kann effektiv als ein Kollimator verwendet werden. Dies kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen.
[0198] Der erste Ansatz besteht darin, die innere reflektierende Oberfläche zu "verderben", d. h. das Reflexionsvermögen zu verringern. Im Falle von Neutronen wird dem Material der reflektierenden OberfLächen beispielsweise Bor zugesetzt, welches die Absorption stark erhöht und damit das Reflexionsvermögen senkt. Zum "Verderben" der reflektierenden Oberfläche, d. h. zum starken Aufrauhen der Oberfläche können verschiedene Methoden, inklusive chemischer Verfahren eingesetzt werden.
[0199] Der zweite Weg besteht in einer Erhöhung der Zahl der Reflexionen durch ein verändertes L/d-Verhältnis, worin L die Länge der Kapillaren und d deren Durchmesser sind. Dabei fallen in erster Linie diejenigen Partikel mit einem relativ großen Reflexionswinkel aus dem Modus der multiplen Reflexion. Dadurch verlassen nur die Photonen die Kapillaren, welche eine geringe Zahl von Reflexionen durchlaufen haben und somit nur eine geringe Divergenz aufweisen.
[0200] Im folgenden werden eine Reihe von wichtigen Anwendungen solcher Kollimatoren aus Mono- und Polykapillaren vorgestellt.
[0201] Bei der Abbildung eines Objektes, das mit einem Lichtstrahl, infraroter, Röntgen- oder anderer Strahlung bestrahlt wurde, tritt hinter dem Objekt eine schlecht gestreute Strahlung auf, die den Erhalt eines kontrastreichen Abbilds erschwert. Aus diesem Grund wird üblicherweise ein Raster hinter dem Objekt angeordnet, um die Streustrahlung zu unterdrücken. Dies bedingt jedoch eine höhere Expositionsdosis. Problematisch ist dies insbesondere bei Röntgen-, Licht- und infraroter Strahlung. Wenn Licht- oder infrarote Strahlung durch einige Objekte, beispielsweise biologische Objekte, wie Gewebe oder menschlicher Körper, geleitet wird, resultiert eine sehr starke Streustrahlung. Daher wurden diese Strahlungstypen bisher lediglich für die Abbildung von dünnen Objekten verwendet, bei denen die gestreute Strahlung nicht so stark auftritt.
[0202] Dagegen ist es ausreichend, Kollimatoren der obengenannten Art hinter einem dicken Objekt anzuordnen, um die gestreute Strahlung von der nichtgestreuten Strahlung, d. h. der geradewegs durchgegangenen Strahlung zu separieren. Zusätzlich kann eine hohe räumliche Auflösung auf dem Niveau von ~d + θL&sub1; erzielt werden, wobei d der Kanaldurchmesser, θ der Kollimationswinkel und L&sub1; die Dicke des Objekts ist. Bei d in der Größe von 10 Mikron, θ ~ 10&supmin;³ rad und L&sub1; ~ 10 cm kann eine Auflösung von 100 Mikron erreicht werden, was für die Mehrzahl der medizinischen Anwendungen ausreichend ist. Auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Lösung können für die Verwendung von Licht-, infraroter oder anderer Strahlung fundamental neue Instrumente und Apparate entwickelt werden, wie Tomographen, Mikroskope, Mammographen, etc., welche mit den genannten Strahlungsarten anstelle von Röntgenstrahlung arbeiten und so der Patient keiner Strahlungsbelastung ausgesetzt wird.
[0203] Die Verwendung von Kapillaren als Kollimatoren ist sehr effektiv, da Standard-Kollimatoren eine sehr geringe Transparenz und sehr große Öffnungen aufweisen.
[0204] Weiterhin ist das Bestehen eines wichtigen physikalischen Effektes in der hier beschriebenen Erfindung von großer Bedeutung, nämlich eines Interferenz- Effektes, der bei der Verwendung von monochromatischer Strahlung auftritt.
[0205] Eine Röntgen-Linse oder -Halblinse kann so aufgebaut sein, daß die Transportkanäle eine axiale Symmetrie in der transversalen Ebene aufweisen, welche senkrecht zur zentralen Achse der Vorrichtung liegt.
[0206] Diese Symmetrie ist in Fig. 31 dargestellt, wo eine Querschnittsansicht einer Linse dargestellt ist, die aus 16 großen rechteckigen Blöcken, z. B. Monokapillaren besteht. Die Symmetrieachse dieser Linse verläuft durch den Punkt 0.
Die Monokapillaren sind mit Bezug zur Symmetrieachse regelmäßig angeordnet, z. B. sind die Linie 1-1' und die Linie 2-2' parallel zu der Linie BB' und die Linien 1-2 und 1'-2' sind parallel zur Linie AA, wobei die Linien AA' und BB' die Hauptlinien sind. Darüber hinaus entspricht das Verhältnis der Seiten des individuellen Blocks 11' 22' genau dem Verhältnis der anderen Blöcke und in dem System als ganzen. Eine derartige Symmetrie großer Blöcke wird im weiteren als Symmetrie erster Ordnung bezeichnet.
[0207] Es sind auch Symmetrien höherer Ordnung möglich. So können die Blöcke ihrerseits aus kleineren Strukturen aufgebaut sein. Dies ist in Fig. 32 anhand des Blocks 1 1' 2 2' beispielhaft dargestellt, worin kleinere Kanäle der Geometrie der Haupt- (großen) Blöcke sowohl in Bezug auf die Anordnung, als auch in Bezug auf das Seitenverhältnis entsprechen. Diese Symmetrie wird im folgenden als Symmetrie 2. Ordnung bezeichnet.
[0208] Eine Symmetrie 3. Ordnung entsteht dadurch, daß die kleineren Kanäle ihrerseits durch noch kleinere Kanäle gebildet werden, die ebenfalls in ihrer Anordnung denen der größeren Strukturen entsprechen.
[0209] Neben der Tatsache, daß Linsen und Halblinsen in der obengenannten Art und Weise angeordnet werden können, hat jede Schicht von Kanälen in der Regel ihren eigenen Krümmungsradius und damit ihre eigene Länge (unter Schichten von Kanälen werden hier und im weiteren insbesondere Gruppen von Kanälen verstanden, die geschlossene Konturen bilden, d. h. rechteckige Konturen bei rechteckigem Linsenquerschnitt (Fig. 31) oder ringförmige bei kreisförmigen Querschnitt; eine Schicht kann auch durch einen einzelnen Kanal mit einer entsprechenden Konfiguration, wie beispielhaft in Fig. 25 gezeigt, gebildet werden.
Diese Schichten sind koaxial und schließen die Längsachse der Linse ein, wobei sie verschieden von der Längsachse beabstandet sind. Die Schichten können auch nichtgeschlossene Konturen bilden, z. B. im Fall eines rechteckigen Linsenquerschnitts "flach" sein und dabei eine Dicke aufweisen, die der Dicke des genannten Querschnitts entspricht. Für jede dieser Schichten, die auf einer Seite der Linsensymmetrieebene, die durch die Längsachse der Linse verläuft, angeordnet sind, muß eine ähnlich symmetrisch angeordnete Schicht auf der entgegengesetzten Seite der Symmetrieebene existieren. In der Darstellung des Linsenquerschnitts sind die Kanäle, die diese Schichten bilden, symmetrisch mit Bezug auf die Achse dieses Querschnitts). Aus diesem Grund werden monochromatische Photonen unterschiedlich oft in verschiedenen Kanälen reflektiert, so daß, nachdem diese Photonen aus der Linse ausgetreten sind, bei Betrachtung des Prozesses vom Standpunkt der Wellentheorie, faktisch ein System von Wellen entstanden ist, die unterschiedliche Phasen aufweisen. Die Phasendifferenz entsteht aufgrund unterschiedlicher Wegstrecken der Photonen entlang der Kanäle. Wenn die Kanäle zufällig angeordnet sind, kann kein nützlicher Effekt erzielt werden, da in diesem Fall nur eine ungeordnete Mischung der Phasen auftritt. Im Fall einer axialen Symmetrie resultiert jedoch eine Welleninterferenz. Von praktischer Bedeutung ist die Tatsache, daß ein beträchtlicher Anteil der Energie, welche von der Linse (Halblinse) austritt, in dem zentralen Maximum konzentriert wird, wobei die Größe dieses zentralen Maximums selbst sich als ähnlich der Größe des Strahlungstransportkanals erweist.
[0210] Dieser Effekt tritt im Fall einer quasi-punktförmigen monochromatischen Strahlung auf, wenn als optische Vorrichtung ein einfacher gerader Satz von Mono- oder Polykapillaren verwendet wird, die eine axiale Symmetrie in der transversalen Ebene aufweisen.
[0211] Linsen und Halblinsen mit axialer Symmetrie ihrer Transportkanäle können darüber hinaus als Spektrometer verwendet werden. Bei einem festgelegten Abstand zwischen einer polychromatischen Quelle und der Linse werden in unterschiedlichen Abständen von der Linse bestimmte Wellenlängen fokussiert, und bei einem weiteren fixierten Abstand wird eine Interferenzstruktur von verschiedenen Wellenlängen beobachtet.
[0212] Durch die genannten Möglichkeiten, die aus der axialen Symmetrie bei regelmäßig angeordneten Strahlungstransportkanälen in den Linsenquerschnitten herrühren, ist es nicht nötig, die Wände der Kapillaren oder Polykapillaren, die beispielsweise aus Glas sein können, zu beschichten. Jedoch erzielen die erfindungsgemäß beschichteten Kapillaren oder Polykapillaren bessere Effekte.
[0213] Gerade Mono- oder Polykapillaren oder ein Set dieser Kapillaren kann vorteilhaft zur Fokussierung von Strahlung verwendet werden, die aus einer quasipunktförmigen Quelle austritt. Der Strahlungseinfangswinkel beträgt in diesem Fall 2% und die Zahl der Reflexionen beträgt 1.
[0214] Es kann auch ein System von Mono- oder Polykapillaren, die zu der Strahlungsquelle orientiert (Fig. 33) sind, verwendet werden. In diesem Fall liegen die Enden der Kapillaren in zwei sphärischen Oberflächen 29, 30 mit den Radien R, R* und einem gemeinsamen Zentrum 31. Die Strahlungsquelle 1 ist auf der Achse des optischen Systems in einem Abstand von R/2 von der inneren sphärischen Oberfläche angeordnet, wobei die Ausmaße des optischen Systems und die Länge der Kapillaren so ausgewählt sind, daß der Einfangswinkel 4% beträgt und die Strahlung nur eine Reflexion erfährt. Das gleiche System kann auch zur Fokussierung eines quasi-parallelen Strahls verwendet werden.
[0215] Kapillare Linsen und Halblinsen können so gestaltet werden, daß sie ähnlich wie Fresnel-Zonenplatten funktionieren. Dazu ist es notwendig, daß alle Schichten im wesentlichen die gleichen Flächen aufweisen. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden.
[0216] Zum einen ist bei einer vorgegebenen Energie E = E&sub1; der Strahlungseinfangswinkel durch den Faktor y = r6~/2d bestimmt; wenn r < rc = 2d/θ , dann ist γ < 1, d. h. der Grad der Ausfüllung der Kapillaren mit der Strahlung ist unter 1.
[0217] Die Fläche der n-ten Kapillarenschicht, die im Abstand rn vom Zentrum angeordnet ist, beträgt Sn = 2πrn · Δrn, worin Δrn der Kapillarendurchmesser der n-ten Schicht ist (oder die Breite der n-ten Schicht ist). Es gilt jedoch Δrn ~ γ rn. Wenn nun rn ~ 1/n gewählt wird, (d. h. die Krümmungsradien der Kapillaren sich mit dem Abstand vom Zentrum verringern), ist offensichtlich Sn ~ 1/n. Da aber rn ~ n gilt, ist Sn unabhängig von n, d. h. daß alle Schichten die gleiche Fläche aufweisen, wobei die Breite der Schichten vom Zentrum zur Peripherie abnimmt. Diese Geometrie stimmt völlig mit der einer Fresnel-Zonenplatte überein.
[0218] Der andere Weg um dies zu erreichen besteht darin, daß jede Kapillarenschicht von Anfang an einen entsprechenden Durchmesser erhält, um die Bedingung für eine konstante Fläche aller Schichten zu erfüllen.
[0219] in beiden obengenannten Fällen funktionieren die Linsen ähnlich wie eine Fresnel-Zonenplatte.
[0220] Bei der Herstellung von kapillaren Linsen und Halblinsen können die Kapillaren gedrillt gezogen werden, so daß die Bahnen der Photonen einer Helix- Struktur ähneln. Es ist möglich, daß ein Teil der Kapillaren in einer Richtung "dreht" und die anderen Kapillaren in entgegengesetztem Sinn drehen. Dies eröffnet eine Reihe von interessanten Möglichkeiten. Zum ersten kann aufgrund des "Dreh-Effektes" ein Strahl von unpolarisierten Photonen (oder Neutronen oder Ladungsträgern), der auf den Linseneingang aufgegeben wird, in eine Zahl von eben-polarisierten Strahlen unterteilt werden. Zum zweiten kann, wenn ursprünglich ein solcher planar-polarisierter Strahl erzeugt wurde, die Polarisationsebene dieses Strahls in einer verdrillten Kapillare gedreht werden.

Gewerbliche Anwendbarkeit

[0221] Die vorgeschlagenen Erfindungen können im analytischen Gerätebau angewendet werden, insbesondere zur Elementaranalyse, dreidimensionalen lokalen Analyse, Defektoskopie; in der Astronomie zur Entwicklung neuartiger Röntgen- Teleskope; zur Entwicklung von positions-sensitiven Detektoren und Tomographen mit Mikron- und Submikron-Auflösung; in der Mikroskopie zur Entwicklung hocheffizienter und lichtintensiver Mikroskope zur Anwendung, insbesondere bei der Mikroskopie von biologischen Objekten; in der Mikroelektronik zur Kontakt- und Projektionslithographie; in der Röntgen- und Neutronen-Diffraktometrie zur Schaffung neuartiger Kollimatoren und neuer Diffraktions- und Interferenz-Instrumente, insbesondere zur Erhöhung der Strahlungsdichte.

Claims

1. Vorrichtung zum Kontrollieren von Strahlen aus neutralen und/oder geladenen Partikeln, bestehend aus einem optischen System von aufeinanderfolgenden Medien (2, 3) unterschiedlicher Dichte, welche Strahlentransferkanäle bilden, wobei die Vorrichtung eine Medium-zu-Medium-Grenze für Mehrfachreflexionen der Partikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine rauhe Schicht (4) auf der Medium-zu-Medium-Grenze angeordnet ist, um die Partikel zu streuen.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Gruppe von Kapillaren oder Polykapillaren bildet, welche auf ihren inneren Oberflächen mit einer hochabsorptiven, rauhen Schicht oder einer anderen Schicht versehen sind, welche imstande ist, die Reflexion der Strahlung zu verringern.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsflächen der abwechselnden Medien (2, 3) denselben Phasenzustand aufweisen wie die Substrate.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenflächen der alternierenden Medien (2, 3) sich in einem unterschiedlichen Phasenzustand befinden wie die Substrate.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenmedium (12) zwischen mindestens zwei der benachbarten Medien zwischengeschoben ist, wobei das Medium von den benachbarten Medien sich durch seine elektromagnetischen Eigenschaften unterscheidet.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterbrechendes Medium (11) zwischen zwei der benachbarten Medien zwischengeschoben ist, wobei das zwischengeschobene Medium sich in einem Phasenzustand befindet, der anders ist als der der benachbarten Medien.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus einer oder einer Anzahl von getrennten Abschnitten (13, 14, 15) besteht, die in Richtung des Strahlentransfers tandemförmig angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte des optischen Systems als unterschiedlich geformte Linsen oder Halblinsen (21) erscheinen.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Halblinsen als gleichartig angeordnete ebene Strukturen (26) erscheinen.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (2) in Richtung des Strahlentransfers tandemartig angeordnete Abschnitte aufweist, wobei die Linsen oder Halblinsen der ersten und zweiten Abschnitte aus ebenen Strukturen gebildet sind, welche senkrecht zueinander angeordnet sind.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zusätzlich einen Abschnitt aufweist, der in Richtung des Strahlentransfers angeordnet ist und als Gruppe von zueinander parallelen Strukturen erscheint, wobei dieser Abschnitt einen Winkel mit der Richtung der Strahlen bildet, welche aus dem vorhergehenden Abschnitt austreten.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es möglich ist, den Anordnungswinkel eines Abschnittes zu ändern, welcher als Gruppe von zueinander parallelen Strukturen erscheint.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (25) des optischen Systems auf der Seite des Strahleneintritts konkav ist, wobei die Möglichkeit besteht, die Strahlenquelle so anzuordnen, daß sie von allen Punkten des optischen Systems gleich weit entfernt ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (25) des optischen Systems auf der Seite des Strahleneintritts konvex ist.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System als symmetrische oder asymmetrische Linse gebildet ist.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System die Möglichkeit aufweist, eine Strahlenquelle (17) im Inneren anzubringen.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungstransferkanäle in Richtung des Strahlentransfers auseinanderlaufen.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlentransferkanäle in der Ebene, welche durch die Längsachse des optischen Systems verläuft, gebogen sind, der Radius der Biegung der externen Kanäle der Formel entspricht

R = (H-h)/φ²,

wobei

H, h die Querschnittsmaße des optischen Systems an seinem Eingang und Ausgang bedeuten und

φ den benötigten Strahlungseinfangswinkel darstellt.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlentransferkanal einen konstanten Querschnitt entlang der Länge aufweist, wobei

I = dφ²/θc,

wobei I, d die Länge und der Durchmesser des Kanals sind,

θc der kritische Reflexionswinkel ist;

φ der benötigte Strahlungseinfangswinkel ist.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Strahlungstransferkanals an den Eingangs- und Ausgangsstellen des optischen Systems einen stumpfen Winkel zwischen sich bilden.

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlentransferkanäle im Eingangsbereich des optischen Systems einen konstanten Querschnitt entlang der Längenausdehnung besitzen und daß sie in dem Ausgangsteil des optischen Systems divergent oder konvergent verlaufen und mit Bezug auf den Eingangsteil auf eine Seite gebogen sind.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Strahlentransferkanäle nichtgeschlossene Oberflächen besitzen.

23. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Strahlungstransferkanals geschlossene koaxiale Oberflächen aufweisen.

24. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System als Bündel von Kapillaren oder Polykapillaren erscheint, deren Querschnitte entlang ihrer Länge variabel ist.

25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren eine konische Oberfläche besitzen, wobei die Parameter die folgende Gleichung erfüllen

(δθ&sub1;+φc)·D&sub1; = (δθ&sub2;+φc)·D&sub2;.

wobei

δθ&sub1; die Ausgangsdivergenz des quasiparallelen Strahls,

δθ&sub2; der benötigte Divergenzwinkel des Strahls am Ausgang,

φc der Kegelwinkel und

D&sub1;, D&sub2; die jeweiligen Eingangs- und Ausgangsdurchmesser sind.

26. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Strahlungstransferkanäle Querschnitte im Bereich von Mikrometern oder unterhalb von Mikrometern besitzen.

27. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse oder Halblinse als Satz von Miniaturlinsen oder Halblinsen (28) erscheint, in einer Weise, daß der Durchmesser durch die Summe der Durchmesser der Miniaturlinsen oder Halblinsen und der Spalten dazwischen gebildet wird.

28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen oder Halblinsen (28) asymmetrisch sind.

29. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen oder Halblinsen (28), die zu einem Satz gehören, sich in ihrer Brennweite und ihrem Strahleneinfangwinkel unterscheiden.

30. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen oder Halblinsen (28), die in der Nähe der Längsachse und die in der Peripherie der Linse, die sie bilden, liegen, sich in der Brennweite und dem Strahleneinfangwinkel unterscheiden.

31. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen oder Halblinsen (28) in einer Richtung von der Längsachse des optischen Systems zu der Peripherie variable Größen ihrer Durchmesser aufweisen.

32. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen oder Halblinsen (28) in einer Ebene gebogen sind, welche durch die Längsachse der Linse oder Halblinse, die sie bilden, verläuft, ein Radius der Biegung der Linsen oder Halblinsen sich gleichmäßig verändert, sobald der Abstand zwischen den Miniaturlinsen oder Halblinsen und der Achse zunimmt.

33. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturlinsen oder Halblinsen (28) den gleichen Radius der Biegung in der Ebene, welche durch eine Längsachse der Linse oder Halblinse, die sie bilden, verläuft, besitzt und sich in der Länge oder ihrem Querschnitt unterscheiden.

34. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Abschnitt enthält, welcher als Satz von Miniaturhalblinsen erscheint, die auf die gleiche Seite in der Ebene gebogen sind, welche durch eine Längsachse der Halblinse, die sie bilden, verläuft.

35. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Abschnitt umfasst, welcher als Satz von Miniaturhalblinsen erscheint, welche in der gleichen Weise in einer Ebene, die durch eine Längsachse der Halblinse, die sie bilden, verläuft, gebogen sind und eine variable Richtung der Biegung aufweisen.

36. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System als Satz von Kapillaren oder Polykapillaren erscheint und mit einem dünnen Film am Ausgangsende versehen ist.

37. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus Kapillaren oder Polykapillaren gebildet ist, welche in Blöcken vereint sind, die sich im Durchmesser der Kapillaren oder Polykapillaren, aus denen die Blöcke gebildet sind, unterscheiden.

38. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System der Vorrichtung aus zwei Abschnitten besteht, von denen der erste als Linse oder Halblinse erscheint und ein zweiter als Fresnel-Zonen- Platte oder Fresnel-Bragg-Zonen-Platte erscheint.

39. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Medien im wesentlichen hohle Glaskapillaren sind.

40. Vorrichtung gemäß Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskapillaren in Schichten angeordnet sind, die in einem Längsabschnitt gebogen sind, wobei der Radius der Biegung umgekehrt proportional zu der Anzahl der Schichten ist, die von der Längsachse des optischen Systems aus gezählt werden, und nicht größer als 2d/θc² ist, wobei d der Kapillardurchmesser und θc der kritische Reflexionswinkel sind.

41. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Medien Glaskapillarstäbe sind.

42. Vorrichtung gemäß Anspruch 40 oder 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren verdreht sind.

43. Vorrichtung gemäß Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren verdickte Enden aufweisen, welche auf zwei konzentrischen sphärischen Oberflächen (29, 30) angeordnet und so hergestellt sind, daß sie die Strahlung im Bereich eines vierfachen kritischen Reflexionswinkels und einer einfachen Reflexion der Strahlung von den inneren Wänden der Kapillaren einfangen sowie mit einer Strahlenquelle (1), welche auf einer Längsachse des optischen Systems angeordnet ist und von einer inneren sphärischen Oberfläche um einen Abstand entfernt ist, welcher der Hälfte von dessen Radius entspricht.