VDI VDE 5575 Blatt 3-2011 X-ray optical systems - Capillary X-ray lenses.pdf

1、 ICS 17.180.30 VDI/VDE-RICHTLINIEN Juli 2011 July 2011 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Rntgenoptische Systeme Rntgenkapillaren X-ray optical systems Capillary X-ray lenses VDI/VDE 5575 Blatt 3 / Part 3 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English

2、Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Optische Technologien VDI/VDE-Han

3、dbuch Optische Technologien VDI/VDE-Handbuch Mikro- und Feinwerktechnik VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:02.09 Entwurf,deutschFormeredition:02/09Draft,in Ge

4、rman onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2011Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 2 3 Formelzeichen . 2 4 Physikalische Grundlagen . 3 5

5、 Typen von Rntgenkapillaren 4 5.1 Rntgenkapillaren mit einmaliger Totalreflexion . 4 5.2 Rntgenkapillaren mit vielfachen Totalreflexionen . 5 6 Parameter von Rntgenkapillaren . 6 Schrifttum 10 Preliminary note . 2 1 Scope . 2 2 Normative references 2 3 Symbols . 2 4 Physical basis 3 5 Types of X-ray

6、 capillaries . 4 5.1 X-ray capillaries with a single total reflection 4 5.2 X-ray capillaries with multiple total reflections . 5 6 Parameters of X-ray capillaries 6 Bibliography . 10 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI/VDE 5575 Blatt 3 / Part 3 Alle Rechte vor

7、behalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jew

8、eils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Ric

9、htlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/5575. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline V

10、DI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing

11、con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/5575. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie

12、 bezieht sich auf rntgenoptische Systeme, die auf der Verwendung von Kapillaren zur Beeinflussung von Rntgenstrahlung beruhen. 1 Scope This guideline applies to X-ray optical systems using capillary tubes for influencing X-rays. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-du

13、ng dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 5575 Blatt 1:2009-11 Rntgenoptische Systeme; Begriffe 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 5575 Blatt 1:2009-11 X-ray optical sys-tems; Terms and definitions 3 Formelzeiche

14、n In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Bezeichnung Einheit d Brennfleckdurchmesser (FWHM) m dkInnendurchmesser der Kapillare mm du(dx,u, dy,u) Strahldurchmesser mm D1Durchmesser der Eingangsflche mm D2Durchmesser der Ausgangsflche mm Intens

15、ittserhhung 1 L Lnge mm R Krmmungsradius r1Eingangsarbeitsabstand mm r2Ausgangsarbeitsabstand mm UStrahlgleichfrmigkeit 1 3 Symbols The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Name Unit d focus diameter (FWHM) m dkinternal diameter of the capillary mm du(dx,u, dy,u) beam diamete

16、r mm D1diameter of entrance area mm D2diameter of exit area mm intensity enhancement 1 L length mm R radius of curvature r1entrance working distance mm r2exit working distance mm Ubeam homogenity 1 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutsch

17、er Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI/VDE 5575 Blatt 3 / Part 3 3 Formel-zeichen Bezeichnung Einheit AAusgangsdivergenz; Divergenz des quasiparallelen Strahlenbn-dels (fr Polyhalbkapillaren) rad GGrenzwinkel der Totalreflexion () spektraler Transmissionsgrad 1 Symbol Name Unit Aexit divergence angl

18、e; diver-gence of quasi parallel beam (for collimating polycapillar-ies) rad Gcritical angle of total reflection () spectral transmitance 1 4 Physikalische Grundlagen Rntgenkapillaren beruhen auf dem Prinzip der ueren“ Totalreflexion der Rntgenstrahlung an glatten inneren Oberflchen von Kapillaren.

19、Als Material wird dafr gewhnlich Glas eingesetzt. Die spektrale komplexe Brechzahl fr Rntgen-strahlung n*ist energieabhngig und unterscheidet sich fr alle Materialien nur wenig von 1. *1in = (1) Die Gren und sind im Rntgenbereich sehr klein, aber stark von der Wellenlnge abhngig, besonders in der Nh

20、e von Absorptionskanten. Die Gre beschreibt die Brechung, die Gre die Absorption. Die nur im Rntgenbereich benutzte Gre liegt fr die meisten Materialien zwischen 1102und 1106. Im Unterschied zum sichtbaren Bereich ist die Brechzahl n*im Rntgenbereich 250 eV in guter Nherung nach Gleichung (2) berech

21、nen: G30,02rad / keV g cmE= (2) Dabei ist E Photonenenergie GGrenzwinkel der Totalreflexion Dichte des reflektierenden Materials Die Rauheit der Oberflche beeinflusst die Refle-xion, was das Auftreten einer diffus gestreuten Komponente im reflektierten Strahl zur Folge hat. 4 Physical basis X-ray ca

22、pillary tubes use the effect of the external total reflection of X-rays on the smooth inner sur-faces of capillaries. Normally glass is used as capil-lary material. The complex spectral index of refrac-tion n*for X-rays depends on energy and differs from 1 only slightly. *1in = (1) The quantities an

23、d are very small in the X-ray range but depend strongly on the wavelength espe-cially near to absorption edges. The quantity describes refraction, describes absorption. The parameter is used in the X-ray range only and lies between 1102and 1106for most mate-rials. In contrast to the visible range th

24、e real part of the refractive index n*is 250 eV the critical angle of the total reflection Gcan be calculated to a good approximation by Equation (2): G30,02rad / keV g cmE= (2) with E photon energy Gcritical angle of total reflection density of reflecting material The roughness of the surface affec

25、ts the reflection. This results in an appearance of a diffusely re-flected component in the reflected beam. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI/VDE 5575 Blatt 3 / Part 3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 5 Typen von Rntgen

26、kapillaren Rntgenkapillaren lassen sich unterteilen in: Rntgenkapillaren mit einmaliger Total-reflexion und Rntgenkapillaren mit vielfachen Total-reflexionen. 5.1 Rntgenkapillaren mit einmaliger Totalreflexion Mithilfe einer ellipsoidalen Monokapillare kann die Strahlung einer punktfrmigen Quelle na

27、ch einma-liger Totalreflexion in einen Brennfleck fokussiert werden. In diesem Fall liegt die Quelle im ersten Brennpunkt des Ellipsoids und die Strahlung wird in den zweiten Brennpunkt fokussiert. Eine Mono-kapillare von paraboloidaler Form gestattet es, die von einer im Brennpunkt liegenden punktf

28、rmigen Quelle ausgehende Strahlung zu parallelisieren oder umgekehrt ein Parallelbndel im Brennpunkt zu fokussieren. Diese Rntgenkapillaren mit einmaliger Totalre-flexion gehren zu den abbildenden optischen Sys-temen. Daher wird die Gre des Brennflecks nicht nur durch die Herstellungsgenauigkeit des

29、 abbil-denden Systems bestimmt sondern auch durch die Form der Quelle selbst. In Bild 1 werden diese Fokussierungsprinzipien schematisch erlutert. Bild 1. Schematische Darstellung der Fokussie-rung in einer Kapillare von ellipsoidaler Form (o-ben) und der Parallelisierung in einer Kapillare von para

30、boloidaler Form (unten) Die Hauptparameter des Ellipsoids, wie die groe und die kleine Halbachse, mssen fr den jeweili-gen konkreten Anwendungsfall optimiert werden. Fr die Fokussierung kann nur ein Teil des gesam-ten Ellipsoids verwendet werden. Dieser ist durch die Forderung bestimmt, dass der Ref

31、lexionswinkel kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion bleiben muss. Wenn eine Fokussierung mit Ver-grerung der Abbildung gefordert wird, dann verwendet man den der Quelle nahen Teil des El-5 Types of X-ray capillaries X-ray capillaries can be subdivided into: X-ray capillaries with a single t

32、otal reflection and X-ray capillaries with multiple total reflections. 5.1 X-ray capillaries with a single total reflection Radiation from a point-like source can be focused onto a small focal spot by means of a single total reflection in an ellipsoidal monocapillary. In this case the source is loca

33、ted in the first focus of the ellipsoid and the radiation is focused in its second focus. A parabolic monocapillary can transform the divergent radiation of a point-like source, which is located in its focus, into a quasi-parallel beam or vica versa focus a quasi-parallel bundle into its focus. The

34、X-ray capillaries with a single total reflection belong to imaging optical systems. Thus the size of the focal spot is determined not only by the manu-facturing accuracy of the imaging system but also by the shape of the source itself. Figure 1 explains these focusing principles sche-matically. Figu

35、re 1. Scheme of focusing with an ellipsoidal capillary (top) and parallelization (collimation) with a parabolic capillary (bottom) Parameters of the ellipsoid such as major and mi-nor semi-axes have to be optimized for the corres-ponding application. Only a part of the entire ellip-soid can be used

36、for focusing. It is determined by the requirement that the reflection angles remain smaller than the critical angle of the total reflec-tion. For focusing with image magnification the part of the ellipsoid closer to the source is used and vica versa the far-off part of the ellipsoid is used for imag

37、e reduction. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI/VDE 5575 Blatt 3 / Part 3 5 lipsoids und umgekehrt wird bei Verkleinerung der Abbildung der der Quelle ferne Teil des Ellipsoids verwendet. 5.2 Rn

38、tgenkapillaren mit vielfachen Totalreflexionen Eine zylindrische Einzelkapillare kann divergie-rende Strahlung durch vielfache Totalreflexion ber lngere Strecken ohne wesentliche Verluste transportieren (Bild 2 oben). Bild 2. Schematische Darstellung des Strahlungs-transports durch eine gerade zylin

39、drische Kapillare (oben) und durch eine gebogene Kapillare (unten) Infolge des Strahlungstransports bildet sich am Ausgang der Kapillare ein Strahlenbndel mit dem Durchmesser des Kapillarenkanals und mit einer dem Grenzwinkel entsprechenden Divergenz. Auf diese Weise kann man die Strahlungsintensitt

40、 in einem bestimmten Abstand von der Quelle gegen-ber dem Fall ohne Kapillare deutlich erhhen. In einer hinreichend schwach gekrmmten Kapilla-re kann Rntgenstrahlung nicht nur weitergeleitet sondern ihre Ausbreitungsrichtung auch in gewis-sen Grenzen gendert werden. Fllt auf den Eingang einer geboge

41、nen Kapillare ein Parallelstrahl folgt aus geometrischen Betrach-tungen, dass die Kapillare nur einen Teil dieser Strahlung erfassen und weiterleiten kann, welcher sich aus folgendem Zusammenhang ergibt: dk= RG2/2 (3) Dabei ist dk Innendurchmesser der Kapillare R Krmmungsradius GGrenzwinkel der Tota

42、lreflexion Diese einfache Gleichung liefert orientierende Hinweise zur Optimierung der Parameter einer gebogenen Kapillare fr den effektiven Strahlungs-transport in einem gegebenen Energiebereich. Ein System bestehend aus vielen Kapillaren, wobei jede einzelne so gebogen ist, dass ihr Eingang auf di

43、e Quelle schaut und ihr Ausgang auf den gemein-samen Konvergenzbereich geringer Ausdehnung (den Ort der kleinsten Strahlabmessungen), im 5.2 X-ray capillaries with multiple total reflections A cylindrical monocapillary can transport diver-gent radiation over long distances without signifi-cant losse

44、s (Figure 2 top). Figure 2. Scheme of radiation transport through a straight cylindrical capillary (top) and a curved ca-pillary (bottom) As the result of the radiation transport, the beam at the end of the capillary has the diameter of the capillary channel and the divergence angle corres-ponding t

45、o the critical angle of the total reflection. In this way the radiation intensity at some distance from the source can be enhanced significantly as compared to the case without capillary. By means of a slightly curved capillary the radia-tion can not only be transported but also turned by some angle

46、. Geometrical considerations show that a parallel beam falling onto the entrance of a curved capillary can be completely captured and further transported by this capillary only if the channel diameter meets the following condition: dk= RG2/2 (3) where dk internal diameter of the capillary R radius o

47、f curvature Gcritical angle of total reflection This simple equation gives orientation and hints for the optimization of the parameters of a curved cap-illary for an effective radiation transport in some given energy range. A system consisting of many capillaries each curved in such way that their e

48、ntrances are directed to the source and their exits are directed to a com-mon convergence domain of small extension called focal spot in the following can give the B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 6 VDI/VDE 5575 Blatt 3 / Part 3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deut

49、scher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 weiteren Brennfleck genannt, gerichtet ist, erlaubt die mit einer Einzelkapillare erreichbare Intensitt um ein Vielfaches zu erhhen. Solche Systeme werden Rntgenpolykapillaren genannt. Moderne Rntgenpolykapillaren sind monolithi-sche Systeme aus mikrostrukturiertem Glas. Sie bestehen aus einer groen Zahl von Kapil