VDI VDE 5575 Blatt 6-2011 X-ray optical systems - Reflection zone plates.pdf

1、ICS 17.180.30 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2011December 2011VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Rntgenoptische Systeme Reflexionszonenplatten X-ray optical systems Reflection zone plates VDI/VDE 5575Blatt 6 / Part 6 Ausg. deutsch/englisch Issue Germa

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

3、I/VDE-Handbuch Optische Technologien VDI/VDE-Handbuch Mikro- und Feinwerktechnik VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedFrhere Ausgabe: 03.09Entwurf, deutschFormer edit

4、ion: 03/09 Draft, inGerman only Zu beziehen durch / Available atBeuthVerlagGmbH, 10772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2011Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 2 3 Formelzeichen . 2 4 Physik

5、alische Grundlagen . 2 5 Typen von Reflexionszonenplatten . 4 5.1 Totalreflexionszonenplatten . 4 5.2 Bragg-Fresnel-Zonenplatten 4 6 Definitionen der Parameter von Reflexionszonenplatten 5 7 Anwendungen von Reflexionszonenplatten . 7 Schrifttum 8 Preliminary note . 2 1 Scope . 2 2 Normative referenc

6、es . 2 3 Symbols . 2 4 Physical basis . 2 5 Types of reflection zone plates . 4 5.1 Total external reflection zone plates 4 5.2 Bragg-Fresnel zone plates 4 6 Definition of the reflection zone plate parameters 5 7 Applications of reflection zone plates 7 Bibliography 8 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB3

7、0F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI/VDE 5575 Blatt 6 / Part 6 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die d

8、es Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Merkblttern g

9、eregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/5575. Preliminary note The content of this guideline has been developed in str

10、ict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 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 guidel

11、ine without infringement of copyright is permitted subject to the licensing 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 acces

12、sed on the internet at www.vdi.de/5575. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie bezieht sich auf rntgenoptischeSysteme, die auf der Verwendung von reflektie-renden Zonenplatten zur Beeinflussung von Rnt-genstrahlung beruhen. 1 Scope This guideline deals with X-ray optical systems using reflecting zone

13、plates to influence X-radia-tion. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 5575 Blatt 1:2009-11 RntgenoptischeSysteme; Begriffe 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of t

14、his guideline: VDI/VDE 5575 Part 1:2009-11 X-Ray optical systems; Terms and definitions 3 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Einheit Benennung b mm Bildweite dum Brennfleckdurchmesser g mm Gegenstandsweite 1 Intensittserhhun

15、g NAarad vertikale Numerische Apertur NAbrad horizontale Numerische Apertur nm minimale Zonenbreite rad Einfallswinkel nm Wellenlngebereich 3 Symbols The following symbols are used throughout this guideline: SymbolUnit Designation b mm image distance dum focal spot diameter g mm object distance 1 in

16、tensity enhancement NAarad vertical numerical aperture NAbrad horizontal numerical aperture nm minimum zone width rad incidence angle nm wavelength range 4 Physikalische Grundlagen Reflexionszonenplatten sind reflektierende rnt-genoptische Elemente, deren Oberflche aus ab-wechselnd aufeinander folge

17、nden reflektierendenund absorbierenden bzw. phasenverschiebenden4 Physical basis Reflection zone plates are reflecting X-ray optical elements, which surface consists of alternatively arranged reflecting and absorbing or, respectively, phase-shifting areas (artificial Fresnel zone struc-B55EB1B3E14C2

18、2109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2011 VDI/VDE 5575 Blatt 6 / Part 6 3 Ellipsen (knstlichen Fresnel-Zonenstrukturen) mit radial nach auen abnehmender Achsenbreite be-steht. Die Fokussierung (Dispersion) erfolgt durchBeug

19、ung. Als Substrat werden Kristalle oderMehrschichtspiegel bzw. Totalreflexionsspiegelverwendet. Knstliche Fresnel-Zonenstrukturen werden ausMetallen (Au bzw. Ni) lithografisch oder durch(Ionen-)tzen des Substrats hergestellt. Die rum-liche Geometrie der Oberflchenstruktur snlsst sich nach den folgen

20、den Formeln berechnen: 222nnns xy (1)2222cos( )12cos( )1nnnnxxgggngbxxbbb (2)2ngbyngb(3)Dabei ist xn, ynOberflchenkoordinaten parallel und senk-recht zur Strahlrichtung streifender Einfallswinkel zur Reflexions-flche g Gegenstandsweite b Bildweite Die Fresnel-Zonenstrukturen sind meistens so aus-gel

21、egt, dass alle Strahlen, die von einem Punkt A1emittiert und an der Oberflche reflektiert werdenin einem Punkt A2fokussiert werden. Die Struktureiner achsenversetzten Reflexionszonenplatte wirdin Bild 1 gezeigt. tures). The axial width of the areas radially de-creases outwards. Focussing (dispersion

22、) is brought about by diffraction. As a substrate, crys-tals, multilayer mirrors or total external reflection mirrors are used. Artificial Fresnel zone structures are fabricated by lithographic methods from metals (for example Au or Ni) or by etching (profiling) of the substrate. The spatial geometr

23、y of the surface structure sncan be calculated using the following equtions: 222nnns xy (1)2222cos( )12cos( )1nnnnxxgggngbxxbbb (2)2ngbyngb(3)where xn, ynsurface coordinates parallel and perpen-dicular to the ray direction grazing incidence angle with respect to the reflecting surface g object dista

24、nce b image distance In most cases, the Fresnel zone structures are con-structed in such a way that all rays emitted by a point source A1and reflected on the surface are focussed in one point A2. The structure of a reflec-tion zone plate is shown in Figure 1. Bild 1. Zonenstruktur einer achsenverset

25、zten Zonenplatte. Figure 1. Zone structure of an reflection zone plateB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI/VDE 5575 Blatt 6 / Part 6 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 5 Typen von Reflexionszonenplatten Reflexionszonenplatte

26、n lassen sich in zwei Grup-pen einteilen: Totalreflexionszonenplatten Bragg-Fresnel-Zonenplatten 5.1 Totalreflexionszonenplatten Totalreflexionszonenplatten sind Reflexionszonen-platten, deren Substrat ein Totalreflexionsspiegelist. Mithilfe einer Totalreflexionszonenplatte kanndie Strahlung einer p

27、unktfrmigen Quelle in einenBrennfleck geringer Abmessung fokussiert wer-den. In diesem Fall liegt die Quelle im erstenBrennpunkt A1des Ellipsoids und die Strahlungwird in den zweiten Brennpunkt A2fokussiert (sie-he Bild 1). Totalreflexionszonenplatten mit breitbandiger To-talreflexion gehren zu den

28、abbildenden optischenSystemen. Daher wird die Gre des Brennflecksnicht nur durch die Herstellungsgenauigkeit desabbildenden Systems bestimmt, sondern auchdurch die Form der Quelle selbst. Die Energiedis-persion in der Brennebene kann auch fr spektro-metrische Anwendungen und zur Monochroma-tisierung

29、 polychromatischer Strahlen verwendetwerden. Die Hauptparameter des Ellipsoids, wie die groeund die kleine Halbachse, mssen fr die jeweiligekonkrete Anwendung optimiert werden. Fr dieFokussierung kann nur ein Teil des gesamten El-lipsoids verwendet werden. Wenn eine Fokussie-rung mit Vergrerung der

30、Abbildung gefordert wird, dann verwendet man den der Quelle nahenTeil des Ellipsoids und umgekehrt bei Verkleine-rung der Abbildung den fokusnahen Teil des Ellip-soids. 5.2 Bragg-Fresnel-Zonenplatten Bragg-Fresnel-Zonenplatten sind Reflexionszo-nenplatten mit dreidimensionaler Struktur, derenSubstra

31、t ein Multischichtspiegel oder ein Kristallist. Dadurch werden Fokussierung und Monochro-matisierung kombiniert. Diese Elemente werdenoft auch als Bragg-Fresnel-Linsen bezeichnet. Da-bei wirkt das Kristallsubstrat oder die Multi-schichtstruktur als monochromatisierendes rnt-genoptisches Element mit

32、periodischer Gitterstruk-tur, das zur Monochromatisierung von Rntgen-strahlung gem der braggschen Gleichung ver-wendet wird: B2sindm 5 Types of reflection zone plates Reflection zone plates can be subdivided into two groups: total external reflection zone plates Bragg-Fresnel zone plates 5.1 Total e

33、xternal reflection zone plates Total reflection zone plates are reflection zone plates where the substrate is a total reflection mir-ror. By the mean of a total reflection zone plate the radiation of a point source can be focussed in a focal spot of small size. In this case, the source lies in the f

34、irst focal point A1of the ellipsoid and the radiation is focussed in the second focal point A2(see Figure 1). Total reflection plates with broad band total reflec-tion are imaging optical systems. Therefore, the size of the focal spot is determined not only by the manufacturing accuracy of the imagi

35、ng system but also by the shape of the source itself. The energy dispersion in the focal plane can be used also for spectrometry and monochromatization of poly-chromatic beams. The main parameters of the elliptical Fresnel zone structure such as the large and the small half-axis must be optimized fo

36、r each individual applica-tion. For focussing, only a part of the total ellipsoid can be used out of optical axis. For source image magnification, the centre of the Fresnel zone ellip-soids has to be placed close to the source. If the source image has to be reduced, the centre of the Fresnel ellipso

37、ids must be placed close to the focal plane. 5.2 Bragg-Fresnel zone plates Bragg-Fresnel zone plates are reflection zone plates with a three-dimensional structure which substrate is a multilayer mirror or a crystal. In the Bragg-Fresnel zone plates focussing and mono-chromatization properties are co

38、mbined. These elements are often also referred to as Bragg-Fresnel lenses. The crystal substrate or the multi-layer structure act as a monochromator X-ray opti-cal element with a periodic lattice (layered) struc-ture. The periodic substrate reflects of monochro-matic X-radiation according to the Bra

39、gg equation:B2sindm B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2011 VDI/VDE 5575 Blatt 6 / Part 6 5 Dabei ist d Netzebenenabstand im Einkristall BEinfallwinkel zur Netzebene m ganze Zahl Die allgemein verwendeten Kri

40、stalle sind Si- und Ge-Kristalle. Die minimale reflektierte Energie wirddurch die Gitterperiode begrenzt. Das spektraleAuflsungsvermgen wird bestimmt durch die An-zahl der an der Beugung beteiligten Gitter- (Schicht-)Perioden im Spiegel oder Kristall. Fr Si-Kristalle erreicht es Werte von E/E 104105

41、. Normalerweise besteht eine Bragg-Fresnel-Zonen-platte aus einer elliptischen Beugungsstruktur, dieauf einer ebenen oder profilierten Kristalloberfl-che (Multischichtoberfche) durch Aufdampfenoder Sputtern von Metallen derart hergestellt wird, dass austretende monochromatische Strahlen dengleichen

42、Brennpunkt haben. Die fokussierendeFunktion von Bragg-Fresnel-Zonenplatten ist diegleiche wie die von Totalreflexionszonenplatten. Bragg-Fresnel-Zonenplatten zeigen beschrnkteAbbildungseigenschaften, da die Winkelspektreninfolge des braggschen Gesetzes stark einge-schrnkt sind. where d lattice plane

43、 spacing in the single crystal Bincidence angle with respect to the lattice plane m integer The crystals generally used are Si and Ge crystals. The minimum reflected energy is limited by the lattice (multilayer) period. The spectral resolution is determined by the number of lattices (layers) peri-od

44、s involved in diffraction process in the mirror or the crystal. For example for Si crystals, it reaches values of E/E 104105. The Bragg-Fresnel zone plate normally consists of an elliptic Fresnel zone, structure that is fabricated on a flat or profiled crystal (multilayer) surface by vapour-depositi

45、on or sputtering of metals so that input monochromatic rays have the same focal point. The focussing function of Bragg-Fresnel zone plates is the same as that for total reflection zone plates. The Bragg-Fresnel zone plates havevery limited imaging properties due to strongly defined angular spectra a

46、ccording to Bragg law. 6 Definitionen der Parameter von Reflexionszonenplatten Die Hauptparameter einer fokussierenden Reflexi-onszonenplatte sind: Wellenlnge Gegenstandsweite g Bildweite b numerische Apertur NA Vergrerung M Die Effektivitt der Fokussierung einer Rntgenop-tik wird durch folgende Par

47、ameter gekennzeichnet: Einfallswinkel Durchmesser des austretenden Strahls in der Ausgangsbrennebene dux, duy spektrale Intensittserhhung K spektrales Auflsungsvermgen R Brennweite f minimale Zonenbreite in der Oberflchenstruk-tur Fr diese rntgenoptischen Elemente sind Ein-gangs- und Ausgangsbrennwe

48、ite identisch. 6 Definition of the reflection zone plate parameters The main parameters of a focussing reflection zone plate are: wavelength object distance g image distance b numerical aperture NA magnification M The efficiency of the focussing of an X-ray optical system is characterized by the fol

49、lowing parameters: incident angle diameter of the beam in the output focal plane dux, duy increase in spectral intensity K spectral resolving power R focal length f minimum zone width in the surface structure For these X-ray optical elements, the input and the output focal length are identical. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB