#howto #Fokus your #Röntgen-Strahl, ein Mehrteiler:

Ein Vorteil von Röntgenlicht gegenüber sichtbarem #Licht: die Probe kann durchleuchtet werden, wir erhalten einen Blick ins Innere.
Ein Nachteil von Röntgenlicht: auch die Optiken werden einfach so durchdrungen; das Fokussieren / Manipulieren der Strahlung ist ein größeres Problem.

Bereits Wilhelm Conrad stellte fest, dass er seine X-Strahlen nicht ablenken oder fokussieren konnte. Es dauert etwa 60 Jahre …

#Optik #Linsen 1/N

1948 veröffentlichten¹ Paul #Kirkpatrick und Albert #Baez² ein bahnbrechendes Experiment, indem sie gekrümmte Spiegel unter sehr flachem Einfallswinkel nutzten; jeder Spiegel fokussiert in einer Raumrichtung; stellt man zwei hintereinander, sodass die Brennebenen übereinstimmen, gibt es einen Punktfokus.

¹ https://doi.org/10.1364%2FJOSA.38.000766
² Vater von Joan Baez, die mit ihrer Musik seine Forschung mitfinanzierte.
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Für diese sogenannten KB-Spiegel gibt es eine technische und eine physikalische Schwierigkeit:

1. Unter streifendem Einfall muss die Oberfläche sehr glatt sein. Dies wurde vor etwa 20 Jahren gelöst: Die Gruppe um Kazuto #Yamauchi entwickelte das „#EEM“-Verfahren (Elastic Emission Machining), welches eine Oberflächengüte deutlich unter einem #Nanometer Formfehler über eine Länge von dutzenden Zentimetern erlaubt, und dabei auch eine gekrümmter Oberfläche produziert.

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2. Um die Röntgenstrahlen zu reflektieren ist ein sehr flacher Einfallswinkel, typisch etwa 0,2 Grad zur Oberfläche, erforderlich; anderenfalls dringt der Strahl in den Spiegel ein und wird dort absorbiert. Dies liegt daran, dass der Brechungsindex, n=1-δ ~ 1-10⁻⁶, nur sehr leicht unter 1 liegt – und #Totalreflexion für entsprechend kleine Winkel erlaubt.

Dies begrenz aber den nutzbaren Winkelbereich, die numerische Apertur #NA, somit die optische #Auflösung.

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Experimente bei einer #Photonen-Energie von 12,4 keV liegt die #Wellenlänge bei 0,1 Nanometer, oder 1 Ångström – über tausend Mal kürzer als blaues Licht. Doch während es im sichtbaren Bereich #Linsen und #Objektive mit einer #NA von >1 gibt, sind wir durch die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit Materie auf Werte um 0,001 beschränkt – somit liegt die #Auflösung wieder im Bereich 100 nm.

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Wie groß wird der #Fokus wirklich?
Hier kommt es auf die Quelle an. Eine traditionelle #Röntgenröhre hat einen #Quellfleck im mm-Bereich, welcher vielleicht 1:1 abgebildet wird. Eine #Mikrofokusquelle liegt bei etwa 10–100 µm, moderne Quellen im sub-µm-Bereich.

Auch am #Synchrotron ist die Quelle ca. 10 µm groß – aber in vielleicht 100 Metern Entfernung. Bei einer #Brennweite von 100 Millimetern ist somit eine geometrische Verkleinerung möglich, Fokusgrößen bei 100 nm sind gut erreichbar.

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Da die beiden Spiegel hintereinander stehen müssen, ist die Brennweite des ersten Spiegels durch die bauliche Größe des zweiten Spiegels limitiert; die Spiegel sollten aber „hinreichend“ lang sein, um (i) die numerische Apertur und die (ii) geometrische Akzeptanz (Fläche) zu erhöhen.
„Typische“ Werte (die wir an der #GINIX verwenden):
Wellenlänge ca. 0,1 Nanometer,
Brennweite 305 mm, 200 mm,
mittlerer Einfallswinkel 4 mrad (0,23°),
Spiegellänge 80 mm,
Apertur (320µm)²,
Fokusgröße (300nm)²

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