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Röntgenoptik



Die Röntgenoptik beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Röntgenstrahlung und deren Wechselwirkung mit Materie.

Die Röntgenoptik findet nicht nur im Wellenlängenbereich der eigentlichen Röntgenstrahlung (0,1 pm- 10 nm) Anwendung, sondern auch bei Wellenlängen bis hin zu 100 nm (VUV-Strahlung).

In der Röntgenoptik unterscheidet man zwischen weicher und harter Röntgenstrahlung. Als weiche Röntgenstrahlung wird der Bereich bezeichnet, in dem die Wellenlänge der Strahlung länger ist, als der Abstand der Atome im Festkörper (0,1 nm - 0,5 nm). Hier wird der Festkörper als homogenes Medium angesehen. Harte Röntgenstrahlung hingegen ist der Bereich, in dem die Wellenlänge kürzer als der Abstand der Atome im Festkörper ist. Hier kommt die atomare Struktur des Festkörpers zur Geltung.

Table of contents
1 Unterschiede zur Optik mit sichtbaren Licht
2 Röntgenspiegel

Unterschiede zur Optik mit sichtbaren Licht

Weiche Röntgenstrahlen

1. Für Wellenlängen, die kürzer als 100 nm sind, gibt es keine "transparenten" Medien. Dies hat zur Folge, dass es kein Material gibt, aus dem man Linsen bauen kann. Die einzige Möglichkeit, Röntgenlicht zu bündeln, sind Spiegel.

2. Der Brechungsindex liegt in der Regel in der Nähe von 1. Der Realteil des Brechungsindex ist meistens sogar kleiner als 1. Dies hat zur Folge, dass es im Röntgenbereich keine guten Spiegel gibt.

3. Röntgenspiegel müssen eine sehr viel planere Oberfläche aufweisen als Spiegel für sichtbares Licht. Diffuse Streuung an einer Oberfläche wird durch Unebenheiten erzeugt, die Oberflächenrauhigkeit genannt werden. Ist der mittlere Abstand bzw. die Größe der Unebenheiten viel kleiner als die Wellenlänge, so spielt die Oberflächenrauhigkeit nur eine geringe Rolle. Hat dieser Abstand jedoch eine ähnliche Größe wie die Wellenlänge des Lichts, wird ein einfallender Strahl hauptsächlich diffus gestreut, und kaum noch als Strahl reflektiert. Für Röntgenlicht, das sehr kleine Wellenlängen hat, sind Oberflächen, die im sichtbaren Licht absolut eben aussehen, häufig sehr rau. Deshalb ist die Planheit der Oberfläche für Röntgenspiegel sehr wichtig.

Harte Röntgenstrahlen

Der Brechungsindex liegt in der Regel in der Nähe von 1. Der Realteil des Brechungsindex ist meistens sogar kleiner als 1. Dies hat zur Folge, dass es im Röntgenbereich keine guten Spiegel gibt.

Röntgenspiegel

Um die niedrige Reflektivität im Röntgenbereich zu kompensieren, benutzt man im wesentlichen drei unterschiedliche Verfahren:

Streifender Einfall

Die Reflektivität von Oberflächen nimmt mit flacher werdendem Einfallswinkel zu. Bei einem Brechungsindex, der kleiner als 1 ist, kann es bei sehr flachen Einfallswinkeln sogar zu Totalreflexion kommen. Deshalb werden in der Röntgenoptik häufig Spiegel unter streifenden Einfall benutzt. Ein Beispiel für ein Optisches Gerät, dass mit streifenden Einfall arbeitet ist das Wolter-Teleskop.

Vielschichtsysteme

Wenn man Spiegel braucht, die bei steilen Einfallswinkeln eine hohe Reflektivität liefern, und nur bei einer Wellenlänge arbeiten muss, werden häufig Spiegel aus Vielschichtsystemen eingesetzt. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Materialien, die in abwechselnden Schichten übereinander liegen. Diese Vielschichtsysteme werden immer für einen bestimmte Wellenlänge und einen bestimmten Einfallswinkel gebaut. In der Regel verwendet man ein bei der zugehörigen Wellenlänge optisch dichtes und ein optisch dünnes Medium. Die Schichtdicken sind so aufeinander abgestimmt, dass für den vorgesehenen Einfallswinkel, die Periode immer der Wellenlänge entspricht. Es kommt dann bei der Reflexion an den optisch dichteren Schichten zu einer konstruktiven Interferenz. Ein beliebtes Vielschichtsystem ist z.B. die Kombination aus Silizium und Molybdän für Wellenlängen um 13,5 nm. Hier ist Silizium das optisch dünne Medium und Molybdän das optisch dichtere.
 

Braggreflexion

Bei harter Röntgenstrahlung kann die durch die
Bragg-Gleichung beschriebene konstuktive Interferenz der Wellen am Kristallgitter ausnutzen. So kann ein Kristall unter einem bestimmten Winkel und einer bestimmten Wellenlänge wie ein Siegel wirken.




     
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