Kapillaroptiken bestehen meist aus Glaskapillaren. Das Röntgenlicht wird in den Kapillaren einmal oder - bei den Polykapillaren - mehrfach reflektiert. Tabelle 1 gibt einen Überblick über typische Parameter der Kapillaroptiken.

 

Parameter Bezeichnung
Typische Werte
Kommentar
    Monokapillare
Polykapillare  
Strahldurchmesser

du or
dx,u
, dy,u

0,01-20 mm 0,1-20 mm  
Brennfleckdurchmesser dKapillare 0,25-1000 µm 6-1000 µm  
Durchmesser der Eingangsfläche D1 0,01-20 mm 0,1-20 mm  
Durchmesser der Ausgangsfläche D2 0,01-0,2 mm 0,1-20 mm  
Erhöhung der Strahlstärke KΘ 5-50 10-100 KΘ=τ(ΔΘE/ΔΘA)2
Kapillarlänge LKapillare 10-1000 mm 10-1000 mm  
Eingangsarbeitsabstand rKap,1 ∞-0,1 mm ∞-3 mm  
Ausgangsarbeitsabstand rKap,2 0,1-∞ mm 3-∞ mm  
Eingangswinkelakzeptanz ΔΘE 0,01-0,25 rad 0,01-0,25 rad ΔΘE=2 arctan(D1/(2r1))
Ausgangsdivergenz ΔΘA 0,01-0,25 rad 0,01-0,25 rad ΔΘA=2 arctan(D2/(2r2))
Divergenz des quasi-parallelen Strahlenbündels (für Polyhalbkapillaren) ΔΘA 0,0005-0,001 rad 0,001-0,005 rad  
Intensitätserhöhung K 5-1000 500-20000  
Spektraler Transmissionsgrad τ(λ) 0,1-0,9 0,05-0,6  

 

Tabelle 1: Typische Parameter von Kapillaroptiken [VDI 2009b]

 

Polykapillaroptiken

In Polykapillaroptiken(auch Kumakhov-Linsen genannt) werden Röntgenstrahlen durch Totalreflexion in einem Bündel aus gekrümmten, engen Glaskapillaren geführt (Abb. 1), [Kum 1992]. Die Kapillaren in dem Bündel sind so gebogen, dass die eine Seite jeder einzelnen Kapillare auf die Lichtquelle zeigt und die andere Seite der Kapillare auf den Brennpunkt. Polykapillaren bilden nicht die Lichtquelle auf den Brennfleck im Sinne einer optischen Abbildung ab: das Licht verlässt die Kapillaren unter dem gleichen Divergenzwinkel, unter dem es in die Kapillare eingetreten ist. Das Licht läuft ab dem Ende jeder Kapillare unter diesem Divergenzwinkel (meist gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion) auseinander. Der Brennfleck ergibt sich also nur durch die Ausrichtung der Kapillaren auf den Brennfleck. Der Brennfleck wird nicht größer, wenn der Quelldurchmesser vergrößert wird. Polykapillaren sind Beleuchtungsoptiken und für optische Abbildungen ungeeignet.

Polykapillaroptik für Röntgenlicht

Abb. 1: Lichtleitung in einer Polykapillaroptik; Foto einer Polykapillare

 

Monokapillaren

In einer Monokapillare werden Röntgenstrahlen in einer einzelnen Glaskapillare durch Totalreflexion von der Lichtquelle in den Fokus reflektiert. Die Innenseite der Monokapillare hat die Form eines Rotationsellipsoiden oder eines Rotationsparaboloiden. Die Lichtquelle steht in einem der beiden Brennpunkte des Ellipsoiden bzw. in Brennpunkt des Paraboloiden. Das Licht wird in den zweiten Brennpunkt des Ellipsoiden abgebildet bzw. im Falle des Paraboloiden kollimiert. Natürlich kann umgekehrt auch ein zur optischen Achse parallel einfallender Lichtstrahl fokussiert werden. In allen Fällen wird jeder Strahl genau einmal an der Innenseite der Monokapillaroptik reflektiert. Damit erfüllt diese Optik das Abbé-Kriterium nicht, was dazu führt, dass die Optik nicht gut geeignet ist, eine ausgedehnte Lichtquelle zu fokussieren.

Röntgenmonokapillare

Abb. 2:  Monokapillare; verlorene Strahlen werden beim Überfahren mit der Maus rot markiert

 

Konisch zulaufende Kapillaren

Konisch zulaufende Kapillaroptiken bestehen aus einer innen leicht konisch zulaufenden Kapillare mit sehr glatten Innenwänden.  Der maximal zulässige Öffnungswinkel des Kegels hängt vom Grenzwinkel der Totalreflexion des verwendeten Wandmaterials bei der verwendeten Photonenenergie ab. Das einfallende Licht wird ein oder mehrmals durch externe Totalreflexion an den Innenwänden der Kapillare reflektiert. Meist bestehen solche Kapillaren aus Glas, andere Materialien sind aber auch möglich. Die Optik erzeugt keinen ausgeprägten Punktfokus, sondern eher eine Linie mit erhöhter Intensität auf der optischen Achse am Ende der Kapillare (Abb. 3, in der die Konizität extrem übertrieben dargestellt ist). Diese Kapillaren sind einfach aufgebaut, haben aber nur sehr kleine Arbeitsabstände und sie haben keine bildgebenden Eigenschaften.

tapered capillary optics with simulated intensity distribution

Abb. 3:  Konisch zulaufende Kapillare mit simulierter Intensitätsverteilung

 

[Kum 1992] M. A. Kumakhov and  V. A. Sharov, A neutron lens, Nature vol. 357, pp. 390-391, DOI: 10.1038/357390a0, 1992
[VDI 2009b] VDI/VDE 5575 Blatt 3: 2009-02 Röntgenkapillaren (X-ray optical systems; Capillary X-ray optics), Berlin, Beuth Verlag, 2009
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