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Dokumentenidentifikation DE10204218C2 24.12.2003
Titel Vorrichtung zum Schutz eines mit einer Strahlung beaufschlagten, tiefgekühlten Strahlungsempfängers vor Infrarotstrahlung
Anmelder IAP-Institut für angewandte Photonik e.V., 12489 Berlin, DE
Erfinder Edelman, Valeri S., Dr., 12559 Berlin, DE;
Herrmann, Rudolf, Prof.Dr., 12559 Berlin, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 29.01.2002
DE-Aktenzeichen 10204218
Offenlegungstag 14.08.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.12.2003
IPC-Hauptklasse G01T 7/00
IPC-Nebenklasse G21K 1/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Schutz eines Strahlungsempfängers kurzwelliger Strahlung wie ein Röntgendetektor, auf den zum Beispiel Röntgenstrahlung trifft, und der auf tiefe oder auch sehr tiefe Temperaturen abgekühlt ist, vor Infrarotstrahlung.

Die Fokussierung von Röntgenstrahlung auf Proben oder allgemein auf Strahlungsempfänger, die sich auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff (77 K) oder flüssigem Helium (4,2 K) und noch tieferen Temperaturen befinden, erfolgt nach dem bekannten Stand der Technik dadurch, dass das fokussierende Element, z. B. eine Röntgenkapillarlinse, die aus gebogenen Glaskapillaren besteht, vor dem Kryostaten, in dem die Kühlung der Strahlungsempfänger oder Proben erfolgt, angeordnet wird.

Aus US 6,233,306 B1 ist eine solche Kapillarlinse bekannt, die als strahlfokussierendes Ausgangsfenster einer Röntgenröhre dient und die mit einer Seite ein Fenster durchdringt, das den unter Vakuum stehenden Innenraum der Röntgenröhre abschließt.

Damit Röntgenstrahlung auf die Detektoren oder Proben gelangt, werden an das Dewargefäß, in dem sich die Detektoren oder Proben zur Kühlung befinden, zum Schutz vor Wärmeverlusten und zur Aufrechterhaltung der Isolationsvakua, mindestens drei Fenster angebracht, die sich auf den entsprechenden Temperaturniveaus von ≤ 4.2 K, einer Zwischentemperatur meist von 77 K und Zimmertemperatur befinden. Diese Fenster müssen die von außen einfallende Infrarotstrahlung weitgehend von den Strahlungsempfängern oder Proben fernhalten, damit diese nicht erwärmt werden.

Das ist jedoch auch stets mit einer starken Abschwächung der einfallenden Röntgenstrahlung verbunden (R. Wedell: "Röntgenlichtleiter in der Analysentechnik", Physikalische Blätter, Bd. 52, No. 11 (1996) 1134-1136; V. Arkadiev et al.: "Application of capillary optics in modern scientific instrumentation", Surface Vol. 1 (2000) 48-54).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu beschreiben, mit der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit der gewährleistet ist, dass Strahlungsempfänger wie Röntgendetektoren oder Proben vor Infrarotstrahlung nahezu vollständig geschützt werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine auf tiefe Temperaturen gekühlte Kapillarlinse in den Strahlengang der Strahlung so eingebracht ist, dass deren Kapillare die kurzwellige Strahlung durchlassen, deren Wände aber die Infrarotstrahlung absorbieren, so dass die kurzwellige Strahlung ohne Schwächung auf den Detektor fokussiert wird und dabei mindestens zwei Fenster zum Fernhalten der Infrarotstrahlung vom Detektor eingespart sind.

Durch diese Art der Anordnung einer Kapillarlinse wird der Einsatz von gekühlten Fenstern mit der damit verbundenen Schwächung der Röntgenstrahlung vermieden. Der Schutz der Strahlungsempfänger vor Infrarotstrahlung wird ohne starke Schwächung der Röntgenstrahlung mit weniger Aufwand als bisher effizienter erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Schutz von tiefgekühlten Röntgendetektoren vor Infrarotstrahlung beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Röntgenquelle und eines Röntgendetektors nach dem bekannten Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3 die schematische Darstellung einer geometrischen Ausführung der Kapillarlinse in der Vorrichtung nach Fig. 2.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 befinden sich nach dem bekannten Stand der Technik die Strahlungsempfänger, zum Beispiel ein Röntgendetektor 4, zum Schutz vor Wärmeverlusten und einfallender Wärmestrahlung in einem Heliumdewargefäß 1, das eine Temperatur von 4.2 K oder darunter hat, das noch von einem Stickstoffdewargefäß 2 umgeben wird, das eine Temperatur von 77 K hat. Beide Gefäße 1, 2 befinden sich in einem Vakuumgefäß 3, welches sich auf Zimmertemperatur befindet. Alle drei Gefäße 1 bis 3 sind durch Hochvakuum gegeneinander wärmeisoliert.

Für die Detektierung von Röntgenstrahlung mit einem Detektor 4, der sich in dem Dewargefäß 1 auf tiefen Temperaturen ≤ 4.2 K befindet, müssen also zwischen einer Röntgenquelle 8 und dem Detektor 4 mindestens drei Fenster 5 bis 7, die sich auf unterschiedlichen Temperaturen, von 4.2 K, einer Zwischentemperatur, meistens 77 K, und Zimmertemperatur, befinden, angeordnet werden (siehe Fig. 1). Diese Fenster 5 bis 7 müssen auch den Einfall der Infrarotstrahlung auf den Detektor 4 verhindern. Dabei muss die einfallende Infrarotstrahlung vom äußeren Fenster 5, das sich auf Zimmertemperatur befindet, bis zum Detektor 4 um das Zehntausendfache abgeschwächt werden. Das ist für die Arbeit von Detektoren 4, die auf Temperaturen bis zu 0.05 K abgekühlt sind, unumgänglich, um das Rauschen des Detektors 4 so stark zu erniedrigen, dass damit die Registrierung der Röntgenstrahlung mit hoher energetischer Auflösung ermöglicht wird.

Auch wenn zur Fokussierung der Röntgenstrahlung auf den Detektor 4 vor diesen Fenstern 5 bis 7 eine Röntgenkapillarlinse 9 entsprechend der Fig. 1 angeordnet wird, ist bei diesem Vorgehen die Abschwächung der einfallenden Röntgenstrahlung durch die Fenster 5 bis 7 die gleiche.

Insbesondere wird die Röntgenstrahlung im Bereich zwischen 100 eV und einigen keV durch die Fenster 5 bis 7 stark geschwächt. Das ist aber gerade der Energiebereich, der insbesondere auch in der Röntgenmikroanalyse leichter Elemente notwendig ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die notwendige Anzahl der Fenster verringert oder ganz vermieden und damit die Vergrößerung der durchgelassenen Röntgenstrahlungsintensität und gleichzeitig eine stärkere Abschwächung der Infrarotstrahlung erreicht werden.

Es wird erfindungsgemäß die Röntgenkapillarlinse 9 anstelle der Fenster 6 bis 7 zwischen den unterschiedlichen Temperaturniveaus angebracht, wie es die Fig. 2 zeigt.

Der mit der Vorrichtung nach der Erfindung erreichte Effekt ergibt sich aus der folgenden Betrachtung und der Darstellung in der Fig. 3:

Eine Abschwächung der Infrarotstrahlung durch die Kapillarlinse 9 ergibt sich schon allein aus geometrischen Überlegungen.

Für gerade Kapillare ist der Anteil der durchgelassenen Infrarotstrahlung abhängig von deren Größe gemäß der Beziehung (d/l)2, wobei l die Länge der Linse, d der Durchmesser der Kapillaren ist.

Für d = 10 µm und 1 = 10 cm ergibt sich für die Durchlässigkeit ein Wert von 10-8. Eine solche Abschwächung ist für die Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit des Detektors völlig ausreichend.

Die Krümmung der Kapillaren sowie Beugung und Brechung der Infrarotstrahlung am Ausgang der Linse führen zu einer zusätzlichen Schwächung der Strahlung. Auf diese Weise ist eine Röntgenkapillarlinse für Infrarotstrahlung ein absolut schwarzer Körper.

Die zum Detektor gerichtete Stirnseite der Linse strahlt nur einen Wärmestrom von Q = σST4 in den Raumwinkel 2π. Dabei sind σ = 5,7 × 10-12 W/cm2K die Stefan-Boltzmann- Konstante, S die Stirnfläche der Linse und T ihre Temperatur. Die Linse ist also bei Temperaturen ≤ 4,2 K für die Infrarotstrahlung völlig undurchlässig. Bezugszeichenliste 1 Heliumdewargefäß

2 Stickstoffdewargefäß

3 Vakuumgefäß

4 Strahlungsempfänger/Detektor/Probe

51. Fenster

62. Fenster

73. Fenster

8 Röntgenquelle

9 Röntgenkapillarlinse

d Kapillarendurchmesser

l Kapillarlinsenlänge

S Stirnfläche der Kapillarlinse


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Schutz eines auf tiefe Temperaturen abgekühlten und mit einer Strahlung beaufschlagten Strahlungsempfängers wie ein Detektor oder eine Probe vor Infrarotstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf tiefe Temperaturen gekühlte Kapillarlinse (9) in den Strahlengang der Strahlung so eingebracht ist, dass deren Kapillaren die kurzwellige Strahlung durchlassen, deren Wände aber die Infrarotstrahlung absorbieren, so dass die kurzwellige Strahlung ohne Schwächung auf den Detektor (4) fokussiert wird und dabei mindestens zwei Fenster (6, 7) zum Fernhalten der Infrarotstrahlung vom Detektor (4) eingespart sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gläserne Röntgenkapillarlinse verwendet ist, deren lange, gebogene, etwa 10 µm enge Kapillaren Röntgenstrahlung durchlassen, deren Wände aber die Infrarotstrahlung absorbieren, wobei die Kapillarlinse (9) den Temperaturunterschied zwischen Zimmertemperatur oder einer Zwischentemperatur und 4,2 K überbrückt.






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