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2024-03-23T20:00:05Z

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Die '''Röntgenoptik''' beschäftigt sich mit der Ausbreitung von [[Röntgenstrahlung]] und deren Wechselwirkung mit Materie. Sie findet nicht nur im [[Wellenlänge]]nbereich der eigentlichen Röntgenstrahlung (0,01 bis 10 [[Nanometer|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 [[Atom]]e im [[Festkörper]] (0,1 nm bis 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, also im Bereich 0,01 bis ca. 0,5 nm. Hier kommt die atomare Struktur des Festkörpers zur Geltung.

== Unterschiede zur Optik mit sichtbarem Licht ==

Für Röntgenstrahlung ist der [[Brechungsindex]] von Materie wenig kleiner als eins (Abweichung im Bereich 10<sup>−8</sup> bis 10<sup>−6</sup> je nach Wellenlänge). Dies resultiert in einer [[Phasengeschwindigkeit]] der Welle, die größer ist als die [[Lichtgeschwindigkeit]]. Der Grund für die Abweichung unter eins liegt darin, dass die Schwingungs[[frequenz]] von [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischer Strahlung]] im Röntgenbereich größer ist als die Oszillationsfrequenz der äußeren [[Elektron]]en der beleuchteten Atome, die im elektrischen Feld der Röntgenstrahlung erzwungene Schwingungen oberhalb ihrer [[Resonanzfrequenz]] vollführen. Diese Eigenschaft kann zur Definition von Röntgenstrahlung genutzt werden.

Die Ausbreitungsrichtung von elektromagnetischer Strahlung lässt sich prinzipiell durch Ausnutzung von [[Brechung (Physik)|Refraktion]], Reflexion und [[Beugung (Physik)|Beugung]] ändern, beispielsweise [[fokus]]sieren.

Bei Ausnutzung der Refraktion der Röntgenstrahlen an einer Oberfläche muss das Brechzahlverhältnis zwischen Umgebung und [[Linse (Optik)|Linsen]]<nowiki/>material berücksichtigt werden. Bei einer Vakuum-Umgebung (Brechungsindex ist eins) und zum Beispiel einer fokussierenden Linse (Brechungsindex kleiner als eins) ergibt sich für diese im Gegensatz zum sichtbaren Spektralbereich eine konkave Form der Linse – statt einer konvexen Form, wie sie bei sichtbaren Sammellinsen notwendig ist.

Bei Ausnutzung der Reflexion ist zu beachten, dass dieser Effekt für kleine Winkel zur Oberfläche der Optik auf der sogenannten „äußeren Totalreflexion“ (vgl. innere Totalreflexion im sichtbaren Spektralbereich) beruht. Bei größeren Winkeln nutzt man den Effekt der Vielfach-Reflexion durch geschichtete Materialanordnungen in der Optik um eine effektive Reflexion zu ermöglichen.

Bei Ausnutzung der Beugung (Diffraktion) wird zwischen den einzelnen Wellenbereichen gezielt ein Gangunterschied erzeugt. Durch Interferenz kann so zum Beispiel ein Fokus hinter der Optik erzeugt werden.

Für Röntgenwellenlängen – also insbesondere für [[Wellenlänge]]n, die kürzer als 100 nm sind – gibt es keine ganz strahlungsdurchlässigen („transparenten“) Medien. Dies hat zur Folge, dass [[refraktive Röntgenlinse|Röntgenlinsen]] möglichst dünn sein müssen. Die einfacheren Möglichkeiten, Röntgenlicht zu bündeln, sind [[Spiegel]] und [[Fresnel-Zonenplatte]]n. Röntgenspiegel müssen eine sehr viel planere Oberfläche aufweisen als Spiegel für sichtbares Licht. Diffuse [[Streuung (Physik)|Streuung]] an einer Oberfläche wird durch Unebenheiten erzeugt, die Oberflächenrauheit genannt werden. Ist der mittlere Abstand bzw. die Größe der Unebenheiten viel kleiner als die Wellenlänge, so spielt die Oberflächenrauheit 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 Röntgenstrahlung, die sehr kleine Wellenlängen hat, sind Oberflächen, die im sichtbaren Licht absolut eben aussehen, häufig sehr rau.

== 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 einer [[Totalreflexion]] kommen. Deshalb werden in der Röntgenoptik häufig Spiegel unter streifenden Einfall benutzt. Ein Beispiel für ein optisches Gerät, das 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 müssen, werden häufig Spiegel aus Vielschichtsystemen eingesetzt. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Materialien, die in abwechselnden Schichten übereinander liegen. Diese Vielschichtsysteme werden immer für eine 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 [[Interferenz (Physik)|konstruktiven Interferenz]]. Ein beliebtes Vielschichtsystem ist beispielsweise 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 konstruktive Interferenz der Wellen am Kristallgitter ausgenutzt werden. So wird an einem Kristall unter einem bestimmten Winkel bei einer bestimmten Wellenlänge ein Beugungsreflex erzeugt. Allerdings ist die reflektierte Strahlintensität sehr gering.

== Röntgenoptische Geräte ==

* [[EUV-Lithografie]]
* [[Einkristalldiffraktometer]]
* [[Pulverdiffraktometer]]
* [[Röntgenmikroskopie|Röntgenmikroskop]]
* Röntgen[[monochromator]]
* [[Röntgenteleskop]]
* [[refraktive Röntgenlinse]]n

== Weblinks ==
*{{internetquelle |autor= Arndt Last|hrsg= |url= http://www.x-ray-optics.de |sprache= |titel= Röntgenoptik|werk= |datum= |zugriff=19. November 2019}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4178318-9|LCCN=sh85148740}}

{{DEFAULTSORT:Rontgenoptik}}
[[Kategorie:Optik]]
[[Kategorie:Oberflächenphysik]]

Röntgenoptik - Versionsgeschichte

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