Ion Beam Figuring von Röntgenspiegeln

Die Röntgenastronomie hat entscheidend zum Verständnis der Entstehung des Universums beigetragen. Viele astronomische Objekte senden Röntgenstrahlung aus, welche analysiert wird, um Erkenntnisse über die Entstehung von schwarzen Löchern, Supernovas oder den Aufbau von Galaxien zu gewinnen.

Da die Erdatmosphäre Röntgenstrahlung absorbiert, müssen Röntgenteleskope im Weltall betrieben werden. Aufgrund der kurzen Wellenlänge von Röntgenstrahlen müssen die fokussierenden Spiegel, für optische Abbildungen mittels Reflexion, auf einen streifenden Lichteinfall ausgerichtet werden. Da die beobachteten Objekte oft kaum Strahlung aussenden (nur wenige Photonen pro Stunde), ist jedes einzelne Photon von Interesse. Um die Photonenausbeute zu erhöhen, müssen Hunderte oder Tausende von Spiegeln konzentrisch angeordnet werden, wie in einem Wolter-Teleskop (Abbildung 1). Eine gute Qualität der Abbildung erfordert jedoch, dass die Oberflächengeometrie der Röntgenspiegel möglichst nah an der Idealform ist. Jede Abweichung der realen von der idealen Form ist kritisch für die Abbildungsqualität.

Der Grundkörper des Spiegels wird zunächst mittels mechanischer Bearbeitung aus einem Siliziumblock geformt und dann auf der Spiegelseite mittels Chemisch-Mechanischem-Polieren (CMP) bearbeitet. Die Bearbeitung ist aufgrund der rechteckigen Form und der Krümmung sehr anspruchsvoll und so bleibt nach dem CMP noch ein Oberflächenformfehler von einigen Hundert Nanometern. Mittels Ionen­strahl­form­fehler­korrektur (engl. Ion Beam Figuring, IBF) kann dieser Restfehler korrigiert werden.

In dem gezeigten Beispiel wurden Spiegel des NASA Goddard Space Flight Center (Abbildung 2) von der scia Systems GmbH mittels IBF bearbeitet. Beim Ion Beam Figuring scannt der Ionenstrahl (Breite < 10 mm) rasterförmig über die Spiegeloberfläche. Durch Ändern der Verweilzeit bzw. Verfahrgeschwindigkeit wird an jeder Stelle die exakte Menge an Material zur Korrektur des Formfehlers abgetragen. Die Abtragsrate des Ionenstrahls hängt dabei nicht nur vom Material und der Ionenenergie ab, sondern auch vom Einfallswinkel der Ionen auf der Oberfläche (Abbildung 3). Durch diese Winkelabhängigkeit des Abtrags muss auch die Oberflächenkrümmung des Spiegels berücksichtigt werden. Anhand der gemessenen Oberflächenformfehler und der Spiegelkontur kann nun die Verweilzeit des Ionenstrahls berechnet werden.

Spiegel der NASA wurden auf einer scia Trim 200 mittels Ionenstrahlformfehlerkorrektur bearbeitet. Abbildung 4 zeigt zunächst den Ausgangsfehler (4a) und den Fehler nach der Bearbeitung (4b). Die mittlere quadratische Abweichung (RMS) des Restfehlers konnte um einen Faktor 14 verringert werden und somit wurden Werte im einstelligen Nanometerbereich erzielt.

Durch einen zweiten Korrekturprozess mithilfe eines Ionenstrahls geringerer Breite kann der Fehler weiter reduziert werden.