DD211635A1

DD211635A1 - CRYSTAL MONOCHROMATOR FOR ROENTGENTOPOGRAPHIC EXAMINATIONS

Info

Publication number: DD211635A1
Application number: DD24339782A
Authority: DD
Inventors: Ehrenfried Zschech; Georg Merz; Winfried Blau; Eckhart Foerster
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1982-09-21
Filing date: 1982-09-21
Publication date: 1984-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kristallmonochromator fuer roentgentopographische Untersuchungen, der ein verbreitertes Roentgenstrahlbuendel erzeugt. Der Monochromator besteht aus einem einzigen Einkristall, aus dem ein durch zwei ebene Flaechen begrenzter Sektor herausgeschnitten ist, wobei das primaere Roentgenstrahlbuendel auf eine der den Sektor begrenzenden Kristalloberflaechen auftritt. Gegenueber herkoemmlichen Kristallmonochromatoranordnungen mit zwei oder mehr Einkristallen verringert sich mit dem erfindungsgemaessen Kristallmonochromator der Justieraufwand.The invention relates to a crystal monochromator for Roentgentopographische investigations, which produces a broadened X-ray beam. The monochromator consists of a single monocrystal, from which a sector delimited by two flat surfaces is cut out, with the primary X-ray beam appearing on one of the sector-limiting crystal surfaces. Compared with conventional crystal monochromator arrangements with two or more single crystals, the adjustment effort is reduced with the crystal monochromator according to the invention.

Description

Title of the invention

Kristallmonochromator für röntgentopographische UntersuchungenCrystal monochromator for X-ray topographic investigations

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Kristallmonochromator für röntgentopographische Untersuchungen, die ein breites, monochromatisches Röntgenstrahlbündel erfordern. Der Kristallmonochromator ist besonders für die Bestimmung von letzebenenverkippungen an Einkristallen geeignet, wie sie zum Beispiel bei gekrümmten Spektrometerkristallen auftreten. 'The invention relates to a crystal monochromator for X-ray topographic examinations which require a broad, monochromatic X-ray beam. The crystal monochromator is particularly suitable for determining single-plane tilting of single crystals, as occurs, for example, in curved spectrometer crystals. '

Characteristic of the known technical solutions

Bekannte Monochromatoren zur Herstellung breiter, monochromatischer Röntgenstrahlbündel aus solchen Röntgenstrahlbündeln, die üblichen Röntgenröhren entstammen, bestehen aus zwei oder mehreren Einkristallen, an denen das Röntgenstrahlbündel mehrfach reflektiert wird (K. GODWOD, phys. stat. sol. (a) 2(i97o),235). Eine Monochromatisie-" rung ergibt sich dann, wenn die BRAGG-Reflexion nacheinander an zueinander nicht parallelen Hetzebenen erfolgt. Dabei findet gleichseitig eine Strahlverbreiterung statt, wenn die Reflexion asymmetrisch ist, d. h. wenn die reflektierenden letzebenen gegenüber den Kristalloberflächen geneigt sind. Derartige Mehrkristallmonochromatoren,' mit denen dise Bedingungen erfüllt werden können, habenKnown monochromators for producing broad, monochromatic X-ray beams from such X-ray beams originating from conventional X-ray tubes consist of two or more single crystals on which the X-ray beam is reflected several times (K. GODWOD, Phys. 235). A monochromatization occurs when the BRAGG reflection takes place successively at mutually non-parallel propagation planes, whereby a beam broadening takes place on the equilateral side if the reflection is asymmetric, ie if the reflective latitudinal planes are inclined with respect to the crystal surfaces. with which conditions can be fulfilled

.<Ή CCiMQQ. <Ή CCiMQQ

den Nachteil-, daß die benutzten Einkristalle vom Benutzer sehr genau zueinander justiert werden müssen. Diese Justierung erfordert viel Zeit und ist nur durchzuführen, wenn die einzelnen Kristalle auf entsprechenden Goniometern angebracht sind, um die Ueigung reproduzierbar einstellen su können. Der konstruktive Aufwand ist damit hoch, und außerdem ergibt sich zusätzlich der Nachteil,· daß diese Kristalle einen größeren Abstand zueinander haben, sodaß Intensitätsverluste durch Absorption der Röntgenstrahlung in der Luft auftreten.the disadvantage - that the single crystals used by the user must be adjusted very closely to each other. This adjustment requires a lot of time and is only carried out when the individual crystals are mounted on appropriate goniometers to adjust the slope reproducibly. The design effort is thus high, and also there is the additional disadvantage that · these crystals have a greater distance from each other, so that intensity losses occur by absorption of the X-radiation in the air.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist ein einfach zu handhabender Kristallinonochromator für röntgentopographische Untersuchungen.The aim of the invention is an easy-to-use Kristallinonochromator for X-ray topographic investigations.

Explanation of the essence of the invention

Die Erfindung löst die Aufgabe, den Aufwand für die Justierung eines Kristallmonochromators für röntgentopographische Untersuchungen herabzusetzen. Srfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kristallmonochromator aus einem einzigen Einkristall besteht, aus dem ein durch zwei nicht parallele ebene PIachen begrenzter Sektor herausgeschnitten ist, wobei das primäre RÖntgenstrahlbündel auf die eine der den Sektor begrenzenden Kristailoberflachen gerichtet ist, das nach einer ersten asymmetrischen BRAGG-Reflexion entstandene RÖntgenstrahlbündel auf die andere der den Sektor begrenzende Kristalloberfläche trifft und das nach einer zweiten asymmetrischen BRAGG-Reflexion entstandene verbreiterte monochromatische RÖntgenstrahlbündel den Monochromator verläßt. Die für die beiden BRAGG-Reflexionen benutzten Jletzebenen haben zueinander eine unveränderliche, exakt definierte Lage. Die Strahlverbreiterung wird durch den Winkel, den die jeweiligen, den Sektor begrenzenden Kristalloberflächen und die reflektierenden HetzebenenThe invention solves the problem of reducing the effort for the adjustment of a crystal monochromator for X-ray topographic investigations. According to the invention, the object is achieved in that the crystal monochromator consists of a single monocrystal from which a sector delimited by two non-parallel plane planes is cut, the primary X-ray beam being directed to one of the sector-limiting crystal surfaces following a first asymmetric one BRAGG reflection caused X-ray beam to the other of the sector bordering crystal surface meets and leaves after a second asymmetric BRAGG reflection broadened monochromatic X-ray beam leaves the monochromator. The jetting planes used for the two BRAGG reflections have an unchangeable, precisely defined position relative to each other. The beam broadening is determined by the angle, the respective crystal surfaces delimiting the sector, and the reflective launching planes

_ 3 —_ 3 -

einschließen, bestimmt und ist mit der Herstellung des Monochromators festgelegt. Pur die Justierung muß der Kristall lediglich mit Hilfe eines Goniometers zum primären Röntgenstrahlbündel ausgerichtet werden. Dadurch ist der Justieraufwand gegenüber den bekannten Mehrkristallanordnungen wesentlich geringer, und es ergeben sich außerdem kurze Strahlwege für die Röntgenstrahlung. Die Lage eines für eine vorgegebene Wellenlänge λ der Röntgenstrahlung hergestellten Monochromators ist bezüglich der Richtung des primären Röntgenstrahlbündeis und demzufolge auch bezüglich der dieses Röntgenstrahlbündel begrenzenden und die Strahlrichtung festlegenden Geometrieelemente (Blendensysteme, Kollimatoren) eindeutig bestimmt. Damit ergibt sich der besondere Vorteil, daß der Kristallmonochromator so mit diesen Geoinetrieelementen verbunden werden kann, daß die Justierung nur bei der Herstellung durchgeführt werden muß und der Benutzer überhaupt keine Justierarbeit mehr hat. Der Monochromator bedarf in diesem Falle überhaupt keines Goniometers mehr.included, and is determined with the production of the monochromator. For the adjustment only the crystal must be aligned with the aid of a goniometer to the primary X-ray beam. As a result, the adjustment effort compared to the known multi-crystal arrangements is substantially lower, and it also results in short beam paths for the X-rays. The position of a monochromator produced for a given wavelength λ of the X-ray radiation is clearly determined with respect to the direction of the primary X-ray beam and consequently also with respect to the geometry elements (diaphragm systems, collimators) delimiting this X-ray beam and defining the beam direction. This results in the particular advantage that the crystal monochromator can be connected to these Geoinetrieelementen so that the adjustment must be performed only in the production and the user has no adjustment work at all. The monochromator no longer needs a goniometer in this case.

Der erfindungsgemäße Kristallmonochromator ist an eine gegebene Wellenlänge λ und eine geforderte Strahlverbreiterung B optimal angepaßt, wenn die Richtungen der den Sektor begrenzenden Kristalloberflächen auf die nachfolgend beschriebene Weise festgelegt sind:The crystal monochromator according to the present invention is optimally adapted to a given wavelength λ and a required beam broadening B when the directions of the sector-limiting crystal surfaces are set in the following manner:

Me Struktur des verwendeten Kristalls wird durch seine Gittervektoren ät, a^ und a'.-, charakterisiert, die für die BRAGG-Reflexionen benutzten Eetzebenen sind durch ihre Millerschen Indizes (h. k- I₁) und (hp kp Ip) vorgegeben. Alle Richtungsangaben beziehen sich auf ein kartesisches Koordinatensystem, in dein die Richtungen der Gittervektoren des Kristalls festgelegt sind. Aus den Millerschen Indizes bestimmen sich die Richtungen der Ketzebenennor« malen η- und n^ sowie die Eetzebenenabstände d.. und dp in der aus der Kristallographie bekannten Weise. Aus der Wellenlänge λ des zu erzeugenden RöntgenstrahlbündelsThe structure of the crystal used is characterized by its lattice vectors, a ^ and a '.-, and the Elegebenes used for the BRAGG reflections are given by their Miller indices (h.k- I ₁ ) and (hp kp Ip). All directions refer to a Cartesian coordinate system in which the directions of the lattice vectors of the crystal are specified. From the Miller indices, the directions of the kernel nomenclatures η- and n ^ and the seed-plane distances d... And dp are determined in the manner known from crystallography. From the wavelength λ of the x-ray beam to be generated

ergeben sich mittels der BRAGGschen Gleichungen die BRAGG-Winkel ^₁ und ^₂:the BRAGG angles ^ ₁ and ^ ₂ are given by BRAGG's equations:

2 . d₁ .2. d ₁ .

2 · dp · oj-juvp2 · dp · oj-juvp

m/ und nip sind frei wählbare ganze Zahlen, die Beugungsordnungen.m / and nip are freely selectable integers, the diffraction orders.

Die Richtungsvektoren des Rontgenstrahlbündels vor der ersten Reflexion (S₁), nach der ersten und vor der zweiten Reflexion (st) und nach der zweiten Reflexion (st) ,^ gehen aus folgendem Gleichungssystem hervor:The directional vectors of the X-ray beam before the first reflection (S ₁ ), after the first and before the second reflection (st) and after the second reflection (st), ^ are given by the following system of equations:

1I₁ · S₁ - SmV₁ n„ . sT = + sin^.1I ₁ · S ₁ - SmV ₁ n ". sT = + sin ^.

⁵1 ^# ^2 ^{= + cos}^² ·^ ⁵ 1 ^# ^ 2 ^{= + cos} ^ ² · ^

5₂ . st = + cos(2 . v*5 ₂ . st = + cos (2nd v *

— "1- "1

.Die geforderte Strahlverbreiterung B wird auf die Strahlverbreiterungen B₁ und B₂ bei beiden Reflexionen entsprechend der BeziehungThe required beam broadening B is applied to the beam broadenings B ₁ and B ₂ in both reflections according to the relationship

B ⁼ Βλ · BpB ⁼ Βλ · Bp

beliebig aufgeteilt.divided as desired.

Danach werden die Uormalenvektoren "£*, und zt der den Sektor begrenzenden Kristalloberflächen durch folgendes Gleichungssystem bestimmt jThen the uormalen vectors "£ *, and zt of the crystal surfaces bounding the sector are determined by the following system of equations j

«. 5 —". 5 -

= ο= ο

S-j · Zq ⁼ Jj,-) · S rj · ZqSj · Zq ⁼ Jj, -) · S rj · Zq

o X Sn) . Z₂ = 0o Xn Sn). Z ₂ = 0

= 1= 1

embodiment

Bei dem nachfolgend "beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um einen Kristal!monochromator, der der Erzeugung eines Röntgenstrahlbündels zur Untersuchung .der Biegequalitat gekrümmter Spektroineterkristalle dient.The exemplary embodiment of the invention described below is a crystal monochromator which serves to generate an X-ray beam for examining the bending quality of curved spectro tinene crystals.

Der Monochromator ist für die Wellenlänge Λ = 1.54o562 1 der Kupfer-Kec.-Strahlung bei einer Strahiverbreiterung um den Paktor B = 59 ausgelegt. Er besteht aus einem Siliziumkristall, aus dem ein durch zwei ebene Flächen begrenzter Sektor herausgeschnitten ist. Der Sektorwinkel beträgt 58.555°.The monochromator is designed for the wavelength Λ = 1.54o562 1 of the copper Kec radiation with a beam broadening around the factor B = 59. It consists of a silicon crystal, from which a sector bounded by two flat surfaces is cut out. The sector angle is 58.555 °.

In Figur 1 ist der Monochromator schematisch dargestellt, wobei in der Darstellung die äußeren Konturen des Einkristalls 1 der Form der Elementarzelle des kubischen Kristallgitters, in dem Silizium kristallisiert, angepaßt sind. Das ankommende primäre Röntgenstrahlbündel 2 trifft auf eine der den Sektor begrenzenden Kristalloberflächen 5* Der um den Faktor 7.7 verbreiterte Strahl 3 des an der üietzebene (oiT) in zweiter BeugungsOrdnung reflektierten Bündels der Wellenlänge λ trifft auf die andere den Sektor begrenzende Kristalloberfläche 6. Hier wird er an der letzebene (1o7) in zweiter BeugungsOrdnung als Bündel 4In Figure 1, the monochromator is shown schematically, wherein in the representation, the outer contours of the single crystal 1 of the shape of the unit cell of the cubic crystal lattice in which silicon is crystallized, adapted. The incoming primary X-ray beam 2 impinges on one of the crystal surfaces 5 delimiting the sector. The beam 3 of the bundle of wavelength λ, which is diffracted by the factor 7.7, of the bundle of the wavelength λ which is reflected in the second diffraction order (OiT) strikes the other crystal surface 6 delimiting the sector he at the last level (1o7) in second diffraction order as bundle 4

mit insgesamt 59-facher Verbreiterung reflektiert und steht in dieser Form für röntgentopographische Untersuchungenzur Verfügung.with a total of 59 times broadening and is available in this form for X-ray topographic investigations.

Unter Berücksichtigung des Wertes a = 5·43ο945 1 der Gitterkonstanten von Silizium sind die Eormalenvektoren der den Sektor begrenzenden Kristalloberflächen festgelegt:Taking into account the value a = 5 · 43ο 945 1 of the lattice constants of silicon, the normal vectors of the crystal surfaces delimiting the sector are defined:

zl = 0.0777221 e* - 0.8892256 el + ο.4568182 et ι χ j ζzl = 0.0777221 e * - 0.8892256 el + ο.4568182 et ι χ j ζ

Z₀ =-0.6912751 el - ο.318179ο et. + 0.6487687 et Z ₀ = -0.6912751 el - ο.318179ο et. +0.6487687 et

Der Kristallmonochromator ist richtig zum einfallenden primären Röntgenstrahlbündel justiert, wenn dieses in der RichtungThe crystal monochromator is properly adjusted to the incident primary x-ray beam when moving in the direction

si =-0.2227611 e*"+ 0.3445897 et + o.911940.5 etsi = -0.2227611 e * "+ 0.3445897 et + o.911940.5 et

auf trifft. Das monochromatische, verbreiterte Rö'ntgenstrahlbündel hat dann die Richtung it = 0.3445897 et + p.91194o5 e* - 0.2227611 et .on hits. The monochromatic broadened X-ray beam then has the direction it = 0.3445897 et + p.91194o5 e * - 0.2227611 et.

Claims

invention claim

A crystal monochromator for X-ray topographic examinations, characterized in that it consists of a single single crystal from which a sector delimited by two non-parallel planar surfaces is cut, the primary X-ray beam being directed to one of the sector surfaces defining crystal surfaces after a first asymmetric one BRAGG reflection formed X-ray beam to the other of the crystal bordering the sector surface meets and which results after a second asymmetric BRAGG Reflezenion.widened monochromatic X-ray beam leaves the monochromator.

For this 1 sheet drawings.