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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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STAND DER
TECHNIK
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Zur
Untersuchung und Charakterisierung von Werkstoffen und Materialen
sind Röntgendiffraktometrie
bzw. -Reflektometrie allgemein bekannt. Ebenfalls bekannt ist, dieses
Verfahren unter sehr flachen Einfallswinkeln, dem so genannten streifenden Einfall,
durchzuführen,
um sehr dünne
Proben oder Probenoberflächen
zu untersuchen.
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Auf
Grund der dafür
notwendigen Strahlengeometrie ist es bei den bekannten Vorrichtungen
erforderlich, jede zu untersuchende Probe einzeln in einer Probenhalterung
zu befestigen. Dies ist sehr aufwändig und für eine Reihenuntersuchung von
vielen Proben kaum praktikabel.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren für
die Untersuchung von Proben mittels vorzugsweise flach, insbesondere
streifend, auf die zu untersuchenden Proben einfallenden Strahlen,
insbesondere für
die Röntgenreflektometrie
bzw. -Diffraktometrie unter streifendem Einfall der Röntgenstrahlen,
bereit zu stellen, die diesem Nachteil aus dem Stand der Technik
begegnet. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein entsprechendes
Untersuchungsverfahren bereitgestellt werden, bei welchem viele
Proben in kurzer Zeit möglichst
automatisch untersucht werden können.
Gleichzeitig soll die Vorrichtung einfach aufgebaut und leicht bedienbar
sein.
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WESEN DER
ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie mit einem Röntgengerät mit den
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Merkmalen
des Anspruchs 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung geht aus von der Grundidee, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Probenhalterung mit mehreren Probenaufnahmen zur Aufnahme der
zu untersuchenden Proben aufweist, wobei die Probenaufnahmen in
die entsprechende Untersuchungsposition gebracht werden können.
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Hierzu
ist vorzugsweise ein Antrieb für
die Probenhalterung vorgesehen, so dass die Probenaufnahmen automatisch,
insbesondere nacheinander in die Untersuchungspositionen bringbar
sind.
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Durch
die Aufnahme mehrerer Probenaufnahmen in einer Probenhalterung kann
der Zeitaufwand des Bestückens
und Entladens beispielsweise eines Röntgengeräts für die Röntgendiffraktometrie deutlich
verkürzt
werde, so dass die Untersuchung von mehreren Proben hintereinander
in wirtschaftlicher Weise erfolgen kann.
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Durch
die Maßnahme,
dass die Probenaufnahmen in mindestens eine Untersuchungsposition gebracht
werden können,
kann den besonderen Geometrieanforderungen bei flach, insbesondere
streifend, einstrahlenden Untersuchungsstrahlen, wie beim streifenden
Einfall, Rechnung getragen werden.
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Vorzugsweise
erfolgt dies insbesondere dadurch, dass Mittel vorgesehen sind,
die jede Probenaufnahme einzeln gegenüber den anderen Probeaufnahmen
und vorzugsweise unabhängig
von diesen so in die Untersuchungsposition bringen, dass die in der
Probeaufnahme angeordnete Probe, die untersucht werden soll, in
den Strahlengang gebracht wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind hierzu Hebewerkzeuge vorgesehen, die die einzelne Probenaufnahme
gegenüber
den anderen Probenaufnahmen der Probenhalterung in die Untersuchungsposition
anhebt, so dass nur diese Probenaufnahme in der Untersuchungsposition
im Strahlengang angeordnet ist, während die übrigen Probenaufnahmen in einer
abgesenkten Position verbleiben und damit auch den flach einfallenden
Untersuchungsstrahl nicht stören
oder gar blockieren.
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Das
Bewegen bzw. Anheben der Probenaufnahme in die jeweilige Untersuchungsposition
kann durch alle geeigneten Mittel erfolgen, insbesondere durch hydraulische,
pneumatische oder elektromotorische Antriebe sowie ebenfalls durch
entsprechende mechanische Mittel, wie mechanische Rampen, bewegliche
Stößel und
dergleichen. Letzteres hat insbesondere den Vorteil, dass hier lediglich
ein Antrieb für
die Bewegung der Probenhalterung insgesamt als auch für die Bewegung
der Probenaufnahmen ausreichend ist, wenn die Bewegungen durch entsprechende
Getriebe oder sonstige Anordnungen mechanisch gekoppelt sind.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Probenaufnahmen nach der Bewegung in den Strahlengang immer
in einer definierten Position angeordnet sind, ist es vorteilhaft
für die
Probenaufnahmen einen entsprechenden Anschlag, vorzugsweise einen Drei-Punkt-Anschlag,
der eine entsprechende Ebene definiert, vorzusehen. Dies hat auch
den Vorteil, dass, wie weiter unten noch zu sehen ist, eine Justierung
der Probenoberfläche
bezüglich
des Strahlengangs unabhängig
von der Bewegung der Probenaufnahme erfolgen kann, insbesondere
durch eine überlagerte
Bewegung der gesamten Probenhalterung.
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Vorzugsweise
ist die Probenhalterung so aufgebaut, dass sie einen Drehteller
umfasst, auf oder an dem die Probenaufnahmen ringförmig angeordnet
sind, wobei durch die Drehbewegung des Drehtellers die Probenaufnahmen
nacheinander in die entsprechende Untersuchungsposition gebracht werden
können.
Ein derartiges Design hat den Vorteil, dass es sehr Platz sparend
ist und mit dem Design verfügbarer
Röntgendiffraktometer
oder -Reflektometer kompatibel ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine gegenüber
dem Drehteller ortsfest angeordnete Basisplatte vorgesehen, die
im Bereich der Untersuchungsposition eine Rampe aufweist, welche
mit einem beweglich in einer Führung,
beispielsweise einer zylindrischen Öffnung, des Drehtellers angeordneten
Stößel zusammen
wirkt und diesen beim Bewegen über
die Rampe anheben und absenken kann. An dem der Rampe gegenüberliegenden
Ende des Stößels ist
dann die Probenaufnahme vorgesehen, so dass durch diese einfache
mechanische Maßnahme
eine definierte Einbringung der Probe in oder auf der Probenaufnahme
in den Strahlengang ermöglicht
wird.
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Da üblicherweise
unterschiedliche Proben in der Vorrichtung zur Untersuchung gehalten
werden sollen, ist es vorteilhaft ein Mittel vorzusehen, mit der die
Probenhalterung insgesamt bezüglich
des Untersuchungsstrahls justiert werden kann. Vorzugsweise ist
hierzu ein Bewegungsmechanismus, insbesondere ein Hubmechanismus
vorgesehen, mittels der die Probenhalterung mit den Probeaufnahmen
bezüglich des
Untersuchungsstrahls bewegt werden kann.
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Damit
ist es beispielsweise möglich
die zu untersuchende Probe bzw. die Probenoberfläche unabhängig von der Bewegung der Probenaufnahme zur
Einbringung der Probe in den Untersuchungsstrahl bzw. Strahlengang
in Bezug auf eine im Strahlengang fest angeordnete und somit als
Fixpunkt dienende Schneidblende zu bewegen und so den Abstand zwischen
Probenoberfläche
und Schneidblende zu variieren, um den Untersuchungsstrahl einzustellen.
Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Probe einmal definiert über die
Probenaufnahme in einem vorgegebenen Weg bewegt wird und andererseits
zur Justierung im Strahlengang mit der gesamten Probenhalterung.
Vorzugsweise kann der Untersuchungsstrahl, beispielsweise der Röntgenstrahl zur
Justierung der Probenoberfläche
bzw. der Probenhalterung eingesetzt werden, wenn beispielsweise
entsprechende Erfassungsmittel für
den Untersuchungsstrahl in geeigneter Weise vorgesehen sind.
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Bei
der Justage des Probenhalters bezüglich der als Fixpunkt dienenden
Schneidblende ist es vorteilhaft, wenn der Probenhalter nicht nur
in der Höhe verstellbar
ist, sondern darüber
hinaus auch eine Verdrehbarkeit des Probenhalters um eine Achse,
welche senkrecht auf der Einfallsebene des Messstrahls steht, vorgesehen
ist. Dies ermöglicht
eine winkelbezogene Justage des Probenhalters.
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Vorzugsweise
ist eine programmierbare Verarbeitungseinheit, wie ein Computer
oder ein entsprechender Prozessor vorhanden, der zur Erfassung und
zur Verarbeitung von entsprechenden Arbeitsdaten zur Steuerung und/oder
zur Regelung der gesamten Vorrichtung oder einzelner Komponenten vorgesehen
ist, so dass insbesondere ein vollautomatischer Betrieb, d. h.,
eine vollautomatische Untersuchung und/oder Auswertung möglich ist.
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Beim
Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
die Proben in den Probenaufnahmen automatisch nacheinander in die
Untersuchungsposition gebracht werden, um dort untersucht und vorzugsweise
vollautomatisch ausgewertet zu werden.
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Durch
die Gestaltung mit einer vorzugsweise automatisch zwangsgesteuerten
Bewegung der einzelnen Probenaufnahmen zur Einbringung der Proben
in den Strahlengang in der Untersuchungsposition sowie einer unabhängigen Bewegung
der Probenhalterung zur Justierung der Proben bezüglich des Strahlengangs
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
sowohl in der Weise betrieben werden, dass bei gleichartigen Proben
eine Justierung einmal pro in der Probenhalterung aufgenommener
Probenserie für
sämtliche
Proben erfolgt, oder dass jede Probe einzeln im Strahlengang justiert
wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Weitere
Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der beigefügten
Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer
Weise in:
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1 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2 eine
Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 und in
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3 in
den Teilbildern a) bis c) die erfindungsgemäße Wirkungsweise der Vorrichtung
aus den 1 und 2.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 ist
eine Probenhalterung mit einem Drehteller 1 in einer Draufsicht
gezeigt, wobei auf dem Drehteller 1 ringförmig umlaufend
mehrere Plätze 2 für Probenaufnahmen 6 angeordnet
sind.
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Mit 3 ist
schematisch ein Röntgenstrahl
gezeigt, der unter einem sehr flachen Winkel (streifender Einfall)
auf die in den Probenaufnahmen 6 angeordneten Proben fällt, und
zwar in der Untersuchungsposition, in der die Probenaufnahme bei 12 gezeigt
ist.
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Um
zu vermeiden, dass der Röntgenstrahl 3 durch
die vorangegangene Probe in der Probenaufnahme 13 oder
die nachfolgende Probe in der Probenaufnahme 11 blockiert
oder gestört
wird, sind die Probenaufnahmen 6 so ausgestaltet, dass,
wie sich aus den 2 und 3 ergibt,
die Probenaufnahme 6 in der Untersuchungsposition 12 in
den Röntgenstrahl 3 angehoben
wird. Auf diese Weise ist es möglich,
dass die in den ringförmig
verteilten Plätzen 2 in
den Probeaufnahmen 6 aufgenommenen Proben automatisch nacheinander
durch den streifend einfallenden Röntgenstrahl 3 untersucht
werden können, wenn
der Drehteller Schritt für
Schritt die Probenaufnahmen in die Untersuchungsposition bringt.
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Die 2 verdeutlicht
den Mechanismus der Vorrichtung aus 1 in einer
Seitendarstellung. Hier ist zu sehen, dass der kreisförmigen Drehteller 1 der
Probenhalterung durch einen unterhalb angeordneten Antrieb 4 in
eine Drehbewegung versetzt wird, so dass gemäß der Darstellung der 1 die
in den Plätzen 2 des
Drehtellers 1 ringförmig
angeordneten Probenaufnahmen 6 in der Untersuchungsposition (linke
Bildseite der 2) in den Strahlengang (nicht dargestellt)
angehoben werden können,
während
die übrigen
Probenaufnahmen 6 (rechte Bildseite) in einer nicht angehobenen
bzw. abgesenkten Position verbleiben, um den einfallenden und reflektierten bzw.
gebeugten Röntgenstrahl
nicht zu blockieren oder zu stören.
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Zu
diesem Zweck ist unterhalb des Drehtellers 1, eine Basisplatte 9 vorgesehen,
die gegenüber dem
Drehteller 1 ortsfest ausgebildet ist. Auf der Basisplatte 9 ist
eine Rampe 8 vorgesehen, und zwar in dem Bereich, in dem
die Probenaufnahme 6 in die Untersuchungsposition gebracht
werden soll. Die Rampe 8 wirkt mit einem Stößel in Form
eines Stabes oder Rohres zusammen, an dessen oberen Ende die Probenaufnahme 6 angeordnet
ist. Der Stößel 7 ist
in einer Öffnung
des Drehtellers 1 verschiebbar geführt, so dass der Stößel und
die Probenaufnahme 6 frei beweglich sind. Die Rampe 8 ist
nun so angebracht, dass sie in ihrer Höhe genau dem Zwischenraum zwischen
der Basisplatte 9 und dem Drehteller 1 entspricht.
Entsprechend wird der Stößel 7 durch die
Rampe 8 nach oben geschoben, wenn der Stößel 7 durch
die Drehbewegung des Drehtellers in den Bereich der Rampe 8 gelangt.
Auf diese Weise wird die Probenaufnahme 6 mit der Probe
automatisch in den Strahlengang des Röntgenstrahls gebracht, wobei
die Rampe 8 gleichzeitig ein definiertes Auflager bildet.
In allen übrigen
Bereichen außerhalb
der Rampe 8 liegt die Probenaufnahme 6 in Folge
der Schwerkraft auf dem Drehteller 1 auf und der Stößel 7 ragt
nach untern in den Zwischenraum zwischen den Drehteller 1 und
der Basisplatte 9.
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In 3 ist
in den Teilbildern a) bis c) das Prinzip des Anhebens der Proben
mit der Probenaufnahme 6 in den Strahlengang des Röntgenstrahls 3 noch
einmal schematisch gezeigt.
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Im
Teilbild a) der 3 gelangt der Stößel 7 mit
der Probenaufnahme 6, der in einer Probenhalterungskomponente 10 verschiebbar
gelagert ist, an den Anfang der in Bewegungsrichtung der Probenhalterungskomponente 10 schräg verlaufenden Rampe 8,
wobei durch die fortgesetzte Bewegung der Probenhalterungskomponente 10 bezüglich der Basisplatte 9 der
Stößel 7 mit
der Probenaufnahme 6 angehoben wird und anschließend bei
fortgesetzter Bewegung der Probenhalterungskomponente 10 gegenüber der
Basisplatte 9 (Teilbild c) nach Verlassen der Rampe 8 wieder
in die ursprüngliche
Position zurückkehrt.
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Gegenüberliegend
der Rampe 8 befindet sich in der Untersuchungsposition 12 eine
Schneidblende 5, die zusammen mit der Probenoberfläche der auf
oder in der Probenaufnahme 6 angeordneten Probe den Durchtrittsbereich
des Röntgenstrahls 3 definiert.
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Zur
Justierung der Probenoberfläche
kann die Probenhalterung aus Drehteller 1 und Basisplatte 9 in
der Höhe
bzw. im Abstand bezüglich
der Schneidblende 5 verfahren werden, wie der Doppelpfeil
in 2 andeutet. Auf diese Weise ist es möglich, die
Probenhalterung 1, 9 insgesamt für alle in den
Probeaufnahmen 6 befindliche Proben bezüglich des Röntgenstrahls 3 zu
justieren, wenn die Proben alle dieselbe Dicke aufweisen oder in
den Probeaufnahmen 6 so aufgenommen sind, dass sie eine
gemeinsam definierte Höhe
besitzen. Alternativ kann jede Probe in der Untersuchungsposition 12 bezüglich des
Röntgenstrahls 3 justiert
werden, wozu ebenfalls die Probenhalterung 1, 9 in
der Höhe
verstellbar bzw. bezüglich
der Schneidblende bewegbar ist.
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Darüber hinaus
ist die Probenhalterung um eine Achse rotierbar, welche senkrecht
zur Einfallsebene der streifend einfallenden Röntgenstrahlung verläuft.
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Um
eine vollautomatische Untersuchung der Proben zu gewährleisten,
kann zur richtigen Ausrichtung der Probenoberfläche der Röntgenstrahl 3 verwendet
werden, wobei lediglich entsprechende Sensoren zur Erfassung des
Röntgenstrahls
dabei vorgesehen werden müssen.
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Während bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das in den 1 bis 3 dargestellt
ist, das Anheben der Probenaufnahme 6 durch eine mechanische
Rampe und einen beweglichen Stößel 7 erfolgt,
sind auch andere Hebewerkzeuge, wie hydraulische, pneumatische oder
elektromotorische Antriebe oder auch sonstige Getriebe denkbar.
In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Bewegung der Probenaufnahme
bezüglich
des übrigen
Probenhalters definiert in immer der gleichen Weise erfolgt, so dass
die Justierung der Probenoberfläche
bezüglich des
Röntgenstrahls über einen
Bewegungs- oder Hubmechanismus der gesamten Probenhalterung erfolgen
kann.
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Zu
diesem Zweck ist es vorteilhaft, einen Anschlag für die bewegliche
Probenaufnahme 6 bzw. das Hebewerkzeug vorzusehen. Vorzugsweise
ist ein derartiger Anschlag als ein Drei-Punkt Anschlag, der mit den drei Anschlagpunkten
eine entsprechende Ebene definiert, ausgebildet. Auf diese Weise
ist es möglich,
durch eine Bewegung der gesamten Probenhalterung bei ausgefahrener
bzw. zur Untersuchung angeordneter Probenaufnahme den Abstand zwischen
Schneidblende 5 und Probenoberfläche einzustellen und somit
den Strahlengang zu justieren, wobei die Schneidblende 5 eine
fixe absolute Position darstellt.