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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen einer Probe mit
Röntgenstrahlung
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Eine
solche Vorrichtung, die eine beispielsweise durch eine Röntgenröhre gegebene
Röntgenquelle,
eine erste Spaltblende und eine in Strahlungsausbreitungsrichtung
auf die erste Spaltblende folgende zweite Spaltblende umfasst, eignet
sich für
die Röntgen-Kleinwinkelstreuung
von bestrahlten Proben. Dabei wirken die beiden Spaltblenden als
Kollimator, der die von der typischerweise quasi punktförmig strahlenden
Röntgenquelle
ausgehende Röntgenstrahlung
zumindest bezüglich
einer zur Strahlungsausbreitungsrichtung senkrechten Richtung so begrenzt,
dass ein aus der zweiten Spaltblende austretender Fächerstrahl
zumindest in dieser Richtung eine sehr begrenzte Ausdehnung hat
und behält. Eine
derartige Vorrichtung eignet sich daher insbesondere als Kollimator
in einer Kleinwinkel-Streukammer, die im Allgemeinen für eine streuwinkelabhängige Registrierung
der Strahlung konzipiert, ohne dabei das Bestrahlungsvolumen der
Probe zu variieren. Darüber
hinaus ist für
das Verfahren der Röntgen-Refraktions-Topographie
die zweidimensionale Abtastung der Probe im kollimierten Fächerstrahl
erforderlich, um die Intensität
der Streustrahlung ortsaufgelöst
zu detektieren. Die Intensität
der Röntgenstreuung
wird immer in der zur Spaltrichtung orthogonalen Ebene, der sogenannten
Streuebene, detektiert, um auch sehr kleine Streuwinkel zu erfassen.
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Vorrichtungen
beschriebener Art nach dem Stand der Technik sind mit dem Nachteil
behaftet, dass damit eine zweidimensionale Abtastung der Probe einerseits
nur mit einer geringen lateralen Ortsauflösung möglich ist, weil die Röntgenstrahlung durch
die Spaltblenden nur in einer Richtung eng begrenzt wird, während andererseits
lange Messzeiten erforderlich sind, wenn die Breite des Fächerstrahls durch
eine weitere, zu den erstgenannten Blenden orthogonale Spaltblende
verkleinert wir, um den Bestrahlungsquerschnitt der Probe weiter
einzuschränken,
wobei die Intensität
dieses Strahls weiter verringert wird. Dabei bedingt eine höhere Auflösung längere Messzeiten,
während
sich umgekehrt kürzere Messzeiten
nur durch eine geringere Auflösung
erkaufen lassen.
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung
vorzuschlagen, mit der eine Probe durch Bestrahlen mit Röntgenstrahlung
mit einer hohen Ortsauflösung
analysiert werden kann, wobei das verglichen zum Stand der Technik
mit kurzen Messzeiten möglich
sein soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung
ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Dadurch,
dass innerhalb eines Strahlengangs zwischen der ersten und der zweiten
Spaltblende ein fokussierendes Element angeordnet ist, das eine
fokussierende Wirkung auf die von der Röntgenquelle ausgehende Röntgenstrahlung
hat, wird diese Röntgenstrahlung
so gebündelt,
dass schon ein auf die zweite Spaltblende auftreffender Strahl eine
geringere räumliche
Ausdehnung und gleichzeitig eine größere Intensität hat. Der
aus der zweiten Spaltblende austretende Strahl ist dadurch in der
dahinter liegenden Probeneben noch schärfer lateral begrenzt und hat
dabei eine vergleichsweise hohe Intensität, so dass er eine Abtastung
von Proben mit hoher Ortsauflösung
bei gleichzeitig vergleichsweise kurzen Messzeiten erlaubt. Wegen
der höheren
Intensität
des Strahls hinter dem fokussierenden Element kann dabei insbesondere
die zweite Spaltblende mit einem deutlich schmaleren Spalt ausgeführt werden,
ohne dass damit untragbar lange Messzeiten erforderlich würden. Eine
mögliche
nachteilige Beeinflussung des Strahls durch Beugungserscheinungen
an dem fokussierenden Element wird dabei durch die zweite Spaltblende
ausgeschlossen bzw. kompensiert, weil diese Spaltblende Streustrahlung,
die durch solche Beugungserscheinungen verursacht wird, ausblenden
kann.
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Dadurch,
dass das fokussierende Element zwischen der ersten Spaltblende und
der zweiten Spaltblende ange ordnet ist, ergibt sich eine vorteilhaft
kurze Bauform der Vorrichtung, die es erlaubt, einen vergleichsweise
großen
Raumwinkel der von der Röntgenquelle
ausgehenden Röntgenstrahlung
zu erfassen und zu kollimieren. Daraus folgt wiederum eine optimierte
Intensität
des aus der zweiten Spaltblende austretenden Strahls. Damit die
beiden Spaltblenden bezüglich
einer Raumrichtung kollimierend auf die von der Röntgenquelle
ausgehende Röntgenstrahlung
wirken und dabei einen möglichst
großen Teil
dieser Röntgenstrahlung
erfassen, sollten ie durch die beiden Spaltblenden gebildeten Spalte
vorzugsweise in einer Ebene liegen. Im Hinblick auf eine möglichst
hohe Winkelauflösung
ist es dabei vorteilhaft, wenn mindestens der erste Spalt eine Spaltbreite
von höchsten
40 μm, vorzugsweise
nicht mehr als 20 μm
hat. Dadurch, dass mit Hilfe des fokussierenden Elements eine höhere Strahlintensität erreicht wird,
kann die Breite des Eintrittsspalts problemlos auch mit einem Wert
von nicht mehr als 10 μm
gewählt
werden.
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Besonders
einfach lässt
sich die vorgeschlagene Vorrichtung realisieren, indem das fokussierende
Element als Reflektor ausgeführt
wird, der dazu eine konkave, vorzugsweise nur bezüglich einer Raumrichtung
gekrümmte,
reflektierende Oberfläche aufweist.
Dabei kann die reflektierende Oberfläche z. B. durch einen Einkristall,
einen Mosaik-Kristall, einen Gradientenkristall oder einen Multilayer-Struktur gebildet
und dadurch so ausgeführt
sein, dass sie die von der Röntgenquelle
ausgehende Röntgenstrahlung
zumindest in einem gewünschten
Spektralbereich reflektiert. Dabei kann der Spektralbereich, in dem
der Reflektor die Röntgenstrahlung
reflektiert, bewusst begrenzt gewählt werden, um die aus der zweiten
Spaltblende austretende Strahlung auf einen für die Röntgenstreu ung besonders geeigneten
Wellenlängenbereich
einzuschränken.
Im allgemeinen eignet sich dafür
besonders die intensive charakteristische Strahlung der Röntgenquelle.
Damit ist bekanntlich die Nutzung einer extrem monochromatischen
Strahlung möglich,
was die Bedingungen für quantitative
definierte Messwerte erheblich verbessert.
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In
einer alternativen Ausführung
kann das fokussierende Element auch als Transmissionskörper ausgebildet
sein. Dafür
eignen sich insbesondere gekrümmte
dünnwandige
Einkristalle oder Gradientenkristalle. Alternativ kann ein solches
transmissives fokussierendes Element auch als Fresnel-Zonenplatte oder
als Kapillarlinse ausgeführt
werden.
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Um
die Messung der Röntgenstreuung
einer hinter der zweiten Spaltblende angeordneten Probe zu ermöglichen,
kann die Vorrichtung ferner mindestens einen Detektor umfassen,
der in Strahlungsausbreitungsrichtung so weit hinter der zweiten
Spaltblende angeordnet ist, dass die Probe zwischen der zweiten
Spaltblende und dem mindestens einen Detektor Platz findet. Dabei
kann der mindestens eine Detektor z. B. als Szintillator ausgeführt sein
bzw. einen Szintillator umfassen. Die Vorrichtung kann dann insbesondere
als Kleinwinkel-Streukammer ausgeführt sein, wobei der Detektor
oder mindestens einer der Detektoren dazu außerhalb der durch die Spalte der
beiden Spaltblenden gebildeten Ebene angeordnet sein kann, um zwischen
der zweiten Spaltblende und diesem Detektor in oder an einer dort
angeordneten Probe gestreute Röntgenstrahlung
zu detektieren. Vorzugsweise weist die Vorrichtung dann zusätzlich zu
diesem Detektor einen Absorptionsdetektor auf, der die Größe eines
in der Probe absorbierten Anteils der Röntgenstrahlung zu bestimmen
erlaubt. Dieser Absorptionsdetektor kann ebenfalls außerhalb
der genannten Ebene angeordnet und mit einer hinter der zweiten
Streublende und hinter der Probe angeordneten Streufolie oder einem ähnlichen
Streukörper
zusammenwirkend ausgeführt
sein.
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Wenn
zwei Barrieren oder Backen, die jeweils einen von zwei Rändern des
Spalts der zweiten Spaltblende definieren, in Strahlungsausbreitungsrichtung
gegeneinander versetzt sind, kann in vorteilhafter Weise verhindert
werden, dass Beugungen an der zweiten Spaltblende einen störenden Einfluss
auf die mit der Vorrichtung bestimmte Kleinwinkelstreuung haben.
Dann lässt
sich nämlich
in vorteilhafter Weise die Tatsache ausnutzen, dass an der in Strahlungsausbreitungsrichtung
weiter vorne angeordneten Barriere gestreute Strahlung durch die
dahinter angeordnete Barriere abgefangen wird. Sofern die Vorrichtung
einen zur Messung von Kleinwinkel-Streuungen vorgesehenen Detektor
aufweist, sollte die in Strahlungsausbreitungsrichtung letzte Barriere
der zweiten Spaltblende daher auf der Seite der durch die beiden
Spaltblenden aufgespannten Ebene angeordnet sein, auf der sich auch
der genannte Detektor befindet.
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Schließlich kann
die Vorrichtung zum Abtasten einer zu analysierenden Probe einen
in Strahlungsausbreitungsrichtung hinter der zweiten Spaltblende
angeordneten Probenhalter aufweisen, der einen Verstellmechanismus
zum Verschieben einer gehaltenen Probe in zwei zur Strahlungsausbreitungsrichtung
senkrechten Richtungen umfasst. Damit eignet sich die Vorrichtung
besonders gut zur Röntgen-Refraktions-Topografie
bzw. Raster-Radiometrie. Die Vorrichtung kann also insbesondere
als Röntgen-Refraktions-Scanner
ausgeführt.
sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht einer schematisch dargestellten Vorrichtung
in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine
Aufsicht auf die Vorrichtung aus 1,
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3 eine
Seitenansicht dieser Vorrichtung.
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In
den 1 bis 3 ist eine nur schematisch dargestellte
Röntgenquelle 1 zu
erkennen, bei der es sich beispielsweise um eine Röntgenröhre handeln
kann, die quasi punktförmig
strahlt. In einem Strahlengang der abgebildeten Vorrichtung ist
eine erste Spaltblende 2 angeordnet, die einen horizontalen
Spalt bildet, sowie eine in Strahlungsausbreitungsrichtung auf die
erste Spaltblende 2 folgende Spaltblende 3. Die
zweite Spaltblende 3 besteht aus zwei horizontal angeordneten
Barrieren, die in Strahlungsausbreitungsrichtung gegeneinander versetzt sind,
so dass eine erste Barriere einen unteren Rand und eine in Strahlungsausbreitungsrichtung
auf die erste Barriere folgende zweite Barriere einen oberen Rand
eines durch die zweite Spaltblende 3 gebildeten Spalts
definiert. Der durch die zweite Spaltblende 3 gebildete
Spalt und der durch die erste Spaltblende 2 gebildete Spalt,
die jeweils einen vertikalen Spaltdurchmesser von etwa 10 μm haben,
liegen dabei in einer horizontalen Ebene.
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Innerhalb
des Strahlengangs der abgebildeten Vorrichtung ist zwischen der
ersten Spaltblende 2 und der zweiten Spaltblende 3 ein
fokussierendes Element 4 angeordnet, bei dem es sich hier
um einen Reflektor mit einer konkaven Oberfläche handelt, welche die von
der Röntgenquelle 1 ausgehende Röntgenstrahlung
zumindest in einem begrenzten Wellenlängenbereich reflektiert. Dabei
ist die reflektierende Oberfläche
des fokussierenden Elements 4 nur in eine horizontale Raumrichtung
gekrümmt,
bewirkt also nur eine horizontale Bündelung der Röntgenstrahlung.
Die reflektierende Oberfläche
des als diffraktiver Reflektor ausgeführten fokussierenden Elements 4 kann
durch einen Einkristall oder einen Mosaik-Kristall oder einen Gradientenkristall
oder eine Multilayer-Struktur gebildet sein.
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Die
Röntgenquelle 1,
die erste Spaltblende 2, das fokussierende Element 4 und
die zweite Spaltblende 3 bilden eine Anordnung zur Fokussierung der
von der Röntgenquelle 1 ausgehenden
Röntgenstrahlung,
wobei die von der quasi punktförmigen Röntgenquelle 1 ausgehende
partiell monochromatische Röntgenstrahlung
durch den Spalt der ersten Spaltblende 2 hindurchtritt,
dann von dem diffraktiven Reflektor, der hier das fokussierende
Element 4 bildet, in der durch diesen Spalt und den Spalt
der zweiten Spaltblende 3 gebildeten Ebene fokussiert wird und
anschließend
durch den zum Spalt der ersten Spaltblende 2 parallelen
Spalt der zweiten Spaltblende 3 tritt, um sich dahinter
in einem Brennfleck 5 zu sammeln. Eine vertikale Begrenzung
des aus der zweiten Spaltblende 3 austretenden Strahls
wird dabei durch die beiden Spaltblenden 2 und 3 erreicht, die
insofern als Kollimator wirken.
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Dort,
wo sich die Röntgenstrahlung
in dem Brennfleck 5 sammelt, ist eine Probe 6 angeordnet, die
von einem in den Figuren nicht eigens dargestellten Probenhalter
gehalten wird, wobei dieser Probenhalter einen Verstellmechanismus
zum Verschieben der Probe 6 in zwei zur Strahlungsausbreitungsrichtung
senkrechten und in 2 durch ein kleines Koordinatensystem 7 veranschaulichten
Richtungen umfasst. Die abgebildete Vorrichtung bildet damit einen
Röntgen-Refraktions-Scanner, der sich
zur Raster-Radiometrie bzw. zur Röntgen-Refraktions-Topografie
eignet. Dabei kann die Probe 6 durch Verschieben mittels
des Probenhalters mit dem Brennfleck 5 gescannt werden. Über die
Möglichkeit
der zweidimensionalen Linearbewegung hinaus kann der Probenhalter
auch über
Rotationsachsen verfügen,
um Proben hinsichtlich der Vorzugsrichtung der Streuintensität zu untersuchen.
Des Weiteren können
durch eine geeignete Kombination von Linear- und Rotationsbewegungen
der Probe auch Messdatensätze
für die
zwei- oder dreidimensionale computertomographische Rekonstruktion
von Probenelementen gewonnen werden.
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Hinter
der zweiten Spaltblende 3 und hinter dem Probenhalter,
der die Probe 6 hält,
ist oberhalb der durch die Spalte der beiden Spaltblenden 2 und 3 definierten
Ebene ein Detektor 8 angeordnet, der durch einen Szintillator
realisiert und dazu vorgesehen ist, in oder an der Probe 6 um
einen kleinen Winkel gestreute Röntgenstrahlung
zu detektieren. Zusätzlich
ist hinter dem Probenhalter ein unterhalb der genannten Ebene angeordneter
Absorptionsdetektor 9 vorgesehen, der ebenfalls durch einen
Szintillator gebildet ist und mit einer Streufolie 10 zusammenwirkt.
Die Streufolie 10 ist ebenfalls hinter der Probe 6 im
Strahlengang der Vorrichtung angeordnet und streut dort nur einen
geringen Anteil der die Probe 6 durch dringenden Röntgenstrahlung
in Richtung des Absorptionsdetektors 9.
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Die
in den 1 bis 3 abgebildete Vorrichtung bildet
so eine Kleinwinkel-Streukammer, die eine spektral optimierte Bestimmung
der Röntgenstreuung
und -schwächung
der Probe 6 mit einer ausgesprochen hohen Ortsauflösung bei
verhältnismäßig geringen
Messzeiten durchzuführen
erlaubt.