DE102014103949B4

DE102014103949B4 - Spiegel für intensive Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102014103949B4
Application number: DE102014103949.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Bernhard Peters; Ulrich Hahn; Horst Schulte-Schrepping
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2034-03-22
Also published as: DE102014103949A1

Abstract

Spiegeleinrichtung (1) mit einem Spiegelkörper (5) für intensive Röntgenstrahlung mit einer Kühlung und zwei Anschlusselementen (55) zum Anschluss einer Kühlmittelversorgung, wobei der Spiegelkörper (5) einstückig ausgebildet ist, sich langgestreckt in einer Längsrichtung (7) erstreckt, eine ebene, sich parallel zur Längsrichtung (7) erstreckende Spiegelfläche (9) aufweist, und eine erste und eine zweite Endfläche (11, 13) umfasst und wobei die Kühlung in Form einer Bohrung (49) ausgebildet ist, die sich zwischen den beiden Anschlusselementen (55) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (55) aus den Endflächen (11, 13) des Spiegelkörpers herausragen und einstückig mit dem Spiegelkörper (5) ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegeleinrichtung mit einem Spiegelkörper für intensive Röntgenstrahlung mit einer Kühlung und zwei Anschlusselementen zum Anschluss einer Kühlmittelversorgung, wobei der Spiegelkörper einstückig ausgebildet ist, sich langgestreckt in einer Längsrichtung erstreckt und eine ebene, sich parallel zur Längsrichtung erstreckende Spiegelfläche aufweist und eine erste und eine zweite Endfläche umfasst. Die Kühlung ist in Form einer Bohrung ausgebildet, die sich zwischen den beiden Anschlusselementen erstreckt.
Die nahezu fehlerfreie Reflexion von Röntgenstrahlung in Form von Synchrotronstrahlung mit hoher Leistungsdichte mittels Spiegeleinrichtungen stellt hohe Anforderungen an die Güte der Spiegelflächen unter extremen Bedingungen. In solchen Synchrotronstrahlführungen können die Spiegel trotz teilweiser Totalreflexion noch eine gesamte Strahlungsleistung von mehr als 3,5 kW absorbieren, wobei dann lokal Strahlungsleistungen mit einer Leistungsdichte von mehr als 3 W/mm² absorbiert werden. Dabei erwärmt sich der Spiegelkörper und verformt sich lokal in Form einer thermischen Beule auf der Spiegelfläche, wodurch wiederum die Abbildungsqualität der Spiegel stark abnimmt und die Reflexion nicht mehr der benötigten Qualität entspricht. Thermische Beulen lassen sich nur durch wirksame Ableitung der absorbierten Leistung verhindern. Der Transport des Wärmeeintrags im Spiegelkörper ist mit einem Wärmegradienten verbunden. Das hat eine Biegung des Spiegelkörpers zur Folge, die durch mechanische Gegenbiegung kompensiert werden kann.
Ein verwandtes Problem ist die Konservierung der Abbildungsqualität von Röntgenmonochromatorkristallen unter hohem Strahlungseintrag, mit dem sich beispielsweise eine Publikation von C. S. Rogers et al. mit dem Titel "Experimental results with cryogenically cooled, thin, silicon crystal x-ray monochromators on high-heat-flux beamlines", erschienen in den SPIE Conference Proceedings Vol. 2855 zur High Heat Flux Engineering III (Denver, 1996) auf den Seiten 170–178, befasst. Zur Lösung des Problems schlägt die Publikation vor, eine Monochromatoreinrichtung mit einem Monochromatorkristall aus einem Si-Einkristall zu verwenden. In den zu kühlenden Monochromatorkristall, der eine quaderförmige Grundform aufweist, ist von einer Oberseite und einer Unterseite her jeweils eine Ausnehmung eingebracht worden. Die Ausnehmungen verlaufen parallel zueinander und entlang einer Längsrichtung des Monochromatorkristalls, wodurch der Monochromatorkristall in zwei in etwa gleich große Hälften geteilt wird. Die Ausnehmungen reichen lediglich so weit in den Monochromatorkristall hinein, dass die Hälften des Monochromatorkristalls noch von einem ungefähr 0,5 bis 0,7 mm dicken Steg verbunden werden. Dieser Steg bildet den eigentlichen Monochromator. Die durch eine der Ausnehmungen einfallende weiße oder breitbandige Röntgenstrahlung wird durch das Kristallgitter des Stegs monochromatisch reflektiert und auch in Teilen absorbiert. Kurzwellige Röntgenstrahlung, die durch den Steg hindurch transmittiert wird, tritt durch die weitere Ausnehmung wieder aus und wird nicht vom Monochromatorkristall absorbiert. Die absorbierte Röntgenstrahlung erwärmt den Kristall, verändert die Gitterkonstante des Monochromatorkristalls und damit auch die Reflexionseigenschaften der Monochromatoreinrichtung.
Um der Erwärmung des Monochromatorkristalls entgegenzuwirken, ist eine Kühlung vorgesehen. Hierzu ist in den beiden Hälften des Monochromatorkristalls jeweils eine Mehrzahl von Bohrungen eingebracht worden, durch die flüssiger Stickstoff gepumpt wird, um den Monochromatorkristall auf eine Betriebstemperatur von ca. 77 K zu kühlen, bei der Silizium eine sehr hohe Wärmeleitung und einen äußerst niedrigen und insbesondere negativen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Mit anderen Worten zieht sich der auf Betriebstemperatur gekühlte Monochromoatorkristall aus Silizium bei Erhöhung der Temperatur zusammen und dehnt sich nicht aus.
Die Bohrungen der Kühlung enden alle direkt an seitlichen polierten Endflächen des Monochromatorkristalls, ohne dass an dem Monochromatorkristall irgendeine Form von Anschlusselement zum Anschluss an eine Kühlmittelversorgung ausgebildet ist. Um die Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu versorgen, wird der Monochromatorkristall daher zwischen zwei Anschlussblöcken eingespannt, durch die Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Die Anschlussblöcke weisen wiederum Anschlusselemente auf, über die die gesamte Spiegeleinrichtung mit einer Kühlflüssigkeitszufuhr verbunden werden kann.
Um einen dichte Verbindung zwischen den Anschlussblöcken und dem Monochromatorkristall herzustellen, wird der Monochromatorkristall zwischen den Anschlussblöcken über mehrere Bolzen fest eingespannt, wobei zwischen den Anschlussblöcken und dem Monochromatorkristall mit Indium beschichtete C-Metallringe angeordnet werden.
Diese Anordnung eignet sich für kurze Monochromatorkristalle mit einer Abmessung entlang der Längsrichtung von weniger als 50 mm, bei denen der Gesamtkristall möglichst so gekühlt werden soll, dass es zu keiner mechanischen Störung des Einkristallgitters im Volumen kommt. Problematisch ist in dieser Hinsicht insbesondere die Ankopplung der Anschlussblöcke mit Metallbolzen. Die Metallbolzen und der eigentliche Monochromatorkristall weisen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Beim Abkühlen der Monochromatoreinrichtung von Raumtemperatur auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff ändert sich die Ausdehnung der Metallbolzen und des Monochromatorkristalls unterschiedlich stark, was die Andruckkräfte der Anschlussblöcke an den Monochromatorkristall negativ beeinflusst. Für lange Spiegel, deren Abmessungen in Längsrichtung 50 mm überschreiten, ist eine solche Anordnung daher nicht geeignet.
In einer weiteren Publikation von P. Marion et al. mit dem Titel "Cryogenic cooling of monochromator crystals: indirect or direct cooling?", erschienen in den Workshop Proceedings MEDSI 2006 (International Workshop on Mechanical Engineering Design of Synchrotron Radiation Equipment and Instrumentation, http://medsi2006.spring8.or.jp/), sind Kühlungen für Monochromatoreinrichtungen verglichen worden. Auch diese Monochromatoreinrichtungen umfassen einen Monochromatorkristall, der von einem Si-Einkristall gebildet wird. Der Monochromatorkristall erstreckt sich in einer Längsrichtung und weist senkrecht zur Längsrichtung einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf.
Zur Kühlung des Monochromatorkristalls wurden zwei alternative Konzepte verglichen. Ein Konzept sieht vor, in den Monochromatorkristall eine Mehrzahl von Bohrungen einzubringen, die sich entlang der Längsrichtung des Monochromatorkristalls zwischen zwei Endflächen erstrecken. Wie bei der bereits beschriebenen Anordnung erstrecken sich die Bohrungen direkt von einer polierten Endfläche des Monochromatorkristalls zur gegenüberliegenden Endfläche des Monochromatorkristalls. Auch dieser Monochromatorkristall weist keine Anschlusselemente für eine Kühlflüssigkeit auf, sondern wird analog zu der bereits beschriebenen Anordnung zwischen zwei Anschlussblöcken eingespannt, die eine Verbindung mit einer Kühlmittelversorgung bereitstellen. In der zweiten Anordnung wird der Monochromatorkristall seitlich durch zwei stickstoffgekühlte Kühlplatten gekühlt. Beide Anordnungen nutzen die hohe Wärmeleitung von Si bei 77 K aus, um die absorbierte Leistung abzuleiten und eine Störung des Kristallgitters im Volumen gering zu halten. Beide Anordnungen sind jedoch aufgrund der bereits genannten Gründe auf verhältnismäßig kurze Monochromatorkristalle zugeschnitten.
Eine Spiegeleinrichtung zur Reflexion intensiver Röntgenstrahlung mit einer internen Wasserkühlung ist aus einer Publikation von Tonnessen et al. mit dem Titel "Design and Fabrication of an 1.2 Meter Long Internally Cooled Silicon X-Ray Mirror for APS", erschienen in den SPIE Conference Proceedings Vol. 2855 zur High Heat Flux Engineering III (Denver, 1996) auf den Seiten 187–198, bekannt. Die Spiegeleinrichtung umfasst einen zweiteiligen Spiegelkörper aus einem Si-Einkristall, der einen rückseitigen Abschnitt und einen dünnen Spiegelabschnitt umfasst. Der Spiegelabschnitt umfasst eine ebene, sich in einer Längsrichtung erstreckende Spiegelfläche. In die der Spiegelfläche gegenüberliegende Rückseite des Spiegelabschnitts ist eine Mehrzahl von langgestreckten Vertiefungen eingebracht worden. Die Rückseite des Spiegelabschnitts ist danach mit einer Oberfläche des rückseitigen Abschnitts des Spiegelkörpers verklebt worden, sodass die langgestreckten Vertiefungen zusammen mit der Oberfläche des rückseitigen Abschnitt eine Kühlung bilden, durch die die Spiegelfläche mit Wasser gekühlt werden kann. An dem rückseitigen Abschnitt sind zudem zwei handelsübliche Anschlüsse für Kühlwasser angeordnet.
Diese Spiegeleinrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf. Die Kühlung des Spiegelkörpers mit Wasser erlaubt es nicht, den Si-Einkristall soweit abzukühlen, dass er die bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff auftretende hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die es ermöglicht, den Spiegelkörper so effektiv zu kühlen, dass er trotz des hohen Energieeintrags der reflektierten Röntgenstrahlung keine oder lediglich geringe Verformungen an der Oberfläche aufweist. Auch umfasst die Spiegeleinrichtung keine Möglichkeit, einer Verformung des Spiegelkörpers durch den mit dem Strahlungseintrag verbundenen Temperaturgradienten entgegenzuwirken. Weiterhin ist die Fertigung des Spiegels äußerst kompliziert und nur mit speziellem Fertigungswissen möglich, da die Abschnitte des Spiegelkörpers nach dem Einbringen der Kühlkanäle mittels einer speziellen Verbindungstechnik vakuumdicht verbunden werden müssen. Das gleiche gilt auch für die Anschlüsse der Kühlflüssigkeitszufuhr aus Metall. Alleine aufgrund der metallischen Ausbildung der Kühlflüssigkeitszufuhr lässt sich auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausehnungskoeffizienten nicht auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abkühlen.
Aus der US 2008/0144202 A1 ist eine Spiegeleinrichtung mit einem Spiegelkörper bekannt. Der Spiegelkörper ist langgestreckt und kann einstückig ausgebildet sein. Eine Spiegelfläche erstreckt sich parallel zur Längsrichtung des Spiegelkörpers. Weiterhin ist in dem Spiegelkörper eine Kühlung in Form einer Bohrung vorgesehen.
In der DE 10 2005 017 262 B3 ist ebenfalls ein Spiegelkörper zur Verwendung im extrem-ultravioletten Spektralbereich offenbart.
Aus der US 2005/0099611 A1 ist ein lang gestreckter Spiegelkörper bekannt, der einstückig ausgebildet ist und eine Vielzahl von Bohrungen aufweist. Diese Bohrungen weisen zusätzliche Leitungen auf, die berührungsfrei in den Bohrungen in dem Spiegelkörper geführt werden.
Ausgehend vom dargestellten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spiegeleinrichtung bereitzustellen, bei der Nachteile der bekannten Kühlanordnungen für Si-Einkristalle vermieden werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spiegeleinrichtung bereitzustellen, bei der eine Gesamtverformung der Spiegelfläche unter einem lokalen Strahlungseintrag vom bis zu 3 W/mm² mögliche Fertigungsfehler nicht überschreitet.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Spiegeleinrichtung, bei der die Anschlusselemente aus den Endflächen des Spiegelkörpers herausragen und einstückig mit dem Spiegelkörper ausgebildet sind.
Die erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfasst einen Spiegelkörper, der einstückig und bevorzugt aus einem Si-Einkristall ausgebildet ist. Der Spiegelkörper erstreckt sich entlang einer Längsrichtung und weist senkrecht zu dieser beispielsweise einen trapezförmigen, rechteckförmigen oder runden Querschnitt auf. Dabei übertreffen die Abmessungen des Spiegelkörpers in Längsrichtung die Abmessungen in den beiden Querschnittsrichtungen um ein Vielfaches.
In den einstückigen Spiegelkörper ist eine Kühlung in Form einer Bohrung eingebracht worden. Die Bohrung kann sich vorzugsweise entlang der Längsrichtung durch den Spiegelkörper erstrecken. Allerdings ist es auch denkbar, dass die Bohrung entlang anderer Richtungen durch den Spiegelkörper verläuft. Die Bohrung kann beispielsweise senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es ist allerdings ebenso gut denkbar, dass die Bohrung senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung einen rechteckförmigen, einen elliptischen oder anders ausgestalteten Querschnitt aufweist. Die Bohrung verläuft beispielsweise in der Mitte des Spiegelkörpers und der Durchmesser der beispielsweise zylinderförmigen Bohrung entspricht in einer beispielhaften, bevorzugten Ausführungsform ein Viertel bis zu drei Vierteln der Dicke des Spiegelkörpers senkrecht zur Spiegelfläche. In einer noch bevorzugteren beispielhaften Ausführungsform entspricht der Durchmesser der Bohrung einem Drittel bis zu zwei Dritteln der Dicke des Spiegelkörpers senkrecht zur Spiegelfläche. In einer weiteren, noch bevorzugteren beispielhaften Ausführungsform entspricht der Durchmesser der Bohrung der halben Dicke des Spiegelkörpers senkrecht zur Spiegelfläche.
Weiterhin weist der Spiegelkörper Anschlusselemente auf, zwischen denen sich die Bohrung erstreckt. Diese Anschlusselemente dienen zum Anschluss einer Kühlmittelversorgung, über die die Kühlung vorzugsweise mit flüssigem Stickstoff versorgt werden kann. Die Anschlusselemente sind einstückig mit dem Spiegelkörper ausgebildet, sodass die Kühlmittelversorgung direkt mit dem Spiegelkörper verbunden werden kann. Den Spiegelkörper und die Anschlusselemente einstückig auszubilden hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da der Spiegelkörper beim Abkühlen von Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur von beispielsweise 77 K und beim Erwärmen von Betriebstemperatur auf Umgebungstemperatur seine Ausdehnung ungehindert verändern kann. Insbesondere können aufgrund eines unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens der Anschlusselemente und des Spiegelkörpers keine undichten Stellen auftreten, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühlung eine Mehrzahl von Kühlkanälen in Form von Ausnehmungen oder auch Schlitzen, die sich von der Bohrung weg auf die Spiegelfläche zu erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die Ausnehmungen von einer gemeinsamen, in Längsrichtung verlaufenden Mittelachse weg radial auf die Spiegelfläche zu. Alternativ ist es beispielsweise denkbar, die Ausnehmungen so in den Spiegelkörper einzubringen, dass sie sich von der Bohrung weg senkrecht auf die Spiegelebene zu erstrecken. Zur Herstellung der Ausnehmungen in Form von Schlitzen wird zunächst die Bohrung in den Spiegelkörper eingebracht von der ausgehend die Ausnehmungen eingearbeitet werden. Die Ausnehmungen werden möglichst nahe zu dem zu erwartenden Wärmeeintrag an der Spiegelfläche positioniert. Die Ausnehmungen vergrößern auf besonders vorteilhafte Weise die Innenfläche des Spiegelkörpers hin zu der Kühlung und der darin fließenden Kühlflüssigkeit, sodass die Kühlleistung der Kühlung deutlich verbessert wird und der Spiegelkörper sich auch bei hohen Energieeinträgen durch die Röntgenstrahlung nur wenig erwärmt.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die die Bohrung zumindest abschnittsweise von einem Füllkörper verschlossen ist, wobei der Querschnitt des Füllkörpers vorzugsweise dem freien Querschnitt der Bohrung entspricht. Mit anderen Worten wird die Bohrung nach der Fertigstellung der Ausnehmungen mit einem passenden Füllkörper, beispielsweise einem Zylinder, verschlossen. Dadurch wird erreicht, dass die Kühlflüssigkeit nur durch die Ausnehmungen fließt und somit vollständig zur Aufnahme von in den Spiegelkörper eingebrachter Leistung zur Verfügung steht. Die Anzahl und der Querschnitt der Schlitze werden dem zu erwartenden Wärmeeintrag angepasst.
Der Spiegelkörper umfasst zudem vorzugsweise eine erste und eine zweite Endfläche und jedes Anschlusselement vorzugsweise einen sich von einer Endfläche weg erstreckenden Rohrabschnitt, der eine zentrale Bohrung umgibt. Dabei ist ein Querschnitt der zentralen Bohrung größer als ein Querschnitt der die Kühlung bildenden Bohrung. In der bevorzugten Ausgestaltung kann die sich durch den Spiegelkörper erstreckende Bohrung vollständig mit einem Füllkörper verschlossen werden, da die Kühlflüssigkeit direkt aus den zentralen Bohrungen der Rohrabschnitte in den Ausnehmungen fließen kann, wodurch eine möglichst effiziente Kühlung des Spiegelkörpers ermöglicht wird.
Der Füllkörper ist vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet wie der Spiegelkörper. So wird auf vorteilhafte Weise erreicht, dass bei thermisch bedingten Veränderungen der Abmessungen des Füllkörpers und des Spiegelkörpers keine mechanischen Belastungen bzw. ungewollte Spalte zwischen Füllkörper und Spiegelkörper auftreten.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Spiegelkörper eine erste und eine zweite Endfläche. Jedes Anschlusselement umfasst einen sich von einer der Endflächen weg erstreckenden Rohrabschnitt, der eine zentrale Bohrung umgibt und der an einem von der jeweiligen Endfläche wegweisenden Ende von einem den Rohrabschnitt umgebenen Kragen begrenzt wird. Diese Anordnung erlaubt es auf besonders vorteilhafte Weise, die Kühlung mit einer Kühlmittelzufuhr zu verbinden. Dabei kann die Kühlmittelzufuhr derart mit dem Spiegelkörper verbunden werden, dass die für eine auch im Hochvakuum dichte Verbindung notwendigen Kräfte lediglich in das von der Endfläche wegweisende Ende des Rohrabschnitts und den Kragen eingeleitet werden. Der Spiegelkörper selbst und insbesondere die Spiegelfläche bleiben frei von Kräften, die lediglich zum vakuumdichten Anschluss der Kühlmittelversorgung benötigt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Spiegeleinrichtung Anschlussstücke zum Verbinden der Kühlung mit einer Kühlmittelversorgung. Mit den Anschlussstücken können die Anschlusselemente mit zur Kühlmittelversorgung eingerichteten Schlauchabschnitten verbunden werden. Jedes Anschlussstück wird von einem Rohrabschnitt und einer Spannvorrichtung gebildet, wobei die Spannvorrichtung dazu eingerichtet ist, mit einer auf die nächstliegende Endfläche zuweisenden Angriffsfläche eines Kragens einzugreifen bzw. an dieser anzugreifen, wobei Spannmittel vorgesehen sind, um den Rohrabschnitt an der Spannvorrichtung gegen das Anschlussstück zu spannen. Damit werden auf besonders vorteilhafte Weise lediglich auf den rohrförmigen Abschnitt des Anschlussstücks die für eine dichte Verbindung notwendigen Drücke ausgeübt, während die hierfür notwendigen Zugkräfte vollständig von dem Kragen aufgenommen werden. Der Bereich des Spiegelkörpers, der die Basis der Spiegelfläche bildet, bleibt hingegen völlig frei von Kräften, die von dem Anschluss der Kühlmittelversorgung herrühren.
Es ist bevorzugt, wenn die Spannvorrichtung von zwei Halbschalen gebildet wird, die jeweils zumindest einen Vorsprung zum Eingriff mit einer auf die nächstliegende Endfläche zuweisenden Angriffsfläche eines Kragens aufweisen. Die Spannmittel sind vorzugsweise in Form von Schrauben ausgebildet, mit denen die Spannvorrichtung mit dem Rohrabschnitt verbunden und der Rohrabschnitt auf das Anschlussstück zu gespannt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Spiegelkörper eine erste und eine zweite Endfläche, die den Spiegelkörper an gegenüberliegenden Enden begrenzen und in Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Weiterhin umfasst die Spiegeleinrichtung eine Biegevorrichtung mit einem Seilzug und einem Rahmen. Der Rahmen weist ein erstes und ein zweites Angriffselement auf. Das erste Angriffselement greift an der ersten Endfläche an und das zweite Angriffselement greift an der zweiten Endfläche an. Ein erstes Ende des Seilzugs ist mit dem ersten Angriffselement verbunden und ein zweites Ende des Seilzugs ist mit dem zweiten Angriffselement verbunden. Der Seilzug zwischen dem ersten und dem zweiten Ende wird über eine Mehrzahl von Umlenkelementen geführt. Dabei sind zwei rahmenfeste Umlenkelemente der Mehrzahl von Umlenkelementen derart ortsfest an dem Rahmen angeordnet, dass von dem Seilzug auf die Angriffselemente ausgeübte Zugkräfte parallel zur Längsrichtung und jeweils auf das andere Angriffselement zu wirken. Zumindest eine Position eines dritten Umlenkelements der Mehrzahl von Umlenkelementen kann derart relativ zu den ortsfesten Umlenkelementen verändert werden, dass sich eine Spannung des Seilzugs in Abhängigkeit der Position des dritten Umlenkelements ändert. Die erfindungsgemäße Biegevorrichtung stellt ein eigenständiges erfinderisches Konzept dar, dass auch zum Biegen von Spiegelkörpern verwendet werden kann, die keine einstückig mit dem Spiegelkörper ausgebildeten Anschlusselemente aufweisen.
Der Spiegelkörper ist beispielsweise aus Silizium gebildet, das bei einer Betriebstemperatur des Spiegels von ca. 77 K bei sehr hoher Wärmeleitung einen negativen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch den Energieeintrag der Röntgenstrahlung und den Transport der Wärme zu den Kühlkanälen bildet sich ein Temperaturgradient im Spiegelkörper aus, der den Spiegel in Längsrichtung konkav verformt. Diese Verformung lässt sich durch eine Biegevorrichtung kompensieren.
Der Spiegelkörper wird zu einer Seite von der ebenen Spiegelfläche begrenzt, die sich senkrecht zum Querschnitt und entlang der Längsrichtung erstreckt. In Querschnittsrichtung wird der Spiegelkörper von zwei Endflächen begrenzt, die in der Regel nicht eben sind. Stattdessen sind an den Endflächen die Anschlusselemente ausgebildet. Die Endflächen sind in Längsrichtung voneinander beabstandet.
Weiterhin umfasst die Spiegeleinrichtung eine Biegevorrichtung mit einem Rahmen und zwei Angriffselementen, ein erstes und ein zweites Angriffselement. Die Angriffselemente sind an entgegengesetzten Enden des Rahmens angeordnet und jeweils dazu eingerichtet, an einer der Endflächen anzugreifen. Mit anderen Worten ist das erste Angriffselement dazu eingerichtet, an der ersten Endfläche anzugreifen, während das zweite Angriffselement dazu eingerichtet ist, an der zweiten Endfläche anzugreifen.
Die Angriffselemente weisen in einer beispielhaften, bevorzugten Ausführungsform flächige Abschnitte auf, die auf die jeweilige Endfläche zuweisen. An jeder Endfläche des Spiegels sind beispielsweise zwei Stifte angeordnet, die sich senkrecht zur Endfläche erstrecken und an denen die Angriffselemente angreifen. Die von der Endfläche wegweisenden Enden der Stifte sind vorzugsweise kuppelförmig bzw. ballig ausgebildet, um eine punktförmige Einleitung der Kräfte der Angriffselemente zu ermöglichen.
Weiterhin ist jeweils ein Ende des Seilzugs mit einem der Angriffselemente fest verbunden. Zwischen den beiden Enden wird der Seilzug über eine Mehrzahl von Umlenkelementen, beispielsweise in Form von Umlenkrollen, geführt. Zwei rahmenfeste Umlenkelemente sind ortsfest an dem Rahmen angeordnet. Dabei soll hier unter ortsfest lediglich verstanden werden, dass die Umlenkelemente zusammen mit dem Rahmen verschiebbar sind. Relativ zum Rahmen sind die Umlenkelemente drehbar. Die rahmenfesten Umlenkelemente sind derart angeordnet, dass Zugkräfte, die der Seilzug auf die Angriffselemente ausübt, im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung und stets auf das gegenüberliegende Angriffselement zu wirken. Mit anderen Worten wird der Seilzug derart über die beiden ortsfesten Umlenkelemente geführt, dass durch den Zug bzw. die Spannung des Seilzugs derart Kräfte auf die Angriffselemente wirken, dass diese sich – ausreichend hohe Kräfte vorausgesetzt – aufeinander zu bewegen.
Der Spiegelkörper ist derart zwischen den beiden Angriffselementen oder auch Pratzen angeordnet, dass die Bewegung der Angriffselemente aufeinander zu dazu führt, dass der Spiegel durch die nun eingeleitete Kraft senkrecht zur Längsrichtung eine Krümmung erfährt. Je nach Angriffspunkt der Angriffselemente an den Endflächen erfährt der Spiegelkörper eine Kraft, die einer konkaven Krümmung der Spiegelfläche in Längsrichtung entgegenwirkt bzw. zu einer konvexen Krümmung der Spiegelfläche in Längsrichtung führt, oder die in die entgegengesetzte Richtung wirkt, also einer konvexen Krümmung der Spiegelfläche in Längsrichtung entgegenwirkt oder zu einer konkaven Krümmung der Spiegelfläche in Längsrichtung führt.
Um die Spannung bzw. den Zug in dem Seilzug anpassen zu können, ist ein drittes Umlenkelement vorgesehen, dessen Position relativ zu den rahmenfesten Umlenkelementen verändert werden kann. Dabei kann durch eine Vergrößerung des Abstands zu den ortsfesten Umlenkelementen entlang der Bahn des Seilzugs die Spannung in letzterem erhöht werden, während die Spannung nachlässt, wenn der Abstand entlang der Bahn des Seilzugs kleiner wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Spiegelkörper eine parallel zur Spiegelfläche verlaufende Mittelebene auf, die jede der Endflächen in zwei Abschnitte teilt, wobei die Angriffselemente jeweils in dem Abschnitt der Endflächen angreifen, der nicht an die Spiegelfläche grenzt. Mit anderen Worten greifen die Angriffselemente näher an der der Spiegelfläche gegenüberliegenden Außenfläche des Spiegelkörpers an als an der Spiegelfläche. So wird durch die Biegevorrichtung eine Biegekraft auf den Spiegelkörper ausgeübt, die einer in Längsrichtung konkaven Verformung des Spiegelkörpers entgegenwirkt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Spiegelkörper aus einem Material wie beispielsweise Silizium gebildet ist, das bei einer Betriebstemperatur des Spiegels von ca. 77 K einen negativen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und sich bei Erwärmung durch den Energieeintrag der Röntgenstrahlung in Längsrichtung konkav verformt.
Die Mehrzahl von Umlenkelementen ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die Position des dritten Umlenkelements parallel zur Längsrichtung verändert werden kann. Auf diese Weise kann eine besonders raumsparende Ausgestaltung der Spiegeleinrichtung erreicht werden. Insbesondere ist die Ausdehnung der bevorzugten Ausführungsform senkrecht zur Spiegelfläche besonders gering, was nicht zuletzt dann von Vorteil ist, wenn die Spiegeleinrichtung in einer Vakuumanordnung angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spiegeleinrichtung Auflager, wobei der Spiegelkörper mit einem der Auflager an einem Punkt ortsfest und im Übrigen lose verbunden ist. Der Rahmen liegt auf einem der Auflager auf und ist in Längsrichtung relativ zu dem Auflager verschiebbar. Die Mehrzahl von Umlenkelementen umfasst ein viertes Umlenkelement, das ortsfest mit einem der Auflager verbunden ist.
Der Spiegelkörper liegt derart auf dem Auflager auf, dass er sich in Längsrichtung ausdehnen kann, aber als Ganzes nicht verschiebbar ist. Die Anordnung des Spiegelkörpers auf einem Lospunkt und einem Festpunkt ermöglicht zudem, dass sich dieser in Längsrichtung beim Abkühlen von Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur und beim Erwärmen von Betriebstemperatur auf Umgebungstemperatur in Längsrichtung ausdehnen bzw. wieder zusammenziehen kann, ohne dass dabei die Haltekräfte einer ortsfesten Lagerung eine Verformung des Spiegelkörpers bewirken. Der Rahmen ist hingegen schwimmend auf dem Auflager angeordnet und kann in Längsrichtung verschoben werden, sodass die Position der Biegevorrichtung verändert werden kann. Weiterhin ist zumindest noch ein viertes Umlenkelement vorgesehen, das ortsfest mit dem Auflager verbunden ist. Dabei ist zumindest das vierte Umlenkelement so angeordnet, dass bei einer Veränderung der Zugkraft in dem Seilzug durch eine Änderung der Position des dritten Umlenkelements keine resultierende Kraft in Längsrichtung auf den Rahmen wirkt, sodass dieser hierdurch nicht in Längsrichtung verschoben wird.
Vorzugsweise ist die Spiegeleinrichtung in einer Vakuumkammer angeordnet. Ebenfalls bevorzugt ist, den Spiegelkörper aus einem monolithischen Si-Körper bzw. einem Si-Einkristall zu bilden. Silizium zeichnet sich bei Temperaturen um 77 K durch eine ausgesprochen hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher beschrieben, wobei die Zeichnung in
1 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spiegeleinrichtung in einer Vakuumkammer zeigt,
1a eine Detailansicht einer Endfläche eines Spiegelkörpers des Ausführungsbeispiels aus 1 zeigt,
2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels zeigt,
3 eine Schnittansicht durch das Ausführungsbeispiel senkrecht zu einer Spiegelebene und in Erstreckungsrichtung zeigt,
4 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels zeigt,
5 eine Schnittansicht durch den Spiegelkörper des Ausführungsbeispiels zeigt,
6 eine perspektivische Ansicht eines Anschlusselements des Spiegelkörpers aus 5 zeigt,
7 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Anschlusselements mit einem daran angekoppelten Anschlussstück zeigt und
8 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Anschlusselements mit einem daran angekoppelten Anschlussstück aus 7 zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 1–8 wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spiegeleinrichtung 1 beschrieben. In allen Figuren werden für gleich benannte Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Spiegeleinrichtung 1, die vollständig in einer perspektivischen Ansicht in 1 zu sehen ist, ist zur Reflexion von intensiver Röntgenstrahlung in Form von Synchrotronstrahlung vorgesehen. Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist in einer Vakuumkammer 3 angeordnet, in der ein Hochvakuum herrscht. Daher müssen sämtliche Anschlüsse, beispielsweise zur Versorgung der Spiegeleinrichtung 1 mit einer Kühlflüssigkeit oder zur Übertragung von mechanischen Kräften von außerhalb der Vakuumkammer 3 in die Vakuumkammer 3, für ein entsprechendes Vakuum geeignet sein.
Die Spiegeleinrichtung 1 umfasst einen Spiegelkörper 5, der sich in einer Längsrichtung 7 erstreckt. Die Abmessungen des Spiegelkörpers 5 in Längsrichtung 7 überragen die Abmessungen des Spiegelkörpers 5 senkrecht zu der Längsrichtung 7 um ein Vielfaches. Der Spiegelkörper 5 ist einstückig aus einem monolithischen Siliziumblock oder auch Si-Einkristall gebildet. Silizium hat bei Temperaturen um 77 K, der Temperatur des zur Kühlung verwendeten flüssigen Stickstoffs, eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit. Der Spiegelkörper 5 umfasst eine ebene Spiegelfläche 9, die sich ebenfalls in der Längsrichtung 7 erstreckt. Diese Spiegelfläche 9 reflektiert die intensive Synchrotronstrahlung und muss lokal Strahlungsleistungen von mehr als 3 W/mm² absorbieren können, ohne dass sich dabei die Spiegelfläche 9 aufgrund der hierdurch hervorgerufenen Erwärmung stärker verformt, als durch die Fertigungstoleranzen vorgegeben ist. Senkrecht zur Längsrichtung 7 wird der Spiegelkörper 5 durch eine erste Endfläche 11 und eine zweite Endfläche 13 begrenzt, die den Spiegelkörper 5 an einander gegenüberliegenden Enden begrenzen und in Längsrichtung 7 voneinander beabstandet sind. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Endflächen 11, 13 zudem senkrecht zur Spiegelfläche 9.
Weiterhin umfasst die Spiegeleinrichtung 1 eine Biegevorrichtung 15, die einen Seilzug 17 und einen Rahmen 19 aufweist. Der Rahmen 19 erstreckt sich im Wesentlichen in Längsrichtung 7 und wird an gegenüberliegenden Enden jeweils von einem ersten bzw. zweiten Angriffselement 21, 23 begrenzt. Die Angriffselemente 21, 23 werden teilweise auch als Pratzen 21, 23 bezeichnet. Das erste Angriffselement 21 ist dazu eingerichtet, an der ersten Endfläche 11 anzugreifen, und das zweite Angriffselement 23 ist dazu eingerichtet, an der zweiten Endfläche 13 anzugreifen. Der Spiegelkörper 5 kann somit zwischen den beiden Angriffselemente 21, 23 eingespannt werden. An jedem der Angriffselemente 21, 23 ist eines der Enden des Seilzug 17 befestigt.
Wie sich der Detaildarstellung der zweiten Endfläche 13 des Spiegelkörpers 5 in 1a entnehmen lässt, sind an der Endfläche 13 jeweils zwei Stifte 25 vorgesehen, die sich senkrecht zur Endfläche 13 erstrecken. Die von der Endfläche 13 wegweisenden Enden der Stifte 25 können ballig ausgebildet, d.h. kuppelförmig, sein, sodass von dem Angriffselement 23 auf die Stifte 25 einwirkende Kräfte auf besonders vorteilhafte Weise punktförmig eingeleitet werden. In 1a ist der Übersichtlichkeit halber das zweite Angriffselemente 23 nicht dargestellt. Die erste Endfläche 11 ist spiegelsymmetrisch zu der zweiten Endfläche 13 ausgebildet, wie 8 entnommen werden kann.
Der Seilzug 17 der Biegevorrichtung 15 wird zwischen den beiden Enden, die an den Angriffselementen 21, 23 befestigt sind, über eine Mehrzahl von Umlenkelementen 27, 29, 31, 33 geführt, die in Form von Umlenkrollen ausgebildet sind. Zwei rahmenfeste Umlenkelemente 27, 29 sind ortsfest mit dem Rahmen 19 verbunden. Dabei wird unter ortsfest lediglich verstanden, dass sich die Umlenkelemente 27, 29 zusammen mit dem Rahmen 19 verschieben lassen. Die rahmenfesten Umlenkelemente 27, 29 sind derart an dem Rahmen 19 angeordnet, dass von dem Seilzug 17 auf die Angriffselemente 21, 23 ausgeübte Zugkräfte parallel zur Längsrichtung 7 und jeweils auf das andere Angriffselement 21, 23 zu wirken. Mit anderen Worten erstreckt sich der Seilzug 17 jeweils zwischen einem der Angriffselemente 21, 23 und einem der rahmenfesten Umlenkelemente 27, 29 im Wesentlichen in Längsrichtung 7. Auch sind die rahmenfesten Umlenkelemente 27, 29 in Längsrichtung 7 zwischen den beiden Angriffselementen 21, 23 angeordnet.
Die Mehrzahl von Umlenkelementen 27, 29, 31, 33 umfasst weiterhin ein drittes Umlenkelement 31, dessen Position relativ zu den rahmenfesten Umlenkelementen 27, 29 derart verändert werden kann, dass sich eine Spannung des Seilzugs 17 in Abhängigkeit von der Position des dritten Umlenkelements 31 ändert. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl von Umlenkelementen 27, 29, 31, 33 derart angeordnet, dass eine Position des dritten Umlenkelements 31 zur Veränderung der Spannung in dem Seilzug 17 in Längsrichtung 7 verändert werden kann. Auf diese Weise wird eine räumlich besonders kompakte Spiegeleinrichtung 1 erreicht, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Spiegeleinrichtung 1 in den beengten Platzverhältnissen einer Vakuumkammer 3 angeordnet werden soll.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Biegevorrichtung 15 entspricht dem Prinzip einer Schraubzwinge. Durch den Zug des Seilzugs 17 werden die Angriffselemente 21, 23, die gelenkig mit dem Rahmen 19 verbunden sind, aufeinander zu bewegt. Das daraus resultierende Moment der Angriffselemente 21, 23 führt dazu, dass der Spiegelkörper 5 senkrecht zur Spiegelfläche 9 in Form einer Krümmung ausweicht. Abhängig davon, wo genau die Angriffselemente 21, 23 an den Endflächen 11, 13 angreifen, wirkt der von den Angriffselementen 21, 23 auf die Endflächen 11, 13 bzw. Stifte 25 ausgeübte Druck einer konkaven oder einer konvexen Krümmung der Spiegelfläche 9 in Längsrichtung 7 entgegen. So kann die Krümmung, die aufgrund des Temperaturgradienten im Spiegelkörper 5 in Folge des Strahlungseintrags durch die Röntgenstrahlung entsteht, kompensiert werden. Ist der Spiegelkörper 5 wie in dem Ausführungsbeispiel aus einem monolithischen Siliziumblock gebildet, der – wie später noch weiter dargelegt wird – auf Temperaturen um 77 K gekühlt worden ist, so weist der Spiegelkörper 5 einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und zieht sich bei Erwärmung zusammen. Daher entsteht durch den Strahlungseintrag der Röntgenstrahlung eine konkave Krümmung oder Verkrümmung der Spiegelfläche 9 in Längsrichtung 7, der durch die Biegevorrichtung 15 entgegengewirkt werden kann, sodass die Verkrümmung der Spiegelfläche 9 stets geringer gehalten werden kann als die Fertigungstoleranzen.
Der Spiegelkörper 5 und die Biegevorrichtung 15 sind auf Auflagern 35, 36 angeordnet. Dabei ist der Spiegelkörper 5 lediglich an einem Punkt translatorisch fest mit einem Auflager 35 der Auflager 35, 36 verbunden, sodass er bei Veränderungen seiner Abmessungen aufgrund von Temperaturänderungen keine Kräfte durch die Verbindung mit dem Auflager 35 erfährt. Die Biegevorrichtung 15 ist hingegen in Längsrichtung verschiebbar – also schwimmend – auf den Auflagern 36, die beispielsweise von Blattfedern gebildet werden, angeordnet. So kann sich die Biegevorrichtung 15 auf vorteilhafte Weise an die Position des Spiegelkörpers 5 anpassen.
Die verschiebbare oder auch schwimmende Lagerung der Biegevorrichtung 15 auf den Auflagern 36 erfordert jedoch ein viertes Umlenkelement 33, das ortsfest mit einer gemeinsamen Basis der Auflager 35, 36 verbunden ist. Die Mehrzahl von Umlenkelementen 27, 29, 31, 33 muss zudem derart angeordnet werden, dass der Rahmen 19 durch den Zug in dem Seilzug 17 in Längsrichtung 7 keine resultierende Gesamtkraft erfährt, da sich der Rahmen 19 sonst in Längsrichtung verschieben würde. Mit der in den 1–4 gezeigten Anordnung der Umlenkelemente 31, 33 wird erreicht, dass sich die Zugkraft des Seilzuges 17 in Längsrichtung 7 auf das rahmenfeste Umlenkelement 27 und die Zugkraft des Seilzug 17 in Längsrichtung 7 auf das rahmenfeste Umlenkelement 29 gegenseitig aufheben und der Rahmen 19 durch den Seilzug 17 keine resultierenden Gesamtkraft in Längsrichtung 7 erfährt.
Um die Kraft auf das dritte Umlenkelement 31 zu verändern, ist in dem Ausführungsbeispiel in 1 eine Hebelanordnung 37 vorgesehen. Die Hebelanordnung 37 umfasst einen Hebel 39, der sich durch eine Außenwandung 41 der Vakuumkammer 3 hindurch erstreckt. Der Hebel 39 ist um eine Schwenkachse 43 schwenkbar in der Außenwandung 41 angeordnet, wobei die Schwenkachse 43 parallel zur Spiegelfläche 9 und senkrecht zur Längsrichtung 7 verläuft. Außerhalb der Vakuumkammer 3 ist eine Druckdose 44 vorgesehen, über die der Hebel 39 verschwenkt werden kann. Allerdings sind auch andere Antriebe denkbar, um den Hebel 39 zu schwenken. Der Durchtritt des Hebels 39 durch die Außenwandung 41 der Vakuumkammer 3 muss derart ausgestaltet sein, dass das Vakuum in der Vakuumkammer 3 nicht beeinträchtigt wird. Hierzu weist der Hebel 39 eine sich senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Hebels 39 erstreckende kreisförmige Platte 45 auf. Zur Abdichtung der Vakuumkammer 3 ist ein Membranbalg 47 vorgesehen, der sich zwischen der kreisförmigen Platte 45 und der Außenwandung 41 der Vakuumkammer 3 erstreckt. Die vorgesehene Abdichtung der Vakuumkammer 3 durch den Membranbalg 47 und die kreisförmige Platte 45 stellt eine besonders robuste und einfach herzustellende Dichtung dar.
In 5 ist eine Kühlung, die die vorliegende Spiegeleinrichtung 1 umfasst, dargestellt. Die Kühlung umfasst eine Bohrung 49, die sich mittig durch den Spiegelkörper 5 erstreckt und senkrecht zur Längsrichtung 7 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein Durchmesser der Bohrung 49 entspricht dabei in etwa der Hälfte der Dicke des Spiegelkörpers 5 senkrecht zur Spiegelebene 9.
Erfindungsgemäß weist die Bohrung 49 eine Vielzahl von Kühlkanälen 51 in Form von Ausnehmungen oder Vertiefungen 51 auf, die sich von einem Mittelpunkt 53 der Bohrung 49 strahlenförmig weg erstrecken und vorzugsweise in Umfangsrichtung schmal ausgebildet sind. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bohrung 49 mit Ausnehmungen 51 ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Innenfläche des Spiegelkörpers 5 zu der Bohrung 49, in dem vorzugweise Kühlflüssigkeit in Form von flüssigen Stickstoff mit einer Temperatur von ungefähr 77 K fließt, vergrößert wird. Auf diese Weise steigt die Kühlleistung der Kühlung gegenüber einer Kühlung, bei der die Bohrungen glatte Außenwände aufweisen, deutlich an.
In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen oder Kühlkanäle 51 von der Bohrung 49 aus in den Spiegelkörper 5 eingebracht worden. Die Bohrung 49 selbst ist nachfolgend durch einen zylindrischen Füllkörper 54 zumindest abschnittsweise wieder verschlossen worden. Der Füllkörper 54 weist die gleichen Abmessungen senkrecht zur Längsrichtung 7 auf wie die Bohrung 49 und ist zudem ebenfalls aus Silizium, d.h. einem Siliziumeinkristall, gebildet. Durch den in die Bohrung 49 eingebrachten Füllkörper 54 ist die Kühlflüssigkeit genötigt, durch die Ausnehmungen 51 zu fließen, wo sie eine deutliche höhere Kühlleistung entfalten kann. So erhöht der Füllkörper 54 auf vorteilhafte Weise die Kühlleistung der Vorrichtung. Da der Füllkörper 54 zudem aus dem gleichen Material ausgebildet ist, wie der Spiegelkörper 5, ändern sich die Abmessungen von Spiegelkörper 5 und Füllkörper 54 gleichermaßen, sodass ein bei Raumtemperatur passend eingesetzter Füllkörper auch bei einer Betriebstemperatur von 77 K weder zu klein ist noch Kräfte auf den Spiegelkörper 5 ausübt.
Insbesondere bezugnehmend auf die 6, 7 und 8 wird zuletzt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anschlusselements 55 mit einem daran angeordneten Anschlussstück 57 zum Anschluss einer Kühlmittelversorgung an die Kühlung der Spiegeleinrichtung 1 beschrieben. Wie man insbesondere 3 entnehmen kann, umfasst der Spiegelkörper 5 zwei Anschlusselemente 55, die aus den Endflächen 11, 13 herausragen und einstückig mit dem Spiegelkörper 5 ausgebildet sind. Zwischen diesen Anschlusselementen 55 erstreckt sich die Bohrung 49, durch die eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise in Form von flüssigem Stickstoff, geleitet werden kann. In den 7 und 8 ist lediglich eines der Anschlusselemente 55 dargestellt.
Das andere Anschlusselement 55 ist entsprechend spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Das Anschlusselement 55 weist einen rohrförmigen Abschnitt 59 oder Rohrabschnitt 59 auf, der eine zentrale Bohrung 61 umgibt. Dabei weist die zentrale Bohrung 61 einen größeren Querschnitt auf als die Bohrung 49 in dem Spiegelkörper 5, sodass die Bohrung 49 vollständig mit dem Füllkörper 54 verschlossen werden kann und die Kühlflüssigkeit direkt aus den zentralen Bohrungen 61 in die Ausnehmungen 51 fließen kann.
An einem von der Endfläche 11 wegweisenden Ende wird der Rohrabschnitt 59 von einem den Rohrabschnitt 59 ringförmig umgebenden Kragen 63 begrenzt. Der Kragen 63 weist eine Angriffsfläche 65 auf, die auf die Endfläche 11 zuweist und die derart ausgebildet ist, dass an ihr eine Spannvorrichtung 67 angreifen kann.
An dem Anschlusselement 55 liegt das Anschlussstück 57 an, das von einem Rohrabschnitt 68 gebildet wird, der in einen Schlauchabschnitt 69 mündet, der über eine herkömmliche Schlauchkupplung 71 mit einer Kühlmittelzufuhr verbunden werden kann. Das Anschlussstück 57 wird über die Spannvorrichtung 67 so fest gegen das Anschlusselement 55 gespannt, dass eine auch im Hochvakuum dichte Verbindung entsteht. In 7 ist zu erkennen, dass zwischen dem Anschlusselement 55 und dem Anschlussstück 57 eine Dichtung 73 angeordnet ist. Die Dichtung 73 kann beispielsweise aus einem mit Indium beschichteten Metall gebildet sein.
Die Spannvorrichtung 67 wird von zwei Halbschalen 75 gebildet, von denen in 8 der Übersichtlichkeit halber lediglich eine dargestellt ist. Daher weicht die Darstellung in 8 von der Darstellung in den 1, 2 und 4 ab. Die Spannvorrichtung 67 bzw. jede der Halbschalen 75 weist einen Vorsprung 77 auf, der dazu eingerichtet ist, an der auf die nächstliegende Endfläche 11 zuweisenden Angriffsfläche 65 des Anschlusselements 55 anzugreifen. In dem Anschlussstück 57 sind wiederum Spannmittel 79 in Form von Schrauben 79 vorgesehen, durch die das Anschlussstück 57 auf die Spannvorrichtung 67 und damit auf das Anschlusselement 55 zu gezogen bzw. gespannt werden kann. Die Zugkraft, mit der das Anschlussstück 57 auf das Anschlusselement 55 zu gezogen wird und durch die die Dichtigkeit der Verbindung zwischen dem Anschlussstück 57 und dem Abschlusselement 55 bestimmt wird, wird vollständig über die Spannvorrichtung 67 in den Kragen 63 bzw. die Angriffsfläche 65 des Anschlusselements 55 eingeleitet.
Der Spiegelkörper 5 selbst, der die Basis der Spiegelfläche 9 bildet, bleibt in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Anschlusses der Kühlung an die Kühlmittelversorgung auf vorteilhafte Weise vollständig frei von Kräften, die lediglich zur Dichtung des Anschlusses einer Kühlung dienen. Insbesondere wird im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen nicht der gesamte Spiegelkörper hohen Lasten ausgesetzt.

Claims

Spiegeleinrichtung (1) mit einem Spiegelkörper (5) für intensive Röntgenstrahlung mit einer Kühlung und zwei Anschlusselementen (55) zum Anschluss einer Kühlmittelversorgung, wobei der Spiegelkörper (5) einstückig ausgebildet ist, sich langgestreckt in einer Längsrichtung (7) erstreckt, eine ebene, sich parallel zur Längsrichtung (7) erstreckende Spiegelfläche (9) aufweist, und eine erste und eine zweite Endfläche (11, 13) umfasst und wobei die Kühlung in Form einer Bohrung (49) ausgebildet ist, die sich zwischen den beiden Anschlusselementen (55) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (55) aus den Endflächen (11, 13) des Spiegelkörpers herausragen und einstückig mit dem Spiegelkörper (5) ausgebildet sind.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bohrung (49) entlang der Längsrichtung (7) durch den Spiegelkörper (5) erstreckt.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung eine Mehrzahl von Kühlkanälen (51) in Form von Ausnehmungen (51) umfasst, die sich von der Bohrung (49) weg auf die Spiegelfläche (9) zu erstrecken.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich jede der Ausnehmungen (51) in Längsrichtung (7) über die gesamte Ausdehnung der Spiegelfläche (9) erstreckt.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmungen (51) radial von einer gemeinsamen in Längsrichtung (7) verlaufenden Mittelachse weg auf die Spiegelfläche (9) zu erstrecken.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (49) zumindest abschnittsweise von einem Füllkörper verschlossen ist, wobei der Querschnitt des Füllkörpers dem freien Querschnitt der Bohrung (49) entspricht, wobei der Spiegelkörper (5) eine erste und eine zweite Endfläche (11, 13) umfasst und jedes Anschlusselement (55) einen sich von einer Endfläche (11, 13) weg erstreckenden Rohrabschnitt (59) umfasst, der eine zentrale Bohrung (61) umgibt, wobei ein Querschnitt der zentralen Bohrung (61) größer ist als ein Querschnitt der die Kühlung bildenden Bohrung (49).
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper einstückig und aus dem gleichen Material wie der Spiegelkörper (5) ausgebildet ist.
Spiegeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkörper (5) eine erste und eine zweite Endfläche (11, 13) umfasst und dass jedes Anschlusselement (55) einen sich von einer Endfläche (11, 13) weg erstreckenden Rohrabschnitt (59) umfasst, der eine zentrale Bohrung (61) umgibt und der an einem von der jeweiligen Endfläche (11, 13) wegweisenden Ende von einem den Rohrabschnitt (61) umgebenen Kragen (63) begrenzt wird.
Spiegeleinrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der Kühlung mit einer Kühlmittelversorgung Anschlussstücke (57) vorgesehen sind, mit denen das Anschlusselement (55) mit einem zur Kühlmittelversorgung eingerichteten Schlauchabschnitt (69) verbunden werden kann, wobei jedes Anschlussstück (57) von einer Spannvorrichtung (67) und einem mit dem Schlauchabschnitt (69) verbundenen Rohrabschnitt (68) gebildet wird, wobei die Spannvorrichtung (67) dazu eingerichtet ist, an einer auf die nächstliegende Endfläche (11, 13) zuweisenden Angriffsfläche (65) eines Kragens (63) eines Anschlusselements (55) anzugreifen, und wobei Spannmittel (79) vorgesehen sind, um den Rohrabschnitt (68) an der Spannvorrichtung (67) gegen das Anschlussstück (55) zu spannen.
Spiegeleinrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (67) von zwei Halbschalen (75) gebildet wird, die jeweils einen Vorsprung (77) zum Angriff an der auf die nächstliegende Endfläche (11, 13) zuweisenden Angriffsfläche (65) eines Kragens (63) eines Anschlusselements (55) aufweisen, und die Spannmittel (79) in Form von Schrauben (79) ausgebildet sind, mit denen der Rohrabschnitt (68) mit der Spannvorrichtung (67) verbunden und in Richtung auf das Anschlussstück (55) zu gespannt werden kann.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkörper (5) eine erste und eine zweite Endfläche (11, 13) umfasst, die den Spiegelkörper (5) an gegenüberliegenden Enden begrenzen und in Längsrichtung (7) voneinander beabstandet sind, und dass die Spiegeleinrichtung (1) eine Biegevorrichtung (15) mit einem Seilzug (17) und einem Rahmen (19) umfasst, wobei der Rahmen (19) ein erstes und ein zweites Angriffselement (21, 23) aufweist, wobei das erste Angriffselement (21) an der ersten Endfläche (11) und das zweite Angriffselement (23) an der zweiten Endfläche (13) angreift, ein erstes Ende des Seilzugs (17) mit dem ersten Angriffselement (21) und ein zweites Ende des Seilzugs (17) mit dem zweiten Angriffselement (23) verbunden ist, der Seilzug (17) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende über eine Mehrzahl von Umlenkelementen (27, 29, 31, 33) geführt wird, wobei zwei rahmenfeste Umlenkelemente (27, 29) der Mehrzahl von Umlenkelementen (27, 29, 31, 33) derart ortsfest an dem Rahmen (19) angeordnet sind, dass von dem Seilzug (17) auf die Angriffselemente (21, 23) ausgeübte Zugkräfte parallel zur Längsrichtung (7) und jeweils auf das andere Angriffselement (21, 23) zu wirken, und wobei zumindest eine Position eines dritten Umlenkelements (31) der Mehrzahl von Umlenkelementen (27, 29, 31, 33) derart relativ zu den ortsfesten Umlenkelementen (33) verändert werden kann, dass sich eine Spannung des Seilzugs (17) in Abhängigkeit der Position des dritten Umlenkelements (31) ändert.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkörper (5) eine parallel zur Spiegelfläche (9) verlaufende Mittelebene aufweist, die jede der Endflächen (11, 13) in zwei Abschnitte teilt, wobei die Angriffselemente (21, 23) jeweils in dem Abschnitt der Endflächen (11, 13) angreifen, der nicht an die Spiegelfläche (9) grenzt.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Umlenkelementen (27, 29, 31, 33) derart angeordnet ist, dass die Position des dritten Umlenkelements (31) parallel zur Längsrichtung (7) verändert werden kann.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeleinrichtung Auflager (35, 36) umfasst, wobei der Spiegelkörper ortsfest mit einem der Auflager (35) verbunden ist, der Rahmen (19) auf einem der Auflager (36) aufliegt und in Längsrichtung (7) verschiebbar ist und die Mehrzahl von Umlenkelementen (27, 29, 31, 33) ein viertes Umlenkelement (33) umfasst, das ortsfest mit einem der Auflager (36) verbunden ist.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelkörper (5) aus einem monolithischen Siliziumblock gebildet ist.