DE102018100603B4

DE102018100603B4 - Verfahren zur Kalibration eines Plangittermonochromators

Info

Publication number: DE102018100603B4
Application number: DE102018100603.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Eggenstein; Florin Radu
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2038-01-13
Also published as: DE102018100603A1

Abstract

Verfahren zur Justierung und Kalibration eines Plangittermonochromators welcher mindestens ein Plangitter und einen Planspiegel mit jeweils Antrieben zur Winkeleinstellung aufweist, mindestens aufweisend die Schritte:- Ausrichtung und Kalibration eines Pentaprismas mit einem Flüssigkeitsspiegel und einem Sekundentheodolit in Autokollimation, wobei der Flüssigkeitsspiegel oberhalb des Planspiegels angeordnet ist;- Entfernung des Flüssigkeitsspiegels;- Planspiegelreferenzpunktbestimmung mit dem kalibrierten Pentaprisma und dem Sekundentheodolit in Autokollimation;- Plangitterreferenzpunktbestimmung mit dem kalibrierten Pentaprisma, dem Sekundentheodolit und einem Justierspiegel am Planspiegelreferenzpunkt;- Bestimmung zusammengehöriger Winkel- und Antriebspositionen über den gesamten Winkelbereich des Plangittermonochromators, jeweils unabhängig für den Planspiegel und das Plangitter durch wechselseitiges Verfahren im Bereich der Apertur eines elektronischen Autokollimators und Bestimmung einer Funktion zur Beschreibung der Abhängigkeit der Winkel- und Antriebspositionen durch Ausgleichsrechnung unter Verwendung des Planspiegel- und Plangitterreferenzpunktes und- Bereitstellung der bestimmten Funktion auf einer Datenverarbeitungsanlage zur Nutzung bei der Winkeleinstellung von Plangitter und Planspiegel.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration eines Plangittermonochromators, wie er zum Beispiel zur Röntgenbeugung verwendet wird.
Stand der Technik
Plangittermonochromatoren der die Erfindung betreffenden Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und zum Beispiel in dem Aufsatz 1 von F. Senf et al. (A plane-grating monochromator beamline for the PTB undulators at BESSY II; Journal of Synchrotron Radiation Vol. 5, 1998, S. 780-782) beschrieben. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Planspiegel und einem Plangitter. In den Plangittermonochromatoren wird mittels des Plangitters, das auch als Reflexionsgitter ausgeführt sein kann, das Licht bzw. die Röntgenstrahlung gebeugt, wodurch eine Monochromatisierung erzielt wird. Es wird nur der gebeugte Anteil des einfallenden Lichts bzw. der einfallenden Röntgenstrahlung im Strahlengang weiter verwendet. Unter Monochromatisierung ist hier eine Einschränkung in der spektralen Breite um eine bestimmte Wellenlänge, für die die Beugungsbedingungen am Plangitter erfüllt sind, zu verstehen. Die Güte der Monochromatisierung hängt unter anderem von der spektralen Breite ab. Durch die Verwendung eines Planspiegels wird das Licht im weiteren Strahlengang oder im Vorhinein in der Höhe versetzt. Bei bekannter Strichdichte d des Plangitters ist eine bestimmte Wellenlänge λ, durch Einstellung des entsprechenden Beugungswinkel α + β durch Beugung am Plangitter aus einem einfallenden Strahl auswählbar, wodurch dieser Strahl im weiteren Strahlengang monochromatisiert ist. Plangitter und Planspiegel sind üblicherweise in einem evakuierbaren Gehäuse mit Eintritts- und Austrittsfenstern für die Strahlung untergebracht und jeweils mit Antrieben versehen, mit denen sie um eine Achse, die senkrecht zum einfallenden Strahl ist und in der Ebene des Plangitters bzw. Planspiegels liegt, drehbar sind.
Die Ausrichtungen bzw. Justierungen des Plangitters und des Planspiegels zueinander sowie zum Strahl und möglicher weitere Optiken im Strahlengang oder Zielorten sind entscheidend für die Güte der Monochromatisierung und Brillanz. Dabei ist von zentraler Bedeutung auch die Präzision und Reproduzierbarkeit, mit der ein bestimmter Beugungswinkel , α + β
zur Einstellung einer bestimmten Wellenlänge der Monochromatisierung, am Plangitter und am Planspiegel einstellbar ist. Im Betrieb wird dabei einer Motorposition eines Antriebs von Plangitter oder Planspiegel ein Wert für den Beugungswinkel , α + β und damit (über die Gittergleichung bzw. Braggsche-Gleichung) eine bestimmte Wellenlänge durch Kalibration zugewiesen.
In dem Aufsatz 2 von S. Qian et al. (Necessity of precise in-house adjustment for synchrotron radiation monochromator; SPIE Vol. 3150, Proceedings of Conference on Gratings and Grating Monochromators for Synchrotron Radiation, 1997, S. 114-120) wird die Justierung und dazu genutzte Vorrichtungen eines Plangittermonochromators vorgestellt und die Bedeutung der Justierung besprochen. Der hier vorgestellte Plangittermonochromator ist in einer Monochromatorkammer untergebracht und besteht aus einem Plangitter und einem Planspiegel. Zur Justierung bzw. Ausrichtung des Plangitters und des Planspiegels wird hier der Granittisch, auf dem die Monochromatorkammer angeordnet ist, als Bezug für die horizontale Ausrichtung genutzt. Die Ausrichtung erfolgt mit einem Pentaprisma in Autokollimation unter Verwendung eines Theodolits. Die Ausrichtung beschränkt sich dabei auf eine Bestimmung der Nullpunktlage des Planspiegels und der Ausrichtung des Plangitterspiegels und des Plangitters zueinander. Letzteres bedeutet, dass die Parallelität mit dem Theodoliten überprüft und solange angepasst wird bis ein akzeptabler Wert erreicht ist.
In der US 2007/0258091 A1 ist ein Spektrometer mit Monochromator offenbart. Der Monochromator ist aus einem Plangitter gebildet und weist zudem einen fokussierenden Spiegel auf. Für das Plangitter ist ein Kalibrationsverfahren mitangegeben. In dem Verfahren werden Stützpunkte für die Kalibration der Winkelstellungen des Plangitters anhand der Detektion von spektralen Referenzlinien einer Probe auf einem Detektor ermittelt. Die Kalibration erfolgt dabei ausschließlich basierend auf den Stützpunkten.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, mit der ein Plangittermonochromator unabhängig vom Ort der Verwendung justierbar und kalibrierbar ist und mit denen gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Präzision und Reproduzierbarkeit erreichbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs eins gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Justierung und Kalibration eines Plangittermonochromators welcher mindestens ein Plangitter und einen Planspiegel mit jeweils Antrieben zur Winkeleinstellung aufweist. Ein solcher Monochromator ist z.B. in dem Aufsatz 1 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die im Folgenden beschriebenen Schritte, die bevorzugt konsekutiv erfolgen.
Zuerst erfolgt eine Ausrichtung und Kalibration eines Pentaprismas mit einem Flüssigkeitsspiegel. Hierzu wird ein Sekundentheodolith in der Beugungsebene über dem Monochromator positioniert und über die Winkelanzeige horizontal H = 0°, Vertikal V = 0° eingestellt. Die Beugungsebene wird durch die Senkrechte auf das Plangitter und einen einfallenden Strahl aufgespannt und ist senkrecht zu den Gitterlinien. Ein Pentaprisma wird in der Beugungseben über dem Monochromators oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels, der wiederum oberhalb der Position des Planspiegels angeordnet ist, angeordnet und mit dem Sekundentheodolit in Autokollimation (f = ∞) mittels der reflektierenden Flüssigkeit ausgerichtet, so dass eine Planfläche des Pentaprismas senkrecht zur Ebene der Flüssigkeit und senkrecht in Richtung des Sekundentheodolits ausgerichtet ist. Mögliche Fehler in den Winkeln der Planflächen des Pentaprismas zueinander, können hier erfasst und im folgenden Verfahren berücksichtigt werden, wodurch das Pentaprisma auch kalibriert ist. Die Kalibration des Pentaprismas bedeutet die Berücksichtigung des bestimmten Fehlers in den folgenden Verfahrensschritten. Die Verwendung einer reflektierenden Flüssigkeit als Bezugssystem für die Horizontale, bei der Ausrichtung des Pentaprismas, ermöglicht in vorteilhafter Weise die Justierung des Monochromators auch außerhalb des Aufstellungsortes desselben.
Anschließend erfolgt eine Planspiegelreferenzpunktbestimmung mit dem ausgerichteten und kalibrierten Pentaprisma und dem Sekundentheodolit in Autokollimation. Der Sekundentheodolit und das Pentaprisma werden hierzu nicht mehr bewegt. Lediglich der Flüssigkeitsspiegel aus dem ersten Schritt wird entfernt, so dass der Strahlengang zwischen dem Pentaprisma und dem Planspiegel frei ist. Bei einer gegebenen Winkelstellung des Planspiegels wird ein durch das Pentaprisma bestimmter Winkel Ω der zu der Winkelstellung gehörigen Antriebsstellung zugeordnet. Dieses Wertepaar ist der Planspiegelreferenzpunkt. Zusätzlich werden noch weitere Punkte auf die gleiche Weise bestimmt, die im weiteren Verfahren als Stütz- bzw. Kontrollpunkte dienen können.
Folgend wird eine Plangitterreferenzpunktbestimmung mit dem Sekundentheodolit und einem Justierspiegel durchgeführt. Der Sekundentheodolit wird hierzu in der Beugungsebene genau auf Höhe des Gittermittelpunktes positioniert. Die Winkelanzeige horizontal H=0°, Vertikal V=0° des Sekundentheodolits fällt dann mit der Lichtachse (Einfallachse des Röntgenstrahls) des Monochromators zusammen, wenn dieser am Bestimmungsort angeordnet ist. Das Plangitter wird wegen der kleinen Wellenlängen im streifenden Einfall betrieben. Ein dahinterliegender Justierspiegel kann daher direkt mit dem Theodoliten beobachtet werden. Der Justierspiegel wird so positioniert, dass die Bedingungen für die Autokollimation im Theodoliten erfüllt sind. Ein Teil des Lichtes wird über das Plangitter und den Planspiegel gelenkt und bei feststehendem Planspiegel am Planspiegelreferenzpunkt wir das Plangitter justiert, in dem die Kollimationskreuze im Okular des Theodoliten zur Deckung gebracht werden. Im Falle der Deckung werden der Winkel des Planspiegelreferenzpunktes und die Antriebsstellung des Plangitters als Plangitterreferenzpunkt genommen Für die Stütz- bzw. Referenzpunkte wird ebenso verfahren. Weil der Planspiegel im vorhergehenden Schritt bereits justiert wurde, darf kein horizontaler Versatz in der Kollimation sichtbar sein. Wird die Brennweite f des Sekundentheodoliten auf f = d, mit d = Abstand |Theodolit-Justierspiegell, verändert, ist der auf dem Spiegel angebrachte Maßstab sichtbar. Bei Veränderung der Brennweite auf eine um x erweiterte Länge f = d + x, mit x = Verlängerung des Lichtweges, gegeben durch Reflexion im Strahlengang über Planspiegel und Plangitter, erscheint der Maßstab im Theodoliten um den Parallelversatz angehoben. Mit diesen beiden Einstellungen der Brennweiten am Theodoliten ist so der Parallelversatz einfach zu vermessen und die richtige Höhe des Theodoliten überprüfbar und einstellbar.
Sind die Bestimmungen der Plangitter- und Planspiegelreferenzpunkte und Stütz- bzw. Kontrollpunkte beendet, erfolgt anschließend im nächsten Schritt die Kalibration der Winkelstellung von Plangitter und Planspiegel durch Bestimmung zusammengehöriger Winkel- und Antriebspositionen, unter Verwendung des planen Justierspiegels und eines elektronischen Autokollimators. Dabei wird in einem Winkelbereich, der durch die Apertur des Autokollimators bestimmt ist, zunächst der Planspiegel verfahren und Wertepaare aus bestimmtem Winkel und Antriebswerten gebildet. Sobald der Winkelbereich des Planspiegels aus dem durch die Apertur begrenzten Bereich herausläuft, wird mit dem Plangitter nachgefahren und dabei Wertepaare aus bestimmten Winkel und Antriebsposition gebildet, bis die Bedingungen der Autokollimation wieder erfüllt sind und erneut der Planspiegel verfahren wird (wechselseitiges Verfahren). Aus diesem Verfahren ergeben sich zwei unabhängige Abhängigkeiten der Winkel und Antriebswerte jeweils für den Planspiegel und das Plangitter. Hieran werden jeweils durch Ausgleichsrechnungen Polynome höherer Ordnung angepasst, bis die Residuen einen gewünschten bzw. optimalen Wert erreichen. Die Anpassung bedient sich dabei der vorher bestimmten Referenzpunkte von Planspiegel und Plangitter als Startpunkte. Die Parameter der angepassten Polynome werden der Ansteuerung der Antriebe zur Verfügung gestellt. Die so erfolgte Kalibration kann mittels der Kontrollpunkte überprüft und gegebenenfalls verbessert werden.
Die durch die Ausgleichsrechnung bestimmten Parameter werden auf einer Datenverarbeitungsanlage bereitgestellt und zur Winkeleinstellung und damit folglich auch Wellenlängeneinstellung der vom Monochromator monochromatisierten Strahlung genutzt. Durch die Nutzung der Parameter zur Kalibration der Antriebsstellungen von Planspiegel und Plangitter, wird die Präzision und Reproduzierbarkeit der Winkeleinstellung des Monochromators verbessert. Die Residuen können dabei auf einen absoluten Fehler von 8'' (arcsec) und kleiner gebracht werden. Das bedeutet, dass über den gesamten Energieeinstellbereich (welcher dem gesamten Winkelbereich entspricht) des Monochromators jeder Winkel mit einer Genauigkeit von absolut 8'' oder kleiner einstellbar ist. Daraus folgt beispielsweise, dass eine Energie von 245 eV auf ± 0.3 eV absolut, oder besser einstellbar ist. Die Auflösung in diesem Energiebereich kann dabei, abhängig vom Monochromator, weitaus höher sein.
Ein Monochromator, auf den das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, befindet sich zumeist in einer evakuierbaren Kammer. Zur Durchführung des Verfahrens muss diese neben Ein- und Austrittsfenstern für die Strahlung auch ein Fenster oberhalb des Planspiegels für die Justierung desselben aufweisen.
Der Monochromator wird im erfindungsgemäßen Verfahren bei der Kalibration nicht nur an ausgewählten Punkten kalibriert, sondern über seinen gesamten Winkelbereich, wodurch die Präzision und die Reproduzierbarkeit erhöht wird. Darüber hinaus kann der Monochromator an einem anderen Ort als den Einsatzort justiert und kalibriert werden. Vorteilhaft erfolgt dieses wegen der empfindlichen Optiken in einem Reinraum. Am Einsatzort kann der Plangittermonochromator, ohne die internen Optiken zu nutzen, genau ausgerichtet werden. Sollten sich im Einsatz Abweichungen ergeben, kann der Monochromator bei der Fehlersuche ausgeschlossen werden, dieser dient nach der Justierung und Kalibration als Referenz.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von fünf Figuren näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:

1: Schematische Darstellung eines Plangittermonochromators im Querschnitt (Stand der Technik).
2: Schematische Darstellung der Anordnung von Sekundentheodolit, Pentaprisma und Plangittermonochromator zur Durchführung von Schritt 1 des Verfahrens im Querschnitt.
3: Schematische Darstellung der Anordnung von Sekundentheodolit, Pentaprisma und Planspiegel zur Durchführung von Schritt 2 des Verfahrens im Querschnitt.
4: Schematische Darstellung der Anordnung von Sekundentheodolit, Plangitter und Justierspiegel zur Durchführung von Schritt 3 des Verfahrens im Querschnitt.
5: a) In Schritt 4 des Verfahrens bestimmten Winkelwerte aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung ermittelt in Autokollimation für den Winkel zwischen dem Plangitter und der Horizontalen; b) die Anhand des Plangitterreferenzpunktes aus a) ermittelten Winkel aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung und Ausgleichsgerade; c) Abweichung der Ausgleichsgerade in b) gegenüber dem Istwert - Residual aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung..
6: a) In Schritt 4 des Verfahrens bestimmten Winkelwerte aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung ermittelt in Autokollimation für den Winkel zwischen dem Planspiegel und der Horizontalen; b) die Anhand des Planspiegelreferenzpunktes aus a) ermittelten Winkel aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung und Ausgleichsgerade; c) Abweichung der Ausgleichsgerade in b) gegenüber dem Istwert - Residual aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung..

Ein Plangittermonochromator, wie er als Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens in Betracht kommt ist in der 1 gezeigt. Solche Plangittermonochromatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und zum Beispiel in dem Aufsatz 1 beschrieben, welcher auch dem Ausführungsbeispiel entspricht. In der 1 ist dabei das Plangitter PG, der Planspiegel PS, der Antrieb für die Winkeleinstellung des Plangitters AG, der Antrieb für die Winkeleinstellung des Planspiegels AS und die evakuierbare Monochromatorkammer PM mit drei Fenstern gezeigt. Ebenfalls gezeigt ist der Einfallswinkel α auf das Plangitter, der Beugungswinkel β des Plangitters und der Reflexionswinkel Ω des Planspiegels.
In der 2 ist eine Schematische Darstellung der Anordnung von Sekundentheodolit TH, Pentaprisma PE und Plangitter PG zur Durchführung von Schritt 1 des Verfahrens im Querschnitt gezeigt. Das Pentaprisma PE wird mit einem Flüssigkeitsspiegel RF ausgerichtet und kalibriert. Hierzu wird der Sekundentheodolith TH in der Beugungsebene über dem Monochromator positioniert und über die Winkelanzeige horizontal H = 0° und vertikal V = 0° eingestellt. Die Beugungsebene wird durch die Senkrechte auf das Plangitter und die Richtung eines einfallenden Strahls aufgespannt und ist senkrecht zu den Gitterlinien. Ein Pentaprisma PE wird in derselben Ebene über dem Monochromators oberhalb eines Flüssigkeitsspeigels RF, der wiederum oberhalb der Position des Planspiegels PS angeordnet ist, angeordnet und mit dem Sekundentheodolit TH in Autokollimation (f = ∞) mittels der reflektierenden Flüssigkeit RF ausgerichtet, so dass eine Planfläche des Pentaprismas PE senkrecht zur Ebene der Flüssigkeit RF und senkrecht in Richtung des Sekundentheodolits TH eingestellt ist. In Autokollimation werden dazu im Okular OK des Sekundentheodolits TH zwei Autokollimationkreuze von der Planfläche PL des Pentaprismas und von der reflektierenden Flüssigkeit RF zur Justierung genutzt. Das Pentaprisma PE wird in allen drei Drehrichtungen solange positioniert, bis die Kreuze maximal deckungsgleich sind. Kleine Abweichungen sind hier möglich. Mögliche Fehler wie der Winkelversatz V_po in den Winkeln der Planflächen PL des Pentaprismas PE zueinander können hier erfasst und im folgenden Verfahren berücksichtigt werden, wodurch das Pentaprisma PE auch kalibriert ist. Die Verwendung einer reflektierenden Flüssigkeit RF als Bezugssystem für die Horizontale bei der Ausrichtung des Pentaprismas PE, ermöglicht in vorteilhafter Weise die Justierung des Monochromators auch außerhalb des Aufstellungsortes desselben.
Eine schematische Darstellung der Anordnung von Sekundentheodolit TH, Pentaprisma PE und Planspiegel PS zur Durchführung von Schritt 2 des Verfahrens ist in der 3 im Querschnitt gezeigt. In Schritt 2 des Verfahrens erfolgt eine Planspiegelreferenzpunktbestimmung mit dem ausgerichteten und kalibrierten Pentaprisma PE und dem Sekundentheodolit TH in Autokollimation. Der Sekundentheodolit TH und das Pentaprisma PE werden hierzu am selben Ort belassen. Lediglich der Flüssigkeitsspiegel RF aus dem ersten Schritt wird entfernt, so dass der Strahlengang zwischen dem Pentaprisma PE und dem Planspiegel PS frei ist. Der Winkel des Referenzpunktes des Planspiegels wird als dessen Winkel zur Horizontalen V_so, unter Berücksichtigung des Fehlers des Pentaprismas V_po, V_so-V_po, bzw. 180° - 2 x (V_so-V_po) = Ω (Gesamtablenkwinkel) mit dem Theodoliten TH und dem Prisma PE bestimmt. Bei dem Referenzwinkel wird die zugehörige Antriebstellung notiert, um den Referenzpunkt zu komplettieren. Der Sekundentheodolit TH kollimiert hierbei über das Pentaprisma PE direkt auf den Planspiegel PS des Plangittermonochromators. Das Fernrohr am Theodolit TH wird soweit vertikal geschwenkt bis das Kollimationskreuz mit dem Fadenkreuz im Okular OK zur Deckung gelangt. Mit dem ermittelten Vertikalwinkel V_s0 und dem Fehler V_p0 am Pentaprisma PE ist der Gesamtablenkwinkel Q für eine Antriebsstellung AS somit bestimmbar. Darüber hinaus lässt sich der Planspiegel PS in horizontaler Richtung kollimieren, gegebenenfalls justieren bis H=0°. Auch die Rotationsachse lässt sich über einen Winkelbereich kontrollieren. Der mögliche beobachtbare Winkelbereich hängt von der Entfernung Sekundentheodolit TH zum Pentaprisma PE sowie von der Größe des Pentaprismas PE ab. Mehrere Winkelgrade sind aber problemlos möglich. Bei einem Abstand von 1000 mm (=f) und einem 50 mm (=C) großen Pentaprisma PE ist eine Beobachtung von 2.86° (tan(V_so)=C/f) möglich. Bei einer Winkeländerung des Planspiegels PS darf sich keine horizontale Abweichung bei der Kollimation ergeben, weil dies zu einer horizontalen Abweichung des Strahles führen würde. In diesem Fall, müsste der gesamte Plangittermonochromator so um die Strahlachse gedreht werden, bis die Abweichung kompensiert ist.
Eine schematische Darstellung der Anordnung von Sekundentheodolit TH, Plangitter PG und Justierspiegel JS zur Durchführung von Schritt 3, Plangitterreferenzpunktbestimmung, des Verfahrens ist in 4 im Querschnitt gezeigt. Der Sekundentheodolit wird hierzu in der Beugungsebene genau auf Höhe des Gittermittelpunktes positioniert. Die Winkelanzeige horizontal H=0°, Vertikal V=0° des Sekundentheodolits TH fällt dann mit der Lichtachse des Plangittermonochromators zusammen, wenn dieser am Bestimmungsort angeordnet ist. Das Plangitter PG wird bei kleinen Wellenlängen im streifenden Einfall betrieben. Ein dahinterliegender Justierspiegel JS kann daher direkt mit dem Theodoliten TH beobachtet werden (▪▪▪, gepunktete Linie). Der Justierspiegel JS wird so positioniert, dass die Bedingungen für die Autokollimation im Sekundentheodoliten TH erfüllt sind. Ein Teil des Lichtes wird über das Plangitter PG und den Planspiegel PS gelenkt (-, durchgezogenen Linie) und bei feststehendem Planspiegel PS wir das Plangitter PG justiert. Dies erfolgt unter Kenntnis von den bereits ermittelten Winkeln V_so-V_po. Durch Drehung über den Antrieb des Plangitters AG wird das Plangitter PG justiert in dem ein weiteres Kollimationskreuz zur Deckung im Okular OK gebracht wird. Damit sind die Winkel V_go=V_so-V_po identisch, mit V_go = Winkel des Plangitterreferenzpunktes. Der Referenzpunkt wird komplettiert durch die Antriebsstellung beim Referenzwinkel. Weil der Planspiegel PS bereits auch horizontal vermessen und justiert ist, darf auch hier kein horizontaler Versatz in der Kollimation sichtbar sein. Anderenfalls kann auch dieser hier durch Justierung kompensiert werden. Wird die Brennweite f des Sekundentheodoliten TH auf f = s, mit s = Abstand |Theodolit-Justierspiegel|, verändert, ist der auf dem Planspiegel PS angebrachte Maßstab sichtbar. Bei Veränderung der Brennweite auf eine um h erweiterte Länge f = s + x, mit x = Verlängerung des Strahlenganges über Plangitter PG und Planspiegel PS, erscheint der Maßstab im Theodoliten TH um den Parallelversatz h angehoben. Mit diesen beiden Einstellungen der Brennweiten am Theodoliten TH ist so der Parallelversatz h einfach zu vermessen und die richtige Höhe des Sekundentheodoliten TH überprüfbar und einstellbar.
In der 5 ist in a) der Winkelversatz ΔV_g des Plangitters aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung des Plangitters gezeigt. Der Winkelversatz ΔV_g entsteht bei dem abwechselnden Verkippen von Planspiegel und Plangitter im Rahmen der Apertur des elektronischen Autokollimators. In der Figur nicht zu erkennen, ist die hieraus resultierende Sägezahnform der Kurve. Der Nullpunkt auf der Abszisse entspricht dem Plangitterreferenzpunkt. Aus den Versatzstücken ist durch fortlaufende Summation der Stücke, die aus der Verkippung des Plangitters resultieren, die in b) gezeigte Kurve der Winkel V_g gegenüber der Antriebsstellung gebildet. Hieran wird eine Ausgleichsrechnung (Regression) mit einem Polynom 5. Grades, der Übertragungsfunktion f(AG), AG = Antriebsstellung des Plangitters, vorgenommen. Die Ausgleichskurve ist in der Figur nicht zu erkennen, da die Übereinstimmung mit den experimentellen Werten sehr gut ist. Die Kurve erscheint in der Figur als Gerade, was sich bei näherer Betrachtung bzw. bei der Ausgleichsrechnung als nicht haltbar erweist. Das Residuum der Übertragungsfunktion zu den experimentellen Werten ist in c) gezeigt. Zu erkennen ist, dass, wiewohl das Residuum kein ist, < |8''|, die Anpassung noch verbesserbar ist. Die Parameter der Übertragungsfunktion werden zur Ansteuerung von gewünschten Winkelwerten bzw. Wellenlängen/Energien bei Benutzung des Monochromators verwendet und hierzu auf einer Datenverarbeitungsanlage zur Ansteuerung bereitgestellt.
Die in der 6 gezeigten Kurven entsprechen denen zur Kalibration des Planspiegels. In der 6 a) ist der Winkelversatz ΔV_s des Plangitters aufgetragen gegenüber der Antriebsstellung des Plangitters gezeigt. Der Winkelversatz ΔV_s entsteht bei dem abwechselnden Verkippen von Planspiegel und Plangitter im Rahmen der Apertur des elektronischen Autokollimators. In der Figur nicht zu erkennen, ist die hieraus resultierende Sägezahnform der Kurve. Der Nullpunkt auf der Abszisse entspricht dem Planspiegelreferenzpunkt. Aus den Versatzstücken ist durch fortlaufende Summation der Stücke, die aus der Verkippung des Planspiegels resultieren, die in b) gezeigte Kurve der Winkel V_s gegenüber der Antriebsstellung gebildet. Hieran wird eine Ausgleichsrechnung (Regression) mit einem Polynom 5. Grades, der Übertragungsfunktion f(AG), AG = Antriebsstellung des Plangitters, vorgenommen. Die Ausgleichskurve ist in der Figur nicht zu erkennen, da die Übereinstimmung mit den experimentellen Werten sehr gut ist. Die Kurve erscheint in der Figur als Gerade, was sich bei näherer Betrachtung bzw. bei der Ausgleichsrechnung als nicht haltbar erweist. Das Residuum der Übertragungsfunktion zu den experimentellen Werten ist in c) gezeigt. Zu erkennen ist, dass, wiewohl das Residuum kein ist, < |8''|, die Anpassung noch verbesserbar ist. Die Parameter der Übertragungsfunktion werden zur Ansteuerung von gewünschten Winkelwerten bzw.
Wellenlängen/Energien bei Benutzung des Monochromators verwendet und hierzu auf einer Datenverarbeitungsanlage zur Ansteuerung bereitgestellt.
Für die Positioniergenauigkeit in dem Ausführungsbeispiel ergibt sich für eine gewünschte Energie E = 245,513 eV (bzw. die zugehörige Wellenlänge) Wellenlänge das Folgende.
Bei gegebenen Winkeln im Plangittermonochromator von α = 87° und Ω = 170° mit einem 1200l/mm Gitter errechnet sich die Wellenlänge über die Gittergleichung wie folgt: $λ = \frac{d}{m} (sin α - sin (Ω - α)),$
mit λ = Wellenlänge, $\frac{d}{m} = Gitterkonstante des Plangitter = Breite des Gitters / Anzahl Gitterlinien;$

bei der Beugung 1. Ordnung und unter Berücksichtigung von Ω = α + β; Woraus sich für die gewünschte Photonenenergie ergibt: $λ = \frac{1 mm}{1200} ({sin 87}^{\circ} - sin (170^{\circ} - 87^{\circ})) = 5,07 nm \Rightarrow E = h * c / λ = 245,513 eV;$
Der Fehler für die Wellenlänge ergibt sich durch partielle Ableitung der Gittergleichung zu: $Δ λ = | \frac{δ λ}{δ α} | \cdot Δ α + | \frac{δ λ}{δ Ω} | \cdot ΔΩ,$
mit Δλ = |(cos (α) - cos [(Ω - α))] d/m| · Δα + |cos (Ω - α) * d/m|· ΔΩ und Δλ = Fehler der Wellenlänge, Δα = 8'' und ΔΩ = 8''. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich danach: $Δ λ = 0,0022 mm + 0,0039 mm = 0,0061 mm .$
Die Fehler ergeben sich aus der im Ausführungsbeispiel ermittelten maximalen Abweichung im Winkel von absolut 8''.(Maximale Abweichung der Residuen über den gesamten Stellbereich). Somit $\frac{λ}{Δ λ} = \frac{E}{Δ E} = \frac{5,07 mm}{0,0061 mm} = 831 \Rightarrow Δ E = 0,295 eV .$
Die tatsächliche spektrale Auflösung des Monochromators beträgt 10000 bei der hier betrachteten eingestellten Energie von 245 eV, woraus sich ergibt 245 eV/10000=0.0245 eV. Die absolute Startenergie wird somit auf ΔE = 0,295 eV gewährleistet.

Claims

Verfahren zur Justierung und Kalibration eines Plangittermonochromators welcher mindestens ein Plangitter und einen Planspiegel mit jeweils Antrieben zur Winkeleinstellung aufweist, mindestens aufweisend die Schritte: - Ausrichtung und Kalibration eines Pentaprismas mit einem Flüssigkeitsspiegel und einem Sekundentheodolit in Autokollimation, wobei der Flüssigkeitsspiegel oberhalb des Planspiegels angeordnet ist; - Entfernung des Flüssigkeitsspiegels; - Planspiegelreferenzpunktbestimmung mit dem kalibrierten Pentaprisma und dem Sekundentheodolit in Autokollimation; - Plangitterreferenzpunktbestimmung mit dem kalibrierten Pentaprisma, dem Sekundentheodolit und einem Justierspiegel am Planspiegelreferenzpunkt; - Bestimmung zusammengehöriger Winkel- und Antriebspositionen über den gesamten Winkelbereich des Plangittermonochromators, jeweils unabhängig für den Planspiegel und das Plangitter durch wechselseitiges Verfahren im Bereich der Apertur eines elektronischen Autokollimators und Bestimmung einer Funktion zur Beschreibung der Abhängigkeit der Winkel- und Antriebspositionen durch Ausgleichsrechnung unter Verwendung des Planspiegel- und Plangitterreferenzpunktes und - Bereitstellung der bestimmten Funktion auf einer Datenverarbeitungsanlage zur Nutzung bei der Winkeleinstellung von Plangitter und Planspiegel.