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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung einer Probe mittels Röntgen-Ultrakleinwinkelstreuung, auch „Ultra Small Angle X-Ray Scattering“, USAXS.
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Um eine Materialprobe zu untersuchen, kann diese mit Röntgenstrahlung durchleuchtet werden. Um Rückschlüsse auf die Struktur der Probe ziehen zu können, kann die gebeugte bzw. gestreute Röntgenstrahlung, insbesondere deren Winkelverteilung, untersucht werden. Durch Streuung der Röntgenstrahlung und Messung der gestreuten Strahlung sind Rückschlüsse auf die Struktur der Probe möglich.
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Eine solch übliche Strukturanalyse stellte eine SAXS-Messung (Small Angle X-Ray Scattering) dar, dessen Aufbau eine Röntgenquelle, ein Mittel zur Strahlformung, die zu untersuchende Probe und einen Detektor beinhaltet. Die Mittel zur Strahlformung umfassen Mittel zur Strahlkollimation und Monochromatisierung. Für gewöhnlich können mit üblichen Laborgeräten Partikel, Cluster oder Moleküle bis zu einer Größe von 100 nm Durchmesser, bei sehr guten Geräten bis zu 200 nm analysiert werden.
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Da die SAXS-Messungen naturgemäß sehr nahe am Primärstrahl durchgeführt werden, da ja die Streuung unter kleinen Streuwinkeln untersucht wird, profitiert diese Technik von der Brillanz von Röntgenstrahlen, die von Teilchenbeschleunigern, den sogenannten Synchrotronen, geliefert werden.
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Will man allerdings Proben mit darin enthaltenen Objekten größeren Durchmessers, das heißt größer als die zuvor erwähnten 100-200nm, untersuchen, stellt dies höhere Anforderungen an die Apparatur, da dann kleinere Winkel aufzulösen sind. Dies ist bedingt durch die Bragg-Gleichung, aus der ersichtlich ist, dass eine wachsende Strukturgröße kleinere Streuwinkel bedingt. In anderen Worten, es ist in diesem Fall nötig, eine Apparatur zur Ultrakleinwinkelstreuung zu verwenden. Mittels eines Monochromators und eines Analysators wird der Impulsbetrag, der bei dem Streuprozess erfolgt, in Abhängigkeit des Drehwinkels des Analysator-Kristalls und einem „0D“ Detektor gemessen, und nicht wie bei SAXS üblich über eine Intensitätsänderung in Abhängigkeit des Winkels an einem 2D Detektor. Ein 2D-Detektor ist ein Detektor, der eine zweidimensionale Information über den Auftreff- bzw. Nachweisort eines Teilchens liefert, ein 0D-Detektor liefert hingegen keine Ortsinformationen. Hier reicht also ein einzelner großer Pixel zur Detektion der Röntgenstrahlen die durch den Analysator hindurchgelassen werden.
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Üblicherweise wird zur Strahlkollimation ein Blendensystem verwendet, das einen parallelen Strahl bereitstellen kann. Als Monochromator und Analysator kann jeweils ein Channel-Cut, beispielsweise aus Germanium, verwendet werden. Als Detektor kann ein röntgenempfindlicher Detektor verwendet werden, wie beispielsweise ein Proportionalzählrohr, oder auch ein Szintillationszähler. Bei diesem Aufbau ist das Problem, dass aufgrund der starken Intensitätsminderung durch die Strahlkollimation eine Messung nur an einer sehr starken Röntgenquelle, wie beispielsweise ein Synchrotron, durchgeführt werden kann. Im Labor hingegen würden durch das Blendensystem fast alle Röntgenquanten ausgeblendet, und hierdurch ist aufgrund der geringen Stärke von üblichen Laborröntgenröhren das Durchführen der Untersuchung beinahe unmöglich.
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In der Druckschrift
EP1876440 B1 wird beschrieben, dass zusätzlich zum Blendensystem ein parabolischer Multilayer-Spiegel verwendet werden kann, um die Strahlung aus der Röntgenquelle zu sammeln und zu parallelisieren. Allerdings ist hierbei die mögliche Strahlausbeute immer noch nicht optimal. Darüber hinaus eignet sich ein parabolischer Multilayer-Spiegel jedoch nur für einen Aufbau zum Messen von Feststoffproben oder Pulvern, die zwischen zwei Folien befestigt bzw. stabilisiert sind. Sobald man flüssige Proben untersuchen möchte oder auch Pulver, die sich in Kapillaren mit sehr geringen Wandstärken befinden, muss der Röntgenstrahl nach dem parabolischen Multilayer-Spiegel mithilfe Blenden kollimiert werden. Typische Strahldurchmesser nach dem parabolischen Multilayer-Spiegel liegen im Bereich von ungefähr 2 mm, wobei eine Kapillare typischerweise einen Durchmesser von 0,5 bis 1 mm aufweist. Muss man daher einen Strahl von 2 mm auf 0,5 mm „zuschneiden“, verliert man 15/16 der Intensität, es bleibt daher nur ein geringer Bruchteil von ca. 6% der ursprünglichen Intensität übrig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgen-Kleinwinkelstreuung auch unter Verwendung eines üblichen Laborröntgengerätes auch an flüssigen oder pulverförmigen Proben zu ermöglichen.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Untersuchung einer Probe mittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung eine Strahlformungseinrichtung, die einen elliptischen Spiegel oder eine Polykapillare umfasst, einen Monochromator, einen Analysator, und einen Detektor für Röntgenstrahlung, wobei der Monochromator zwischen der Strahlformungseinrichtung und dem Analysator angeordnet ist und wobei die Strahlformungseinrichtung eingerichtet ist, einen Röntgenstrahl vor dem Monochromator zu bündeln.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Strahlformungseinrichtung ein Fokussierungselement, das den Röntgenstrahl derart fokussiert, so dass ein Fokus des Röntgenstrahls im Bereich zwischen dem Monochromator und dem Detektor, oder nahe hinter dem Detektor liegt umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Strahlformungseinrichtung einen elliptischen Multilayer-Spiegel umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Strahlformungseinrichtung eine fokussierende oder parallelisierende Polykapillare umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine Probe zu umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Probe zwischen dem Monochromator und dem Analysator angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Monochromator einen ersten Wellenlängenbereich aus dem Röntgenstrahl isolieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Monochromator einen Channel-Cut-Monochromator umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Analysator zwischen der Probe und dem Detektor angeordnet und drehbar sein ist und die, durch die Probe gestreute Strahlung, nur unter einem bestimmten Dreh-Winkel durchlassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Analysator einen Channel-Cut-Analysator umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Channel-Cut-Monochromator und/oder der Channel-Cut-Analysator aus einem einkristallinen Material bestehen, das die Charakteristischen Strahlung der Röntgenquelle reflektieren kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Röntgenquelle umfassen, die eingerichtet ist, den Röntgenstrahl bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Detektor einen Hybrid-Pixel-Detektor umfassen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Röntgen-Kleinwinkelstreuung-Untersuchungsverfahren für eine Probe angegeben, welches umfasst: ein Formen eines Röntgenstrahls mit einem elliptischen Spiegel oder einer Polykapillare als Strahlformungseinrichtung, ein Monochromatisieren des geformten Röntgenstrahls, ein Analysieren von Röntgenstrahlung, die durch Streuung des Röntgenstrahls an einer Probe erzeugt wurde; und ein Detektieren der Röntgenstrahlung, wobei das Monochromatisieren zwischen der Strahlformungseinrichtung und dem Detektor erfolgt und die Strahlformungseinrichtung den Röntgenstrahl vor dem Monochromator bündelt.
- 1a zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 1b zeigt eine anderen schematischen Aufbau der Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 2 zeigt eine weiteren schematischen Aufbau der Vorrichtung mit alternativer Strahlformung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Untersuchung einer Probe mittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung
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Wie zuvor beschrieben, kann zur Parallelisierung der Röntgenstrahlung ein parabolischer Multilayer-Spiegel verwendet werden. Im Gegensatz wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein elliptischer Spiegel eingesetzt, der den Röntgenstrahl bündeln kann, beispielsweise auf Höhe der Probe auf 0,5 mm fokussieren kann. Somit müsste nichts von der ursprünglichen Intensität abgeschnitten werden. Selbst wenn in diesem Fall noch eine Blende verwendet würde, müsste beispielsweise der Röntgenstrahl von 0,5 auf 0,4 mm zurechtgeschnitten werden, was nur einen verhältnismäßig geringen Intensitätsverlust bedeuten würde.
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1a, 1b und 2 zeigen zwei unterschiedliche Varianten der Vorrichtung, in der unterschiedliche Mittel als strahlformende Elemente verwendet werden. In 1a und 1b wird ein elliptischer Spiegel eingesetzt, 2 eine Polykapillare. 1a zeigt den Fall, in dem der Fokus des elliptischen Spiegels auf den Monochromator gerichtet ist, 1b zeigt den Fall, in dem der Fokus bei dem Detektor liegt.
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In 1a und 1b ist eine Röntgenquelle 110 gezeigt. Eine Röntgenquelle 110 kann beispielsweise eine übliche Elektronenkanone und ein Transmissions- oder Reflexions-Target umfassen. Durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls entsteht im Targetmaterial Röntgenstrahlung 115, die charakteristische Strahlung sowie Bremsstrahlung umfasst.
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Die von der Röntgenquelle 110 ausgehende Röntgenstrahlung 115 trifft auf ein strahlformendes Element, den elliptischen Spiegel 120. Ein solcher elliptischer Spiegel zeichnet sich durch die spezielle Formgebung seiner reflektierenden Oberfläche aus, die bei diesem einem Ausschnitt aus einem Ellipsoid entspricht, und weist bestimmte Reflexionseigenschafen auf. Die zum Einsatz kommenden Spiegel können sogenannte Vielschicht- oder Multilayer-Spiegel sein, welche sich durch eine hohe Reflektivität in bestimmten Wellenlängenbereichen auszeichnen. Diese Spiegel weisen einen mehrschichtigen Aufbau der reflektierenden Oberfläche auf.
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Dieser Spiegel 120 fokussiert die Röntgenstrahlung 115, die als Nächstes auf den Monochromator 130 trifft. Der Monochromator 130 sorgt dafür, dass die Röntgenstrahlung 115 im Wesentlichen nur noch ein schmales Wellenlängenband aufweist, beispielsweise mit einer Breite von einigen 10 eV. Als Monochromator kann beispielsweise ein sogenannter Channel-Cut-Monochromator eingesetzt werden.
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Die monochromatisierte Röntgenstrahlung 115 durchleuchtet die Probe 140. Die Probe 140 kann, wie weiter oben erwähnt, ein Festkörperprobe sein, aber auch flüssige oder pulverförmige Proben können untersucht werden, diese müssen gegebenenfalls in entsprechende Probenhalter eingeschlossen werden. Bei dem Durchleuchten der Probe 140 wird die Röntgenstrahlung 115 gestreut.
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Nach dem die Röntgenstrahlung 115 die Probe 140 durchleuchtet hat und dort gestreut wurde, gelangt die gestreute Röntgenstrahlung in den Analysator 150. Der Analysator 150 arbeitet ähnlich wie der zuvor beschriebene Monochromator 130 und selektiert die von der Probe 140 gestreute Röntgenstrahlung 155 nach deren Richtung. Um die Röntgenstrahlung 155 der Richtung nach auszuwählen, ist der Analysator 150 drehbar ausgeführt. Als Analysator kann beispielsweise ein sogenannter Channel-Cut-Analysator eingesetzt werden.
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Nach dem Analysator 150 ist im Strahlengang der Detektor 160 angeordnet. Dieser Detektor ist beispielsweise für den vom Monochromator ausgewählten Wellenlängenbereich ausgelegt. Es können Szintillationszähler oder Proportionalzählrohre verwendet werden. Jedoch kann der Einsatz von Hybrid-Pixel Detektoren von Vorteil sein. Bei einem solchen Hybrid-Pixel Detektoren befindet sich hinter jedem Pixel eine Ausleseelektronik mit einer Schwelle. Ist die deponierte Ladung höher als die Schwelle, zählt der Detektor ein Photon. Ein Halbleiterdetektor kann in Ausführungsformen segmentiert sein, das heißt Pixel aufweisen. Ein solcher Detektor weist im Allgemeinen kein Elektronikrauschen auf und liefert somit ein bessere Signal-zu-Rauschen-Verhältnis [1].
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In 1a ist noch eine optionale Blende 125 gezeigt, die den Röntgenstrahl zwischen dem elliptischen Spiegel 120 und dem Monochromator 130 zurechtschneidet. Diese kann eingesetzt werden, allerdings ist diese meist durch die Verwendung des elliptischen Spiegels 120 obsolet.
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1a unterscheidet sich von 1b also hauptsächlich dadurch, dass der Fokuspunkt 165, den der Spiegel 120 erzeugt, an unterschiedlichen Orten liegt, im Beispiel der 1a liegt der Fokus 165 im Bereich des Detektors 160, im Beispiel der 1b liegt der Fokus 165 im Bereich des Monochromators 130, in diesem Fall genaugenommen im Eintrittsbereich des Monochromators 130.
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In einer in 2 gezeigten weiteren Ausführungsform kann anstelle des elliptischen Spiegels eine Polykapillare verwendet werden. Diese ermöglicht eine Vereinfachung des gesamten Aufbaus. Bei Verwendung eines Multilayerspiegels, sei dieser nun elliptisch oder parabolisch, ist die Justierung des Spiegels verhältnismäßig kompliziert, da zwischen Röntgenquelle 110 und dem ausfallenden Strahl des Spiegels ein Winkel von ungefähr 6 Grad getroffen werden muss. Mit dem Spiegel muss daher nicht nur die exakte Position in allen drei Raumrichtungen gefunden werden, sondern darüber hinaus noch der richtige Kippwinkel, was eine sehr zeitaufwendige Justage erfordern kann.
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Wird hingegen eine Polykapillare verwendet, so muss diese nur senkrecht im richtigen Abstand auf den Ausgang der Röntgenquelle platziert werden. Somit kann ein geradliniger Aufbau realisiert werden und der Winkel zwischen Röntgenquelle und Spiegel entfällt.
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In 2 ist ein Beispiel einer Ausführungsform gezeigt, bei der eine solche Polykapillare verwendet wird. Analog zu den Ausführungsformen der 1a+b ist in 2 eine Röntgenquelle 210 gezeigt. Wie zuvor erläutert kann die Röntgenquelle 210 kann beispielsweise eine übliche Elektronenkanone und ein Transmissions- oder Reflexions-Target umfassen. In der Röntgenquelle 210 wird Röntgenstrahlung 215 erzeugt.
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Die erzeugte Röntgenstrahlung 215 trifft auf ein strahlformendes Element, die erwähnte Polykapillare 220. Eine solche Polykapillare 220 vermag die eintretende Röntgenstrahlung 215 , analog zu den Spiegeln, zu fokussieren oder zu parallelisieren. Bei Feststoffproben, wie z.B. Plättchen oder Pulvern, könnte man beispielsweise eine parallelisierende Polykapillare einsetzen, bei flüssigen Proben, die z.B. in einer Kapillare eingeschlossen sein können, könnte man beispielsweise eine fokussierende Polykapillare einsetzen, um hohe Intensitäten im Probenvolumen zu erzielen.
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Die durch die Polykapillare 220 durchtretende Röntgenstrahlung 215 trifft als Nächstes auf den Monochromator 230, der Monochromator 230 sorgt dafür, dass die Röntgenstrahlung 215 im Wesentlichen nur noch eine einzelne Wellenlänge aufweist. Als Monochromator können die weiter oben beschriebenen Channel-Cut-Monochromatoren verwendet werden.
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Die monochromatisierte Röntgenstrahlung 215 durchleuchtet die Probe 240, diese kann auch hier eine Festkörperprobe oder eine flüssige oder pulverförmige Probe sein.
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Nach dem die Röntgenstrahlung 215 durch die Probe 240 gestreut wurde, gelangt die gestreute Röntgenstrahlung in den Analysator 250, der die von der Probe 240 gestreute Röntgenstrahlung 215 nach deren Richtung selektieren kann.
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Nach dem Analysator 250 ist im Strahlengang der Detektor 260 angeordnet. Dieser Detektor kann beispielsweise, wie weiter oben beschrieben, ein Szintillationszähler oder Proportionalzähler oder ein Halbleiterdetektor sein.
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Wie erwähnt, können die Elemente, die der Strahlformung dienen, den Strahl bündeln, das heißt dessen Divergenz verringern. Dies führt zum Beispiel in manchen Fällen zu einem parallelen Strahl, wenn beispielsweise ein parallelisierendes Element wie die Polykapillare eingesetzt wird, in anderen Fällen zu einem fokussierten Strahl, wenn ein fokussierendes Element wie den Multilayer-Spiegel verwendet wird.
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Wenn der Strahl fokussiert wird, ist es möglich, den Fokus an unterschiedliche Positionen des Strahlengangs zu legen, in manchen Fällen kann es sinnvoll sein, den Fokus im Bereich der Probe zu legen, in anderen ist es vorteilhafter, den Fokus im Bereich des Detektors zu legen. Der Begriff des Bereichs des Detektors kann sich darauf beziehen, dass der Fokus sich vor oder hinter dem Detektor befindet oder auch innerhalb des Detektors. Wenn der Fokus vor oder hinter dem Detektor befindet, so kann dies unmittelbar davor oder dahinter sein, beispielsweise im Bereich 0...5 Millimeter davor/dahinter oder es kann dies nahe beim Detektors sein, beispielsweise im Bereich von 0 bis 5, 10 oder 25 Zentimeter vor oder hinter dem Detektor. Der Bereich vor dem Detektor bezieht sich auf die Seite des Detektors, die dem Analysator zugewandt ist, der Bereich hinter dem Detektor bezieht sich auf die Seite des Detektors, die dem Analysator abgewandt ist.
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Den beschrieben Ausführungsformen gemein ist, dass diese sowohl einen Monochromator als auch einen Analysator aufweisen. Diese Elemente dienen dazu, eine einfallende Strahlung, wie die hier verwendete Röntgenstrahlung, selektiv nach Wellenlänge und Strahlungsrichtung durchzulassen. Das heißt, dass Strahlung, die in Wellenlänge und Richtung von dem Gewünschten abweicht, ausgeblendet wird. Der Monochromator kann eingerichtet sein, um die einfallende Röntgenstrahlung nach der Wellenlänge zu selektieren, der Analysator kann eingerichtet sein, die durch die Probe gestreute Strahlung nur unter einem Winkel durchzulassen, das heißt nach der Richtung zu selektieren. Beispielsweise kann hierdurch, im beschriebenen Fall der Röntgenkleinwinkelstreuung, ein störender Untergrund ausgeblendet werden, denn da der betrachtete Prozess elastisch ist, findet keine Wellenlängenänderung statt und man kann alle Wellenlängen außer der anfänglichen ignorieren.
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Als Monochromator und/oder Analysator können, beispielsweise, Channel-Cut-Monochromatoren verwendet werden. Diese können beispielsweise aus einem einkristallinen Material bestehen, in das ein Kanal hineingesägt oder gefräst wurde, in dem Kanal findet durch Mehrfachreflexion eine feine Wellenlängenselektion statt. Als einkristallines Material kann z.B. Germanium verwendet werden, aber auch die Verwendung von Silizium ist möglich und kann unter anderem aus Kostengründen erwogen werden.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Untersuchung einer Probe mittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung. In einem ersten Schritt 310 wird ein Röntgenstrahl mittels eines elliptischen Spiegels oder einer Polykapillare als Strahlformungseinrichtung geformt. In einem zweiten Schitt 320 wird der geformte Röntgenstrahl monochromatisiert. In einem dritten Schritt 330 wird die Röntgenstrahlung, die durch Streuung des monochromatisierten Röntgenstrahls an einer Probe erzeugt wurde, analysiert und in einem vierten Schritt 340 wird diese Röntgenstrahlung detektiert. Das Monochromatisieren 320 erfolgt zwischen einer Strahlformungseinrichtung und einem Detektor. Der Röntgenstrahl wird vor einem Monochromator von der Strahlformungseinrichtung gebündelt.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Referenzen:
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- [1] Johnson et al.:„Eiger: a single-photon counting x-ray detector", Journal of Instrumentation, Vol. 9, Mai 2014
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Johnson et al.:„Eiger: a single-photon counting x-ray detector“, Journal of Instrumentation, Vol. 9, Mai 2014 [0047]
