DE102021118069B3 - Procedure for energy calibration of a plane grating monochromator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiekalibration eines Plangittermonochromators (PGM) welcher ein Plangitter und einen Planspiegel, beide ausgestattet mit einem Antrieb mit einem Winkeldekodierer mit absoluter Skale, aufweist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: 1. Bereitstellung des PGM sowie kollimierter Röntgenstrahlung und einer Ionisationskammer im Strahlengang hinter dem PGM und eines Detektors zur Detektion von in der Ionisationskammer entstehender Strahlung. 2. Aufsuchen eines ersten Extremwertes (EW) des Photoionisationsspektrums des Gases in der Ionisationskammer durch Variation des Gesamtablenkwinkels 2θ am PGM und Beugungswinkel β des Plangitters und rechnerische, anhand der Energie des ersten EW, oder geodätische Bestimmung eines zugehörigen Ablenkwinkel θ des Planspiegels und Berechnung des zugehörigen Winkelwertes β des Plangitters und Zuweisung der Winkelwerte zu den aktuellen Teilstrichen der Dekodierer als Startpunkt. Anschließend wird in einem 3. Schritt (i) das Plangitter oder der Planspiegel bis zum Erreichen eines zweiten, zum ersten EW benachbarten EW des loinsationsspektrums rotiert und (ii) der jeweils zu (i) anderen von Planspiegel bzw. Plangitter zum ersten EW des Ionisationsspektrums zurück rotiert und dabei (iii) jeweils Paare der Teilstriche der Dekodierer für jeden Teilschritt (i) und (ii) der Rotationen aus ausgelesenem anfänglichem Teilstrich und Teilstrich bei Erreichen des jeweils als nächstes anzufahrenden EW gebildet und jeweils zugehörige nominellen Winkeldifferenzen zwischen den Energien der zwei EWs des Ionisationsspektrums zu den Paaren der Teilstriche zugewiesen. 4. Mindestens zweimaliges wiederholen von 3.The invention relates to a method for the energy calibration of a plane grating monochromator (PGM) which comprises a plane grating and a plane mirror, both equipped with a drive with an angular decoder with an absolute scale. The method comprises the following steps: 1. Provision of the PGM as well as collimated X-rays and an ionization chamber in the beam path behind the PGM and a detector for detecting radiation produced in the ionization chamber. 2. Search for a first extreme value (EW) of the photoionization spectrum of the gas in the ionization chamber by varying the total deflection angle 2θ on the PGM and diffraction angle β of the plane grating and mathematically, based on the energy of the first EW, or geodetic determination of an associated deflection angle θ of the plane mirror and calculation of the associated angular value β of the plane grid and assignment of the angular values to the current tick marks of the decoder as the starting point. Then, in a third step, (i) the plane grating or the plane mirror is rotated until it reaches a second EW of the ionization spectrum that is adjacent to the first EW and (ii) the respective (i) other plane mirror or plane grating is rotated to the first EW of the ionization spectrum rotates back and thereby (iii) pairs of the graduations of the decoder for each partial step (i) and (ii) of the rotations are formed from the read-out initial graduation and graduation when the next EW to be approached is reached and the associated nominal angle differences between the energies of the two EWs of the ionization spectrum assigned to the pairs of tick marks. 4. Repeat 3 at least twice.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiekalibration eines Plangittermonochromators, wie er zum Beispiel zur Röntgenbeugung verwendet wird.The present invention relates to a method for calibrating the energy of a planar grating monochromator, such as is used for X-ray diffraction, for example.
Stand der TechnikState of the art
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. 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 erzielbaren spektralen Breite des gebeugten Röntgenstrahls ab. Durch die Verwendung eines Planspiegels wird das Licht im weiteren Strahlengang oder im Vorhinein in der Höhe versetzt. Durch die Strichdichte N (Linien/mm) des Plangitters ist eine bestimmte Wellenlänge λ, bei Einstellung eines entsprechenden Gesamtablenkwinkel 2θ mit dem Spiegel und der Winkel α und β zur Gitternormalen des Plangitters, durch Beugung am Plangitter aus einem einfallenden Strahl auswählbar, wodurch dieser Strahl im weiteren Strahlengang monochromatisiert ist. Im Falle, dass es sich um ein Plangitter (Beugungsgitter), d.h. Beugung von Röntgenstrahlen an einem zweidimensionalen Gitter handelt, lautet die Gleichung zur Beschreibung der Beugungsbedingungen:
Mit m = Beugungsordnung, λ = Wellenlänge, N =Anzahl der Gitterstriche pro millimeter= Liniendichte, α = Winkel zwischen einfallendem Strahl und Gitternormale und β = Winkel zwischen gebeugtem (ausfallendem) Strahl und der Gitternormalen des Plangitters wobei 2θ = α + β. Aus letzterer Beziehung lässt sich für die gebeugte Wellenlänge der folgende Zusammenhang herleiten:
Mit einer Wellenlänge λ ist zugleich immer eindeutig eine Energie E gemäß
Plangitter und Planspiegel sind üblicherweise in einem evakuierbaren Gehäuse mit Eintritts- und Austrittsfenstern bzw. -spalt, 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. Zur Erfassung aktuell eingestellter Winkel der Antriebe, sind diese mit Winkeldekodierern ausgestattet, die auch mit absoluten Skalen versehen sein können.Plane gratings and plane mirrors are usually housed in an evacuable housing with entry and exit windows or slits for the radiation and are each provided with drives with which they rotate about an axis that is perpendicular to the incident beam and in the plane of the plane grating or Plane mirror is rotatable. In order to record the currently set angles of the drives, they are equipped with angle decoders, which can also be provided with absolute scales.
Neben der Ausrichtungen bzw. Justierungen des Plangitters und des Planspiegels zueinander sowie zum Strahl und möglicher weitere Optiken im Strahlengang oder Zielorten sowie der zu erreichenden Auflösung, ist entscheidend für die Güte der Monochromatisierung außerdem die Genauigkeit (auch als Richtigkeit ansprechbar) der Winkeleinstellungen mit der ein Gesamtablenkwinkel 2θ durch den Spiegel bzw. ein bestimmter Beugungswinkel β durch das Plangitter, 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 und damit über die Gittergleichung (2) eine bestimmte Wellenlänge bzw. Energie durch Kalibration zugewiesen. Die Genauigkeit ist dann der Grad der Übereinstimmung zwischen angezeigtem (ausgelesenem) und „richtigem Wert“.In addition to the alignments or adjustments of the plane grating and the plane mirror to each other and to the beam and possible other optics in the beam path or target locations as well as the resolution to be achieved, the accuracy (also addressable as correctness) of the angle settings with the one is decisive for the quality of the monochromatization Total deflection angle 2θ through the mirror or a specific diffraction angle β through the plane grating, to set a specific wavelength of the monochromatization, on the plane grating and on the plane mirror is adjustable. During operation, a motor position of a plane grating or plane mirror drive is assigned a value for the diffraction angle and thus a specific wavelength or energy via the grating equation (2) by calibration. The accuracy is then the degree of agreement between the displayed (read out) and the "correct value".
Eine Kalibrierung der Energie wird üblicherweise mit Referenzproben, z.B. Metallfolien, durchgeführt, wie es z.B. in dem Aufsatz 2 von S. Diaz-Moreno (XAFS data collection: an integrated approach to delivering good data, Journal of Synchrotron Radiation, Vol. 19, 2012, S. 863-868) beschrieben ist. Im weichen Bereich der Röntgenstrahlung, insbesondere bei Röntgenstrahlung mit einer Energie < 1 keV, werden an Stelle der Metallfolien u.a. Photoionisationsspektren von Gasen vermessen, wie es z.B. in dem Aufsatz 3 von S.I. Fedoseenko et al. (Commissioning results and performance of the high-resolution Russian-German Beamline at BESSY II, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 505, 2003, S. 718-728) beschrieben ist.A calibration of the energy is usually carried out with reference samples, e.g. metal foils, as described, for example, in Essay 2 by S. Diaz-Moreno (XAFS data collection: an integrated approach to delivering good data, Journal of Synchrotron Radiation, Vol. 19, 2012, pp. 863-868). In the soft range of X-rays, especially X-rays with an energy <1 keV, instead of metal foils, among other things, photoionization spectra of gases are measured, as is described, for example, in article 3 of SI Fedoseenko et al. (Commissioning results and performance of the high-resolution Russian-German Beamline at BESSY II, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 505, 2003, pp. 718-728).
Ein weiteres Verfahren zur Kalibrierung der Wellenlänge (Energie) eines Gittermonochromators besteht darin, einen Referenzstrahl aus Emissionslinien eines Gases zum Vergleich mit einem gebeugten Strahl des zu kalibrierenden Monochromators zur Verfügung zu stellen, wie es in der
Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Gittermonochromators, welcher lediglich aus einem Plangitter besteht, ist in der
Für eine Betrachtung der Fokussierungsbedingung eines Plangitters wird, wie es z.B. in dem Aufsatz 4 von H. Petersen (The plane grating and elliptical mirror: A new optical configuration for monochtromators, Optical Communication, Vol. 40, 1982, S. 402-406) beschrieben ist, häufig der Parameter cff, herangezogen der sich aus folgendem Verhältnis
Aufgabenstellungtask
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Energiekalibration eines Plangittermonochromators anzugeben, mit dem die Energiekalibrierung unabhängig von absoluten Winkelpositionen und unabhängig von relativen Positionen der Winkeldekodierer zueinander erfolgt.The object of the invention is to specify a method for the energy calibration of a planar grating monochromator, with which the energy calibration takes place independently of absolute angular positions and independently of relative positions of the angle decoders to one another.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs eins gelöst.The object is solved by the features of claim one.
Das Verfahren zur Energiekalibration eines Plangittermonochromators ist für Plangittermonochromatoren durchzuführen, welche mindestens ein Plangitter mit einem ersten Antrieb aufweisen, wobei der erste Antrieb mit einem ersten Winkeldekodierer ausgestattet ist und weiterhin einen Planspiegel mit einem zweiten Antrieb aufweisen, welcher mit einem zweiten Winkeldekodierer ausgestattet ist. Beide Winkeldekodierer weisen zudem absolute Skalen auf. Alle Komponenten eines nach Anspruch 1 gattungsgemäßen Plangittermonochromators sind dem Fachmann bekannt und sind unter den üblichen Gesichtspunkten bzw. gemäß der Randparameter, wie insbesondere des abzudeckenden Energiebereichs, auszuwählen.The method for energy calibration of a planar grating monochromator is to be carried out for planar grating monochromators which have at least one planar grating with a first drive, the first drive being equipped with a first angle decoder and also having a plane mirror with a second drive which is equipped with a second angle decoder. Both angle decoders also have absolute scales. All components of a plane grating of the generic type according to claim 1 monochromators are known to the person skilled in the art and are to be selected from the usual points of view or according to the boundary parameters, such as in particular the energy range to be covered.
Das Verfahren macht sich zwei Winkelbeziehungen zwischen einem halben Gesamtablenkwinkel θ eines Röntgenstrahls am Planspiegel und einem Ausfallswinkel β eines Röntgenstrahls am Plangitter zunutze. Die allgemeinen Winkelbeziehungen entsprechen folgenden Formeln (4) und (5):
Das Verfahren weist dabei mindestens die im folgenden ausgeführten Schritte auf.The method has at least the following steps.
In einem ersten Schritt „a.“ wird der gattungsgemäße Plangittermonochromator bereitgestellt. Zudem ist zur Durchführung des Verfahrens kollimierte Röntgenstrahlung bereitzustellen. Die Röntgenstrahlung stammt dabei insbesondere von einer Synchrotronstrahlungsquelle. Die Kollimation des Röntgenstrahls erfolgt vor einem Einfall auf den Plangittermonochromator, insbesondere durch Spiegel, wie z.B. einen toroidalen Spiegel, oder Parabolspiegel. Der Plangittermonochromator ist initial auf die einfallende Röntgenstrahlung auszurichten.-Die initiale Ausrichtung des Plangittermonochromators erfolgt mit vermessungstechnischen Methoden auf den kollimierten, einfallenden Röntgenstrahl.In a first step "a.", the plan grating monochromator of the generic type is provided. In addition, collimated X-ray radiation must be provided in order to carry out the method. The x-ray radiation originates in particular from a synchrotron radiation source. The x-ray beam is collimated before it is incident on the plane grating monochromator, in particular by mirrors, such as a toroidal mirror, or parabolic mirrors. The plane grating monochromator is initially aligned to the incident X-ray radiation. The initial alignment of the plane grating monochromator is carried out using surveying methods to the collimated, incident X-ray beam.
Des Weiteren wird im Strahlengang hinter dem Plangittermonochromator, also in dem vom Monochromator ausfallenden, monochromatisierten Röntgenstrahl, eine Ionisationskammer angeordnet. In der Ionisationskammer wird ein Gas mit geeignetem Dampfdruck bereitgestellt, welches bei einer Energie des Röntgenstrahls, passend zu einer Ionisationsenergie des bereitgestellten Gases, ionisiert wird. Zusätzlich zu der Ionisationskammer wird ein Detektor bereitgestellt, mit dem Ionisationsstrahlung aus der Ionisationskammer detektierbar ist. Bei beiden Komponenten handelt es sich um dem Fachmann geläufige Vorrichtungen, die entsprechend der gegebenen Umstände und in Abhängigkeit der zu untersuchenden Energien des Röntgenstrahls auszuwählen sind.Furthermore, an ionization chamber is arranged in the beam path behind the planar grating monochromator, ie in the monochromatized X-ray beam emerging from the monochromator. A gas with a suitable vapor pressure is provided in the ionization chamber, which gas is ionized at an energy of the X-ray beam that matches an ionization energy of the gas provided. In addition to the ionization chamber, a detector is provided with which ionization radiation from the ionization chamber can be detected. Both components are devices familiar to the person skilled in the art, which are to be selected according to the given circumstances and as a function of the energies of the X-ray beam to be examined.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt „b.“ ein erster Extremwert des Photoionisationsspektrums durch Variation des Gesamtablenkwinkel 2θ am Plangittermonochromator und des Beugungswinkel β des Plangitters als Startpunkt aufgesucht. Die Ionisationsenergien der Gase sind bekannt und z.B. in dem Aufsatz 6 von R.N.S. Sodhi und C.E. Brion (Reference Energies fo inner shell electron energy-loss spectroscopy, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 1984, Vol 34, S. 363-372) für einige Gase aufgelistet. Anhand der Energie-Wellenlänge Beziehung und der Gittergleichung (Formel 2, siehe oben) ist der Gesamtablenkwinkel 2θx des Plangittermonochromators, der zu einer Energie Ex eines ausgesuchten Extremwerts des Ionisationsspektrums zugehörig ist, berechenbar und wird entsprechend eingestellt. Mit dem Beugungswinkel βx wird dann ein ausgesuchter Extremwert durch Variation des Winkels aufgesucht. Als Extremwerte sind die Maxima und Minima in einem lonsiationsspektrum anzusprechen. In vorteilhafterweise wird als erstes ein Maximum angefahren. In weiterhin vorteilhafterweise, wird an dem Startpunkt der Spiegelwinkelstartwert θ0 über Kollimation mit geodätischen Instrumenten genau bestimmt, wie es zum Beispiel mit dem Verfahren der
In diesem Ausgangszustand (Startpunkt) der Winkeleinstellungen aus Schritt „b.“ wird der Winkelwert θ0, dem aktuellen Teilstrich tθ0, auf der absoluten Skala des ersten Winkeldekodierers des Planspiegels zugewiesen und ein auf der absoluten Skala des zweiten Winkeldekodierers aktueller Teilstrich tβ0 mit dem nach der Formel (4) zu θ0 zugehörigen Werts für β0 des Plangitters kalibriert. Dies bildet den Startpunkt für die Kalibration.In this initial state (starting point) of the angle settings from step "b.", the angle value θ 0 is assigned to the current graduation t θ0 on the absolute scale of the first angle decoder of the plane mirror and a current graduation t β0 on the absolute scale of the second angle decoder with is calibrated to the value for β 0 of the planar grating that corresponds to θ 0 according to formula (4). This forms the starting point for the calibration.
In dem folgenden Schritt „c.“ wird
- (i) das Plangitter oder der Planspiegel bis zur Erreichung eines nächsten Extremwertes im Photoionisationsspektrum des Gases der Ionisationskammer mit einem Energiewert E2 rotiert und anschließend
- (ii) das jeweils andere von Planspiegel und Plangitter aus (i) bis zum Wiedererreichen des ersten Extremwertes zurückrotiert.
- (iii) Für jeden Schritt c. (i) und c.(ii) der Rotationen wird ein Wertepaar aus ausgelesenem anfänglichem Teilstrich des zugehörigen Winkeldekodierers und dem Teilstrich bei Erreichen des jeweils als nächstes anzufahrenden Extremwertes gebildet. Zu diesen Wertepaaren wird dann zur Kalibration die jeweils zugehörige nominelle Winkeldifferenz zwischen den Energien der zwei Extremwerte des Photoionisationsspektrums zugewiesen. Die Bestimmung des jeweiligen nominellen Winkelwertes des zuletzt rotierten von Planspiegel oder Plangitter, wird dabei jeweils anhand des nominellen Winkelwertes, für das zuletzt nicht rotierte von Planspiegel oder Plangitter und der Energie des aktuellen Extremwertes des Photoionisationsspektrums gemäß der Formel (4) bzw. (5) bestimmt.
- (i) the plane grating or the plane mirror rotates with an energy value E 2 until a next extreme value in the photoionization spectrum of the gas in the ionization chamber is reached and then
- (ii) the other of the plane mirror and plane grating from (i) rotates back until the first extreme value is reached again.
- (iii) For each step c. (i) and c.(ii) of the rotations, a pair of values is formed from the read-out initial graduation mark of the associated angle decoder and the graduation mark when the respective extreme value to be approached next is reached. The respectively associated nominal angle difference between the energies of the two extreme values of the photoionization spectrum is then assigned to these pairs of values for calibration. The respective nominal angle value of the last rotated plane mirror or plane grating is determined using the nominal angle value for the last non-rotated plane mirror or plane grating and the energy of the current extreme value of the photoionization spectrum according to formula (4) or (5) definitely.
Für die Schritte c. (i) und c. (ii) ergibt sich dabei, dass je nach gewähltem Element von Planspiegel oder Plangitter, mit den zugehörigen Winkeln θ bzw. β, mit dem beim ersten Durchgang des Schritts c. (i) mit einer Rotation begonnen wird, jeweils mit einem von Planspiegel oder Plangitter immer der zweite Extremwert angefahren wird oder, entsprechend komplementär, der erste Extremwert.For steps c. (i) and c. (ii) it follows that depending on the selected element of plane mirror or plane grating, with the associated angles θ or β, with the first pass of step c. (i) a rotation is started, the second extreme value is always approached with one of the plane mirrors or plane gratings, or, in a correspondingly complementary manner, the first extreme value.
Der nächste Extremwert im Photoionisationsspektrum mit einem Energiewert E2 ist dabei in vorteilhafter Weise ein zu dem ersten Extremwert direkt benachbarter Extremwert, d.h., dass z.B. in dem Falle, dass der erste Extremwert ein Maximum ist, der zweite Extremwert ein direkt benachbartes Minimum ist.The next extreme value in the photoionization spectrum with an energy value E 2 is advantageously an extreme value directly adjacent to the first extreme value, ie if the first extreme value is a maximum, the second extreme value is a directly adjacent minimum.
Die nominellen Winkeldifferenzen ergeben sich wie folgt:
- Δθj = |θi-1 - θi| und Δβj = |βi-1 - βi| mit i = Anzahl der Wiederholung des Schritts c. (i) bzw. c. (ii) und j = Anzahl der Wiederholung des Schritts c. (iii). Die Berechnung der Werte für θi bzw. βi erfolgt dabei anhand der Energie des aktuell angefahrenen Extremwertes, E1 bzw. E2, und des zuletzt bestimmten Winkelwertes (θi-1, βi-1) für das zuletzt nicht rotierte von Planspiegel oder Plangitter anhand der Formeln (4) und (5).
- Δθ j = |θ i-1 - θ i | and Δβ j = |β i-1 - β i | with i = number of times step c is repeated. (i) or c. (ii) and j = number of times step c is repeated. (iii). The values for θ i and β i are calculated using the energy of the extreme value currently approached, E 1 or E 2 , and the angle value (θ i-1 , β i-1 ) last determined for the last non-rotated from Plane mirror or plane grating using formulas (4) and (5).
Die Winkeldifferenzen Δθj und Δβj werden den Teilstrecken auf der absoluten Skala der Winkelkodierer, die sich durch die Paare von Teilstrichen tθi-1, tθi und tβi-1, tβi auf den absoluten Skalen der Winkeldekodierer ergeben, gemäß Δtθj = |tθi-1 - tθi| und Δtβj = |βi-1 - tβi|, entsprechend zugewiesen, wodurch die Kalibration erfolgt.The angle differences Δθ j and Δβ j become the partial distances on the absolute scale of the angle encoders, which result from the pairs of graduation marks t θi-1 , t θi and t βi-1 , t βi on the absolute scales of the angle decoders, according to Δt θj = |t θi-1 - t θi | and Δt βj = | βi-1 - t βi |, assigned accordingly, whereby the calibration occurs.
Das Erreichen eines Extremwertes im Photoionisationsspektrum ist in vorteilhafter Weise als Umkehr der Zunahme oder Abnahme des Signals (bzw. Umkehr des Vorzeichens der Signaländerung) zu definieren.Reaching an extreme value in the photoionization spectrum can advantageously be defined as a reversal of the increase or decrease in the signal (or reversal of the sign of the signal change).
In Abhängigkeit des zu kalibrierenden Winkelbereichs wird der Schritt c. mindestens zweimal wiederholt bzw. so lange, bis ein genügend großer Bereich auf den absoluten Skalen der Winkelkodierer abgedeckt ist. Genügend ist der Bereich, wenn aus Limitierungen am Gerät (z.B. Endlagenschalter) nicht weiter ausdehnbar oder vom Fachmann entsprechend der angedachten Verwendung des Plangittermonochromators als ausreichend bewertet wird. Es entsteht so eine Kalibration der absoluten Skalen, ausgehend von einem Startpunkt, in Winkeldifferenzen, die unabhängig von einer aktuellen Winkellage gültig ist. Anhand der Kalibrierung der absoluten Skalen kann somit immer, auch nach Verlust der Kenntnis der aktuellen Winkelposition, ohne erneute Kalibrierung und unabhängig von einem Cθ - Wert Winkelwerte bestimmt werden. Fehler der Absolut-Skalen können zudem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert oder sogar annähernd eliminiert werden. Die Kalibrierung kann außerdem in situ erfolgen, d.h. im laufenden Betrieb des Monochromators.Depending on the angular range to be calibrated, step c. repeated at least twice or until a sufficiently large range is covered on the absolute encoder scales. The range is sufficient if it cannot be extended further due to limitations on the device (e.g. limit switches) or if it is assessed as sufficient by the specialist in accordance with the intended use of the planar grating monochromator. This results in a calibration of the absolute scales, starting from a starting point, in angular differences, which is valid regardless of a current angular position. Based on the calibration of the absolute scales, angle values can always be determined, even after the knowledge of the current angle position has been lost, without renewed calibration and independently of a C θ value. In addition, errors in the absolute scales can be reduced or even almost eliminated with the method according to the invention. Calibration can also be performed in situ, ie while the monochromator is in operation.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von drei Figuren näher erläutert werden.
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1 : Schematische Darstellung eines nach Anspruch 1 gattungsgemäßen Plangittermonochromators (Stand der Technik). -
2 : Kalibrationskurve für den Winkel θ(a) und den Winkel β (b) gewonnen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Simulation). -
3 : Abbildung der Fehler der Korrektur der Skala des Winkeldekodierers für den Winkel θ(a) und den Winkel β(b) der durch die Kalibration erfolgt (Simulation).
-
1 : Schematic representation of a generic plan grating monochromator according to claim 1 (prior art). -
2 : Calibration curve for the angle θ(a) and the angle β(b) obtained with the method according to the invention (simulation). -
3 : Illustration of the errors of the correction of the scale of the angle decoder for the angle θ(a) and the angle β(b) made by the calibration (simulation).
In dem Ausführungsbeispiel entspricht der Plangittermonochromator einem solchen, wie er in dem Aufsatz 7 von R. Follath und F. Senf (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Vol. 390, 1997, S. 388-394) beschrieben ist. Die nötige Kollimation des einfallenden Röntgenstrahls, wird mit einem torroidalen Spiegel bewirkt. Die Ausführung entspricht ansonsten der, die in der
In dem Ausführungsbeispiel sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei Extremwerte eines Stickstoffionisationsspektrums ausgewählt, die nach dem Aufsatz 6 bei E1 = 400,88 eV, Maximum, und bei E2 = 400,99 eV, nächstes Minimum, liegen.In the exemplary embodiment, two extreme values of a nitrogen ionization spectrum are selected for carrying out the method according to the invention, which, according to article 6, are at E 1 =400.88 eV, maximum, and at E 2 =400.99 eV, next minimum.
Der Startpunkt des Verfahrens wird durch aufsuchen des ersten Extremwertes E1 des Photoionisationsspektrumsvon von Stickstoff in der Ionisationskammer durch Variation des Gesamtablenkwinkels 2θ am Plangittermonochromator und Beugungswinkel β des Plangitters und, im Ausführungsbeispiel, geodätische Bestimmung des zugehörigen Ablenkwinkel θ0 des Planspiegels und Berechnung des zugehörigen Winkelwertes β0 des Plangitters und Zuweisung der Winkelwerte zu den aktuellen Teilstrichen, tθ0 und tβ0, der Winkeldekodierer bestimmt. Dabei ist im Ausführungsbeispiel am Startpunkt: E1 = 400,88 eV, λ = 3,0928 nm, K = 0,00371, bei einem geodätisch bestimmten θ0 = 87,404° bzw. 2θ0 = 174,808° wird mit Formel (4) β0 = 84,607° für den Energiewert von E1 berechnet.The starting point of the method is by looking for the first extreme value E 1 of the photoionization spectrum of nitrogen in the ionization chamber by varying the total deflection angle 2θ on the plane grating monochromator and diffraction angle β of the plane grating and, in the exemplary embodiment, geodetically determining the associated deflection angle θ 0 of the plane mirror and calculating the associated angle value β 0 of the plane grid and assigning the angle values to the current tick marks, t θ0 and t β0 , the angle decoder determines. In the exemplary embodiment at the starting point: E 1 = 400.88 eV, λ = 3.0928 nm, K = 0.00371, with a geodetically determined θ 0 = 87.404° or 2θ 0 = 174.808°, formula (4) β 0 = 84.607° calculated for the energy value of E 1 .
Anschließend wird im Ausführungsbeispiel das Plangitter rotiert, bis der nächste Extremwert im Photoionisationsspektrum von Stickstoff, das Minimum bei E2 = 400.99 eV, erreicht ist (c. (i)). Anhand des vorherigen bestimmten nominellen Wertes für den Winkel des Planspiegels, der zuletzt nicht rotiert wurde, θ0 = 87,404°, und der Energie des zweiten Extremwertes E2 = 400,99 eV wird anhand der Formel (4) der Wert für β1 bestimmt. Aus den Teilstrichen des Winkelkodierers des Plangitters vor der Rotation tβ0 und nach der Rotation tβ1 wird ein Wertepaar gebildet. Diesem Wertepaar wird die nominelle Winkeldifferenz Δβ1 zugewiesen, die sich aus der Differenz für β0 und β1 gemäß Δβ1 = |β0 - β1| ergibt (c. (iii)).In the exemplary embodiment, the plane grating is then rotated until the next extreme value in the photoionization spectrum of nitrogen, the minimum at E 2 =400.99 eV, is reached (c. (i)). Using the previously determined nominal value for the angle of the plane mirror that was not rotated last, θ 0 = 87.404°, and the energy of the second extreme value E 2 = 400.99 eV, the value for β 1 is determined using formula (4). . A pair of values is formed from the graduation marks of the angular encoder of the plane grating before the rotation t β0 and after the rotation t β1 . The nominal angle difference Δβ 1 is assigned to this pair of values, which results from the difference for β 0 and β 1 according to Δβ 1 = |β 0 - β 1 | gives (c.(iii)).
Dann wird der Planspiegel zurückrotiert, bis das erste Maximum des Photoionisationsspektrums von Stickstoff erneut erreicht ist (c. (ii)). Anhand des vorherigen bestimmten nominellen Wertes für den Winkel des Plangitters, der zuletzt nicht rotiert wurde, β1, und der Energie des ersten Extremwertes E2 = 400,88 eV wird anhand der Formel (5) der Wert für θ1 bestimmt. Aus den Teilstrichen des Winkelkodierers des Planspiegels vor der Rotation tθ0 und nach der Rotation tθ1 wird ein Wertepaar gebildet. Diesem Wertepaar wird die nominelle Winkeldifferenz Δθ1 zugewiesen, die sich aus der Differenz für θ0 und θ1 gemäß Δθ1 = |θ0 - θ1| ergibt (c. (iii)).Then the plane mirror is rotated back until the first maximum of the photoionization spectrum of nitrogen is reached again (c. (ii)). Using the previously determined nominal value for the angle of the plane grating that was not rotated last, β 1 , and the energy of the first extreme value E 2 = 400.88 eV, the value for θ 1 is determined using formula (5). A value pair is formed from the graduation lines of the angle encoder of the plane mirror before the rotation t θ0 and after the rotation t θ1 . The nominal angular difference Δθ 1 is assigned to this pair of values, which results from the difference for θ 0 and θ 1 according to Δθ 1 = |θ 0 -θ 1 | gives (c.(iii)).
Dann wird wieder das Plangitter rotiert, bis wiederum der zweite Extremwert erreicht ist und entsprechend die Winkel bestimmt und den Wertepaaren der Teilstriche des Winkeldekodierers des Plangitters zugeordnet. Anschließend erfolgt wieder die Rotation mit dem Planspiegel zum ersten Extremwert zurück und sofort, bis ein genügend großer Winkelbereich abgedeckt ist oder das Verfahren durch äußere Begrenzung (z.B. Endlagenschalter) nicht weiter ausgeführt werden kann.The plane grating is then rotated again until the second extreme value is reached and the angles are determined accordingly and assigned to the value pairs of the graduations of the angle decoder of the plane grating. Then the plane mirror is rotated back to the first extreme value and immediately until a sufficiently large angular range is covered or the process cannot be carried out further due to external limitations (e.g. limit switches).
In der
Es entsteht so eine Kalibration der absoluten Skalen, ausgehend von einem Startpunkt, in Winkeldifferenzen, die unabhängig von einer aktuellen Winkellage und eines Cθ-Wertes, welcher während dem Verfahren laufend geändert wird, gültig ist. Anhand der Kalibrierung der absoluten Skalen kann somit immer, auch nach Verlust der Kenntnis der aktuellen Winkelposition, ohne erneute Kalibrierung und unabhängig von einem Cθ - Wert, Winkelwerte bestimmt werden. Fehler der absoluten Skalen können zudem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert oder sogar annähernd eliminiert werden. Die Kalibrierung kann außerdem in situ erfolgen, d.h. im laufenden Betrieb des Monochromators.This results in a calibration of the absolute scales, starting from a starting point, in angular differences, which is valid independently of a current angular position and a C θ value, which is continuously changed during the process. Based on the calibration of the absolute scales, angle values can always be determined, even after the knowledge of the current angle position has been lost, without renewed calibration and independently of a C θ value. In addition, errors in the absolute scales can be reduced or even almost eliminated with the method according to the invention. Calibration can also be performed in situ, ie while the monochromator is in operation.
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