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Die
Erfindung betrifft ein röntgen-
bzw. Neutronen-optisches System mit einer Röntgen- bzw. Neutronen-Quelle,
von der entsprechende Strahlung als Primärstrahl auf eine zu untersuchende
Probe geführt
wird, mit einem Röntgen- bzw. Neutronen-Detektor
zum Empfang von an der Probe gebeugter oder gestreuter Strahlung,
wobei die Quelle, die Probe und der Detektor im Wesentlichen auf
einer Linie (=z-Achse) angeordnet sind, und wobei zwischen der Probe
und dem Detektor ein Strahlfänger
vorgesehen ist, dessen Querschnittsform senkrecht zur z-Richtung
an den Querschnitt des Primärstrahls
angepasst ist.
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Ein
gattungsgemäßes röntgenoptisches System
ist beispielsweise durch die Firmendruckschrift "HR-PHK for NanoSTAR", Instruction Handbook, Anton Paar GmbH,
Kärntner
Str. 322, A-8054 Graz (Österreich),
1998, insbesondere Seite 16, bekannt geworden.
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Zur
Untersuchung der Eigenschaften, etwa Materialeigenschaften, von
Proben werden röntgen- und
neutronenoptische Verfahren eingesetzt. Ein gebündelter Röntgen- oder Neutronenstrahl
wird dazu auf die Probe gelenkt, wo er mit der Probe auf vielfältige Weise
wechselwirkt, insbesondere durch Streuung und Beugung. Die Röntgen- oder
Neutronenstrahlung nach dem Wechselwirkungsprozess wird durch einen
Detektor registriert und anschließend ausgewertet, um auf Eigenschaften
der Probe rückzuschließen.
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Bei
vielen dieser Verfahren unterliegt nur ein kleiner Teil der Röntgen- oder
Neutronenstrahlung einer Richtungsablenkung. Der weitaus größte Teil
der Strahlung passiert die Probe unabgelenkt. Der unabgelenkte Teil
der Strahlung wird Primärstrahl
genannt, sowohl vor als auch hinter der Probe. In der Regel müssen Detektoren
zur Registrierung von gebeugter oder gestreuter Strahlung vor der
direkten Einwirkung des Primärstrahls
geschützt
werden, um irreversible Beschädigungen
am Detektor zu vermeiden. Dazu werden sogenannte Strahlfänger eingesetzt,
die den Detektor teilweise abschatten, um einen Einfall von Primärstrahlung
zu verhindern. Ein Strahlfänger
kann auch störende
divergente parasitäre
Strahlung (etwa durch Fresnel-Beugung an Blendenrändern) abschatten.
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Ein
Strahlfänger
des bekannten Standes der Technik ist in der Firmendruckschrift
der Anton Paar GmbH, aaO, beschrieben. Der Strahlfänger besteht aus
einem Goldplättchen,
welches durch Nylonfäden in
einem Stahlring fixiert ist. Die Position des Goldplättchens
in der Ringebene (xy-Ebene) kann über zwei Mikrometerschrauben
justiert werden. Der Stahlring wird am Detektor angeflanscht.
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Das
Profil des Primärstrahls,
insbesondere sein Durchmesser, ist von verschiedenen Einflussfaktoren
abhängig.
Zum einen weisen die verwendeten Komponenten wie Blenden oder die
Strahloptiken Fertigungstoleranzen auf. Zum anderen gibt es auch zeitlich
veränderliche
Eigenschaften der Strahloptik, etwa Temperatureinflüsse, Alterungserscheinungen, oder
veränderliche
experimentelle Aufbauten.
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Um
den Detektor unter diesen Umständen ausreichend
zuverlässig
vor dem Primärstrahl
schützen
zu können,
muss ein relativ großer
Strahlfänger eingesetzt
werden, der auch einen Teil der im Bereich der Kleinwinkelstreuung
(ca. 0,1 bis 5° Strahlablenkung)
anfallenden Strahlung abschattet, wodurch Informationen über die
Probe verloren gehen kann. Alternativ ist es möglich, den Strahlfänger iterativ
einer gegebenen Strahloptik anzupassen; in diesem Falle können aber
veränderliche
Eigenschaften Strahloptiken nicht korrigiert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen Strahlfänger bereitzustellen, der
den Detektor vor der Einwirkung des Primärstrahls und divergenter parasitärer Störstrahlung schützt, und
gleichzeitig einen möglichst
großen, wählbaren
Anteil von gebeugter oder gestreuter Strahlung zum Detektor gelangen
lässt,
wobei der Strahlfänger
zeitlich veränderlichen
Eigenschaften der Strahloptik leicht anpassbar ist.
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Diese
Aufgabe wird auf überraschend
einfache, aber wirkungsvolle Weise bei einem Röntgen- oder neutronenoptischen
System der eingangs vorgestellten Art dadurch gelöst, dass
der Strahlfänger zur
optimalen Einstellung des Verhältnisses
der auf den Detektor gelangenden Nutzstrahlung zur Störstrahlung
entlang der z-Richtung verschiebbar angeordnet ist.
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Nach
dem Durchdringen der Probe ist der Primärstrahl in aller Regel divergent,
d.h. der Strahldurchmesser nimmt mit dem Ausbreitungsweg entlang
der Strahlachse (z-Achse) zu. Durch die erfindungsgemäße Verschiebbarkeit
des Strahlfängers
in z-Richtung, d.h. auf den Detektor zu bzw. vom Detektor weg kann
der Strahlfänger
an genau die Position im Strahlengang verfahren werden, an der der
feste Durchmesser des Strahlfängers
und der örtlich
veränderliche
Durchmesser des Primärstrahles
(und der parasitärer
Streustrahlung) übereinstimmen.
Durch diesen Aufbau werden der Primärstrahl und parasitäre Streustrahlung
vom Detektor ferngehalten, gleichzeitig können strahlnahe Beugungserscheinungen vom
Detektor weitestgehend erfasst werden.
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Anders
ausgedrückt
kann erfindungsgemäß der Durchmesser
des Schattenwurfes des Strahlfängers
in der Detektorebene (senkrecht zur Strahlachse, z-Richtung) beliebig
eingestellt werden. Wenn der Schattenwurf des Strahlfängers genau
den Strahlfleck des Primärstrahls
und etwaiger parasitärer Strahlung
in der Detektorebene abdeckt, ist der Strahlfänger optimal positioniert.
Der Durchmesser des Schattenwurfs kann auf die Gegebenheiten des Experiments,
insbesondere auf die genauen Abmessungen der Komponenten, abgestimmt
werden. Auch ist eine Veränderung
des Schattenwurfs, um sich zeitlichen Änderungen der Eigenschaften
der Strahloptik anzupassen, leicht möglich.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems
ist das System zur Messung von Kleinwinkel-Streuung, insbesondere
zwischen 0,1° und
5° eingerichtet.
In diesem Fall ist eine genaue Ausblendung der Störstrahlung
von Primärstrahl
und divergenter parasitärer Strahlung
besonders vorteilhaft, um den größtmöglichen
Informationsgehalt der detektierten Nutzstrahlung zu gewährleisten,
denn die Nutzstrahlung bei Kleinwinkelstreuexperimenten ist vornehmlich
strahlnah gebeugte Strahlung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass der Strahlfänger
in einer xy-Ebene
senkrecht zur z-Richtung justierbar ist. Dadurch kann nicht nur der
Durchmesser, sondern auch die Position des Schattenwurfs des Strahlfängers in
der Detektorebene eingestellt werden.
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Vorteilhaft
ist weiterhin eine Ausführungsform,
bei der der Strahlfänger
eine runde, vorzugsweise eine kreisförmige Querschnittsform aufweist. In
der Regel sind die Querschnitte von Primärstrahl und parasitärer Streustrahlung
ebenfalls rund ausgeformt, so dass in diesem Fall der Strahlfänger in
seiner Querschnittsform dem Regelfall angepasst ist.
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Bevorzugt
ist weiterhin eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems,
bei der der Strahlfänger
eine Kegelstumpf-ähnliche
Form aufweist. Die Kegelachse ist dabei an der Strahlachse ausgerichtet,
und die breitere Kegelstumpfseite ist der Quelle bzw. der Probe
zugewandt. In diesem Fall definiert die breite Kegelstumpfseite
mit ihrem Rand eine scharfe Grenze des abgeschatteten Bereichs im Strahlengang.
Wechselwirkungen von Strahlung mit der Kegelmantelfläche sind
weitgehend ausgeschlossen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Systems
sieht vor, dass der Strahlfänger
aus einem für
die Strahlung stark absorbierenden Material aufgebaut ist, insbesondere
aus Au und/oder Sb und/oder Pb und/oder W und/oder Bi. In diesem
Falle kann der Strahlfänger
relativ dünn und
leicht ausgebildet werden, was dessen Justage erleichtert.
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Vorteilhaft
ist weiterhin eine Ausführungsform,
bei der der Strahlfänger
motorisch in z-Richtung verfahrbar ist. Dadurch kann die Justage
in z-Richtung maschinell mit großer Präzision durchgeführt werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der das System
nach vorgebbaren Kriterien automatisch justierbar ist. Insbesondere
kann die automatische Justage nach jeder Veränderung des experimentellen
Aufbaus oder vor jeder Messung durchgeführt werden. Es werden dann
unter optimalen Bedingungen die Messungen durchgeführt. Typische
Kriterien sind zum Beispiel das Unterschreiten einer gewissen oberen
Grenzleistung von Strahlung am Detektor.
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Vorteilhaft
ist weiterhin eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems,
bei der die dem einfallenden Strahl zugewandte Fläche des Strahlfängers konkav
gestaltet ist. Die Strahlung fällt dann
näherungsweise
senkrecht auf die Oberfläche des
Strahlfängers,
und eine hohe Absorption der Strahlung wird erreicht.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform sieht
vor, dass der Detektor ein Ein-Element-Detektor (nulldimensionaler
Detektor) ist, der einen definierten Winkelbereich um die z-Achse
abfahren kann. Ein-Element-Detektoren sind besonders preisgünstig und
zuverlässig.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist der Detektor ein eindimensionaler Detektor. Durch diesen kann
eine Steigerung der Messgeschwindigkeit bei Vermessen eines Winkel-
bzw. Raumwinkelbereiches erreicht werden.
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Noch
größere Messgeschwindigkeiten
bei Vermessung eines Raumwinkelbereiches werden bei einer weiteren,
besonders bevorzugten, alternativen Ausführungsform erreicht, die dadurch
gekennzeichnet ist, dass der Detektor ein zweidimensionaler Flächendetektor
ist, wobei die Detektorfläche
im Wesentlichen senkrecht zur z-Richtung angeordnet ist. Flächendetektoren
sind besonders empfindlich.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale
erfindungsgemäß jeweils einzeln
für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1: den schematischen Strahlengang
in einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
mit in z-Richtung justiertem Strahlfänger;
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2: den schematischen Aufbau
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems;
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3 den schematischen Aufbau
eines in z-Richtung verschiebbaren Strahlfängers mit Federaufhängung nach
der Erfindung;
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4 den schematischen Aufbau
eines in z-Richtung verschiebbaren Strahlfängers mit Spindelantrieb nach
der Erfindung.
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In 1 ist der Strahlengang in
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen röntgen- oder neutronenoptischen
Systems dargestellt. Eine äußerst schematisch
dargestellte Quelle 1 emittiert Strahlung (Röntgen- oder Neutronenstrahlung)
entlang einer z-Achse. Die emittierte Strahlung ist divergent (oder
konvergent), d.h. ihr Querschnitt nimmt mit zunehmender Ausbreitung
in positiver z-Richtung zu (oder ab). Die Strahlung besteht im wesentlichen
aus einem kegelförmigen
Primärstrahl 2,
der in seinem äußeren Randbereich
von einem kegelförmigen Mantel
aus parasitärer
Störstrahlung 3 umschlossen ist.
Die Störstrahlung 3 kann
beispielsweise durch Beugungseffekte an Blenden, welche zur Quelle 1 gehören, entstehen.
Unter der Quelle 1 wird diejenige Vorrichtung verstanden,
die den auf die Probe fallenden Primärstrahl 2 erzeugt,
etwa ein letzter Spiegel, eine letzte Blende oder ein letzter Kollimator
hinter einer Röntgenröhre oder
einem (häufig
radioaktiven) Neutronenstrahler.
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Auf
der Strahlachse (z-Achse) des Primärstrahls 2 ist eine
Probe 4 angeordnet, die vom Primärstrahl vollständig ausgeleuchtet
werden kann. Ein Großteil
des Primärstrahls 2 durchdringt
die Probe 4 unverändert,
während
ein anderer Teil der Strahlung in nicht dargestellter Weise mit
der Probe 4 wechselwirkt und aus dem Kegelmantel von Primärstrahl 2 und
Störstrahlung 3 herausgestreut
oder -gebeugt wird.
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Weiterhin
auf der Strahlachse angeordnet sind ein Strahlfänger 5 und ein zweidimensionaler Flächendetektor 6.
Der Strahlfänger 5 ist
zwischen Probe 4 und Flächendetektor 6 angeordnet
und kann entlang der z-Achse verschoben werden. Auch ist eine Justage
der Position des Strahlfängers 5 in
einer xy-Ebene senkrecht
zur z-Richtung möglich.
Die der Probe 4 zugewandte Außenkante 7 des Strahlfängers 5 erstreckt
sich senkrecht zur z-Richtung genau so weit wie der Kegelmantel
der Störstrahlung 3 an dieser
z-Position. Dadurch wird ein Raumwinkelbereich 8, der durch
Kanten 9 begrenzt ist, sowohl von Strahlung des Primärstrahls 2 als
auch von Störstrahlung 3 freigehalten.
Die sich an den Raumwinkelbereich 8 anschließende Fläche des
Flächendetektors 6 bleibt
von intensiver Strahlung frei, wodurch der Flächendetektor 6 vor
Beschädigung
geschützt
wird. Die übrige
Fläche
des Flächendetektors 6 steht
zur Detektion von an der Probe 4 gebeugter oder gestreuter
Strahlung zur Verfügung.
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Wäre der Strahlfänger weiter
links, also bei einer kleineren z-Position näher an der Probe 4 angeordnet,
würde über die
Primärstrahlung 2 und
die Störstrahlung 3 hinaus
noch weitere, von der Probe 4 gebeugte oder gestreute Strahlung
absorbiert. Wäre hingegen
der Strahlfänger 5 weiter
rechts, bei einer größeren z-Position
weiter weg von der Probe 4 angeordnet, würde ein
Teil der Störstrahlung 3 oder
gar des Primärstrahls 2 auf
den Flächendetektor 6 gelangen
können.
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2 zeigt eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen röntgenoptischen
Systems. An eine Röntgenröhre 21 ist
eine optische Einrichtung 22 angeschlossen, die von der
Röntgenröhre 21 bereitgestellte
Röntgenstrahlung
aufbereitet, insbesondere monochromatisiert und bündelt. Ein
der Probe 4 zugewandtes Austrittsfenster der optischen
Einrichtung 22 definiert die Quelle 1 der Röntgenstrahlung im
Sinne der Erfindung. Die Quelle 1 emittiert den Primärstrahl
sowie gegebenenfalls parasitäre
Störstrahlung
im wesentlichen entlang einer mit der z-Achse zusammenfallenden
Strahlachse.
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Zwischen
der Probe 4 und einem Flächendetektor 6 ist
ein Strahlfänger 5 angeordnet,
der auf der Strahlachse (z-Achse) verschiebbar und arretierbar ist.
Durch die Verschiebung des Strahlfängers 5 kann die auf
den Flächendetektor 6 fallende
Röntgenstrahlung
definiert werden, um Störstrahlung
von der Detektion auszuschließen
und möglichst
viel Nutzstrahlung einer Detektion zuzuführen.
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3 zeigt eine Ausführungsform
eines Strahlfängers 31 im
Rahmen der Erfindung. Der Strahlfänger 31 besteht hier
aus einem zylinderförmigen
permanentmagnetischen Plättchen
mit einer Goldbeschichtung auf seiner der Quelle zugewandten Seite.
Das Plättchen
kann auch ein massives Absorberteil, beispielsweise aus Gold, Blei,
Wismut etc., sowie ein permanentmagnetisches Element aufweisen,
welches für
die Bewegung des Strahlfängers 31 in
einem Magnetfeld sorgt. Die Zylinderachse und Magnetachse fällt mit
der z-Achse zusammen. Der Strahlfänger 31 ist mittels
Kaptonfäden 35 an
Spannfedern 32 befestigt, die ihrerseits an einem ortsfesten Halterahmen 33 befestigt
sind.
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Um
den Strahlfänger 31 entlang
der z-Achse zu justieren, kann im Bereich des Strahlfängers 31 in nicht
dargestellter Weise mittels einer elektromagnetischen Spule eine
Magnetfeld in z- oder -z-Richtung erzeugt werden. Dadurch wird eine
Kraft auf den Strahlfänger 31 ausgeübt. Diese
Kraft sorgt für
eine Auslenkung des Strahlfängers 31 in
Pfeilrichtung 34. Dieser Auslenkung wirken die Spannfedern 32 mit
einer Rückstellkraft
entgegen. Im Rahmen des Hook'schen
Gesetzes ist die Auslenkung des Strahlfängers 34 aus der dargestellten
Mittelposition linear mit dem in der elektromagnetischen Spule fließenden Gleichstrom,
wodurch die z-Position des Strahlfängers 31 leicht einstellbar
ist. Die elektromagnetische Spule kann vorteilhafter Weise im Halterahmen 33 integriert
sein.
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Anstelle
einer magnetischen Vorrichtung zur Bewegung des Strahlfängers 31 können auch
mechanische Konstruktionen eingesetzt werden.
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Zur
Justage des Strahlfängers 31,
insbesondere zur Prüfung
der Blockierung des Primärstrahls, kann
statt eines empfindlichen Detektors entweder ein robuster Hilfsdetektor
eingesetzt werden, der durch eine direkte Primärstrahleinwirkung nicht beschädigt wird,
oder aber die Strahlungsleistung der Quelle wird für die Justagemessung
so weit reduziert, dass eine Beschädigung des empfindlichen Detektors
ausgeschlossen ist. Dies kann beispielsweise durch einen Absorber
im Primärstrahl
geschehen.
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4 zeigt eine andere Ausführungsform
eines Strahlfängers 41 im
Rahmen der Erfindung. Der Strahlfänger 41 besteht aus
einem zylinderförmigen Plättchen mit
der Zylinderachse entlang der z-Achse. Der Strahlfänger 41 ist
auf einem Stativ 42 angeordnet. Dieses Stativ 42 wird
in einer parallel zur z-Achse
verlaufenden Schiene 43 geführt. Ein Fuß 44 des Stativs 42 weist
ein Gewinde auf, in dem eine Spindel 45 verläuft. Diese
Spindel 45 ist über
Backen 46, 47 an der Schiene 43 befestigt
und über
einen nicht dargestellten Motor antreibbar. Durch Drehung der Spindel
wird der Fuß 44 entlang
der Schiene 43 verschoben, wodurch das gesamte Stativ 42 in
Pfeilrichtung 48 verschoben wird. Dies resultiert in einer
Positionierung des Strahlfängers 41 auf
der z-Achse. Die gesamte
Anordnung mit dem Strahlfänger 41 ist
innerhalb einer Strahlungsabschirmung 49 angeordnet.
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Strahlfänger, welche
in allen drei Raumrichtungen justierbar sind, können dazu eingesetzt werden,
auch einzelne gebeugte Strahlen in einem Beugungsspektrum abzuschatten
und auszublenden. Insofern können
auch mehrere Strahlfänger
im Rahmen dieser Erfindung miteinander kombiniert werden.