DE1622090C - Röntgenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Röntgenspektrometer mit einer vorzugsweise durch Bombardierung eines Prüflings mit einem gesammelten Elektronenstrahl oder durch Ausblenden eines Teils eines diffusen Röntgenstrahles mittels eines Spaltes erzeugten Röntgenstrahlquelle, einem reflektierenden Beugungselement und einem Detektor sowie gegebenenfalls einer diese Bauteile einschließenden Vakuumkammer, wobei das Beugungselement von der Röntgenstrahlquelle weg und auf sie zu beweglich ist, und zwar vorzugsweise auf einer geraden Bahn, wobei ferner ein Gestänge zur Führung des Detektors, vorzugsweise einer Lemniskate, vorgesehen ist, so daß die Röntgenstrahlquelle, das Beugungselement und der Detektor stets auf dem Rowland-Kreis liegen, der sich um die feststehende Röntgenstrahlquelle bewegt, und wobei schließlich ein Steuermechanismus zur ständigen Ausrichtung des Detektors auf das Beugungselement sowie zur Einhaltung des für die Lage auf dem Rowland-Kreis erforder- a° liehen Abstandes zwischen Detektor und Beugungselement vorhanden ist.

Bei normalen Spektrometern kommen Kristalle als Beugungselemente zur Anwendung, welche als sehr feine Gitter wirken. Es ist bekannt (britische Patentschrift 948 673), bei' gekrümmten, voll bündelnden Kristallen dafür zu sorgen, daß die Röntgenstrahlquelle, der Kristall und der Detektor für die vom Kristall zerlegte Röntgenstrahlung auf dem Umfang eines Kreises liegen, des sogenannten Rowland-Kreises, dessen Durchmesser dem Krümmungsradius des Kristalls gleich ist. Ist die Röntgenstrahlquelle an einem festen Punkt angeordnet, dann muß sich der Kristall bei einem zur Veränderung des Einfallwinkels der Röntgenstrahlen erfolgenden Drehen um den Kreis bewegen. Der Detektor muß sich dann gleichfalls um den Kreis verschieben, jedoch mit doppelter Geschwindigkeit.

Statt dessen kann auch unter Aufgabe eines ortsfesten Rowland-Kreises so vorgegangen werden, daß der Kristall in einer willkürlichen Bahn geführt wird, wobei der Rowland-Kreis, welcher lediglich als imaginäre geometrische Figur vorhanden zu sein hat, um die Röntgenstrahlquelle rollt, und ein geeigneter Steuerniechanismus den Detektor an der bezüglich der Röntgenstrahlquelle und dem Kristall richtigen Stelle hält, d. h. derart, daß der Einfallwinkel der Röntgenstrahlen am Mittelpunkt (Pol) des Kristalls dem Reflexionswinkel der Strahlen zum Detektor hin gleich ist, ferner auch der Abstand zwischen dem Kristall und dem Detektor stets derselbe ist wie zwischen der Röntgenstrahlquelle und dem Kristall. Die erwähnte willkürliche Bahn ist normalerweise linear und verläuft durch die Röntgenstrahlquelle. Ein so ausgestaltetes Gerät wird als Linear-Spektrometer bezeichnet.

Es ist bekannt, an Stelle von Kristallen mit Teillinien versehene Gitter zu verwenden, wenigstens für diejenigen Wellenlängen, für welche Kristalle mit geeignetem Gitterabstand nicht vorhanden sind. Es ist auch bekannt, in Spektrometern geblazte oder gestufte Gitter zu verwenden, da solche Geräte bekanntermaßen eine möglicherweise weit größere Empfindlichkeit haben als Spektrometer mit ebenen, ungeblazten bzw. ungestuften Gittern, weil ein gestuftes Gitter so verwendet werden kann, daß der größere Teil der Strahlung in einer besonderen von Null abweichenden Beugungsordnung konzentriert wird.

Es gehört ein Spektrometer mit einem gestuftei Gitter zum Stand der Technik (USA.-Patentschrii 3 394 756), dessen Gestänge zur Führung der beweg liehen Teile jedoch keine korrekte Stellung des De tektors, bezogen auf das Gitter und die Röntgen strahlquelle, gewährleistet. Eine Schwierigkeit bei de, Verwendung von Gittern mit gestufter Vorderfläclu beruht, wie noch näher erläutert werden wird, darin, daß der Einfallwinkel der Röntgenstrahlen, bezogen auf die mittlere Gesamtoberfläche des Gitters an seinem Pol, dem Ausfallwinkel nicht gleich ist. Das Gestänge des bekannten Gerätes vermittelt nur unter der Voraussetzung eine korrekte Führung des Detektors, daß nämlich der Sinus eines Winkels dem Winkel selbst gleich ist. Diese Voraussetzung stimmt jedoch nur, wenn der Abprallwinkel und der Stufenwinkel klein sind, und selbst dann ist diese Voraussetzung nicht korrekt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Röntgenspektrometers mit einem gekrümmten Gitter mit gestufter Vorderfläche, wobei jedoch der Detektor und das Gitter während der Verschiebung des Gitters genau und exakt aufeinander ausgerichtet sind, ohne jede Annäherung, und wobei ferner ein Steuermechanismus vorgesehen ist, welches nicht erfordert, daß das Zentrum des Rowland-Kreises zugängig ist.

Dies ist mit einem Röntgenspektrometer der eingangs angegebenen Art erzielt, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Beugungselement als an sich bekanntes konkaves Gitter mit gestufter Vorderfläche und unterschiedlichen Einfall- und Reflexionswinkeln ausgebildet ist, welches auf einem beweglichen Träger mit einer Schwenkachse angeordnet ist, die stets auf dem Rowland-Kreis liegt, wobei die Schwenkachse und der wahre, ebenfalls auf dem Rowland-Kreis liegende Pol des Gitters einen Zentriwinkel des Rowland-Kreises einschließen, der gleich dem Zweifachen des Stufenwinkels vom Gitter ist, und wobei der den Detektor steuernde Mechanismus die Abstände zwischen Detektor und Schwenkachse einerseits sowie zwischen der Schwenkachse und der Röntgenstrahlquelle andererseits gleich hält.

Zur Steuerung der Winkelstellung des Detektors kann ein 2 : 1-Übersetzungsgestänge vorgesehen sein, beispielsweise ein Getriebe, das an dem Pseudopol bzw. der Schwenkachse des Trägers an demselben angreift, und zwar über einen daran angelenkten Arm, so daß der Detektor gegenüber dem Gitter sich um einen Winkel verschiebt, der zweimal so groß ist wie der Winkel, um den sich das Gitter gegenüber der Röntgenstrahlquelle bewegt, wenn alle diese Teile verschoben werden. Das 2: !-Übersetzungsgetriebe bzw. der erwähnte Arm kann auch am wahren Gitterpol angelenkt sein.

Zur Steuerung des Abstancles zwischen dem Pseudopol bzw. der Schwenkachse und dem Detektor ist vorzugsweise ein flexibles, nicht dehnbares Band vorgesehen, welches vom Detektor um die Schwenkachse zu einem in einem bestimmten Abstand von der Röntgenstrahlquelle auf der durch die Schwenkachse und die Quelle laufenden Geraden liegenden Punkt gespannt ist. Der letztgenannte Punkt kann ortsfest sein.

Mit Vorteil sind der Gitterpol und die Gitterschwenkachse bzw. der Gitterpseudopol entlang von Geraden verschieblich, welche sich in der Röntgenstrahlquelle schneiden.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 die Ansicht eines Querschnitts durch einen Teil eines Gitters mit gestufter Vorderfläche, wobei die wichtigen Winkel eingezeichnet sind, F i g. 2 eine Darstellung eines Rowland-Kreises,

F i g. 3 die schematische Wiedergabe der Bahn eines Röntgenstrahldetektors eines Spektrometers, bei dem der Kristall oder das Gitter auf einer geraden Bahn zur Röntgenstrahlquelle hin und davon weg verschoben wird,

F i g. 4 eine schematische Wiedergabe einer Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 fallen die aus der Röntgenstrahlquelle kommenden Röntgenstrahlen mit einem streifenden Einfallwinkel Φ auf das Plangitter mit gestufter Vorderfläche, wobei der Winkel Φ auf die mittlere Gesamtoberfläche des Gitters bezogen ist. Mit dieser Fläche schließen die Stufen auf der Vorderseite des Gitters einen Stufenwinkel β ein. Die so größte Empfindlichkeit eines Gitters mit gestufter Vorderfläche ergibt sich dann, wenn der Beugungswinkel des Gitters den Einfallwinkel Φ um das Doppelte des Stufenwinkels β überschreitet, also gleich Φ + 2ß ist. *5

Die Gitterformel ist dann:

nXja = cos Φ — cos (Φ + 2ß) = 2ύη(Φ + ß)sinß,

wobei λ die Wellenlänge der einfallenden Röntgenstrahlen, η die Ordnung der Beugung und α der Gitterabstand ist.

In F i g. 2 ist der normale Rowland-Kreis für ein Spektrometer mit einem Kristall oder einem Plangitter C, einer Röntgenstrahlquelle 5 und einem Detektor D dargestellt. Bei der Verwendung eines Gitters mit gestufter Vorderfläche, wobei Einfall- und Ausfallwinkel nicht gleich sind, ist die Stellung des Gitters G von derjenigen des Kristalls oder Plangitters C verschieden. ■

Im Falle eines Kristall-Spektrometers mit entlang einer geraden Bahn bewegtem Kristall C bewegt sich der Detektor D entlang einer Lemniskate, um stets die richtige Stellung in bezug auf den Kristall C einzuhalten. Dies ist in F i g. 3 wiedergegeben.

Durch die Erfindung wird zusätzlich der an sich bekannte Vorteil vermittelt, daß im Mittelpunkt des Rowland-Kreises kein Bauteil angeordnet ist. Dieser Mittelpunkt stellt also einen rein imaginären Drehpunkt dar. Wenn der Krümmungsradius des Gitters groß und der Einfallwinkel nur in einem kleinen Bereich sich verändert, dann ist der Raumbedarf der Anordnung wesentlich kleiner als derjenige mit einem Schwenk- oder Drehpunkt im Mittelpunkt des Rowland-Kreises. Ist das erfindungsgemäße Spektrometer mit einer Vakuumkammer versehen, dann kann der Mittelpunkt des Rowland-Kreises bei einigen oder aber auch bei allen Stellungen von Röntgenstrahlquelle, Detektor und Gitter zueinander außerhalb der Vakuumkammer liegen.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist die Röntgenstrahlquelle S beispielsweise von einem Punkt auf dem zu analysierenden Prüfling gebildet, der durch den Aufprall eines genau fokussierten Strahles oder einer sogenannten Elektronensonde aktiviert ist, oder sie ist von einem ausgerichteten Strahl einer diffusen Quelle gebildet. Ein geblaztes, d. h. mit einer gestuften Vorderfläche versehenes Gitter G mit einem Stufenwinkel β wird entlang einer geraden Bahn L zur Röntgenstrahlquelle 5 hin und davon weg bewegt, so daß das Gitter G stets die von der Quelle 5 in einer bestimmten Richtung ausgestrahlten Röntgenstrahlen empfängt. Der Krümmungsradius 2 R des Gitters G ist doppelt so groß wie der Radius R des Rowland-Kreises. Wenn das Gitter G entlang der Linie L bewegt wird, wird es durch ein geeignetes Gestänge in bekannter Weise verschwenkt, so daß es stets mit der Vorderfläche zum Mittelpunkt des Rowland-Kreises gerichtet ist, also die Tangente TT' am Mittelpunkt oder Pol P vom Gitter G stets senkrecht zur Verbindungslinie desselben mit dem Mittelpunkt M des Rowland-Kreises verläuft. Der imaginäre Rowland-Kreis dreht sich um die Röntgenstrahlquelle 5.

Das Gestänge oder der Mechanismus, welches bzw. welcher das Gitter G zum Mittelpunkt M des Rowland-Kreises gerichtet hält, kann von bekannter Bauart sein und ein Sinuslineal enthalten, welches den Einfallwinkel Φ so hält, daß 2 R sin Φ gleich dem Abstand des Gitterpols P von der Röntgenstrahlquelle S ist.

Der Detektor D muß mit seinem Aufnahmespalt auf dem RowlandTKreis gehalten werden. Dies wird durch Steuerung des Detektorabstands vom Pseudopol P' und durch Steuerung der Detektorwinkelstellung bezüglich eines Punktes auf dem Rowland-Kreis erreicht.

Zur Steuerung der Detektorwinkelstellung kann der Detektor D bzw. sein Aufnahmespalt am freien Ende eines Armes angebracht werden, der beispielsweise um den Pseudopol P' verschwenkbar und mit dem Gitterträgers durch einen 2:1-Übersetzungsgestänge oder -getriebe oder durch ein Parallelgestänge verbunden ist, so daß der Winkel SP'D stets zweimal so groß wie der Winkel SP'M ist. Eine solche Verbindung ist bei Kristall-Spektrometern bekannt, bei denen der Winkel zwischen der geraden Bewegungsbahn L und der Verbindungslinie P-D gleich dem zweifachen Einfallswinkel Φ ist.

Bei einer anderen Ausführungsform kann die Winkelstellung des Detektors D bzw. seines Aufnahmespaltes dadurch gesteuert werden, daß der Detektor D bzw. der Aufnahmespalt am Ende eines um den Pol P des Gitters G daran verschwenkbaren Armes angebracht ist, welcher über ein ähnliches Getriebe oder Gestänge mit dem Gitterträger B verbunden,ist. In diesem Fall muß das Getriebe bzw. Gestänge so abgestimmt sein, daß der Winkel zwischen der Geraden L und der Verbindungslinie P-D gleich der zweifachen Summe des Gittereinfallwinkels und des Gitterstufenwinkels β ist.

Das Gitter G ist erwähntermaßen an einem Träger B befestigt und weist eine Schwenkachse oder einen Pseudopol P' auf. Wenn sich das Gitter G dreht, dreht sich also auch der Gitterträger B, wobei der Pseudopol bzw. die Schenkachse P' auf dem Rowland-Kreis bleibt. Der Abstand des wahren Pols P von dem Pseudopol bzw. der Schwenkachse P' ist derart, daß ein Zentriwinkel 2 β bzw. ein Umfangswinkel β bezüglich des Rowland-Kreises gegeben ist. Der Pseudopol P' ist derjenige Punkt eines statt des Gitters G mit gestufter Vorderfläche verwendeten Kristalls, welcher eine solche Tangente an den Rowland-Kreis definiert, welche mit der Verbindungslinie zwischen den Punkten S und P' denselben Winkel einschließt wie mit der Verbindungslinie zwi-

sehen den Punkten P' und D. Der Detektor D ist so angeordnet, daß er über den erwähnten Arm zum Gitter G hin und davon weg bewegt werden kann, wobei der Detektor D stets zum Pol P des Gitters G gerichtet bleibt. Ein Band E aus dünnem, flexiblem, aber nicht dehnbarem Material, beispielsweise aus Metall, erstreckt sich vom Detektor D um einen Führungsstift an der' Schwenkachse oder dem Pseudopol P' entlang der Bahn L' des Pseudopols bzw. der Schwenkachse P' zu einem festen Punkt F auf der Bahn L'. Eine Zugfeder H hält das Band E gespannt. Wenn der Gitterträger B zur Röntgenstrahlquelle 5 oder davon weg bewegt wird, dann verschiebt das Band E den Detektor D entlang dem erwähnten Arm derart, daß das Verhältnis der Abstände zwischen der Röntgenstrahlqüelle 5 und dem Gitterpol P einerseits und dem Gitterpol P sowie dem Detektorspalt D so bleibt, daß der Detektor D bzw. sein Spalt auf dem . Rowland-Kreis gehalten ist. Die erwähnten Abstände sind nicht gleich.

Durch die Wahl eines Pseudopols als Bezugspunkt ist es möglich, die gegenseitige Stellung von Röntgenstrahlquelle S, Gitter G mit gestufter Vorderfläche und Detektor D bzw. Detektorspalt optimal zu halten, ohne daß irgendwelche Annäherungen gebraucht werden müßten und ohne daß der Stufenwinkel β und der streifende Einfallwinkel Φ klein gehalten werden müßten.

Die Benutzung eines Pseudopols P' oder eines 2 : 1-Gestänges oder -getriebes, welches an einem Punkt auf dem Rowland-Kreis angelenkt bzw. darum verschwenkbar gelagert ist. ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung beschränkt, bei welcher das Gitter G entlang einer geraden Bahn beweglich ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Röntgenspektrometer mit einer vorzugsweise durch Bombardierung eines Prüflings mit einem gesammelten Elektronenstrahl oder durch Ausblenden eines Teils eines diffusen Röntgenstrahles mittels eines Spaltes erzeugten Röntgenstrahlquelle. einem reflektierenden Beugungselement und einem Detektor sowie gegebenenfalls einer diese Bauteile einschließenden Vakuumkammer, wobei das Beugungselement von der Röntgenstrahlquelle weg und auf sie zu beweglich ist, und zwar vorzugsweise auf einer geraden Bahn, wobei ferner ein Gestänge zur Führung des Detektors, vorzugsweise entlang einer Lemniskate, vorgesehen ist, so daß die Röntgenstrahlquelle, das Beugungselement und der Detektor stets auf dem Rowland-Kreis liegen, der sich um die feststehende Röntgenstrahlquelle bewegt, und wobei schließlich ein Steuermechanismus zur ständigen Ausrichtung des Detektors auf das Beugungselement sowie zur Einhaltung des für die Lage auf dem Rowland-Kreis erforderlichen Abstandes zwischen Detektor und Beugungselement vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet,, daß das Beugungselement als an sich bekanntes konkaves Gitter (G) mit gestufter Vorderfläche und unterschiedlichen Einfall- und Reflexionswinkeln ausgebildet ist, welches auf einem beweglichen Träger (B) mit einer Schwenkachse (P') angeordnet ist, die stets auf dem Rowland-Kreis liegt, wobei die Schwenkachse (P') und der wahre, ebenfalls auf dem Rowland-Kreis liegende Pol (P), des Gitters (G) einen Zentriwinkel (2 fl) des Rowland-Kreises einschließen, der gleich dem Zweifachen des Stufenwinkels (ß) des Gitters (G) ist, und wobei der den Detektor (D) steuernde Mechanismus (£) die Abstände zwischen Detektor (D) und Schwenkachse (P') einerseits, sowie zwischen der Schwenkachse (P') und der Röntgenstrahlquelle (5) andererseits gleichhält.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Winkelstellung des Detektors (D) ein 2 : 1-Übersetzungsgestänge vorgesehen ist, das an der Schwenkachse (P') angelenkt ist.

, 3. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Winkelstellung des Detektors (D) ein 2 : 1-Übersetzungsgestänge vorgesehen ist, das am Gitterpol (P) angelenkt ist.

4. Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Abstandes zwischen der Schwenkachse (P') und dem Detektor (D) ein flexibles, nicht dehnbares Band (E) vorgesehen ist, welches vom Detektor (D) um die Schwenkachse (P') zu einem in einem bestimmten Abstand von der Röntgenst rahlquelle (S) auf der durch die Schwenkachse (P') und die Quelle (5) laufenden Geraden (L') liegenden Punkt (F) gespannt ist.

5. Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterpol (P) und die Gitterschwenkachse (P') entlang von Geraden (L bzw. L') verschieblich sind, welche sich in der Quelle (S) schneiden.

6. Spektrometer nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungspunkt (F) ortsfest ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen