DE1910771A1 - Goniometer mit einer Einrichtung zur Einstellung eines Untersuchungsobjektes - Google Patents

Description

• Goniometer mit einer Einrichtung zur Einstellung eines Untersuchungsobj ektes.
• Die Erfindung betrifft ein Goniometer mit einer Einrichtung zur Einstellung eines Untersuchungsobjektes um drei senkrecht auft einanderstehende Achsen im Hochvakuum.
• Für die Bestimmung von Kristallschnitten, das Ausmessen von Winkeln und für andere Untersuchungen und Experimente, bei denen ein Untersuchungsobjekt unter verschiedenen Winkeln eingestellt werden soll, verwendet man Goniometer mit einer Einrichtung, welche eine Einstellung des Objektes um drei senkrecht aufeinanderstehende Achsen erlauben. Für besondere Anwendungsfälle, insbesondere für Untersuchungen im Vakuum, sind die bekannten Goniometer wegen ihrer ungünstigen Abmessungen und der Anordnung ihrer Einstellorgane nur schlecht oder überhaupt nicht geeignet. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn das Untersuchungsobjekt aufgeheizt oder abgekühlt werden soll.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Goniometers mit einer Einstelleinrichtung, welches Untersuchungen eines Objektes im Hochvakuum, insbesondere im Ultrahochvakuum gestattet, wobei sich das Untersuchungsobjekt gegebenenfalls auch aufheizen oder abkühlen lassen soll. Ferner sollen sämtliche Winkeleinstellungen unter den Untersuchungsbedingungen durchführbar sein, ohne daß das Vakuum beeinträchtigt würde oder gar aufgehoben werden müßte. Dabei soll eine bequeme und genaue Ablesung der eingeatellten Winkel mögfloh sein. Ferner' soll die Einstellung unabhängig in jeder der drei Drehachsen er folgen, wobei der Schnittpunkt immer in der Mitte der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes liegen soll.
• Diese Aufgabe wird bei einem Goniometer mit einer Einrichtung.
• zur Einstellung eines Untersuchungsobjektes um drei senkrecht åuS-einanderstehende Achsen im Hochvakuum erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Objekthalter kardanisch in Gabeln derart gelagert ist, daß der Schnittpunkt der drei Achsen auf der Oberfläche des Objektes liegt und unabhängig von den jeweiligen Winkelstellungen seine feste räumliche Lage beibehält, daß auf dem inneren Teil einer am Drehpunkt der einen Gabel befestigten, in einer gegen das Vakuum abdichtenden Montageplatte drehbar gelagerten Hauptwelle je eine Gleitbüchse drehfest angeordnet ist, deren eine über ein Übertragungsglied mit der in der ersten Gabel gelagerten zweiten Gabel verbunden ist, während die andere über ein anderes Übertragungsglied mit dem in der zweiten Gabel drehbar gelagerten Objekthalter verbunden ist, und daß jede Gleitbüchse mit einem ihr gegenüber axial festliegenden, jedoch drehbaren Ring verbunden ist und diese Ringe unter Mitnahme ihrer Gleitbüchsen über auf der Montageplatte angeordnete Mikrometertriebe axial einstellbar sind.
• Diese Anordnung erlaubt einen sehr schmalen Aufbau, der eine Verwendung insbesondere bei räumlich begrenzten vorgegebenen Einbauverhältnissen erlaubt. Die Montageplatte, welche auf ihrer Außenseite die Bedienungselemente für die Einstellung des Objekthalters um die drei Achsen trägt, stellt gleichzeitig den vakuumdichten Abschluß zwischen dem Untersuchungsraum und der Außenwelt dar. Die in ihr gelagerte Hauptwelle, über welche gleichzeitig die Einstellung des Objekthalters um eine Schwenkachse erfolgt, trägt den gesamten aus den Gabeln und dem Objekthalter bestehenden Halterungskopf. Ferner dient sie gleichzeitig der Führung der GleitbUchsen mit ihren Ringen, über welche die Einstellungen um die beiden anderen Schwenkachsen erfolgen. Die Offnung, durch welche die Einrichtung in die Vakuumkammer eingeführt wird, braucht daher nicht viel größer zu sein als der Halterungskopf, da die radialen Abmessungen der die Einstellbewegungen übermittelnden Teile über die Kopfabmessungen praktisch nicht hinausgehen. Die auf der Hauptwelle axial geführten Gleitbuchsen mit ihren Ringen gestatten eine völlig unabhängige Einstellung des Objekthalters in allen drei Freiheitsgraden.
• Der Vorteil der geringen Radialabmessungen läßt sich mit einer leichten Bedienbarkeit und guter Ablesungsmöglichkeit verbinden, wenn die Mikrometertriebe auf der Außenseite der Montageplatte angeordnet und über durch diese hindurchgeführte und gegen sie mittels Vakuumbälgen abgedichtete Antriebs stangen mit den Ringen verbunden sind.
• Für bestimmte Untersuchungen ist es erwünscht, daß zwischen dem Objekt und den die Schwenkbewegungen übermittelnden Elementen, insbesondere den Lagern, ein möglichst geringer Wärmeaustausch stattfindet. Zur thermischen Isolierung kann daher der Objekthalter mittels dünner Stäbe, beispielsweise aus Edelstahl, an einer drehbar gelagerten Nabe befestigt sein, an welcher das Ubertragungsglied für die Drehbewegung um die Objekthalterachse angreift. Ferner können die Lager der Gabeln und Ubertragungsglieder als Spitzenlagerungen ausgebildet sein, so daß nur minimale Wärmeübergangsflächen vorhanden sind.
• Wenn das Untersuchungsobjekt aufgeheizt oder abgekühlt werden soll, kann der Objekthalter zweckmäßigerweise hohl ausgebildet werden und eine Heizvorrichtung, etwa in Form eines Elektronen emittierenden Drahtes, enthalten bzw. mit einer Kühlvorrichtung versehen sein, die beispielsweise mit einer an einen KEhlmittelvorrat angeschlossenen flexiblen Kühlmittelleitung verbunden ist. Alternativ kann die Kühlvorrichtung auch mit einer Litze aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Kupfer, verbunden sein, deren anderes Ende gekühlt wird.
• Um die Wärmeenergie beim Aufheizen des ObJektes möglichst nur diesem zuzuführen, kann man zwischen der Heizvorrichtung und der Innenwandung des Objekthalters einen Strahlungsschirm vorsehen. Ein weiterer Strahlungsschirm kann zwischen dem Objekthalter und der ihn lagernden Gabel angeordnet sein. Dadurch läßt sich eine Erwärmung der empfindlichen Lagerungen weitgehend begrenzen.
• Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: Fig, 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Bedienungselemente des erfindungsgemäßen Gonlometers; Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Halterungskopfes am inneren Ende des Goniometers; Fig. 3 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeiles der Fig. 2;1 und Fig. 4 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeiles der Fig. 3 Der Schnitt nach Fig. 1 läßt die Hauptwelle 1 erkennen, welche durch die Montageplatte 20 gerührt und in dieser gelagert ist.
• Das innere Ende der Hauptwelle 1, das in Fig. 2 dargestellt ist, trägt eine Gabel 2, in der eine zweite Gabel 3 in Spitzen gelagert ist. In dieser zweiten Gabel 3 wiederum ist mit Hilfe eines Kugellagers eine Nabe 13 gelagert, welche einen Objekthalter 4 trägt.
• Ein Untersuchungsobjekt E wird auf dem Objekthalter 4 aufgespannt.
• Mit der äußeren Gabel 2 ist ein gabelförmiges Ubertragungsglied 5 gelenkig verbunden, dessen anderes Ende über ein Gelenk mit einer Gleitbüchse 7a verbunden ist, die mit einer Paßfeder längsverschieblich auf der Hauptwelle 1, jedoch drehfest mit dieser verbunden ist. Die Gleitbüchse 7a trägt einen kugelgelagerten Ring 99 von dem aus sich eine Antriebsstange 25a zu einem in der Montageplatte 20 gelagerten Mikrometertrieb 8 erstreckt (s. Fig. l). Die Vakuumabdichtung zwischen dem Mikrometertrieb 8 bzw. der Montageplatte 20 und der Antriebs stange 25 erfolgt über einen Vakuumbalg 26, der eine Axialbewegung der Antriebsstange 25 zuläßt.
• Auf der Hauptwelle 1 ist eine zweite Gleitbüchse 7b in gleicher Weise drehfest mit der Hauptwelle und längsverschieblich auf ihr gelagert. Auch mit dieser Gleitbüchse ist ein Ring 9b verbunden, von dem aus eine zweite Antriebsstange 25b zu einem zweiten in der Montageplatte 20 gelagerten Mikrometertrieb führt, der ebenso mit Hilfe eines Vakuumbalges abgedichtet ist. Die Gleitbüchsen 7 und die auf ihnen gelagerten Ringe 9 erlauben die über tragung einer Axialbewegung der gegenüber der Hauptwelle 1 radial fest liegenden Antriebsatangen 25 auf das Antriebsende der Übertragungsglieder 5 bzw. 6, unabhängig von der Jeweiligen Winkelstellung der Hauptwelle 1.
• Das äußere Ende der in der Montageplatte 20 drehbar gelagerten Hauptwelle 1 ist zu einem Hebelarm 21 abgebogen, der mit seinem Ende in einem Zwisohenstück 23 kugelgelagert ist. Vom Zwischen stück 23 zur Montageplatte 20 verläuft ein Vakuumbalg 24, welcher den äußeren Teil der Hauptwelle vakuumdicht gegen die Umgebung abschließt. Das Zwischenstück 23 ist seinerseits in einen Mitnehmer 22 kugelgelagert, welcher um die Längsachse der Hauptwelle 1 drehu bar ist und auf einer Welle sitzt, die mit einem von einer Schnee ke angetriebenen Zahnrad verbunden ist. Uber diesen Schneckenantrieb ist eine sehr genaue Winkeleinstellung der Hauptwelle 1 möglich, die an einer Mikrometerskala abgelesen werden kann.
• Bei einer Verstellung der Winkellage der Hauptwelle l verdreht sich der gesamte aus dem Objekthalter 4 und den Gabeln 3 und 2 bestehende Halterungskopf um die Längsachse der Hauptwelle, beispielsweise von der in Fig. 3 in die in Fig. 4 gezeigte Lage.
• Infolge der Drehlagerung der Ringe 9a und 9b können sich die von der Hauptwelle 1 über die Paßfeder mitgenommenen GleitbUchsen 7a und 7b in den Ringen 9a und 9b drehen, obwohl diese Ringe wegen ihrer Verbindung mit den Antriebsstangen 25a und 25b feststehen.
• Die axiale Lage der Gleitbüchsen 7 auf der Hauptwelle 1 verändert sich wegen der über die Mikrometertriebe 8 und die Antriebsstangen 25 festgehaltene Lage der Ringe 9a und 9b nicht.
• Bei einer Betätigung des in Fig. 1 sichtbaren Mikrometertriebs 8 verschiebt sich die Antriebsstange 25a axial und verschiebt damit über den Ring 9a die Gleitbüchse 7a auf der Hauptwelle 1. Das mit der Gleitbüchse 7a über eine Spitzenlagerung verbundene Übertragungsglied 5 überträgt diese Bewegung auf den rUckQ wärtigen Teil der inneren Gabel 3, welche dabei um ihre Lagerpunkte in der äußeren Gabel 2 verschwenkt wird. Diese Schwenkbewegung, die bei einer ausgeführten Bauform etwa 20° betrug, erfolgt gem&ß Fig. 2 um eine Achse, welche senkrecht zur Zeichenebene steht und auf der linken Oberfläche des Untersuchungsobjektes E liegt.
• Sie schneidet sich mit der Drehachse der Hauptwelle 1 in einem Punkt auf der Mitte dieser Oberfläche des Objektes E.
• Uber den zweiten, in Fig. 1 unterhalb der Zeichenebene liegenden Mikrometertrieb 8 l§ßt sich die Antriebsstange 25b und damit über den Ring 9b die Gleitbüchse 7b axial verschieben Diese Bewegung über ein Kreuzgelenk auf das Übertragungsglied 6 von diesem über ein Gelenk, welches im Übertragungsglied 6 ein Kugellager und im Übertragungsgli.d 6b eine Spitzenlagerung aufweist, auf letzteres und von diesem auf die Nabe 13 übertragen, welche sich um ein mit der inneren Gabel 3 verbundenes Kugellager dreht.
• Auf der Nabe 13 ist mit dünnen Edelstahlstäben von ca. 0,5 mm Durchmesser der Objekthalter 4 befestigt, der die Drehbewegung der Nabe 13 mitmacht. Auch hier betrug der Winkelbereich dieser Dreh- oder Schwenkbewegung bei der ausgeführten Bauform etwa 20 . , Die Drehachse verläuft in Fig. 2 und 4 in der Zeichenebene, in Fig. 3 senkrecht zur Zeichenebene durch die Mitte des Untersuchungsobaektes E. Das Objekt E kann somit über die beiden Mikrometertriebe 8 und den Schneckentrieb der Hauptwelle 1 in drei unabhängigen Schwenkbewegungen um die drei senkrecht aufeinanderstehenden und sich auf der Oberfläche des Objektes im Schnittpunkt S schneidenden Achsen verdreht werden.
• Da für bestimmte Untersuchungen das Objekt E aufgeheizt oder abgekühlt werden muß, ist im hohlen Inneren des Objekthalters 4 eine Hiezvorrichtung 10 vorgesehen, die in Fig. 2 in Form einer Elektronen aussendenden Drahtwendel dargestellt ist. Hiermit läßt sich das Objekt E durch Elektronenbeschuß von hinten aufheizen, wobei Temperaturen bis 800°C erreicht wurden. Ein zwischen der Wendel und der Innenwandung des Objekthalters 4 angeordneter Strahlungsschirm 14 sorgt dafür, daß dabei nur das Objekt E, nicht aber der Objekthalter 4 aufgeheizt wird. Ein weiterer Strahlungsschirm 15 umgibt gemäß Fig. 3 den Objekthalter 4 von außen. Temperaturen von 2000C, mit denen die gesamte Vakuumapparatur ausgeheizt wird, werden von dem Goniometer ohne weiteres vertragen.
• Eine Abkühlung des Untersuchungsobjektes E läßt sich mit Hilfe einer Kühlvorrichtung erreichen, die in Fig. 2 in Form eines den vorderen Teil des Objekthalters 4 umgebenden Kühlrohres dargestellt ist, welcher über eine flexible Kühlmittelleltung 11 ein Kühlmittel zugeführt wird. Hiermit konnte das Objekt E bis -2000C abgekühlt werden.
• Die.beschriebene Einrichtung hat sich insbesondere bei Channeling- und Blocking-Experimenten zur Untersuchung von Protonenrückstreuungserscheinungen an einem Einkristall und zur Untersuchung von Leed- und Feldemissionseffekten mit gutem Erfolg einsetzen lassen. Von Vorteil sind insbesondere die günstigen Abmessungen, die eine Verwendung auch bei beschränkten Einbauverhältnissen ermöglichen. Bei einer Ausführungsform betrug der Winkelbereich für die Drehung der Hauptwelle 1, also die Kippung des Untersuchungsobjektes E um eine Achse, etwa 270°; der Kipp bereich um die andere Achse etwa 20°, wobei 1 mm Hub des Mikrometertriebs 8 einem Kippwinkel von 1,2° entsprach; der Drehbereich des Objektes betrug ebenfalls etwa 20°, wobei 1 mm Hub des Mikrometertriebs wegen des längeren Hebelarms des Übertragungsgliedes 6b ein Drehbereich von nur 1° entsprach. Sämtliche Einstellungen ließen sich von außen mit einer Einstellgenauigkeit von 6' bewirken.

Claims (9)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Goniometer mit einer Einrichtung zur Einstellung eines Untersuchungsobjektes um drei senkrecht aufeinanderstehende Achsen im Hochvakuum, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Objekthalter (4) kardanisch in Gabeln (2, 3) derart gelagert ist, daß der Schnittpunkt der drei Achsen auf der Oberfläche des Objekts (E) liegt und unabhängig von den jeweiligen Winkelstellungen seine feste räumliche Lage beibehält, daß auf dem inneren Teil einer am Drehpunkt der einen Gabel (2) befestigten, in einer gegen das Vakuum abdichtenden Montageplatte (20) drehbar gelagerten Hauptwelle (1) je eine Gleitbüchse (7a, 7b) drehfest angeordnet ist, deren eine (7a) über ein Ubertragungsglied (5) mit der in der ersten Gabel (2) gelagerten zweiten Gabel (3) verbunden ist, während die andere (7b) über ein anderes Übertragungsglied (6) mit dem in der zweiten Gabel (3) drehbar gelagerten Objekthalter (4) verbunden ist, und aß jede Gleitbüchse (7a, 7b) mit einem ihr gegenüber axial fest liegenden, jedoch drehbaren Ring (9a, 9b) verbunden ist und diese Ringe unter Mitnahme ihrer Gleitbüchsen über auf der Montageplatte (20) angeordnete Mikrometertriebe (8) axial einstellbar sind.

2.) Goniometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Objekthalter (4) mittels dünner Stäbe wärmeisolierend an einer drehbar gelagerten Nabe (13) befestigt ist.

3.) Goniometer nach Anspruch 1, d a d u r zu c h g e k e n n -z e 1 c h n e t , daß die Lager der Gabeln (2, 3) und Ubertragungsglicder (5, 6) als Spitzenlagerungen ausgebildet sind.

4.) Goniometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z z e i i c h n e t , daß der Objekthalter (4) hohl ist und eine Heizvorrichtung 6 enthält und/oder mit einer Kühlvorrichtung vers@hen ist.

5.) ) G@@iometer nach nspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Heizvorrichtung einen Elektronen emittierenden Draht aufweist.

z e i c h n e t , da die kühlvorrichtung mit einer flexiblen Kühlmittelleitung (@@) verbunder ist.

7.) Goniometer nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kühlvorrichtung mit einer Litze aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist.

8.) Goniometer nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z z e i c h n e t , daß zwischen der Heizvorrichtung (10) und i der Innenwandung des Objekthalters (4) ein Strahlungsschirm (14) angeordnet ist.

9.) Goniometer nach Anspruch 4, d a d u in c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß zwischen dem Objekthalter (4) und der zweiten Gabel (3) ein Strahlungsschirm (15) vorgesehen ist